广东种植不同小麦的全株产量、营养成分、青贮发酵品质及其相关性

2022-07-08 06:05许留兴张建国
草地学报 2022年6期
关键词:丁酸平均值小麦

许留兴, 武 丹, 张建国

(1. 华南农业大学南方草业中心/广东省草业工程技术研究中心, 广东 广州 510642; 2. 昭通学院农学与生命科学学院,云南 昭通 657000)

粗饲料短缺是影响我国草食畜牧业发展所面临的主要问题之一,牧草的进口和长途运输增加了养殖成本,这并不是解决粗饲料短缺的有效措施。尽管一些小麦秸秆被用做粗饲料使用,但较低的营养成分影响了饲用潜力。在一些国家或地区,饲用小麦(TriticumaestivumL.)以不同的形式(青贮和放牧)饲喂反刍动物[1]。美国的小麦种植面积超过1.74×107hm2,其中13%种植在俄克拉荷马州[2],该地区大量的冬小麦被用于动物放牧利用,或制成干草和青贮饲料饲喂动物,以冬小麦为主的冬季饲料生产比率超过70%,其中大约49%被用于两用管理(粮用和饲用)[3]。澳大利亚南部的高降雨地区(>650 mm)引入了两用小麦并进行放牧管理,在获取可观谷物产量的同时缓解了因饲料季节性短缺所带来的问题[4],畜牧生产系统的经济效益也明显提高[5]。由于引入饲用小麦到饲料生产系统中,农场的经济效益明显提高,因此小麦已被部分地区作为主要的饲料作物进行栽培[6]。

华南地区晚稻收获后的水田以休耕为主,浪费了大量的土地资源。同时,畜牧业的发展受饲料短缺的影响,尤其是冬季作物生长受限,饲料短缺尤为严重。充分利用冬闲田种植饲料作物能有效缓解这一问题。传统冬闲田种植牧草以意大利黑麦草(LoliummultiflorumL.)、紫云英(AstragalussinicusL.)和光叶紫花苕(ViciavillosaL.)为主。黑麦草机械收获较难和较高的水分含量阻碍了其生产和利用,豆科牧草较高的缓冲能也不利于青贮。全株小麦具有较高的饲用价值[3],粮用小麦的种植和田间管理以提高籽实产量和品质为目标,这些方法显然不适合对以全株收获和利用的小麦。不同品种的小麦受育种目的、育种亲本特性、生长环境等因素的影响,产量和营养成分的差异极大。一些粮用小麦的饲用潜力巨大,在国内饲用小麦育种技术不完善或品种较少时,粮用小麦也可被用于饲用生产。本研究的目标是:(1)评估不同小麦品种的饲用潜力;(2)评估全株小麦营养与青贮品质的关系。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于华南农业大学增城宁西试验基地(23°14′ N,113°38′ E),属亚热带季风气候,年平均温21.6℃,最热为7月,7月平均气温29.4℃,极端最高气温38.6℃;最冷为 1月,1月平均气温13.3℃,极端最低气温-1.9℃。全年积温7 910.9℃,年平均降水量为1 967.8 mm,年平均日照时数为1 707.2 h。小麦生长季内平均气温17℃,总降雨量276.2 mm,雨日30 d,日照时数558 h,最高气温29.9℃,最低气温2.5℃。气象数据主要来源于广州市气象局,气象站点位于增城区永宁街。土壤pH 5.65,有机质21.96 g·kg-1,碱解氮125.61 mg·kg-1,速效磷13.18 mg·kg-1。试验地常规种植模式为“早稻(春播夏收)—晚稻(夏播秋收)—牧草(秋播春次年收)或休耕”,晚稻收获后留茬5~10 cm。

