引用本文
张凡凡, 和海秀, 于磊, 杨开虎, 鲁为华, 马春晖. 新疆沙尔套山四季放牧草地主要牧草营养价值变化特征研究. 草业学报, 2018,27(11): 179-191
ZHANG Fan-fan, He Hai-xiu, YU Lei, YANG Kai-hu, LU Wei-hua, MA Chun-hui. Seasonal variation in nutritive value of twelve main forage plant species of grazed grassland in Shaertao mountain, Xinjiang. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(11): 179-191  
Doi:10.11686/cyxb2018017
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新疆沙尔套山四季放牧草地主要牧草营养价值变化特征研究
张凡凡1,2, 和海秀1,3, 于磊1,2,*, 杨开虎1, 鲁为华1,2, 马春晖1,2
1.石河子大学动物科技学院,新疆 石河子 832000
2.新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆 石河子 832000
3.新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所,新疆 阿勒泰 836000
*通信作者Corresponding author. E-mail: shzyulei@sina.cn

作者简介:张凡凡(1989-),男,新疆乌鲁木齐人,讲师,博士。E-mail: zhangfanfan@shzu.edu.cn

收稿日期: 2018-01-05
基金项目:国家农业部公益性行业(农业)科研专项经费项目(201303062)资助
摘要

以新疆昭苏县域内沙尔套山分布的12种主要牧草为研究对象,对其营养物质和瘤胃体外消化率特征进行分析,以期揭示各牧草营养物质和消化率的季节性变化规律。结果表明,各牧草的营养物质含量和消化率特征指标均存在明显的季节性变化规律。通过模糊相似优先比分析,综合营养物质(干物质、粗蛋白、中/酸性洗涤纤维、粗脂肪、粗灰分)和瘤胃体外消化率特征(有机物消化率、代谢能)的8项指标进行综合营养价值评价,主要结论为:1)研究区放牧草地12种主要牧草中针茅、芨芨草、紫花鸢尾综合营养价值最佳季节在春季营养生长期(6月),其余牧草均为夏季开花期(7月)。2)春季营养生长期(6月)和秋季果后营养期(9月),综合营养价值最好的均为鸭茅;夏季开花期(7月),综合价值最好的牧草为西伯利亚羽衣草;秋季结实期(8月),综合营养价值最好的牧草为红花车轴草;冬季停止生长(10月)和枯草期(11月),综合营养价值最好的分别为针茅和紫花鸢尾。

关键词: 草地; 牧草; 营养价值; 消化率; 季节牧场
Seasonal variation in nutritive value of twelve main forage plant species of grazed grassland in Shaertao mountain, Xinjiang
ZHANG Fan-fan1,2, He Hai-xiu1,3, YU Lei1,2,*, YANG Kai-hu1, LU Wei-hua1,2, MA Chun-hui1,2
1.College of Animal Science & Technology, Shihezi University, Shihezi 832000, China;
2.Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Production & Construction Groups, Shihezi University, Shihezi 832000, China;
3.Institute of Agricultural Sciences of 10th Division, Xinjiang Production & Construction Groups, Altay 836000, China;
Abstract

Twelve of the main forage plant species contributing to livestock diets in grazed grassland of Shaertao mountain in Zhaosu county, Xinjiang, were assessed for nutritive value and in vitro digestibility in order to define the seasonal variation in these traits for each forage. Large seasonal changes were observed for each forage species. Data for six indicators offorage quality (dry matter, crude protein, neutral detergent fiber, acid detergent fiber, ether extract, crude ash), together with rumen in vitro digestibility of organic matter and herbage metabolic energy were analyzed using a “Fuzzy similar priority ratio” method. The main conclusions were:1) For the three species Stipa capillata, Achnatherum splendens and Iris ruthenica, the best comprehensive nutritive value score occurred in the spring vegetative growth period (June), while the best season for utilization of the remaining 9 species was summer flowering period (July). 2) Dactylis glomerata had the best nutritional value in spring (June) and post-flowering (September), while Alchemilla sibirica had the best nutritional value at summer flowering (July). During autumn (August), Trifolium pratense with the highest comprehensive nutritional value score. 3) In the hay season (November), species with the best nutritional value were S. capillata and I. ruthenica. All species ceased growth in winter.

