周道玮,王敏玲,陈玉香

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春 130001;2.吉林大学生物工程学院,吉林长春 130024)

厌氧发酵保存在日常生活中有很成功的范例,如北方酸菜的腌制工艺、南方泡菜的制作工艺,这些都是劳动人民生活生产经验的积累和创造;厌氧发酵在工业生产中应用的较为专业和规范,如酿酒业和食品业;厌氧发酵同时也被应用于农牧业的饲料保存。20世纪30年代报道外国传教士将此技术和工艺传入中国,但20世纪50年代中苏科技合作时期前苏联科学家在中国传播了青贮技术则有明确的记载[1]。近10年,在我国应用青贮技术保存饲草饲料的数量增加、范围扩大,尤其是在奶牛业中,利用青贮技术保存整株玉米饲料的数量在不断增加。

成功青贮的关键是以乳酸菌为主的厌氧发酵。优质的发酵需要充足的水溶性碳水化合物含量以产生足够的乳酸,克服饲草的缓冲能力并使pH值降低到适合鲜湿饲料保存的水平。有效萎蔫可浓缩可利用的水溶性碳水化合物并限制其他微生物活性而利于发酵,并减少流失损失,萎蔫越快越能更好地避免田间和储存早期由于旺盛呼吸导致的损失。切碎长度越短,越有利于提高压实度,有利于发酵物释放。压实和有效密封可创造厌氧环境,这将使储存的饲料的数量和质量损失降到最低。一旦青贮窖被打开,青贮暴露于空气,将开始好氧腐败,饲喂管理水平是影响好氧腐败的关键[2]

由于“青贮”的生产实践走在科学研究之前,其基本原理易被理解、工艺不复杂,因此,对其推广宣传多而系统研究较少,对其所生产的产品质量(青贮饲料质量)也还有待进行评价研究。青贮过程的各工艺环节要求很严格,并需要有基本参数约束和细致的管理,由于我国对其缺少系统详细的研究,并缺少技术规范,各地的理解有差异,应用存在诸多问题,甚至有的地方在推行“干草青贮”技术,“青黄贮”等这些问题也需要推敲。

1 青贮的基本原理

青贮(ensile/ensiling)是保存鲜湿饲料的方法。在饲草作物产量和营养最大时进行收获,将收获饲料放置于厌氧环境下,乳酸菌转化其中的水溶性碳水化合物成为有机酸(主要为乳酸),发生固态(solid-state)乳酸发酵,结果是鲜湿饲料的pH值降低,抑制了其他好氧菌活动,饲料得以保存[3],这一鲜湿饲料保存的工艺过程被称为青贮,产品被称之为青贮饲料(silage)。

青贮主要目的是尽最大可能保存饲料的原初营养价值,并保证在一年之内能连续稳定地进行饲料供应[4。在食品行业,有很多保存或保鲜的方法,如冷冻和冷藏、加热、干燥、盐碱油浸及加入保鲜剂等,目前饲草料保存只采用干草调制或青贮。

干草调制在大田进行,限于能快速干燥的饲草作物,并且适应于收获时无降水或降水很少的地区[5,6]。青贮所要保存的饲料必须满足青贮所需要的基本条件:含水量足够高、水溶性碳水化合物含量适合。最终的pH值依赖于制作青贮时饲草的干物质含量和水溶性碳水化合物,这决定青贮的质量。同时,需要判断是否有必要采用青贮办法保存饲料,如果晒干损失很大,不适合调制干草。

饲草的青贮能力,即进行良好乳酸发酵生产青贮饲料的可能性,用其干物质含量、水溶性碳水化合物含量和缓冲能力评价。高水溶性碳水化合物含量和低缓冲能力,相对容易青贮成功;低水溶性碳水化合物和高缓冲能力,很难青贮成功。尤其是在干物质含量低的情况下,作物需要萎蔫到适当的干物质含量以获得在鲜作物中适合的最低水溶性碳水化合物。

