鏈烷技術估測典型草原不同放牧率綿羊食性食量方法研究

劉貴河，張英俊，汪詩平，

（1.河北北方學院動物科技學院牧業工程系，河北 張家口075000；2.中國農業大學動物科技學院草業科學系，北京100193；3.中國科學院青藏高原研究所高寒生態學和生物多樣性實驗室，北京100101）

在放牧生態和反芻動物營養研究中，最關鍵的研究內容之一，也是困擾研究者最多的問題之一，就是估測完全自由放牧條件下家畜的食性食量，這是研究動植物關系的基礎，也是研究放牧家畜營養狀況的基礎［1，2］。然而，放牧家畜的采食量，尤其是所食植物的種類組成非常難以測定。隨著放牧生態學和放牧行為科學的發展，許多科學家曾對其測定方法做過大量的研究工作，提出許多種測定方法，但這些常規方法都有很大的局限性，或者是測定精確度不高，或是實驗繁瑣、工作量大、費用昂貴、難以控制等［3］。飽和鏈烷技術是一項測定放牧家畜食性食量的新技術，始于20世紀80年代末，該技術是利用植物表皮蠟質層中普遍存在的飽和性碳氫化合物或稱飽和鏈烷（n－alkanes）作為內源標記物來測定放牧家畜的食性和食量［4，5］。在這些鏈烷中，偶數鏈烷含量低，奇數鏈烷含量高，家畜采食后不被吸收，在糞便中回收率高且相鄰鏈烷回收率相近［6，7］。通過投喂家畜人工合成的已知濃度的與奇數鏈烷相鄰的偶數鏈烷膠囊，利用兩者回收率相近的特點可以消除不完全回收的缺點，從而準確地測定家畜采食量［8］。由于鏈烷在植物體中的模式存在明顯的種間差異［9］，故通過分析家畜采食的牧草種類和排泄糞中鏈烷含量，就可以計算出家畜采食牧草種類組成及其比例，進而推算出采食各種植物組分的量［10］。目前飽和鏈烷技術被認為是一種估測放牧家畜食性食量最為精確的方法［5，11］，且成功估測了放牧家畜對多種牧草的采食［12－14］，但在植物種類組成較為復雜的天然草地上的研究較少［15］，理論上，鏈烷技術可以估測天然草地放牧家畜的食性和食量［7，10］，但實際應用中少見報道。為了進一步探討該技術在天然草地上的應用，拓展并完善鏈烷技術，本試驗運用飽和鏈烷技術估測內蒙古典型草原不同放牧率綿羊的食性和食量，探討影響其食性和食量變化的因素，旨在更科學合理地管理我國草地和指導放牧家畜生產，同時也為飽和鏈烷技術在我國的應用提供科學的理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地

該研究于中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站（北緯43°26′～44°08′，東經116°04′～117°05′）放牧樣地進行。該樣地圍封于1989年［16］，面積18hm2，劃分為18個小區，小區面積100m×100m，從1990年開始連續放牧，放牧家畜為綿羊，設5個放牧梯度，分別是1.33，2.67，4.00，5.33，6.67羊／hm2，另設1個無牧對照處理。放牧方式為輪牧，每種放牧率3次重復，試驗采用不完全拉丁方設計［17］。放牧10年后，植物群落、土壤理化性狀、土壤微生物等生態系統的結構和功能發生了明顯的變化，草原生態系統處于不同的退化階段［18］。2000－2003年期間休牧，植物群落以冷蒿（Artemisia frigida）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）為優勢種，糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、羊草（Leymus chinensis）和米氏冰草（Agropyron cristatum）等小禾草的比例較放牧期間有較大幅度的上升，因此，綿羊的食物資源比較豐富［19］。

