干草调制与贮存技术的研究进展

余成群,荣 辉,孙 维,邵 涛

(1.南京农业大学动物科学技术学院 饲草调制与加工研究室,江苏 南京210095;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)

干草是指天然或人工栽培的牧草或饲料作物进行适时收割,经过自然或人工干燥,使之水分降到17%,能长期保存的草产品。干草是反刍动物的重要能量来源,它能提供产奶母牛能量需要的23%和其他生理阶段能量需要的29%[1]。干草产品因其便于贮存、运输方便、营养价值高而受到养殖者的喜爱,尤其是优质干草产品更受到国际饲草市场的青睐。国内反刍家畜养殖业的快速发展也对优质干草产品形成了极大的需求。干草品质受到很多因素的影响,如饲料作物种类、收获时期和调制干草时的天气条件等。干草调制过程中很容易引起营养物质的损失,主要表现在呼吸、酶、机械、翻晒和雨水淋洗等作用引起的营养物质损失[2]。因此在干草生产实践中,能提高干草品质的一系列调制技术显得尤为重要。目前国外很多干草生产大国如美国和澳大利亚都在积极研究和改进干草的调制技术,以减少干草调制受天气条件的限制和干燥过程中的营养物质损失,最终获得优质的干草产品。干草产品的数量与质量要求受国内、国际市场的双重影响,我国也在不断地提高干草的质量和产量,优质干草已成为我国出口的主要草产品。虽然各种调制技术与方法是生产优质干草产品的技术保障,但生产出来的优质干草产品还应得到完善的贮存,如果离开了合理的贮存,优质干草产品将变为劣质产品,因此优质干草产品的贮存技术同样也应该受到高度重视。

1 干草调制技术的研究

牧草从刈割到晒制成干草需要经过一个物理、化学和生理变化过程。首先,是牧草起初水分的散失,主要在牧草刚刈割后通过叶片的气孔散失[3],因此牧草起初水分的散失受机械作用的影响不大,但跟牧草暴露到空气中的面积有很大关系。其次,随着牧草逐渐凋萎,气孔关闭,水分要通过叶片和茎表面的蜡质层才能散失,此时通过机械作用或化学处理使蜡质层破损能加快水分的散失。最后,牧草散失的水分主要是植物体内的束缚水,这些水分很难通过茎的蜡质层散失,机械作用在这一时期显得尤为重要,通过机械作用使茎秆破裂,能大大提高牧草水分的散失速度。

在实际生产中,干草品质除受收获时期和收获茬次的影响外[4-5],也受到各种调制技术的影响。干草调制可以采取多种措施使牧草干燥3个阶段的水分尽可能快速散失,进而缩短干燥时间,以便最大程度的减少营养物质损失。干草调制技术常用的措施包括机械和化学处理2种方式,机械处理主要是通过机械作用将牧草茎秆压扁或切短,加快牧草茎秆水分的散失速度,化学处理主要是通过化学干燥剂破坏牧草茎叶表面的蜡质层,提高其内部水分的散失速度。有时这2种处理方式并用,以期达到更好的效果。

1.1 机械处理对干草调制的影响 机械处理主要是压扁或压裂牧草茎秆,以提高茎秆水分散失速度,缩短牧草的干燥时间。牧草干燥时间的长短主要取决于其茎秆干燥所需时间,叶片的干燥速度要比茎秆快得多。通过压扁或压裂处理,可以破坏牧草茎秆的角质层、维管束和表皮,使茎秆的内部暴露于空气中,有助于消除茎秆角质层和纤维束对水分蒸发的阻碍,加快茎秆中水分蒸发的速度,实现茎秆和叶片的干燥速度尽可能同步,提高牧草整体的干燥速度,进而减少调制过程中的营养物质损失。

