喀斯特山区草地施肥对放牧乌蒙半细毛羊抗氧化系统功能的影响
[廖建军1 
, 申小云1, 2, 3 , 霍宾1, 2 , 熊康宁1, * ]
, 申小云]
引用本文
廖建军, 申小云, 霍宾, 熊康宁. 喀斯特山区草地施肥对放牧乌蒙半细毛羊抗氧化系统功能的影响. 草业学报, 2018,27(1): 169-176
LIAO Jian-jun, SHEN Xiao-yun, HUO Bin, XIONG Kang-ning. Effect of nitrogenous fertilizer on the antioxidant systems of grassland species in the Karst mountains. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(1): 169-176
Doi:10.11686/cyxb2017275LIAO Jian-jun, SHEN Xiao-yun, HUO Bin, XIONG Kang-ning. Effect of nitrogenous fertilizer on the antioxidant systems of grassland species in the Karst mountains. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(1): 169-176
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喀斯特山区草地施肥对放牧乌蒙半细毛羊抗氧化系统功能的影响
作者简介:廖建军(1993-),男,江西崇仁人,在读硕士。E-mail:guiyangljj@163.com
摘要
为选择草地施肥的肥料种类,减少施肥对乌蒙半细毛羊产业的影响,在威宁县凉水沟种羊场多年生人工草地开展施肥和放牧试验。 结果表明:凉水沟种羊场人工草地牧草铜含量相对较低,但仍高于乌蒙半细毛羊营养需要标准;施肥极显著增加牧草氮含量( P<0.01),各施肥处理之间没有明显差异。硫酸铵施肥显著增加牧草硫和锌含量( P<0.01),显著降低了牧草硒的含量( P<0.01)。放牧试验结束时,施硫酸铵草地的乌蒙半细毛羊血液中铜、铁和硒的含量极显著低于施硝酸铵草地和对照组( P<0.01), 动物血液锌和硫含量极显著高于硝酸铵施肥牧场和对照组( P<0.01)。硫酸铵施肥牧场的乌蒙半细毛羊血红蛋白、红细胞压积容量极显著低于硝酸铵施肥牧场和对照牧场( P<0.01),血清铜蓝蛋白含量、血清超氧化物歧化酶活力、血清谷胱甘肽过氧化物酶活力和血清过氧化氢酶等抗氧化酶的活力极显著低于硝酸铵施肥牧场和对照牧场( P<0.01),丙二醛的含量显著高于硝酸铵施肥牧场和对照牧场( P<0.01)。血液其他矿质元素和血液指标及血清生化值在2个施肥处理和对照之间均差异不显著。 因此得出结论,草地施肥的种类需要根据土壤矿物质分布和含量情况确定,铜含量低的牧场不适合硫酸铵施肥,硫酸铵施肥明显影响了乌蒙半细毛羊机体抗氧化系统功能。
关键词:
氮肥; 喀斯特山区; 草地; 乌蒙半细毛羊; 抗氧化系统功能
Effect of nitrogenous fertilizer on the antioxidant systems of grassland species in the Karst mountains
Abstract
To identify the effect of different nitrogen fertilizer on grassland, fertilization and grazing treatments were applied to perennial grassland grazed by Wumeng semi-fine wool sheep in Weining County. The results showed that copper content in grasses was relatively low, but was higher than the minimum requirement for sheep. Application of nitrogen significantly increase nitrogen content ( P<0.01) in herbage but there were no differences among different forms of nitrogen. Ammonium sulfate significantly increased the sulfur and zinc content ( P<0.01) of herbage, but significantly decreased the selenium content ( P<0.01). At the end of grazing experiment, copper, iron and selenium concentration in the blood of sheep grazing grassland treated with ammonium sulfate was significantly lower ( P<0.01) than in sheep grazing ammonium nitrate treated grassland; blood zinc and sulfur were also significantly higher ( P<0.01). Sheep grazing ammonium sulfate treated pasture had significantly lower ( P<0.01) blood hemoglobin and hematocrit capacity than sheep grazing pasture treated with ammonium nitrate and the control (no fertilizer); antioxidant enzymes including serum ceruloplasmin, serum superoxide dismutase and serum glutathione peroxidase were significantly lower ( P<0.01) than in sheep grazing the pasture treated with ammonium nitrate and the control. Malondialdehyde (MDA) content was also higher ( P<0.01). There were no differences in other blood mineral element concentrations, blood indexes and serum biochemical values. It was concluded that fertilizer selection should be based on soil mineral content; grassland with low copper content is not suitable for ammonium sulfate fertilizer. Ammonium sulfate fertilizer significantly affected the antioxidant system function.