根据青贮过程内部生化和微生物特征,青贮过程可分为好氧阶段:自填充和封盖后的1～3 d,空气仍然存在于所保存的植物材料的颗粒间,植物材料也还在呼吸,蛋白质发生水解,好氧微生物在活动,此时pH值为6.0～6.5;发酵阶段:好氧阶段后的10 d之内,植物材料本身所具有的乳酸菌转化水溶性糖成为有机酸,此时pH值降到5.0,抑制了其他生物的活性,植物材料得以保存。这一过程中乳酸菌群落是动态变化的,首先是肠球菌(Enterococcus)和Leuconostoc占优势,然后是乳酸菌(Lactobacillus)和 Pediococus增多[8]。pH值的降低程度决定于植物的化学组成(干物质含量和水溶性碳水化合物含量)及其缓冲能力;储存阶段:发酵阶段以后,青贮材料内空气变得很稀少,所保存的植物材料几乎不再发生变化,此后,植物材料可以短期或长期保存;饲喂阶段:揭开封盖开始饲喂以后的阶段,此时青贮饲料又暴露于空气中,好氧微生物(主要是酵母菌和霉菌)又开始活动,可能造成饲料腐败[7]。

缩短好氧阶段和发酵期,加速发酵,尽可能最小化好氧微生物活动是青贮整个过程所追求的结果,因此,将目标材料切短并压实是必要的操作;储存阶段和饲喂阶段尽可能最小化地暴露饲料于空气中。

青贮的基本原理就是厌氧环境下的乳酸菌固态发酵,然后,维持稳定的状态。排除空气制造厌氧环境是保证青贮饲料质量的决定要素,填装窖、保存期、饲喂时所采取的各种措施都是要尽可能地隔绝空气。

饲草的化学组成(主要指干物质含量和水溶性碳水化合物含量)和发酵过程中的优势菌群决定着所产生的青贮类型,一般广义地分为5种主要类型[9]。

乳酸青贮:发酵主要由乳酸菌支配,水溶性碳水化合物基本被转化为乳酸,具有酸甜气味,清香宜人。除萎蔫过度、发酵被抑制的青贮外,pH值3.8～4.2,相对其他有机酸,乳酸的含量很高。

醋酸青贮:发酵由大肠杆菌(enterobacteria)支配,当未萎蔫或轻度萎蔫、干物质含量低的饲草进行青贮时,很容易产生醋酸青贮。水溶性碳水化合物基本被转化为醋酸,有酸(醋)的香味。相同干物质含量情况下,醋酸青贮pH值比乳酸青贮的pH值高。干物质和能量损失显著。

梭菌青贮:发酵由梭菌支配,当未萎蔫或轻度萎蔫、低干物质含量的饲草进行青贮时,很容易产生梭菌青贮。水溶性碳水化合物和乳酸被转化为丁酸和醋酸,特征是低乳酸水平和高pH值、蛋白质和氨基酸被大量降解、氨态氮占总氮的比例较高,干物质和能量损失很显著。

萎蔫青贮:发酵由乳酸菌支配,由于干物质含量高(30%),发酵被抑制。水溶性碳水化合物被转化为乳酸较少,pH值比乳酸青贮高,剩余的未发酵水溶性碳水化合物含量很高,因萎蔫时间和萎蔫程度而异。较干的饲草更难压实,尤其是切碎长度较长情况下。由于压实程度较差,在青贮壕或青贮捆内氧气含量高,酵母菌和霉菌生长的风险更高。高的剩余水溶性碳水化合物含量、不良的压实程度、酵母菌和霉菌孢子的残留物使青贮在好氧条件下更不稳定。

