2種秸稈與全株構樹混貯發酵品質及瘤胃體外產氣特性

收稿日期：2024-04-03；修回日期：2024-05-16

基金項目：南疆重點產業創新發展支撐計劃項目（2022DB017）；財政部和農業農村部-國家牧草體系項目（CARS-34）資助

作者簡介：孫穎超（1999-），男，漢族，河南駐馬店人，碩士研究生，主要從事飼草生產與加工研究，E-mail：321470946@qq.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：zhangfanfan@shzu.edu.cn

摘要：本研究旨在探索新疆地區主要作物秸稈與全株構樹（Broussonetia papyrifera L.）的混合青貯發酵特性，為提高秸稈資源利用效率、改善構樹發酵品質提供理論依據。試驗共設7個處理，分別為CK組（100%全株構樹青貯），C組［90%全株構樹+10%玉米（Zea mays L.）秸稈］，C組（70%全株構樹+30%玉米秸稈），C組（50%全株構樹+50%玉米秸稈），W組［90%全株構樹+10%小麥（Triticum aestivum L.）秸稈］，W組（70%全株構樹+30%小麥秸稈），W組（50%全株構樹+50%小麥秸稈）。測定自然發酵90天發酵前后各處理組的營養成分、發酵品質、微生物數量，并進行瘤胃體外產氣試驗。結果表明：與CK組相比，混合發酵中的粗蛋白含量、pH值、氨態氮含量和霉菌數量均顯著降低（P＜0.05），乳酸菌數量、乳酸含量均顯著升高（P＜0.05）；混合青貯的有機物消化率、代謝能均顯著低于CK組（P＜0.05）。綜上，全株構樹與玉米、小麥秸稈混合青貯（1∶1）可顯著改善青貯發酵品質。

關鍵詞：玉米秸稈；小麥秸稈；全株構樹；發酵品質；瘤胃體外產氣

中圖分類號：S816.53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2024）10-3297-08

Fermentation Quality and In Vitro Rumen Gas Production of Corn Straw Wheat Straw Mixed with Whole Conformation Tree

SUN Ying-chao¹， CHAI Yu-xin¹， HOU Guo-qing²， CHEN Yong-cheng¹， ZHENG Xiao-kai¹， YANG Jian-qi^1，3， ZHANG Fan-fan^1*

（1.College of Animal Science & Technology， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 833000， China; 2.Xinjiang Production and Construction Corps Seventh Division Institute of Agricultural Sciences， Kuiton， Xinjiang 833200， China; 3. College of Animal Science & Technology， Sichuan Agricultural University， Chengdu， Sichuan Province 610000， China）

Abstract：The purpose of this study was to explore the fermentation characteristics of dominant straw and whole-plant Broussonetia papyrifera in Xinjiang province，and to provide a theoretical basis for improving the utilization efficiency of straw resources and the fermentation quality of B. papyrifera. A total of 7 treatments were set up in the experiment，and each treatment had 7 replicates，including CK group （whole-plant B. papyrifera silage），C group （90% whole-plant B. papyrifera and 10% corn straw），C group （70% whole-plant B. papyrifera and 30% corn straw），Cgroup （50% whole-plant B. papyrifera and 50% corn straw），W group （90% whole-plant B. papyrifera and 10% wheat straw），W group （70% whole-plant B. papyrifera and 30% wheat straw），W group （50% whole-plant B. papyrifera and 50% wheat straw）. After 90 days of fermentation，the nutritive value，fermentation quality，microbial number and in vitro gas production of rumen were measured. The results showed as follows：1） compared with CK group，the dry matter loss rate，pH value，ammonia nitrogen content and mold number of mixed silage fermentation system decreased significantly （P<0.05） with the increase of the addition ratio of the two straws. The number of lactic acid bacteria and lactic acid content significantly increased （ P<0.05）. 2） The organic matter digestibility and metabolic energy of mixed silage of whole plant Broussonetia papyrifera and straw were significantly lower than those of CK group （P<0.05）.The mixed silage （1∶1） of whole-plant B. papyrifera with corn straw and wheat straw could significantly improve the fermentation quality of silage.