Keyword:
nitrogenous fertilizer; karst mountain areas; grassland; Wumeng semi-fine sheep; function of antioxidant system
中国西南喀斯特地区石漠化面积分布广泛, 水土流失严重, 土地贫瘠。乌蒙山区是西南方喀斯特地区的核心, 是我国裸露型喀斯特集中连片分布最广的区域之一, 植被覆盖率低, 成土物源匮乏, 峰峦重叠, 水土流失严重, 土地资源和众多人口的矛盾日益突出, 生态足迹远远超过生态承载力[1]。乌蒙山区也是长江和珠江中上游最重要的生态屏障, 是我国南方草地畜牧业的精华所在, 拥有丰富的水热资源, 是植物营养体生长的良好环境。饲用植物非常丰富, 发展山地生态畜牧业具有得天独厚的自然条件[1, 2]。在乌蒙山区发展草地生态畜牧业对提高喀斯特区域农牧业生产效率, 增加贫困人口收入, 治理生态环境等方面都具有重要的战略意义。
20世纪80 年代, 在乌蒙山区的威宁县进行飞播人工草场获得成功, 拉开了南方现代草地畜牧业建设的序幕。广泛建植的黑麦草(Lolium perenne)/白三叶(Trifolium repens)草地成为了该区主要的放牧草地和割草地[3, 4]。近年来, 由于牲畜数量快速增长及草地资源的不合理利用, 造成草地退化沙化, 产草量下降, 草地生态系统功能遭受严重破坏。因此, 在乌蒙山区开展草地畜牧业放牧系统的研究, 对生态环境的治理和促进农牧业经济发展具有十分重要的意义。乌蒙半细毛羊分布于贵州、云南、四川三省交界的乌蒙山区。贵州的威宁、赫章、大方、水城等县是核心产区, 云南昭通和四川凉山也有部分分布, 现存栏110万只[4]。乌蒙半细毛羊是利用威宁本地绵羊(藏系山谷型粗毛羊即威宁绵羊)导入肉毛兼用的考力代血液杂交育成的毛肉兼用型羊种, 经1974-1981年的级进杂交, 1982-1984年的横交固定, 1984-1990年的扩群推广, 已经形成一个生产性能较好, 遗传性能相对稳定的绵羊育种群体[5]。成年公羊和母羊的体重分别为(50.62± 5.38) kg和(40.31± 5.93) kg。成年公羊和母羊剪毛量分别为5.56 kg和4.12 kg。成年羊毛长9.33~13.95 cm, 羊毛细度50~58纱支(主体细度56纱支), 净毛率56.72%。周岁羯羊屠宰率47.36%, 成年羯羊屠宰率52.02%。产羔率106.59%[4, 6]。乌蒙半细毛羊生产性能高, 对高寒牧区适应性强, 性情温驯, 便于管理, 是经过多年培育的优良品种, 在高寒牧区草地畜牧业的发展中起到了关键作用。
动物机体抗氧化系统是机体抵抗自由基损害的防御系统, 包括酶系统和非酶系统, 酶系统由超氧化物歧化酶、谷胱苷肽过氧化物酶、过氧化氢酶等抗氧化酶组成; 非酶系统由维生素C、维生素E、谷胱苷肽、半胱氨酸、铜、铁、锌、硒等物质组成[7, 8, 9]。机体抗氧化系统的功能是清除机体过多的自由基。自由基产生过多, 或抗氧化系统的功能下降将导致生物体内自由基大量过剩, 引起对动物机体的损害。主要表现是细胞膜变性, 蛋白质损伤, DNA链断裂, DNA发生突变等, 最终导致生物体出现各种疾病, 乃至衰老和死亡[8, 9]。机体抗氧化系统的功能同多种矿物质元素有着重要的关系, 矿物质元素含量太低或过高都会引起机体抗氧化系统功能下降, 同时元素之间又相互联系相互影响[6, 10]。施肥处理, 常常打破土壤原有的元素平衡, 引起土壤性质变化, 导致植物元素含量的变化, 影响植物的生长发育, 从而通过食物链影响动物机体抗氧化系统的功能, 最终使整个生态系统受到不良影响。
为了探讨施肥对放牧草地乌蒙半细毛羊抗氧化系统功能的影响, 寻找最适合该区草地的肥料, 在威宁县凉水沟多年生人工草地开展不同氮素肥料的施肥试验和放牧试验。
1 材料与方法
1.1 试验区的自然概况
