C3和C4植物粗料及底物精粗比對山羊瘤胃體外發(fā)酵特性的影響

陳 安吳建平周傳社譚支良（．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，蘭州730070；．中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)中心，農(nóng)業(yè)部中南動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)觀測實驗站，長沙405）

C3和C4植物粗料及底物精粗比對山羊瘤胃體外發(fā)酵特性的影響

陳 安1，2吳建平1周傳社2?譚支良2
（1．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，蘭州730070；2．中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南省畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)中心，農(nóng)業(yè)部中南動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)觀測實驗站，長沙410125）

摘 要：本試驗研究了C3和C4植物粗料及底物精粗比對山羊瘤胃體外發(fā)酵特性的影響。采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，選擇不同來源的C3（水稻秸稈和苜蓿）和C4植物（玉米秸稈和寬葉雀稗）為粗料，并分別設(shè)計3種不同精粗比（40∶60、45∶55和50∶50）的底物，進行48 h的瘤胃體外發(fā)酵試驗，測定體外產(chǎn)氣參數(shù)、發(fā)酵特性參數(shù)、營養(yǎng)物質(zhì)降解率。結(jié)果表明：1）底物粗料選用苜蓿時，理論最大產(chǎn)氣量極顯著高于其余3種粗料（P＜0．01），且以精粗比為45∶55和50∶50時較高；底物粗料選用水稻秸稈時，甲烷（CH4）產(chǎn)量分別比苜蓿、玉米秸稈和寬葉雀稗降低53．79%、24．30%和3．29%，且以精粗比為45∶55時最低。2）C3植物粗料的發(fā)酵液pH和氨態(tài)氮（NH3?N）濃度均極顯著高于C4植物粗料（P＜0．01）；精粗比對發(fā)酵液pH和NH3?N濃度均沒有顯著影響（P＞0．05）。3）底物粗料選用水稻秸稈時，發(fā)酵液乙酸、丙酸和總揮發(fā)性脂肪酸濃度均極顯著高于玉米秸稈和寬葉雀稗（P＜0．01），而與苜蓿沒有顯著差異（P＞0．05）；精粗比為50∶50時水稻秸稈和玉米秸稈發(fā)酵液乙酸／丙酸均顯著高于精粗比為40∶60（P＜0．05），而與精粗比為45∶55時沒有顯著差異（P＞0．05）。4）各底物體外干物質(zhì)和中性洗滌纖維降解率均以選用水稻秸稈為底物粗料時最低，分別比苜蓿、玉米秸稈、寬葉雀稗低18．84%、4．37%、3．84%和11．12%、17．78%、15．56%。結(jié)果提示，以苜蓿為粗料，精粗比為50∶50的底物瘤胃體外發(fā)酵降解率最高，CH4產(chǎn)量也最高；以水稻秸稈為粗料時，精粗比為45∶55的底物瘤胃體外發(fā)酵降解率最低，CH4產(chǎn)量也最低。

關(guān)鍵詞：C3植物；C4植物；精粗比；體外發(fā)酵；山羊

大氣中二氧化碳（CO2）約含98．9%12C和1．1%13C同位素，光合作用過程中植物是排斥13C的，而動物在利用飼糧氨基酸（AA）合成體蛋白質(zhì)時并不排斥由13C來提供碳架。植物通過還原戊糖磷酸（C3）途徑、四碳雙羧酸（C4）途徑和景天酸代謝（CAM）途徑固定CO2，根據(jù)植物固定CO2的不同方式，可將其分為C3（牧草、大豆粕和小麥等）、C4（玉米、甘蔗和高粱等）和CAM植物（仙人掌、鳳梨和長壽花等）。在植物生理學(xué)上，13C豐度通常用δ13C（‰）表示，不同種類植物的δ13C值有很大差異，C3和C4植物的δ13C值分別在（－34‰）～（－22‰）和（－19‰）～（－9‰）之間。

