饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量、营养物质表观消化率及生产性能的影响

王 贝 ， 许贵善 ， 李斌昌 ， 董利锋， 吕小康 ， 彭婉婉 ， 刁其玉 *

（1.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.中国农业科学院饲料研究所，北京 100081；3.甘肃农业大学动物科学学院，甘肃兰州730070）

反刍动物胃肠道代谢产生的甲烷，其辐射强迫显著高于二氧化碳，是温室气体排放的重要来源，并对全球热量收支和国家温室气体排放清单有重要意义 （Beauchemin 等，2008；Moss 等，2000）。据估计全世界家畜年排放甲烷量约8.0×107t，其中牛的甲烷排放量约占73%（Kebreab等，2008）。甲烷排放量与饲料转化率有关，是反刍动物能量代谢的重要组成部分，也是农业生产力的重要标志。奶牛是能高效利用饲料能量、蛋白质、纤维和非蛋白氮，并能高效产出优质动物性蛋白最理想的动物。随着人们对优质牛奶需求量的不断增加，如何在提高产奶量、改善乳品质的同时，减少甲烷排放量，降低对大气环境造成的污染，变得至关重要。目前关于奶牛甲烷排放数据多为呼吸测热室法获得，并非奶牛生产状态，而通过估算模型所得数据则与实际有差距，且国外推荐的测算方法大多高估我国温室气体的实际排放量。处于泌乳高峰期的奶牛大多处于能量负平衡状态，是其生理阶段中饲养难度最大的阶段。本试验在不同中性洗涤纤维/非纤维性碳水化合物（NDF/NFC）饲粮下，研究其对泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量、营养物质表观消化率及生产性能的影响，为优化饲粮营养配制，提高饲粮利用率和温室气体减排提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点 试验于2018年10月1日至10月31日在北京市房山区琉璃河镇赵营村某奶牛场进行。

1.2 试验设计 试验选用处于泌乳高峰阶段荷斯坦奶牛12头，月龄 （37.34±2.95）月、体重（564.04±24.97）kg、胎次（1.58±0.23）胎、泌乳天数（88±15.32）d、产奶量（20.83±0.77）kg/d。饲养试验进行24 d，包括14 d预饲期和10 d正试期。在正试期的前6 d进行气体代谢试验，第7～10天采集饲料样和粪样，第11～13天采集奶样，第14天采集瘤胃液。

1.3 试验饲粮及饲养管理 将12头奶牛采用随机区组设计分为3组，即NDF/NFC分别为1.14（低组）、1.30（中组）和 1.55（高组），每组 4 头牛。其中高组饲粮为试验牧场饲喂经典饲粮。试验牛集中于同一牛舍饲养，分群饲喂，统一管理，试验期内于每天 07：00和 19：00饲喂全混合饲粮（TMR），每天 06：30 和 18：30 采用管道式挤奶机挤奶，散栏饲养，自由饮水。饲粮组成及营养成分见表1。试验期内平均全天最高温度15.3℃，最低温度8.1℃，平均温度11.7℃；最高湿度75%，最低湿度26%，平均湿度50.5%。圈舍悬挂舔砖，每周消毒1次，所有参试奶牛的饲养环境、饲喂方式、饲粮和饲喂程序均保持一致。

1.4 样品采集与分析

1.4.1 SF6示踪技术 试验采用SF6示踪技术测定泌乳奶牛瘤胃发酵甲烷排放量。其测定原理是在低温下将SF6气体装入渗透管，通过体外测定渗透管质量的变化计算SF6气体的渗透速率，再将已知渗透速率的SF6渗透管投入待测动物瘤胃中，由于SF6物理性质与CH4类似，可随嗳气一起排出。因此，在反刍动物口鼻处同一点使用同一采样器收集的气样被空气稀释的程度也相同，故通过收集反刍动物呼出的气体，并测定SF6气体与CH4气体浓度，再根据已知SF6渗透速率即可推算出 CH4排放量（Lassey 等，2001）。

在正试期前3 d使用牛用投药枪将SF6渗透管成功投入试验奶牛瘤胃中，同时将龙头和集气罐支持垫安装在奶牛身上以备适应。在气体收集时每天7：00将集气罐抽成真空，与采气管路通过快速接头相连，开始收集口鼻周围气体，同时计时。 每天 08：00至次日 08：00，连续 24 h采集结束后，更换新的集气罐，并测定采气后集气瓶，剩余压力在-40 KPa以上表明采样成功。背景气体的采集时间、装置、收集方法与甲烷气体收集方法相同。将装有气样的集气罐充入高纯氮气（99.999%），使气压达到 120 KPa。

