用食物当量评价草地农业的生产力

娄珊宁，侯扶江，任继周

(兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，兰州大学中国草业发展战略研究中心，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

全世界正在发生食物结构的变革，人均口粮消费减少，动物类食物消费增长[1]。20世纪80年代以来，我国耗粮型动物生产导致饲料粮占粮食总产的70%左右，需求持续增长，这是食物安全的主要压力[1-3]，因此，传统的“耕地农业”向“草地农业”转变[2]。一般草地农业耕地种草的面积不少于1/4，动物生产占农业产值1/2以上，这是国家发展水平和农业现代化的标志[4]。发达国家栽培草地与天然草原面积比不少于0.10:1，美国为0.58∶1，英国为1.35∶1，新西兰为3.57∶1；我国仅为0.03∶1，加上改良草地也仅为0.05∶1[5]。可见，我国食物安全的威胁来自农田缺草及其导致的农牧系统相悖[6](discordance of crop & livestock production system，CLPD)，根本原因之一是缺少衡量耕地、草地、林地、水域等食物生产系统的方法和指标，难以向决策者和生产者提供定量的依据。

国内外关于草地农业生产力的研究，直接测定牧草和畜产品产量，包括草地的生物产量、经济产量和营养成分产量，家畜的畜产品单位等[7-13]；或间接地通过体内和体外代谢、家畜饲喂和放牧等试验测定植物生产向动物生产的转化率[14-19]，以及经验模型等；无一例外地把能量和蛋白质作为重要的指标，既体现了食物的能量价值，又反映了其品质。这些方法常常局限于植物生产或动物生产，牧草之间难以比较、草畜之间缺乏联系[20]。食物当量(food equivalent unit，FEU)以热量和蛋白质为基础，为各种植物性和动物性食物提供了统一的评价工具[20-21]。然而，当时缺少统一、准确的牧草转化效率的数据，食物当量没有考虑植物消化率在物种、品种、加工方式、利用方式等以及草畜互作之间的差异，植物与动物的转换系数延用生态系统能量金字塔1∶10的转化效率[20]。近20年来，国内外开展了大量的草畜互作试验[14,18,22-25]，为完善食物当量的计算提供了一些关键参数。与此同时，草地农业保障食物安全逐渐成为社会现实，草地、农田、林地、水域等共同构建了全球食物安全和生态安全一体化的保障机制，食物当量作为评价食物生产能力的指标体系，其计测改进和应用拓展具有紧迫的社会需求。

近年，国家重视“粮改饲”、粮经草三元种植，其实质是农业供给侧改革，核心即传统的耕地农业向草地农业转型，发展粮草畜与生态环境兼顾的农业系统[26]，亟须简便、准确、通用地评价各类土地食物生产水平的度量衡。为此，以食物当量的理论和方法为基础，利用牧草营养价值和消化率等实测数据，改进食物当量的测算，以体现牧草品种与产品形态、草畜互作方式与类型、土地利用类型与管理模式等各个尺度的差异性，为草地农业生态系统提供精确的评价工具，推动多尺度的草畜系统耦合，为草地农业保障食物安全和生态安全提供切实可靠的工具。

1 材料与方法

1.1 数据来源

中国饲料数据库(2016年第27版)饲草营养价值数据(http://www.chinafeeddata.org.cn/)，近年科技期刊公开发表的部分饲草消化代谢数据，作者在兰州大学环县黄土高原试验站、临泽草地农业试验站、玛曲草地农业试验站等放牧试验中测定的牧草消化代谢数据[27-29]。牧草品种主要有紫花苜蓿(Medicagosativa)、燕麦(Avenasativa)、多年生黑麦草(Loliumperenne)、大麦(Hordeumvulgare)、黑麦(Secalecereale)、小麦(Triticumaestivum)、箭筈豌豆(Viciasativa)、高羊茅(Festucaelata)、车前(Plantagodepressa)、菊苣(Cichoriumintybus)、红三叶(Trifoliumpratense)、白三叶(Trifoliumrepens)等，每个品种测试均有3～5个重复。

1.2 饲草食物当量的计算

饲草的食物当量(FEU)，以饲草的能量和粗蛋白含量及其消化代谢为基础计算[20]。饲草食物当量根据消化率修正，排除产气和产热的能量消耗，直观地表达了饲草的动物食物生产的价值。本研究使用的饲草消化率，主要通过代谢仓、代谢架测定，也有体内法或体外法测定[29-30]。

FEU=H×CH+P×CP

(1)

式中：H为食物的能量，P为食物的蛋白质含量，CH和CP分别为能量系数和蛋白质系数[20]。

以往，稻米(Oryzasativa)作为标准的植物性食物，在 “猪-粮型” 的耕地农业中占主流[3]；能量和蛋白质含量分别为14.267 MJ·kg-1和77 g·kg-1的稻米为1个食物当量[20]。我国等发展中国家，草地农业系统没有得到充分发展，长期缺少优质牧草，动物生产依赖劣质饲草，重在吃 “饱”，而非吃好，这是历史的局限性，食物当量的测算重视食物的能量价值，粗略地规定能量权重占90%，蛋白质占10%[20]。随着社会发展，饲草品质成为动物生产的根本保证[31-32]，为此将饲草食物当量中能量和蛋白质的权重调整为1∶1，并重视饲草的消化性能。相应地，食物当量的计算公式调整为：

