水氮互作對青貯玉米產(chǎn)量和青貯品質(zhì)的影響

王 曄，石雅琪，劉 呈，劉雅然，南張杰，張秋芝，潘金豹

（北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 / 植物生產(chǎn)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 102206）

青貯玉米(Zea may)是畜牧業(yè)生產(chǎn)中重要的飼料來源，其具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、易消化且適口性好等特點(diǎn)[1-2]。青貯料質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到反芻家畜的生產(chǎn)性能和健康[3]。青貯玉米是需水較多、需肥量大的作物[4-5]，且對氮肥反應(yīng)敏感[6]。東華北地區(qū)處于“鐮刀灣”區(qū)域，也是玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)地區(qū)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為追求高產(chǎn)，常采用大量灌溉和過量施肥的管理措施，這樣不僅導(dǎo)致水肥資源利用效率低，也造成了農(nóng)田生態(tài)污染等一系列問題[7-8]。

合理的灌溉和施肥，能充分發(fā)揮水肥互作效應(yīng)達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的[9]。灌溉和施氮對玉米生長特性、碳氮代謝、養(yǎng)分吸收與利用等的影響已有大量報(bào)道[10-12]。在青貯玉米產(chǎn)量和品質(zhì)方面，王軍等[13]通過水肥耦合模型模擬了青貯玉米產(chǎn)量和水肥之間的關(guān)系，明確了青貯玉米產(chǎn)量最大(100.69 t·hm?2)時(shí)水肥耦合最優(yōu)水平灌溉量為1 531.66 m3·hm?2，施尿素量為119.94 kg·hm?2。解婷婷和蘇培璽[14]研究發(fā)現(xiàn)，高水肥和低水肥處理的青貯玉米鮮重?zé)o顯著差異。白冰和文亦芾[15]研究表明，不同氮素施肥條件下，當(dāng)尿素施用量為300 kg·hm?2，在青貯60 d 后的青貯玉米pH、乳酸含量和揮發(fā)性脂肪酸含量均達(dá)到優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。梁虹等[16]在研究緩釋肥對青貯45 d后的青貯玉米營養(yǎng)品質(zhì)和發(fā)酵品質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施用緩釋肥的含氮量為120 kg·hm?2時(shí)，青貯玉米含氮量和干物質(zhì)(dry matter，DM)含量較高，中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)含量較低，有機(jī)酸含量較高，青貯品質(zhì)較好。馮鵬等[17]研究發(fā)現(xiàn)，灌水量為2 069.96 m3·hm?2、施氮量為225 kg·hm?2時(shí)玉米產(chǎn)量最高，青貯75 d 后該處理組的乳酸含量高，營養(yǎng)品質(zhì)好。可見，水分和氮肥協(xié)同效應(yīng)，最終影響青貯玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)，不僅提高了資源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效，也促進(jìn)了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

對青貯玉米產(chǎn)量和青貯質(zhì)量的研究大多局限于單一灌水或施肥的影響，水肥互作效應(yīng)的報(bào)道仍較少。另外，對長期(1 年)青貯保存后青貯效果的研究報(bào)道也不多。為此，本研究以專用型青貯玉米為材料，綜合分析水氮互作對東華北地區(qū)青貯玉米生物產(chǎn)量、青貯料的營養(yǎng)品質(zhì)、發(fā)酵質(zhì)量和飼用價(jià)值的調(diào)控效應(yīng)，獲得灌水量和施氮量的最優(yōu)組合，以期為青貯玉米節(jié)水減氮、可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，并構(gòu)建滿足畜牧業(yè)對優(yōu)質(zhì)青貯料需求的青貯玉米高產(chǎn)高效種養(yǎng)結(jié)合生產(chǎn)模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017 年5 月 - 10 月在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)錢家店鎮(zhèn)通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地(43°43′ N，122°37′ E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為黑土，耕層土壤pH 為8.57，有機(jī)質(zhì)含量為11.54 g·kg?1，全氮含量為1.22 g·kg?1，速效磷含量為16.57 mg·kg?1，速效鉀含量為137.6 mg·kg?1，有機(jī)碳含量9.83 g·kg?1。該試驗(yàn)區(qū)屬于暖溫帶大陸性氣候，青貯玉米生長季降水及氣溫變化如圖1 所示。生長季(5 月8 日 - 9 月20 日)日平均氣溫為22.5 ℃，總降水量為439.2 mm。