1.2 试验设计和田间管理

在2017—2018年,对24个小麦品种进行筛选试验。‘扬麦15’、‘扬辐麦4号’、‘扬麦23号’、‘扬麦20号’和‘扬麦22’由江苏金土地种业有限公司提供;‘扬麦25’由来安大丰种业有限公司提供;‘明麦1号’和‘淮麦33’由江苏明天种业科技股份有限公司提供;‘川麦107’和‘川麦42’由四川天宇种业有限责任公司提供;‘川麦62’和‘川麦91’由四川省绿丹种业有限责任公司提供;‘宁麦13号’和‘华麦7号’由来安大丰种业科技有限公司提供;‘绵麦26’由中种集团绵阳水稻种业有限公司提供;‘川麦104’由四川仲帮种业有限公司提供;‘衡观35号’由河北兰德泽农种业有限公司提供;‘川麦61’由四川省农科院作物研究所提供;‘运旱618’由河南圣源种业有限公司提供;‘西农979’和‘西农585’由河南新大农业发展有限公司提供;‘黔麦18’由重庆金穗种业有限公司提供;‘靖麦18’号由曲靖市农科院提供;‘石麦1号’由云南省石丰种业有限公司提供。

所有小麦统一在2017年11月25日进行播种,2018年3月27日收获。播种密度设置为330万株·hm-2,每个小麦品种3次重复,随机区组排列,每个重复的小区面积为12 m2(3 m×4 m),小区间距50 cm,采用人工撒播的方式播种。每个小区施用肥料为复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶6∶8),其中施用N,P2O5和K2O分别为90.0,36.0和48.0 kg·hm-2,分基肥和拔节肥,按照6∶4施入。土壤翻耕深度为30 cm,采用人工除杂草,试验期间没有使用任何杀虫剂和杀菌剂,小麦生长期间未经灌溉。

1.3 试验方法

1.3.1农艺性状的调查和产量测定 在次年早稻播种前,在一天内统一采样分析(既播种时间和收获时间一致)。收获时对小麦的株高和有效分蘖数(穗子结实)进行测定。每个小区随机选取1个面积大小为1.0 m × 1.0 m的样方测定全株小麦的生物量,并计算干物质(Dry matter,DM)产量。

1.3.2样品处理 在收获时,将全株小麦材料带回实验室,采用铡草刀切短至20~30 mm,混匀后取200 g左右样品装入信封袋,在70℃烘箱中烘48 h后测定DM含量,之后粉碎过40目筛备用。其余装入20 cm × 30 cm的聚乙烯青贮袋中,每袋约200 g(每个田间小区对应一袋),用真空封口机(SINBO Vacuum Sealer)抽真空后密封,置于暗处贮藏60 d,开封后用于青贮发酵品质的测定。

1.3.3分析方法 粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凯氏定氮法(KN680,济南阿尔瓦仪器有限公司)测定,粗脂肪含量采用乙醚提取法测定(SLF-06,杭州托普仪器有限公司),粗灰分含量采用灼烧法测定[7],可溶性碳水化合物(Water-soluble carbohydrates,WSC)含量采用蒽酮-硫酸法测定[8],缓冲能采用盐酸、氢氧化钠滴定法测定[9],粗纤维、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)含量采用滤袋法测定(ANKOM A-200i,北京安科博瑞科技有限公司)[10]。根据ADF和NDF计算相对饲用价值(Relative feed value,RFV)[11]。

在青贮袋开封后,取20 g混匀的青贮饲料放入聚乙烯塑料封口袋中,加入80 mL蒸馏水封口,置于冰箱中4℃下浸泡18 h后过滤[12],用pH计(雷磁PHS-3E,上海仪电科学仪器有限公司)测定浸提液pH值。NH3-N含量用凯氏定氮仪直接蒸馏测定。有机酸含量采用岛津高效液相色谱仪测定[12]:浸提液加入少量阳离子交换树脂,在12 000 r·min-1下离心3 min后,经0.45 μm微孔滤膜过滤后测定乳酸、乙酸、丙酸和丁酸含量。色谱条件:色谱柱(RSpak KC-811昭和电气),流动相为3 mmol·L-1的高氯酸溶液,流速1 mL·min-1,柱温为室温40℃,检测波长210 nm。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2007对试验数据进行整理,通过SPSS 17.0软件对数据进行统计分析,利用Origin 2021b作图。采用单因素方差分析对饲草产量、营养成分和青贮发酵品质等指标进行分析,利用主成分对适宜华南地区的小麦品种进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 产量与农艺性状

