引用本文
张娟, 王丽娜, 曹蕾, 张永辉, 许冬梅, 张万祥, 郭旭生. 青藏高原不同海拔区垂穗披碱草的发酵性能. 草业科学, 2017,34(7):1550-1556
Zhang Juan, Wang Li-na, Cao Lei, Zhang Yong-hui, Xu Dong-mei, Zhang Wan-xiang, Guo Xu-sheng. Fermentation properties of ensiled Elymus nutans from different altitude regions on the Tibetan Plateau . Pratacultural Science,2017,34(7): 1550-1556  
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《草业科学》编辑部
青藏高原不同海拔区垂穗披碱草的发酵性能
张娟1, 王丽娜1, 曹蕾2, 张永辉2, 许冬梅1, 张万祥2, 郭旭生1
1.草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学生命科学学院,甘肃 兰州 730000
2.甘肃省草原技术推广总站,甘肃 兰州 730046
通信作者：郭旭生(1978-),男,宁夏海源人,教授,博导,博士,研究方向为饲草加工贮藏与反刍动物。E-mail:[email protected]

第一作者:张娟(1990-),女,甘肃华亭人,在读硕士生,研究方向为乳酸菌种质资源发掘与利用。E-mail:[email protected]

收稿日期: 2016-11-10
基金: 基金项目:国家自然科学基金(31272486); 甘肃省2016年草牧业试验试点和草业技术创新联盟科技支撑项目(GCLM2016002)
摘要

为明确青藏高原海拔对垂穗披碱草( Elymus nytans)青贮饲料发酵品质的影响,本研究以不同海拔区(天祝2 965 m、果洛3 763 m、当雄4 228 m和那曲4 752 m)的垂穗披碱草为发酵原料,测定其在青贮14、30、60、90 d后的青贮指标。结果表明,随海拔的升高,垂穗披碱草附着乳酸菌数量呈升高趋势,酵母数量呈下降趋势,而霉菌数量受海拔影响小;时间和海拔的互作极显著影响pH、乳酸、乙酸含量和霉菌的数量( P<0.001);不同海拔地区的垂穗披碱草同一青贮时间的pH、干物质、乳酸和乙酸的含量以及微生物数量均存在差异( P<0.05),且那曲和果洛地区垂穗披碱草青贮饲料的发酵品质优于天祝和当雄地区;当青贮90 d时,随海拔的升高,可溶性糖呈降低趋势,粗蛋白呈上升趋势。上述结果表明,在高海拔的那曲和果洛地区,青贮有利于垂穗披碱草保存更多的营养价值。

关键词: 垂穗披碱草; 不同海拔; 青藏高原; 青贮品质
中图分类号:S816.5+3 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)07-1550-07 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0404
Fermentation properties of ensiled Elymus nutans from different altitude regions on the Tibetan Plateau
Zhang Juan1, Wang Li-na1, Cao Lei2, Zhang Yong-hui2, Xu Dong-mei1, Zhang Wan-xiang2, Guo Xu-sheng1
1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
2.Gansu Provincial Extension Station of Grassland Techniques, Lanzhou 730046, China
Corresponding author: Guo Xu-sheng E-mail:[email protected]
Abstract

In order to evaluate the effect of altitude on the quality of Elymus nutans silage, we studied the fermentation quality (silage quality and nutritional content) of E. nutans from different altitudes (Tianzhu, 2 965 m, Golok, 3 763 m, Damxung, 4 228 m and Nagchu, 4 752 m) on the Qinghai-Tibet plateau after fermentation for 14, 30, 60, and 90 days. The results showed that the number of epiphytic lactic acid bacteria in E. nutans increased and the yeast count decreased, whereas the amount of fungus in the E. nutans was unaffected by the increase in altitude. The differences in the time and regions significantly affected the pH, the lactic acid and acetic acid content, and the number of fungi ( P<0.001). Additionally, the comparison of ensiled the E. nutans from different altitude regions revealed significant differences in the pH, the content of lactic acid and acetic acid, and microbial composition ( P<0.05); the fermentation properties of E. nutans in the Golok and Nagchu regions were superior to the other two regions. Finally, the characteristics of E. nutans in the 90 day fermentation period indicated that the content of water-soluble carbohydrate decreased with an increase in altitude, whereas the content of crude protein increased. In conclusion, the use of ensiled E. nutans from Golok and Nagchu will provide greater nutritional value.