Keyword: grassland; forage; nutritive value; digestibility; seasonal pasture

四季放牧草地是牧区畜牧业生产的重要经营地。放牧草地上生长的各类牧草是家畜日粮饲料的基本供给者, 牧草的种类、分布数量、品质优劣、生长时期等的不同直接关系到放牧家畜饲草的数量、质量和营养供给水平, 从而直接影响动物生产本身与天然草地放牧畜牧业经营的成效性等[1, 2, 3]。大量研究证实, 放牧草地上家畜采食的众多牧草中, 除因分布区域的地理位置、地形环境和水热条件等的不同, 造成草地牧草种类组成、草群结构和生产力水平等的较大差异外[4], 放牧草地利用时期牧草所处生长发育阶段的不同, 也直接影响家畜饲料品质上的差异[5], 从而导致放牧家畜在不同放牧时期的牧草利用率和摄取能量等方面具有较大差异。因此, 为保障放牧畜牧业生产经营的成效性和动物生产的平衡供给, 满足放牧家畜营养的四季均衡需要, 成为畜牧业生产科学研究的重要课题之一。当前对于天山山脉的研究主要集中在草地资源调查、草地质量分级等注重资源宏观质与量的一般经济性状相关研究[6]。为此, 本研究选择新疆典型草地畜牧业经营地域-沙尔套山天然草地为切入点, 开展有关该山地四季放牧草地中优势牧草营养物质和模拟绵羊消化率方面的研究, 其主要目的是揭示该区域草地主要牧草营养价值变化特征等, 从而为该区域放牧草地的经济评价、营养物质的有效利用以及放牧绵羊的四季营养需求平衡等提供科学依据和理论指导。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区域位于新疆伊犁哈萨克自治州昭苏县域内的沙尔套山, 该区域属天山山脉西段分支, 是形成昭苏盆地的主体山脉之一。其山脉大体呈东西走向, 主体山脉西、北两侧与哈萨克斯坦共和国接壤, 南侧延伸至昭苏盆地的特克斯河岸, 向东延伸到康苏河沟与昭苏马场草地相邻。山脉东西长约41.5 km; 南北宽约26~28 km。地理坐标为E 80° 15'-80° 54', N 42° 54'-43° 11'。山脉整体海拔高度为1650~3400 m, 山岭脊线海拔高度为3200~3400 m[1, 6]。整个昭苏盆地气候属中温带山区半湿润、半干旱冷凉气候, 年均温2.9 ℃, 具有降水多、积温少等气候特征。该山脉地貌类型分为, 山前倾斜平原(海拔1650~1800 m, 降水450 mm), 其是当地团场旱作农业的集中分布区; 低山丘陵及山间浅谷地(海拔1800~2200 m, 降水520~580 mm), 其是当地团场冷季放牧地和天然割草场的主要分布区; 海拔2200 m以上至山顶部的中、高山带(降水≥ 600 mm), 其是当地放牧家畜主要的夏季牧场所在区[2, 4]。本研究区域涉及上述所有地貌类型, 其包括温性草甸草原类、温性草原类、山地草甸类和高寒草甸草地。各草地类型特征见表1。

表1 研究区域主要牧草所属草地类型特征 Table 1 The characteristics of grasstand type study area
1.2 试验材料

本研究主要材料为研究区域内分布的12种主要牧草[1, 2, 4], 分别为:针茅(Stipa capillata)、芨芨草(Achnatherum splendens)、鸭茅(Dactylis glomerata)、长芒大穗鹅观草(Roegneria abolinii var. divaricans)、假梯牧草(Phleum phleoides)、罗马苜蓿(Medicago falacata var. romanica)、红花车轴草(Trifolium pratense)、线叶嵩草(Kobresia capillifolia)、细果苔草(Carex stenocarpa)、草原老鹳草(Geranium pratense)、西伯利亚羽衣草(Alchemilla sibirica)、紫花鸢尾(Iris ruthenica), 各牧草所属季节牧场及生长特征见表1和表2。

表2 研究区12种主要牧草生长特征和适口性特点 Table 2 The growth and palatability characteristics of 12 species main herbage in study area
1.3 测定内容与方法