表1 试验饲粮组成及营养水平（DM基础）

气相色谱仪器准备和测定条件：试验所用到的气相色谱仪（上分GC-126）配备FID和ECD检测器，可一次进样同时测定CH4和SF6；载气为高纯氮气，流量为40 mL/min；燃气为高纯氢气，流量为30 mL/min；助燃气为干燥压缩空气；色谱柱温40℃；进样口温度150.0℃；FID检测器温度150.0℃；ECD检测器温度 300.0℃；SF6标准气（标准气体，北京海普气体有限公司，北京）浓度为0.01 ppb SF6和10 ppm CH4，填充气为高纯氮气，SF6采用单点校正法进行标定；将气体样品经过装有定量阀的进样器进样，重复进样3次以上，峰面积偏差小于5%时取平均值作为有效峰面积，套入标准曲线取对应浓度值。并通过以下公式计算泌乳奶牛CH4产量：

式中：CH4为泌乳奶牛甲烷排放量；SF6为渗透管的渗透速率，mg/d；CH4（样品）和 CH4（背景）分别为泌乳奶牛样品和背景中的CH4浓度，ppm；SF6（样品）和SF6（背景）分别为泌乳奶牛样品和背景中的气体浓度，ppt；16.04和146.06分别为CH4和SF6的相对分子质量。

1.4.2 消化代谢试验

1.4.2.1 营养物质表观消化率 采用酸不溶灰分法（4N-AIA）测定营养物质消化率。在试验正试期记录每天投料量，剩料量控制在5%～10%，计算干物质采食量（DMI）。在正试期连续3 d采集各组TMR饲料样，将各组饲料样分别混合均匀后四分法缩样，各取500 g，密封于自封袋中-20℃冷冻保存待测。在正试期的第7～10天采用直肠取粪法连续收集粪样16次，每头牛每次收集粪样100 g， 采样时间点分别为第 7 天的 7：00、11：00、15：00、19：00，第 8 天的 8：00、12：00、16：00、20：00，第 9 天的 9：00、13：00、17：00、21：00，第 10 天的 10：00、14：00、18：00、22：00。 每次取粪后按照每 100 g 鲜样加10 mL 10%盐酸固氮，混匀后密封于自封袋中-20℃冷冻保存待测。将采集的饲料样置于105℃15 min灭酶活后，与粪样分别65℃烘干48 h，回潮24 h后称重，粉碎过40目筛后制成分析样品保存待测。

TMR样和粪样中常规营养成分的测定方法：总能（GE）使用Parr-6400全自动氧弹量热仪（北京东方圣隆达科技有限公司，美国）测定；粗蛋白质（CP）含量使用KjeltecTM Sampler 8420全自动凯氏定氮仪 （FOSS，苏州安创仪器有限公司，丹麦）测定；粗脂肪（EE）含量使用ANKOMXT15全自动脂肪仪（南京瑶恩仪器设备有限公司，美国）测定；干物质（DM）、中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）、灰分（Ash）含量指标参照《饲料分析及饲料质量检测技术》测定（张丽英，2010）；由于部分饲粮所含精料比例较高，NDF和ADF采用熊本海等（2008）及 Van Soest等（1991）报道的方法，用胃蛋白酶（Pepsin P7000，Sigma-Aldrich Co.LLC.，USA）、 热稳定 α-淀粉酶 （α-Amylase A4551，Sigma-Aldrich Co.LLC.，USA） 预先对饲料样品酶解处理，再用中性洗涤剂和酸性洗涤剂进行洗涤；同时使用4N-AIA法测定饲料和粪中酸不溶灰分含量，各营养物质的表观消化率计算方法参照Zhong等（2008）的公式：

1.4.2.2 产奶量及乳成分 试验开始前3 d准确记录试验奶牛初始产奶量，正试期每天记录每头牛产奶量，计算试验期间的平均日产奶量。在正试期11～13 d按照早晚 1∶1的比例取奶样，取样量为每天50 mL，奶样添加万分之六重铬酸钾用作防腐剂，4℃保存待测。待奶样采集完毕后及时送至北京奶牛中心乳品质量检验站进行检测，乳脂率、乳蛋白率、乳糖率采用红外光谱仪测定，体细胞数采用乳成分体细胞测定仪测定。产奶净能（NEL）和奶牛能量单位通过以下公式计算：

产奶净能/（MJ/kg）=0.5501×消化能 （MJ/kg）-0.3958；

消化能/（MJ/kg）=GE（MJ/kg）×能量消化率（%）；

奶牛能量/（NND/kg）=NEL（MJ/kg）/3138×1000；

代谢能/（MJ/kg）=GE （MJ/kg）×表观消化率（%）×0.82；

NFC/%=[1-（CP+EE+NDF+Ash）]×100；

4%标准奶量/（FCM，kg）=M×（0.4+0.15×F）；

式中：M为乳脂率为F的牛奶量，kg；F为牛奶的实际乳脂率，%。

1.5 统计与分析 数据采用Excel 2018进行初步整理后，采用SPSS 20.0软件中one-way ANOVA模型进行单因素方差分析和方差齐性检验，差异显著时用Duncan’s法进行各组间多重比较，P＜0.05为差异显著，P≤0.01为差异极显著，0.05≤P＜0.10为存在差异趋势。