Keyword: Qinghai-Tibet Plateau; altitude; Elymus nutans; silage; quality

青藏高原是我国面积最大、海拔最高的高原, 平均海拔4 000~5 000 m, 不仅是一个具有全球生态意义的脆弱生态系统, 也是我国主要的畜牧业基地之一, 相比我国其它畜牧区, 青藏高原地势高, 辐射强烈, 且冷季漫长, 暖季短暂, 热量不足[1, 2]。由于长期以来, 频繁的自然灾害、气候暖干化及对草原的掠夺式利用等[3, 4], 草地季节性生长与牲畜饲草需求平衡严重失衡, 阻碍了该区畜牧业生产, 使得草畜矛盾突出, 日益退化的草原不仅给畜牧业生产带来了严重影响, 更加剧了生态环境的恶化[5], 面对青藏高原草地畜牧业出现的草畜矛盾问题, 我国学者积极寻找解决办法, 有学者认为通过天然草地打草和人工种草制作青贮饲料, 是解决青藏高原地区饲草料供应不足问题的一种有效途径[6]。而牧草营养物质含量随牧草品种、土壤、时期、分布地域、海拔、草地类型、生长发育阶段、季节、气候等不同而变化[7], 其中海拔是影响气候变化的关键因素, 而气候决定一个地区土壤、水分和气热等条件, 进而影响植物和微生物的生长和生理特性。青藏高原由于其海拔高, 海拔变化范围大, 所以不同海拔区植物的生长习性和生理特性存在差异。因此, 探求青藏高原不同海拔对牧草的发酵性能的影响, 对青藏高原草地畜牧业的健康持续发展具有重要意义。

青贮是将青饲料厌氧保存, 通过乳酸菌发酵产生有机酸降低饲料pH, 这是青饲料长期保存的一种贮藏方式[8]。虽然青贮技术已在青藏高原牧区推广实行, 对垂穗披碱草(Elymus nytans)的青贮正在展开, 且多数学者主要着眼于分析种质资源、青贮调制方法和营养品质[9], 以及对青藏高原不同海拔梯度牧草营养含量变化规律及不同海拔生境中微生物数量变化等[10, 11, 12], 但对不同海拔区垂穗披碱草青贮品质的研究鲜有报道。垂穗披碱草是青藏高原区广泛分布的优良牧草之一, 在青藏高原不同海拔地区均有分布[13], 具有丰富的营养价值和良好的适口性, 是青藏高原可供家畜采食的典型优良牧草之一。所以, 本研究以青藏高原天祝、果洛、当雄和那曲4个海拔地区的垂穗披碱草为青贮原料, 对其青贮品质和化学成分进行测定, 以期为青藏高原不同海拔区垂穗披碱草的青贮提供一定理论基础。

1 材料与方法
1.1 材料

于2014年8月22日-25日在青海省果洛州的大武镇、当雄县草原站、那曲古露镇采收抽穗期的垂穗披碱草, 于2014年9月6日, 采集天祝县抓喜秀龙乡抽穗期的垂穗披碱草。

1.2 试验设计

采用海拔高度× 青贮时间的双因素试验设计。其中, 4个海拔区天祝、果洛、当雄和那曲的海拔分别为2 965、3 763、4 228和4 752 m, 4个青贮时间分别为14、30、60和90 d。每个海拔区4个样品。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 青贮制作 所采样品均剪碎至2~3 cm后晾至水分含量为65%~70%, 用30 cm× 23 cm聚氯乙烯塑料袋装200 g左右草样, 真空包装机抽真空并封口后带回实验室保存在25 ℃培养箱各分别培养14、30、60、90 d后测定其青贮指标。