添加剂青贮:加入添加剂进行青贮,特征和发酵类型随添加剂不同而异。

上述分类是评定青贮质量的基本框架。根据青贮结果所划定的类别,可以确定所储存的饲草质量,并分析青贮过程,以改善青贮工艺。

2 青贮的工艺步骤

青贮时需要对每个步骤仔细控制以保证青贮成功并最小化损失。包括收割收获、萎蔫、运输、切碎、装窖、压实、封盖、储存、开盖饲喂、在切碎或装窖时加入添加剂。每个环节都需要顺序细致管理,并有参数约束,才能获得最佳的发酵质量和青贮饲料质量。青贮所需要的最基本设施为青贮窖或青贮塔或青贮包或青贮袋,可以根据实际情况决定采用哪种办法,包括体积和数量。

收获与萎蔫:不同的作物收获时期不同,基本原则是作物产量和质量最大时收获[10],饲草作物在初花期,乳熟期至腊熟期。还需要考虑作物的干物质含量,要求干物质含量为30%～40%,即含水量为60%～70%。饲草作物的产量和营养决定于所处的生长期,但干物质含量同时受收获前灌溉或降水及期间的气候条件影响。

为了保证干物质含量适合,浓缩水溶性碳水化合物,以获得高质量发酵,同时减少流出物损失及对环境的污染,必要时将割倒的植株放置于田间进行萎蔫。萎蔫时,小谷粒作物易造成谷粒脱落损失;苜蓿等豆科牧草萎蔫时间较长,以降低缓冲力,但易落叶问题造成的损失要考虑;玉米茎秆粗厚,很难萎蔫,不推荐进行田间萎蔫。随着干物质含量增加,流失量下降,当干物质含量达到约30%时,流失将不会发生。流失物包含水溶性碳水化合物、蛋白质、矿物质及发酵产物,因此,它代表着营养成分的显著损失。水溶性碳水化合物的损失将减少青贮发酵时可利用的数量。

当干物质代谢能小于10 MJ/kg或干物质粗蛋白含量低于7%,干物质消化率低于65%的饲草料没有青贮保存价值与必要[1]。收获时,无论萎蔫与否,避免土壤或其他污染物带入青贮材料中。

切碎与压实:萎蔫后,干物质含量合适的作物运输到目的地后经切碎,即装窖并压实。青贮饲草的切碎长度影响青贮发酵的速率和程度及储存和饲喂过程的损失。切碎长度为1～2 cm。切碎长度减小,对植物细胞壁造成更大的伤害,释放青贮微生物利用的水溶性碳水化合物更快、使发酵进行更快,pH值下降更迅速、伴随干物质和能量损失减少、蛋白质分解更少。切得越细,越易压实,进入青贮窖的氧气数量越少,好氧呼吸损失更低,霉菌生长的风险更低。对于很难压实的青贮材料,如萎蔫过度的饲草及禾草与豆类比较,更细的切碎益处更大。然而,低干物质含量的青贮,较细的切碎,水分从受伤细胞释放得多,导致产生更多的流失物。许多研究表明,切碎较短与较长相比,家畜对青贮的摄取量增加,这对于羊和牛比较、年幼和年老的家畜比较,尤其明显。在所有情况下,增加自由采食量可改善动物的生产。缩短切碎长度能提高发酵速率,减少干物质和能量的发酵损失及蛋白质降解、增加水溶性碳水化合物含量低的饲草成功发酵的机会、增加萎蔫青贮产生乳酸的数量、产生更低的青贮pH值、减小收获时运输饲草的体积和贮存空间、增加低干物质含量青贮的流失。同时,利于在青贮窖内更易压实。切碎的青贮材料装入青贮设施后,采取措施压实,以更多地排除空气,有利于获得优质发酵。青贮窖用链轨拖拉机在上面行走压实,20～40 cm一层一层地边填充边压实;青贮塔采用青贮材料自然压实,青贮包多通过捆绑压实,青贮捆自然填充挤紧。对于干物质含量为35%的小麦全株青贮压实较好后,干物质密度为230 kg/m3[11];大麦与禾草的密度分别可以达到232～260 kg/m3[12],苜蓿与玉米的密度变化在106～434 kg/m3之间[12]。所贮存的饲草料的干物质含量越高,越难压紧实;压得不紧实,青贮损失增多[13]。

