不同日粮精粗比下藜麦秸秆与高粱秸秆的组合效应

王正文，魏玉明，杨发荣，罗 晶，焦 婷，赵生国

（1.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学草业学院 / 草业生态系统教育部重点实验室/ 中–美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070）

不同饲料组合后，饲料中的营养物质、非营养物质和抗营养物质相互作用的效应称为饲料组合效应(associative effective,AE)[1]。反刍动物的精饲料和粗饲料之间有最佳组合效应，一般采用体外试验、体内消化代谢试验和动物试验3种方法来研究组合效应[2]。由于产气量和有机物消化率高度相关，因此饲料组合效应的研究普遍使用体外产气法[3]。

藜麦(Chenopodiumquinoa)属于苋科藜属，因其较高的营养价值[4]，许多国家广为种植，其中玻利维亚和秘鲁生产了世界上80%以上的藜麦，欧洲藜麦种植面积从2008年开始增长，到2015年已经接近5 000 hm2[5]。1987年，中国首次在西藏进行了藜麦种植试验，如今，在吉林、北京、河北、山西、甘肃、青海等地区均有种植，面积超过2 500 hm2[6]，藜麦秸秆资源尤为丰富。研究发现，全株藜麦中的16种必需氨基酸含量均高于苜蓿(Medicago sativa)[7]，相对饲喂价值高达173.98[8]，营养丰富；因其具有很高的生物量积累，藜麦秸秆粗蛋白含量与玉米(Zeamays)秸秆相当(干物质基础)，可超过5%，且营养物质消化转化率高[9]；并且藜麦秸秆替代部分全株玉米可显著提高牛的生产性能[10]，具有作为动物优质粗饲料的开发潜力[8]，但目前将藜麦秸秆作为反刍动物饲草料资源而开发利用的报道较少。

高粱(Sorghum bicolor)是禾本科高粱属草本植物，又称乌禾，作为世界上第五大粮食作物，产量仅次于小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、大麦(Hordeumvulgare)和玉米[11]。但因高粱秸秆含有单宁，适口性较差，很少直接添加到饲料中[12]，仅饲喂高粱秸秆不能满足动物营养需求，但可以通过补饲优质饲料获得正饲料组合效应来克服这种局限性[13]。大量研究表明，合理搭配不同粗饲料可以显著促进瘤胃微生物的生长，改善反刍动物体内的营养平衡并促进营养物质在瘤胃内发酵，进而显著提高秸秆饲料的利用率[14-15]。由于消化生理和饲粮结构的不同，反刍动物较单胃动物更易受饲料组合效应影响，且低质粗饲料间更易产生组合效应[16]。目前粗饲料的研究主要集中于苜蓿与其他常规粗饲料的组合[17-18]，由于我国每年进口苜蓿量逐年增加，经济成本变高[19]，充分发挥其他粗饲料间的正组合效应，有效利用藜麦秸秆等新型粗饲料是目前反刍动物营养上亟待解决的问题之一。因此，本研究通过添加优质粗饲料(藜麦秸秆和高粱秸秆)，利用体外产气法，研究精粗比(concentrate꞉roughage,C꞉R)为40꞉60和30꞉70时，不同比例藜麦秸秆和高粱秸秆组合的单项指标和综合效应，以期为黎麦和高粱秸秆资源开发利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 饲料样品

藜麦秸秆采自甘肃省农业科学院天祝藜麦高寒试验示范基地(103°39′72.79″E，39°40′12.05″N)；高粱秸秆采自甘肃省农业科学院(103°68′64.76″E，36°10′02.75″N)；精饲料购自兰州联邦饲料有限公司。精料的配方为玉米86.17%，豆粕6.02%，棉籽粕3.46%，食盐1.31%，预混料2.94%。各试验材料于65℃烘箱中烘干，用0.85 mm 筛筛选后粉碎备用。饲料营养水平如表1所列。

表1 饲料营养水平Table 1 Nutrient levels%

1.1.2 瘤胃液供体动物及饲养管理

试验选择安装有永久瘤胃瘘管的6只1周岁小尾寒羊(公羊)作为瘤胃液供体动物。每天08:00和16:00饲喂正大全混合饲粮，饲粮组成及营养水平如表2 所列。并于每日晨饲前取6只瘘管羊的瘤胃液，将其混合后用4层纱布过滤到预热过的暖壶中，连续通入CO2，待用。