对牧草进行压裂或压扁处理的报道多见于豆科牧草上。1995年Bruhn[6]在威斯康辛州的试验结果表明,紫花苜蓿(Medicago sativa)收获后,无论是在良好天气还是普通天气条件下,压扁苜蓿都比未压扁苜蓿的干燥速度快,且在良好天气条件下,压扁加快干燥的效果更明显。在良好天气条件下,茎秆压扁处理可使紫花苜蓿和白三叶(Trifolium repens)较普通干燥法干物质和碳水化合物少损失 1/2～1/3,粗蛋白质少损失1/3～1/5[7];但在阴雨天,茎秆压扁的牧草因雨淋而导致的营养物质损失更多,从而产生不良效果。压裂茎秆干燥苜蓿的时间比不压裂干燥缩短30%～50%,可减少呼吸、光化学和酶的作用时间,从而减少苜蓿营养物质损失[8]。杨志忠等[9]在对苜蓿干草晾晒时间与水分损失的研究中发现,使苜蓿的水分含量降到25%以下,轻微压扁和重压扁晾晒时间要比未经处理的分别少用16和20 h。张秀芬[10]发现压扁苜蓿茎秆可以加快其干燥速度,并且压扁苜蓿茎秆后,其茎、叶的干燥速度趋于一致,减少了叶及幼嫩部分的营养损失。高彩霞和王培[11]报道压扁使苜蓿茎叶干燥速度趋于一致,叶片损失少,干燥时间缩短,从而减少牧草的呼吸作用和光化学作用与酶的活动时间,也减少了牧草受到雨淋和露水浸湿的损失,提高了干草质量。而压扁对干燥速度的影响在不同茬次刈割的牧草上却表现出不一致,董志国等[8]报道机械方法压扁茎秆只对初次刈割的苜蓿的干燥速度有较大影响,而对再次刈割的苜蓿的干燥速度影响不大。以上结果总体表明压扁或压裂处理不仅能有效提高牧草的干燥速度,还能减少干草的营养损失,但是压扁处理要有一定的限度,过度的压扁可能导致营养物质损失较多,反而不利于生产优质干草产品。周卫东等[12]报道重度压扁苜蓿干燥时间虽然比轻度压扁缩短20～24 h,但营养损失较多,综合评定认为调制苜蓿干草时以轻度压扁效果较好。切短也是提高牧草干燥速度的一种处理方式,但这方面的报道不多,周卫东等[12]也发现在水泥地晾晒时切短苜蓿能提高其干燥速度,且切短和压扁同时处理效果更好。

虽然压裂茎秆的同时会导致细胞破裂引起细胞液的渗出,可能造成部分营养物质随之流失,但这种损失相对于压扁加速干燥所减少的营养物质损失还是比较小的,因此压扁或压裂处理在干草生产中具有一定的优势,是常用的调制干草的技术措施。

1.2 化学处理对干草调制的影响 化学处理主要是将一些化学干燥剂喷洒到牧草的茎叶表面,以破坏其表皮上的角质层,使牧草内部水分能够顺畅地蒸发出去,从而缩短田间晒制干草的时间,减少干燥过程中营养物质的损失。早在20世纪50年代,美国首先尝试用除草剂在田间快速干燥苜蓿,结果明显缩短了调制干草的干燥时间[13],但研究工作因除草剂对家畜有害,且易致干草脱色等问题而被终止。1972年,澳大利亚科学家 Tullberg发现碳酸钾溶液可显著加快紫花苜蓿的干燥速度,之后有关研究工作逐步展开,进入20世纪80年代,美国亦开展了相关研究[14]。我国在20世纪80年代末开始化学干燥剂对干草调制的作用研究。到目前为止,用于干草调制的化学干燥剂已发展到 10多种,主要为钾、钠、铯等盐类物质,此外还有若干种类的有机酸[14]。化学干燥剂不仅能加快牧草的干燥速度,对干草的营养价值也有一定影响。

