水氮互作對青貯玉米產量和青貯品質的影響

王 曄，石雅琪，劉 呈，劉雅然，南張杰，張秋芝，潘金豹

（北京農學院植物科學技術學院 / 植物生產國家級實驗教學示范中心，北京 102206）

青貯玉米(Zea may)是畜牧業生產中重要的飼料來源，其具有產量高、營養豐富、易消化且適口性好等特點[1-2]。青貯料質量的優劣直接關系到反芻家畜的生產性能和健康[3]。青貯玉米是需水較多、需肥量大的作物[4-5]，且對氮肥反應敏感[6]。東華北地區處于“鐮刀灣”區域，也是玉米結構調整的重點地區，在農業生產中為追求高產，常采用大量灌溉和過量施肥的管理措施，這樣不僅導致水肥資源利用效率低，也造成了農田生態污染等一系列問題[7-8]。

合理的灌溉和施肥，能充分發揮水肥互作效應達到優質高產的目的[9]。灌溉和施氮對玉米生長特性、碳氮代謝、養分吸收與利用等的影響已有大量報道[10-12]。在青貯玉米產量和品質方面，王軍等[13]通過水肥耦合模型模擬了青貯玉米產量和水肥之間的關系，明確了青貯玉米產量最大(100.69 t·hm?2)時水肥耦合最優水平灌溉量為1 531.66 m3·hm?2，施尿素量為119.94 kg·hm?2。解婷婷和蘇培璽[14]研究發現，高水肥和低水肥處理的青貯玉米鮮重無顯著差異。白冰和文亦芾[15]研究表明，不同氮素施肥條件下，當尿素施用量為300 kg·hm?2，在青貯60 d 后的青貯玉米pH、乳酸含量和揮發性脂肪酸含量均達到優質標準。梁虹等[16]在研究緩釋肥對青貯45 d后的青貯玉米營養品質和發酵品質的影響時發現，當施用緩釋肥的含氮量為120 kg·hm?2時，青貯玉米含氮量和干物質(dry matter，DM)含量較高，中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)含量較低，有機酸含量較高，青貯品質較好。馮鵬等[17]研究發現，灌水量為2 069.96 m3·hm?2、施氮量為225 kg·hm?2時玉米產量最高，青貯75 d 后該處理組的乳酸含量高，營養品質好。可見，水分和氮肥協同效應，最終影響青貯玉米的產量和品質，不僅提高了資源利用率，實現節本增效，也促進了我國農業的可持續發展。

對青貯玉米產量和青貯質量的研究大多局限于單一灌水或施肥的影響，水肥互作效應的報道仍較少。另外，對長期(1 年)青貯保存后青貯效果的研究報道也不多。為此，本研究以專用型青貯玉米為材料，綜合分析水氮互作對東華北地區青貯玉米生物產量、青貯料的營養品質、發酵質量和飼用價值的調控效應，獲得灌水量和施氮量的最優組合，以期為青貯玉米節水減氮、可持續生產提供理論依據，并構建滿足畜牧業對優質青貯料需求的青貯玉米高產高效種養結合生產模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017 年5 月 - 10 月在內蒙古自治區通遼市科爾沁區錢家店鎮通遼市農業科學院基地(43°43′ N，122°37′ E)進行。試驗區土壤類型為黑土，耕層土壤pH 為8.57，有機質含量為11.54 g·kg?1，全氮含量為1.22 g·kg?1，速效磷含量為16.57 mg·kg?1，速效鉀含量為137.6 mg·kg?1，有機碳含量9.83 g·kg?1。該試驗區屬于暖溫帶大陸性氣候，青貯玉米生長季降水及氣溫變化如圖1 所示。生長季(5 月8 日 - 9 月20 日)日平均氣溫為22.5 ℃，總降水量為439.2 mm。

圖1 2017 年青貯玉米生長季的日平均氣溫和降水量Figure 1 Mean daily temperature and precipitation of silage maize growing season in 2017

