玉米生殖生長期營養(yǎng)成分含量的變化

玉米生殖生長期營養(yǎng)成分含量的變化

糧食安全是中國乃至世界必須解決的問題。發(fā)展糧食稻草和食品加工將成為緩解糧食和食品安全的長期重要舉措。我國有豐富的草地資源,天然草地面積達4億hm2,約占國土面積的41%,近年來,我國草地過牧嚴重,退化、沙化現(xiàn)象十分嚴重。據(jù)報道,我國嚴重退化草原近1.8億hm2,并以每年200萬hm2的速度擴張,天然草原面積每年減少約65萬～70萬hm2。草原質(zhì)量不斷下降,90年代與60年代初比較,北方天然草原產(chǎn)草量下降了30%～50%。飼草的不足,導(dǎo)致了飼料糧的大量利用,威脅到了糧食安全。中國每年生產(chǎn)6.4億多t的秸稈,其中以稻秸、玉米秸和麥秸為主,這些秸稈資源量約占秸稈總資源量的75.6%,但由于人們一直以來對秸稈營養(yǎng)價值的認識不足,使很多秸稈未被牲畜利用,導(dǎo)致資源的浪費。吉林西部位于東北農(nóng)牧交錯帶東段,玉米是主要糧食作物,種植比例大。每年吉林省玉米籽實的產(chǎn)量穩(wěn)定在1000萬t以上,秸稈產(chǎn)量1000萬t以上,生產(chǎn)大量玉米籽實的同時,也產(chǎn)生了大量的玉米秸稈,用于牲畜飼料的僅占10%左右,約有60%～70%作為燃料被消耗。有些農(nóng)戶待玉米秸稈干枯以后,直接在大田里將其焚燒,污染環(huán)境,浪費大量的能源。在該區(qū)草場嚴重退化的的背景下,尋找牧草的替代飼料至關(guān)重要。該區(qū)農(nóng)民收獲玉米主要以籽實為主,且收獲時間一般在10月1日左右,此時秸稈大部分已枯黃,營養(yǎng)價值很低。玉米可以糧飼兼用,不同的器官、不同的部位營養(yǎng)狀況不同。陳玉香系統(tǒng)地研究了東北農(nóng)牧交錯區(qū)玉米在生殖生長期的營養(yǎng)變化,但缺少對玉米消化率和代謝能的研究,對玉米整株作飼料的營養(yǎng)品質(zhì)和產(chǎn)量的整體權(quán)衡也缺少研究。對秸稈飼料的利用方式多集中于秸稈的處理技術(shù)的研究,但處理秸稈需要技術(shù)含量及經(jīng)濟成本,在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)難以推廣。秸稈各部位營養(yǎng)價值及產(chǎn)量不同,有研究表明上部營養(yǎng)價值高于下部,但未結(jié)合產(chǎn)量給出具體的利用方式。本研究將玉米各個器官區(qū)分開,分別研究了玉米生殖生長期不同時間、不同器官、不同空間位置的營養(yǎng)成分含量動態(tài)變化,綜合考慮玉米秸稈營養(yǎng)成分及籽實產(chǎn)量,確定玉米適宜的收獲期,探討玉米秸稈作為飼料的利用方式,從而為該地區(qū)合理利用玉米秸稈提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1半濕潤半干旱氣候類型及年蒸發(fā)量本研究在中國科學(xué)院長嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站進行,它位于吉林省西部,東北農(nóng)牧交錯帶的東端,地理位置44°33′N,123°31′E,屬于溫帶半濕潤半干旱氣候類型。年均溫4.9℃,≥10℃積溫2920℃,無霜期140～160d,年日照時數(shù)2800h。年降水量300～500mm,集中在6～9月,占總降水量的70%。年蒸發(fā)量1600.2mm,年蒸發(fā)量約是降水量的3.5倍。地帶性土壤為黑鈣土,農(nóng)田為風(fēng)沙土。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1玉米中葉片的記錄選擇鄭單958玉米,其為當?shù)赝茝V品種,種植株距為40cm,行距為65cm。在大田種植管理條件下,隨機取樣,選取10株。于2007年分別在8月25日至9月29日,每隔4天取一次樣,玉米留茬5cm。