化学干燥剂用于干草调制的研究主要集中在豆科牧草上,其他种类牧草的研究报道较少。K2CO3是调制干草时应用最广泛的一种化学干燥剂,国内外的很多研究都表明这种化学干燥剂在加快牧草的干燥速度方面具有很好的效果。K2CO3溶液可明显改变植物表皮蜡质层的透水性,而且对植物茎的作用大于叶。澳大利亚田间试验表明,对刈割的苜蓿草垄喷洒2%的K2CO3溶液,干燥速度比对照快1倍,比压扁茎处理快43%,而且在压扁刈割前直接喷洒苜蓿能起到更好的效果[13]。Ruelke等[15]的研究表明喷洒K2CO3溶液与采用机械压扁对干燥速率的影响效果基本一致。国内其他的一些研究者也都发现喷K2CO3能加快紫花苜蓿的干燥过程[16-18],但K2CO3用于干草调制有一定的浓度限制,Rotz等[19]的研究结果表明,质量分数高于 2.8%的K2CO3溶液对提高干燥速率效果不明显,胡耀高和王在民[14]认为干草调制所用K2CO3溶液的质量分数以20%～2.8%为宜,每公顷地施用量大为539～1 000 L为宜,大约每吨干物质使用量为3.5 kg。一些研究表明K2CO3对不同茬次苜蓿干燥的促进效果存在一定差异,对后茬苜蓿的干燥效果要优于前茬[16,20],这可能与不同茬次苜蓿的成分变化有关,一般第1茬刈割的苜蓿蛋白质含量更高,蛋白质类物质对水分的保持能力较强。Na2CO3对牧草的干燥效果没有K2CO3好,但与K2CO3混合(1.4%K2CO3+1.4%Na2CO3)后再用于干草调制能起到跟K2CO3近似的效果,而成本要比单独用K2CO3有较大降低[21]。近年来的研究中发现Na2CO3多与K2CO3及其他活性剂混用使用,效果更好[14]。用1%NaHCO3和1.5%K2CO3分别处理现蕾期紫花苜蓿,结果表明两者几乎是在同一时间(30 h)使苜蓿含水量降到18%以下,但NaHCO3对苜蓿干草胡萝卜素具有明显的保存效果[16]。CaCO3作为干燥剂用于干草调制的研究也有报道,张秀芬等[16]研究表明20%的CaCO3溶液对苜蓿的干燥效果不理想,仅略好于对照,远远差于K2CO3与NaHCO3,但在保存蛋白质和胡萝卜素方面具有特殊意义。周卫东等[12]用干燥剂(CaCO3和CaCl2按1∶1等量混合)以2.0%、2.5%、3.0%质量分数分别在刈割前一天处理紫花苜蓿,结果表明无论泥地还是水泥地晾晒均能提高苜蓿干燥速度,且综合分析以2.5%浓度效果最好。KOH对牧草干燥的作用效果不尽一致,据研究报道,在实验室条件下使用KOH将p H值由8.0调为12.4,可有效加速干燥,比单纯用K+、Na+、Cs+的碳酸盐类处理效果均好,但其他研究者的研究结论则认为KOH的干燥效果较K2CO3的差[14]。山梨酸钾也能加快牧草的干燥速率,在第3茬现蕾期刈割紫花苜蓿的同时施用山梨酸钾,可缩短干燥时间,提高保存效果[14]。张秀芬等[16]也对K2HPO4和吲哚乙酸用于牧草干燥做了相关研究,结果表明它们均对苜蓿干燥前一阶段的水分散失有促进作用,而对后期干燥影响不大,这可能与K2HPO4和吲哚乙酸主要作用是抑制气孔关闭有关。化学干燥剂对干草营养价值的影响,目前尚无一致的结论,一般认为K2CO3可提高反刍家畜对牧草干物质、粗蛋白质、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的消化率,而钾离子对家畜无不良影响[7]。

2 干草贮存技术的研究

无论何种方法调制出的干草都是为了暂时贮存起来,以便在饲草短缺季节用于饲喂反刍动物,而干草能否长久贮存以及保持优质的品质与干草贮存时的水分含量有着紧密的联系。一般来说,干草水分含量越低,越有利于长期贮存。但是干草要达到足够低的含水量需要的干燥时间较长,很可能受到阴雨天气的危害,过干的干草其落叶较严重,导致营养物质损失较多。20世纪50年代末,国内外学者开始对苜蓿干草在高水分(20%～25%)下打捆贮藏进行研究[22],较高水分含量时贮存干草自然能减少以上损失发生的机会,且能保持青绿,但高水分干草中的湿润环境有利于酵母菌、霉菌等腐败微生物的活动,导致产热过多,易引起干草发霉变质。因此借助一些保存技术在适宜的水分含量下贮存干草,既可以减少干草调制过程中由于落叶造成的养分损失,也便于干草优质品质的长久保持。在干草贮存实践中添加各种防腐防霉以及抗氧化添加剂是最为行之有效的技术措施,常用于干草贮存的添加剂主要包括化学防腐剂和微生物防腐剂两大类。