1.2 試驗設計和飼養管理

選擇體重及體況相近、健康無病的二歲羯羊（內蒙古細毛羊×蒙古羊）60只，按體重（36.9±2.6）kg聚類分組，設置6種放牧率（0，1.33，2.67，4.00，5.33和6.67羊／hm2）的輪牧試驗，從2004年6月20日開始放牧，9月20日終牧，即在整個暖季每hm2小區輪牧2次。食性食量測定各3次，分別于6月20日，8月5日和9月5日測定。其中，采食量的測定選擇放牧率為1.33，4.00和6.67羊／hm2的處理，試驗開始，每只羊投喂1粒QSM飽和鏈烷緩釋膠囊（購于新西蘭CaptecTM公司）。食性測定選用全部的放牧率進行測定，同時輔助全糞法、差額法一同評價綿羊的食性。試驗綿羊每天從8：00開始出牧，18：00終牧，放牧結束自由飲水，晚上圈于圈中，自由舔食鹽磚。試驗開始，對5種放牧率處理的綿羊套集糞袋，為減少應急對放牧綿羊牧食行為的影響，預試期7d不收集糞便，正式試驗期7d每天收集糞便。放牧前，在每個放牧小區沿對角線隨機布置10個1.2m×1.2m的網籠，并隨機做10個1.0m×1.0m的樣方，以測定每個小區在放牧前優勢植物種類及其比例，放牧結束后，在籠外隨機做10個1.0m×1.0m的樣方，同時籠內的植物齊地面刈割，用籠內外每種牧草地上生物量的差值來估測綿羊所采食牧草的種類。每期開始，重新扣籠。筆者同期在室內測定了綿羊糞便中鏈烷的回收率。

1.3 樣品采集和處理

每期試驗開始，放牧前樣方與放牧后籠內植物齊地面刈割，分種稱量鮮重后，在65℃烘箱中烘干至恒重，稱量干物質量。每種牧草取約200g過1mm篩粉碎，測鏈烷含量。

正式試驗期內，分別于每天早晨7：00和歸牧后18：00收集綿羊糞便，準確稱量并記錄每只羊每天排糞量，并用四分法取約5%的糞樣，準確稱量后在105℃烘箱中烘干，稱干重，用干鮮比計算每只羊每天實際干物質排糞量。同時用四分法取約10%的糞樣，在65℃烘箱中烘干，準確稱取每只羊每天全糞量5%的糞樣，將每只羊7d的糞樣混合均勻，過1mm篩粉碎，備測鏈烷含量。

1.4 鏈烷分析及綿羊食性食量計算

所有樣品鏈烷提取、鏈烷化學分析、色譜條件、校準以及排糞量計算、牧草采食比例和采食量計算均采用劉貴河等［11］的方法。

1.5 數據分析

所得數據用SPSS 11.5統計軟件進行單因素方差分析（P＝0.05）；不同放牧率和放牧季節對食物多樣性指數和植物多樣性指數的影響用二因素方差分析（P＝0.05），所有數據用Excel計算并形成圖表。

2 結果與分析

2.1 不同放牧率小區群落結構

植被樣方結果表明，放牧樣地各小區共有14～25種植物，其中，9種牧草的地上生物量占放牧小區總生物量的94%～100%，它們是放牧綿羊的主要食物來源（表1）。從總體上看，禾草隨放牧率的增加而降低，星毛委陵菜隨放牧率的增加而增加，冷蒿在重度放牧區顯著減少。

2.2 放牧地主要植物種鏈烷模式

群落中25種植物中奇數碳鏈的濃度均高于相鄰偶數碳鏈濃度，且不同品種優勢碳鏈不同，一般為C27、C29或C31，不同牧草其鏈烷模式不同，其濃度總和也不盡相同（表2）。

表1 不同放牧率和放牧季節主要植物種干物質比例Table 1 The proportion of main species at different stocking rates（SR）and grazing seasons in each plot %

表2 放牧地主要植物種鏈烷模式Table 2 N－alkane concentrations of main plant species in grazing rangeland mg／kg DM