1.2 試驗設計

以東華北中晚熟區廣泛推廣種植的專用型青貯玉米北農青貯368 (國審玉20180175)為材料。采用裂區設計，以灌水量為主區，施氮量為副區。灌水處理設3 個水平，分別為當地傳統灌水量(2 250 m3·hm?2，W1)、節水10% (2 025 m3·hm?2，W2)和節水20% (1 800 m3·hm?2，W3)；施氮量為當地傳統用量(420 kg·hm?2，N1)、減氮10% (378 kg·hm?2，N2)和減氮20% (336 kg·hm?2，N3) 3 個水平。采用滴灌水肥一體化系統控制每個小區水肥施用量。3 個灌水處理分別在播種、六葉展、十二葉展、吐絲期和吐絲后25 d 時等量分次灌溉，每次灌溉量分別為450、405 和360 m3·hm?2。基肥以磷酸二氫銨為氮源，追肥以尿素為氮源，按基肥 ? 十二葉展追肥 ? 吐絲后25 d 追肥 = 1 ? 4 ? 2 分施。種植密度75 000 株·hm?2，行長10 m，行距0.6 m，8 行區，小區面積48 m2，每處理重復3 次。田間病蟲草害防治及管理同一般生產田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 青貯玉米產量

青貯玉米籽粒乳線達1/2 時，從地上部20 cm 處全株刈割，每個小區實收中間4 行稱重計生物鮮重。

1.3.2 干物質量

從測產樣品中隨機選取10 株，全株粉碎至1.0 cm左右樣段，充分混勻后，采用烘干法，105 ℃殺青4 h后65 ℃烘干至恒重，測定干物質量(DM1)，青貯開封后測定干物質量(DM2)，計算干物質損失率。

1.3.3 青貯品質

從上述測產樣品中稱取粉碎的青貯料600 g，裝入30 cm × 40 cm 聚乙烯袋內，用真空封口機抽真空后密封，置于室溫下避光周年保存后開封，取10 g混勻的青貯料放入燒杯中，加入90 mL 去離子水，放置4 ℃冰箱中浸泡12 h 后，取出過濾，用pH 計測定浸提液pH。有機酸含量采用Agilent 1200 高效液相色譜測定，浸提液在12 000 r·min?1離心5 min后，用0.45 μm 微孔濾膜過濾后測定乳酸和乙酸含量。色譜條件：流動相為0.2%磷酸溶液，流速為1 mL·min?1，柱溫70 ℃，檢測波長210 nm[18]。

青貯料烘干后，采用范氏(Van Soest)纖維含量測定法[19]，利用ANKOM-220 纖維分析系統測定NDF 和ADF 含量；粗蛋白(crude protein，CP)含量采用全自動杜馬斯定氮儀測定[20]；淀粉(starch)含量采用鹽酸水解-蒽酮比色法測定[21]；粗脂肪(ether extract，EE)含量采用索式提取法測定[20]；粗灰分(crude ash，CA)含量在550 ℃下直接灰化法測定。

1.3.4 相對飼用價值

相對飼用價值(relative feed value，RFV)參照Rohweder 等[22]方法計算。RFV= (DMI×DDM) / 1.29；DMI= 120 /NDF；DDM= 88.9 ? 0.779ADF。式中：DMI(dry matter intake)為粗飼料干物質的隨意采食量；DDM(in vivodigestible dry matter)為可消化的干物質；NDF為中性洗滌纖維；ADF為酸性洗滌纖維。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010 進行數據處理，采用SAS 統計軟件(V8, SAS Institute Inc., Cary, USA)的ANOVA法進行處理間差異顯著性分析(P< 0.05)，用Duncan’s法進行多重比較，采用Origin 2019 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對青貯玉米產量的影響