2.1 化学防腐剂对干草贮存的影响 干草贮存中常用的化学防腐剂有铵类化合物、尿素和有机酸类抗真菌剂。铵类化合物已经被成功用于高水分干草的打捆贮藏,可有效杀死霉菌孢子,抑制腐败菌等大部分有害细菌的繁殖,降低草捆内温度,减少热害[23]。铵类化学物质不仅具有防腐防霉功能,而且由于其所具有的碱化作用,还能提高干草的消化率及粗蛋白质含量。研究表明在海岸狗牙根(Cynodon dacty lon)干草捆中注入氨水后,降低了干草的半纤维素、中性洗涤纤维含量,提高了干物质的体外消化率,用氨水处理草木樨(Melilotus suaveolens)干草还能阻止香豆素的形成[24]。但氨水在处理干草过程中存在大量损失,且对机械有一定损害,作为防腐剂是不实际的。无水氨是一种有效的杀真菌剂,弱碱性,具备了干草防霉剂的大多数标准[23],并且其中的氮还可以作为反刍动物的营养源而被利用,用无水氨处理干草能提高干草的总氮含量。Henning等[25]以质量分数1%的无水氨注入含水量30%的苜蓿草捆中,结果表明无水氨不仅有效地减少了干物质的损失,而且能使粗蛋白含量增加6%。Woolford和 Tetlow[26]研究也发现,在含水量为15%～30%的鸭茅(Dactylis glomerata)草中加入3.6%的氨或氢氧化铵均能提高总氮的含量。尿素也能用于干草的贮存,尿素能通过高水分干草上的脲酶的作用快速分解产生氨[27],进而对干草贮存起到防腐作用,且在操作上也比氨水简便,国内外研究者对此进行了广泛的研究。Alhadhrami等[28]报道用2%和4%尿素处理高水分(25%～30%)的苜蓿干草,贮存4周后,4%尿素处理对霉菌的抑制效果最大,2%尿素次之,高水分无尿素处理干草的干物质损失最大;贮存4个月后,酸性洗涤纤维(ADF)、木质素、中性洗涤纤维(NDF)含量均以高水分无尿素处理干草最高,尿素处理次之,低水分干草最低,而体外干物质消化率以高水分无尿素处理干草最低,低浓度尿素处理稍高,高浓度尿素处理和低水分干草最高。以上结果表明2%或4%尿素均能提高水分约为25%的苜蓿干草捆的质量,且高浓度尿素要比低浓度尿素更有效。Alhadhrami等[29]再次报道用不同质量分数的尿素处理高水分苜蓿干草,结果表明尿素添加质量分数≥1.3%时均能减少热害、褐变和霉菌的发生,且贮存 5个月后,ADF和NDF含量没有明显增多。Brown和Adjei[30]将大黍草(Panicum maximum)干草的水分含量调控到25%和40%,然后分别在有无脲酶添加的情况下加入占干草干物质0、4%、6%和8%的尿素,结果发现,水分和脲酶对大黍干草的粗蛋白和NDF含量以及体外有机物质消化率没有影响,但随着尿素添加量的增加,干草的粗蛋白含量和体外有机物质消化率呈线性提高,而半纤维素和酸性洗涤纤维含量则呈线性降低。国内研究者发现苜蓿干草在含水量为25%时打捆并添加4%的尿素,在贮藏期间草捆内一直没有出现发热现象[22]。

