中国西北地区高水分苜蓿干草打捆过程中水分含量与干草防腐剂施用量的优化

《Grassland Research》：Optimization of moisture content and application rate of hay preservative during high-moisture alfalfa hay baling in northwestern China

　　

背景：低水分打捆时的叶片破碎和高水分条件下的霉菌滋生是苜蓿干草生产中的主要挑战。一种基于丙酸的专有干草防腐剂产品LZP能有效抑制高水分苜蓿草捆中的微生物繁殖；然而，其最佳水分阈值和施用率尚未明确。方法：采用双因素设计测试打捆水分（低，17%–21%；高，21%–26%）和LZP施用量（0、4和6 L t^?1），并以常规干草捆（水分低于15%）作为对照。结果：施用6 L t^?1 LZP的低水分草捆，其温度特性以及霉菌和酵母菌计数与对照相当，同时与未施用LZP（0 L t^?1）的低水分草捆相比，最高温度降低了23.1°C，高于30°C的热度日（60天）降低了153°C·d。尽管施用6 L t^?1 LZP的高水分草捆中微生物生长受到抑制，但草捆核心区域仍出现严重霉变。与未处理草捆相比，LZP在两个水分水平下均显著降低了中性洗涤不溶性粗蛋白和酸性洗涤不溶性粗蛋白（NDICP， ADICP）（p < 0.05）。施用4或6 L t^?1的低水分草捆的抗真菌效果优于相应的高水分草捆。结论：确定最佳打捆水分和LZP施用量分别为17%–21%和4–6 L t^?1。

**论文解读：中国西北地区高水分苜蓿干草打捆中LZP防腐剂水分与用量优化研究**

**研究背景与问题**
苜蓿（Medicago sativa L.）干草生产是畜牧业的重要环节。为了确保安全贮藏，传统做法要求打捆时水分含量低于安全阈值（<15%）。然而，在中国西北地区，不可预测的降雨和次优的干燥条件常常迫使生产者在面临降雨导致品质下降的风险与高水分打捆引发霉变风险之间做出艰难抉择，尤其是在第一和第四次收获周期。这两种情况都会导致苜蓿干草营养价值显著降低。降雨会淋溶干草中的可溶性养分，特别是高消化率的碳水化合物，导致叶绿素降解和品质下降。而旨在加速雨后田间干燥的摊晒和搂草操作会进一步加剧干物质损失。另一方面，高水分打捆可以降低突发性降雨和叶片破碎造成的雨损和养分流失风险。然而，较高的水分含量会促进草捆内不良微生物（如霉菌和酵母）的生长繁殖，引发发热和养分分解代谢，特别是将非结构性碳水化合物转化为H₂O和CO₂。同时，霉菌和酵母产生的代谢物——霉菌毒素在草捆中的积累，对牲畜健康构成严重威胁并损害食品安全。因此，针对中国西北地区苜蓿干草加工，亟需一种低成本、高效的干草防腐剂解决方案。

尽管化学防腐剂（如丙酸）和微生物接种剂（如戊糖片球菌）已在高水分苜蓿干草打捆中得到广泛应用并取得显著进展，但在中国西北地区，系统评估打捆水分与防腐剂施用量对苜蓿干草贮藏综合影响的研究尚少。先前关于高水分干草保存的研究主要在北美进行，其气候条件、生产系统（如草捆类型和尺寸）以及使用的防腐剂产品（本研究评估的LZP是一种由甘肃普罗比康生物科技有限公司生产的商业化缓冲丙酸基干草防腐剂）与中国西北地区存在显著差异。因此，需要开展区域特异性评估，以确定先前报道的草捆水分、防腐剂用量、发热、微生物增殖和营养价值之间的关系是否适用于中国西北地区的高水分苜蓿干草打捆。打捆水分含量和防腐剂施用量是影响高水分苜蓿干草生产及其防腐剂抗真菌效果的两个关键参数。因此，本研究旨在通过将不同用量的LZP应用于低水分和高水分的大型长方形苜蓿草捆，探究贮藏期间草捆温度、酵母和霉菌计数以及营养价值的动态变化和特征，从而生成区域特异性的管理建议。该论文发表在《Grassland Research》期刊上。

**关键研究方法**
本研究采用双因素实验设计，因素为打捆水分含量（低：17%–21%；高：21%–26%）和LZP防腐剂施用量（0、4和6 L t^?1），并设置常规干草捆（水分<15%，未施用防腐剂）作为对照。实验在中国甘肃武威的苜蓿生产基地进行，使用第四茬现蕾期苜蓿。通过配备防腐剂施用器和在线流量计的大型长方形打捆机进行打捆，实时监控施用量。打捆后，草捆置于室内仓库的木托盘上贮藏60天。核心监测指标包括：1）使用数据记录仪连续60天每小时记录草捆几何中心温度，计算最高温度、平均温度和高于30°C的热度日等参数；2）在贮藏第0、7、14、30和60天进行采样，通过平板计数法测定霉菌和酵母菌落数，并在第60天进行视觉霉变评估；3）分析贮藏后的营养品质，包括干物质、粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤不溶性粗蛋白、酸性洗涤不溶性粗蛋白、水溶性碳水化合物、粗脂肪、粗灰分以及相对饲用价值；4）采用熵权法对七个处理的抗真菌效果进行综合评价，指标涵盖营养价值、微生物计数和草捆温度特性。