于春季营养生长期(2015年6月15日-6月20日, 时期Ⅰ )、夏季开花期(2015年7月15日-7月20日, 时期Ⅱ )、秋季结实期(2015年8月15日-8月20日, 时期Ⅲ )、秋季果后营养期(2015年9月15日-9月20日, 时期Ⅳ )、冬季停止生长期(2015年10月15日-10月20日, 时期Ⅴ )和冬季枯草期(2015年11月15日-11月20日, 时期Ⅵ ), 对上述12种牧草进行生长特征的实地观测并进行样品的采集(采集到的样品放置于布袋中, 并记录鲜重), 各采样地均按照当地草地管理模式进行适度的放牧。由于各牧草的生长特性不同, 因此在某些月份采集时并未采集到所有12种牧草。待全部调查结束后将采集的各种牧草样品带回实验室自然风干、粉碎、密封备用。主要进行营养指标(过0.425 mm筛)和绵羊体外消化率(过0.180 mm筛)的测定。同时监测采集地气候变化规律(表3)。

表3 试验年2015年6-11月的天气情况比例和平均温度 Table 3 The proportion of weather situation and average temperature during this test in June to Novermber 2015

营养指标的测定主要包括干物质(dry matter, DM)、粗蛋白(crude protein, CP)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber, NDF)、粗脂肪(ether extract, EE)、粗灰分(crude ash, Ash)。其中, DM采用重量差减法测定, CP采用凯氏定氮法测定, ADF和NDF采用范氏(Van Soest)洗涤纤维法测定, EE采用索氏浸提法(乙醚浸出法)测定, Ash采用灰化法测定(GB/T14924.9-2001)[7]。消化率的测定主要采用体外产气法[8, 9]。期间(3、6、9、12、24、36、48 h)快速取出玻璃培养管记录, 测定产气量(gas production, GP)。并对有机物消化率(organic matter digestibility, OMD)和代谢能(metabolic energy, ME)进行计算。GP (mL)=该时段培养管产气量-对照培养管产气量。OMD (%)=0.986× GP+0.0606× CP+11.03, ME (MJ· kg-1 DM)=0.1639× GP+0.0079× CP+0.0239× EE+0.04; 公式中GP为24 h(mL· 220 mg-1)产气量, CP为粗蛋白含量(%), EE粗脂肪含量(%)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 18.0进行数据处理和统计分析[10]。方差分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA), 多重比较采用Duncan法。运用Origin 8软件进行绘图。综合评价采用模糊相似优先比分析法(Fuzzy similarity priority ratio analysis, FSPRA), 运用DPS v7.05数据处理软件进行分析[11], 将各牧草DM、CP、NDF、ADF、EE、Ash、OMD和ME共8项指标进行分析, 计算结果中各牧草与参考牧草品种的相似程度大小即反映该牧草品质的优劣, 以此评价出各牧草综合营养价值。

