水氮互作对青贮玉米产量和青贮品质的影响

2021-12-29石雅琪刘雅然南张杰张秋芝潘金豹

草业科学 2021年11期

王晔，石雅琪，刘呈，刘雅然，南张杰，张秋芝，潘金豹

（北京农学院植物科学技术学院 / 植物生产国家级实验教学示范中心，北京 102206）

青贮玉米(Zea may)是畜牧业生产中重要的饲料来源，其具有产量高、营养丰富、易消化且适口性好等特点[1-2]。青贮料质量的优劣直接关系到反刍家畜的生产性能和健康[3]。青贮玉米是需水较多、需肥量大的作物[4-5]，且对氮肥反应敏感[6]。东华北地区处于“镰刀湾”区域，也是玉米结构调整的重点地区，在农业生产中为追求高产，常采用大量灌溉和过量施肥的管理措施，这样不仅导致水肥资源利用效率低，也造成了农田生态污染等一系列问题[7-8]。

合理的灌溉和施肥，能充分发挥水肥互作效应达到优质高产的目的[9]。灌溉和施氮对玉米生长特性、碳氮代谢、养分吸收与利用等的影响已有大量报道[10-12]。在青贮玉米产量和品质方面，王军等[13]通过水肥耦合模型模拟了青贮玉米产量和水肥之间的关系，明确了青贮玉米产量最大(100.69 t·hm−2)时水肥耦合最优水平灌溉量为1 531.66 m3·hm−2，施尿素量为119.94 kg·hm−2。解婷婷和苏培玺[14]研究发现，高水肥和低水肥处理的青贮玉米鲜重无显著差异。白冰和文亦芾[15]研究表明，不同氮素施肥条件下，当尿素施用量为300 kg·hm−2，在青贮60 d 后的青贮玉米pH、乳酸含量和挥发性脂肪酸含量均达到优质标准。梁虹等[16]在研究缓释肥对青贮45 d后的青贮玉米营养品质和发酵品质的影响时发现，当施用缓释肥的含氮量为120 kg·hm−2时，青贮玉米含氮量和干物质(dry matter，DM)含量较高，中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)含量较低，有机酸含量较高，青贮品质较好。冯鹏等[17]研究发现，灌水量为2 069.96 m3·hm−2、施氮量为225 kg·hm−2时玉米产量最高，青贮75 d 后该处理组的乳酸含量高，营养品质好。可见，水分和氮肥协同效应，最终影响青贮玉米的产量和品质，不仅提高了资源利用率，实现节本增效，也促进了我国农业的可持续发展。

对青贮玉米产量和青贮质量的研究大多局限于单一灌水或施肥的影响，水肥互作效应的报道仍较少。另外，对长期(1 年)青贮保存后青贮效果的研究报道也不多。为此，本研究以专用型青贮玉米为材料，综合分析水氮互作对东华北地区青贮玉米生物产量、青贮料的营养品质、发酵质量和饲用价值的调控效应，获得灌水量和施氮量的最优组合，以期为青贮玉米节水减氮、可持续生产提供理论依据，并构建满足畜牧业对优质青贮料需求的青贮玉米高产高效种养结合生产模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017 年5 月 - 10 月在内蒙古自治区通辽市科尔沁区钱家店镇通辽市农业科学院基地(43°43′ N，122°37′ E)进行。试验区土壤类型为黑土，耕层土壤pH 为8.57，有机质含量为11.54 g·kg−1，全氮含量为1.22 g·kg−1，速效磷含量为16.57 mg·kg−1，速效钾含量为137.6 mg·kg−1，有机碳含量9.83 g·kg−1。该试验区属于暖温带大陆性气候，青贮玉米生长季降水及气温变化如图1 所示。生长季(5 月8 日 - 9 月20 日)日平均气温为22.5 ℃，总降水量为439.2 mm。

图1 2017 年青贮玉米生长季的日平均气温和降水量Figure 1 Mean daily temperature and precipitation of silage maize growing season in 2017

1.2 试验设计

以东华北中晚熟区广泛推广种植的专用型青贮玉米北农青贮368 (国审玉20180175)为材料。采用裂区设计，以灌水量为主区，施氮量为副区。灌水处理设3 个水平，分别为当地传统灌水量(2 250 m3·hm−2，W1)、节水10% (2 025 m3·hm−2，W2)和节水20% (1 800 m3·hm−2，W3)；施氮量为当地传统用量(420 kg·hm−2，N1)、减氮10% (378 kg·hm−2，N2)和减氮20% (336 kg·hm−2，N3) 3 个水平。采用滴灌水肥一体化系统控制每个小区水肥施用量。3 个灌水处理分别在播种、六叶展、十二叶展、吐丝期和吐丝后25 d 时等量分次灌溉，每次灌溉量分别为450、405 和360 m3·hm−2。基肥以磷酸二氢铵为氮源，追肥以尿素为氮源，按基肥 ꞉ 十二叶展追肥 ꞉ 吐丝后25 d 追肥 = 1 ꞉ 4 ꞉ 2 分施。种植密度75 000 株·hm−2，行长10 m，行距0.6 m，8 行区，小区面积48 m2，每处理重复3 次。田间病虫草害防治及管理同一般生产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 青贮玉米产量

