不同品种水稻秸秆青贮品质的比较研究

贾宏定，黄丽娟，刘 蕾，孙镕基，张志飞，陈桂华

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

水稻(OryzasativaL.)秸秆在我国年总产量约2.3亿吨左右，位居各类作物秸秆之首。秸秆饲料化是秸秆资源化利用的方向之一，但由于稻秸自身的纤维含量高，营养成分较低，适口性不理想，限制了其在畜牧生产中的利用[1]。青贮发酵处理能提高秸秆的营养价值、适口性，是提升秸秆饲用价值的有效措施之一[2]。目前水稻秸秆在青贮领域的研究主要集中在添加植物乳杆菌、布氏乳杆菌等[3-4]乳酸菌制剂和纤维素酶等[5]酶制剂以及与多花黑麦草[6]和紫花苜蓿[7]等进行混合青贮，重点关注于外源添加剂或添加物对水稻秸秆青贮品质的改善效果，而水稻秸秆化学成分对其青贮发酵品质的影响研究较少。

水稻秸秆资源饲料化主要是对秸秆碳水化合物的利用，其中包括参与植株形态构成的结构性碳水化合物(纤维素、半纤维素和木质素等)[8-9]和参与植株物质代谢和能量代谢的非结构性碳水化合物(可溶性碳水化合物和淀粉)[10-11]。水稻品种繁多，不同品种水稻秸秆的化学成分有较大差异，董臣飞等[12]研究发现‘武育粳3号’和‘武香粳14’的秸秆非结构性碳水化合物含量分别为14.29%DM和14.43%DM，其它7个品种含量在6.02% ～12.27%DM。张锦华等[13]研究发现‘II优838’的秸秆可溶性碳水化合物含量为5.46%DM，其它6个品种含量在2.04%～4.55%DM。有研究表明水稻秸秆营养品质与青贮发酵品质存在一定关系[14-15]，但未见深入报道。

本研究比较了7个品种水稻秸秆青贮前后营养品质，分析青贮发酵品质和有氧稳定性等指标的差异显著性，并对原料营养品质和青贮后发酵品质进行相关性分析，旨在探讨水稻秸秆原料特性与青贮发酵品质之间的相关性，以助于揭示水稻秸秆青贮发酵机理，为科学筛选秸秆适宜青贮的水稻品种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验地位于湖南省长沙市芙蓉区湖南农业大学耘园实习基地(28°11′2″N，113°4′34″E；alt 65 m)。2020年6月1日种植，常规田间水肥管理。

从52个水稻群体中选择完熟期植株仍保持绿色的7个水稻品种为试验材料，分别为：‘展998S/4 W0802’、‘展998S/R302’、‘展998S/X5H008’、‘967S/R018’、‘卓201S/6 W1622’、‘卓201S/6 W1003’、‘卓234S/4 WH0818’(湖南农业大学农学院提供)。

1.2 试验设计

本试验于2020年9月25日收取处于完熟期的水稻品种，留茬15 cm，收割后去除籽粒，秸秆粉碎至2～3 cm，留取100 g用于干物质含量和原料指标测定。取1 500 g粉碎后的秸秆添加2%的葡萄糖，使用聚乙烯袋抽真空密封保存，每个品种3次重复。室温避光保存60 d后，进行各指标测定。

