青貯及其對草地管理的意義

周道瑋,王敏玲,陳玉香

(1.中國科學院東北地理與農業生態研究所,吉林長春 130001;2.吉林大學生物工程學院,吉林長春 130024)

厭氧發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藝、南方泡菜的制作工藝,這些都是勞動人民生活生產經驗的積累和創造;厭氧發酵在工業生產中應用的較為專業和規范,如釀酒業和食品業;厭氧發酵同時也被應用于農牧業的飼料保存。20世紀30年代報道外國傳教士將此技術和工藝傳入中國,但20世紀50年代中蘇科技合作時期前蘇聯科學家在中國傳播了青貯技術則有明確的記載[1]。近10年,在我國應用青貯技術保存飼草飼料的數量增加、范圍擴大,尤其是在奶牛業中,利用青貯技術保存整株玉米飼料的數量在不斷增加。

成功青貯的關鍵是以乳酸菌為主的厭氧發酵。優質的發酵需要充足的水溶性碳水化合物含量以產生足夠的乳酸,克服飼草的緩沖能力并使pH值降低到適合鮮濕飼料保存的水平。有效萎蔫可濃縮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發酵,并減少流失損失,萎蔫越快越能更好地避免田間和儲存早期由于旺盛呼吸導致的損失。切碎長度越短,越有利于提高壓實度,有利于發酵物釋放。壓實和有效密封可創造厭氧環境,這將使儲存的飼料的數量和質量損失降到最低。一旦青貯窖被打開,青貯暴露于空氣,將開始好氧腐敗,飼喂管理水平是影響好氧腐敗的關鍵[2]

由于“青貯”的生產實踐走在科學研究之前,其基本原理易被理解、工藝不復雜,因此,對其推廣宣傳多而系統研究較少,對其所生產的產品質量(青貯飼料質量)也還有待進行評價研究。青貯過程的各工藝環節要求很嚴格,并需要有基本參數約束和細致的管理,由于我國對其缺少系統詳細的研究,并缺少技術規范,各地的理解有差異,應用存在諸多問題,甚至有的地方在推行“干草青貯”技術,“青黃貯”等這些問題也需要推敲。

1 青貯的基本原理

青貯(ensile/ensiling)是保存鮮濕飼料的方法。在飼草作物產量和營養最大時進行收獲,將收獲飼料放置于厭氧環境下,乳酸菌轉化其中的水溶性碳水化合物成為有機酸(主要為乳酸),發生固態(solid-state)乳酸發酵,結果是鮮濕飼料的pH值降低,抑制了其他好氧菌活動,飼料得以保存[3],這一鮮濕飼料保存的工藝過程被稱為青貯,產品被稱之為青貯飼料(silage)。

青貯主要目的是盡最大可能保存飼料的原初營養價值,并保證在一年之內能連續穩定地進行飼料供應[4。在食品行業,有很多保存或保鮮的方法,如冷凍和冷藏、加熱、干燥、鹽堿油浸及加入保鮮劑等,目前飼草料保存只采用干草調制或青貯。

干草調制在大田進行,限于能快速干燥的飼草作物,并且適應于收獲時無降水或降水很少的地區[5,6]。青貯所要保存的飼料必須滿足青貯所需要的基本條件:含水量足夠高、水溶性碳水化合物含量適合。最終的pH值依賴于制作青貯時飼草的干物質含量和水溶性碳水化合物,這決定青貯的質量。同時,需要判斷是否有必要采用青貯辦法保存飼料,如果曬干損失很大,不適合調制干草。

飼草的青貯能力,即進行良好乳酸發酵生產青貯飼料的可能性,用其干物質含量、水溶性碳水化合物含量和緩沖能力評價。高水溶性碳水化合物含量和低緩沖能力,相對容易青貯成功;低水溶性碳水化合物和高緩沖能力,很難青貯成功。尤其是在干物質含量低的情況下,作物需要萎蔫到適當的干物質含量以獲得在鮮作物中適合的最低水溶性碳水化合物。