有机酸类抗真菌剂的特性早已为人们所熟知,有机酸盐是食品的常用防腐剂。添加有机酸类主要是为了抑制高水分干草贮存期内微生物的活动。丙酸及其盐类是最常用的有机酸抗菌剂[31],能够抑制干草贮存期内真菌、放线菌的生长繁殖,但乳酸菌对其不敏感,仍有生活力,并能产生一定量的乳酸、乙酸等可使干草得以安全保存[23]。Nash和 Easson[32]以 0、1%、2%、3%和4%的丙酸处理水分含量为27%、35%和45%的干草,结果发现,所有对照均100%发霉,而随着丙酸添加量的增加,干草发霉和发热程度被延迟或减少,干物质、水溶性碳水化合物的损失逐渐降低。Rotz等[33]以不同方式(注射和喷洒)处理高水分苜蓿干草,结果发现贮存1个月后,与未处理高水分苜蓿干草相比,丙酸处理减少了干物质损失和产热,减少了霉菌数量,贮存6个月后,处理与未处理高水分干草的干物质损失差别不大,但与低水分干草相比保存效果较差,且发现丙酸喷洒方式的效果要优于注入方式。丙酸对干草的保存效果跟添加量有关,丙酸和类似的有机酸按1%～2%的比例添加到干草中通常能抑制霉菌的生长和减少热害[33]。White[34]认为丙酸、丙酸铵是经过测定后最有效的防腐剂,研究发现当用1.25%的丙酸处理干草时,干草捆内几乎没有发热现象。丙酸铵防止霉变的效果要略逊于丙酸,但是它没有刺激性气味,挥发性和腐蚀性较小,使用更安全[23]。高彩霞[24]报道用丙酸处理的苜蓿干草捆没有热害和变质发生,且用经过丙酸处理过的干草饲喂绵羊的效果比未处理的干草好。

丙酸虽然能抑制真菌的生长,但不能杀死真菌,且由于其挥发特性,会导致喷施时带来大量损失,同时伴随着蒸发、汽化的损失,还可能被耐药性真菌代谢。Lord等[35]提出,需要寻找可以转换的物质,或是一种既能抑制霉菌又能添加到丙酸和丙酸氨中防止它们降解的化合物。当丙酸与氨完全或是一半发生中和反应后,可以降低其挥发性和腐蚀性,使操作更为简便安全。但是,有耐药性的微生物还是能将其代谢并使之在低浓度下效果降低,并允许更多的敏感真菌的生长繁殖。有机酸类防腐剂的有效性与长效性主要由牧草种类、干草含水量和添加剂有效成分的量来决定[23]。另外有机酸类物质具有一定腐蚀性,在使用过程中应注意对工作人员和机械设备进行安全保护。

2.2 微生物防腐剂对干草贮存的影响 所谓微生物防腐剂主要是微生物接种菌,在干草收获时接种这些微生物可以减少打捆的水分限制,加快收获速度,而接种菌产生的发酵酸又可控制有害微生物的活动,以获得高品质的干草[36]。目前研究较多的干草接种菌主要是乳杆菌(Lactobacillus)、片球菌(Pediococcus)和链球菌(Streptococcus)属的乳酸菌,这些最初是用来促进青贮饲料发酵的,属于兼性厌氧菌,更喜欢厌氧环境和相对高的水分[37],因此它们在干草上的作用效果不尽一致,有待于进一步研究。

一些研究发现微生物接种处理苜蓿干草的贮存效果并不理想,Rotz等[38]报道,用乳酸菌(L.plantarum和 P.cerevisiae)接种含水量在20%～40%范围内的苜蓿干草未能提高贮存效果,接种处理的干草发热情况、干物质损失和干草品质与同水分条件下未处理或丙酸处理的干草相似或表现出较差的效果。Deetz等[39]在含水量为20%～25%的苜蓿干草中添加乳酸菌发酵产物,结果表明,与对照组相比并不能有效抑制草捆温度的升高。但更多的研究者报道接种乳酸菌对干草贮存有较好的效果,Tomes等[40]研究发现,用短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)和青贮接种菌(L.p lantarum和S.f aecalis的混合菌剂)处理水分含量在17%～31%内的苜蓿干草,2种处理方式均提高了干草色泽、气味和饲喂价值,减少了霉菌,特别对水分含量大于20%的苜蓿干草效果更好,总体上短小芽孢杆菌的效果要好于植物乳杆菌和粪链球菌。高彩霞[22]报道乳酸杆菌接种苜蓿干草捆,贮存42 d后,经接种的苜蓿干草的木质素含量下降,而其干物质的体外消化率有所提高。Nelson等[41]研究发现,将产乳酸细菌接种到3种不同含水量(15.3%、26.6%和 35.7%)的大圆捆苜蓿干草上时,接种菌减少了高水分干草捆的NDF和ADF的损失,同时也避免了其他营养物质由于高温导致的损失,贮存39 d后,不影响羔羊对苜蓿干草的干物质采食量,且含水量为26.6%的苜蓿干草接种处理后,其干物质消化率明显提高,认为乳酸菌接种在含水量为26.6%的苜蓿干草上效果较好,而在另外2个含水量苜蓿干草中没有明显的效果。