水稻秸秆可溶性碳水化合物普遍含量较低[16]，为消除水稻秸秆青贮发酵时可溶性碳水化合物含量不足可能导致失败的现象出现，本试验添加2%葡萄糖进行青贮。

1.3 测定指标和方法

分别取100 g新鲜秸秆和室温避光保存60 d后的青贮饲料，65℃烘干至恒重，测定干物质含量(Dry matter，DM)，粉碎后分别过18目和40目筛，测定以下指标。采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量(Crude protein，CP)；采用灼烧法测定粗灰分含量(Crude Ash)[17]；采用盐酸-氢氧化钠滴定法测定缓冲能值(Buffer capacity，BC)[18]；采用范式法测定中性洗涤纤维含量(Neutral detergent fiber，NDF)，酸性洗涤纤维含量(Acid detergent fiber，ADF)和酸性洗涤木质素含量(Acid detergent lignin，ADL)[17]。纤维素含量(Cellulose，CL)等于ADF减去ADF样品在72%硫酸处理中所剩余含量，半纤维素含量(Hemicellulose，HC)等于NDF含量减去ADF含量，结构性碳水化合物含量(Structural carbohydrate，SC)等于CL，HC和ADL含量的总和[19]。采用蒽酮比色法测定可溶性碳水化合物含量(Water soluble carbohydrate，WSC)，高氯酸-蒽酮比色法测定淀粉含量(Starch)[20]。非结构性碳水化合物含量(Non-structural carbohydrate，NSC)等于WSC含量和淀粉含量的总和[21]。每个指标3次重复。

青贮60 d开袋后，采用四分法称取20 g青贮秸秆，加180 mL蒸馏水于4℃浸提24 h，浸提液用于青贮pH值测定(Spectrum公司SI400型pH计)、氨态氮测定(Ammonia nitrogen，AN)和有机酸测定(高效液相色谱仪Agilent 1260，美国)[17]。采用苯酚-次氯酸钠比色法测定AN含量[17]。有机酸测定乳酸(Lactic acid，LA)、乙酸(Acetic acid，AA)、丙酸(Propionic acid，PA)和丁酸(Butyric acid，BA)含量，色谱条件：色谱柱(Agilent TC-C18柱)，流动相为CH4O和0.01 mol·L-1KH2PO4，流速0.7 mL·min-1，柱温50℃，检测波长210 nm。剩余1 200 g青贮料放入3 L的聚乙烯发酵桶中，采用多通道温度记录仪进行有氧稳定性(Aerobic stability，As)测定(MDL-1048A高精度温度记录仪，上海天贺自动化仪表有限公司)，每30 min自动记录一次温度变化情况，在0 h，72 h，120 h测定青贮饲料的pH值。每个指标3次重复。

青贮饲料V-score评分体系是以乙酸、丙酸、丁酸和氨态氮比总氮的值为评价指标对青贮发酵品质进行评分，根据这一评分标准将青贮品质分为优(80～100)、一般(60～80)和不良(60以下)3个评分等级[22]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理，采用SPSS25.0软件进行数据处理。青贮前后不同品种秸秆的营养品质、发酵品质和有氧稳定性等指标进行单因素方差分析，显著差异性选择LSD(最小显著性差异)多重比较(P<0.05)；同一品种青贮前后差异性选择配对t检验。品种、青贮及其交互作用对水稻秸秆营养品质的影响选择双因素方差分析；不同品种水稻秸秆原料营养品质和青贮发酵品质的相关性选择Pearson相关性分析，并使用QriginPro 2021软件Correlation Plot程序进行相关性图制作。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻秸秆青贮前后非结构性碳水化合物组分比较

由表1可知，品种、青贮以及二者的交互作用对水稻秸秆的WSC和NSC含量均有极显著影响(P<0.01)，品种以及品种×青贮的交互作用对淀粉含量有极显著影响(P<0.01)，青贮对淀粉含量无显著影响。

除‘卓234S/4 WH0818’外，其它6个品种的WSC和NSC含量在青贮后均显著下降(P<0.05)。7个品种青贮前后的淀粉含量无显著差异。青贮前，‘展998S/R302’和‘展998S/4 W0802’的秸秆WSC和NSC含量均显著高于其它品种(P<0.05)；‘展998S/4 W0802’和‘卓234S/4 WH0818’的秸秆淀粉含量显著高于其它品种(P<0.05)。青贮后，‘展998S/R302’和‘展998S/4 W0802’的WSC含量显著高于其它品种(P<0.05)；‘展998S/4 W0802’的NSC含量显著高于其它品种(P<0.05)；‘展998S/4 W0802’、‘展998S/X5H008’和‘卓234S/4 WH0818’的淀粉含量显著高于其它品种(P<0.05)。

