南疆干旱灌溉区青贮玉米农艺性状和发酵品质动态分析及评价

2022-08-24付东青贾春英张力张凡凡马春晖

草业学报 2022年8期

付东青，贾春英，张力，张凡凡*，马春晖

（1. 石河子大学动物科技学院，新疆石河子 832000；2. 新疆生产建设兵团第三师畜牧兽医工作站，新疆图木舒克 843806；3. 新疆农垦科学院作物研究所，新疆石河子 832000）

全株玉米（Zea mays）青贮饲料不仅营养丰富、适口性好、易消化、保存时间长，且在提高奶牛产奶量、经济效益等方面具有积极作用［1］；同时，全株玉米青贮饲料保证了草食家畜四季粗饲料供应，对草食家畜的发展有举足轻重的作用，是当前最为重要的反刍家畜粗饲料之一［2］。目前，为加快我国“粮改饲”政策推行，需进行青贮玉米高产高效配套栽培技术集成，以满足现代标准化、规模化反刍家畜养殖的需求，尤其对于南疆地区，其作为我国西部重要的枢纽，经济、政治地位尤为重要；而该区普遍存在人均耕地少、耕地质量差、水资源短缺、农牧业生产水平低、饲草料供应短缺等问题，导致牛羊养殖规模、效益不高。家畜养殖业的发展很大程度上取决于饲草料的供应及饲草品质等因素，但南疆地区种植业中青贮玉米种植模式不完善，青贮玉米品种选择和栽培管理等均较为薄弱，种植盲目性较大；青贮饲料生产时又因种种生产问题造成营养物质的流失和青贮饲料的腐败变质，对家畜和人类健康造成危害。所以选择合适的玉米品种进行生产加工是南疆地区亟须解决的重要问题。当前其他地区青贮玉米种植技术为南疆地区提供了借鉴。其中，综合产量和营养品质分析得出，四川省西昌地区适宜推广种植青贮玉米先玉508、先玉696、先玉045［3］。广州地区雅玉8 号综合性能表现最为优异［4］。河南地区适宜种植青贮932和伟科106［5］；此外，中原地区CK732、京单28 和雅玉青贮26 也能表现出较好的产量和品质［6］。陕西关中地区新单60 综合性能最为突出，适宜在当地种植［7］。鲁南地区筛选最佳种植品种为京科青贮516、饲玉1 号、饲玉2 号、诺达1 号和登海605［8］。贵州省毕节地区最佳种植品种为金玉818、黔玉3 号、GX276［9］。CLO135 作为专用型青贮玉米能获得高产优质的青贮原料，适宜在宁夏黄灌区进行推广种植［10］。新饲玉12 号在新疆伊犁地区种植，在生物产量和品质方面均有较大的潜力［11］。粮饲兼用型新饲玉13 号和18 号生育期较短，在新疆阿拉尔和库尔勒地区种植，可获得优质高产的青贮原料［12］。纵观以往研究发现，不同地区在青贮玉米品种选择上存在较大差异，而南疆地区由于特殊的气候和水资源条件，导致不同地区选择的玉米品种并不一定适用。鉴于此，本研究选用15 个玉米品种在南疆第三师进行试验，通过对农艺性状、营养成分、发酵品质等指标的详细分析，并采用相似优先比法进行综合评价，筛选出适合当地的青贮玉米品种，为当地科学栽培和生产提供理论依据和技术支持，促进南疆草牧业发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验地位于新疆生产建设兵团第三师51 团2 连（39°52′37″N，79°29′38″E，海拔1094 m），当地属温带极干旱荒漠气候，日照时间长，昼夜温差大，年平均气温11.60 ℃，最高（7 月）平均气温25.00～26.70 ℃，最低（1 月）平均气温-7.30～-6.60 ℃，年平均无霜期225 d，年降水量38.30 mm。试验以青贮专用型和粮饲兼用型15 个玉米品种为研究材料（表1，2）。