Key words：Corn straw；Wheat straw；Whole-plant Broussonetia papyrifera;Fermentation quality；In vitro rumen gas production

構樹（Broussonetia papyrifera L.）為多年生落葉喬木，是桑科構樹屬植物，營養價值高，環境適應性強，在我國各地分布廣泛^［1］。構樹枝葉中含有豐富的粗蛋白、粗脂肪、微量元素，且富含各種氨基酸。此外，它含有豐富的多酚類和黃酮類化合物，具有抗菌、抗病毒、抗氧化等生物活性^［2-3］，是一種新型優質飼料資源。大量研究證實，在基礎日糧中添加10%～30%的構樹，可改善多種家畜的生長性能、提高畜產品品質，且對家畜免疫功能及抗氧化能力產生積極影響^［4-6］。目前對于構樹的加工方式主要為調制干草和青貯，其中青貯是在厭氧環境下乳酸菌利用底物發酵，產生乳酸、乙酸等多種有機酸，快速降低pH值，抑制其他不良微生物的生長繁殖，因此被認為是保存牧草營養成分的最佳方式^［7］。由于構樹與紫花苜蓿（Medicago sativa L.）類似，蛋白分子結構復雜，粗蛋白含量和緩沖能高^［2-3］，自然青貯條件下青貯效果差，導致飼料營養物質損失較大。因此，如何控制發酵體系以改善構樹的青貯發酵品質是當前需要解決的問題。

新疆作為我國農業大省，總面積166.49萬km²，耕地面積524.229萬hm²，農作物秸稈資源豐富，據統計2019年新疆農作物秸稈利用量達2704.14萬t，秸稈綜合利用率由86.48%（2019年）增長到90%以上（2021年），但由于受到多方面因素限制，農作物秸稈浪費依然嚴重^［8］。秸稈由于粗蛋白含量低，且纖維素、半纖維素和木質素含量高，經干燥處理制成粗飼料后適口性差，導致動物對秸稈的利用效率較低^［9］。利用秸稈與其他牧草混合青貯，既能解決單獨青貯效果不佳的問題，又可明顯改善青貯發酵品質和營養水平，實現農作物秸稈的高效利用，現已作為提高牧草飼用價值的有效手段被廣泛應用。有研究表明，利用30%紫花苜蓿與燕麥（Avena sativa）、多年生黑麥草（Lolium perenne L.）和高羊茅（Festuca arundinacea Schreb L.）等秸稈混合青貯，能顯著改善發酵體系微生物組成及代謝功能，進而提高發酵品質和干物質消化率^［10-12］；利用不同比例的紫花苜蓿與玉米（Zea mays L.）、小麥（Triticum aestivum L.）、向日葵（Helianthus annuus L.）、油菜（Brassica napus L.）等秸稈混合青貯，較苜蓿單獨青貯效果顯著，且干物質回收率及乳酸含量較高，pH值和氨態氮含量較低^［13-15］。然而，目前關于全株構樹與其他農作物秸稈混合青貯后能夠改善發酵品質、營養水平及家畜利用率的研究報道較少。

因此，本研究選取新疆主要的作物秸稈資源（玉米秸稈、小麥秸稈）分別與全株構樹進行不同比例的混合青貯研究，通過分析其營養成分、發酵品質、主要微生物數量及瘤胃體外消化的特性，為改善構樹青貯發酵品質，提高新疆地區秸稈資源的利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

構樹種植于新疆維吾爾自治區第七師農業科學研究所構樹種植示范基地（44°20′N，83°51′E，海拔450 m，溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.6℃，極端最高氣溫41.8℃，年平均積溫≥10℃的為3774.3℃；土壤鹽含量為0.38%，前茬作物為小麥）。構樹苗購自石河子市牧豐飼草生產服務中心，種植時間為2022年4月15日，種植方法采用膜上穴播，種植密度為23 970株·hm^-2，株距為60 cm×70 cm，總種植面積為2666.68 m²。水肥供應采用淺埋滴灌技術，每7 d澆水一次。待全株構樹株高長至1.5 m左右時全株收割，留茬高度為10～15 cm，收割時間為2022年8月1日和10月5日。玉米秸稈和小麥秸稈購自精河縣天北牧業養殖合作社，含水量約為12%～15%。將各類原料分別粉碎、揉絲短切至1～2 cm，待貯。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個處理，分別為CK組（100% 全株構樹青貯），C組（90%全株構樹+10%玉米秸稈），C處理（70%全株構樹+30%玉米秸稈），C組（50%全株構樹+50%玉米秸稈），W組（90%全株構樹+10%小麥秸稈），W組（70%全株構樹+30%小麥秸稈），W組（50%全株構樹+50%小麥秸稈）。按各處理比例混合均勻后，分別稱取1 kg樣品，立即裝入帶有單向呼吸閥的塑料材質青貯飼料發酵袋中，壓實，并進行真空密封（真空袋規格35 cm×45 cm，厚度0.2 mm），每處理設置3個重復，共計調制21袋。置于18～23℃條件下自然發酵90 d。分別測定發酵前后各組混合青貯產物的營養成分、發酵指標、微生物數量，并在發酵后測定各組混合青貯產物的瘤胃體外產氣量和產氣模型參數。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 營養品質分析 主要營養品質：測定干物質（Dry matter，DM）、粗蛋白（Crude protein，CP）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）、粗脂肪（Ether extract，EE）和可溶性碳水化合物（Water-soluble carbohydrates，WSC）。其中DM含量測定采用105℃烘干法（DHG-9620A鼓風干燥機，上海合恒儀器設備有限公司）；CP含量測定采用凱氏定氮法（Buchi K-375全自動凱氏定氮儀，美國福斯公司）；NDF和ADF含量測定采用范氏洗滌纖維法（自制多用途無紡纖維袋，專利號：ZL201621382211.7和ZL201621382214.0）；EE含量測定采用索氏提取法（玻璃索氏提取器，上海壘固有限公司）；WSC含量測定采用蒽酮比色法（紫外可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司）^{［2，16-17］}。