表1 不同品种水稻秸秆青贮前后非结构性碳水化合物含量比较Table 1 Comparison of non-structural carbohydrate content of different rice straw silage before and after 单位：%DM

2.2 不同品种水稻秸秆青贮前后结构性碳水化合物组分比较

由表2可知，品种对水稻秸秆的NDF，ADF，CL，HC和SC含量均有极显著影响(P<0.01)，对水稻秸秆的ADL含量无显著影响；青贮对水稻秸秆的NDF，ADF，ADL，HC和SC含量均有极显著影响(P<0.01)，对水稻秸秆的CL含量无显著影响；品种×青贮的交互作用对水稻秸秆的ADF和ADL含量有显著影响(P<0.05)，对NDF，CL，HC和SC含量无显著影响。

除‘卓234S/4 WH0818’外，其它品种的NDF和SC含量在青贮后均显著下降(P<0.05)；除‘展998S/X5H008’和‘卓201S/6 W1003’外，其它品种的ADF含量在青贮后均存在不同程度上升；除‘卓234S/4 WH0818’外，其它品种的ADL含量在青贮后均存在不同程度上升；除‘卓201S/6 W1622’在青贮后显著下降(P<0.05)，其它品种青贮前后的CL含量无显著差异；7个品种的HC含量在青贮后均存在显著下降(P<0.05)。

‘展998S/4 W0802’的秸秆青贮前后NDF含量均最低。‘展998S/R302’的秸秆青贮前后ADF含量均最低。青贮前，‘展998S/4 W0802’的秸秆ADL含量显著低于‘卓234S/4 WH0818’(P<0.05)，与其余5个品种无显著差异；‘展998S/4 W0802’、‘卓234S/4 WH0818’和‘展998S/R302’的秸秆SC含量显著低于其它品种(P<0.05)。青贮后，‘卓234S/4 WH0818’的ADL含量最低；‘展998S/4 W0802’的秸秆SC含量显著低于‘967S/R018’、‘卓201S/6 W1622’和‘卓201S/6 W1003’(P<0.05)，与其余3个品种无显著差异。‘展998S/R302’的秸秆青贮前后CL含量均最低。‘展998S/4 W0802’和‘卓234S/4 WH0818’的秸秆青贮前后HC含量均显著低于其它品种(P<0.05)。

表2 不同品种水稻秸秆青贮前后结构性碳水化合物含量比较Table 2 Comparison of structural carbohydrate content of different varieties of rice straw silage before and after 单位：%DM

2.3 不同品种水稻秸秆原料缓冲能值及青贮前后干物质、粗蛋白和粗灰分含量比较

由表3可知，品种、青贮以及二者的交互作用对水稻秸秆的CP和Ash含量均有极显著影响(P<0.01)，品种和青贮对水稻秸秆的DM含量有极显著影响(P<0.01)，品种×青贮的交互作用对DM含量有显著影响(P<0.05)。

7个品种水稻秸秆的原料缓冲能值极显著差异(P<0.01)，‘展998S/R302’和‘卓234S/4 WH0818’的原料缓冲能值显著高于其它品种(P<0.05)。除‘展998S/4 W0802’、‘卓201S/6 W1622’和‘卓201S/6 W1003’外，其它品种DM含量在青贮后均显著下降(P<0.05)；除‘展998S/4 W0802’外，其它品种的CP含量在青贮后均显著下降(P<0.05)；7个品种的Ash含量在青贮后均显著上升(P<0.05)。‘展998S/R302’的秸秆青贮前后DM含量均最高。青贮前，‘967S/R018’和‘卓201S/6 W1622’的秸秆CP含量显著高于其它品种(P<0.05)；青贮后，‘卓201S/6 W1622’的秸秆CP含量显著高于其它品种(P<0.05)。‘展998S/R302’和‘展998S/4 W0802’的Ash含量在青贮前后均显著低于其它品种(P<0.05)。