基于C3和C4植物間通過光合作用固定CO2途徑等諸多方面存在的差異，在植物育種、植物生態(tài)、植物考古、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、荒漠化防治以及動物和人類學(xué)等多個領(lǐng)域廣泛開展了研究［1］。其中在動物學(xué)和人類學(xué)方面，研究的內(nèi)容包括考古［2－3］、食物溯源［4－5］和生物演化［6－7］等。然而，在動物營養(yǎng)方面的研究僅見于化學(xué)成分含量、干物質(zhì)消化率、肉品質(zhì)、飼喂草食昆蟲的個別報道，至于飼喂C3和C4植物對反芻家畜瘤胃發(fā)酵特性的影響尚未見報道。若C3和C4植物的營養(yǎng)價值有顯著差異，動物營養(yǎng)乃至人類膳食結(jié)構(gòu)都將出現(xiàn)一個新的領(lǐng)域。本試驗采用C3和C4植物制成不同精粗比底物，用瘤胃體外發(fā)酵方法研究對體外產(chǎn)氣參數(shù)、發(fā)酵特性參數(shù)、營養(yǎng)物質(zhì)降解率的影響，為優(yōu)化反芻動物瘤胃內(nèi)環(huán)境、溫室氣體減排和促進規(guī)模化草食家畜產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1．1 發(fā)酵底物

發(fā)酵底物精料參照我國《肉羊飼養(yǎng)標準》（NY／T 816—2004）配制。粗料分別選用不同來源的C3和C4植物，其中C3植物來源粗料選用水稻秸稈和苜蓿；C4植物來源粗料選用玉米秸稈和寬葉雀稗。C3和C4植物各配制3種不同精粗比（40∶60、45∶55和50∶50）的發(fā)酵底物，發(fā)酵底物經(jīng)65℃烘干24 h，經(jīng)1 mm孔徑篩粉碎后備用。發(fā)酵底物精料和粗料營養(yǎng)水平見表1。

表1　發(fā)酵底物精料和粗料營養(yǎng)水平（干物質(zhì)基礎(chǔ)）Table 1 Nutrient levels of the concentrate and roughages of fermentation substrates（DM basis）　%

1．2 試驗動物及飼養(yǎng)管理

1．2．1 瘤胃液供給動物

選擇3頭安裝有永久性瘤胃瘺管，平均體重為（20．0±2．5）kg的健康湘東黑山羊作為瘤胃液供給動物。分別于07：00和19：00按自由采食量的95%等量飼喂，自由飲水。

1．2．2 動物飼糧和飼養(yǎng)管理

瘤胃液供給湘東黑山羊飼糧參照我國《肉羊飼養(yǎng)標準》（NY／T 816—2004）配制。以1．4倍維持需要設(shè)計飼糧，滿足100 g日增重的需要。飼糧組成及營養(yǎng)水平見表2。

表2　飼糧組成及營養(yǎng)水平（干物質(zhì)基礎(chǔ)）Table 2 Composition and nutrient levels of the diet（DM basis）　%

1．3 體外發(fā)酵試驗設(shè)計及方法

C3和C4植物來源發(fā)酵底物分別設(shè)置3種精粗比（40∶60、45∶55和50∶50），采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，在39℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h。每個精粗比設(shè)置12、24、48 h 3個采樣時間點，每個采樣時間點再設(shè)置3個重復(fù)樣品。

1．3．1 體外發(fā)酵培養(yǎng)液的配制及預(yù)處理

按照Menke等［9］的方法于體外發(fā)酵前1天配制瘤胃體外發(fā)酵厭氧緩沖液。在晨飼前通過瘺管采集山羊瘤胃液，用4層紗布過濾后與厭氧緩沖液以1∶9的比例充分混合成發(fā)酵培養(yǎng)液。混合好的培養(yǎng)液在發(fā)酵前迅速通入CO22～3 min后，置于39℃的水浴搖床上等待培養(yǎng)［10］。

1．3．2 發(fā)酵準備及培養(yǎng)

于體外發(fā)酵前1天預(yù)先稱?。?．500 0± 0．000 3）g底物，放入?yún)捬醢l(fā)酵瓶中，在39℃恒溫培養(yǎng)箱中放置過夜。次日向發(fā)酵瓶中持續(xù)通入CO22 min，隨即先后加入已配制好的50 mL體外發(fā)酵培養(yǎng)液，并再次持續(xù)通入CO23 min，加上瓶塞蓋子后迅速使用針頭放氣將氣壓調(diào)節(jié)成0，此即0 h點的氣壓值。隨后立即放置于39℃恒溫培養(yǎng)箱中開始發(fā)酵48 h。

1．3．3 數(shù)據(jù)計算及樣品采集分析

1．3．3．1 總產(chǎn)氣量

分別于體外發(fā)酵0、1、2、4、6、12、24、48 h使用壓力傳感器（CYG130?12，昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司）測定發(fā)酵瓶內(nèi)的氣壓，并將氣壓換算成為室溫標準氣壓下的氣體體積，換算公式為：