品种对小麦的株高、有效分蘖数、产量和相对饲用价值有显著影响(P<0.05)(表1)。在所有的小麦品种中,‘黔麦18’的株高显著高于其他小麦品种(P<0.05);‘扬麦20’、‘扬麦23’、‘运旱618’和‘西农979’的有效分蘖数均超过3,其中‘扬麦20’的有效分蘖数最高。供试小麦的DM产量变化范围为5.20~9.81 t·hm-2,‘石麦1号’、‘川麦61’和‘衡观35号’的产量都超过9.00 t·hm-2,有11个小麦品种的DM产量大于平均值(即7.13 t·hm-2),‘西农979’的DM产量最低,仅为DM平均值的76.3%;供试小麦的CP产量变化范围为0.40~0.87 t·hm-2,其中石麦1号的CP产量最高,有10个小麦品种的CP产量大于大于平均值(即0.62 t·hm-2),淮麦33的CP产量仅为CP平均值的64.5%。所有小麦品种的相对饲用价值均在90以上,‘石麦1号’的相对饲用价值最高,超过相对饲用价值的平均值的小麦品种占33.3%。‘川麦61’、‘川麦62’、‘绵麦26’和‘石麦1号’的种子千粒重显著高于其他小麦种子(P<0.05)。

表1 不同小麦的农艺性状和相对饲用价值Table 1 Agronomic characters and relative feed value of different wheat varieties

续表1

2.2 营养成分

不同小麦品种间的DM、CP、NDF、ADF、WSC含量的变化范围分别为28.51~45.67,7.01~11.34,55.96~68.41,19.50~31.69,3.21~10.18% DM。在24个小麦品种中,高于和低于平均DM含量的小麦品种各占50%,其中‘靖麦18号’的DM含量最高,高出平均值16.8%,‘扬麦23’的DM含量最低且仅为平均值的72.9%。12个小麦品种的CP含量高于平均值,其中‘扬麦23’的CP含量最高,‘华麦7号’的CP含量仅为平均值的81.9%。各品种间的NDF和ADF含量的差异较小(除‘扬麦23’外)。‘石麦1号’和‘华麦7号’的WSC含量均超过9.00% DM,其中37.5%的小麦品种高于WSC平均值,‘西农979’的WSC含量最低,仅为5.06% DM(表2)。

表2 品种对饲用全株小麦青贮前化学成分、pH和缓冲能的影响Table 2 Effects of varieties on chemical composition,pH and buffering capacity of forage whole-plant wheat prior to ensiling

2.3 青贮发酵品质

品种对全株青贮饲料的pH、乙酸、丙酸、丁酸和氨态氮含量有显著影响(P<0.05),但对乳酸含量影响不显著(P>0.05)(表3)。‘川麦42’、‘川麦62’、‘川麦91’、‘华麦7号’和‘淮麦33’的pH都在4.0以下。尽管品种对乳酸含量没有显著影响,但‘扬麦20’的乳酸含量高达5.43% DM,而‘宁麦13’仅有1.28% DM,平均乳酸含量2.71% DM。41.7%的品种的丁酸含量高于平均值(0.95% DM),‘扬麦22’的丁酸含量最高,为2.03% DM。41.7%的品种的NH3-N含量高于平均值(26.7% TN),其中‘靖麦18号’的NH3-N含量最低(14.0% TN),‘扬辐麦4号’的氨态氮含量最高(48.4% TN)。

表3 品种对饲用全株小麦青贮发酵品质的影响Table 3 Effects of varieties on the fermentation quality of forage whole-plant wheat silage