2.3 不同放牧率和放牧季節綿羊的食性

根據放牧小區放牧前后籠內外各種牧草生物量的差異，可以粗略估測放牧綿羊采食的牧草種類，不同放牧率和放牧季節綿羊主要采食了7～9種牧草（表3），以此為依據，利用鏈烷技術估測綿羊采食的牧草比例，其中6種牧草占總采食比例的85%～95%（表4）。綿羊采食的禾草、木地膚和冷蒿的比例分別是12%～24%，21%～30%和31%～45%，它們是綿羊的主要食物資源。羊草在食性中的比例隨放牧率的增加顯著（P＜0.05）的降低，并且在8月的采食比例顯著（P＜0.05）高于6月和9月；克氏針茅在食性中的比例9月顯著（P＜0.05）高于6月和8月，但放牧率間差異不顯著；米氏冰草和糙隱子草在食性中的比例隨放牧率變化沒有顯著的變化，但米氏冰草在食性中的比例隨放牧季節的后移顯著降低，糙隱子草顯著增加；冷蒿在食性中的比例除放牧率6.67羊／hm2處理外，隨放牧率的增加而增加；星毛委陵菜在食性中的比例隨放牧率的增加顯著（P＜0.05）增加，但隨放牧季節的后移顯著（P＜0.05）降低；雙齒蔥在食性中的比例隨放牧率的增加顯著降低；木地膚隨放牧季節后移而顯著增加。放牧率和放牧季節對放牧綿羊的食性存在顯著的互作（P＜0.05）。

表3 不同放牧率和放牧季節綿羊采食（＋）和未采食（－）牧草的種類Table 3 Plant species of ingested（＋）and not ingested（－）by sheep at different stoking rates（SR）and grazing seasons

2.4 不同放牧率和放牧季節綿羊采食量

對放牧率1.33，4.00和6.67羊／hm2的綿羊利用鏈烷技術評價其采食量，結果發現，采食量隨放牧率和放牧季節的變化沒有顯著性差異，但隨著放牧季節的后移，同一放牧率下綿羊的采食量有下降的趨勢（圖1），并且放牧率和放牧季節對放牧綿羊的采食量沒有顯著的互作（P＞0.05）。

2.5 不同放牧率和放牧季節綿羊排糞量

通過實際測定的綿羊排糞量與鏈烷技術估測的綿羊排糞量相比（圖2），不同放牧季節不同放牧率下，除9月上旬放牧率為6.67羊／hm2外，綿羊實際排糞量與估測排糞量差異均不顯著（P＞0.05），說明鏈烷技術基本可以估測綿羊的排糞量。結果還發現，6月上旬估測的綿羊排糞量均高于實際排糞量，放牧率為6.67羊／hm2下估測的排糞量均高于實際排糞量，且高放牧率下綿羊的實際排糞量均高于低放牧率下綿羊的排糞量。

表4 不同放牧率和放牧季節綿羊采食牧草的種類及其比例（平均值±標準差）Table 4 Estimated diet composition（mean±S.E）of grazing sheep at different stocking rates and grazing seasons using n－alkane technique%

3 討論

牧草中鏈烷種類和含量的差異是評價家畜采食牧草種類組成和采食量的依據，試驗中牧草的奇數鏈烷含量豐富，偶數鏈烷含量少，此結果與前人研究的結果一致［20，21］；牧草鏈烷模式的差異再次驗證了不同牧草含有獨特的“植物指紋”信息［22，23］。這正是推廣并運用鏈烷技術評價放牧家畜食性和食量的理論基礎。

糞便中鏈烷的回收率是運用鏈烷技術精確測定食草動物食性和食量的前提［9，24］，在開展本研究的同時，筆者同期在室內測定了綿羊糞便中鏈烷的回收率［25］，由于試驗綿羊的品種和年齡相同，樣品的處理和分析方法也一致，綿羊主要的食物來源于同一放牧地，故此，用室內綿羊的鏈烷回收率矯正室外放牧綿羊糞便中的鏈烷含量是合理可行的。