1.3.2 青贮指标测定 准确称取20.0 g青贮草样, 同时准确量取180 mL蒸馏水, 按草水重量1∶ 9的比例用榨汁机榨汁后用四层纱布过滤制备浸提液, 测定其pH, 并于-20 ℃保存部分浸提液用于可溶性糖和氨态氮的测定, 同时用50%硫酸溶液酸化剩余浸提液, 使其pH降低至2.0后于-20 ℃保存, 用Aglient 1100高效液相色谱仪测定有机酸[14]。可溶性糖含量用蒽酮-硫酸比色法测定; 氨态氮含量用苯酚-次氯酸钠比色法测定[15]; 有机酸用高效液相色谱法测定; 取适量青贮样品于105 ℃烘干至恒重后测定其干物质含量。

微生物计数:在超净工作台取青贮样品5.0 g放入灭菌三角瓶, 加入45 mL灭菌生理盐水后封口, 摇床180 r· min-1室温振荡60 min后取上清作为细菌悬浮液, 用灭菌生理盐水按照10-1至10-5的稀释梯度稀释悬浮液, 选取适当浓度分别涂布MRS和PDA平板, MRS平板37 ℃厌氧培养48 h后计数, PDA平板37 ℃有氧培养后计数。

营养指标测定:取适量90 d青贮时的垂穗披碱草样品, 于65 ℃鼓风干燥48 h烘干, 微型粉碎机粉碎后过0.37 mm的筛, 备用。粗蛋白含量用凯氏定氮法测定, 中性洗涤纤维和酸性洗纤维含量用范氏洗涤法测定[15]。

1.4 数据分析

本试验的基础数据用Excel进行计算, 用SPSS 15.0进行一般线性模型的双因素方差分析和Duncan多重比较。

2 结果与分析
2.1 垂穗披碱草原样营养成分和微生物数量

4个不同海拔地区垂穗披碱草可溶性糖含量等指标基本符合青贮要求, 且随海拔升高, 垂穗披碱草可溶性糖含量大致呈降低趋势, 粗蛋白和中性洗涤纤维含量大致呈升高趋势(表1)。

随海拔的升高, 垂穗披碱草附着乳酸菌数量呈升高趋势, 酵母数量大致呈减少趋势, 而垂穗披碱草表面附着霉菌数量受海拔影响小(表2)。

表1 垂穗披碱草原样化学成分 Table 1 Chemical composition of fresh Elymus nytans
表2 垂穗披碱草原样中的微生物组成 Table 2 Microbial composition of fresh Elymus nytans
2.2 垂穗披碱草青贮指标和化学成分

在海拔2 965 m的天祝地区, 垂穗披碱草样品干物质含量从青贮14到90 d变化小; 14 d样品pH显著高于30、60和90 d的样品(P< 0.05); 发酵14、30、60 d时的样品乳酸含量差异不显著(P> 0.05), 90 d样品中乳酸含量最高(表3)。发酵14和30 d时, 海拔2 965 m地区的垂穗披碱草样品的乙酸含量显著低于海拔4 752 m的。从14到90 d共4个时间点样品的微生物数量差异不显著。