**研究结果**
**草捆温度动态与特征**：在所有处理中，草捆温度轨迹呈现相似模式，但峰值出现时间不同。防腐剂施用量对温度参数有显著影响，增加施用量显著降低了最高温度、热度日和平均温度。打捆水分的影响相对较小，但高水分草捆的最高温度略高于低水分草捆。对于60天贮藏期的平均温度，观察到水分水平与防腐剂用量之间存在显著的交互作用。在低水分条件下，增加防腐剂用量导致平均温度显著降低（从22.9°C降至6.3°C），而在高水分条件下降低幅度较小（从16.1°C降至12.4°C）。在所有处理中，施用6 L t^?1 LZP的低水分草捆始终表现出最低的温度值。单因素方差分析证实，该处理的温度特性与常规干草捆无显著差异，且显著低于所有其他处理。
**霉菌和酵母计数**：贮藏期间霉菌和酵母的发展受防腐剂施用量的显著影响。在大多数采样时间点（第7、14、30和60天），增加防腐剂用量显著降低了霉菌计数。未处理草捆在整个贮藏期间始终显示出最高的霉菌水平。在第14天，观察到水分水平与防腐剂用量对霉菌计数存在显著的交互作用：在低水分条件下，仅6 L t^?1的用量能显著降低霉菌；而在高水分条件下，4和6 L t^?1的用量均能降低霉菌。酵母计数呈现类似规律。防腐剂用量在所有贮藏后采样时间点均有高度显著的主效应。视觉霉变评分分析显示，打捆水分和防腐剂用量均有显著的主效应。高水分草捆比低水分草捆表现出更严重的霉变发展，增加防腐剂用量持续减少了可见霉变症状。值得注意的是，在第60天打开草捆时，高水分草捆的核心区域观察到严重霉变。单因素方差分析表明，低水分、6 L t^?1处理是唯一一个在几乎所有贮藏时间点，其霉菌和酵母计数与常规干草捆无统计学差异，且显著低于所有其他处理的处理。
**贮藏后营养价值**：打捆水分和防腐剂施用量对大多数常规养分的影响有限。仅对干物质含量观察到显著的交互作用。其他参数如粗蛋白、酸性洗涤纤维和相对饲用价值未受显著影响。防腐剂施用显著降低了中性洗涤纤维浓度。最显著的影响体现在纤维结合蛋白组分上。打捆水分和防腐剂用量对中性洗涤不溶性粗蛋白和酸性洗涤不溶性粗蛋白有显著的主效应。这些蛋白组分随着防腐剂用量的增加而降低，并且在高水分草捆中始终高于低水分草捆。在所有处理组合中，施用6 L t^?1的低水分草捆显示出最低的纤维结合蛋白水平，表明对蛋白质品质的保护最为有效。单因素方差分析证实，低水分、6 L t^?1处理的蛋白质保存品质与常规干草捆无显著差异，且优于大多数其他处理。
**草捆营养价值与温度特性、霉菌和酵母计数的相关性**：贮藏后营养成分与发热和微生物发展指标之间存在显著相关性。粗蛋白和水溶性碳水化合物与温度参数和霉菌计数呈负相关，表明较高的发热强度和霉菌发展与降低的营养品质相关。相对饲用价值也与霉菌计数和平均贮藏温度呈负相关。相反，纤维相关组分与发热和霉菌发展呈强正相关。中性洗涤纤维和纤维结合蛋白组分与霉菌计数和温度参数呈正相关。
**抗真菌效果综合评价**：综合评价表明，施用6或4 L t^?1的低水分草捆获得了最高的综合评分，反映了最有效的抗真菌性能。相比之下，即使施用防腐剂的高水分草捆也显示出较低的综合评分，表明在较高水分条件下效果降低。两个水分水平下未处理的草捆其综合评分均低于常规干草对照。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究人员对草捆温度、霉菌和酵母计数以及贮藏后营养价值进行了深入讨论。关于**草捆温度**，研究发现，在低水分条件下，施用LZP的草捆在整个贮藏期间的温度通常高于未施用防腐剂的低水分草捆。然而，在高水分条件下，施用4 L t^?1的草捆在贮藏18天后的内部温度高于施用6 L t^?1或未施用防腐剂的草捆，这表明4 L t^?1的用量在较高水分条件下抑制效果不足。高初始水分会促进微生物生长和呼吸作用，从而增加贮藏期间的产热。防腐剂处理延迟了高水分草捆峰值温度的出现，这可能是由于防腐剂延长了不良微生物的滞后期，从而改变了典型的草捆发热模式。防腐剂施用量显著影响了草捆的最高温度，随着施用量的增加，最高温度呈明显下降趋势。防腐剂施用量对初始30天和整个60天贮藏期的热度日和平均温度均有高度显著的主效应，这些值随着施用量的增加而显著降低。热度日是反映草捆经历有害高温强度和持续时间的关键综合指标。热度日的降低直接证明了防腐剂在减轻热损伤和增强贮藏稳定性方面的有效性。此外，在低水分条件下，平均温度随防腐剂用量增加而降低的程度比在高水分条件下更为明显。这种差异可能归因于不同水分条件下草捆的物理结构和微生物群落组成的差异。低水分条件可能有利于防腐剂在草捆内更均匀地分布和渗透，从而增强其抗真菌效果。