表3 不同品种水稻秸秆原料缓冲能值及青贮前后干物质、粗蛋白和粗灰分含量比较Table 3 Comparison of buffer energy of different varieties of rice straw raw materials and the content of dry matter,crude protein and crude ash before and after silage

2.4 不同品种水稻秸秆的青贮发酵品质及V-score评分比较

由表4可知，不同品种水稻秸秆青贮pH值、NH3-N/TN、LA和AA含量极显著差异(P<0.01)。青贮pH值的范围在3.93～4.79，其中‘卓201S/6 W1622’的青贮pH值显著低于其它各品种(P<0.05)。NH3-N/TN的范围在7.22%～10.80%，其中‘卓234S/4 WH0818’和‘卓201S/6 W1003’的NH3-N/TN显著低于其它5个品种(P<0.05)。各品种的LA含量在1.52%～8.12%DM，‘卓201S/6 W1622’和‘展998S/X5H008’有较高的LA含量，尤其是‘卓201S/6 W1622’显著高于其它各品种(P<0.05)。AA含量在0.06%～0.54%DM，其中‘展998S/X5H008’的AA含量显著高于其它各品种(P<0.05)。除‘展998S/4 W0802’含有少量PA外，其余各品种均未检测到。除‘967S/R018’和‘卓234S/4 WH0818’检测到少量BA外，其余各品种均未检测到。

根据V-score评分体系对不同水稻品种秸秆青贮发酵品质进行评分(表4)，V-score大小排序为‘卓201S/6 W1003’>‘展998S/R302’>‘展998S/4 W0802’>‘卓201S/6 W1622’>‘展998S/X5H008’>‘卓234S/4 WH0818’>‘967S/R018’。除‘967S/R018’和‘卓234S/4 WH0818’的V-score评分为不良外，其它5个品种的发酵品质评分均为优。

表4 不同品种水稻秸秆的青贮发酵品质及V-score评分比较Table 4 Comparison of silage fermentation quality and V-score scores of different varieties of rice straw

2.5 不同品种水稻秸秆有氧稳定性比较

由表5可知，不同品种水稻秸秆有氧稳定性差异显著(P<0.05)。各个品种的pH值随着有氧暴露时间的增加，均有不同程度的上升；有氧稳定性在46.00～113.00 h，其中‘展998S/R302’、‘卓234S/4 WH0818’和‘展998S/4 W0802’的有氧稳定性显著高于其它品种(P<0.05)。

2.6 不同品种水稻秸秆原料品质与青贮发酵品质相关性分析

选取7个品种水稻秸秆的非结构性碳水化合物组分、结构性碳水化合物组分、其它营养成分等12个原料品质指标和6个青贮发酵品质指标，进行Pearson相关性分析。

由图1可知，不同原料品质间有显著相关性，NSC含量与CP和Ash含量有极显著负相关性(P<0.01)，与HC含量有显著负相关性(P<0.05)；SC含量与CP有极显著正相关性(P<0.01)，与Ash含量有显著正相关性(P<0.05)，与WSC，淀粉和NSC含量有极显著负相关性(P<0.01)，与DM含量有显著负相关性(P<0.05)。

不同青贮发酵品质间有显著相关性，pH与LA含量有极显著负相关性(P<0.01)，与V-score有显著负相关性(P<0.05)，与As有极显著正相关性(P<0.01)；LA含量与AA含量和V-score有极显著正相关性(P<0.01)，与As有极显著负相关性(P<0.01)。