將每個植株分成四段,具體方法為從著生穗棒的結(jié)節(jié)處將植株分開,將其上、下的三節(jié)各作為一段,剩下的兩部分各為一段。從基部開始至上將四段分別記為1莖、2莖、3莖、4莖,將其上著生的葉片分別記為1葉、2葉、3葉、4葉。將植株的莖(包括葉鞘)、葉片、苞葉、雄穗、穗軸、籽粒分開,放到105℃烘箱殺青30min后,將溫度調(diào)至65℃烘干至恒重,稱重后將10個重復(fù)混合,粉碎(過40目篩)用于營養(yǎng)測定。1.2.2干物質(zhì)消化率測定測定粗蛋白含量、體外干物質(zhì)消化率、代謝能。使用凱氏定氮儀(2300KjeltecAnalyzerUnit,FossTecator)測定粗蛋白含量。使用美國parr-1281半自動氧彈熱量計(BombCalorimeter)測定總能(GE)。應(yīng)用纖維素酶-胃蛋白酶兩級離體消化法測體外干物質(zhì)消化率。酶的選擇與溶液的配制參照DeBoever(1986)測定有機物消化率(IVDOMD)一文,測定步驟及方法參照盧德勛(1991)兩級離體消化法干物質(zhì)消化率的方法。應(yīng)用1965年ARC提供的方法計算代謝能:ME=GE×IVDMD×0.815式中,ME為代謝能;GE為總能;IVDMD為體外干物質(zhì)消化率。本文中秸稈包括莖、葉、苞葉、穗軸、雄穗,地上部分包括秸稈與籽粒。1.2.3各測定指標的計算方法SPSS13.0進行統(tǒng)計分析和單因素方差分析(one-wayANOVA),Excel作圖。莖生物量=1莖生物量+2莖生物量+3莖生物量+4莖生物量;葉生物量計算方法同上,將上式中的莖替換成葉;秸稈生物量=莖生物量+葉生物量+苞葉生物量+雄穗生物量+穗軸生物量;地上生物量=秸稈生物量+籽粒生物量。莖粗蛋白含量=(1莖粗蛋白含量×1莖生物量+2莖粗蛋白含量×2莖生物量+3莖粗蛋白含量×3莖生物量+4莖粗蛋白含量×4莖生物量)/莖生物量×100;葉粗蛋白含量計算方法同上,將上式中莖替換成葉;秸稈粗蛋白含量=(莖粗蛋白含量×莖生物量+葉粗蛋白含量×葉生物量+苞葉粗蛋白含量×苞葉生物量+穗軸粗蛋白含量×穗軸生物量+雄穗粗蛋白含量×粗蛋白生物量)/秸稈生物量×100;地上粗蛋白含量=(秸稈粗蛋白含量×秸稈粗蛋白含量+籽粒粗蛋白含量×籽粒生物量)/地上生物量×100。莖、葉、秸稈、地上消化率計算方法同粗蛋白含量計算方法,將式中粗蛋白含量替換成消化率即可。莖、葉、秸稈的地上代謝能計算方法同粗蛋白含量計算方法,將式中粗蛋白替換成代謝能,統(tǒng)一單位即可。玉米粗蛋白總量=地上粗蛋白含量×地上生物量/hm2。玉米可消化干物質(zhì)總量=地上消化率×地上生物量/hm2。玉米代謝能總量=地上代謝能×地上生物量/hm2。每公頃產(chǎn)量(kg/hm2)=38462株/hm2×單株產(chǎn)量(g/株)/10002結(jié)果與分析2.1籽粒產(chǎn)量變化生殖生長期玉米各器官及籽粒、地上生物量動態(tài)過程如圖1所示,隨生長期延長,秸稈產(chǎn)量逐漸下降,籽粒產(chǎn)量呈上升趨勢,在9月24日達到了最大值,最大單株產(chǎn)量為175g,經(jīng)計算每公頃產(chǎn)量為67531kg,后期平穩(wěn)。地上生物量先增加,9月4日達到了最大值,其后各值差異不顯著,地上生物量達到了穩(wěn)定。2.2健康動態(tài)2.2.1玉米秸稈覆蓋時葉片的粗蛋白含量動態(tài)玉米莖、葉粗蛋白含量空間動態(tài)如圖2所示,隨生長期延長,莖、葉粗蛋白含量逐漸降低,后趨于平穩(wěn)。莖粗蛋白含量均低于4%,從空間分布角度看,各段之間無明顯規(guī)律;葉片粗蛋白含量均高于4%,最小值為5.87%,最大值為14.96%,從空間分布角度看,葉片從下至上粗蛋白含量逐漸增大,1葉的粗蛋白含量明顯低于上部葉片。玉米各器官及秸稈、地上粗蛋白含量動態(tài)如圖3所示,隨生長期的延長,玉米各個器官粗蛋白含量逐漸降低后趨于平穩(wěn)。