1.3.2 發酵指標分析 發酵特性指標主要測定pH值、氨態氮（Ammonium nitrogen，NH-N）、乳酸（Lactic acid，LA）、乙酸（Acetic acid，AA）、丙酸（Propanoic acid，PA）、丁酸（Butyric acid，BA）含量。其中pH值采用PHSJ3F酸度計測定；NH-N含量采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定^{［2，18］}；LA，AA，PA，BA含量測定采用液相色譜法（Agilent1260高效液相色譜儀HPLC，美國安捷倫科技公司）^{［2，18］}。

1.3.3 微生物數量分析 微生物主要測定乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）、霉菌（Mold）數量、酵母菌（Yeast）和好氧細菌（Aerobic bacteria，AB）。LAB，AB分別采用MRS、營養瓊脂培養基28℃培養24 h；霉菌和酵母菌分別采用高鹽察氏、麥芽糖浸粉瓊脂培養基37℃培養72 h，待培養結束后對各培養基進行平板計數，并對微生物數量進行計算^［19］。所有培養基均購自北京世紀沃德生物科技有限公司。

1.3.4 哈薩克羊瘤胃體外產氣分析 試驗動物選擇石河子大學動物實驗站的3只體重相近、健康狀況良好的哈薩克羊，于晨飼前采集瘤胃液，裝于提前充滿CO氣體并預溫的保溫瓶中，迅速帶回實驗室。將采集的瘤胃液用4層紗布過濾，預熱，并事先在39℃的密閉容器中持續通CO氣體5 min，待用。參照盧德勛的方法進行體外產氣分析^［20］，人工瘤胃液采用Menke等^［21］的方法配制，瘤胃液與人工液以1∶2的比例配制。以100 mL玻璃注射器為發酵容器（標號并檢查密閉性），提前用39℃的水浴（自制恒溫震蕩水浴鍋）處理。稱取烘干后各組全株構樹和秸稈混合青貯發酵產物樣品0.5 g，加入到100 mL玻璃注射器內，每組樣品重復3次。取30 mL配制好的培養溶液注入裝好發酵底物的體外產氣培養管底部，將玻璃注射器內空氣排盡，管塞涂抹凡士林保證玻璃注射器的密閉性和潤滑性，于39℃恒溫震蕩水浴鍋中培養，讀取0，2，4，6，8，10，12，18，24，30，36，42，48 h產氣量^［22］。待產氣發酵結束后，同時分析有機物消化率（Organic matter digestibility，OMD）、代謝能（Metabolizable energy，ME）和產氣參數模型，產氣參數模型采用DPSV7.05軟件中一元非線性回歸模型（Gompertz模型）計算。計算公式^［22-23］：

OMD=0.986×GP+0.0606×CP+11.03

ME＝0.1639×GP+0.0079×CP+0.0239×EE+0.04

X=C×exp［-C×exp（-C×X）］

式中：GP為24 h的產氣量（mL）；CP為粗蛋白質含量（%）；EE為粗脂肪含量（%）。X為產氣量（mL）；C為理論最大產氣量（mL）；C為產氣速率（mL·h^-1）；C為產氣延滯時間（h）；X為體外培養時間（h）。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2021整理試驗數據，采用IBM SPSS Statistics 26軟件進行單因素方差分析，當P<0.05時，通過Tukey（圖基）檢驗確定每個處理之間的顯著差異。采用Origin 2017軟件進行繪圖。瘤胃體外產氣模型參數采用DPS V7.05軟件進行計算。