表1 供试玉米品种Table 1 Maize varieties tested

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，每个小区种植1 个品种，小区面积15 m2（5 m×3 m），每个小区20 次重复，共计300个小区，4500 m2。覆膜，株行距配置结合当地宽膜55 cm 等行距。试验播种密度90000 株·hm-2，四周设保护行。试验播期参考当地大田玉米播种时间，于2019 年5 月7 日人工播种。播前大水漫灌。播种深度3～5 cm，及时除草、定苗。全生育期浇水5 次，灌水量4500～6000 m3·hm-2。施肥：尿素675 kg·hm-2，磷酸一铵300 kg·hm-2，钾肥（磷酸二氢钾）150 kg·hm-2。试验在青贮玉米灌浆期、乳线1/4、1/2 和3/4 期取样进行农艺性状测定，随后立刻将其粉碎至2 cm 左右，混合均匀，分别装入3 个塑料桶［规格85 cm×Π（10 cm）2］进行发酵；每桶装（16±0.5）kg（密度为600 kg·m-3），压紧用真空计抽干桶内空气，室温避光保存60 d 后开罐（模拟开窖）。

1.3 指标测定

农艺性状主要测定株高、穗位、鲜草产量、全株鲜重、茎秆鲜重、果穗鲜重和籽粒鲜重。其中，株高（从地面到雄穗顶端的高度）和穗位（从地面至最上面一个果穗的节生位）用水准仪双面伸缩刻度标尺测量，每个小区随机选取20 株，求其平均值（cm）。鲜草产量测定：随机选择3 个小区（即3 次重复），将整个小区刈割（留茬5 cm）称鲜重，折算鲜草产量。全株鲜重测定：将鲜草产量/每个小区株数，求得全株鲜重；然后取下果穗，称量果穗鲜重/每个小区果穗数，求其平均值（g）；每个小区果穗剥去葆叶，剥下玉米籽粒，称量籽粒鲜重，求其平均值（g）；最后，用全株鲜重-果穗鲜重求得茎秆鲜重（g）。

采用国标法［13］测定营养品质含量。其中，采用重量法测定干物质（dry matter，DM）含量，凯氏定氮法测定粗蛋白（crude protein，CP）含量，蒽酮比色法测定可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrates，WSC）含量，范氏（Van Soest）洗涤纤维法测定中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量，采用高氯酸水解-蒽酮比色法测定淀粉（starch）含量，采用索氏浸提法测定粗脂肪（ether extract，EE）含量。

使用酸度计测定pH，采用高效液相色谱法测定乳酸（lactic acid，LA）、乙酸（acetic acid，AA）、丙酸（propionic acid，PA）和丁酸（butyric acid，BA）含量［14］，采用苯酚-次氯酸钠比色法测定NH3-N 含量［15］，同时折算氨态氮∶总氮（NH3-N/TN）。

体外产气试验按照卢德勋等［16］描述的方法测定，具体操作如下：分别称取220 mg 饲料样品（风干基础）置于100 mL 玻璃培养管底部，空白组不加饲料，所有培养管放置39 ℃培养箱预热，量取一定体积哈沙克羊（试验动物来源于石河子大学动物试验站，动物日粮参照中国肉羊饲养标准配制，试验期间每天早上10：00 和下午18：00 投喂饲料，自由饮水，每周对圈舍进行消毒清理，日粮精粗比4∶6，精料由天康生物技术公司提供：玉米51%、麸皮24%、豆粕18%、碳酸氢钙2.5%、添加剂2%、尿素1.5%、食盐1%，粗料主要以青贮玉米为主）瘤胃液与人工培养液混合（体积比1∶2）形成培养液，其中人工培养液参照Menke 等［17］的方法配制，用分液器分别向所有培养管注入30 mL 人工瘤胃培养液，置于39 ℃恒温水浴摇床中培养，期间测定第2、4、6、8、10、12、24、36、48 h 的产气量（gas production，GP），同时分析有机物消化率（organic matter digestibility，OMD）和代谢能（metabolizable energy，ME）。OMD=0.986×GP+0.0606×CP+11.03；ME=0.1639×GP+0.0079×CP+0.0239×EE+0.04。式中：GP为24 h 的产气量；CP为粗蛋白含量百分数；EE为粗脂肪含量百分数［18］。