原料品质与青贮发酵品质间有显著相关性，V-score与CP和NDF含量有显著负相关性(P<0.05)，与WSC含量有极显著正相关性(P<0.01)，与NSC含量有显著正相关性(P<0.05)；NH3-N/TN与CP和HC含量有显著正相关性(P<0.05)，与ADL含量有极显著负相关性(P<0.01)；As与DM和NSC含量有极显著正相关性(P<0.01)，与WSC有显著正相关性(P<0.05)，与NDF，ADF，CL和SC含量有极显著负相关性(P<0.01)，与Ash含量有显著负相关性(P<0.05)。

图1 不同品种水稻秸秆原料品质与青贮发酵品质相关性分析Fig.1 Correlation analysis between the quality of different varieties of rice straw raw materials and the fermentation quality of silage注：“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平相关性显著Note:“*” and “**” indicate that the correlation is significant at the level of 0.05 and 0.01 level

3 讨论

3.1 不同品种水稻秸秆青贮前后营养品质的比较

WSC是青贮饲料中乳酸菌繁殖的物质保障[23]。本试验中各品种水稻秸秆的WSC含量在青贮后均有不同幅度的下降，与侯晓静等[24]的研究结果相一致。李静等[15]研究发现水稻秸秆WSC含量不足以满足优良青贮乳酸菌发酵的需求，添加葡萄糖可以提升青贮成功率，故本试验中各品种青贮中均添加了2%葡萄糖，保证青贮成功的同时，也保留了部分WSC。例如‘展998S/R302’和‘展998S/4 W0802’原料中WSC含量较高，分别达到6.43%和5.65%DM，青贮后的WSC含量也保持在较高水平(2.58%和2.48%DM)。各品种水稻秸秆青贮后淀粉含量与原料无显著差异，可能是水稻秸秆青贮发酵过程中没有可分解淀粉的乳酸菌或者其它微生物存在[25]。青贮发酵可以软化秸秆原料中结构性碳水化合物，还会有HC和CL的降解[26]。本试验中青贮显著降低各品种HC和NDF含量，而HC是NDF的一部分，可见青贮过程通过降低HC含量减少了NDF含量，这与黄运青等[27]的研究结果相一致。本试验中大部分品种ADF和ADL含量在青贮后均有所上升，可能是在青贮过程中随着有机物质的降解消耗，相对提高了青贮后ADF和ADL含量，这与赵金鹏等[28]的研究结果相一致。

干物质是营养成分存在的基础，适宜的原料DM含量是确保青贮成功的重要因素之一，原料干物质含量在30%～40%FM较为适合[29]。本试验中原料DM含量在25.83%～30.70%FM，略低于这一范围。本试验中各品种DM含量在青贮后下降3.01%～7.71%，这可能是青贮过程中WSC的消耗或部分SC的降解造成青贮料DM的损失[30]。本研究中除了‘展998S/4 W0802’，其它6个品种的秸秆青贮后CP含量均显著下降，这可能是秸秆原料较高的含水量导致梭菌的繁殖，造成CP的损失[31]；不过各品种青贮后CP含量均保持在6%DM以上，说明青贮过程中水稻秸秆保留了绝大部分营养成分[32]。本试验中各品种青贮后Ash含量均上升，可能是因为营养物质的消耗，相对提升了Ash含量，这与李乔仙等[33]的研究结果相一致。