根據青貯過程內部生化和微生物特征,青貯過程可分為好氧階段:自填充和封蓋后的1～3 d,空氣仍然存在于所保存的植物材料的顆粒間,植物材料也還在呼吸,蛋白質發生水解,好氧微生物在活動,此時pH值為6.0～6.5;發酵階段:好氧階段后的10 d之內,植物材料本身所具有的乳酸菌轉化水溶性糖成為有機酸,此時pH值降到5.0,抑制了其他生物的活性,植物材料得以保存。這一過程中乳酸菌群落是動態變化的,首先是腸球菌(Enterococcus)和Leuconostoc占優勢,然后是乳酸菌(Lactobacillus)和 Pediococus增多[8]。pH值的降低程度決定于植物的化學組成(干物質含量和水溶性碳水化合物含量)及其緩沖能力;儲存階段:發酵階段以后,青貯材料內空氣變得很稀少,所保存的植物材料幾乎不再發生變化,此后,植物材料可以短期或長期保存;飼喂階段:揭開封蓋開始飼喂以后的階段,此時青貯飼料又暴露于空氣中,好氧微生物(主要是酵母菌和霉菌)又開始活動,可能造成飼料腐敗[7]。

縮短好氧階段和發酵期,加速發酵,盡可能最小化好氧微生物活動是青貯整個過程所追求的結果,因此,將目標材料切短并壓實是必要的操作;儲存階段和飼喂階段盡可能最小化地暴露飼料于空氣中。

青貯的基本原理就是厭氧環境下的乳酸菌固態發酵,然后,維持穩定的狀態。排除空氣制造厭氧環境是保證青貯飼料質量的決定要素,填裝窖、保存期、飼喂時所采取的各種措施都是要盡可能地隔絕空氣。

飼草的化學組成(主要指干物質含量和水溶性碳水化合物含量)和發酵過程中的優勢菌群決定著所產生的青貯類型,一般廣義地分為5種主要類型[9]。

乳酸青貯:發酵主要由乳酸菌支配,水溶性碳水化合物基本被轉化為乳酸,具有酸甜氣味,清香宜人。除萎蔫過度、發酵被抑制的青貯外,pH值3.8～4.2,相對其他有機酸,乳酸的含量很高。

醋酸青貯:發酵由大腸桿菌(enterobacteria)支配,當未萎蔫或輕度萎蔫、干物質含量低的飼草進行青貯時,很容易產生醋酸青貯。水溶性碳水化合物基本被轉化為醋酸,有酸(醋)的香味。相同干物質含量情況下,醋酸青貯pH值比乳酸青貯的pH值高。干物質和能量損失顯著。

梭菌青貯:發酵由梭菌支配,當未萎蔫或輕度萎蔫、低干物質含量的飼草進行青貯時,很容易產生梭菌青貯。水溶性碳水化合物和乳酸被轉化為丁酸和醋酸,特征是低乳酸水平和高pH值、蛋白質和氨基酸被大量降解、氨態氮占總氮的比例較高,干物質和能量損失很顯著。

萎蔫青貯:發酵由乳酸菌支配,由于干物質含量高(30%),發酵被抑制。水溶性碳水化合物被轉化為乳酸較少,pH值比乳酸青貯高,剩余的未發酵水溶性碳水化合物含量很高,因萎蔫時間和萎蔫程度而異。較干的飼草更難壓實,尤其是切碎長度較長情況下。由于壓實程度較差,在青貯壕或青貯捆內氧氣含量高,酵母菌和霉菌生長的風險更高。高的剩余水溶性碳水化合物含量、不良的壓實程度、酵母菌和霉菌孢子的殘留物使青貯在好氧條件下更不穩定。

