品种及成熟期对玉米秸秆不同形态部位干物质及粗蛋白降解特性的影响

郭冬生，汤少勋

（1.湖南文理学院生命与环境科学学院，动物学湖南省高校重点实验室，湖南 常德 415000；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室，湖南省动物营养生理与代谢过程重点实验室，湖南长沙 410125）

近年来培育出的很多新玉米（Zea mays）品种（如甜玉米、糯玉米、高油玉米及青贮用玉米等）满足了人们不同的生活需求。玉米籽实收获以后含有丰富的纤维成分，是反刍家畜重要的粗饲料资源，特别对粗饲料资源不足的区域尤为重要。

玉米秸秆的营养品质不仅受气候条件、栽培方式（如水肥管理）、贮藏方法的影响，同时也受秸秆形态学组成的影响。研究发现，玉米秸秆叶片中的有机质（organic matter，OM）和粗蛋白（crude protein，CP）消化率要高于茎秆部分［1］。玉米秸秆叶片CP含量及其体外产气量要高于茎秆部位，而酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量则低于茎秆部位［2］。除了玉米秸秆的形态学部位外，秸秆的营养价值还取决于收获时期。已有研究报道，玉米秸秆粗蛋白含量，以及可溶性碳水化合物含量随成熟度的增加而降低，但木质素和木聚糖的含量则随成熟时间的增加而上升［3-4］。除了收获时间和秸秆的形态学部位外，玉米品种也对玉米秸秆或青贮玉米饲料的营养价值和消化率有影响［5-6］。有研究表明，褐色中脉品种玉米秸秆木质素含量低，因此其干物质消化率较高［7-8］。Tolera等［5］对8个玉米品种的研究结果表明其秸秆营养品质存在显著差异。

不同品种玉米由于其利用目的与方式不尽一致，因此收获时间也不一致，如甜玉米和糯玉米主要在乳熟期进行采摘，饲用玉米主要在乳熟末期至蜡熟初期收获进行青贮，而普通玉米作为青贮饲料时也会在乳熟末期至蜡熟初期收获，这导致其营养品质也不相同。尽管已有部分研究对一些新玉米杂交种的营养成分价值进行了评估［9-10］，但对于这些新品种玉米秸秆不同形态部位在不同成熟期营养降解动力学特性变化规律的研究还相当少见。因此，本研究拟通过比较相同收获期条件下不同品种玉米秸秆不同形态部位营养成分的降解动力学特性，为新品种玉米秸秆在反刍家畜中的利用提供技术参数。

1 材料与方法

1.1 玉米品种

试验选用5个玉米杂交品种，即科湘玉11号（常规玉米）、高油115（高油玉米）、科湘糯玉1号（糯玉米）、沪青1号（饲用玉米）和科湘甜玉1号（甜玉米）。科湘玉11号、科湘糯玉1号和科湘甜玉1号分别为中国科学院亚热带农业研究所选育的常规玉米、早熟糯玉米和甜玉米品种；高油115为中国农业大学育成的含油量高的玉米品种；沪青1号为青贮型杂交品种。

1.2 栽培、收获与样品制备

试验设在中国科学院亚热带农业生态研究所农场，于2005年4月22日播种，每个品种设3个重复样地，所有玉米品种的水肥管理条件相同。分别在抽穗后第17天（乳熟期）和第31天（蜡熟期）采样。每个品种每块重复样地随机采集10株整株玉米秸秆，再手工分成叶片、叶鞘、茎秆和苞叶4个形态部位。所有样品在65℃烘干，然后粉碎过孔径为1 mm的筛，并保存在塑料密封袋中，以供后续瘤胃原位尼龙袋降解试验用。

1.3 化学成分分析

按照张丽英［11］确定的常规营养测定方法测定干物质（dry matter，DM）、粗蛋白质（CP）、灰分（Ash）和磷（P）的含量；依照Hall等［12］的方法使用Fi-bretherm FT12全自动纤维仪（Gerhardt analytical systems，德国）测定中性洗涤纤维（neutral deter gent fiber，NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量。玉米秸秆样品化学成分组成如表1所示。