表2 全混合饲粮组成及营养水平Table 2 Composition and nutrient levels of the full mixed diet

1.2 试验方法

以精粗比为40꞉60和30꞉70设置11种混合饲料(表3)，并分别以仅含精料、藜麦秸秆和高粱秸秆处理组为对照，共14个处理，每处理设3个重复。

表3 试验设计Table 3 Experimental design

1.2.1 体外培养及产气量测定

体外培养：准确称量试验中不同比例组合饲料(0.200 0 ± 0.001 0)g (干物质基础)，装入孔径为50 μm、长宽为2.0 cm ×3.0 cm 的尼龙袋，并置于体外产气管底部，立即加入饱和CO2气体的微生物培养液30 mL(10 mL 瘤胃液+20 mL 缓冲液，缓冲液配制方法参照Menke等[22])方法制备，排出产气管中的气体后，立即封住产气管前端橡皮套并记录产气管刻度值。放于39℃恒温水浴锅支架上，分别在2、4、6、9、12、24、36及48 h 时记录产气量(GP)读数，每次读数后轻微振动模拟瘤胃运动。

某时刻GP= 该时刻样品GP− 该时刻空白管GP。

产气量测定：

式中：t为发酵过程中所记录的某时间点(h)；GPt为各组合在t时刻的产气管读数(mL)；V0为各产气管0 h 的 读 数(mL)；Vt为 体 外 培 养t 小 时 后 产 气管读数(mL)；W为产气管内各个组合样品的干物质重(mg)。某时间点GP=该段时间样品GP− 产气管初始刻− 该段时间空白管GP。

1.2.2 上清液和残渣采集及指标测定

上清液和残渣采集：48 h 后取出尼龙袋，并放入冰水停止发酵，立即测定培养液pH，将尼龙袋用蒸馏水洗至无色，晾干后在65℃烘箱中烘48 h，恒重，测定体外干物质降解率(in vitrodry matter degradation rate,IVDMD)。培养液分装于5 mL 离心管，3 000 r·min−1离心10 min 后取上清液保存于−20℃，用于测定乙酸(acetic acid, AA)、丙酸(propionic acid,PA)、丁酸(butyric acid,BA)等挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)和氨态氮(NH3-N)含量。

采用pHS-3C酸度计测定pH；采用苯酚–次氯酸钠比色法测定NH3-N浓度[23]；采用岛津GC-2010气相色谱法测定VFA 浓度[24]。

1.2.3 产气参数、IVDMD和组合效应计算

IVDMD计算：IVDMD=(消化前样品重量×消化前干物质含量− 残渣样品重量×残渣干物质含量)/(消化前样品重量× 消化前干物质含量)× 100%。

产气参数计算：利用“fit curve”软件(MLP；Lawes Agricultural Trust)，根据Фrskov和McDonald 的产气模型公式将各种样品在2、4、6、9、12、24、36和48 h的GP代入，计算消化动力参数。

式中：GP为t时的产气量；t为发酵开始后的某一时间(h)；a为快速产气部分；b为缓慢产气部分；c为b的产气速度常数；a+b为潜在产气量。

组合效应计算：单项组合效应指数(single factor associative effects index,SFAEI)和综合组合效应指数(multiply factors associative effects index,MFAEI)的计算参照王加启[24]的方法。

式中：实测值为各组合的实际测定值，加权估算值=藜麦秸秆的实际测定值×藜麦秸秆配比(%)+高粱秸秆的实际测定值×高粱秸秆配比(%)+精料的实际测定值×精料配比(%)。

1.3 数据处理与统计分析

使用Excel 2010处理计算试验数据并制图，采用SPSS 17.0软件对数据进行单因素方差分析，结果用“平均值 ± 标准误”表示，用LSD法进行多重比较，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 产气量变化趋势

所有组合的产气量在0～24 h 有明显的递增趋势，24 h 之后趋于平缓，Ⅲ和Ⅷ产气量在所有时间段都高于其他各处理组，表明这两组在所有阶段都具有最好的产气特性(图1)。