封盖与储存:压紧实后,立即进行封盖。采用0.1～0.2 mm厚的聚乙烯塑料布。塑料布需耐紫外线,保存时间如果很长,需要覆盖的厚一些[14],可根据经验或塑料布生产厂家提供的技术参数判断。封盖后,上面用土或废旧轮胎压盖,防止被风吹开等,压得越多越好;如果用土压盖,需防止饲喂时污染青贮饲料。覆盖塑料布及压盖情形对表层25 cm有很大影响[15]。压盖后进行全面检查,排除四周可能对青贮设施造成破坏的因素。然后,放置储存,在储存过程中,防止鼠类和鸟类破坏塑料布,必要时采取相应措施。

开封饲喂:开封后,青贮饲料曝露于空气中,再一次发生好氧氧化,好氧微生物活动对青贮产生破坏作用,造成损失。基本要求是,青贮面曝露的越少越好、越光滑越好、饲喂的速度越快越好。

添加剂:为了获得良好的发酵质量和青贮饲料质量,必要时可以使用青贮添加剂。青贮添加剂有液态、粉末状或悬浊液状。根据功能,青贮添加剂分为发酵促进剂、发酵抑制剂、好氧腐败抑制剂、营养剂和吸附剂[5]。在切碎或装窖时将其加入到青贮材料中去,使用量根据生产说明和切碎或装窖速度。

3 青贮饲料质量

发酵质量及青贮饲料的质量依赖于所青贮原料的化学组成和发酵中起支配作用的菌种。对青贮原料组成重要的影响因素是干物质含量、水溶性碳水化合物含量和缓冲能力。青贮原料中水溶性碳水化合物含量应该大于2.5%(鲜重)。如果水溶性碳水化合物含量低于2.5%,该饲草应该首先进行萎蔫或使用青贮添加剂以降低不良发酵的风险。所有的饲草作物都含有称为缓冲剂的各种化合物,可阻止pH值的变化;饲草的缓冲能力依赖于植物本身的有机酸及其盐的含量,蛋白质的贡献量占10%～20%。青贮时,产生青贮酸(即发酵产物,为有机酸),缓冲剂中和了一些青贮酸,限制和延迟pH值的下降,为一些不需要的细菌生长提供了机会。因此,青贮的饲草具有较高缓冲能力,不良发酵的风险就会增大[16]。

青贮饲料的质量取决于其营养价值(消化率、代谢能、蛋白质和矿物质含量)和发酵质量[9,17]。发酵质量较差的青贮会导致动物生产下降,这是因为青贮适口性差及日粮中氮(粗蛋白)的利用较差。

在制作青贮的整个过程中,与鲜湿饲料相比,青贮饲料都会发生质量下降,下降的程度决定于:收获和制作青贮时饲草的物理和化学特征、萎蔫条件和萎蔫程度、收获过程、发酵过程的效率、贮存中厌氧条件的维持、饲喂中的管理。