续表3

2.4 相关性和主成分分析

种子千粒重与干物质产量显著正相关(P<0.05);有效分蘖数与株高显著负相关(P<0.01);ADF与相对饲用价值呈显著负相关(P<0.01);除了CP与CP产量显著相关外,产量与营养和青贮发酵品质之间并未表现出显著的相关性。缓冲能与丁酸含量呈显著正相关(P<0.05);DM含量与CP、CF、ADF、乳酸和丁酸含量呈显著负相关(P<0.05);CP含量与NDF含量呈负相关(P<0.01),但CP含量与乙酸、丁酸含量和缓冲能呈正相关(P<0.01);NDF含量与乙酸和丁酸含量呈显著负相关(P<0.05);WSC含量与青贮饲料的pH值呈显著负相关(P<0.01)(表4)。

表4 全株小麦产量、营养组成和青贮发酵品质间的相关性分析Table 4 Correlation analysis among yield,nutrient composition and silage fermentation quality of whole-plant wheat

根据主成分分析结果可知,与产量和青贮发酵品质相关的指标多集中于第一象限,但小麦品种在该象限内的分布较少(图1)。即使经济产量较高,但川麦61因饲用价值远低于平均值而导致负面影响较大。

图1 小麦品种与指标主成分图Fig.1 Principal components diagram of whole-plant wheat varieties and indicators注:DM:干物质;CP:粗蛋白;CF:粗纤维;NDF:中性洗涤纤维;ADF:酸性洗涤纤维;WSC:水溶性碳水化合物Note:DM,dry matter;CP,crude protein;CF,crude fiber;NDF,neutral detergent fiber;ADF,acid detergent fiber;WSC,water-soluble carbohydrate

3 讨论

3.1 品种与产量

全株小麦的饲用潜力较高,国内外对其利用也较多[6],寻找高产优质的小麦品种(系)是饲用小麦育种和筛选计划的主要目标,为特定环境使用适宜的品种(系),对于最大限度减少饲料供应短缺和低质量饲料造成的损害非常重要[2]。来源于不同地区的种质存在较大的遗传变异,包括可以提高饲草产量的基因或QTL和对逆境环境的抗胁迫能力。在本研究中,仅有石麦1号和川麦61同时保持较高的DM产量和CP产量,主要原因是灌浆和结实早,华南地区冬闲田期间的温度能满足这2个品种的生长。其他小麦品种生育期整体较长。伴随3月底4月初的华南地区具有明显的高温高湿特征,易造成DM产量下降[12]。

小麦千粒重对DM产量的影响较大,这与Bockus和Sgroyer[13]首次揭露大种子对小麦DM产量具有积极作用的研究结果一致。原因是大种子对增加胚芽鞘长度、叶片大小和幼苗的干重产生了积极影响[14],在温室条件下,较大的种子发芽和出苗更快[15]。在长期干旱期间,大种子的相对生长率低于小种子[16],这很可能是大种子对干旱胁迫的一种响应。在大多数情况下,大种子产生的幼苗具有更高的生物量,Elliott等[17]在种子大小对油菜生长的研究中也揭示了这一点。

与其他小麦品种相比,尽管衡观35的株高和有效分蘖数都较低,但依然具有较高的DM产量(表1),主要原因是该品种主要分布在云南和贵州温度较高的地区,相比其他品种更能耐高温(春季温度较高),因此较适合在广州冬季种植,较高的灌浆率和结实率为全株DM产量的提高提供了积极作用。石麦1号株高高于平均值,但分蘖数也较低(表1),主要种植于云南曲靖南部地区,气候条件与华南中部和北部地区接近,这也为较高的DM积累率提供了条件。这两个品种主要在腊熟期收获,既不影响4月早稻的种植,也能获取较高的饲草产量,缓解了当地的饲草供应压力。受传统种植制度和作物类型的影响,多数生产者对全株谷类作物的接受度不高,主要原因是缺乏具体的营养参数和种植技术支撑,全株小麦具有较高的产量和相对饲用价值,这对生产者的生产利用具有较大的吸引力。

3.2 品种与营养成分

本研究中的小麦CP含量大部分高于8.00% DM(表2),比一些已报到的全株玉米的CP含量高[18],尤其是‘扬麦23’的CP含量更是高达11.13% DM。此外,小麦的CF含量大都低于27% DM(表2),达到了上等牧草CF含量的要求。小麦在收获时因籽实在全株中比例较高,从而降低了植物细胞壁组分的相对含量。随着淀粉含量的提高,NDF和ADF含量降低,这有助于提高动物的消化率[19]。

