1. 引言
日粮氮的高效利用对于提高动物生产力和减少向环境中的氮排泄至关重要。在单胃动物中，“理想蛋白”概念强调平衡氨基酸供应以避免过量氮损失，尿素氮（UN）可作为氮利用效率的指标。在反刍动物中，瘤胃微生物可以将尿素等非蛋白氮（NPN）源转化为微生物蛋白，作为宿主氨基酸的主要来源。日粮中水溶性氮（WSN）的比例影响瘤胃可降解氮的可用性及其与可发酵能量的同步化，从而影响发酵特性和养分利用。
畜牧业生产的快速扩张，受全球对动物蛋白需求增长的驱动，引发了日益增长的环境可持续性担忧。反刍动物是农业温室气体（GHG）排放的最大贡献者之一，尤其是由肠道发酵产生的甲烷（CH4 ）。由于甲烷形成既是对环境的负担，也是动物的能量损失，因此减少CH4 排放的营养策略是反刍动物研究的优先事项。在这些策略中，改变日粮的碳水化合物和氮组成已被证明会影响瘤胃发酵模式和甲烷产量。青贮饲料是广泛采用的改善饲料质量和改变发酵特性的方法。在青贮过程中，乳酸菌将可溶性碳水化合物发酵成乳酸，降低pH值并增强饲料保存。一旦摄入，乳酸可以在瘤胃中进一步代谢，导致挥发性脂肪酸（VFA）谱的变化，这通常与甲烷形成的改变有关。与新鲜牧草相比，玉米青贮通常含有更高浓度的可溶性碳水化合物和粗脂肪（EE），这些特性通常与改善的发酵性能有关。
象草是热带地区（如越南湄公河三角洲）反刍动物的常见牧草。然而，其高纤维组分，包括中性洗涤纤维（NDF）和半纤维素，通常限制消化率，并与发酵过程中较高的甲烷产量相关。相比之下，玉米青贮通常含有较低的纤维和较高的氮溶解度，这表明用玉米青贮部分或完全替代象草可能会改善养分利用并改变发酵结果。
基于这些考虑，本研究评估了逐步用玉米青贮替代象草对体外瘤胃发酵、养分消化率和气体产量的影响。由于牧草替代会同时改变氮溶解度和碳水化合物组成，本研究侧重于表征随着玉米青贮添加水平增加而变化的发酵和甲烷反应，而不是分离单一膳食成分的影响。因此，本研究目的是评估分级玉米青贮替代（干物质的0–100%）如何影响体外发酵特性、消化率和温室气体产量，使用山羊瘤胃液作为接种物。
2. 材料与方法
实验在越南芹苴大学农学院动物科学学院E205实验室的受控实验室条件下进行。象草在芹苴省Cam Nhung兔场种植，在45天再生期收获以确保成熟度和营养成分均匀。玉米青贮由在乳熟至蜡熟期收集的全株玉米制备，收获自芹苴大学实验畜牧场。收获的玉米植株被切碎、压实，并在气密容器中青贮21天，以确保在实验使用前充分发酵。
实验采用完全随机设计，五种日粮处理，每个处理30个重复。处理包括按干物质（DM）基础以0%、25%、50%、75%和100%的比例分级替代象草为玉米青贮。由于牧草替代，日粮水溶性氮（WSN）水平占全氮（TN）的比例范围为18.5%至34.6%。象草作为基础底物，收获后切碎至约1厘米长度，在65°C烘箱中干燥24小时，随后研磨通过1毫米筛。玉米青贮使用前青贮21天。
对于体外发酵，代表性饲料样品（200毫克DM）在50毫升校准玻璃注射器中培养，加入30毫升缓冲矿物溶液和瘤胃液混合物（2:1，体积比）。每个注射器在孵育前用CO2 冲洗以确保厌氧条件。然后将注射器置于39°C水浴中维持72小时。瘤胃液在屠宰后立即从当地屠宰场的两只成熟杂交公羊（波尔山羊 × 巴赫涛）收集。瘤胃内容物通过四层纱布过滤到预热的保温瓶中，并在1小时内运送到实验室以维持微生物活性。
提供饲料的成分进行分析。干物质（DM）、有机物（OM）和灰分含量根据AOAC程序测定。饲料样品中的氮（N）浓度使用凯氏定氮法分析。纤维组分，包括中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL），根据所述方法测定。水溶性氮（WSN）通过用100毫升1 M NaCl溶液提取3克饲料样品进行定量。