式中：1．506為實測壓強與體積之間的換算系數(shù)（mL／kPa）；x為壓強（kPa）；y為產(chǎn)氣量（mL）。

將各時間點測得產(chǎn)氣量運用LE體外發(fā)酵產(chǎn)氣模型進行擬合，計算動態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氣參數(shù)。模型公式如下：

式中：y為t時間點底物的產(chǎn)氣量（mL）；Vf為理論最大產(chǎn)氣量（mL）；k為產(chǎn)氣速率（h－1）；b和d為曲線的形狀指標，b＞0表示曲線為S形，b＜0則表示曲線非S形；d＞0表示曲線有負截距，d＜0表示曲線有正截距。

另有計算公式：

式中：FRD0為初期（發(fā)酵0～12 h）產(chǎn)氣速率（h－1）；t0．5為達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間（h）。1．3．3．2 甲烷（CH4）產(chǎn)量

分別于體外發(fā)酵12、24、48 h取出發(fā)酵瓶，每瓶取10 μL氣體測定CH4含量，測定儀器為Agi?lent 7890A型氣相色譜儀，計算CH4產(chǎn)量。

1．3．3．3 發(fā)酵液pH

分別于體外發(fā)酵12、24、48 h取出發(fā)酵瓶，每瓶取出2 mL發(fā)酵液立即用pH計（REX PHS?3C，上海儀器設(shè)備廠）測定pH。

1．3．3．4 發(fā)酵液氨態(tài)氮（NH3?N）濃度

分別于體外發(fā)酵12、24、48 h取出發(fā)酵瓶，每瓶取出2 mL發(fā)酵液用于NH3?N濃度的測定。按照馮宗慈等［13］改進的比色法，使用UV2450紫外可見分光光度計（Shimadzu，日本）進行測定。

1．3．3．5 發(fā)酵液揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度

分別于體外發(fā)酵12、24、48 h取出發(fā)酵瓶，每瓶取2 mL發(fā)酵液測VFA濃度。運用內(nèi)標法，使用Agilent 7890A型液體進樣氣相色譜儀測定發(fā)酵液樣品中VFA濃度。

1．3．3．6 體外干物質(zhì)降解率（IVDMD）

分別于體外發(fā)酵12、24、48 h取出發(fā)酵瓶，發(fā)酵液過400目尼龍布后將殘渣全部轉(zhuǎn)移至石英坩堝中用熱蒸餾水反復(fù)沖洗，隨后置于105℃烘箱中烘干8 h以測定干物質(zhì)含量，殘渣回收用樣品袋密封保存，以備體外中性洗滌纖維降解率（IVND?FD）的測定。IVDMD計算公式如下：

式中：m為發(fā)酵后底物干物質(zhì)質(zhì)量（g）；M為發(fā)酵前底物干物質(zhì)質(zhì)量（g）。

1．3．3．7 IVNDFD

中性洗滌纖維（NDF）含量的測定方法依照Hall等［14］的方法并進行調(diào)整，使用Fibretherm FT12全自動纖維儀（Gerhardt Analytical Systems，德國）進行測定。

式中：m1為發(fā)酵前底物NDF質(zhì)量（g）；m2為發(fā)酵后底物中剩余的NDF質(zhì)量（g）。

1．4 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

試驗數(shù)據(jù)采用SAS 8．2的Mixed過程統(tǒng)計，不同C3和C4植物粗料之間的差異、不同精粗比之間的差異均采用Contrast程序進行比較。統(tǒng)計差異顯著性定義為P＜0．05，極顯著性定義為P＜0．01。

2　結(jié)果與分析

2．1 產(chǎn)氣參數(shù)和CH4產(chǎn)量

由表3可知，C3和C4植物粗料對理論最大產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率、初期產(chǎn)氣速率、達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間和CH4產(chǎn)量均有極顯著影響（P＜0．01），底物精粗比僅對產(chǎn)氣速率有顯著影響（P＜0．05），二者交互作用極顯著影響了理論最大產(chǎn)氣量、初期產(chǎn)氣速率和CH4產(chǎn)量（P＜0．01），顯著影響了達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間（P＜0．05）。

不同C3和C4植物粗料間比較，苜蓿理論最大產(chǎn)氣量最高，分別是水稻秸稈、玉米秸稈和寬葉雀稗的1．09、1．16和1．11倍，差異極顯著（P＜0．01），后三者沒有顯著差異（P＞0．05）；水稻秸稈CH4產(chǎn)量極顯著低于苜蓿、玉米秸稈和寬葉雀稗（P＜0．01），且玉米秸稈CH4產(chǎn)量亦極顯著苜蓿和寬葉雀稗（P＜0．01）。