1.4 数据分析与统计

使用Excel 2019 软件初步整理试验数据，采用SPSS 20.0 对各指标进行方差分析，采用单因素方差分析（oneway ANOVA）进行不同品种之间的对比，采用Duncan 法进行多重比较，使用Origin 8.0 进行绘图。产气量参数模型选择一元非线性回归模型（Gompertz模型）［19］，为：X2=C1×exp［-C2×exp（-C3×X1）］，式中：X2为产气量；C1为理论最大产气量（mL）；C2为产气速率常数（mL·h-1）；C3为产气延滞时间（h）；X1为体外培养时间（h）。采用模糊相似优先比法评价最优品种［20］，运用DPS V7.05 软件将样品14 项指标进行分析计算（根据青贮玉米栽培和质量评价标准，仅选择有标准参考的指标进行综合评价），对其设定识别标识为1，固定样本即为参考品种（各指标为理论最优），识别标识为0，执行“模糊相似优先比分析”功能，权重选取见表2，求得各青贮玉米与参考品种间各指标的相似序号之和，相似度越小，该青贮玉米品种与理想品种的综合价值越接近。

表2 参考品种综合品质及其权重Table 2 Reference variety comprehensive quality and its weight

2 结果与分析

2.1 不同青贮玉米生育期和鲜草产量

对各青贮玉米生育期和鲜草产量测定发现，不同青贮玉米进入同一生育期的时间参差不齐（表3），其中，新饲玉13 号、大丰30 和京科968 最早达到灌浆期（7 月18 日），新饲玉12 号达到灌浆期的时间最晚（8 月7 日）。屯玉80、大丰30、先玉696 和金玉9 号达到3/4乳线的时间最早（8 月14 日），新饲玉12 号最晚（9 月4日）。不同生育期各青贮玉米鲜草产量差异显著（P＜0.05），且各青贮玉米均随生育期推进不断递增，其中，灌浆期和1/4 乳线，鲜草产量新饲玉11 号最高，1/2 和3/4 乳线，鲜草产量新沃1 号最高。

2.2 不同收获期各玉米品种农艺性状、营养成分和发酵品质变化规律

鲜草产量、株高、穗位、全株、茎秆、果穗和籽粒鲜重随收获期的推迟整体呈递增趋势（图1）。其中，整个收获期各青贮玉米之间株高差异均较小，全株鲜重1/4 乳线各青贮玉米之间差异较小，茎秆、果穗和籽粒鲜重3/4 乳线各青贮玉米之间差异较小。随收获期推迟DM、CP、WSC 和淀粉含量不断增加，ADF、NDF含量不断递减。其中，DM 含量各青贮玉米之间在灌浆期差异较小，WSC、ADF 和淀粉含量各青贮玉米之间在1/2 和3/4 乳线差异均较小，NDF 含量各青贮玉米之间在1/2 乳线差异较小，CP 含量各青贮玉米之间在灌浆期和1/4 乳线差异较小。pH 和AA 含量随收获期延迟先降低后升高，NH3-N/TN 和PA 含量随收获期延迟不断递减，LA 含量先升高后下降。其中，pH 各青贮玉米之间在灌浆期和3/4 乳线差异较小，LA 含量各青贮玉米之间在灌浆期差异较小，PA 含量各青贮玉米在1/4 和1/2 乳线差异较小，NH3-N/TN 各青贮玉米之间在灌浆期和1/4 乳线差异较小。