孵育期持续72小时。总产气量、甲烷（CH4 ）和二氧化碳（CO2 ）在孵育0、3、6、12、24、36、48、60和72小时记录。气体成分使用沼气分析仪分析。未消化残渣在24、48和72小时通过两层布过滤收集，在105°C干燥24小时，随后在550°C灰化3小时。这些值用于计算干物质降解率（DMD）和有机物降解率（OMD）。
瘤胃液的pH值在过滤后立即使用便携式pH计测量。氨氮（NH3 -N）浓度通过硼酸吸收蒸馏和用0.1 N H2 SO4 滴定测定，遵循凯氏定氮程序。挥发性脂肪酸（VFA）通过蒸馏法测定。
所有数据使用完全随机设计下的方差分析（ANOVA）进行分析，日粮处理作为固定效应，每个注射器被视为实验单位。玉米青贮替代水平（0、25、50、75和100% DM）代表反映分级日粮配方的有序处理水平。为了进一步探索随着玉米青贮添加量增加可能存在的响应模式，应用正交多项式对比作为补充分析，以检验发酵特性、消化率和气体产量的线性和二次趋势。保留处理间比较以评估日粮配方之间生物学相关的差异。检查模型残差以确认正态性和方差齐性。统计分析使用Minitab 20进行，差异在p < 0.05时被认为具有统计学显著性。结果以平均值及其对应的均值标准误（SEM）呈现。
3. 结果与讨论
与象草相比，玉米青贮的结构性碳水化合物浓度较低，特别是NDF（45.5对比57.5% DM）和半纤维素（13.4对比22.6% DM），但粗脂肪（EE）含量较高（8.11对比3.38% DM）。另一方面，象草含有较高水平的纤维组分，包括NDF、ADF和半纤维素，这些与降低的降解率和由于增强的纤维发酵而导致的更大甲烷产量相关。玉米青贮的粗蛋白含量（8.78% DM）略高于象草（7.65% DM）。值得注意的是，与象草（18.5%）相比，玉米青贮表现出明显更高的氮溶解度（34.6%），这表明添加玉米青贮可以显著增加瘤胃微生物可用的水溶性氮比例。
因此，配制的日粮随着玉米青贮添加水平的增加显示出营养成分的渐进变化。NDF含量从0CS日粮的57.5%下降到100CS日粮的45.5%，而粗脂肪含量从3.38%增加到8.11%。同样，氮溶解度从0CS日粮的18.5%增加到100CS日粮的34.6%。这些组成变化具有实际重要性，因为据报道较高的粗脂肪与通过抑制产甲烷古菌和原生动物来减少甲烷生成有关，而增加的溶解氮如果与可发酵能量的可用性同步，则可以增强微生物蛋白合成。因此，用玉米青贮替代象草不仅改变了日粮纤维和脂质供应，还改变了氮溶解度，从而创造了可能影响后续瘤胃发酵模式和气体产量的不同营养背景。
孵育前9小时的总沼气、CH4 和CO2 产量在含有玉米青贮的日粮和含有100%象草的对照日粮（0CS）之间存在显著差异。从9到48小时，各处理间的产气量趋势相对相似。然而，在后期孵育阶段（48–72小时），25CS日粮始终比0CS产生更多的总沼气，并且在60和72小时，25CS处理的CH4 和CO2 产量均显著高于对照。有趣的是，尽管玉米青贮日粮的水溶性氮（WSN）含量较高，但CH4 产量并未在各处理间一致增加。先前的研究表明，高水平的溶解氮会刺激甲烷生成，但本研究结果表明CH4 产量的响应因日粮处理而异，并且没有遵循简单的单调模式，这表明涉及额外的日粮和发酵相关因素。
