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饲用高粱营养价值及人工瘤胃降解特性

2018-05-28李珊珊白彦福张娇娇刘筱嘉丁路明王虎成贺春贵龙瑞军尚占环

草业科学 2018年5期
关键词:海牛大卡分蘖期

李珊珊,白彦福,王 婷,张娇娇,刘筱嘉,丁路明,王虎成,冯 强,贺春贵,龙瑞军,尚占环

(1.兰州大学草地农业科技学院 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州 730020; 2.兰州大学生命科学学院,甘肃 兰州 730000; 3.番禺出入境检验检疫局,广州 番禺,510000; 4.定西市畜牧兽医局,甘肃 定西 743020; 5.甘肃省农业科学院,甘肃 兰州 730000)

饲草作物作为反刍动物的主要饲料来源,在畜牧业中占很重要的位置[1]。研究表明,同种饲草在不同的生育期,其营养物质在茎叶之间不断的变化会导致全株饲用价值改变[2]。饲用高粱(Sorghumbicolor)是一种多年生的饲草,生物产量高,具有耐贫瘠、耐干旱的生物学特性,种质资源丰富且应用价值高[3],特别适合在甘肃河西地区干旱盐碱地种植。目前,该地区已种植的饲用高粱有海牛(Monster)、大卡(Big Kahuna)、大奖1180和大奖3180四个品种,其中大卡为PPS+BMR型,即除含光周期敏感(photoperiod-sensitive,PPS)基因外,还含褐色中脉基因(brown midrib,BMR)[4]。

本研究主要利用常规化学成分分析以及体外发酵产气技术,较全面地评价4种饲用高粱品种的营养价值、生物学特性以及了解其在动物体内的消化代谢,筛选出适合甘肃河西干旱盐碱地适宜种植以及适合家畜饲喂的优质高粱品种。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

分别于2016年7月31日、8月23日和9月19日在甘肃省金昌市(102°08′16″ E,38°13′38″ N)进行采样,该地区属温带大陆性气候,平均海拔1 882 m,年平均气温4.8 ℃,平均降水量185.1 mm,无霜期134 d。试验所选用的饲用高粱品种分别是海牛、大卡、大奖1180和大奖3180四个品种,种子由北京猛犸种业有限公司提供。试验田采用平铺覆膜种植,膜厚度为0.01 mm、膜面宽度为1.2 m,在2016年6月3日用玉米穴播机进行播种,株距15 cm、行距35 cm,每穴播种高粱种子2~4粒,种植密度约为9 000穴·666.7 m-2。田间种植和管理由甘肃民生牧草饲料有限公司在甘肃省金昌市永昌县六坝乡玉宝村牧草基地实施。

1.2 试验材料

分别于饲用高粱分蘖期(07-31)、拔节期(08-23)、抽穗期(09-19)在各小区刈割0.25 m2,留茬高度10~15 cm,刈割后先称鲜重,然后将其风干后称重。每个品种随机取10株,测定其株高,然后将其带回实验室风干后分别称量叶和茎,测得茎叶比,65 ℃烘干72 h,并用粉碎机粉碎过1 mm筛后测定常规养分。

1.3 测试方法

1.3.1常规养分分析 饲草营养成分测定参照《饲料分析及饲料质量检测技术》[5],干物质(dry matter,DM)含量使用105 ℃烘干法测定;中性洗涤纤维(neutral detergent fibre,NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)含量使用ANKOM-2000i型全自动纤维分析仪(美国)测定;粗蛋白质(crude protein,CP)含量使用JK-9830全自动凯氏定氮仪测定;粗灰分(Ash)含量使用550 ℃高温灼烧法测定;总单宁的测定利用Folin-Ciocalteu法,冻干鲜样测定;可溶性糖含量使用分光光度计蒽酮-硫酸法进行比色测定。

1.3.2体外发酵测定 选择健康的肉牛于晨饲前用瘤胃管采集瘤胃液,在39 ℃厌氧条件下,将提前分装在尼龙袋的400 mg待测样品放入特制的100 mL玻璃注射器(德国制造)中,用约45 mL经过滤后的瘤胃液消化,记录2、4、6、8、10、12、24、48、72 h共9个时间点的产气量;并分别于12、24、48、72 h收集气体,将抽取的气体迅速打入密封性完好的真空采血管中,4 ℃保存,带回实验室使用气相色谱仪进行CH4和H2的测定;发酵72 h后,迅速测定发酵液pH,并将发酵液分装到多个5 mL离心管中,迅速投进液氮罐中,带回实验室-80 ℃保存,测定其挥发性脂肪酸(VFA)和NH3-N的含量。发酵结束后将装有底物的尼龙袋放进冰水中终止发酵反应,反复用水洗涤后,晾干,105 ℃烘4 h后称重测定其干物质降解率。每个样品设3个重复。