2 结果与分析
2.1 研究区主要牧草各季节营养物质变化特征

通过对研究区域各牧草不同季节营养价值的分析, 结果表明(表4), 时期Ⅰ (6月), 各牧草DM含量最高的为针茅(P< 0.05)。CP含量最高的为草原老鹳草(P< 0.05)。NDF和ADF含量最低的均为草原老鹳草(P< 0.05)。EE含量除草原老鹳草最低(P< 0.05), 其余4种牧草间差异均不显著(P> 0.05)。Ash含量最高的为鸭茅(P< 0.05)。时期Ⅱ (7月), 各牧草DM含量最高的为针茅(P< 0.05)。CP含量最高的为罗马苜蓿和西伯利亚羽衣草(P< 0.05), 而其二者与草原老鹳草间差异不显著(P> 0.05)。NDF含量最低的为罗马苜蓿和西伯利亚羽衣草(P< 0.05)。ADF含量最低的为西伯利亚羽衣草(P< 0.05)。EE含量最高的为针茅和鸭茅(P< 0.05)。Ash含量最高的为西伯利亚羽衣草、红花车轴草和鸭茅(P< 0.05)。时期Ⅲ (8月), 各牧草DM含量最高的为针茅(P< 0.05)。CP含量最高的为红花车轴草(P< 0.05)。NDF含量最低的为罗马苜蓿(P< 0.05)。ADF含量最低的为西伯利亚羽衣草(P< 0.05)。EE含量最高的为针茅、芨芨草和紫花鸢尾(P< 0.05)。Ash含量最高的为西伯利亚羽衣草(P< 0.05)。时期Ⅳ (9月), 各牧草DM含量最高的为鸭茅(P< 0.05)。CP含量最高的为芨芨草和紫花鸢尾(P< 0.05)。NDF含量最低的为紫花鸢尾(P< 0.05)。ADF含量最低的为针茅(P< 0.05)。EE含量最高的为紫花鸢尾(P< 0.05)。Ash含量最高的为鸭茅(P< 0.05)。在时期Ⅴ (10月), 各牧草DM含量最高的为长芒大穗鹅观草和芨芨草(P< 0.05)。CP含量最高的为针茅和芨芨草(P< 0.05)。NDF含量最低的为除鸭茅、芨芨草外其他3种牧草(P< 0.05)。ADF含量最低的为针茅(P< 0.05)。EE含量最高的为针茅(P< 0.05)。Ash含量最高的为紫花鸢尾(P< 0.05)。时期Ⅵ (11月), 各牧草DM含量最高的为芨芨草(P< 0.05)。CP含量最高的为针茅和紫花鸢尾(P< 0.05)。NDF含量最低的为紫花鸢尾(P< 0.05)。ADF含量最低的为针茅和芨芨草(P< 0.05)。EE含量最高的为针茅(P< 0.05)。Ash含量最高的为紫花鸢尾(P< 0.05)。

表4 研究区12种重要牧草营养物质季节动态特征(干物质基础) Table 4 The nutrition of 12 species important herbage with seasonal change in study area (basis dry matter, %)
2.2 研究区主要牧草四季放牧期内体外产气量和消化率变化规律

通过对研究区域各不同季节牧草产气量的分析, 结果表明(表5), 时期Ⅰ , 3~9 h鸭茅产气量最高(P< 0.05), 其中3 h时针茅、芨芨草和草原老鹳草产量最低(P< 0.05); 6 h时针茅产气量最低(P< 0.05), 但其与芨芨草间差异不显著(P> 0.05); 9 h时针茅和芨芨草产气量最低(P< 0.05)。12~36 h时紫花鸢尾产气量最高(P< 0.05), 其中12 h时产气量最低牧草同第3 h处理, 而24和36 h时产气量最低牧草同6 h处理。48 h时鸭茅和紫花鸢尾产气量显著高于其他牧草(P< 0.05)。时期Ⅱ , 3 h时鸭茅产气量最高(P< 0.05)。6 h时草原老鹳草产气量最高(P< 0.05)。9~48 h红花车轴草产气量均最高(P< 0.05)。3~48 h 针茅产气量均最低(P< 0.05), 其中12~36 h时, 芨芨草与针茅产气量差异不显著(P> 0.05)。时期Ⅲ , 3、9和12 h时鸭茅产气量最高(P< 0.05), 6和24 h时红花车轴草产气量最高(P< 0.05), 36和48 h时紫花鸢尾产气量最高(P< 0.05)。3~48 h针茅产气量均最低(P< 0.05), 其中12 h时针茅与细果苔草产气量差异不显著(P> 0.05)。时期Ⅳ , 3~48 h鸭茅产气量均最高(P< 0.05), 其中第6 h时鸭茅与假梯牧草产气量差异不显著(P> 0.05)。3~48 h针茅产气量均最低(P< 0.05), 其中第3和12 h时针茅分别与长芒大穗鹅观草和紫花鸢尾差异不显著(P> 0.05)。时期Ⅴ , 3~48 h鸭茅产气量均最高(P< 0.05), 针茅产气量最低(P< 0.05), 其中第24和36 h时针茅与芨芨草产气量差异不显著(P> 0.05)。时期Ⅵ , 3~48 h鸭茅产气量均最高(P< 0.05), 针茅产气量最低(P< 0.05), 其中36和48 h时针茅和紫花鸢尾产气量差异不显著(P> 0.05)。

表5 研究区12种重要牧草体外产气量规律 Table 5 The gas production in vitro of 12 species important herbage in study area (mL)