有几种机制可以解释这些差异。首先，象草含有较高的结构性碳水化合物，特别是半纤维素，这些易于发酵，可能导致了0CS日粮中较高的早期产气量。其次，青贮过程将部分可溶性碳水化合物分解为乳酸。一旦进入瘤胃，乳酸迅速转化为丙酸盐，后者充当氢汇，从而可能有助于降低CH4 形成。这一解释得到了支持，其报告减少的甲烷输出通常与丙酸盐合成的增加同时发生，从而改善新陈代谢的葡萄糖供应并提高动物生产力。此外，玉米青贮的粗脂肪含量（8.11% DM）是象草（3.38% DM）的两倍多。日粮脂肪，尤其是不饱和脂肪酸，据报道通过将氢转向生物氢化以及通过抑制纤维分解细菌和原生动物（它们是甲烷生成的关键贡献者）来减轻甲烷排放。总的来说，这些结果表明，溶解氮对甲烷的影响应在更广泛的营养背景下解释，其中纤维组成、发酵终产物和脂质含量相互作用以塑造瘤胃发酵特性。
体外孵育期间的发酵参数。NH3 -N浓度在处理和孵育时间之间存在显著差异。玉米青贮日粮通常显示出较高的NH3 -N值，反映了其较高的WSN含量。然而，NH3 -N浓度从48到72小时在所有处理中下降，表明氨被微生物同化为微生物蛋白的增强，这可能与日粮相对较低的粗蛋白水平（7.65–8.78% DM）有关。这一解释得到了支持，其证明微生物蛋白合成随着NH3 -N可用性增加而增加，但在超过一定浓度后趋于平稳，这意味着适度的NH3 -N消耗可以反映改善的微生物效率。类似地将瘤胃NH3 -N减少视为日粮氮转化为微生物蛋白增强的指标。挥发性脂肪酸（VFA）在孵育过程中逐渐增加，在24、48和72小时观察到显著差异。含有玉米青贮的日粮始终产生更高的VFA浓度，这与可发酵底物的更大可用性一致。值得注意的是，青贮过程中产生的乳酸可能将发酵转向丙酸盐形成，这可能部分解释了VFA同时增加和CH4 输出减少。瘤胃液pH值在72小时孵育期间逐渐下降，从初始值7.10（0小时）降至72小时时的5.70–5.88。尽管在各时间点未检测到处理间的显著差异，但在玉米青贮添加量较高的日粮中观察到的下降趋势与增强的VFA产生一致。最终的pH值低于瘤胃最佳范围6.6–7.0，反映了强化的发酵活动。这种酸性环境可能抑制蛋白水解活性和脱氨基作用，从而促成观察到的NH3 -N动态。
总的来说，将玉米青贮纳入日粮增强了发酵效率，这通过更高的VFA输出和与象草相比更低的CH4 排放来证明。这些结果表明向更有利的能量转换途径转变，并表明用玉米青贮替代象草可以提高瘤胃发酵效率，同时减轻温室气体排放。
干物质降解率（DMD）和温室气体产量在24、48和72小时孵育时呈现。检测到处理间存在显著差异。在24小时，DMD在各日粮间差异很大，50CS的最高值为30.0%，75CS的最低值为24.0%。到48小时，降解率显著增加（比24小时高1.2–1.9倍），100CS达到最大值46.2%，50CS达到最小值34.6%。经过72小时孵育后，DMD值收敛到一个更窄的范围（42.9–50.0%），反映了由于易发酵养分耗尽和向顽固纤维组分的转变，后期发酵速度较慢。这些发现与报告一致，其指出体外消化率受到孵育时间、牧草特性和微生物接种物特性的强烈影响。
温室气体产量与DDM的比率揭示了发酵效率的重要差异。在24小时，CH4 /DDM和CO2 /DDM值在处理间无显著差异。然而，在48小时，出现了显著变化：25CS和50CS产生最高的CH4 /DDM（128–129毫升/克），而100CS产生最低的（80.9毫升/克）。类似地，CO2 /DDM在50CS和25CS达到峰值（396–397毫升/克），而100CS显示最低输出（264毫升/克）。