水氮互作對青貯玉米鮮重影響不顯著(P>0.05)，但對干重有顯著影響(P< 0.05)。灌水處理對青貯玉米鮮重和干重均有顯著影響(P< 0.05)，但施氮處理對鮮重和干重均無顯著影響(P> 0.05)。與傳統水肥用量(W1N1)下干重(21.64 t·hm?2)相比，處理組W1N3、W2N2、W2N3和W3N3產量增幅0.14%～5.27%。其中，W2N2干重最高，為22.78 t·hm?2，與W1N1相比差異達顯著水平(P< 0.05)。在同等施肥量條件下，減氮20%處理(W1N3、W2N3和W3N3)干重與W1N1無顯著差異(P> 0.05)；相同灌水條件下，節水20%處理(W3N1、W3N2和W3N3)干重與W1N1差異不顯著(P> 0.05) (表1)。

表1 不同水氮處理對青貯玉米產量的影響Table 1 Effects of different water and nitrogen application treatments on silage maize yield

2.2 不同處理對青貯玉米干物質含量的影響

不同水氮處理下青貯玉米干物質含量差異不顯著(P> 0.05)，干物質含量為31.30%～34.23%，與W1N1相比，各處理干物質含量有不同程度降低，降低幅度為0.85%～8.56%，其中W2N2的降低幅度最小(0.85%) (表2)。

青貯料在周年保存后，各處理間干物質含量差異明顯 (表2)。與W1N1相比，青貯后干物質含量降低幅度為1.49%～14.24%。與青貯前相比，干物質損失率為0.09%～9.56%。W1N1的干物質損失率最小(0.09%)，W3N3處理下的損失率最大(9.56%)。

表2 不同水氮處理下青貯玉米的干物質含量Table 2 Dry matter content of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

2.3 不同處理對青貯料青貯品質的影響

不同水氮處理下，周年保存的青貯料pH 穩定在4.0 左右。乳酸含量為3.33%～4.34%，各處理乳酸含量不同程度高于W1N1，其中W1N2、W2N2、W2N3和W3N1處理的乳酸含量分別比W1N1提高了16.22%、30.33%、25.23%和23.72%，且差異達顯著水平(P< 0.05)。各處理乙酸含量為1.63%～2.29%，其中W2N2和W3N3的乙酸含量低于其他處理 (表3)。

表3 不同水氮處理下青貯料的發酵品質Table 3 Silage quality resulting from silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

青貯料周年保存后，不同水氮處理下NDF 含量為39.82%～45.80%，ADF 含量為23.76%～28.13%，淀粉含量為22.52%～28.90%，粗蛋白含量為7.64%～8.51%，粗灰分含量為4.91%～5.96%，而粗脂肪含量變化不大。與W1N1相比，不同處理下NDF、ADF、淀粉、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量變化幅度在?3.73%～7.49%、?7.04%～10.05%、?17.21%～6.25%、?10.22%～?3.13%、?0.30%～2.08%和?5.03%～15.28%。在W1和W2灌溉條件下，隨著施氮量降低，NDF 和ADF 含量呈增加趨勢，淀粉含量呈降低趨勢。在同等施肥條件下(N2和N3)，隨灌溉量減少，NDF、ADF和淀粉含量均降低。綜合青貯料營養品質表現，W2N2處理經青貯發酵后青貯品質效果較好(表4)。

表4 不同水氮處理下青貯料的營養品質Table 4 Nutritional values of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments%

2.4 不同處理對青貯玉米相對飼用價值的影響

不同水氮處理下，青貯玉米相對飼用價值為136.04～164.35，其中以W3N3處理最高。與W1N1相比，W2N1和W3N3相對飼用價值分別增加了4.72%和8.42%；W3N1處理最低，與W1N1相比，其相對飼用價值降低了10.69%。各處理的相對飼用價值與W1N1相比差異均不顯著(P> 0.05) (圖2)。

圖2 不同水氮處理下青貯料的相對飼用價值Figure 2 Relative feed value of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