采用模型y=a′+b′[1-e-ct]对0-72 h产气规律进行拟合。模型中y是t时刻的产气量(mL),a′是快速降解部分的产气量(mL),b′是慢速降解部分的产气量(mL),c′是慢速降解部分的产气速率(%·h-1),a′+b′是理论总产气量(mL),t是发酵的时间(h)。

1.4 数据处理

试验结果使用SPSS 21.0一般线性模型中多因素方差分析进行统计分析,用Duncan氏法比较显著性,数据结果用平均值表示。

2 结果

2.1 田间农艺性状

在采样过程中,对4个品种(海牛、大卡、大奖3180、大奖1180)不同生育期植株的生产性能进行了数据记录,包括株高、单株鲜重、鲜草产量及茎叶比(表1)。

表1 不同饲用高粱品种各生育期农艺性状Table 1 Agronomic traits of different forage sorghum varieties at different growth stages

同行大写字母不同表示品种间差异显著(P<0.05),同列小写字母不同表示不同生育期差异显著(P<0.05)。下同。

Different capital letters within the same row indicate significant difference between varieties at the 0.05 level, and different lowercase letters within the same column indicate significant difference between different growth stage at the 0.05 level; similarly for the following tables.

不同品种各生育期的农艺性状表现不同(表1)。总体上,饲用高粱株高、鲜草产量、单株鲜重及茎叶比随着生育期的推移呈现上升趋势。品种对饲用高粱单株鲜重、鲜草产量、茎叶比及株高影响显著(P<0.05),在分蘖期和拔节期,海牛单株鲜重显著高于其他3个品种(P<0.05),分别为477.000和494.943 g,但在抽穗期,单株鲜重在4个高粱品种之间差异不显著(P>0.05)。在分蘖期和拔节期,鲜草产量4个高粱品种之间差异显著(P<0.05),其中海牛均为最高。品种对茎叶比影响显著(P<0.001),3个时期海牛的茎叶比均显著高于大奖1180(P<0.05)。4个品种的株高在分蘖期和拔节期均以海牛最高,抽穗期海牛和其他3个品种之间差异不显著(P>0.05)。生育期对饲用高粱单株鲜重、鲜草产量、茎叶比及株高有极显著影响(P<0.001)。品种和生育期对饲用高粱鲜草产量、茎叶比及株高有显著的交互作用(P<0.05),海牛各生育期农艺性状均较高,大奖1180略低。在不同的生育期,海牛的单株鲜重、鲜草产量和茎叶比均高于其他3个品种,在这方面表现较弱的是大奖1180品种。通过上述对比,发现这4个饲用高粱品种中海牛和大卡的农艺性状在整体上具有相对优势。

2.2 植株营养成分比较

随着生育期的推进,各品种饲用高粱不同部位营养成分表现出了各不相同的变化规律(表2、表3、表4)。品种、生育期对饲用高粱叶片、茎秆全株粗灰分、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、相对饲喂价值、粗蛋白、酚类物质及可溶性糖含量均有极显著的影响(P<0.001),而且品种和生育期对叶片、茎秆、全株有极显著的交互作用(P<0.001)。

就粗灰分含量而言,随着生育期的推进,海牛和大卡叶片的粗灰分表现出直线下降的趋势,大奖1180和大奖3180呈现先下降后上升的趋势(表3),而4个品种茎秆和全株的粗灰分含量为直线下降的趋势(表2、表4),同一品种在分蘖期和拔节期其茎秆的粗灰分含量均高于叶片含量,但在抽穗期相反。

海牛、大卡、大奖3180叶片中中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量均随着生育期的推进呈现上升的趋势,大奖1180叶片中中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量呈先上升后下降的趋势(表3)。分蘖期和拔节期茎秆中中性洗涤纤维4个品种间差异显著(P<0.05),海牛酸性洗涤纤维含量在分蘖期和抽穗期与其他3个品种之间差异显著(P<0.05);拔节期茎秆中性洗涤纤维大奖1180最高,达59.29%,大卡最低,为55.76%;抽穗期海牛最高,达到57.14%,大卡依然是最低,为51.23%(表2)。海牛酸性洗涤纤维随着生育期先降后升,其相对饲喂价值(RFV)对应下降,而且同一品种不同生育期之间差异显著(P<0.05)。大奖3180全株在分蘖期相对饲喂价值最高,拔节期时大卡最高,到抽穗期时海牛最高、大奖1180最低(表4)。