海拔3 763 m的果洛地区, 样品的干物质含量、pH、乙酸含量、乳酸菌数量和酵母菌数量在各时间点均差异不显著(P> 0.05), 90 d样品中乳酸含量最高(P< 0.05), 为5.53%, 30 d及此后样品均未发现霉菌(表3)。海拔4 228 m地区, 14 d样品pH显著高于其它处理, 乙酸含量比该地区90 d样品增高了0.58百分点, 乳酸含量和其它地区同时间点样品差异不显著; 随青贮时间增长, 乳酸菌数量呈先增多后减少规律。海拔4 752 m地区, 青贮14 d时, 样品pH降至4.41, 且样品pH在4个时间点差异不显著; 海拔4 752和3 763 m地区样品干物质和pH均大致呈降低趋势, 乳酸和乙酸含量随青贮时间增长而增加, 4个海拔区的乳酸含量均在90 d时最多。

总之, 无青贮饲料乳酸菌添加剂时, 不能单纯依据青贮饲料酸度来对青贮饲料品质进行评价, 如海拔2 965和4 228 m地区样品青贮14 d时, 其干物质损失较多而pH降幅小, 但海拔3 763和4 752 m地区样品青贮14 d时, 其干物质含量较原样有所增加, pH较原样降幅大。乳酸菌数量在青贮过程中总体呈先增多后减少趋势。无乳酸菌添加剂添加时, 酵母菌数量也随青贮时间增长而增多, 霉菌数量较稳定。

在海拔2 965 m的天祝地区垂穗披碱草样品青贮90 d后, 可溶性糖含量从原样的9.54%降到8.23%, 而其氨态氮含量增高到0.11%, 粗蛋白含量比原样略高, 中性洗涤纤维增加了3.5百分点, 酸性洗涤纤维约增加了2.7百分点(表4); 在海拔3 763 m的果洛地区, 垂穗披碱草青贮90 d后, 其样品可溶性糖含量较原样大幅降低, 中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维分别较原样降低了2.3百分点和3.8百分点, 且氨态氮含量显著高于其它地区(P< 0.05); 在海拔4 228 m的当雄地区, 垂穗披碱草青贮90 d后, 其样品可溶性糖含量降低了1.96百分点; 在海拔4 752 m的那曲地区, 垂穗披碱草90 d青贮样品可溶性糖含量较原样降低一半, 中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维较原样分别降低了6.31百分点和1.54百分点, 粗蛋白含量较原样提高了1.87百分点, 且其90 d样品氨态氮含量在4个地区中最低; 说明其蛋白降解程度较低。

表4 垂穗披碱草发酵90 d时的化学成分 Table 4 Fermentation characteristics of Elymus nytans after 90 d fermentation period
3 讨论

不同海拔区同种牧草因其生境和海拔不同, 其养分含量不同。相关研究对天祝不同采样点和海拔(2 900-3 800 m)下4种草地植被养分分析发现, 随海拔升高, 植物可溶性糖含量显著升高, 垂穗披碱草的粗蛋白含量降低, 垂穗披碱草粗纤维含量在高海拔区显著高于低海拔区; 随海拔升高, 高海拔地区的垂穗披碱草粗蛋白含量显著升高, 粗纤维含量降低[16]。随着海拔升高, 青藏高原大坂山(4 000 m)、海北(3 200 m)及西宁(2 200 m)当地的同种矮嵩草(Kobresia humilis)植株高度明显变低, 叶绿素及干物质积累减少, 光合速率提高, 呼吸强度变弱, 地上组织糖含量显著升高, 过氧化物活性酶活性显著增强[17]; 粗蛋白、粗脂肪和淀粉含量显著升高[18]。本研究中, 采自天祝(2 965 m)、果洛(3 763 m)、当雄(4 228 m)和那区(4 752 m)的垂穗披碱草原样的粗蛋白和粗纤维含量也均随海拔升高而升高。但是本研究中垂穗披碱草干物质和可溶性糖含量随海拔升高而降低, 与以上研究结果不符。这可能是由于海拔升高牧草生育期变短, 在同时期采集不同海拔地区的垂穗披碱草, 其生育期略有差异而造成的。而且, 蛋白含量和纤维含量是评价饲料品质的重要指标, 本研究在无添加剂的青贮条件下, 垂穗披碱草的蛋白含量随海拔升高而升高, 而纤维含量降低, 所以在高海拔牧区, 可适当降低饲喂牲畜的精粗饲料比, 这为牧区养殖提供了重要的指导意义。