添加劑青貯:加入添加劑進行青貯,特征和發酵類型隨添加劑不同而異。

上述分類是評定青貯質量的基本框架。根據青貯結果所劃定的類別,可以確定所儲存的飼草質量,并分析青貯過程,以改善青貯工藝。

2 青貯的工藝步驟

青貯時需要對每個步驟仔細控制以保證青貯成功并最小化損失。包括收割收獲、萎蔫、運輸、切碎、裝窖、壓實、封蓋、儲存、開蓋飼喂、在切碎或裝窖時加入添加劑。每個環節都需要順序細致管理,并有參數約束,才能獲得最佳的發酵質量和青貯飼料質量。青貯所需要的最基本設施為青貯窖或青貯塔或青貯包或青貯袋,可以根據實際情況決定采用哪種辦法,包括體積和數量。

收獲與萎蔫:不同的作物收獲時期不同,基本原則是作物產量和質量最大時收獲[10],飼草作物在初花期,乳熟期至臘熟期。還需要考慮作物的干物質含量,要求干物質含量為30%～40%,即含水量為60%～70%。飼草作物的產量和營養決定于所處的生長期,但干物質含量同時受收獲前灌溉或降水及期間的氣候條件影響。

為了保證干物質含量適合,濃縮水溶性碳水化合物,以獲得高質量發酵,同時減少流出物損失及對環境的污染,必要時將割倒的植株放置于田間進行萎蔫。萎蔫時,小谷粒作物易造成谷粒脫落損失;苜蓿等豆科牧草萎蔫時間較長,以降低緩沖力,但易落葉問題造成的損失要考慮;玉米莖稈粗厚,很難萎蔫,不推薦進行田間萎蔫。隨著干物質含量增加,流失量下降,當干物質含量達到約30%時,流失將不會發生。流失物包含水溶性碳水化合物、蛋白質、礦物質及發酵產物,因此,它代表著營養成分的顯著損失。水溶性碳水化合物的損失將減少青貯發酵時可利用的數量。

當干物質代謝能小于10 MJ/kg或干物質粗蛋白含量低于7%,干物質消化率低于65%的飼草料沒有青貯保存價值與必要[1]。收獲時,無論萎蔫與否,避免土壤或其他污染物帶入青貯材料中。

切碎與壓實:萎蔫后,干物質含量合適的作物運輸到目的地后經切碎,即裝窖并壓實。青貯飼草的切碎長度影響青貯發酵的速率和程度及儲存和飼喂過程的損失。切碎長度為1～2 cm。切碎長度減小,對植物細胞壁造成更大的傷害,釋放青貯微生物利用的水溶性碳水化合物更快、使發酵進行更快,pH值下降更迅速、伴隨干物質和能量損失減少、蛋白質分解更少。切得越細,越易壓實,進入青貯窖的氧氣數量越少,好氧呼吸損失更低,霉菌生長的風險更低。對于很難壓實的青貯材料,如萎蔫過度的飼草及禾草與豆類比較,更細的切碎益處更大。然而,低干物質含量的青貯,較細的切碎,水分從受傷細胞釋放得多,導致產生更多的流失物。許多研究表明,切碎較短與較長相比,家畜對青貯的攝取量增加,這對于羊和牛比較、年幼和年老的家畜比較,尤其明顯。在所有情況下,增加自由采食量可改善動物的生產。縮短切碎長度能提高發酵速率,減少干物質和能量的發酵損失及蛋白質降解、增加水溶性碳水化合物含量低的飼草成功發酵的機會、增加萎蔫青貯產生乳酸的數量、產生更低的青貯pH值、減小收獲時運輸飼草的體積和貯存空間、增加低干物質含量青貯的流失。同時,利于在青貯窖內更易壓實。切碎的青貯材料裝入青貯設施后,采取措施壓實,以更多地排除空氣,有利于獲得優質發酵。青貯窖用鏈軌拖拉機在上面行走壓實,20～40 cm一層一層地邊填充邊壓實;青貯塔采用青貯材料自然壓實,青貯包多通過捆綁壓實,青貯捆自然填充擠緊。對于干物質含量為35%的小麥全株青貯壓實較好后,干物質密度為230 kg/m3[11];大麥與禾草的密度分別可以達到232～260 kg/m3[12],苜蓿與玉米的密度變化在106～434 kg/m3之間[12]。所貯存的飼草料的干物質含量越高,越難壓緊實;壓得不緊實,青貯損失增多[13]。