圖1 2017 年青貯玉米生長季的日平均氣溫和降水量Figure 1 Mean daily temperature and precipitation of silage maize growing season in 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以東華北中晚熟區(qū)廣泛推廣種植的專用型青貯玉米北農(nóng)青貯368 (國審玉20180175)為材料。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以灌水量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)。灌水處理設(shè)3 個(gè)水平，分別為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌水量(2 250 m3·hm?2，W1)、節(jié)水10% (2 025 m3·hm?2，W2)和節(jié)水20% (1 800 m3·hm?2，W3)；施氮量為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)用量(420 kg·hm?2，N1)、減氮10% (378 kg·hm?2，N2)和減氮20% (336 kg·hm?2，N3) 3 個(gè)水平。采用滴灌水肥一體化系統(tǒng)控制每個(gè)小區(qū)水肥施用量。3 個(gè)灌水處理分別在播種、六葉展、十二葉展、吐絲期和吐絲后25 d 時(shí)等量分次灌溉，每次灌溉量分別為450、405 和360 m3·hm?2。基肥以磷酸二氫銨為氮源，追肥以尿素為氮源，按基肥 ? 十二葉展追肥 ? 吐絲后25 d 追肥 = 1 ? 4 ? 2 分施。種植密度75 000 株·hm?2，行長10 m，行距0.6 m，8 行區(qū)，小區(qū)面積48 m2，每處理重復(fù)3 次。田間病蟲草害防治及管理同一般生產(chǎn)田。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 青貯玉米產(chǎn)量

青貯玉米籽粒乳線達(dá)1/2 時(shí)，從地上部20 cm 處全株刈割，每個(gè)小區(qū)實(shí)收中間4 行稱重計(jì)生物鮮重。

1.3.2 干物質(zhì)量

從測產(chǎn)樣品中隨機(jī)選取10 株，全株粉碎至1.0 cm左右樣段，充分混勻后，采用烘干法，105 ℃殺青4 h后65 ℃烘干至恒重，測定干物質(zhì)量(DM1)，青貯開封后測定干物質(zhì)量(DM2)，計(jì)算干物質(zhì)損失率。

1.3.3 青貯品質(zhì)

從上述測產(chǎn)樣品中稱取粉碎的青貯料600 g，裝入30 cm × 40 cm 聚乙烯袋內(nèi)，用真空封口機(jī)抽真空后密封，置于室溫下避光周年保存后開封，取10 g混勻的青貯料放入燒杯中，加入90 mL 去離子水，放置4 ℃冰箱中浸泡12 h 后，取出過濾，用pH 計(jì)測定浸提液pH。有機(jī)酸含量采用Agilent 1200 高效液相色譜測定，浸提液在12 000 r·min?1離心5 min后，用0.45 μm 微孔濾膜過濾后測定乳酸和乙酸含量。色譜條件：流動相為0.2%磷酸溶液，流速為1 mL·min?1，柱溫70 ℃，檢測波長210 nm[18]。

青貯料烘干后，采用范氏(Van Soest)纖維含量測定法[19]，利用ANKOM-220 纖維分析系統(tǒng)測定NDF 和ADF 含量；粗蛋白(crude protein，CP)含量采用全自動杜馬斯定氮儀測定[20]；淀粉(starch)含量采用鹽酸水解-蒽酮比色法測定[21]；粗脂肪(ether extract，EE)含量采用索式提取法測定[20]；粗灰分(crude ash，CA)含量在550 ℃下直接灰化法測定。

1.3.4 相對飼用價(jià)值

相對飼用價(jià)值(relative feed value，RFV)參照Rohweder 等[22]方法計(jì)算。RFV= (DMI×DDM) / 1.29；DMI= 120 /NDF；DDM= 88.9 ? 0.779ADF。式中：DMI(dry matter intake)為粗飼料干物質(zhì)的隨意采食量；DDM(in vivodigestible dry matter)為可消化的干物質(zhì)；NDF為中性洗滌纖維；ADF為酸性洗滌纖維。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SAS 統(tǒng)計(jì)軟件(V8, SAS Institute Inc., Cary, USA)的ANOVA法進(jìn)行處理間差異顯著性分析(P< 0.05)，用Duncan’s法進(jìn)行多重比較，采用Origin 2019 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對青貯玉米產(chǎn)量的影響