3.2 不同品种水稻秸秆青贮发酵品质的比较

青贮发酵过程中通过LA含量的增加来降低青贮料的pH值，从而抑制腐败霉菌的活动，促进青贮发酵[34]。优质青贮料的pH值在4.2以下[35]，本试验中水稻秸秆的青贮pH值中除了‘卓201S/6 W1622’是3.93，其它品种在4.23～4.79，由于青贮过程添加了葡萄糖，乳酸菌发酵所需的WSC含量得到保障，故青贮饲料pH较高的原因可能是水稻秸秆附着的乳酸菌不足，发酵不充分，使得pH值下降较为缓慢[36]。研究表明发酵良好的青贮料中LA含量在3%～8%DM[35]，本试验中各品种LA含量在1.52%～8.12%DM，仅有‘967S/R018’的LA含量为1.52%DM，其它品种均在3%DM以上，但由于pH值略高，LA含量并不能很恰当的反映发酵品质好坏，因此需要以AA，PA，BA和NH3-N/TN为评价指标的V-score评分体系对青贮发酵品质进行科学评价[22]。过高的BA含量会容易造成青贮料的腐败[15]，本试验中‘967S/R018’和‘卓234S/4 WH0818’检测到BA，可能是这两个品种的LA含量较低，仅为1.52%和3.30%DM，抑制梭菌发酵的效果较差，从而产生BA[37]。NH3-N/TN能够反映青贮料中蛋白质及氨基酸降解的程度，发酵良好的青贮饲料中NH3-N/TN应控制在10%以下[34]，本试验中NH3-N/TN维持在较好水平(7.22%～10.80%)。总体来看，7个品种水稻秸秆的V-score除‘967S/R018’和‘卓234S/4 WH0818’较差外，其它均保持在优的水平，V-score主要受到了BA含量的影响。

3.3 不同品种水稻秸秆原料营养品质与青贮发酵品质相关性分析

揭示水稻秸秆原料营养品质与青贮发酵品质之间的关系，有助于科学筛选水稻秸秆青贮品种。水稻秸秆中WSC含量与NDF，ADF和CL含量呈显著负相关(P<0.05)。薛燕林等[32]研究发现典型草原优势群落中禾本科牧草的WSC含量与NDF和ADF含量呈显著负相关，与CL含量没有统计学意义相关性，与本研究结果相似。本试验中水稻秸秆青贮pH值与LA含量和V-score呈显著负相关，这与李君临等[6]、范传广等[14]的研究结果相一致。另外本试验发现水稻秸秆的LA含量与As呈显著负相关(P<0.05)，这可能是因为LA也是青贮二次发酵的底物和主要能量来源，导致了耐酸酵母大量繁殖，从而造成As的下降[24]。

本试验中水稻秸秆WSC和NSC含量与V-score呈显著正相关，表明原料中WSC和NSC含量越高，其青贮发酵品质越好，这与李龙兴等[38]、李荣荣等[39]和Dong等[40]在玉米秸秆、苜蓿和水稻秸秆等青贮研究中的结果相似。本试验发现水稻秸秆NDF含量与V-score呈显著负相关，HC含量与NH3-N/TN呈显著正相关，这与赵金鹏等[41]在水稻秸秆青贮研究中的结果相似。王红梅等[42]研究发现青贮pH值和LA含量与原料WSC含量呈显著相关性，而本试验中水稻秸秆青贮pH值和LA含量与原料WSC含量无显著相关性，甚至于‘展998S/4 W0802’和‘展998S/R302’这两个品种有较高的WSC含量，但也有较高的pH值和较低的LA含量，从青贮发酵角度来看这可能是水稻秸秆附着的乳酸菌数量较少，导致LA产生量不足造成的[15]。

4 结论

不同品种水稻秸秆青贮前后营养品质和发酵品质差异显著(P<0.05)，青贮降低水稻秸秆的可溶性碳水化合物、中性洗涤纤维和半纤维素含量，水稻秸秆可溶性碳水化合物含量与V-score呈显著正相关(P<0.05)，中性洗涤纤维含量与V-score呈显著负相关(P<0.05)，半纤维素含量与NH3-N/TN呈显著正相关(P<0.05)。综合考虑7个品种水稻秸秆青贮前后营养品质和发酵品质，‘展998S/R302’和‘展998S/4 W0802’的青贮前后可溶性碳水化合物含量最高，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素和粗灰分含量低，粗蛋白含量6%以上，V-score分别为89.58和88.71，有氧稳定性较好，是秸秆适宜青贮的水稻品种。