封蓋與儲存:壓緊實后,立即進行封蓋。采用0.1～0.2 mm厚的聚乙烯塑料布。塑料布需耐紫外線,保存時間如果很長,需要覆蓋的厚一些[14],可根據經驗或塑料布生產廠家提供的技術參數判斷。封蓋后,上面用土或廢舊輪胎壓蓋,防止被風吹開等,壓得越多越好;如果用土壓蓋,需防止飼喂時污染青貯飼料。覆蓋塑料布及壓蓋情形對表層25 cm有很大影響[15]。壓蓋后進行全面檢查,排除四周可能對青貯設施造成破壞的因素。然后,放置儲存,在儲存過程中,防止鼠類和鳥類破壞塑料布,必要時采取相應措施。

開封飼喂:開封后,青貯飼料曝露于空氣中,再一次發生好氧氧化,好氧微生物活動對青貯產生破壞作用,造成損失。基本要求是,青貯面曝露的越少越好、越光滑越好、飼喂的速度越快越好。

添加劑:為了獲得良好的發酵質量和青貯飼料質量,必要時可以使用青貯添加劑。青貯添加劑有液態、粉末狀或懸濁液狀。根據功能,青貯添加劑分為發酵促進劑、發酵抑制劑、好氧腐敗抑制劑、營養劑和吸附劑[5]。在切碎或裝窖時將其加入到青貯材料中去,使用量根據生產說明和切碎或裝窖速度。

3 青貯飼料質量

發酵質量及青貯飼料的質量依賴于所青貯原料的化學組成和發酵中起支配作用的菌種。對青貯原料組成重要的影響因素是干物質含量、水溶性碳水化合物含量和緩沖能力。青貯原料中水溶性碳水化合物含量應該大于2.5%(鮮重)。如果水溶性碳水化合物含量低于2.5%,該飼草應該首先進行萎蔫或使用青貯添加劑以降低不良發酵的風險。所有的飼草作物都含有稱為緩沖劑的各種化合物,可阻止pH值的變化;飼草的緩沖能力依賴于植物本身的有機酸及其鹽的含量,蛋白質的貢獻量占10%～20%。青貯時,產生青貯酸(即發酵產物,為有機酸),緩沖劑中和了一些青貯酸,限制和延遲pH值的下降,為一些不需要的細菌生長提供了機會。因此,青貯的飼草具有較高緩沖能力,不良發酵的風險就會增大[16]。

青貯飼料的質量取決于其營養價值(消化率、代謝能、蛋白質和礦物質含量)和發酵質量[9,17]。發酵質量較差的青貯會導致動物生產下降,這是因為青貯適口性差及日糧中氮(粗蛋白)的利用較差。

在制作青貯的整個過程中,與鮮濕飼料相比,青貯飼料都會發生質量下降,下降的程度決定于:收獲和制作青貯時飼草的物理和化學特征、萎蔫條件和萎蔫程度、收獲過程、發酵過程的效率、貯存中厭氧條件的維持、飼喂中的管理。