到72小时，100CS和75CS再次产生比其他日粮更低的CH4 /DDM和CO2 /DDM，表明含有较高比例玉米青贮的日粮与单位消化底物的较低温室气体产量和改善的能量利用效率相关。Vgas/DDM指数进一步支持了这些模式，该指数整合了相对于DDM的总气体产量。在48小时，25CS表现出最高的Vgas/DDM（894毫升/克），而100CS保持最低（602毫升/克）。到72小时，25CS和50CS都维持较高的Vgas/DDM值（约960毫升/克），而100CS再次产生最少（776毫升/克）。这些结果表明，中等替代水平（25-50%玉米青贮）与更强烈的发酵活动相关，而完全替代（100CS）导致相对于底物消化的较低气体强度。据报道，青贮改变了粗蛋白和碳水化合物的可用性，这可能部分解释了观察到的部分和完全替代处理之间的差异。总之，含有较高比例玉米青贮（≥75%）的日粮表现出单位消化DM的CH4 和CO2 产量降低，而中等添加水平（25–50%）与更大的气体产生强度相关。这些结果表明，在本体外研究条件下，完全用玉米青贮替代可以支持改善的发酵效率和降低的温室气体强度。
有机物降解率（OMD）和温室气体产量。与DMD类似，OMD在各处理中随着孵育时间的增加而增加。在24小时，OMD范围从75CS的25.5%到50CS的30.9%。在48小时，100CS的OMD（47.1%）显著高于25CS（35.5%），而中等处理（50CS和75CS）在38–41%之间。72小时后，处理效应减弱，OMD值收敛到47–53%，表明长期孵育均衡了日粮间的差异。单位DOM的气体产量揭示了更清晰的处理效应。CH4 /DOM在25CS中始终较高（48和72小时时为138–142毫升/克），在100CS中最低（82–93毫升/克）。这一模式表明，完全用玉米青贮替代的日粮与单位消化有机物的较低甲烷强度相关。CO2 /DOM遵循类似的模式，在48和72小时，100CS显著低于部分替代日粮。Vgas/DOM值提供了额外证据。在48小时，25CS显示最高值（966毫升/克），而100CS显示最低（612毫升/克）。到72小时，Vgas/DOM在100CS中（786毫升/克）仍然低于部分替代日粮（>850毫升/克），这强化了观察结果，即完全玉米青贮替代与单位消化底物的总气体产量减少相关。这些发现与报告一致，其指出青贮日粮促进更有效的OM分解和纤维利用，从而提高能量效率和降低温室气体产量。总的来说，OMD数据证实，玉米青贮添加，特别是在完全替代下，改善了有机物利用效率并降低了单位消化OM的甲烷强度。这些结果支持了玉米青贮日粮在体外条件下提高饲料转化效率同时减轻温室气体排放的潜力。
4. 结论
本研究表明，在体外瘤胃发酵中用玉米青贮替代象草改变了养分利用和气体动力学。与象草相比，含有75–100%玉米青贮且具有较高水溶性氮水平的日粮与较低的甲烷（CH4 ）产量、更高的干物质和有机物消化率以及更高的挥发性脂肪酸（VFA）浓度相关。尽管部分替代（25–50%玉米青贮）增强了发酵强度和气体输出，但完全替代减少了单位消化底物的CH4 和CO2 产量，表明在本体外系统条件下发酵效率得到改善。观察到的CH4 减少可能与向丙酸盐形成的转变、青贮饲料中乳酸的贡献以及玉米青贮较高的粗脂肪含量有关，这些共同限制了用于产甲烷的氢可用性。这些发现强调，青贮玉米可以在受控的体外条件下同时改善饲料利用和减轻温室气体排放。因此，将玉米青贮纳入反刍动物日粮可能代表一种实用的策略，以提高能量转换效率，同时为气候智能型畜牧业生产系统做出贡献。
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