图1 不同收获期各玉米农艺性状、营养成分和发酵品质变化规律Fig.1 Variations of agronomic traits，nutrient components and fermentation quality of various maize in different harvest periods

2.3 不同收获期全株青贮饲料营养成分及发酵品质

测定不同收获期各玉米全株青贮饲料营养成分和发酵品质发现（表4），不同生育期各玉米品种DM、NDF、ADF、WSC 和淀粉含量差异显著（P＜0.05），不同生育期CP 含量除新饲玉10、13 号、屯玉168、铁研53、Q1901 和先玉696 外，其他品种均差异显著（P＜0.05）。DM 含量除新饲玉10 号、屯玉80 和Q1902 外，其他均随生育期推进不断递增，NDF 含量除新饲玉12 号、大丰30、Q1902 和金玉9 号，其他均随生育期推进逐渐减小，ADF 含量除新饲玉13 号，其他品种均随生育期推进逐渐减小，各品种WSC 和淀粉含量均随生育期推进不断递增，其中，灌浆期，DM 含量京科968 最高，CP 含量屯玉765 最高，WSC、淀粉含量屯玉168 最高，NDF 含量先玉696 最低，ADF含量新饲玉11 号最低。1/4 乳线，DM 含量Q1902 最高，CP 含量新饲玉10 号最高，WSC 含量屯玉80 和新沃1 号最高，淀粉含量屯玉168 最高，NDF 含量大丰30 最低，ADF 含量新饲玉12 号最低。1/2 乳线，DM 含量新饲玉10号最高，CP 含量新饲玉12 号最高，WSC 含量屯玉80 最高，淀粉含量Q1902 最高，NDF 含量大丰30 最低，ADF 含量新饲玉12 号最低。3/4 乳线，DM 含量金玉9 号最高，CP 含量新饲玉10 号最高，WSC 含量新饲玉12 号和屯玉80 最高，淀粉含量屯玉765 最高，NDF 含量新饲玉10 号最低，ADF 含量新饲玉12 号最低。

不同生育期各品种LA 含量、pH 及NH3-N/TN 差异显著（P＜0.05），PA 含量不同生育期差异不显著（P＞0.05）。其中，灌浆期金玉9 号pH 值最低且LA 含量最高，新饲玉12 号NH3-N/TN 最低，1/4 乳线期先玉696 pH值最低，新沃1 号LA 含量最高，屯玉765 NH3-N/TN 最低，1/2 乳线期屯玉765 pH 值和NH3-N/TN 最低，铁研53 LA 含量最高，3/4 乳线期京科968 pH 值最低，新饲玉11 号NH3-N/TN 最低，京科968 LA 含量最高，均与其他品种差异显著（P＜0.05）。

2.4 各青贮玉米不同收获期有机物消化率、代谢能和产气模型参数

体外降解测定结果表明，各青贮玉米品种OMD、理论最大产气量和产气速率随生育期推进不断降低，且不同生育期各青贮玉米差异性显著，即灌浆期＞1/4 乳线期＞1/2 乳线期＞3/4 乳线期（P＜0.05），其中，灌浆期OMD 先玉696 最高，1/4 乳线期（表5），新饲玉11 号最高，1/2 和3/4 乳线期均为京科968 最高，与其他品种差异显著（P＜0.05）。理论最大产气量，灌浆期新沃1 号最高，1/4 乳线期大丰30 最高，1/2 和3/4 乳线期屯玉80 最高，与其他品种差异显著（P＜0.05）。产气速率，灌浆期新饲玉10 号最大，1/4 乳线期新饲玉13 号最大，1/2 和3/4 乳线期Q1902 最大，与其他品种差异显著（P＜0.05）。ME 随生育期推进不断递增，且不同生育期各青贮玉米差异性显著（P＜0.05），其中，灌浆期新饲玉10 号最大，1/4、1/2 和3/4 乳线期Q1901 最大，均与其他品种差异显著（P＜0.05）。