青貯過程中,影響青貯好氧穩定性(即青貯飼料質量維持)的因素具有高含量可發酵的碳水化合物,包括水溶性碳水化合物,甚至發酵后仍有剩余(如萎蔫青貯),趨向于更不穩定;發酵質量低、揮發性脂肪酸(醋酸、丙酸和丁酸)含量高的青貯趨于更穩定;同型發酵乳酸菌起支配作用的青貯對好氧腐敗敏感;多孔性,透氣性增加,青貯穩定性下降;青貯對滲入空氣的敏感性受飼草物理特征、青貯密度和干物質含量影響;干物質含量,由于剩余水溶性碳水化合物較多,更難壓實,半干青貯對好氧腐敗敏感,有事實表明,一旦干物質超過50%,對好氧腐敗的敏感性下降;好氧腐敗微生物群落,在青貯過程開始時,延長好氧階段,或者是貯藏過程空氣進入,導致好氧微生物擴散進入,其一直處于休眠狀態,直至青貯開封飼喂。飼喂過程中,環境溫度溫暖的天氣,青貯對好氧腐敗敏感;飼喂速率 青貯或青貯捆緩慢的飼喂,增加好氧腐敗,這是影響好氧腐敗最重要的因素之一;飼喂表面的管理 在取青貯過程中,對于表面的過多干擾,增加空氣的滲入,增加腐敗機率;飼喂之前的攪拌 青貯在飼喂拖車、混合拖車或者切碎機中的機械加工等增加通風性活動,增加好氧腐敗的機率。

無論是青貯飼料還是干草調制的飼料亦或秸稈等飼料,除采用化學發酵參數進行評價外,考慮到動物健康狀況,細菌、霉菌及其代謝產物如各類毒枝菌素(mycotoxins)也應納入審視范圍[18]。我國需要新的青貯飼料技術規范以指導青貯規范發展。

4 青貯對草地管理的意義

進行干草調制并儲存是轉移生產旺季高質量飼草到飼草料短缺期的辦法,以維持全年高質量飼草供應穩定平衡,青貯同樣可以作為一種飼草料保存的選擇方式。

青貯飼料生產可以和放牧管理整合,以便于管理剩余飼草,改善草地利用狀況。通過早期收獲進行青貯,然后利用青貯收獲后飼草的再生及牧場其余部分以高的載畜量放牧,而提供高質量飼草;通過增加放牧壓,維持草地在較長階段內有更活躍的生長而增加飼草的生產;通過策略性刈割,減少雜草,產生有活力的種子,改善雜草管理;減少牧場枯落覆蓋物,以維持草地質量;利用青貯飼料進行適時飼喂,在一年內的關鍵階段關閉放牧區或減少放牧壓,以改善理想飼草存活及其生產力。

青貯是一種有價值的草地管理方式,在牧草生長高峰期,利用青貯可以保持牧草質量、提高草地的利用。有策略的青貯收割使生長的牧草達到最大程度利用,實現高的飼草生產總量(放牧+青貯),使青貯飼料和放牧的草地都維持高質量。在溫帶草原,青貯飼料代謝能(ME)為10 MJ/kg DM 才適當;避免因青貯而過早封育草地,從而可能造成用于放牧的草地臨時不足;確保青貯收割對草地的生產力沒有長期不利影響。當因青貯而停止放牧時,為生產高質量的青貯飼料,可以機動地調整封育日期和封育持續期(或收割日期)。預測牧草生長速度和牲畜需求量,決定什么時候及應該為青貯留出多大放牧面積草地。在輪牧區,監控放牧后牧草剩余量是最簡單、最實用的方法,因為牧草過剩是收割青貯的必要條件。早期青貯收割之后的草地常會比收割干草之后的草地有更高的再生產量。草地封育越早、封育持續期越短,獲得的再生干物質產量越高。策略性青貯收割的長遠利益是增加豆科牧草和所需禾草的比例并減少雜草的比例。青貯可以作為一種控制雜草的策略。青貯收割時間和牧草再生管理對抑制雜草種子產生都很重要。如果生命力強的闊葉雜草入侵或為了有效控制雜草而推遲收獲時間,那么青貯飼料質量可能會受影響。家畜生產的任何選擇都需要權衡雜草控制的利益。

擬進行調制青貯的牧場,進行成功青貯需3條關鍵原理:經濟決策完善,管理決策要持續完善,青貯飼料利用決策不能脫離牧場其他活動。牧場主需要明白青貯飼料成本和潛在的回報,強化經濟行為。