关于**霉菌和酵母计数**，研究发现，在第0天，所有草捆的霉菌和酵母计数无显著差异。此后，两者在贮藏前14天均显著增加，随后趋于稳定。这种模式与有氧干草贮藏期间典型的微生物生长动态一致。防腐剂施用量在整个贮藏期间对霉菌和酵母计数均具有持续且显著的主效应，抑制效果随着施用量的增加而增强。在第14天，防腐剂对高水分草捆中霉菌的抑制效果更为明显。对于酵母，在第7天，在低水分草捆中，中等和高等用量均能显著抑制酵母，而在高水分草捆中，仅最高用量有效。这种霉菌和酵母抑制效果的差异可能源于两类微生物群对水分活度的不同反应以及对防腐剂的不同敏感性。视觉霉变评分分析与微生物计数结果基本一致。值得注意的是，在第60天打开草捆时，高水分草捆的核心区域观察到严重霉变，这可能是由于这些草捆较高的水分含量阻碍了内部热量和水分的散失，从而促进了广泛的微生物生长。

关于**贮藏后营养价值**，研究发现，防腐剂施用对苜蓿草捆营养价值的保存有显著影响，其对蛋白质质量指标的影响比对常规养分更为明显。观察到防腐剂施用量与打捆水分对草捆干物质含量存在显著的交互作用。在低水分条件下，防腐剂施用减少了干物质损失，但在高水分条件下未观察到这种效果。双因素分析表明，水分或防腐剂对大多数常规养分（粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和水溶性碳水化合物）无显著主效应，但与常规干草捆的比较揭示了更复杂的结果。高水分、4 L t^?1处理的粗蛋白含量显著高于常规干草捆，这表明防腐剂在特定条件下不仅可以保存，甚至可以提高粗蛋白含量，可能是通过防止贮藏期间的蛋白水解和氮损失。防腐剂施用显著降低了中性洗涤纤维浓度，但双因素分析未检测到对酸性洗涤纤维的显著主效应。由于丙酸基防腐剂不直接降解结构性碳水化合物，观察到的中性洗涤纤维降低可能反映了贮藏期间非结构性成分保存的改善，而非直接的纤维降解。防腐剂最显著的好处体现在蛋白质质量指标上。防腐剂施用量和打捆水分对贮藏后草捆的纤维结合蛋白均有显著的主效应。这些不良蛋白质复合物随着防腐剂用量的增加而减少，并且在低水分草捆中始终低于高水分草捆。这种蛋白质溶解性的保存与自发发热的缓解直接相关，因为热度日等指标是调控美拉德反应（将可溶性蛋白质转化为不溶性形式）的关键调节因子。通过抑制温度升高，防腐剂有效地打破了“微生物活动—产热—蛋白质损伤”的有害链条，从而保存了高质量的蛋白质。在所有处理中，6 L t^?1低水分组合产生了最有利的结果，显示出最低的中性洗涤不溶性粗蛋白和酸性洗涤不溶性粗蛋白水平。

**研究结论**：打捆水分含量和LZP施用量共同影响了中国西北地区条件下苜蓿干草贮藏期间的自发发热、微生物发展和养分保存。与水分含量17%–21%的草捆相比，水分含量21%–26%的草捆更容易发热、滋生霉菌和酵母，且蛋白质品质更易恶化。LZP的施用减少了自发发热并提高了贮藏稳定性，但其效果在很大程度上取决于打捆水分含量。基于综合评价，建议在中国西北地区的大型长方形苜蓿草捆生产中，采用17%–21%的打捆水分含量并施用4–6 L t^?1的LZP。当打捆水分增加到21%–26%时，LZP仍能减轻品质恶化，但保存效果不太稳定，表明即使施用防腐剂也应避免水分过高。这些发现明确了LZP用于高水分苜蓿干草打捆的适宜水分范围和施用量，为中国西北地区的干草保存提供了区域特异性指导。