随着生育期的推进,同一品种饲用高粱叶片、茎秆、全株粗蛋白含量均呈现下降趋势。4个品种茎秆中的粗蛋白含量在分蘖期海牛与大卡差异不显著(P>0.05),与大奖1180和大奖3180差异显著,其中大奖3180含量最高、大奖1180含量最低;在拔节期海牛与其他品种间差异显著(P<0.05),其中大奖1180最高、大卡最低;在抽穗期四者间差异显著,其中大奖3180最高、大奖1180最低(表2)。4个品种叶中的粗蛋白含量在分蘖期大奖3180与其他3个品种差异显著(P<0.05),其中大奖3180粗蛋白含量最高,达18.763%,大卡最低;在拔节期四者差异显著(P<0.05),其中大奖3180同样最高,大卡最低;在抽穗期四者差异显著,其中大奖3180最高,达14.303%,大奖1180最低,为7.453%(表3)。整体上看,每个品种所含的粗蛋白含量随着生育期均表现为较明显的下降趋势,且发生在各个部位的下降趋势具有很好的相关性,并且,同一品种不同部位的粗蛋白含量也不同,大致为茎秆<全株<叶。

4个品种叶中单宁含量均随着生育期的推进呈先下降后上升趋势,而全株和茎秆中单宁含量则是直线下降,且叶中单宁的含量均高于茎中含量。叶中可溶性糖先降低后升高,茎秆、全株中可溶性糖均随着生育期的推进逐渐上升,且茎秆糖含量高于叶片;分蘖期叶片含糖量最高为大卡,海牛最低;拔节期大卡最高,大奖3180最低;抽穗期大奖1180含糖量较高,大奖3180最低;茎和全株含糖量在分蘖期、拔节期、抽穗期3个时期大卡含糖量均最高,大奖3180最低。

2.3 全株体外发酵参数比较

海牛和大卡的24 h体外发酵产气量各个生育期无显著差异(P>0.05),且随着生育期的推进逐渐升高。而大奖3180和大奖1180呈现先下降后上升的趋势,大奖3180三个时期均为最低(图1)。48 h各品种的体外发酵产气量变化趋势均不同。品种、生育期分别对72 h产气量影响显著(P<0.05)但无交互作用,72 h产气量在分蘖期4个品种之间无显著差异(P>0.05),拔节期海牛最高,为155 mL,显著高于大奖3180和大奖1180,抽穗期海牛的产气量依然最高,大奖3180最低(表6)。

表6 不同饲用高粱品种各生育期全株体外发酵参数Table 6 In vitro fermentation parameters of different forage sorghum varieties at different growth stages

续表6

项目Item生育期Growthstage品种Cultivar海牛Hainiu大卡Bigkahuna大奖3180Dajiang3180大奖1180Dajiang1180SEMP品种Cultivar生育期Growthstage品种×生育期Cultivar×Growthstagec'分蘖期Branchstage0.037b0.0360.0340.035a拔节期Jointingstage0.035b0.0350.0300.026b0.0010.0010.0010.041抽穗期Headingstage0.040aAB0.042A0.030C0.039aBa'+b'分蘖期Branchstage144.969b143.687c145.970140.755拔节期Jointingstage171.146aA168.935aA142.287B160.982AB1.9490.0500.0060.340抽穗期Headingstage164.820abA153.286bAB144.577B152.133AB

a′表示快速降解组分;b′表示慢速降解组分;c′表示慢速降解部分的产气速率;a′+b′表示理论总产气量。

a′ represent rapid degradation of components; b′ represent a slow degradation component; c′ represent the gas production rate of the slow degraded fraction; a′+b′ represents the theoretical total gas production.