试验牧场位于贵州省威宁县凉水沟种羊场, 属于多年生人工草地, 东经103° 36'-104° 45', 北纬26° 36'-27° 26'。气候特点是冬天寒冷, 夏天凉爽, 年平均气温10~12 ℃, 年平均降水量962 mm, 海拔2000 m以上。主要植物种类有:黑麦草、白三叶、细叶苔草(Carex rigescens)、羊茅(Festuca ovina)、早熟禾(Poa annua)、翻白委陵菜(Potentilla discolor)、西南委陵菜(Potentilla fulgens)。该区水热资源丰富, 极适宜营养体农作物和牧草的生长, 发展草地畜牧业具有得天独厚的自然条件[6]。
1.2 试验设计
牧场施肥处理:预备试验的研究发现每公顷草地施90 kg的氮(N), 牧草生长良好。因此, 选择每公顷草地施90 kg的氮为试验氮肥的用量。试验共分为3个处理。其中, 处理1:用硫酸铵[(NH4)2SO4]施肥; 处理2:用硝酸铵(NH4NO3)施肥; 处理3:对照组, 不施肥。试验从2016年6月1日开始, 2016年9月1日结束, 共进行92 d。放牧动物:选择1岁乌蒙半细毛羊公羊30只(体重、发育和营养状况接近, 经临床检查健康), 随机分为3组, 随机分配到试验1的牧场, 每组10只。
1.3 样本采集
试验开始前, 在施肥牧场和对照牧场采集土壤样本, 处理1、处理2和处理3各采集样本10个, 深度为1~20 cm, 去除石块和残根等杂物, 装袋。试验开始和结束时, 分别在处理1、处理2和处理3各采集混合草样10个。试验开始和完成时, 采集30只试验动物颈静脉血, 每个动物15 mL。
1.4 样品的处理
土样放室内20~25 ℃阴凉通风处风干, 粉碎后用2 mm筛子过一遍, 再用0.075 mm筛子除去细沙, 试验前, 消化管壁用少量去离子水冲洗, 取土样0.3 g左右放入消化管内, 加6 mL硝酸铵和1 mL双氧水, 摇匀, 静置10 min。按微波消化程序消解, 冷却, 将溶液移入100 mL容量瓶中。
草样20~25 ℃自然风干, 粉碎, 然后过0.175 mm细筛, 装袋备用。试验时消化管壁用少量去离子水冲洗, 取草样0.5 g左右放入消化管内, 加6 mL硝酸(HNO3)和1 mL双氧水(H2O2), 摇匀, 静置10 min。按微波消化程序消解, 冷却, 将溶液移入100 mL容量瓶中, 稀释至刻度。
血液样本用肝素钠抗凝, 血液变凉后, 4 h内低温(4~8 ℃)运回实验室用于矿物质元素、血常规、生理生化指标和抗氧化指标的分析。
1.5 矿质元素的测定
土壤、牧草和血液中矿物质元素含量应用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy, ICP-AES)[6], 使用仪器为电感耦合等离子体发射光谱仪(HK9600 Type Atomic Emission Spectroscopy, Huaketiancheng Co., Ltd, China)。测定时按电感耦合等离子体发射光谱仪操作程序开机, 进入Winlab32系统操作软件, 等离子体(Plasma)点火后, 对空白溶液、标准溶液、样品溶液依次进行测试。
1.6 生理生化和抗氧化指标的检测
用全自动血细胞分析仪(SF-3000, SysmexToa Medical Electronics, Kobe, Japan)检测全血中白细胞数(WBC)、红细胞数(RBC)、血红蛋白(HB)、红细胞压积容量(PCV)。用全自动生化分析仪(Automatic Biochemical Analyzer, MindrayBS-420, China)检测血浆中谷丙转氨酶(ALT)、碱性磷酸酶(AKP)、乳酸脱氢酶(LDH)、谷草转氨酶(AST)、谷氨酰转肽酶(γ -GT)、血尿素氮 (BUN)、总胆固醇(Chol)、铜蓝蛋白(Cp)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶(CAT)和丙二醛(MDA)的活力和含量。