水氮互作對青貯玉米鮮重影響不顯著(P>0.05)，但對干重有顯著影響(P< 0.05)。灌水處理對青貯玉米鮮重和干重均有顯著影響(P< 0.05)，但施氮處理對鮮重和干重均無顯著影響(P> 0.05)。與傳統(tǒng)水肥用量(W1N1)下干重(21.64 t·hm?2)相比，處理組W1N3、W2N2、W2N3和W3N3產(chǎn)量增幅0.14%～5.27%。其中，W2N2干重最高，為22.78 t·hm?2，與W1N1相比差異達(dá)顯著水平(P< 0.05)。在同等施肥量條件下，減氮20%處理(W1N3、W2N3和W3N3)干重與W1N1無顯著差異(P> 0.05)；相同灌水條件下，節(jié)水20%處理(W3N1、W3N2和W3N3)干重與W1N1差異不顯著(P> 0.05) (表1)。

表1 不同水氮處理對青貯玉米產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different water and nitrogen application treatments on silage maize yield

2.2 不同處理對青貯玉米干物質(zhì)含量的影響

不同水氮處理下青貯玉米干物質(zhì)含量差異不顯著(P> 0.05)，干物質(zhì)含量為31.30%～34.23%，與W1N1相比，各處理干物質(zhì)含量有不同程度降低，降低幅度為0.85%～8.56%，其中W2N2的降低幅度最小(0.85%) (表2)。

青貯料在周年保存后，各處理間干物質(zhì)含量差異明顯 (表2)。與W1N1相比，青貯后干物質(zhì)含量降低幅度為1.49%～14.24%。與青貯前相比，干物質(zhì)損失率為0.09%～9.56%。W1N1的干物質(zhì)損失率最小(0.09%)，W3N3處理下的損失率最大(9.56%)。

表2 不同水氮處理下青貯玉米的干物質(zhì)含量Table 2 Dry matter content of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

2.3 不同處理對青貯料青貯品質(zhì)的影響

不同水氮處理下，周年保存的青貯料pH 穩(wěn)定在4.0 左右。乳酸含量為3.33%～4.34%，各處理乳酸含量不同程度高于W1N1，其中W1N2、W2N2、W2N3和W3N1處理的乳酸含量分別比W1N1提高了16.22%、30.33%、25.23%和23.72%，且差異達(dá)顯著水平(P< 0.05)。各處理乙酸含量為1.63%～2.29%，其中W2N2和W3N3的乙酸含量低于其他處理 (表3)。

表3 不同水氮處理下青貯料的發(fā)酵品質(zhì)Table 3 Silage quality resulting from silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

青貯料周年保存后，不同水氮處理下NDF 含量為39.82%～45.80%，ADF 含量為23.76%～28.13%，淀粉含量為22.52%～28.90%，粗蛋白含量為7.64%～8.51%，粗灰分含量為4.91%～5.96%，而粗脂肪含量變化不大。與W1N1相比，不同處理下NDF、ADF、淀粉、粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量變化幅度在?3.73%～7.49%、?7.04%～10.05%、?17.21%～6.25%、?10.22%～?3.13%、?0.30%～2.08%和?5.03%～15.28%。在W1和W2灌溉條件下，隨著施氮量降低，NDF 和ADF 含量呈增加趨勢，淀粉含量呈降低趨勢。在同等施肥條件下(N2和N3)，隨灌溉量減少，NDF、ADF和淀粉含量均降低。綜合青貯料營養(yǎng)品質(zhì)表現(xiàn)，W2N2處理經(jīng)青貯發(fā)酵后青貯品質(zhì)效果較好(表4)。

表4 不同水氮處理下青貯料的營養(yǎng)品質(zhì)Table 4 Nutritional values of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments%

2.4 不同處理對青貯玉米相對飼用價(jià)值的影響

不同水氮處理下，青貯玉米相對飼用價(jià)值為136.04～164.35，其中以W3N3處理最高。與W1N1相比，W2N1和W3N3相對飼用價(jià)值分別增加了4.72%和8.42%；W3N1處理最低，與W1N1相比，其相對飼用價(jià)值降低了10.69%。各處理的相對飼用價(jià)值與W1N1相比差異均不顯著(P> 0.05) (圖2)。

圖2 不同水氮處理下青貯料的相對飼用價(jià)值Figure 2 Relative feed value of silage maize grown under different water and nitrogen application treatments