青贮玉米籽粒乳线达1/2 时，从地上部20 cm 处全株刈割，每个小区实收中间4 行称重计生物鲜重。

1.3.2 干物质量

从测产样品中随机选取10 株，全株粉碎至1.0 cm左右样段，充分混匀后，采用烘干法，105 ℃杀青4 h后65 ℃烘干至恒重，测定干物质量(DM1)，青贮开封后测定干物质量(DM2)，计算干物质损失率。

1.3.3 青贮品质

从上述测产样品中称取粉碎的青贮料600 g，装入30 cm × 40 cm 聚乙烯袋内，用真空封口机抽真空后密封，置于室温下避光周年保存后开封，取10 g混匀的青贮料放入烧杯中，加入90 mL 去离子水，放置4 ℃冰箱中浸泡12 h 后，取出过滤，用pH 计测定浸提液pH。有机酸含量采用Agilent 1200 高效液相色谱测定，浸提液在12 000 r·min−1离心5 min后，用0.45 μm 微孔滤膜过滤后测定乳酸和乙酸含量。色谱条件：流动相为0.2%磷酸溶液，流速为1 mL·min−1，柱温70 ℃，检测波长210 nm[18]。

青贮料烘干后，采用范氏(Van Soest)纤维含量测定法[19]，利用ANKOM-220 纤维分析系统测定NDF 和ADF 含量；粗蛋白(crude protein，CP)含量采用全自动杜马斯定氮仪测定[20]；淀粉(starch)含量采用盐酸水解-蒽酮比色法测定[21]；粗脂肪(ether extract，EE)含量采用索式提取法测定[20]；粗灰分(crude ash，CA)含量在550 ℃下直接灰化法测定。

1.3.4 相对饲用价值

相对饲用价值(relative feed value，RFV)参照Rohweder 等[22]方法计算。RFV= (DMI×DDM) / 1.29；DMI= 120 /NDF；DDM= 88.9 − 0.779ADF。式中：DMI(dry matter intake)为粗饲料干物质的随意采食量；DDM(in vivodigestible dry matter)为可消化的干物质；NDF为中性洗涤纤维；ADF为酸性洗涤纤维。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010 进行数据处理，采用SAS 统计软件(V8, SAS Institute Inc., Cary, USA)的ANOVA法进行处理间差异显著性分析(P< 0.05)，用Duncan’s法进行多重比较，采用Origin 2019 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对青贮玉米产量的影响

水氮互作对青贮玉米鲜重影响不显著(P>0.05)，但对干重有显著影响(P< 0.05)。灌水处理对青贮玉米鲜重和干重均有显著影响(P< 0.05)，但施氮处理对鲜重和干重均无显著影响(P> 0.05)。与传统水肥用量(W1N1)下干重(21.64 t·hm−2)相比，处理组W1N3、W2N2、W2N3和W3N3产量增幅0.14%～5.27%。其中，W2N2干重最高，为22.78 t·hm−2，与W1N1相比差异达显著水平(P< 0.05)。在同等施肥量条件下，减氮20%处理(W1N3、W2N3和W3N3)干重与W1N1无显著差异(P> 0.05)；相同灌水条件下，节水20%处理(W3N1、W3N2和W3N3)干重与W1N1差异不显著(P> 0.05) (表1)。

表1 不同水氮处理对青贮玉米产量的影响Table 1 Effects of different water and nitrogen application treatments on silage maize yield

2.2 不同处理对青贮玉米干物质含量的影响

不同水氮处理下青贮玉米干物质含量差异不显著(P> 0.05)，干物质含量为31.30%～34.23%，与W1N1相比，各处理干物质含量有不同程度降低，降低幅度为0.85%～8.56%，其中W2N2的降低幅度最小(0.85%) (表2)。

青贮料在周年保存后，各处理间干物质含量差异明显 (表2)。与W1N1相比，青贮后干物质含量降低幅度为1.49%～14.24%。与青贮前相比，干物质损失率为0.09%～9.56%。W1N1的干物质损失率最小(0.09%)，W3N3处理下的损失率最大(9.56%)。

表2 不同水氮处理下青贮玉米的干物质含量Table 2 Dry matter content of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

2.3 不同处理对青贮料青贮品质的影响

不同水氮处理下，周年保存的青贮料pH 稳定在4.0 左右。乳酸含量为3.33%～4.34%，各处理乳酸含量不同程度高于W1N1，其中W1N2、W2N2、W2N3和W3N1处理的乳酸含量分别比W1N1提高了16.22%、30.33%、25.23%和23.72%，且差异达显著水平(P< 0.05)。各处理乙酸含量为1.63%～2.29%，其中W2N2和W3N3的乙酸含量低于其他处理 (表3)。

表3 不同水氮处理下青贮料的发酵品质Table 3 Silage quality resulting from silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