2 结果与分析

2.1 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响 由表2可知，低组甲烷排放量、甲烷能、甲烷/粗料采食量、甲烷能/代谢能极显著低于高组（P≤0.01），低组、中组甲烷排放量分别较高组降低了17.00%、11.41%；甲烷/干物质采食量、甲烷/有机物采食量、甲烷/精料采食量、甲烷/NDF采食量、甲烷/ADF采食量、甲烷能/总能摄入量、甲烷能/产奶净能、甲烷能/消化能在3个处理组间均有极显著差异（P≤ 0.01），低组、中组甲烷/干物质采食量分别较高组降低了38.69%、25.78%，甲烷能/总能摄入量分别降低了40.75%、28.10%；甲烷/产奶量组间存在差异趋势（0.05≤P＜ 0.10）；甲烷/代谢体重、甲烷/标准乳量在 3组间差异不显著（P＞0.05）。

表2 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响

2.2 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛营养物质表观消化率的影响 由表3可知，低、中、高3组 饲 粮 DM、GE、CP、EE、NDF、ADF、OM、NFC 的表观消化率均差异不显著（P＞0.05）。

2.3 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛生产性能和饲料转化率的影响 由表4可知，3组的产奶量、4%标准乳产量和饲料转化率均无显著差异（P＞0.05）。低组日增重极显著高于高组（P＜0.01）。

由表5可知，乳脂率及其总量、乳蛋白率及其总量、乳糖率及其总量在3组间均差异不显著（P ＞ 0.05）。

表3 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛营养物质消化率的影响%

表4 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛生产性能的影响

表5 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛乳成分的影响

3 讨论

3.1 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响 反刍动物甲烷排放量受多种因素的影响，主要包括饲粮类型、营养水平、采食量、饲料加工方式、饲喂程序和环境温度等。饲粮NDF/NFC水平通过影响饲粮碳水化合物组成结构进而影响瘤胃发酵模式，丙酸型发酵不利于甲烷的合成，而乙酸型发酵则使甲烷排放量增加；饲粮NFC含量的增加，可促进瘤胃优势菌落的生长繁殖，抑制原虫活性，而甲烷菌附着于原虫表面，两者为共生关系，原虫数量减少则甲烷菌也随之减少，因此降低了甲烷排放量（Ramin等，2013；韩昊奇等，2011）。本试验中，低组、中组、高组试验奶牛单头的甲烷排放量分别为 325.23、347.16、391.86 g/d。赵一广（2012）研究发现，饲粮精粗比由32：68增加至64∶36时，肉用绵羊单位可消化有机物甲烷排放量由41.34 L/kg降低至33.73 L/kg，降低了约18%。反刍动物采食高NDF饲粮时，瘤胃原虫可直接利用植物纤维，发酵转化为挥发性脂肪酸。同时，瘤胃内纤维分解菌大量增殖，瘤胃内主要进行乙酸型发酵，氢分压升高，刺激甲烷菌大量增殖，从而甲烷产量增加。

本试验中，低、中、高组单位干物质采食量的甲烷产量分别为 15.58、18.86、25.41（g/kg·d），3 组间存在显著差异。低NDF/NFC饲粮利于丙酸型发酵，可促进瘤胃内微生物摄取饲粮中可溶性碳水化合物和蛋白质，增加对瘤胃内氢的消除，从而抑制纤维分解菌和甲烷菌的活性。研究发现，纤维组分产生的甲烷量是非纤维组分的2～5倍。同时，碳水化合物在瘤胃内更易发酵，其发酵速率、含量会影响微生物对能量的利用率，从而影响甲烷排放量。周艳（2018）研究发现，NFC/NDF为0.78组和NFC/NDF为2.17组的肉羊单位干物质采食量的甲烷产量分别为46.85 L/kg和30.23 L/kg，高NFC/NDF组显著低于低NFC/NDF组。

Johnson等（1995）报道，奶牛单位总能摄入量的甲烷能产量约为6%，饲喂更多易消化碳水化合物可降低单位总能摄入量的甲烷能产量至4%～5%。娜仁花等（2010）的研究结果显示，精粗比为40∶60的玉米秸秆型饲粮、精粗比为40∶60的玉米秸秆青贮型饲粮、精粗比为 60∶40的玉米秸秆青贮型饲粮分别饲喂奶牛，单位总能摄入量的甲烷能为5.91% ～7.13%。吴爽等（2014）研究发现，以4种不同粗饲料及其组合、精粗比同为40∶60的饲粮饲喂奶牛，结果显示单位总能摄入量的甲烷能产量为4.7%～5.5%。本试验中，低、中、高3组单位总能摄入量的甲烷能产量分别为4.87%、5.91%、8.22%，与上述研究结果一致。