3 討論

玉米在不同生育期對氮肥利用率的變化與不同時(shí)期養(yǎng)分和水分需求密切相關(guān)，過量灌溉和施肥不僅造成了水資源浪費(fèi)和肥料養(yǎng)分流失，而且不利于作物生長，導(dǎo)致易倒伏、感染病蟲害和貪青晚熟等問題，造成作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降[23]。因此，明確青貯玉米對水肥互作效應(yīng)的響應(yīng)特征，達(dá)到增產(chǎn)目的的同時(shí)獲得較好的青貯品質(zhì)尤為重要。本研究在節(jié)水減氮的條件下，水肥互作仍然可獲得與傳統(tǒng)用量相當(dāng)?shù)纳锂a(chǎn)量，其中，節(jié)水10%、減氮10% (W2N2)處理下的產(chǎn)量顯著高于農(nóng)民傳統(tǒng)用量(W1N1)下的產(chǎn)量。水分和氮素在玉米產(chǎn)量上存在顯著的正耦合效應(yīng)[24]。適量施用氮肥可以提高作物水分利用率[25-26]，灌水亦可提高肥料的利用效率[27-28]。本研究中相同施氮量水平下，隨著灌水量減少，生物產(chǎn)量降低(W2N2除外)，與前人研究結(jié)果一致[10,13]。當(dāng)灌水量為2 025 m3·hm?2、減氮10% (378 kg·hm?2)時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最大，與對照相比增產(chǎn)5.02%。繼續(xù)減氮產(chǎn)量與W1N1相比變化不大。表明水氮配合不僅有利于提高作物生物產(chǎn)量[13,29]，而且適量的氮肥減施和合理的灌溉相結(jié)合，可使玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率得到協(xié)同提高[30]。

在青貯過程中，干物質(zhì)損失和青貯質(zhì)量變化降低了青貯料的質(zhì)量[31]。一般青貯方法對青貯料的干物質(zhì)含量要求為25%～35%[32]，在此范圍內(nèi)可以在一定程度上控制發(fā)酵造成的損失，而當(dāng)干物質(zhì)含量從30%下降到20%時(shí)，大幅度降低了反芻家畜對青貯料的消化率[33]。Divis[31]研究表明，氮肥處理對干物質(zhì)含量影響不顯著。馮鵬等[17]進(jìn)一步通過水肥試驗(yàn)表明，水肥耦合效應(yīng)對青貯料干物質(zhì)含量影響不明顯。本研究在不同灌水和施氮水平下，青貯玉米的干物質(zhì)含量為31.30%～34.23%，均符合青貯要求，水氮處理對干物質(zhì)含量影響不顯著，與前人研究結(jié)果一致[17]。青貯料周年貯存后，干物質(zhì)損失率為0.09%～9.56%。在水氮充足條件下(W1N1)，干物質(zhì)基本無損失(0.09%)，在灌水量充足、減施氮肥(W1N2和W1N3)和節(jié)水10%、減氮10% (W2N2)條件下干物質(zhì)損失與傳統(tǒng)水氮用量(W1N1)均差異不大。

增施氮肥提高了全株玉米粗蛋白含量，降低了粗纖維含量[1,32-33]。玉米飼用營養(yǎng)品質(zhì)隨著施氮量的增加顯著提高。但也有研究表明，氮肥影響玉米的纖維組成，進(jìn)而影響可消化有機(jī)物含量，但對粗纖維含量影響不大[34]。灌水處理降低了纖維含量，進(jìn)而提高了青貯飼料的消化率[17]。本研究表明，在適宜的水肥互作條件下(W2N2)，青貯料保持較高的粗蛋白、淀粉和粗灰分含量，但水氮處理對粗脂肪含量影響不大。

pH 是影響青貯料良好保存的關(guān)鍵因素[35]，品質(zhì)優(yōu)良的青貯飼料pH 為3.8～4.5。當(dāng)青貯料pH 為4.0 時(shí)，可抑制梭狀芽孢桿菌(Clostridium)活動。本研究表明不同水氮處理對青貯料pH 影響不大，均保持在4.0 左右，適宜的pH 可促進(jìn)有益微生物活動，即使經(jīng)過周年貯存，青貯料依然保存良好。有機(jī)酸含量的多少能夠反映青貯料在發(fā)酵過程中的品質(zhì)優(yōu)劣。有機(jī)酸含量與采食量有關(guān)，尤其是乳酸含量對適口性有直接影響。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌水量為2 025 m3·hm?2、施氮量為378 kg·hm?2時(shí)乳酸含量明顯高于其他處理，乙酸含量較低，青貯品質(zhì)較好。可見，水肥耦合可以提高青貯料的發(fā)酵品質(zhì)，通過影響青貯原料的營養(yǎng)品質(zhì)而影響青貯飼料飼用品質(zhì)。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)在東華北中晚熟地區(qū)總灌水量為2 025 m3·hm?2、總施氮量為378 kg·hm?2時(shí)，可獲得青貯玉米較高的生物產(chǎn)量和較好的發(fā)酵效果，使青貯玉米產(chǎn)量和青貯質(zhì)量協(xié)同提高。