2 結果與分析

2.1 兩種秸稈與全株構樹混合青貯營養品質的影響

本研究中全株構樹與玉米秸稈和小麥秸稈本身營養品質差距較大，所以不同比例處理間均有差異。發酵初始時（表1、表2），各混合青貯處理DM，NDF，ADF含量和酵母菌數量均顯著高于CK組（P＜0.05），其中C，W處理最高。CK組的pH值，CP，EE，WSC，LA含量和LAB數量均顯著高于各混合青貯處理（P＜0.05），其中C，W最低。所有處理均未檢測到PA，BA。除C組外，各混合青貯處理的AB數量顯著高于CK組（P＜0.05）。

玉米秸稈與全株構樹混合青貯90 d時的營養品質、發酵品質及其微生物數量變化情況表明（表1），各玉米混合青貯處理的DM，NDF，ADF，LA含量和LAB數量顯著高于CK組（P＜0.05），其中C組最高；而CP，EE含量、霉菌數量和pH值顯著低于CK組（P＜0.05），其中C組最低，各處理之間差異顯著（P＜0.05）。C，C組的WSC含量顯著高于CK處理（P＜0.05），其中C組最高；而NH-N含量顯著低于CK處理（P＜0.05），其中C組最低。各混合青貯處理在整個發酵過程中均未檢測到BA，只在CK，C組發酵90 d中檢測到PA。C組的AB數量最低，且顯著低于其他處理組（P＜0.05）。

小麥秸稈與全株構樹混合青貯發酵情況與玉米秸稈類似（表2），各小麥混合青貯處理的DM，NDF，ADF和LAB數量顯著高于CK組（P＜0.05），其中W組最高；而CP，EE、霉菌含量和pH值顯著低于CK組（P＜0.05），其中W組最低。W，W組的WSC含量顯著高于CK組（P＜0.05）；而NH-N，AA含量顯著低于CK組（P＜0.05）。各處理均未檢測到BA，且只在CK，W組檢測到PA。CK組的霉菌、酵母菌數量均最高，且顯著高于其他處理（除W組酵母菌數量）（P＜0.05）。

2.2 兩種秸稈與全株構樹混合青貯產氣量、有機物消化率代謝能和產氣模型參數的影響

發酵90 d時玉米、小麥秸稈與全株構樹混合青貯產氣量如圖1所示，隨著體外產氣時間的延長，各處理產氣量逐漸升高，在48 h達到頂峰不再產氣。在發酵2 h時，C，C，W處理的產氣量顯著高于CK處理；在發酵6，8，30，36，42，48 h時，C，W處理產氣量顯著低于CK處理（P＜0.05）。

玉米秸稈、小麥秸稈與全株構樹混合青貯對有機物降解率、代謝能和產氣模型參數的結果表明（表3、表4），C，C，W，W組的OMD，ME，C均顯著低于CK組（P＜0.05），其中CK組最高。

3 討論

3.1 兩種秸稈與全株構樹混合青貯發酵品質及微生物數量的影響

青貯飼料營養物質的損失主要是各種微生物在厭氧發酵環境下利用底物營養物質進行生物活動^［24］。本研究中，由于發酵前各處理的底物營養水平存在顯著差異，所以不能用單一標準評價發酵結束時的營養品質。其中，DM含量能夠反映青貯的營養價值；DM損失主要是由于青貯發酵體系中微生物生長消耗了大量底物營養物質。在發酵90 d時，各處理的DM含量均有顯著下降，其中不添加秸稈的全株構樹青貯組DM損失程度較大，這可能是由于添加秸稈能夠促進LAB產生更多LA，從而抑制其他有害菌的生長；此外C組和W組的WSC損失率較低，進一步揭示了該比例有效地抑制了多種微生物的生長，以減少了DM的損失。添加小麥秸稈也表現出相同規律。WSC含量和LAB活性對青貯發酵早期pH值下降速率起決定性作用^{［3，7］}。在厭氧環境下，LAB對WSC等碳源進行同型或異型發酵時，產生大量LA，AA和少量PA，BA等有機酸，這些酸性代謝產物是乳酸菌抑菌的主要成分^［7］。本研究發酵結束時，CK組WSC含量消耗最大，且LAB數量最低。這主要是由于在單獨構樹青貯發酵過程中，LAB未能建立優勢地位，從而導致多種微生物對底物營養進行了消耗。較低的酸性環境可以促進細胞壁的酸解作用^［25］，本研究中各處理ADF，NDF含量較發酵開始時均有所下降，這可能是青貯過程中，細胞壁結構中的纖維、半纖維素等物質被降解生成單糖^［26］。此外，隨著添加2種秸稈比例增加，ADF，NDF含量均顯著降低；但降低率范圍基本在0.62%～2.73%之間，且降幅不明顯，這與前人研究結果一致^［27］。