2.5 青贮玉米不同收获期各品种综合评价

随生育期不断推迟，青贮玉米生物产量不断递增，在3/4 乳线达到最高。其DM、WSC、淀粉含量和ME 在3/4 乳线均达到最高，同时NDF 和ADF 含量处于最低水平，而且在此时期青贮发酵饲料NH3-N/TN 最小。综合考虑，3/4 乳线期收获青贮玉米能获得最大的生物产量，同时又能获得优质的饲草。因此，选择3/4 乳线期数据进行模糊相似优先比分析，并对各品种进行综合评价，结果表明，综合品质排名为新沃1 号＞屯玉765＞大丰30＞新饲玉11 号＞铁研53＞Q1901＞Q1902＞金玉9 号＞新饲玉12 号＞京科968＞先玉696＞新饲玉10 号＞屯玉168、屯玉80＞新饲玉13 号（表6）。

3 讨论

3.1 不同青贮玉米农艺性状变化规律

青贮玉米生育期不仅可以反映品种特性，也可直观反映其在当地适应性，同时也为获得优质高产青贮饲料以及合理调配种植结构提供指导。南疆第三师地区各供试玉米品种进入不同生育期时间点不同，各生育阶段经历的时间也各不相同。本研究中，引进的中晚熟品种在当地生育期较其他地域提前3～8 d［21-24］，这可能与当地的气候环境和品种的适应性有关，第三师地处干旱荒漠地区，属于灌溉农业，且当地日照时间长，降水量少，一年最高气温（平均气温31 ℃）在7-8 月，当地7 月青贮玉米恰好进入灌浆期，此阶段青贮玉米正经历营养物质积累高峰期，同时结合膜下滴灌技术，能保证青贮玉米对水分的需求，因此，致使青贮玉米生育进程加快。这也说明不同地区气候环境对青贮玉米的生长有明显的影响，需要根据当地气候选择合适的青贮玉米品种才能表现出应有的优良性状并且获得优质的青贮玉米品种。

青贮玉米农艺性状是其品种特性的直接表现，能直观地反映出生物产量情况。本研究中，随生育期推进各青贮玉米生物产量、全株鲜重和茎秆鲜重不断增加，这主要与株高和果穗鲜重增加有关。灌浆期至3/4 乳线期，株高平均增加6%，果穗鲜重平均增加17%，株高和果穗鲜重的增加使全株和茎秆鲜重增加，因此使生物产量增加。同时，本研究也得出不同生育期青贮玉米各农艺指标增加量也不同，具体表现为生物产量、果穗、籽粒鲜重随生育期延迟其增加量不断升高，株高和穗位随生育期延迟其增加量不断降低。其主要原因是不同生育期经历的时间不一致，在不同时间段叶片的内在控制对青贮玉米生长存在影响，直接影响光合产物的积累［25］。此外，本研究各青贮玉米农艺性状同以往不同地区研究结果存在差异，本研究中，各青贮玉米株高较其他地区低，山西晋北和晋中地区种植的大丰30 和京科968 株高分别较本研究高13%和7%左右［23-24］，青岛地区种植的新饲玉12 和13 号株高分别较本研究高20%和5%左右［26］，西宁地区种植的铁研53 株高较本研究高20%左右［27］，这可能与当地温带极干旱荒漠气候有关，而且南疆地区早晚温差较大，降水量小，可能导致玉米生殖生长提前，营养物质主要向籽粒转化和沉积［28］。