图1 0～48 h 产气量变化趋势Figure 1 Gas production variation trend at 0～48 h

2.2 单一饲料体外产气参数

藜麦秸秆、高粱秸秆及精料的快速产气部分(a)分别为−3.97、−2.63和−5.69 mL，说明三者均存在产气滞后效应，高粱秸秆产气滞后时间最短，藜麦秸秆次之，精料最长。精料的缓慢产气部分(b)、潜在产气量(a + b)和24 h 产气量(GP24 h) (79.76、75.97、43.17 mL)最高，藜麦秸秆(75.63、72.98和41.83 mL)次之，高粱秸秆(61.77、60.02和29.67 mL)最低。高粱秸秆缓慢产气部分的产气速度常数(c)高于精料和藜麦秸秆(表4)。

表4 饲料体外产气参数Table 4 In vitro gasparametersof the feeds

2.3 组合饲料产气参数

精粗比为40꞉60时，Ⅲ的GP24h显著高于其他处理(P<0.05)，比藜麦组和高粱组分别提高了36.2%和53.5%。而精粗比为30꞉70时，Ⅷ的GP24 h显著高于Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ和Ⅺ(P< 0.05)，比藜麦组和高粱组分别提高了29.2%和23.2%，Ⅷ的b、a +b显著高于Ⅸ(P<0.05)，其他组的产气参数各处理组之间没有显著性差异(P> 0.05)(表5)。

表5 藜麦秸秆与高粱秸秆、精料体外混合培养24 h 后的产气参数Table 5 Gasproduction of quinoa straw mixed with sorghum straw and concentrate cultured for 24 h in vitro

2.4 不同精粗比下藜麦秸秆与高粱秸秆组合后IVDMD变化

IVDMD随着高粱秸秆比例增加呈上升趋势，但IVDMD的单项组合效应在Ⅷ和Ⅲ中最高。精粗比为30꞉70时，Ⅺ的IVDMD显著高于Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ(P<0.05)，Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ的IVDMD显著高于Ⅵ和Ⅶ(P<0.05)；在精粗比为40꞉ 60下，Ⅴ的IVDMD显著高于Ⅰ(P< 0.05)(图2)。

图2 不同饲料组合体外干物质降解率和IVDMD单项组合效应指数Figure2 in vitro dry matter degradation rateand IVDMD single factor associative effect index

2.5 不同精粗比下藜麦秸秆与高粱秸秆组合后瘤胃发酵特性变化

各处理pH 无显著差异(P>0.05)。精粗比为40꞉60时，Ⅲ的NH3-N含量显著高于其他处理组(P<0.05)，相比藜麦组和高粱组分别提高了30.7%和30.3%；精粗比为30꞉70时，Ⅷ的NH3-N 含量相比藜麦组显著提高了35.1%(P<0.05)。精粗比40꞉60时，Ⅲ的TVFA 含量显著高于其他处理组(P< 0.05)，且相比于藜麦组和高粱组分别提高了12.2%和33.3%，Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ的TVFA 显著高于Ⅴ(P<0.05)；精粗比为30꞉70时，Ⅷ的TVFA 显著高于Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ和Ⅺ(P<0.05)，分别比藜麦组和高粱组提高了32.7%和16%，Ⅶ显著高于Ⅵ(P<0.05)。各处理组中，单一VFA 含量和乙酸/丙酸差异不显著(P>0.05)(表6)。

表6 藜麦秸秆与高粱秸秆、精料体外混合培养48 h 后发酵特性Table 6 Fermentation characteristics of quinoa straw mixed with sorghum straw and concentrate cultured for 48 h in vitro

2.6 组合效应值

精粗比为40꞉60时，Ⅲ的GP24h、NH3-N、TVFA的SFAEI 和MFAEI上均显著高于其他各组，Ⅱ的GP24 h的SFAEI 显著高于Ⅳ(P<0.05)。Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ中TVFA 的SFAEI显著高于Ⅴ(P<0.05)。精粗比为30꞉70精粗比时，Ⅷ的GP24 h和TVFA 的SFAEI和MFAEI 显著高于Ⅵ、Ⅸ和Ⅹ(P<0.05)，Ⅷ和Ⅺ中NH3-N 的SFAEI显著高于Ⅵ(P<0.05)。各处理的IVDMD的SFAEI差异不显著(P>0.05)(表7)。