1.4 瘤胃原位尼龙袋降解试验

选用3头装有永久性瘤胃瘘管的成年浏阳黑山羊［体重（35±2.0）kg］作为试验动物。试验动物基础日粮由玉米秸秆和精料补充料组成，每天饲喂精料300 g，玉米秸秆450 g，分两次饲喂，自由饮水。精料组成为（g·kg-1DM）：玉米452，麦麸360，豆粕126，尿素16，食盐10，预混料36。预混料组成为每kg含：FeSO4·H2O 6.20 g，CuSO4·5H2O 4.00 g，CoCl2·6H2O 0.04 g，KIO30.17 g，MnSO4·H2O 18.87 g，ZnSO4·H2O 11.43 g，NaSeO30.0056 g，维生素A 64700 IU，维生素D 17500 IU和维生素E 18000 IU。

准确称取2.5 g秸秆样品于尼龙袋中（孔径35 μm，规格6 cm×12 cm），每头羊每个时间点两个平行。尼龙袋绑在一根塑料管上，一次性将尼龙袋全部投入瘤胃背囊，分别于2，6，12，24，36，48和72 h取出尼龙袋，用清水冲掉表面的瘤胃食糜，所有尼龙袋（包括0 h）再用洗衣机（XPB15-8006，慈溪，中国）冲洗直到水清澈；将冲洗干净的尼龙袋于65℃烘干48 h，取出称重，装入样品袋常温保存，用以测定营养物质瘤胃降解率。采用以下方程计算DM和CP的降解动力学参数：p=a+b×(1-e-ct)［14］，采用ED=a+[b×c/(c+kp)]计算DM和CP的有效降解率（effective degradability，ED）［15］，式中：p，a，b和c分别表示DM或CP的实际降解率（%），以及快速（%）、慢速（%）降解部分的比例和降解速率（%·h-1），kp表示瘤胃食糜颗粒的流通速率，本研究中根据山羊体重和采食量设定为0.02%·h-1［16］。

1.5 数据统计与分析

采用SAS软件包（8.2版，SAS，2001）的Mixed过程进行方差分析，统计降解动力学参数及有效降解率的模型如下：

式中：Yijk为依变量，μ为总体平均值，Ri为重复i的影响，Vj为品种j的影响，Mk表示成熟期k的影响，VMjk表示品种j与成熟期k的交互影响，Eijk表示随机残差。采用Tukey’s检验对最小二乘方法结果进行多重比较，P≤0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 干物质降解动力学特性

5个品种乳熟期叶片a值平均值（27.8%）显著低于（P＜0.001）蜡熟期（30.5%），而b值（46.3%）则高于（P＜0.001）蜡熟期（38.3%）（表2）；5个品种间叶片aDM值按高油玉米（31.2%）＞糯玉米（29.7%）＞青贮玉米（28.5%）=甜玉米（28.5%）＞普通玉米（27.8%）的顺序而降低（P＜0.01）；bDM值按普通玉米（48.9%）＞糯玉米（43.4%）＞高油玉米（43.1%）＞甜玉米（39.3%）＞青贮玉米（36.7%）的顺序降低（P＜0.001）；而cDM值则按高油玉米＞青贮玉米＞糯玉米＞甜玉米＞普通玉米的顺序显著降低（P＜0.001）；叶片EDDM值受成熟期与品种间的互作（P＜0.001）影响，仅普通玉米随成熟时间延长其干物质有效降解率上升，其他品种都呈下降趋势。

叶鞘aDM值（P＜0.001）及bDM值（P＜0.01）受成熟期与品种间的互作影响；青贮玉米、普通玉米和糯玉米叶鞘aDM值随成熟时间的延长而快速上升，而甜玉米则快速下降；糯玉米与青贮玉米叶鞘bDM值随成熟时间的延长快速下降，而甜玉米与普通玉米的bDM值则受成熟期的影响较小；5个品种间高油玉米叶鞘cDM（0.0257%·h-1）显著高于（P＜0.01）糯玉米（0.0189%·h-1）和普通玉米（0.0179%·h-1），其他品种间无显著差异。

5个品种乳熟期茎秆部位bDM值平均值（29.7%）显著高于蜡熟期（23.9%）。糯玉米茎秆部位bDM值（32.3%）显著高于（P＜0.001）普通玉米（23.6%）和高油玉米（21.0%），甜玉米茎秆部位bDM值（30.4%）显著高于（P＜0.01）高油玉米，其他品种间无显著差异。茎秆部位aDM值与EDDM值受成熟期与品种互作（P＜0.001）的影响（表3）。甜玉米茎秆部位aDM值和EDDM值，以及普通玉米的EDDM值随成熟时间的延长而快速下降，而青贮玉米及高油玉米的aDM值，以及青贮玉米的EDDM值则随成熟时间的延长而快速上升。