3 討論

玉米在不同生育期對氮肥利用率的變化與不同時期養分和水分需求密切相關，過量灌溉和施肥不僅造成了水資源浪費和肥料養分流失，而且不利于作物生長，導致易倒伏、感染病蟲害和貪青晚熟等問題，造成作物產量和品質下降[23]。因此，明確青貯玉米對水肥互作效應的響應特征，達到增產目的的同時獲得較好的青貯品質尤為重要。本研究在節水減氮的條件下，水肥互作仍然可獲得與傳統用量相當的生物產量，其中，節水10%、減氮10% (W2N2)處理下的產量顯著高于農民傳統用量(W1N1)下的產量。水分和氮素在玉米產量上存在顯著的正耦合效應[24]。適量施用氮肥可以提高作物水分利用率[25-26]，灌水亦可提高肥料的利用效率[27-28]。本研究中相同施氮量水平下，隨著灌水量減少，生物產量降低(W2N2除外)，與前人研究結果一致[10,13]。當灌水量為2 025 m3·hm?2、減氮10% (378 kg·hm?2)時，產量達最大，與對照相比增產5.02%。繼續減氮產量與W1N1相比變化不大。表明水氮配合不僅有利于提高作物生物產量[13,29]，而且適量的氮肥減施和合理的灌溉相結合，可使玉米產量和氮肥利用效率得到協同提高[30]。

在青貯過程中，干物質損失和青貯質量變化降低了青貯料的質量[31]。一般青貯方法對青貯料的干物質含量要求為25%～35%[32]，在此范圍內可以在一定程度上控制發酵造成的損失，而當干物質含量從30%下降到20%時，大幅度降低了反芻家畜對青貯料的消化率[33]。Divis[31]研究表明，氮肥處理對干物質含量影響不顯著。馮鵬等[17]進一步通過水肥試驗表明，水肥耦合效應對青貯料干物質含量影響不明顯。本研究在不同灌水和施氮水平下，青貯玉米的干物質含量為31.30%～34.23%，均符合青貯要求，水氮處理對干物質含量影響不顯著，與前人研究結果一致[17]。青貯料周年貯存后，干物質損失率為0.09%～9.56%。在水氮充足條件下(W1N1)，干物質基本無損失(0.09%)，在灌水量充足、減施氮肥(W1N2和W1N3)和節水10%、減氮10% (W2N2)條件下干物質損失與傳統水氮用量(W1N1)均差異不大。

增施氮肥提高了全株玉米粗蛋白含量，降低了粗纖維含量[1,32-33]。玉米飼用營養品質隨著施氮量的增加顯著提高。但也有研究表明，氮肥影響玉米的纖維組成，進而影響可消化有機物含量，但對粗纖維含量影響不大[34]。灌水處理降低了纖維含量，進而提高了青貯飼料的消化率[17]。本研究表明，在適宜的水肥互作條件下(W2N2)，青貯料保持較高的粗蛋白、淀粉和粗灰分含量，但水氮處理對粗脂肪含量影響不大。

pH 是影響青貯料良好保存的關鍵因素[35]，品質優良的青貯飼料pH 為3.8～4.5。當青貯料pH 為4.0 時，可抑制梭狀芽孢桿菌(Clostridium)活動。本研究表明不同水氮處理對青貯料pH 影響不大，均保持在4.0 左右，適宜的pH 可促進有益微生物活動，即使經過周年貯存，青貯料依然保存良好。有機酸含量的多少能夠反映青貯料在發酵過程中的品質優劣。有機酸含量與采食量有關，尤其是乳酸含量對適口性有直接影響。本研究發現，當灌水量為2 025 m3·hm?2、施氮量為378 kg·hm?2時乳酸含量明顯高于其他處理，乙酸含量較低，青貯品質較好?？梢?，水肥耦合可以提高青貯料的發酵品質，通過影響青貯原料的營養品質而影響青貯飼料飼用品質。

4 結論

本研究發現在東華北中晚熟地區總灌水量為2 025 m3·hm?2、總施氮量為378 kg·hm?2時，可獲得青貯玉米較高的生物產量和較好的發酵效果，使青貯玉米產量和青貯質量協同提高。