表7 藜麦秸秆与高粱秸秆、精料体外混合培养48 h 后的SFAEI 和MFAEITable 7 SFAEI and MFAEI of quinoa straw mixed with sorghum straw and concentrate cultured for 48 h in vitro

3 讨论

3.1 各饲料组合产气参数和GP

本研究中，所有组合产气量均在24 h 前显著(P<0.05)升高，说明在快速产气阶段所有处理均可以较快产气，而在24 h 后产气稳定，这和袁翠林[25]的研究一致。藜麦秸秆、高粱秸秆及精料均存在产气滞后效应，尤其精料的a 值更低，可能是由精料中较高比例的玉米(86%)引起的[25]。研究表明玉米的产气滞后时间比大麦更长[26]。精料的b、a + b和GP24 h均比藜麦秸秆和高粱秸秆高，表明产气性能更好。精粗比30꞉70时GP最大组合效应为Ⅷ。40꞉60精粗比下Ⅲ的GP出现最大组合效应，藜麦秸秆的粗蛋白为6.56%，b值为75.63，比高粱秸秆更高，当精料比例降低后，组合饲料减少的产气量可能需要产气量更高的藜麦秸秆来补充。当精料比例过多时出现不理想的组合效应，而两种粗饲料合理配比后则出现正组合效应[27]。研究发现，豆科牧草与秸秆饲料混合使用具有正组合效应[28]，饲草树叶和精料组合时GP有正组合效应[29]，玉米秸秆饲料和稻秸以80 ꞉ 20的比例组合时具有最高的产气量[25]。以上结果均证实了粗饲料和精料搭配后进行合理配比可获得最佳的组合效应。

3.2 各饲料组合的IVDMD

IVDMD可以反映动物消化利用饲料的难易程度，受粗饲料中纤维种类及其含量的影响。适宜的纤维含量可以提高粗饲料的利用率，粗纤维过多则会降低饲料的利用率[26]。Menke[22]认为饲料的消化力随着产气量的增加和瘤胃内微生物活性提高而提高。本研究中，随着高粱的增加，组合饲料的IVDMD增加，IVDMD的单项组合效应分别在Ⅲ和Ⅷ时最高。这可能是因为高粱秸秆的碳氮比(carbon/nitrogen,C/N)更有利于微生物的生长繁殖，Opatpatanakit 等[30]也发现25%的高粱籽粒对反刍动物消化紫花苜蓿中性洗涤纤维(NDF)有协同作用[30]。藜麦中含有大量皂素，能调节反刍动物瘤胃内微生物活性[31]。研究表明，从精料中释放的可溶性碳水化合物通过破坏粗饲料细胞壁进而提高纤维素的消化率[32]，本研究中组合饲料IVDMD的提高可能是不同饲料养分之间的互补使瘤胃环境改善和瘤胃微生物养分释放的不同步造成的。因此，添加适宜比例的藜麦秸秆会产生组合饲料的正组合效应[33]。

3.3 各饲料组合的瘤胃发酵特性

瘤胃pH作为反映瘤胃内环境变化和发酵的重要指标，过高或过低都会影响瘤胃正常发酵，瘤胃pH 的正常范围为6.2～7.0。纤维素分解菌适宜生存环境pH为6.2～6.8[34]。Depeters等[35]发现反刍动物瘤胃pH 在6.60～6.81时可以最大限度地消化纤维素，本研究中瘤胃pH为6.69～6.82，该pH 环境适合瘤胃微生物正常生长繁殖，利于纤维分解菌对秸秆类纤维素的消化和瘤胃生成动物需要的挥发性脂肪酸。NH3-N 来自瘤胃内含氮物质的分解，合理的NH3-N 浓度有利于微生物蛋白质的合成[36]，研究发现适合瘤胃微生物生长繁殖的NH3-N浓度为3.3～8.0 mg·dL−1[37]，但实际上因为动物个体和饲料不同，NH3-N 浓度多在1～76 mg·dL−1间变化[38]。本研究中，NH3-N 浓 度 为24.13～33.08 mg·dL−1，Ⅲ和Ⅷ的NH3-N浓度显著(P<0.05)高于其他组，可能是因为这两种饲料组合促进了瘤胃内能量和氨气的同步释放并加快了微生物蛋白质的合成[39]。瘤胃微生物生长的氮源是蛋白质水解生成的氨基酸和NH3-N，其中大部分微生物氮由NH3-N 合成[40]。Estrada等[41]认为非纤维性碳水化合物可调控瘤胃微生物蛋白的合成，缺乏非纤维性碳水化合物时蛋白质降解为氨的过程会受到抑制，因此，非纤维性碳水化合物含量较高的精料与藜麦秸秆和高粱秸秆混合时可以提高微生物蛋白的合成速率。Ⅲ和Ⅷ的高NH3-N 浓度可能是因为这两种组合的饲料营养结构下饲料粗蛋白更容易被利用。NH3-N浓度的增加可以刺激纤维分解菌的生长[42]，这又会促使Ⅲ和Ⅷ比其他组合具有更好地分解纤维的能力，进而产生正组合效应。