表3 不同成熟期不同品种玉米秸秆茎秆及苞叶干物质降解动力学特性Table 3 In vivo dry matter degradation kinetic characteristics of stem and husk for five variety corn stalk harvested at two maturity stages

乳熟期苞叶EDDM值（55.9%）显著高于蜡熟期（48.9%），青贮玉米EDDM值（57.5%）显著高于（P＜0.01）糯玉米（49.0%）和普通玉米（49.7%）。苞叶部位aDM值（P＜0.01）和cDM值（P＜0.05）也受成熟期与品种的互作影响。普通玉米苞叶aDM值随成熟时间的变化很小，而其他品种都随成熟时间延长而快速下降。青贮玉米与糯玉米苞叶cDM值随成熟时间延长而快速上升，而其他品种则快速下降。

玉米秸秆不同形态部位间aDM、bDM和EDDM值也存在显著差异（P＜0.001）（表4），aDM值按茎秆＞苞叶＞叶鞘＞叶片的顺序显著降低，bDM值按叶片＞苞叶＞叶鞘＞茎秆的顺序显著下降，EDDM值则按茎秆＞苞叶＞叶鞘＞叶片的顺序显著下降。

表4 玉米秸秆不同形态部位间干物质降解动力学特性Table 4 In vivo dry matter degradation kinetic characteristics of different morphological fractions

2.2 粗蛋白降解动力学特性

5个品种乳熟期叶片部位aCP值平均值（32.7%）显著低于（P＜0.05）蜡熟期（38.7%），而bCP值（46.6%）则显著高于蜡熟期（37.2%）（表5）。该部位CP所有降解动力学参数都受品种与成熟期互作的影响（P＜0.001），糯玉米与甜玉米叶片aCP值与EDCP值随成熟时间延长而上升，其他品种则随成熟时间延长而下降；甜玉米与糯玉米的bCP值随成熟时间延长而快速下降，而普通玉米和高油玉米则快速上升；甜玉米、糯玉米及青贮玉米叶片cCP值随成熟时间延长而上升，而其他两种玉米则随成熟时间延长而下降。

乳熟期叶鞘bCP值（31.3%）及EDCP值（60.5%）显著高于蜡熟期（25.5%和58.4%），5个玉米品种间叶鞘CP降解动力学参数存在显著差异，EDCP值按高油玉米＞甜玉米＞糯玉米＞青贮玉米＞普通玉米的顺序而下降（P＜0.001），bCP值按甜玉米＞普通玉米＞糯玉米＞高油玉米＞青贮玉米的顺序下降（P＜0.05），而cCP值则按青贮玉米＞糯玉米＞高油玉米＞普通玉米＞甜玉米的顺序下降（P＜0.01）（表5）。同时叶鞘aCP、bCP及EDCP值也受玉米品种与成熟期互作的影响（P＜0.001）。

表5 不同成熟期不同品种玉米秸秆叶片及叶鞘粗蛋白质降解动力学特性Table 5 In vivo crude protein degradation kinetic characteristics of leaf blade and leaf sheath for five variety corn stalk harvested at two maturity stages

乳熟期与蜡熟期茎秆aCP、bCP和EDCP无显著差异，而蜡熟期茎秆cCP值（0.0757%·h-1）显著高于（P＜0.001）乳熟期（0.0440%·h-1）（表6）。5个品种间茎秆aCP、bCP和EDCP值存在显著差异（P＜0.001），aCP值按甜玉米＞糯玉米＞青贮玉米＞普通玉米＞高油玉米的顺序下降（P＜0.001），bCP值按高油玉米＞青贮玉米＞糯玉米＞普通玉米＞甜玉米的顺序下降（P＜0.001），EDCP值则按糯玉米＞甜玉米＞青贮玉米＞普通玉米＞高油玉米的顺序降低（P＜0.001）。乳熟期苞叶bCP值（27.1%）显著高于蜡熟期（18.9%），而aCP值（58.5%）和cCP值（0.0291%·h-1）则显著低于（P＜0.001）蜡熟期（62.2%和0.0465%·h-1）。5个品种间苞叶aCP，bCP和EDCP存在显著差异，高油玉米和青贮玉米苞叶的aCP值（分别为65.4%和62.4%）和EDCP值（分别为77.2%和75.0%）显著高于糯玉米（分别为56.9%和70.1%）和普通玉米（分别为55.8%和71.2%），甜玉米的aCP值（61.3%）显著高于普通玉米，而其EDCP值（74.6%）则显著高于糯玉米（70.1%）。品种和成熟期对苞叶aCP、bCP和EDCP值有显著的互作影响（P＜0.001）。