3.2 不同生育期各青贮玉米营养成分及发酵品质变化规律

玉米生长成熟是营养物质不断积累与转化的过程，植株各部分变化都会影响其营养成分［29］。本研究DM 含量变化规律与以往研究结果一致，表明随收获期的延迟，DM 含量不断递增［30-31］。CP 是评价青贮玉米品质的主要指标之一，以往研究表明，CP 含量随生育期（蜡熟期至完熟期）延迟不断递减［31-32］，本研究CP 含量随生育期推进不断增加，这可能与所选生育阶段有关，本研究选择灌浆期至蜡熟期（3/4 乳线），此阶段青贮玉米进入灌浆期正值营养物质积累高峰期，因此并未出现降低现象。饲草NDF 和ADF 含量越低，其品质和饲喂效果越好［33］。以往学者研究表明，青贮玉米乳熟期至蜡熟期NDF 和ADF 含量呈递减趋势［30，34］，本研究也得出相似规律。这可能与NDF 和ADF 主要存在于玉米秸秆中有关，玉米进入灌浆期后大量营养物质向籽粒转化沉积，同时淀粉含量迅速在籽粒中积累，因此，导致NDF 和ADF 占DM 的比例下降［35］。另一方面，这也可能与各营养成分的沉积速率有关，粮饲兼用型青贮玉米从乳熟期至蜡熟期，CP 和淀粉的沉积速率快于NDF 与ADF，而蜡熟期之后营养物质沉积速率相反［30］。对于WSC 和淀粉而言，随收获期延迟两者都呈现递增的趋势，这与前人研究结果基本一致［31］，但也有学者［32，36-37］研究表明，完熟期青贮玉米的淀粉含量较蜡熟期显著下降。这主要是本研究以乳线位置作为收获标准，在最后收获期，即3/4 乳线期，青贮玉米并未达到完熟期，此时玉米正处于蜡熟期向成熟期的过渡阶段，光合作用依然在进行，WSC 含量在不断积累，因此并未出现下降的趋势。

青贮饲料品质的优劣，直接影响饲喂效果，合理控制青贮发酵体系缓冲能和含水量，能有效提高发酵品质，一般认为青贮原料含水量在65%左右为宜［38］。本研究中，pH 值随收获期延迟先降低后升高，LA 含量先升高后降低，这可能与收获期有关，本研究最早收获期为灌浆期，此时，青贮玉米原料含水量超过70%，DM 含量偏低且WSC 含量较少，WSC 是乳酸菌等发酵的基础，水分过高导致底物浓度偏低，影响乳酸菌的生长繁殖，产酸能力下降，LA 含量较低，导致pH 值较其他收获期高；此外，以往研究表明，全株玉米在整个生长期内缓冲容量呈现下降趋势［29］，因此，灌浆期青贮玉米缓冲能较高，也可能是导致pH 值较高的主要原因。后期LA 含量降低，可能是因为青贮玉米后期乳酸菌异型发酵比例有所增加导致发酵体系AA 含量升高，因此，LA 含量出现降低现象。本研究中，NH3-N/TN 随收获期延迟不断递减，这与以往研究结果相似［26］，同时也与前人研究规律相符合，即降低发酵体系水分含量，能有效抑制蛋白分解。

体外产气试验可有效反映底物WSC 组分被瘤胃微生物利用的程度，饲料中可发酵有机物含量越多，瘤胃的产气量越高［39］。体外瘤胃液中微生物主要对青贮发酵饲料中WSC 和CP 含碳部分进行分解利用并产生CO2等气体，其培养过程中产生的气体主要来源于体外产气量，因此，体外产气量可反映青贮发酵饲料在瘤胃内可发酵程度和降解率［40］。本研究中，随生育期推进，理论最大产气量、产气速率和OMD 不断减小，ME 不断增加，这主要与青贮玉米WSC 和CP 的结构有关，青贮玉米进入灌浆期后WSC 和淀粉开始迅速沉积，初期WSC 和CP 结构相对单一，随生育期推进其结构不断复杂化，因此，体外瘤胃液中微生物可利用的WSC 和CP 含碳部分减少。另一方面，可能也与青贮玉米木质化程度有关，越到生育期后期青贮玉米木质化程度越高。因此，随生育期推进，产气量、产气速率和OMD 不断减小，这也说明合适的收获期在青贮玉米生产过程中起决定性作用。