VFA 作为反映瘤胃微生物活性和瘤胃发酵的关键指标在评价组合饲料效应时至关重要。研究表明，由于单一粗饲料的营养成分不完整会对瘤胃微生物的生长不利，藜麦秸秆中易发酵纤维素和半纤维素可增加纤维分解菌的数量，刺激组合饲料中其他不易降解纤维素的消化率[43]。在粗饲料中添加精料等富含非纤维性碳水化合物可提高瘤胃微生物的生长和饲料的可降解性[44]。不同饲料间的组合为瘤胃微生物提供更多的氮和其他化学物质，这些物质的相互作用促进了微生物的生长和瘤胃发酵[45]。本研究中，Ⅲ和Ⅷ的TVFA 含量显著(P< 0.05)高于同一精粗比的其他组，与GP的变化趋势一致。这表明粗饲料与配精饲料的合理搭配可增加瘤胃微生物活性，提高对纤维素的消化，使瘤胃产生更多的发酵物质来增加VFA。研究发现GP随乙酸产量的增加而增加，这与唐德富等[46]的研究结果一致。乙酸主要被用于合成机体乳脂，而丙酸是合成葡萄糖的前体，本研究中乙酸/丙酸为1.5～1.8，有利于反刍动物体能量积累。Ⅲ和Ⅷ的pH 较其他组低，但TVFA 浓度比其他组高，当VFA 的产生速度快于瘤胃对其吸收速度时，瘤胃pH 下降。Fieser 等[47]也证实了TVFA 和pH 与易发酵碳水化合物有很大相关性。本研究中，各饲料组合的乙酸浓度均高于丙酸，这与反刍动物吸收VFA 时遵循丁酸 > 丙酸> 乙酸有关[48]。乙酸浓度随着藜麦秸秆比例的提升而提高，丙酸浓度与之相反，可能是因为藜麦秸秆相比高粱秸秆具有更高的CP和更好的产气量，可以部分替代精料进而改变瘤胃微生物区系和发酵模式[49]。

3.4 各饲料组合的组合效应值

组合效应机制复杂，影响结果的因素很多，仅从GP等某一单项指标来评价饲料营养价值并不准确，因此本研究从不同时间点测定各项指标的饲料组合效应综合评价指标体系评价组合饲料的合理配比[1]。研究发现，精粗比40꞉60时Ⅲ的MFAEI最优，精粗比为30꞉70时Ⅷ的MFAEI最优，本研究中所有组的SFAEI (GP、IVDMD、VFA 和NH3-N 的单项组合效应)与本组MFAEI趋势一致。各种粗饲料在进行合理配比，尤其与精料搭配后可以显著提高混合饲料的营养价值，原因可能是不同饲料合理配比后，其营养物质相互作用进而提高了混合饲料的发酵程度，从而提高了粗饲料的利用率。

4 结论

当精粗比为40꞉60时，精料 ꞉藜麦秸秆 ꞉高粱秸秆=40꞉30 ꞉30的MFAEI 最大，组合效果最好，而精粗比为30꞉70时，精料꞉藜麦秸秆 ꞉高粱秸秆=30꞉40꞉30的MFAEI最大，综合来看，精料 ꞉藜麦秸秆 ꞉高粱秸秆=30꞉40꞉30的MFAEI最大，可作为较优饲料组合及适宜添加量在生产实践中应用。