pH值和有機酸含量是評判青貯發酵品質的關鍵指標，優質青貯pH值應控制在3.8～4.2之間^［28］。較低的pH值能夠有效抑制有害微生物生長，如梭菌、霉菌、腐敗細菌等，以減少對底物營養物質的消耗^{［3，28］}。本研究中，雖所有處理的pH值均在4.5以上，但pH的下降與秸稈添加量呈負相關關系，說明隨著添加秸稈比例的增加，混貯體系緩沖能值下降，對發酵體系有一定的促進作用。此外，在構樹發酵體系中，添加秸稈比例與LA含量呈正相關，促使了pH的下降，這與前人研究一致^［3］。AA是由異型LAB發酵產生，具有極強的抗真菌特性的能力，能夠抑制酵母、細菌和有害微生物的生長繁殖，從而確保青貯體系的穩定性^［29］。通常以LA與AA的比值作為發酵的定性指標，良好的青貯發酵體系比值約為2.5～3^［29］。本研究中，各處理AA含量較發酵前均顯著增多，其中CK組的LA/AA＜2.5，這進一步印證了混合青貯體系能夠不同程度地改善有氧穩定性。PA在優質青貯發酵過程中產量很少，它也對酵母菌和真菌有很強的抑制作用。BA主要由梭菌的代謝活動產生，會嚴重危害青貯品質^［30］。本研究中，僅玉米、小麥秸稈添加10%以下能檢測出PA，且各處理均未檢測到丁酸。其主要原因可能與構樹中富含的抑菌性黃酮類物質有關^［3，31］，具體原因有待進一步分析。

CP含量是青貯飼料最重要的指標，CP含量的變化與pH值高低密切相關，pH值的高低直接影響牧草中蛋白分解酶的活性^［32］。NH-N是由梭菌等有害細菌利用蛋白質為營養物質進行增殖和蛋白酶分解蛋白質產生，NH-N的含量反映了青貯飼料中CP的降解程度^［33］。本研究中，構樹自身CP含量遠高于2種秸稈，發酵結束時，添加秸稈量越多，CP含量也越低；隨著玉米、小麥秸稈添加量增多NH-N的含量減少；當玉米、小麥秸稈添加50%時，混貯體系中NH-N含量最低。這說明混貯可有效形成酸性環境，進而抑制青貯飼料中蛋白酶和有害微生物的活性，促使發酵體系中游離氨含量下降，最大程度保留CP含量，降低NH-N的含量^［34］。

青貯發酵過程LAB是起決定性作用的一類細菌^{［24，29］}。本研究中，發酵初始秸稈添加量與LAB數量呈負相關關系，而結束時表現相反。霉菌在發酵結束時數量與秸稈添加量呈現負相關關系，進一步說明添加2種秸稈均對發酵體系微生物環境有積極的促進作用。

3.2 兩種秸稈與全株構樹混合青貯瘤胃體外產氣的影響

瘤胃體外產氣法可以根據飼料在瘤胃內分解時產生的氣體量的多少來較為準確地評價飼料在動物體內的消化情況^［35］。在本研究中，秸稈與全株構樹混合青貯的瘤胃體外產氣效果不如全株構樹青貯，原因是秸稈中含有大量的粗纖維，而粗纖維中的木質素降低了動物瘤胃消化率，從而影響了反芻動物的消化能力^{［2，9］}。本研究中氣體的來源主要是飼料中的WSC，NDF，EE，CP等有機物在瘤胃體中發酵產生的，這些有機物在瘤胃內被分解代謝，從而產生CH，CO等氣體^［36］。秸稈與全株構樹混合青貯的WSC，CP，EE含量較低，而NDF含量較高。因此在本研究中，隨著發酵時間的延長，各處理的產氣量逐漸增加；而兩種秸稈與全株構樹混合青貯因粗纖維含量高，各項數值均低于全株構樹單獨青貯，反映出了發酵底物中營養物質的消化和瘤胃微生物的代謝情況。

4 結論

相較于全株構樹單獨青貯，玉米秸稈和小麥秸稈與全株構樹混合青貯能夠最大程度減少蛋白質的降解，提高乳酸菌數量及乳酸含量，降低pH值，抑制好氧細菌繁殖，但降低了有機物的消化率和代謝能。因此，使用小麥和玉米秸稈與全株構樹混合青貯（1∶1）可以有效改善青貯發酵品質。

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（責任編輯 閔芝智）