通过对研究区域OMD和ME的分析, 结果表明(图1), 时期Ⅰ , OMD和ME两个指标中最高的均为紫花鸢尾(58.82%和8.04 MJ· kg-1)(P< 0.05), 芨芨草和草原老鹳草之间差异均不显著(P> 0.05)。时期Ⅱ , OMD和ME最高的均为红花车轴草(85.23%和12.40 MJ· kg-1)(P< 0.05)。时期Ⅲ , OMD和ME最高的均为鸭茅(67.93%和9.55 MJ· kg-1)和红花车轴草(69.73%和9.85 MJ· kg-1)(P< 0.05)。时期Ⅳ , OMD和ME最高的均为鸭茅(80.26%和11.60 MJ· kg-1)(P< 0.05)。时期Ⅴ , OMD和ME各牧草按高低排序均为鸭茅、针茅和紫花鸢尾> 芨芨草和长芒大穗鹅观草(P< 0.05)。时期Ⅵ , OMD和ME各牧草按高低排序均为鸭茅> 长芒大穗鹅观草和紫花鸢尾> 针茅和芨芨草(P< 0.05)。

图1 研究区12种重要牧草有机物消化率(A)和代谢能(B)季节变化规律Fig.1 The seasonal variability of organic matter digestibility (A) and metabolic energy (B) on 12 species important herbage in study area

2.3 研究区主要牧草四季放牧期营养价值综合评价

通过对研究区域各牧草不同季节期内营养价值和消化率的分析表明, 不同牧草在同一生长季节营养特性有一定差异, 同一牧草在不同生长季节也存在明显差异。因此为了判断各季节最佳的利用牧草, 以及同种牧草最佳的利用期, 本研究采用模糊相似优先比分析法[11], 将各牧草DM、CP、NDF、ADF、EE、Ash、OMD和ME共8项指标进行分析, 设定固定样品即参考品种X(DM为97%、CP为21%、NDF为30%、ADF为18%、EE为5%、Ash为14%、OMD为86%、ME为13 MJ· kg-1), 其营养价值指标为理想状态最优, 将各牧草8项指标均给予识别表示为1, X品种识别表示为0, 权重选取为0.125, 认为8个指标同等重要[11]。按综合价值排序结果表明(表6), 时期Ⅰ , 综合价值最好的为鸭茅。时期Ⅱ , 综合价值最好的前3种牧草分别为西伯利亚羽衣草、鸭茅、罗马苜蓿。时期Ⅲ , 综合价值最好的前3种牧草分别为红花车轴草、西伯利亚羽衣草、罗马苜蓿。时期Ⅳ , 综合价值最好的牧草为鸭茅。时期Ⅴ , 综合价值最好的为针茅, 时期Ⅵ 综合价值最好的为紫花鸢尾。对于同一种牧草在不同利用季节的综合价值(表6), 针茅、芨芨草、紫花鸢尾综合营养价值最佳时期为时期Ⅰ , 其余牧草为时期Ⅱ 。

表6 各季节牧草与参考品种相似程度及营养价值综合排序 Table 6 The similarity degree of forage and reference varieties and the rank of nutritive value with SPRA
3 讨论

草地牧草的营养价值评定, 通常是根据牧草常规化学物质成分含量多寡, 特别是主要营养物质(粗蛋白、粗纤维、矿物质等)含量的高低来确定其营养价值的评定指标[5, 12]。牧草的营养价值是植物体内可被家畜利用的各种营养物质成分, 应该是多项营养物质含量的综合体现。与此同时, 牧草的各项营养物质成分及营养价值还通过放牧家畜利用消化吸收的成效性反映, 即动物体对饲料消化率越高, 牧草的饲料营养价值就越好[13]。本研究采用牧草营养物质含量与动物消化利用率相结合的方式, 并运用可量化的综合评价方法(PCA)对研究区放牧草地的主要饲草组成牧草营养价值进行评价, 得出了放牧草地各经济类群主要牧草的综合营养价值评价结论和不同牧草综合营养价值的季节性变化规律。