产气动态曲线显示,在培养0-24 h这段时间反应剧烈,在24-72 h动态曲线逐渐趋于缓慢,海牛和大卡两个品种分蘖期的产气动态曲线在拔节期和抽穗期之下,拔节期和抽穗期产气动态曲线基本重合,而大奖1180和大奖3180三个时期的动态变化趋势无显著差别(图1)。另外,4个高粱品种快速降解组分(a)随着生育期推迟逐渐上升,不同品种同生一育期之间差异不显著(P>0.05);慢速降解组分(b)各个品种生育期变化规律均为先升高后降低;而(c)慢速降解部分的产气速率及随生育期是先降低后上升,(a+b)理论总产气量则是先上升后降低(表6)。

72 h干物质降解率随着生育期逐渐降低,分蘖期大奖1180干物质降解率与海牛和大卡无显著差异(P>0.05),但与大奖3180差异显著,其降解率最高,达到84%,最低为大奖3180,为75%;拔节期大卡的降解率最高,最低为大奖3180;抽穗期大奖3180与其他3个品种差异显著(P<0.05)(表6)。72 h瘤胃液氨态氮随着生育期有降低的趋势,分蘖期大奖3180氨态氮最高,显著高于大卡和海牛,拔节期和抽穗期均是大奖3180氨态氮略高,品种对72 h瘤胃液氨态氮无显著影响(P>0.05),生育期和品种对氨态氮有显著的交互作用(P<0.05),同时生育期也极显著影响氨态氮含量(P<0.001)。

72 h瘤胃液总挥发性脂肪酸与pH的变化趋势正好相反,在分蘖期乙酸含量最高为大奖1180,达到32.27 mmol·L-1,与其他品种之间差异显著(P<0.05);拔节期海牛的乙酸较高,其与大卡无显著差异,但与大奖1180和大奖3180有显著差异(P<0.05);抽穗期依然是海牛乙酸最高,大奖3180最低。生育期对乙酸无显著影响(P>0.05)。丙酸含量在分蘖期和拔节期均为大卡最高,抽穗期海牛丙酸含量较高,为14.15 mmol·L-1,且与其他三个品种间有显著的差异,大奖3180最低,为10.89 mmol·L-1。生育期、品种对丙酸均有显著影响(P<0.05),同时生育期和品种对丙酸有极显著的交互作用(P<0.001)。

4个品种的甲烷随着生育期的推进以及发酵时间的增加呈现逐渐上升的趋势,氢气的含量则下降(图3)。

图1 不同生育期不同饲用高粱体外发酵产气量动态变化Fig. 1 Dydamics of in vitro gas production for different forage sorghum varieties in different growth stages

图2 不同生育期不同饲用高粱品种体外发酵甲烷产气量动态变化Fig. 2 Dydamics change of in vitro methane production for different forage sorghum varieties in different growth stages

图3 不同生育期不同饲用高粱品种体外发酵氢气动态变化Fig. 3 Dydamics change of in vitro hydrogen production for different forage sorghum varieties in different growth stages

3 讨论

3.1 不同饲用高粱品种农业性状与各生育期营养价值

本研究发现,不同品种饲用高粱各生育期农艺性状以及营养成分具有一定差异,海牛品种无论在什么生育期阶段均具有高于其他3个品种的单株鲜重、茎叶比以及鲜草产量,而大奖1180品种表现较为弱势。茎叶比除了大奖1180在1以下,其他3个品种在抽穗期达到1.2左右,与有关研究报道最高达4.35不符合[6],可能的原因是与高粱种植方式以及种植密度有关。郑庆福等[7]在内蒙古西辽河平原研究了不同种植密度对杂交甜高粱生长、品质及产量的影响,结果表明不同种植密度下,高粱的株高、茎叶比和单株干物质积累在后期均呈显著差异。

饲用高粱茎秆和全株的粗灰分含量随着生育期的推移呈现显著下降趋势,这与Weaver[8]报道相符合。粗灰分含量下降也说明随着生育期的推进,茎秆内有机物的含量逐步提高,相对粗灰分占比降低。本研究中4个品种的茎秆粗蛋白变化趋势与罗峰等[9]报道相符合,在分蘖期,各品种饲用高粱茎秆的粗蛋白质含量均较高,但随着生育期的推移,其茎秆粗蛋白质含量相对减少;与陈鹏等[10]及李建平[3]的研究结果均吻合。从相对饲喂价值来看,品种对其影响十分显著,这与李源等[11]研究相符合。从生育期来看,随着生育期的推进,植株纤维增加,粗蛋白降低,适口性降低,动物的随意采食量也会降低,植物的可消化干物质同样降低,最终导致饲草相对饲喂价值降低。从饲用高粱不同部位的饲喂价值来看,茎杆呈现先降低后上升的趋势,叶与全株呈现下降趋势,变化趋势与其部位所包含的NDF和ADF含量恰好相反。