表6 不同成熟期不同品种玉米秸秆茎秆及苞叶粗蛋白质降解动力学特性Table 6 In vivo crude protein degradation kinetic characteristics of stem and husk for five variety corn stalk harvested at two maturity stages

不同形态部位间aCP、bCP、cCP和EDCP值存在显著差异（P＜0.001），aCP值按茎秆＞苞叶＞叶鞘＞叶片的顺序显著下降（P＜0.001），而bCP值则按叶片＞叶鞘＞苞叶＞茎秆的顺序显著降低（P＜0.001），茎秆和苞叶的EDCP显著高于（P＜0.001）叶片和叶鞘（表7）。

表7 玉米秸秆不同形态部位间粗蛋白降解动力学特性Table 7 In vivo crude protein degradation kinetic characteristics of different morphological fractions

2.3 降解动力学参数与营养成分的相关性

由表8可知，秸秆形态部位的OM含量与aDM和aCP值呈显著正相关，而与bDM和bCP则呈显著负相关关系，且OM含量与EDCP值呈显著正相关关系。而CP含量则与aDM和aCP值以及EDCP值呈显著负相关，而与bCP值则呈显著正相关关系。秸秆磷含量与营养降解动力学参数的相关性与粗蛋白的相似，而NDF及ADF与营养降解动力学参数间的相关性则很低，仅分别与EDDM及bDM表现出负相关关系。

表8 降解动力学参数与营养成分间的相关系数Table 8 Pearson correlation coefficients between degradation kinetic characteristics and chemical composition（n=40）

3 讨论

3.1 成熟期的影响

营养物质在瘤胃中的降解动力学参数反映了饲料营养在瘤胃中的降解过程，a值代表时间为0时的降解率（又称可溶性部分），b值代表不可溶部分的可降解部分［17］。叶片、叶鞘及茎秆部位干物质的a值随成熟度的增加而显著增加，b值则显著降低，而苞叶部分的a值则表现出相反的现象，同时苞叶干物质的b值也表现出降低的趋势。同时，延长收获期会显著降低除茎秆外其他3个形态部位粗蛋白的慢速降解部分，并提高叶片与苞叶部位粗蛋白的快速降解部分，这表明随成熟度的增加，叶片、叶鞘、茎秆（或苞叶）部位中可溶性部分含量会相应增加，而不可溶部分的可降解部分会降低。

而对于各形态部位干物质及粗蛋白的有效降解率，由于其不仅受可溶性部分（即a值）所占比例的影响，同时也受不可溶部分中可降解部分所占比例的影响，因此其随成熟度增加而变化的趋势与a值的变化并不完全一致，如延长成熟期时叶片、叶鞘及茎秆部位干物质有效降解率并没有显著地降低或提高，仅苞叶部位的ED值在蜡熟期有显著降低（表2和表3），这可能与苞叶部位在乳熟期干物质的a、b值都明显高于蜡熟期有关（表3）。同时，叶片、茎秆及苞叶部位粗蛋白的有效降解率变化较小（表5和表6），也可能与这几个部位a、b值随成熟时间延长呈相反变化，或变化较小有关。在乳熟期和蜡熟期，叶片、叶鞘及茎秆占全株秸秆的比例达80%以上，而叶片、叶鞘及苞叶占全株秸秆的比例仅60%左右，同时两个成熟期间整株秸秆有机物的体外消化率也没有显著差异［13］，故延长成熟期可能对整株玉米秸秆干物质及粗蛋白的瘤胃有效降解率的影响较小，但可能会提高秸秆的初始降解速度。武小平等［18］对郑单958玉米品种在3个不同时期（玉米籽粒乳线在1/2、3/4、4/4位置）秸秆营养消化率的研究发现，干物质及NDF消化率都随成熟时间的推移而显著降低。而闫贵龙等［19］对巡青938玉米品种不同收获期秸秆营养消化率的研究发现，其干物质消化率在3/4乳线期时最高。本研究中秸秆多个形态部位乳熟期与蜡熟期DM及CP有效降解率差异不显著，可能是品种与成熟期互作影响的结果。