在玉米各個器官中,葉片的含量最高,最高值達到了13.19%,即使在籽粒完全成熟時,葉片的粗蛋白含量依然很高,達8%左右。在此期間玉米秸稈各器官同期相比粗蛋白含量順序為:葉>雄穗>苞葉>莖,穗軸在前兩期大于莖,中期與莖幾乎相同后又低于莖。在8月25日至9月29日期間,秸稈粗蛋白含量由6.26%降低至4.03%,籽粒粗蛋白含量由10.81%降至7.15%,9月4日以后,籽粒粗蛋白含量降低速度緩慢。2.2.2玉米秸稈消化率的日變化玉米莖、葉體外干物質(zhì)消化率時空動態(tài)如圖4所示,隨生長期延長,莖、葉消化率逐漸降低,最后趨于平穩(wěn)。從莖分布的空間角度看,2莖和3莖的消化率均高于1莖和4莖。從莖分布的空間角度看,無明顯規(guī)律。在同一時期,同一段上,葉的消化率均大于莖。玉米各器官及秸稈、地上體外干物質(zhì)消化率動態(tài)圖5所示,隨生長期的延長,玉米各個器官干物質(zhì)消化率逐漸降低,后期趨于穩(wěn)定。在此期間,玉米的各個器官中消化率最高的為苞葉,其次是籽粒。雄穗的消化率最低。秸稈中各器官消化率同期相比,順序為:苞葉>葉>莖>雄穗,穗軸消化率在前兩期大于莖,后與莖消化率基本相同。秸稈的消化率由63%降低至53%,籽粒的消化率由72%降至53%,后兩期降低明顯。9月24日,秸稈的消化率為53.04%。整個過程中,籽粒的消化率均高于秸稈消化率。2.2.3玉米器官及秸稈地上代謝能動態(tài)變化玉米莖、葉代謝能時空動態(tài)如圖6所示,隨生長期的延長,莖、葉的代謝能逐漸降低,最后趨于平穩(wěn)。代謝能與消化率具有相同的變化趨勢。玉米各器官及秸稈、地上代謝能動態(tài)如圖7所示,隨生長期的延長,玉米各個器官代謝能逐漸降低,后期趨于穩(wěn)定。各器官代謝能的順序與消化率的相同。在此期間秸稈的代謝能由8.6MJ/kg降至7.2MJ/kg,籽粒的代謝能由10.4MJ/kg降至7.5MJ/kg。9月24日,秸稈的代謝能值為7.09MJ/kg。由圖可以看出,籽粒的代謝能降低速度大于秸稈。2.2.4玉米最佳收獲時間確定玉米粗蛋白總量動態(tài)如圖8所示,隨生長期的延長,玉米的粗蛋白總量先是逐漸升高,后呈略下降趨勢。蛋白總量最高值發(fā)生在9月9日。此時玉米為臘熟期,乳線在1/4左右。若此時收獲全株玉米,每公頃可獲得704kg粗蛋白。玉米可消化干物質(zhì)總量動態(tài)如圖9所示,隨生長期的延長,玉米的可消化干物質(zhì)量先是逐漸升高,后呈下降趨勢。可消化干物質(zhì)量最高值發(fā)生在9月4日。此時玉米為臘熟期,乳線剛剛出現(xiàn)。若此時收獲全株玉米,每公頃可獲得可消化的干物質(zhì)為7802kg。玉米代謝能總量動態(tài)如圖10所示,隨生長期的延長,玉米的代謝能總量先是逐漸升高,后呈下降趨勢。在9月4日達到了最高值。若此時收獲全株玉米,每公頃可獲得代謝能總量為107374MJ。單位面積上玉米籽實和秸稈粗蛋白的最大產(chǎn)量,是確定玉米最適宜收獲時期的關(guān)鍵因素,但每公頃玉米地上部分可消化的干物質(zhì)總量與代謝能總量同樣不可忽視。本研究中,整株玉米籽實與秸稈的每公頃粗蛋白總量發(fā)生在9月9日,而可消化干物質(zhì)與代謝能總量的最大值發(fā)生在9月4日。綜合考慮上述三種因素,以整株玉米作為飼料考慮,最佳收獲期應(yīng)在9月4日至9月9日之間,即玉米播種后117天至121天之間收獲,此時玉米籽粒乳線剛剛出現(xiàn)至到達1/4期間。隨著生長期延長,秸稈的粗蛋白含量、消化率、代謝能均呈下降趨勢。將秸稈全部作為飼料,后期營養(yǎng)低?？煽紤]將秸稈分段利用。2.3玉米中粗蛋白的含量表1～表3是將玉米秸稈按照空間的角度分成了四個部位,考慮了不同空間位置秸稈營養(yǎng)值的變化。按照本文1.2.1中分段的方法,人為地將四段進行組合得到如下四個部分:A=1莖葉、B=2莖葉+3莖葉+4莖葉、C=3莖葉+4莖葉、D=4莖葉,通過計算得到表1～表3中的數(shù)值。表中綜合了秸稈的產(chǎn)量和營養(yǎng)兩個因素。