以往研究表明, 夏季放牧草地主要放牧区为亚高山草甸亚类和高山高寒草甸亚类, 其中分布的主要牧草为西伯利亚羽衣草、线叶嵩草和细果苔草[2, 6]。通过本研究表明, 这3种牧草中西伯利亚羽衣草的综合营养价值最好, 另外本课题组研究表明同一时期高山地榆(Sanguisorba alpina)的综合营养价值要优于西伯利亚羽衣草[6], 而由于高山地榆仅作为伴生种分布于该草地类型中, 其产量低、耐牧性较差, 因此对于放牧家畜的利用效率较低。另外在同一时期, 鸭茅和罗马苜蓿的综合营养价值也较好, 二者分别作为禾本科和豆科的优势物种, 主要分布于山地草甸亚类型和山地温性草甸草原亚类草地中, 其均在所属草地中有较高的产量和耐牧性。这与本课题组在同一地域的调查研究(2013年)结果相同[11, 14]。由于各牧草种类和生育期的不一致, 使得其综合营养价值随着生长季节变化呈现不同的规律, 而本研究发现除针茅、芨芨草、紫花鸢尾综合营养价值最佳的利用季节在春季营养生长期, 其余牧草的均为夏季开花期。这是由于在夏季开花期, 水、热条件均为全年最佳时期, 此时的分布生境和温-水互作效应更利于营养物质的积累[5]。而其中紫花鸢尾在春季营养生长期叶片含有涩味, 家畜适口性较差, 所以在综合营养价值评价中也应充分考虑家畜的适口性, 并通过一定调控手段改善植物适口性以提高其饲用价值。此外, 牧草营养价值季节性变化特征还受牧草本身遗传特性和生长环境的影响, 既体现了牧草生长发育过程中营养物质含量对植物本身遗传物质的调控特征, 又反映了气候因子在牧草营养物质随季节变化的重要性[2, 13, 15, 16, 17]。

另外, 就放牧家畜饲草获取而言, 草地牧草中营养物质含量和家畜消化利用程度的高低是处在动态变化中的, 不仅存在不同放牧季节草地的牧草种类变化, 也存在于不同生长发育阶段各牧草间的综合营养价值变化, 即使是同一种牧草处在不同生长阶段所含营养物质的含量也有很大差异, 这就导致不同放牧季节时期草地牧草综合营养价值的差异[5, 13, 18]。本研究根据当地传统的季节放牧特点为依据[15, 19], 按照四季放牧草地上构成家畜饲草的主要牧草在利用期内进行分期采样, 通过对这些牧草整个生育期的营养特征和消化率水平的动态分析, 确定这些主要牧草的综合营养价值, 为合理配置草地资源, 尤其是天然草地合理放牧提供详实的基础资料。然而, 对放牧草地牧草营养价值进行评价涉及生态科学、植物科学、动物科学等方面的多项复杂因素, 如生态科学考虑牧草所处的生境、气候状况等[20], 植物科学考虑牧草的组成与种群变化、化学成分含量、生育期变化等[5, 13, 18], 动物科学考虑家畜采食量、适口性特征、放牧利用率、营养摄入水平和饲料消化率等[21], 这些方面均同牧草综合营养价值有直接或间接的关联。本研究在评定放牧季节草地主要牧草营养物质成分与动物消化率的同时, 对牧草各季节生长时期营养动态规律和综合营养价值变化特征加以分析, 力求揭示出放牧草地家畜营养供给特点和四季变化的客观规律。

4 结论

经本研究在沙尔套山放牧草地主要牧草营养价值变化特征研究, 得出以下结论:

1)研究区放牧草地12种主要牧草, 除针茅、芨芨草、紫花鸢尾最佳利用季节在春季营养生长期(6月), 其余牧草的最佳利用季节均为夏季开花期(7月)。

2)放牧草地各季节利用期内, 春季营养生长期(6月), 综合营养价值最好的为鸭茅; 夏季开花期(7月), 综合价值最好的牧草为西伯利亚羽衣草; 秋季结实期(8月), 综合营养价值最好的牧草为红花车轴草; 秋季果后营养期(9月), 综合营养价值最好的牧草为鸭茅; 冬季停止生长(10月)和枯草期(11月), 综合营养价值最好的分别为针茅和紫花鸢尾。

The authors have declared that no competing interests exist.

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