含糖量是牧草品质的另一项重要指标,本研究中茎、全株中WSC均随着生育期的推进逐渐上升,而叶中WSC呈先下降后上升的趋势,其含量大小表现为茎秆>全株>叶片,这与李建平[3]的研究趋势相似,其中大卡含糖量在4个品种中占有一定优势。有研究表明,当植株中的单宁含量超过2%时,植株体的饲用价值就会显著降低[12];超过5%时,较涩,降低了适口性,影响反刍动物的消化率从而降低动物的生产性能[13]。本研究中,4个品种无论是茎、叶还是全株单宁含量均低于2%,这说明其不会对家畜产生不利的影响。

3.2 不同甜高粱品种各生育期体外发酵参数

Clark等[14]研究指出,瘤胃微生物活性与饲草中可发酵的有机物含量呈正比。本研究中,72 h总产气量海牛和大卡随着生育期先升高后降低,大奖3180则是先降低后升高,大奖1180逐渐升高。总体来说海牛和大卡产气量均高于大奖1180和大奖3180。

不同品种饲用高粱体外发酵72 h的干物质降解率随生育期的推进逐渐降低,这是因为后期由于植株的老化,木质素含量增加,植株内纤维品质下降,随之干物质降解率下降,其中大卡和海牛降解率较其他两个品种高。此变化规律与李建平[3]的研究结果一致。

氨态氮浓度的高低由瘤胃微生物分解蛋白质和合成微生物蛋白质的速度所决定。NH3-N浓度过高表明氨释放的速度高于其被吸收和利用的速度,最终造成氨损失,过低则会影响微生物蛋白的合成[15]。本研究中氨态氮的浓度为11.78~16.09 mmol·L-1,均在氨态氮的正常范围(4~35 mmol·L-1)内[16]。72 h瘤胃液氨态氮的浓度均随着饲用高粱生育期的推迟逐渐下降,分蘖期和拔节期海牛和大卡均比大奖3180和大奖1180高,抽穗期4个品种间无显著性差异,可能是由于随着植物的成熟,细胞壁中难溶的结构性碳水化合物含量相对增加,从而导致CP消化率降低,最终使得发酵液中的NH3-N浓度降低[15]。

反刍动物瘤胃中VFA是由微生物发酵日粮中碳水化合物产生的,其浓度的多少及其组成成分反映了瘤胃微生物对养分吸收利用情况[17]。本研究中,在抽穗期海牛总挥发性脂肪酸显著高于其他3个品种;拔节期海牛的乙酸较高,与大奖1180和大奖3180有显著的差异;抽穗期依然是海牛乙酸最高,大奖3180最低;丙酸含量在分蘖期和拔节期均为大卡最高,抽穗期海牛丙酸含量较高,大奖3180最低,综合来说,海牛具有较高的VFA。

王丽凤[18]报道,当饲粮中纤维含量较高时,反刍动物瘤胃内纤维素分解菌迅速增加,大量的H2被产生,从而刺激甲烷菌大量繁殖,利用H2还原CO2以合成CH4。72 h甲烷的产气量在分蘖期为大奖3180>海牛>大卡>大奖1180,但大奖3180、海牛、大卡之间无显著差异;拔节期为海牛>大奖1180>大卡>大奖3180,但大奖1180、海牛、大卡之间无显著性差异;抽穗期为大奖1180>海牛>大卡>大奖3180,大奖1180、海牛、大卡之间无显著差异。

4 结论

品种、生育期对饲用高粱的农艺性状、营养成分及发酵参数均有显著影响。随着生育期的推进,海牛和大卡在农艺性状上具有较其他两个品种的相对优势。各品种植株内粗蛋白、粗灰分随生育期显著下降,NDF、ADF含量显著上升,在拔节期和抽穗期海牛和大卡全株的NDF和ADF较另外两个品种低,使得其饲草的相对饲喂价值也相对较高,同时海牛和大卡茎秆、叶及全株含糖量也相对较高。发酵结束后,海牛和大卡72 h总产气量、VFA和干物质消失率较高。

综合考虑来看,海牛和大卡具有较高的营养价值及饲喂价值,是优良的饲草品种,很适合在甘肃河西干旱盐碱地种植。

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