小麦营养器官中暂贮的WSC是维系其生长和产量形成的重要代谢物质,能有效通过渗透调节来缓解逆境胁迫对小麦的伤害[20],同时也是小麦籽粒灌浆所需的重要碳源[21]。在高温条件下,小麦的WSC作为重要的渗透调节物质可通过改变其含量来调控植株的代谢活动,以减小高温对其生长发育的伤害[20],但会降低地上生物量[22]。在本研究中,有58%的小麦WSC含量低于6% DM,但这58%的品种中又有86%的品种CP含量高于8%,除受遗传因素影响外,很可能是由于小麦在籽粒灌浆阶段遇高温天气,导致CP含量较高和WSC含量较低的现象同时出现,这与李春江[12]的研究结果一致。此外,在未完全成熟而进入蜡熟期可能导致地上生物量降低的风险增加,这得到Dreccer等[22]研究结论的支持。值得注意的是,尽管衡观35号的NDF和ADF与平均值差异较小,但较低的CP含量影响了其饲用潜力,原因可能是在腊熟晚期收获,导致CP含量较低。‘石麦1号’的CP和WSC含量都较高,这可能是收获时生育期较早的原因。

3.3 青贮发酵品质

产量和营养常被用于评价牧草的饲用潜力[23],但受利用方式的影响,同种饲料作物的利用潜力也具有明显差异(如放牧、两用、干草和青贮)。全株小麦的WSC含量高,这对提高青贮发酵品质具有积极作用[24],原因是青贮原料中的WSC能为乳酸菌繁殖提供营养物质[25]。在本研究中,原料WSC与pH负相关是因为乳酸菌消耗WSC产生乳酸,对青贮饲料pH的快速降低具有积极意义,这与Filya[26]的研究结果一致。影响青贮发酵品质的另一关键因素是青贮原料的DM含量,一般青贮饲料适宜的含水量在65%~75%,较低的含水量导致青贮饲料的渗透压高,青贮过程所有微生物都受到抑制,小麦发酵程度较低也证明了这点。在所有小麦品种中,小麦青贮饲料的pH主要分布在4.2左右(表3),有少数品种的乳酸和乙酸含量相近,这与Wang和Nishino[27]的研究结果相似。石麦1号氨态氮含量较高,但同时具有较高的乳酸,这与植物蛋白酶和乳酸菌的代谢活动有关。在本研究中,NH3-N含量均超过14% TN,这主要是较高的DM含量导致青贮过程中的渗透压较强,不利于乳酸发酵和pH的快速降低,因此植物蛋白酶发生水解。此外,青贮发酵后期一些微生物蛋白酶将氨基酸脱氨基生成NH3-N,导致蛋白降解严重[28],通过接种乳酸菌能显著改善全株小麦的青贮发酵品质[29-30]。在本研究中,‘黔麦18’的丙酸含量较高,这与pH值较高有关,‘黔麦18’的缓冲能和DM含量较高,WSC含量较低,青贮过程中的pH值下降较慢,导致丙酸、丁酸和氨态氮含量较高,这与李春江[12]在全株小麦筛选品种中的部分品种类似,截止目前,并不清楚丙酸含量为何如此高。尽管‘衡观35号’的乳酸含量低于平均值,但在青贮过程中的蛋白降解率也较低。为保证‘石麦1号’具有较高的青贮发酵品质,在青贮前可添加乳酸菌以改善青贮发酵效果。

4 结论

不同小麦品种间的产量和相对饲用价值差异较大,‘石麦1号’、‘川麦61’和‘衡观35’的干物质产量均高于9 t·hm-2,其中‘石麦1号’的相对饲用价值最高。相关性分析表明,DM含量与CP、CF、ADF、乳酸和丁酸含量呈显著负相关。以产量、营养成分和青贮发酵品质等相关参数为基础,综合评估后认为石麦1号和衡观35号在广东冬闲田适合种植。

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