不同海拔区同种植物其表面附着的微生物种类和数量有所差异, 目前该领域研究相对较少。土壤样品微生物数量、组成和分布与环境因素和时空变化有关[19, 20, 21]。在同一植被类型下, 随海拔升高, 土壤中可培养细菌数量降低[22]。本研究中, 垂穗披碱草附着乳酸菌数量和霉菌数量均随海拔升高而升高; 此与杨杨[21]发现的青藏高原藏北嵩草附着乳酸菌数量随海拔升高而增多的变化规律一致。这可能是由于垂穗披碱草所处环境恶劣, 其表面微生物如乳酸菌以增多数量来抵御和适应恶劣环境有关。青藏高原地区的牧草生存在低温、强紫外线、高压、缺氧的极端环境中, 其植株上附着的微生物也具有特异性, 目前乳酸菌主要被用作青贮添加剂, 能有效地提高青贮发酵品质[23], 所以可进一步挑选分离纯化乳酸菌, 筛选适合青藏高原地区牧草青贮的乳酸菌菌株, 并添加至牧草中进行低温青贮, 评价其青贮效果, 为高原地区提供更有效的牧草青贮乳酸菌添加剂。

青贮是一个复杂的过程, 在此过程中, 有机酸含量不断累积, 使青贮体系中pH持续降低。但本研究中, 果洛和那曲的垂穗披碱草样品在无乳酸菌添加下青贮14 d时, 其pH已降至4.4左右, 对应乙酸含量较高, 但乳酸含量较低。而青贮90 d后的样品, 其pH与14 d样品的差异不显著。果洛和那曲青贮14 d样品中乳酸含量并不高, 且其14 d样品的pH迅速降低, 这可能与青贮前期酵母菌, 好氧微生物及异性发酵乳酸菌的活动有关。酵母菌在厌氧条件下, 可以利用糖源产生乙醇和CO2。而好氧微生物如乙酸菌可利用青贮前期体系中尚存的氧气将青贮饲料中的乙醇转换为乙酸。另一方面, 青贮过程中起作用的乳酸菌有两种类型, 一种是同型发酵乳酸菌, 另一种是异性发酵乳酸菌, 两种乳酸菌在青贮过程中利用可溶性糖的效率不同, 导致青贮饲料乳酸含量不同。理论上来说, 同型发酵乳酸菌可将葡萄糖和果糖100%转换为乳酸, 而异型发酵乳酸菌除产生乳酸外还要生成乙醇、乙酸和CO2等[24]。当氧气浓度较低时, 乙酸能抑制酵母生长, 但当氧气浓度较多时, 酵母能分解乙酸, 并使其成为自身能源[25, 26, 27]。

4 结论

由于受不同地区垂穗披碱草营养成分及附着微生物数量的影响, 本研究所涉及的青藏高原4个不同地区的垂穗披碱草青贮饲料发酵品质存在明显的差异。垂穗披碱草原料中的粗蛋白含量、粗纤维含量和附着乳酸菌数量均具随海拔升高而升高, 可溶性糖则有降低趋势, 而酵母数量不受海拔影响。果洛和那曲的垂穗披碱草直接青贮效果最好, 其样品pH在青贮14 d后就已经降到4.40左右, 这样能在青贮过程中有效抑制不良微生物的生长; 且青贮90 d后, 果洛和那曲样品中的乳酸含量较高, 粗蛋白含量也略高于原样, 说明在青贮后牧草的适口性和营养水平都有所改善。所以, 在青藏高原的果洛和那曲地区, 以青贮的方式可更多地保存牧草的营养价值, 为解决高寒草地畜牧业冬、春季节饲草料严重不足做出贡献。

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