1.7 数据统计分析
采用Excel 2003对所得到的数据进行初步整理, 用SPSS 13.0 for Windows统计软件分析, 检验数据分布为正态分布后, 用单因素方差分析法分析不同品种和不同时期牧草矿物质元素含量的差异。采用Duncan法在0.01水平上进行多重比较, 数据以平均数(
2 结果与分析
2.1 施肥对牧草矿物质元素含量的影响
施肥牧场牧草氮的含量极显著高于对照组(P< 0.01), 但施肥处理之间没有显著差异(表1)。硫酸铵施肥引起牧草锌和硫的含量极显著高于硝酸铵施肥与对照组(P< 0.01), 但硝酸铵施肥与对照组之间无显著差异。硫酸铵施肥引起牧草硒含量极显著低于硝酸铵施肥牧场与对照牧场(P< 0.01), 但硝酸铵施肥牧场同对照牧场之间牧草硒含量无显著差异。硫酸铵和硝酸铵施肥对牧草其他元素含量无明显影响。
 | 表1 施肥对牧草矿物质含量的影响 Table 1 Effect of fertilization on mineral element contents in forage (μ g· g-1) |
2.2 施肥处理对血液矿物质含量的影响
试验开始时, 乌蒙半细毛羊血液矿物质元素含量在各处理没有显著差异(表2)。试验结束时, 硫酸铵施肥牧场乌蒙半细毛羊血液锌和硫的含量极显著高于硝酸铵施肥牧场和对照牧场(P< 0.01), 但乌蒙半细毛羊血液锌和硫的含量在硝酸铵施肥牧场和对照牧场之间没有显著差异。硫酸铵施肥引起乌蒙半细毛羊血液铜、铁和硒含量极显著低于硝酸铵施肥牧场与对照牧场(P< 0.01), 但硝酸铵施肥牧场同对照牧场之间乌蒙半细毛羊血液铜、铁和硒含量无显著差异。硫酸铵和硝酸铵施肥对乌蒙半细毛羊血液其他含量无显著影响。
| 表2 施肥对乌蒙半细毛羊血液矿物质含量的影响 Table 2 Effect of fertilization on mineral element contents in blood of the Wumeng semi-fine sheep (μ g· g-1) |
2.3 施肥对血液指标的影响
试验开始时, 乌蒙半细毛羊血液指标在各处理间没有显著差异(表3)。试验结束时, 硫酸铵施肥牧场乌蒙半细毛羊血红蛋白(Hb)含量和红细胞压积容量(PCV)极显著低于硝酸铵施肥的牧场和对照组(P< 0.01), 但二者在硝酸铵施肥牧场同对照牧场之间无显著差异。硫酸铵和硝酸铵施肥对乌蒙半细毛羊血液红细胞计数(RBC)和白细胞计数(WBC)无极显著影响。
| 表3 施肥处理对乌蒙半细毛羊血液指标的影响 Table 3 Effect of fertilization on blood indexes in the Wumeng semi-fine sheep |
2.4 施肥对乌蒙半细毛羊血清生化值的影响
硫酸铵和硝酸铵施肥对乌蒙半细毛羊乳酸脱氢酶(LDH)、碱性磷酸酶(AKP)、谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)、谷氨酰转肽酶(γ -GT)、血尿素氮(BUN)和总胆固醇(Chol)无显著影响(表4)。
| 表4 施肥对乌蒙半细毛羊血液生化值的影响 Table 4 Effect of fertilization on biochemical values in the Wumeng semi-fine wool sheep |
2.5 施肥对乌蒙半细毛羊抗氧化指标的影响
试验开始时, 血清抗氧化酶无显著差异(表5)。试验结束时, 硫酸铵施肥牧场乌蒙半细毛羊血清铜蓝蛋白含量、超氧化物歧化酶活力、谷胱甘肽过氧化物酶活力和血液过氧化氢酶活力极显著低于硝酸铵施肥的牧场和对照组(P< 0.01); 但他们在硝酸铵施肥牧场和对照组之间均没有显著差异。