接种菌处理干草捆还具有降温、减少热害的效果。Dulcet等[42]报道用接种菌 1155处理 3个水分含量(20%、24%、28%)的干草捆,结果发现,接种能有效降低干草捆的温度,且在水分含量为20%,草捆密度为110 kg/m3的情况下,降温效果最佳,降温幅度达13℃。Nelson等[43]用产乳酸细菌接种不同含水量(16.4%、26.5%和43.4%)的小方捆苜蓿干草,结果发现,接种降低了43.4%含水量苜蓿干草捆的温度,抑制了热害发生,另外43.4%含水量苜蓿干草接种后的酸性洗涤不溶性氮和体外干物质消化率有增加趋势,但干物质和氮的消化率倾向于提高,26.5%水分苜蓿干草接种后,在贮存过程中营养成分的损失减少,与用大圆捆苜蓿干草进行的试验相比,接种对高水分小捆苜蓿干草的效果更好,最后认为高水分苜蓿干草捆通过产乳酸细菌接种可以减少贮存过程中营养成分的损失,但是接种菌的种类和数量应根据苜蓿干草捆的类型、水分含量和环境条件而有所变化。Emanuele等[44]连续2年使用短小芽孢杆菌,第1年接种高水分(28%水分)苜蓿干草,其粗蛋白含量比未接种的高,而NDF含量低;第2年接种剂对高水分(25%水分)苜蓿干草贮存的营养成分没有显著影响,但对羔羊的饲养试验结果显示,饲喂接种的高水分干草的羔羊其饲料利用效率和ADF表观消化率明显提高,且2年的试验均表明接种处理的高水分干草与未处理的低水分干草的贮存效果相同。Wittenberg[45]报道,戊糖片球菌(P.pertosaceous)接种于高水分(20%～25%水分)的苜蓿干草提高了贮存过程的稳定性,与未处理的相应高水分干草相比,ADF和几丁质的变化较小,干草贮存后的色泽较好。当用处理过的干草饲喂肥育羊时干物质、ADF和NDF的消化率均比高水分未处理干草有明显提高,而采食量和氮平衡上无差异。

与化学防腐剂相比,生物防腐剂具有无毒无害的优点,国外许多研究已经表明其在干草贮存中能表现出较好的效果,将会有更好的应用前景。而国内的干草贮存多使用化学防腐剂,在干草生物防腐剂方面的研究还很欠缺。因此开展干草生物防腐剂研究不仅对我国干草贮存研究是一个技术储备,也是生产安全优质干草产品的现实需要。

3 结语

优质干草生产能够为草食家畜提供均衡饲料,缓解由于牧草生长季节不平衡而造成的畜牧业生产不稳定性,是畜牧业发展的重要保障,尤其对于我国的反刍家畜养殖来说更为重要。冬季优质饲草的缺乏导致反刍家畜养殖业发展受到严重的制约,而储备干草尤其是优质干草是缓解冬季饲草短缺问题的重要手段。在生产中,影响干草品质的最大问题是收获和调制过程的营养损失,通过先进的调制技术可以减少干草生产过程中的损失,而生产出来的优质干草必须妥善贮存,贮存不好可能导致干草品质变劣,甚至影响动物健康。尤其在我国一些太阳能丰富的地区,如西藏牧草很容易晾晒成干草,而干草的贮存成为关键问题,需要给予更多的重视。调制和贮存技术对于优质干草产品生产来说是同等重要的,无论是在干草的研究还是生产上都应该给以高度关注。

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