青贮过程中,影响青贮好氧稳定性(即青贮饲料质量维持)的因素具有高含量可发酵的碳水化合物,包括水溶性碳水化合物,甚至发酵后仍有剩余(如萎蔫青贮),趋向于更不稳定;发酵质量低、挥发性脂肪酸(醋酸、丙酸和丁酸)含量高的青贮趋于更稳定;同型发酵乳酸菌起支配作用的青贮对好氧腐败敏感;多孔性,透气性增加,青贮稳定性下降;青贮对渗入空气的敏感性受饲草物理特征、青贮密度和干物质含量影响;干物质含量,由于剩余水溶性碳水化合物较多,更难压实,半干青贮对好氧腐败敏感,有事实表明,一旦干物质超过50%,对好氧腐败的敏感性下降;好氧腐败微生物群落,在青贮过程开始时,延长好氧阶段,或者是贮藏过程空气进入,导致好氧微生物扩散进入,其一直处于休眠状态,直至青贮开封饲喂。饲喂过程中,环境温度温暖的天气,青贮对好氧腐败敏感;饲喂速率 青贮或青贮捆缓慢的饲喂,增加好氧腐败,这是影响好氧腐败最重要的因素之一;饲喂表面的管理 在取青贮过程中,对于表面的过多干扰,增加空气的渗入,增加腐败机率;饲喂之前的搅拌 青贮在饲喂拖车、混合拖车或者切碎机中的机械加工等增加通风性活动,增加好氧腐败的机率。

无论是青贮饲料还是干草调制的饲料亦或秸秆等饲料,除采用化学发酵参数进行评价外,考虑到动物健康状况,细菌、霉菌及其代谢产物如各类毒枝菌素(mycotoxins)也应纳入审视范围[18]。我国需要新的青贮饲料技术规范以指导青贮规范发展。

4 青贮对草地管理的意义

进行干草调制并储存是转移生产旺季高质量饲草到饲草料短缺期的办法,以维持全年高质量饲草供应稳定平衡,青贮同样可以作为一种饲草料保存的选择方式。

青贮饲料生产可以和放牧管理整合,以便于管理剩余饲草,改善草地利用状况。通过早期收获进行青贮,然后利用青贮收获后饲草的再生及牧场其余部分以高的载畜量放牧,而提供高质量饲草;通过增加放牧压,维持草地在较长阶段内有更活跃的生长而增加饲草的生产;通过策略性刈割,减少杂草,产生有活力的种子,改善杂草管理;减少牧场枯落覆盖物,以维持草地质量;利用青贮饲料进行适时饲喂,在一年内的关键阶段关闭放牧区或减少放牧压,以改善理想饲草存活及其生产力。

青贮是一种有价值的草地管理方式,在牧草生长高峰期,利用青贮可以保持牧草质量、提高草地的利用。有策略的青贮收割使生长的牧草达到最大程度利用,实现高的饲草生产总量(放牧+青贮),使青贮饲料和放牧的草地都维持高质量。在温带草原,青贮饲料代谢能(ME)为10 MJ/kg DM 才适当;避免因青贮而过早封育草地,从而可能造成用于放牧的草地临时不足;确保青贮收割对草地的生产力没有长期不利影响。当因青贮而停止放牧时,为生产高质量的青贮饲料,可以机动地调整封育日期和封育持续期(或收割日期)。预测牧草生长速度和牲畜需求量,决定什么时候及应该为青贮留出多大放牧面积草地。在轮牧区,监控放牧后牧草剩余量是最简单、最实用的方法,因为牧草过剩是收割青贮的必要条件。早期青贮收割之后的草地常会比收割干草之后的草地有更高的再生产量。草地封育越早、封育持续期越短,获得的再生干物质产量越高。策略性青贮收割的长远利益是增加豆科牧草和所需禾草的比例并减少杂草的比例。青贮可以作为一种控制杂草的策略。青贮收割时间和牧草再生管理对抑制杂草种子产生都很重要。如果生命力强的阔叶杂草入侵或为了有效控制杂草而推迟收获时间,那么青贮饲料质量可能会受影响。家畜生产的任何选择都需要权衡杂草控制的利益。

拟进行调制青贮的牧场,进行成功青贮需3条关键原理:经济决策完善,管理决策要持续完善,青贮饲料利用决策不能脱离牧场其他活动。牧场主需要明白青贮饲料成本和潜在的回报,强化经济行为。