不同精粗比間比較，精粗比為40∶60時水稻秸稈理論最大產(chǎn)氣量和達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間顯著高于精粗比為45：55（P＜0．05）；精粗比為40∶60時苜蓿初期產(chǎn)氣速率最高，分別是精粗比45∶55和50∶50的2．07和2．38倍，差異顯著（P＜0．05）；精粗比為50∶50時寬葉雀稗理論最大產(chǎn)氣量均顯著低于精粗比40∶60和45∶55（P＜0．05），分別比它們降低26．71%和25．93%；精粗比為50∶50時寬葉雀稗初期產(chǎn)氣速率最高（P＜0．05），分別是精粗比45∶55和50∶50的1．65和1．87倍；精粗比為40∶60和50∶50時水稻秸稈CH4產(chǎn)量均顯著高于精粗比45∶55（P＜0．05），分別高出29．50%和33．22%；精粗比為50∶50時苜蓿CH4產(chǎn)量均顯著高于精粗比40∶60和45∶55（P＜0．05），分別高出14．88%和8．85%。

表3　C3和C4植物粗料及底物精粗比對體外發(fā)酵產(chǎn)氣參數(shù)和CH4產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of C3 and C4 plants of roughage and C∶R of substrate on gas production parameters and CH4production of in vitro fermentation

續(xù)表3

2．2 瘤胃體外發(fā)酵特性

2．2．1 發(fā)酵液pH和NH3?N濃度

由4可知，C3和C4植物粗料對發(fā)酵液pH和NH3?N濃度均有極顯著影響（P＜0．01），底物精粗比對這2個指標無顯著影響（P＞0．05），二者交互作用顯著影響發(fā)酵液pH（P＜0．05）。

不同C3和C4植物粗料間比較，水稻秸稈和苜蓿（C3植物）發(fā)酵液pH均極顯著高于玉米秸稈和寬葉雀稗（C4植物）（P＜0．01），但C3植物之間或C4植物之間并沒有顯著差異（P＞0．05）；發(fā)酵液NH3?N濃度以苜蓿最高，分別為水稻秸稈、玉米秸稈和寬葉雀稗的1．54、2．08和3．31倍，差異極顯著（P＜0．01）。

2．2．2 發(fā)酵液VFA濃度

由表5可知，C3和C4植物粗料對發(fā)酵液乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異戊酸和總揮發(fā)性脂肪酸（TVFA）濃度及乙酸／丙酸均有極顯著影響（P＜0．01），底物精粗比僅對發(fā)酵液丁酸濃度有顯著影響（P＜0．05），二者交互作用極顯著影響了發(fā)酵液乙酸／丙酸（P＜0．01），顯著影響了發(fā)酵液丁酸和戊酸濃度（P＜0．05）。

不同C3和C4植物粗料間比較，水稻秸稈發(fā)酵液乙酸、丙酸和TVFA濃度均極顯著高于玉米秸稈和寬葉雀稗（P＜0．01）；玉米秸稈發(fā)酵液乙酸和TVFA濃度均極顯著低于寬葉雀稗（P＜0．01），但玉米秸稈和寬葉雀稗發(fā)酵液丙酸濃度沒有顯著差異（P＞0．05）；玉米秸稈發(fā)酵液乙酸／丙酸顯著低于水稻秸稈、苜蓿和寬葉雀稗（P＜0．05），而后三者間無顯著差異（P＞0．05）。

不同精粗比間比較，精粗比為50∶50時水稻秸稈和玉米秸稈發(fā)酵液乙酸／丙酸均顯著高于精粗比為40∶60（P＜0．05），而與精粗比為45∶55時沒有顯著差異（P＞0．05）；精粗比為50：50時寬葉雀稗發(fā)酵液乙酸／丙酸均極顯著低于精粗比為40∶60和45∶55（P＜0．01），而后兩者之間沒有顯著差異（P＞0．05）。

4種粗料發(fā)酵液乙酸／丙酸和TVFA濃度均以玉米秸稈最低，分別比水稻秸稈、苜蓿和寬葉雀稗低6．48%、7．10%、9．88%和111．55%、72．95%、43．80%。

表4　C3和C4植物粗料及底物精粗比對體外發(fā)酵液pH和NH3?N濃度的影響Table 4 Effects of C3 and C4 plants of roughage and C∶R of substrate on pH and NH3?N concentration of in vitro fermentation fluid