由表1可知,隨著時間的延長,各部分粗蛋白含量及粗蛋白總量均呈下降趨勢,但前期在9月24日以前,籽粒產(chǎn)量未達到最大,不能利用秸稈,因此可在9月24日收獲玉米,利用秸稈。但1莖葉的產(chǎn)量低,粗蛋白含量也低,9月份粗蛋白含量均低于4%,若直接飼喂,將會阻礙家畜生長。其它組合方式,粗蛋白含量都較高,越是上部,粗蛋白含量越高。但隨之獲得的秸稈產(chǎn)量變低,粗蛋白總量也低。從粗蛋白含量對家畜生長的重要性考慮,可利用除了1莖葉以上的其它全部部位。隨著時間的延長,各部分體外干物質(zhì)消化率(代謝能)及可消化干物質(zhì)的量(代謝能總量)均呈下降趨勢,但前期在9月24日以前,籽粒產(chǎn)量未達到最大,不能利用秸稈,因此可在9月24日收獲玉米,利用秸稈。同一時期,四種組合方式間,體外干物質(zhì)消化率均為50%以上,即使在大田收獲時期(9月29日)(見表2),代謝能也很高,在大田收獲期約為7MJ/kg。因此,除1莖葉粗蛋白含量低,其余三種組合,都可作為家畜的優(yōu)質(zhì)粗飼料,在玉米籽粒收獲以后,秸稈中上部營養(yǎng)都可以滿足家畜生長的需要。另外,由于下部葉的粗蛋白、消化率、代謝能也都很高,因此,下部葉片仍可作為家畜優(yōu)質(zhì)的粗飼料。建議將下部莖作為燃料,利用下部葉片及中上部秸稈作為家畜的優(yōu)質(zhì)粗飼料。3玉米消化率與干物質(zhì)代謝隨生長期的延長,玉米各個器官粗蛋白含量、消化率及代謝能含量逐漸降低后趨于平穩(wěn)。在大田收獲時期,秸稈粗蛋白含量大于4%。秸稈中各器官粗蛋白含量同期相比,順序為:葉>雄穗>苞葉>莖,穗軸在前兩期大于莖,中期與莖幾乎相同后又低于莖;消化率同期相比,順序為:苞葉>葉>莖>雄穗,穗軸消化率在前兩期大于莖,后與莖消化率基本相同;各器官代謝能的順序與消化率的相同。籽粒的代謝能降低速度大于秸稈?？傮w上,葉片的營養(yǎng)價值最高,由下至上逐漸降低。9月24日(播種后第137天)玉米籽粒產(chǎn)量達到最大。若以收獲籽粒為目的,則應(yīng)在此時期收獲。收獲后秸稈營養(yǎng)價值低,粗蛋白含量為4.03%,體外干物質(zhì)消化率為53.04%,代謝能為7.09MJ/kg。9月9日(播種后第121天)玉米粗蛋白總量最高為704kg/hm2,9月4日(播種后第117天)玉米可消化干物質(zhì)量與代謝總能最高,分別為7802kg/hm2和107374MJ/hm2。若以整株作為飼料,綜合考慮三種因素,玉米收獲最佳期應(yīng)在9月4日～9月9日之間。在玉米籽粒收獲以后,玉米下部葉片及秸稈中上部營養(yǎng)完全可以滿足家畜生長的需要。因此,可將下部莖作為燃料,利用下部葉片及中上部秸稈作為家畜的優(yōu)質(zhì)粗飼料。4玉米飼料的營養(yǎng)特性在玉米進入生殖生長期的初期,秸稈的營養(yǎng)開始向籽粒轉(zhuǎn)移,造成秸稈營養(yǎng)下降迅速,但與此同時,籽粒中蛋白、淀粉及脂肪的積累,使玉米整體的營養(yǎng)狀況下降得相對緩慢。同時,由于秸稈的逐漸衰老枯黃,產(chǎn)量降低,而籽粒產(chǎn)量在不斷的增加,結(jié)果是地上的生物量在生長后期基本穩(wěn)定。在傳統(tǒng)收獲時間10月1日左右,整株玉米營養(yǎng)價值已經(jīng)下降很多。本研究中,9月29日,整株玉米粗蛋白含量為5.7%,干物質(zhì)消化率為53.6%,代謝能為7.4MJ/kg。此時收獲的玉米是以損失營養(yǎng)為代價的。粗蛋白含量高于4%意味著牲畜采食后都可以產(chǎn)生氮沉積而生長,因此,粗蛋白含量是評價飼草營養(yǎng)價值的一個非常重要的指標。在玉米營養(yǎng)較高時,玉米的產(chǎn)量尚未達到最大,導(dǎo)致營養(yǎng)總量不高。因此,需要在產(chǎn)量和營養(yǎng)之間做一個權(quán)衡。有學(xué)者認為,粗蛋白總量最大是玉米最適合的收獲期。粗蛋白對于家畜的生長來說固然重要,但我認為,有足夠多的粗蛋白,但消化率低,會造成粗蛋白的損