载畜量及饲草产量和质量的季节性变化是影响农牧场储存饲草数量的2项主要因素。载畜量增加,多余饲草量减少,可用于青贮的草减少。

我国北方饲草生长季短,因此,要储存饲草以供牲畜冬季需要。但很多时候是没有多余的饲草,只能强行留出割草地,供制作干草或青贮储存饲草,这样可能牺牲了牲畜在夏季的潜在生长力。但无论如何,选择干草调制进行饲草储存以保证饲草料全年平衡供应还是选择青贮储存,包括对秸秆的充分加工处理利用[22-24],其核心是经营策略和成本预算。青贮与干草对牲畜生长的作用还存在争议,部分原因是社会生产力水平决定的成本[25]。

现阶段,我国北方草原区为了保护草地、并发展草地畜牧业,开发专门种植的饲草作物用于青贮具有广阔的空间和重要的生态,经济和社会意义。青贮生产大多是利用多余的饲草或利用专门种植的特定作物。玉米是一种最佳的可选择作物,近几年,玉米与蔓生豆类作物混播极好地弥补了玉米单独播种青贮的粗蛋白不足问题[26,27]。

5 结语

发酵是利用微生物的新陈代谢生产目的产物的工艺过程,分厌氧发酵和好氧发酵及固态发酵和液态发酵。青贮属于厌氧固态发酵,发酵微生物为乳酸菌,发酵的目的产物为有机酸,底物为所要保存饲料中的水溶性碳水化合物。成功的发酵决定于无氧环境程度、乳酸菌种类和数量及水溶性碳水化合物的数量,包括干物质含量及缓冲剂的量。

青贮可以保持或增加饲草料原初的适口性和采食量,但并不能使其适口性和采食量增加。干草的适口性或采食量可能降低,可以调整改变,也就是说,通过对干饲草进行处理,其适口性和采食量可以恢复到鲜湿状态水平或青贮所维持的水平。

青贮是鲜湿饲料保存方法和技术,目标是最大限度地保存饲料原初营养价值,并减少调制、保存、饲喂过程中的损失。青贮增加饲料营养价值的说法有待商榷,与同期收获的干草相比较,青贮饲料有一些优点,但其生产成本对其饲料优点的抵消作用不能忽视。现存的青贮技术实际是干秸秆加工处理做饲料的技术,二者不应混淆;干秸秆加工生产作为粗饲料有巨大的潜力可挖,也需要深化发展。

在饲草料的产量和营养价值最大时,收获饲草料,此时若没有降水或降水很少,选择青贮还是调制干草,唯一的标准是经济收益。几乎所有饲草及其作物都可以用于青贮,但最常用的是整株玉米、整株高粱、苜蓿等。青贮可以作为草地管理工具,即在饲草生长旺季储存多余的饲草,以用于饲草短缺季节;但是,对于中国北方草地,不应青贮天然饲草,经济得不偿失,也不是一种明智的选择。北方草地仅适宜立地放牧,饲料不足需要通过其他途径补给。

青贮作为鲜湿饲料的保存技术,重要意义就是不间断连续供应给牲畜稳定的饲料以饲喂牲畜,保证牲畜的目标生长。我国北方草地大面积严重退化,首要原因是草畜矛盾,即牲畜多饲草饲料少;同时,由于饲料全年供应数量和质量不稳定,牲畜生长率低,无效消耗了大量饲草。北方草地中5%～10%的隐喻生境,如呼伦贝尔的额尔古纳河流域、锡林郭勒的锡林河流域以及丘陵间低地,可以用以种植高产饲料作物,如籽粒玉米、青贮玉米。这些饲料作物可以用于干储或青贮,作为冬春季牲畜饲草料。权衡措施之一,就是草地只用于放牧,不用于收获干草,一定程度上可以缓解草畜矛盾。若隐喻生境饲料产量达到20 t/hm2,那么5%的隐喻生境的饲草料产量就等于甚至多于整个北方草地天然饲草的饲草料产量。隐喻生境局部开垦破坏与草地大面积受保护的权衡存在争议,没有结论之前不必武断限制另一种途径。

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