表5　C3和C4植物粗料及底物精粗比對體外發(fā)酵液VFA濃度的影響Table 5 Effects of C3 and C4 plants of roughage and C∶R of substrate on VFA concentrations of in vitro fermentation fluid

續(xù)表5

2．3 IVDMD和IVNDFD

由表6可知，C3和C4植物粗料對有IVDMD極顯著影響（P＜0．01），對IVNDFD有顯著影響（P＜0．05），底物精粗比對IVDMD有極顯著影響（P＜0．01），二者對IVDMD和IVNDFD不存在顯著的交互作用（P＞0．05）。

不同C3和C4植物粗料間比較，苜蓿IVDMD極顯著高于其他粗料（P＜0．01），水稻秸稈極顯著高于玉米秸稈和寬葉雀稗（P＜0．01），但這2者之間沒有顯著差異（P＞0．05）；水稻秸稈IVNDFD顯著低于玉米秸稈（P＜0．05），而與苜蓿和寬葉雀稗沒有顯著差異（P＞0．05）；且玉米秸稈和寬葉雀稗亦沒有顯著差異（P＞0．05）。

不同精粗比間比較，精粗比為40∶60時寬葉雀稗IVDMD顯著低于精粗比為50∶50（P＜0．05）。底物IVDMD和IVNDFD均以水稻秸稈最低，分別比苜蓿、玉米秸稈和寬葉雀稗低18．84%、4．37%、3．84%和9．52%、17．08%、14．17%。

表6　C3和C4植物粗料及底物精粗比對IVDMD和IVNDFD的影響Table 6 Effects of C3 and C4 plants of roughage and C∶R of substrate on IVDMD and IVNDFD　%

3　討 論

3．1 C3和C4植物粗料及底物精粗比對體外發(fā)酵產(chǎn)氣參數(shù)和CH4產(chǎn)量的影響

體外發(fā)酵產(chǎn)氣量是評定反芻動物瘤胃發(fā)酵的重要依據(jù)，一定程度上可以反映發(fā)酵底物為瘤胃微生物所利用的程度［15］。本試驗結(jié)果顯示，不同精粗比水平下苜蓿體外發(fā)酵理論最大產(chǎn)氣量極顯著高于水稻秸稈、玉米秸稈和寬葉雀稗，這與苜蓿IVDMD極顯著高于其余3種底物（表6）有關(guān)。Menke等［10］研究指出，產(chǎn)氣量與有機物消化率正相關(guān)。很多研究結(jié)果顯示，隨著發(fā)酵底物精粗比的增加，體外產(chǎn)氣量呈增加趨勢［16－18］，這可能是因為隨著培養(yǎng)底物中有利于產(chǎn)甲烷菌生長的營養(yǎng)物質(zhì)的增加，真菌數(shù)量逐漸降低直到消失，細菌數(shù)量逐漸上升，因此產(chǎn)氣量也隨之增加。娜仁花等［19］研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵底物精粗比為40∶60時各時間點累積產(chǎn)氣量均高于精粗比為60∶40的發(fā)酵底物，這與本試驗水稻秸稈和寬葉雀稗的結(jié)果相吻合。在本試驗條件下，水稻秸稈和寬葉雀稗為底物粗料時，體外發(fā)酵累積產(chǎn)氣量并未隨精粗比的增加呈增加趨勢，這可能與不同粗料類型、粗料中碳水化合物結(jié)構(gòu)以及精料與不同粗料組合效應(yīng)相關(guān)性等之間的差異有關(guān)。

初期產(chǎn)氣速率表示體外發(fā)酵0～12 h的產(chǎn)氣速率，本試驗中，不同精粗比條件下，C3植物初期產(chǎn)氣速率顯著低于C4植物，這可能是由于C3植物在通過光合作用固定CO2的過程中，快速發(fā)酵碳水化合物含量低于C4植物，從而導(dǎo)致發(fā)酵初期其發(fā)酵速率低于C4植物。隨著精粗比的增加，苜蓿初期產(chǎn)氣速率顯著降低，這可能是由于隨著發(fā)酵時間的延長，作為主要發(fā)酵產(chǎn)氣來源物質(zhì)的碳水化合物及蛋白質(zhì)被大量消耗，發(fā)酵速率開始下降。精粗比為50∶50時，寬葉雀稗初期產(chǎn)氣速率顯著高于精粗比40∶60，表明發(fā)酵底物精粗比的增加，寬葉雀稗組發(fā)酵初期產(chǎn)氣速率顯著增加。水稻秸稈達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間極顯著高于苜蓿、玉米秸稈和寬葉雀稗，這可能與水稻秸稈初期產(chǎn)氣速率極顯著低于其余3組底物有關(guān)。隨著精粗比的增加，水稻秸稈達1／2理論最大產(chǎn)氣量時間呈顯著降低趨勢，表明提高發(fā)酵底物精粗比，能加快水稻秸稈發(fā)酵前期的降解速率，增加產(chǎn)氣量。