| 表5 施肥对乌蒙半细毛羊抗氧化指标的影响 Table 5 Effect of fertilization on antioxidant indexes in the Wumeng semi-fine wool sheep |
3 讨论
硫是植物重要的营养。Shen[7]报道, 硫酸铵施肥显著增加牧草硫含量, 而没有增加牧草产量, 在黄河首曲高寒草甸进行连续3年的研究, 用86 kg· hm-2的硫酸铵施肥, 牧草的硫含量达0.23%, 用174 kg· hm-2的硫酸铵施肥, 牧草硫含量高达3.0%, 而没有施硫肥的牧场, 牧草硫的含量只有0.1%。在目前的研究中, 用含90 kg氮的硫酸铵施肥明显增加牧草硫含量。同时, 研究表明, 硫干扰铜的吸收引起乌蒙半细毛羊铜缺乏[11, 12, 13, 14, 15]。铜是超氧化物歧化酶表现催化活性的必需元素, 任何其他元素代替铜离子, 超氧化物歧化酶都不能维持活性, 因此, 动物铜缺乏将严重影响超氧化物歧化酶的活性, 降低机体抗氧化系统功能[16]。
铜缺乏对过氧化氢酶的影响是通过影响血液铁含量而起作用的。动物缺铜, 肝铜贮备下降最终导致血液铜浓度降低, 引起铜蓝蛋白浓度降低, 而铜蓝蛋白能把Fe3+通过细胞膜携出细胞, 铜蓝蛋白浓度降低引起组织中贮存的铁不能被动员, 吞噬细胞中铁滞留, 贮存在细胞内的铁无法进入血液, 从而使铁积聚于细胞膜的内侧, 引起血液铁含量降低[16, 17, 18]。过氧化氢酶是血红素酶, 不同来源的过氧化氢酶结构虽有不同, 但多数是由4个相同的亚基组成, 每一个亚基有一个以上高度自旋Fe3+为中心的活性部分[19]。当铁含量降低必然引起过氧化氢酶活性的下降, 危害机体抗氧化系统功能。过氧化氢酶是生物在进化过程中建立起来的生物防御系统的关键酶之一, 几乎所有能呼吸的生物体内普遍存在, 在清除过氧化氢, 保护细胞的膜系统中起着重要的作用。
硫酸铵在土壤水溶液中电离成铵离子和硫酸根离子, 植物吸收铵离子的数量多于硫酸根的数量, 导致草地土壤残留较多的硫酸根离子, 这些硫酸根离子和氢离子相结合, 土壤变酸, 酸性土壤促进植物对锌的吸收[20, 21, 22]。因此, 本研究中, 硫酸铵施肥牧场的牧草锌含量显著高于硝酸铵施肥和对照牧场。硫是影响植物吸收硒的重要因素之一, 在土壤中硒酸盐的溶解度大于亚硒酸盐, 其常与硫酸盐并存, 易为植物吸收。硫酸盐与硒酸盐之间存在拮抗作用, 硒酸盐与硫酸盐于植物根部竞争相同的吸收位点, 即以相同的亲和力在植物根部细胞壁上结合相同的载体, 以两种物质的浓度比决定它们被吸收的程度[21, 22, 23]。因此, 硫酸铵施肥牧场牧草硒含量降低的主要原因是由硫和硒之间的相互作用引起的。硒是动物体中必需矿物质元素之一, 同时也是谷胱苷肽过氧化物酶的活性中心元素, 谷胱苷肽过氧化物酶可清除动物机体内过氧化物和过氧化氢。硒主要通过谷胱苷肽过氧化物酶发挥抗氧化作用, 硒缺乏引起谷胱苷肽过氧化物酶活性降低, 严重影响机体抗氧化系统功能[24, 25, 26, 27, 28]。
综上所述, 在低铜牧场应用硫酸铵施肥, 增加牧草硫含量, 降低了牧草硒含量, 由于铜和硫在生态系统中的相互作用, 通过食物链引起动物硒和铜缺乏, 造成机体抗氧化系统功能受损。因此, 在铜和硒含量相对较低的牧场, 最好不要选择含硫的肥料施肥。低铜牧场应用含硫肥料, 将因为植物硫含量增加引起放牧动物反刍动物次级铜缺乏。硒含量低的牧场应用含硫肥, 将降低牧草硒含量, 引起动物硒缺乏, 影响机体抗氧化系统功能, 影响生长发育, 引起动物机体各种疾病, 通过物质循环和能量流动, 最终使整个生态系统受到不良影响。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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