載畜量及飼草產量和質量的季節性變化是影響農牧場儲存飼草數量的2項主要因素。載畜量增加,多余飼草量減少,可用于青貯的草減少。

我國北方飼草生長季短,因此,要儲存飼草以供牲畜冬季需要。但很多時候是沒有多余的飼草,只能強行留出割草地,供制作干草或青貯儲存飼草,這樣可能犧牲了牲畜在夏季的潛在生長力。但無論如何,選擇干草調制進行飼草儲存以保證飼草料全年平衡供應還是選擇青貯儲存,包括對秸稈的充分加工處理利用[22-24],其核心是經營策略和成本預算。青貯與干草對牲畜生長的作用還存在爭議,部分原因是社會生產力水平決定的成本[25]。

現階段,我國北方草原區為了保護草地、并發展草地畜牧業,開發專門種植的飼草作物用于青貯具有廣闊的空間和重要的生態,經濟和社會意義。青貯生產大多是利用多余的飼草或利用專門種植的特定作物。玉米是一種最佳的可選擇作物,近幾年,玉米與蔓生豆類作物混播極好地彌補了玉米單獨播種青貯的粗蛋白不足問題[26,27]。

5 結語

發酵是利用微生物的新陳代謝生產目的產物的工藝過程,分厭氧發酵和好氧發酵及固態發酵和液態發酵。青貯屬于厭氧固態發酵,發酵微生物為乳酸菌,發酵的目的產物為有機酸,底物為所要保存飼料中的水溶性碳水化合物。成功的發酵決定于無氧環境程度、乳酸菌種類和數量及水溶性碳水化合物的數量,包括干物質含量及緩沖劑的量。

青貯可以保持或增加飼草料原初的適口性和采食量,但并不能使其適口性和采食量增加。干草的適口性或采食量可能降低,可以調整改變,也就是說,通過對干飼草進行處理,其適口性和采食量可以恢復到鮮濕狀態水平或青貯所維持的水平。

青貯是鮮濕飼料保存方法和技術,目標是最大限度地保存飼料原初營養價值,并減少調制、保存、飼喂過程中的損失。青貯增加飼料營養價值的說法有待商榷,與同期收獲的干草相比較,青貯飼料有一些優點,但其生產成本對其飼料優點的抵消作用不能忽視。現存的青貯技術實際是干秸稈加工處理做飼料的技術,二者不應混淆;干秸稈加工生產作為粗飼料有巨大的潛力可挖,也需要深化發展。

在飼草料的產量和營養價值最大時,收獲飼草料,此時若沒有降水或降水很少,選擇青貯還是調制干草,唯一的標準是經濟收益。幾乎所有飼草及其作物都可以用于青貯,但最常用的是整株玉米、整株高粱、苜蓿等。青貯可以作為草地管理工具,即在飼草生長旺季儲存多余的飼草,以用于飼草短缺季節;但是,對于中國北方草地,不應青貯天然飼草,經濟得不償失,也不是一種明智的選擇。北方草地僅適宜立地放牧,飼料不足需要通過其他途徑補給。

青貯作為鮮濕飼料的保存技術,重要意義就是不間斷連續供應給牲畜穩定的飼料以飼喂牲畜,保證牲畜的目標生長。我國北方草地大面積嚴重退化,首要原因是草畜矛盾,即牲畜多飼草飼料少;同時,由于飼料全年供應數量和質量不穩定,牲畜生長率低,無效消耗了大量飼草。北方草地中5%～10%的隱喻生境,如呼倫貝爾的額爾古納河流域、錫林郭勒的錫林河流域以及丘陵間低地,可以用以種植高產飼料作物,如籽粒玉米、青貯玉米。這些飼料作物可以用于干儲或青貯,作為冬春季牲畜飼草料。權衡措施之一,就是草地只用于放牧,不用于收獲干草,一定程度上可以緩解草畜矛盾。若隱喻生境飼料產量達到20 t/hm2,那么5%的隱喻生境的飼草料產量就等于甚至多于整個北方草地天然飼草的飼草料產量。隱喻生境局部開墾破壞與草地大面積受保護的權衡存在爭議,沒有結論之前不必武斷限制另一種途徑。

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