CH4是飼糧中碳水化合物在反芻動物瘤胃內(nèi)厭氧發(fā)酵不可避免的產(chǎn)物，其自然產(chǎn)生過程有特定的生物學(xué)調(diào)控機制，飼糧類型是影響其排放量

的關(guān)鍵因子［20］。鄭文思等［21］研究發(fā)現(xiàn)，體外發(fā)酵CH4產(chǎn)量與飼糧非結(jié)構(gòu)性碳水化合物／中性洗滌纖維存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。劉樹軍［20］研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈體外發(fā)酵CH4產(chǎn)量顯著高于苜蓿。張元慶等［22］研究結(jié)果表明，來源于玉米秸稈的細胞壁體外發(fā)酵CH4顯著高于來源于苜蓿的細胞壁。本試驗結(jié)果顯示，不同精粗比條件下，C3和C4植物發(fā)酵底物粗料為秸稈類（水稻秸稈或玉米秸稈）時，CH4產(chǎn)量均極顯著低于粗料為牧草類（苜?；?qū)捜~雀稗）時，這可能是由于本試驗條件下選用的是不同精粗比發(fā)酵底物，而并非單一飼草（秸稈類或牧草類）或植物細胞壁。此外，韓繼福等［23］研究結(jié)果表明，肉牛單位代謝體重CH4產(chǎn)量隨飼糧精粗比提高而降低。Chandramoni等［24］研究發(fā)現(xiàn)，綿羊CH4產(chǎn)量隨飼糧精粗比提高亦下降。本試驗條件下，發(fā)酵底物為苜蓿和玉米秸稈時，CH4產(chǎn)量隨發(fā)酵底物精粗比增加呈顯著增加趨勢，而水稻秸稈和寬葉雀稗并未體現(xiàn)這一趨勢，這可能是各發(fā)酵底物之間粗蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維、有機物等營養(yǎng)成分之間的差異所造成的；此外，體內(nèi)體外試驗條件下，飼糧或發(fā)酵底物各組份在瘤胃或發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)發(fā)酵時間的差異也可能導(dǎo)致體內(nèi)體外試驗CH4產(chǎn)量結(jié)果產(chǎn)生差異。

3．2 C3和C4植物粗料及底物精粗比對瘤胃體外發(fā)酵特性的影響

瘤胃液pH系評價瘤胃發(fā)酵狀況的基本指標，決定著瘤胃微生物對底物的發(fā)酵利用效率［25］。維持正常的瘤胃液pH是保證瘤胃正常發(fā)酵的必要前提，通常認為正常的瘤胃液pH變化范圍是5．5～7．5，當pH低于6．0時，瘤胃中纖維降解菌和原蟲的生長受到抑制［26］。本試驗結(jié)果顯示，C3植物來源發(fā)酵底物（水稻秸稈和苜蓿）瘤胃液pH極顯著高于C4植物來源發(fā)酵底物（玉米秸稈和寬葉雀稗），這可能與C3和C4植物光合作用途徑的差異導(dǎo)致其碳水化合物含量、結(jié)構(gòu)及其組成產(chǎn)生差異，進而導(dǎo)致碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)物存在組合差異有關(guān)。此外，本試驗發(fā)酵液pH（6．53～6．71）均在瘤胃正常pH范圍之內(nèi)，且沒有顯著差異，表明C3和C4植物來源發(fā)酵底物對于調(diào)控瘤胃穩(wěn)衡均具有積極意義。