圖1 用鏈烷技術（C33：C32）評價的不同放牧率和放牧季節綿羊采食量Fig.1 Estimated herbage intake of sheep based on C33：C32n－alkane ratios

放牧家畜食性食量評定的常規方法很多［3，26］，近年來，隨著放牧生態學的發展，鏈烷技術逐步被運用于放牧家畜食性和食量的研究中，但更多的研究集中于對該技術精確性及其方法探討［11，27，28］，以及與幾種常規方法進行比較［29－31］，普遍的結論認為，鏈烷技術可以準確評價食草動物對2～7種混合牧草的采食量［32－34］，以及2～10種牧草的采食比例［35，36］。然而，這些研究大多是在室內可控條件下或者是對人工草地上植物組成比較單一的草地上進行的，在天然草地上研究的較少［15］，主要是因為天然草地上植物種類組成較多，家畜采食物種的鏈烷濃度低的情況下估測誤差會增大［37］，此外，運用鏈烷技術時，首先要知道動物采食了哪幾種牧草，然后才能應用鏈烷技術進行估測。在天然草地上，直接觀察動物的采食非常費時，并且觀察者會影響家畜的正常采食，即使是馴服了的家畜［38］。雖然食道瘺管已經被成功地運用家畜的食性評價，但需要外科手術，費用也很高，對家畜的采食也有影響［39］。而扣籠技術能夠很容易地解決這個問題，利用放牧前后籠內外每種牧草地上生物量的差值估測家畜的食性［40］。本試驗放牧前在每個試驗小區隨機扣10個籠子，共計50個籠子，利用放牧前后籠內外每種牧草生物量的差異來估測家畜采食的牧草種類，為鏈烷技術提供較為可靠的放牧家畜采食牧草的種類，是一種簡單可行的方法。盡管籠內外牧草種類本身會存在一定的差異，但50個籠子內外牧草種類的差異基本上能反映出綿羊整體的采食情況。

圖2 不同放牧季節不同放牧率綿羊實際排糞量與估測排糞量Fig.2 Estimated feces output using n－alkane technique and the actual values by sheep at different stocking rates and grazing seasons

放牧綿羊的食性受很多因素的影響，比如，牧草的適口性、物候期、形態學特征及氣候、地形等因素［41］。當放牧地牧草資源（地上生物量）豐富時，放牧家畜能夠選擇喜食的牧草種，反之，家畜就被迫采食先前不喜食的植物種，尤其在重牧區［42，43］，本試驗結果在放牧率6.67羊／hm2下，綿羊增加了對星毛委陵菜的采食（表4），此結果再次印證了綿羊具有很強的選擇性采食行為。放牧綿羊的采食量隨放牧制度、放牧強度和放牧季節的變化而變化［44］，同時受牧草種類和日糧水平的影響較大［45，46］。試驗中放牧綿羊采食量隨放牧率和放牧季節的變化沒有顯著性差異，但綿羊采食的牧草種類和比例在發生著顯著地變化，這就意味著綿羊總是面對數量和質量的選擇［30］。

鏈烷技術可以精確估測綿羊的排糞量［11］，本試驗再次印證了這一點，但試驗中秋季高放牧率下鏈烷技術估測的排糞量顯著高于實際測定排糞量，可能與秋季綿羊采食的牧草種類以及秋季牧草營養物質變化有關［32］，也可能與綿羊自身代謝及體重變化有關，建議配合其他方法進一步展開研究。

4 結論

植物鏈烷模式存在種間差異，且奇數鏈烷含量高于相鄰偶數鏈烷含量。結合扣籠方法，鏈烷技術可以估測典型草原自由放牧綿羊的食性、食量和排糞量。放牧綿羊食性隨放牧季節和放牧率變化而變化，但采食量沒有顯著變化。建議在牧草種類組成較為復雜的典型草原估測放牧家畜食性食量時要進行多種方法比較，以進一步完善鏈烷技術。

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