3.2 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛营养物质表观消化率的影响 饲粮营养成分结构是决定其消化率的主要因素。饲粮中可被微生物快速降解和利用的物质含量增加，会更有利于纤维分解菌和蛋白质降解菌的生长繁殖，进而干物质、有机物和蛋白质的消化率增加。同时，饲粮NFC比例增加，瘤胃发酵模式发生转变，丙酸浓度增加，刺激瘤胃乳突的发育，单位面积乳突数量、长度增加，进而提高瘤胃上皮对挥发性脂肪酸的吸收率，增加饲粮营养物质消化率。本试验中DM、GE、CP、NDF、ADF、OM 表观消化率随着饲粮 NDF/NFC的提高而逐渐降低。饲粮NDF水平的增加会引起单位NDF摄入量的增加，加快食糜在胃肠道的流通速度，使更多的养分后移至肠道中继续分解，从而缩短了食糜与瘤胃微生物的作用时间，导致表观消化率的降低。易学武等（2006）研究发现，随着饲粮中 NDF 的增加，DM、OM、NDF、ADF 的表观消化率均显著降低。

3.3 饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛生产性能和饲料转化率的影响 本试验中，随着饲粮NDF/NFC的升高，奶牛干物质采食量逐渐降低，与Grummer等（2004）研究结果饲粮NDF水平的提高会降低干物质采食量一致。过高的NDF水平饲粮会增大奶牛瘤胃内食糜体积，增强饱腹感，降低奶牛食欲，限制采食量，从而导致产奶量的降低，产生对奶牛生产性能不利的影响。饲粮干物质采食量直接决定了奶牛用于维持和生产的养分供给量，而饲粮的组成及营养水平对奶牛产奶量和乳脂率起着决定性作用。碳水化合物经瘤胃微生物发酵产生的挥发性脂肪酸是奶牛的基本能量来源以及乳脂前体物的重要合成原料，其中乙酸是乳脂的前体物质，而丙酸可通过异生作用生成糖，因此乙酸与丙酸的比值会直接影响牛奶的乳脂率。

范铤（2014）用 NDF 水平为 40%、43%、46%的3种饲粮饲喂泌乳中期奶牛，结果发现奶牛产奶量随着饲粮NDF水平的升高而降低。本试验中，奶牛干物质采食量和产奶量呈现出相似的变化规律，均随着饲粮NDF/NFC的提高逐渐降低。Kanjanapruthipong等（2006）用NDF水平为 23%、25%、27%、29%的饲粮饲喂泌乳高峰期奶牛发现，产奶量、4%标准乳产量、乳蛋白率、乳蛋白产量及乳糖产量均随着NDF水平的提高而显著降低。史仁煌等（2015）研究发现，随着饲粮NDF水平的提高，奶牛干物质采食量、产奶量、乳糖产量、乳蛋白产量均显著降低。朱芬花等 （2017）、温嘉琪等（2014）、易学武等（2006）也得到了一致的研究结果。本试验中，4%标准乳产量、乳脂总量、乳糖总量、乳蛋白总量均表现为随着饲粮NDF/NFC的提高逐渐降低，这与以往研究结果相一致。

本试验中，各试验组奶牛的日增重差异显著，低、中、高 3 组试验牛分别为 0.84、0.66、1.94 kg，试验奶牛正处于泌乳高峰期，对营养的需求量也处于旺盛期，且泌乳奶牛长期产奶容易造成机体损伤，导致机体免疫力下降、患病率升高（Turk等，2008；Lykkesfeldt等，2007）。在低温条件下，更应该提高奶牛维持的能量需要量。饲粮中精料比例增加，瘤胃发酵模式更趋于丙酸型发酵，丙酸合成的葡萄糖可沉积更多的体脂，有助于增加体重，能帮助奶牛维持良好的体况，更好的越冬，且本试验中饲喂的青贮为全株玉米青贮，兼有青饲料和粗饲料的特性，更适合瘤胃微生物对蛋白质的降解和利用，从而增加采食量和日增重。

4 结论

在本试验条件下，饲粮NDF/NFC能显著影响泌乳高峰期奶牛甲烷排放量和单位代谢体重的甲烷排放量。饲粮NDF/NFC为1.14～1.55，对泌乳高峰期奶牛营养物质表观消化率无显著性影响，但随着饲粮NDF/NFC的下降，营养物质表观消化率呈升高趋势。另外，饲粮NDF/NFC对泌乳高峰期奶牛生产性能无显著性影响，但对日增重有显著影响。