NH3?N是瘤胃內(nèi)飼料肽、氨基酸、蛋白質(zhì)、尿素、氨化物及其他非蛋白氮化合物分解的終產(chǎn)物，同時也是瘤胃微生物合成蛋白質(zhì)的主要氮源，瘤胃中約50%的細菌以NH3?N作唯一氮源就可生長，26%的細菌對NH3?N是絕對必需的［27］，保持瘤胃內(nèi)合適NH3?N濃度是保證微生物蛋白質(zhì)合成的首要條件。瘤胃液NH3?N濃度在一定程度上反映出特定飼糧條件下蛋白質(zhì)降解與合成間的平衡狀態(tài)［28］。瘤胃液最佳NH3?N濃度范圍是0．35～29 mg／dL［29］。本試驗條件下，苜蓿（C3植物）NH3?N濃度最高，寬葉雀稗（C4植物）最低，這可能主要是由C3和C4植物來源各發(fā)酵底物之間粗蛋白質(zhì)含量及其組份的差異，進而影響發(fā)酵終產(chǎn)物和瘤胃微生物蛋白質(zhì)合成量之間的差異所導(dǎo)致的。同時，本試驗結(jié)果還顯示，C3植物（玉米秸稈和寬葉雀稗）瘤胃液NH3?N濃度均極顯著高于C4植物（水稻秸稈和苜蓿），表明C4植物來源發(fā)酵底物（玉米秸稈和寬葉雀稗）有利于改善瘤胃內(nèi)環(huán)境，進而促進瘤胃微生物生長繁殖及其對NH3?N的利用效率，使瘤胃NH3?N向微生物氮轉(zhuǎn)化。此外，本試驗發(fā)現(xiàn)，C3和C4植物發(fā)酵底物所產(chǎn)生的NH3?N濃度并未受發(fā)酵底物精粗比的影響，這與張愛忠等［30］研究結(jié)果一致。

瘤胃微生物能夠?qū)⒋掷w維、淀粉和可溶性糖等碳水化合物首先轉(zhuǎn)化成丙酮酸，然后丙酮酸通過不同的代謝途徑生成不同的VFA，發(fā)揮給動物機體提供能量的作用。研究表明，瘤胃產(chǎn)生的VFA能提供至少50%的總消化能［31］，也有研究者證實VFA能提供反芻動物總能量需要的70%～80%［32］。本試驗發(fā)現(xiàn)，除異丁酸外，C3植物來源發(fā)酵底物其余各單個VFA（乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、異戊酸）、TVFA濃度、乙酸／丙酸均高于C4植物來源發(fā)酵底物，這可能是C3和C4植物來源發(fā)酵底物纖維物質(zhì)含量及其組成、淀粉含量等碳水化合物之間的差異，進而通過影響微生物活動或微生物酶活性改變發(fā)酵模式所導(dǎo)致的。王吉峰等［33］研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼糧中精粗比的增加，奶牛瘤胃乙酸／丙酸下降。李亞學(xué)等［34］研究結(jié)果顯示，隨著發(fā)酵底物中精粗比的增加，湖羊瘤胃體外發(fā)酵乙酸／丙酸顯著下降。本試驗結(jié)果顯示，發(fā)酵底物粗料為牧草類（苜?；?qū)捜~雀稗）時，隨著發(fā)酵底物精粗比的增加，瘤胃體外發(fā)酵乙酸／丙酸下降，這與上述研究結(jié)果一致。但是，當發(fā)酵底物粗料為秸稈類（水稻秸稈或玉米秸稈）時，瘤胃發(fā)酵乙酸／丙酸隨發(fā)酵底物精粗比增加而提高，這可能與牧草類和秸稈類粗料品質(zhì)上的差異導(dǎo)致瘤胃發(fā)酵模式發(fā)生改變有關(guān)。

3．3 C3和C4植物粗料及底物精粗比對體外營養(yǎng)物質(zhì)降解率的影響

IVDMD體現(xiàn)了發(fā)酵底物在發(fā)酵體系中被微生物降解的程度。本試驗不同精粗比條件下，以C3植物來源發(fā)酵底物中粗料為苜蓿時最高，且極顯著高于水稻秸稈和C4植物來源發(fā)酵底物（玉米秸稈和寬葉雀稗），這可能主要是由于各發(fā)酵底物中苜蓿蛋白質(zhì)及其組分中的瘤胃可降解蛋白質(zhì)（RDP）含量最高，這與Griswold等［35］研究結(jié)果一致。

隨著精粗比的增加，反芻動物IVDMD隨之提高。王加啟等［36］研究結(jié)果證實，飼糧中精粗比降低時，飼糧內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量減少，結(jié)構(gòu)性碳水化合物比例增加，飼糧在瘤胃內(nèi)降解速率減慢，導(dǎo)致降解率下降。本試驗結(jié)果顯示，隨著發(fā)酵底物中精粗比的增加，IVDMD降解率呈上升趨勢，這與上述研究結(jié)果一致。