3.2 玉米品种的影响

在饲料营养瘤胃降解特性评价中，主要参考慢速降解部分和有效降解率。5个玉米品种间叶片部位DM有效降解率以高油玉米最高，以甜玉米最低，其他品种则居于二者之间，这可能与高油玉米在两个成熟期都具有较高的保绿性基因有关，闫贵龙［20］研究表明，高油玉米秸秆在4/4乳线期仍然保持碧绿多汁，光合作用仍在进行。而甜玉米生育期较短，在稳定期持续时间短，衰老快。薛红枫等［21］也发现高油玉米秸秆体外产气量要高于普通玉米。但对于叶鞘部位，5个品种间干物质有效降解率差异不显著。对于茎秆和苞叶部位，干物质的ED分别以糯玉米和青贮玉米较高，其他品种间则差异不显著，这表明新玉米品种与普通品种玉米相比，其干物质的降解利用率与普通玉米相近或略高于普通玉米。

5个品种叶片粗蛋白瘤胃降解动力学参数间均无显著差异，表明粗蛋白具有相似的降解和利用特性。对于叶鞘和苞叶部位，5个品种间粗蛋白有效降解率都以高油玉米最高，普通品种玉米则居于其他品种之间，这也可能与高油玉米在整个生育期都具有较高的光合作用有关［20］。而茎秆部位则以糯玉米最高，高油玉米最低，普通玉米略高于高油玉米。

综合玉米品种不同部位干物质与粗蛋白的降解率与可降解部分的组成，新品种玉米秸秆可作为反刍动物的优质粗饲料来源。在乳熟期和蜡熟期，新品种玉米秸秆营养降解与利用率要优于普通品种玉米秸秆，可以为反刍动物提供比传统品种更多的可消化营养物质。

3.3 秸秆形态部位的影响

整株玉米秸秆的营养品质与饲用价值与其各形态部位的组成比例及营养价值密切相关，在不同形态部位间其干物质及粗蛋白降解动力学参数存在显著差异，即茎秆部位DM与CP的a值显著高于其他部位，而b值则显著低于其他部位，这可能与茎秆在蜡熟期含有更高的有机物及更低的磷和粗蛋白有关（表1），而秸秆CP和磷的含量较高会降低干物质及CP的a值，而对b值有促进作用（表8）。汤少勋等［22］也发现牧草体外理论最大产气量及48 h累计产气量与牧草粗蛋白含量存在显著负相关关系。在4个形态部位中，叶片部位粗蛋白a值与b值比较接近，而其他3个部位都是a值大于b值，特别是在茎秆部位，a值显著高于b值。这意味着在乳熟期或蜡熟期收获的秸秆，特别是秸秆茎秆部位的粗蛋白可能主要在瘤胃中被降解。

另外，茎秆及苞叶部位干物质ED值为52%～56%，CP的ED值在70%以上，而叶片及叶鞘部位干物质的ED值为50%左右，CP的ED值在60%以下，这预示着茎秆及苞叶相对叶片及叶鞘具有更高的瘤胃干物质及粗蛋白降解率。而李红宇［23］发现，叶片与苞叶干物质有效降解率要高于叶鞘及茎髓。刘海燕等［24］发现，苞叶48 h体外干物质消化率显著高于叶片、茎髓及茎皮，本研究结果与此不完全一致，可能与这些研究中玉米秸秆形态部位样品采集时期不同，从而导致营养组成具有较大差异有关。如本研究发现DM有效降解率不仅与有机物含量呈显著正相关，而且与粗蛋白及磷的含量呈显著负相关。Tang等［25］对秋季播种的5种玉米品种完熟期秸秆叶片、叶鞘、茎秆及苞叶4个部位体外发酵研究结果，以及Tang等［13］对春季播种的5种玉米品种乳熟期与蜡熟期秸秆叶片、叶鞘、茎秆及苞叶体外发酵研究结果表明，4个部位间体外有机物消化率都以苞叶最高，叶鞘次之，最低的为茎秆。本研究结果与其不完全一致，其原因可能是体外研究结果不能完全反映体内研究结果，二是干物质及CP有效降解率是通过公式计算得到，与实际发酵试验测得的结果也会有一定的差异。但体外体内研究结果都显示苞叶具有较高的干物质及粗蛋白有效降解率以及较高的有机物消化率。

4 结论

在蜡熟期之前，5个品种玉米秸秆叶片、叶鞘、茎秆及苞叶干物质及叶片与苞叶部位粗蛋白的快速降解部分随成熟时间的延长而上升，而慢速降解部分则随成熟时间的延长而下降，同时，延长成熟期会降低苞叶干物质及叶鞘粗蛋白有效降解率。新品种玉米秸秆具有较普通品种玉米相似或更高的干物质及粗蛋白降解特性。苞叶与茎秆部位干物质与粗蛋白快速降解比例及有效降解率相对叶片及叶鞘部位更高。