青贮料周年保存后，不同水氮处理下NDF 含量为39.82%～45.80%，ADF 含量为23.76%～28.13%，淀粉含量为22.52%～28.90%，粗蛋白含量为7.64%～8.51%，粗灰分含量为4.91%～5.96%，而粗脂肪含量变化不大。与W1N1相比，不同处理下NDF、ADF、淀粉、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量变化幅度在−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灌溉条件下，随着施氮量降低，NDF 和ADF 含量呈增加趋势，淀粉含量呈降低趋势。在同等施肥条件下(N2和N3)，随灌溉量减少，NDF、ADF和淀粉含量均降低。综合青贮料营养品质表现，W2N2处理经青贮发酵后青贮品质效果较好(表4)。

表4 不同水氮处理下青贮料的营养品质Table 4 Nutritional values of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments%

2.4 不同处理对青贮玉米相对饲用价值的影响

不同水氮处理下，青贮玉米相对饲用价值为136.04～164.35，其中以W3N3处理最高。与W1N1相比，W2N1和W3N3相对饲用价值分别增加了4.72%和8.42%；W3N1处理最低，与W1N1相比，其相对饲用价值降低了10.69%。各处理的相对饲用价值与W1N1相比差异均不显著(P> 0.05) (图2)。

图2 不同水氮处理下青贮料的相对饲用价值Figure 2 Relative feed value of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

3 讨论

玉米在不同生育期对氮肥利用率的变化与不同时期养分和水分需求密切相关，过量灌溉和施肥不仅造成了水资源浪费和肥料养分流失，而且不利于作物生长，导致易倒伏、感染病虫害和贪青晚熟等问题，造成作物产量和品质下降[23]。因此，明确青贮玉米对水肥互作效应的响应特征，达到增产目的的同时获得较好的青贮品质尤为重要。本研究在节水减氮的条件下，水肥互作仍然可获得与传统用量相当的生物产量，其中，节水10%、减氮10% (W2N2)处理下的产量显著高于农民传统用量(W1N1)下的产量。水分和氮素在玉米产量上存在显著的正耦合效应[24]。适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，随着灌水量减少，生物产量降低(W2N2除外)，与前人研究结果一致[10,13]。当灌水量为2 025 m3·hm−2、减氮10% (378 kg·hm−2)时，产量达最大，与对照相比增产5.02%。继续减氮产量与W1N1相比变化不大。表明水氮配合不仅有利于提高作物生物产量[13,29]，而且适量的氮肥减施和合理的灌溉相结合，可使玉米产量和氮肥利用效率得到协同提高[30]。

在青贮过程中，干物质损失和青贮质量变化降低了青贮料的质量[31]。一般青贮方法对青贮料的干物质含量要求为25%～35%[32]，在此范围内可以在一定程度上控制发酵造成的损失，而当干物质含量从30%下降到20%时，大幅度降低了反刍家畜对青贮料的消化率[33]。Divis[31]研究表明，氮肥处理对干物质含量影响不显著。冯鹏等[17]进一步通过水肥试验表明，水肥耦合效应对青贮料干物质含量影响不明显。本研究在不同灌水和施氮水平下，青贮玉米的干物质含量为31.30%～34.23%，均符合青贮要求，水氮处理对干物质含量影响不显著，与前人研究结果一致[17]。青贮料周年贮存后，干物质损失率为0.09%～9.56%。在水氮充足条件下(W1N1)，干物质基本无损失(0.09%)，在灌水量充足、减施氮肥(W1N2和W1N3)和节水10%、减氮10% (W2N2)条件下干物质损失与传统水氮用量(W1N1)均差异不大。

增施氮肥提高了全株玉米粗蛋白含量，降低了粗纤维含量[1,32-33]。玉米饲用营养品质随着施氮量的增加显著提高。但也有研究表明，氮肥影响玉米的纤维组成，进而影响可消化有机物含量，但对粗纤维含量影响不大[34]。灌水处理降低了纤维含量，进而提高了青贮饲料的消化率[17]。本研究表明，在适宜的水肥互作条件下(W2N2)，青贮料保持较高的粗蛋白、淀粉和粗灰分含量，但水氮处理对粗脂肪含量影响不大。

pH 是影响青贮料良好保存的关键因素[35]，品质优良的青贮饲料pH 为3.8～4.5。当青贮料pH 为4.0 时，可抑制梭状芽孢杆菌(Clostridium)活动。本研究表明不同水氮处理对青贮料pH 影响不大，均保持在4.0 左右，适宜的pH 可促进有益微生物活动，即使经过周年贮存，青贮料依然保存良好。有机酸含量的多少能够反映青贮料在发酵过程中的品质优劣。有机酸含量与采食量有关，尤其是乳酸含量对适口性有直接影响。本研究发现，当灌水量为2 025 m3·hm−2、施氮量为378 kg·hm−2时乳酸含量明显高于其他处理，乙酸含量较低，青贮品质较好。可见，水肥耦合可以提高青贮料的发酵品质，通过影响青贮原料的营养品质而影响青贮饲料饲用品质。