4　結(jié) 論

①以苜蓿為粗料、精粗比50∶50時，底物體外降解率最高，且有利于維持瘤胃內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定；但CH4產(chǎn)量也最高。

②選用水稻秸稈為粗料、精粗比為45∶55時，底物降解率最低，但CH4產(chǎn)量也最低，有利于減少反芻動物甲烷排放，促進草食家畜產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

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（編輯 王智航）

Effects of C3 and C4 Plants of Roughage and Concentrate to Roughage Ratio of Substrate on in Vitro Ruminal Fermentation Characteristics of Goats

CHEN An1，2WU Jianping1ZHOU Chuanshe2?TAN Zhiliang2
（1．Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2．Key Laboratory of Agro?Ecological Processes in Subtropical Region，Institute of Subtropical Agriculture，Chinese Academy of Sciences，Hunan Research Center of Livestock＆Poultry Sciences，and South?Central Experimental Station of Animal Nutrition and Feed Science in Ministry of Agriculture，Institute of Subtropical Agriculture，the Chinese Academy of Sciences，Changsha，Hunan 410125，China）

?Corresponding author，associate professor，E?mail：zcs＠isa．a(chǎn)c．cn

Abstract：This experiment was designed to study the effects of C3 and C4 plants of roughage and concentrate to roughage ratio（C∶R）of substrate on in vitro ruminal fermentation characteristics of goats．The study was conducted in a completely randomized block design of experiment，different sources of C3（rice straw and al?falfa）and C4 plants（maize stover and broadleaf paspalum）were selected as roughages，and three C∶Rs （40∶60，45∶55 and 50∶50）were set for each fermentation substrates，respectively．By employing the method of in vitro ruminal fermentation（48 hours），gas production parameters，fermentation characteristic parameters and nutrient degradability were measured．The results showed as follows：1）using alfalfa as roughage of sub?strate，theological maximum gas production was significantly higher than the other three roughages（P＜0．01），and it was higher when C∶Rs were 45∶55 and 50∶50；using rice straw as roughage of substrate，methane pro?duction was decreased by 53．79%，24．30%and 3．29%，respectively，compared with alfalfa，maize stover and broadleaf paspalum，and it was lowest when C∶R was 45∶55．2）The pH and NH3?N concentration of fermen?tation fluid of C3 plants（rice straw and alfalfa）was significantly higher than those of C4 plants（maize stover and broadleaf paspalum）（P＜0．01），but C∶R did not significantly affect those two indices（P＞0．05）．3）U?sing rice straw as roughage of substrate，the concentrations of acetic acid，propionic acid and total volatile fatty acid was significantly higher than those of maize stover and broadleaf paspalum（P＜0．01），while there were no significant differences between rice straw and alfalfa（P＞0．05）；acetic acid／propionic acid of rice straw and maize stover for C∶R at 50∶50 was significantly higher than that at 40∶60（P＜0．05），while there were no sig?nificant differences between C∶Rs of 50∶50 and 45∶55（P＞0．05）．4）in vitro dry matter degradability and in vitro neutral detergent fiber degradability of substrates were the lowest when using rice straw as roughage，and were decreased by 18．84%，4．37%and 3．84%，and 11．12%，17．78%and 15．56%，respectively，compared with those of alfalfa，maize stover and broadleaf paspalum．It is concluded that when alfalfa is selected as roughage and C∶R is 50∶50，the in vitro ruminal degradability and methane production are both the highest．However，when rice straw is selected as roughage and C∶R is 45∶55，the in vitro ruminal degradability and methane production are both the lowest．［Chinese Journal of Animal Nutrition，2015，27（1）：112?123］

Key words：C3 plant；C4 plant；concentrate to roughage ratio；in vitro fermentation；goat

通信作者：?周傳社，副研究員，E?mail：zcs＠isa．a(chǎn)c．cn

作者簡介：陳 安（1986—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，從事動物遺傳育種與繁殖研究。E?mail：zdkykf379＠163．com

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（31372342）；國家科技支撐計劃課題（2012BAD14B17）；中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年人才領(lǐng)域項目（ISACX?LYQY?QN?1105）；中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃課題（KFJ?EW?STS?071）

收稿日期：2014－07－08

doi：10．3969／j．issn．1006?267x．2015．01．015

文章編號：1006?267X（2015）01?0112?12

文獻標識碼：A

中圖分類號：S826