FEU=H×DH×CH+P×DP×CP

(2)

式中：DH和DP分别为能量和蛋白质的消化率(digestiability of energy and crude protern, %DM)。

紫花苜蓿是全世界种植面积最大的多年生豆科牧草之一[29]，品质优异，被誉为“牧草之王”。以初花期的紫花苜蓿作为标准饲草(表1)，规定其标准食部(standard eatable part, ES)100%、标准含水量(standard water content, WS)10%的苜蓿干草1 kg为1个饲草食物当量，其热值和粗蛋白含量分别为18.37 MJ·kg-1DM和229 g·kg-1DM，能量消化率和粗蛋白消化率分别为64.95%和74.83%(中国饲料数据库平台，http://www.chinafeeddata.org.cn/)，消化能和可消化粗蛋白含量分别为11.93 MJ·kg-1DM和17.13%DM。苜蓿的食物当量各参数计算按下式，

1=18.37×64.95×CH+229×74.83×CP

(2)

其中，18.37×64.95×CH=229×74.83×CP=0.5。

得出饲草食物当量的能量系数和蛋白质系数：CH=0.042，CP=0.0029。

将得到的系数代入式(2)，计算某种饲草的食物当量(FEU)时，将其能量及其消化率、蛋白质含量及其消化率代入式(3)，得出它的食物当量。即

FEU=H×DH×0.042+P×DP×0.0029

(3)

不同地区、不同生育期、不同品种、不同加工方式的饲草或其产品除去水分之外的食部不同，可根据含水量校正。即：

FEU′=FEU[E×(100-W)]/[ES×(100-WS)]

(4)

其中，FEU′为校正后的饲草食物当量，E和ES为实际食部和标准食部，W为实际含水量，WS为标准含水量。

生产中往往多测定干物质消化率(digestibility of dry matter，DMD)，简单易行、成本较低，较少测定能量和蛋白质的消化率；两者之间有比较好的数量关系，因此食物当量也可根据干物质消化率计算。

FEU=DMD×(H×CH+P×CP)

(5)

标准牧草苜蓿的干物质消化率平均为65.48%[29]，将各参数代入式(5)计算食物当量。

1=65.48×(18.37×CH+229×CP)

其中，18.37×65.48×CH=229×65.48×CP=0.5。

得出饲草食物当量的能量系数和蛋白质系数：CH=0.042，CP=0.0033。某饲草的食物当量即:

FEU=DMD×(H×0.042+P×0.0033)

(6)

1.3 动物产品的食物当量

我国草食畜生产以牛、羊为主，牛肉产量是羊肉的1.56倍，各个国家大体如此，因此以牛肉作为动物性产品的标准食物，规定其1 kg(含水量74.3%)为1个食物当量，其能量和蛋白质含量分别为5.815 MJ·kg-1DM和196 g·kg-1DM规定能量权重占50%，蛋白质权重占50%，得出动物性食物的能量系数和蛋白质系数分别为:

CH=0.086，CP=0.0026

动物性食物的食物当量 (food equivalent unit of animal product, FEUa)为:

FEUa=E×0.086+P×0.0026

(7)

动物性食物与植物性食物之间的换算，根据生态学的能量金字塔定律，过去以1∶10粗略地换算[20]。随着家畜消化代谢试验提供越来越多的数据，就将牧草和家畜生产力有机地统一起来。畜产品单位将1 kg牛或羊的增重定义为一个畜产品单位，相当于110.88 MJ消化能[33]。1 kg标准饲草-苜蓿的消化能为11.93 MJ，二者相差9.29 倍，饲草食物当量与畜产品食物当量的换算系数为:

FEUa=9.29×FEUf

(8)

FEU=FEUf

(9)

因此，FEUa=9.29×FEU

(10)

其中，FEUf(forage food equivalent unit)为饲草的食物当量。

2 结果与分析

2.1 植物生产的食物当量

2.1.1植物营养体(饲草)的食物当量 食物当量可以比较各品种和类型牧草的饲用价值。16种豆科牧草的食物当量为0.4～1.2，多在0.6～1.0，平均0.84；17种多年生禾草的食物当量在0.2～1.0，平均0.70，略逊于豆科牧草(表1)；10种一年生禾草的食物当量变化范围在0.5～0.8，集中于0.6～0.7，平均0.66，低于多年生禾草。7种作物秸秆的食物当量为0.2～0.3，平均0.25，远低于其营养体；其中，3种作物秸秆青贮后食物当量为0.1～0.2，平均0.18(表1)；5种青贮饲草的食物当量在0.2～0.7，多集中在0.2～0.3，平均0.37，是青贮秸秆的2倍以上，表明青贮并不明显改善秸秆的饲用价值。可见，豆科牧草粗蛋白含量和消化率较高，食物当量大于禾草；然而，适宜时期收获的禾草，如多年生黑麦草、草地早熟禾(Poapratensis)等，其食物当量与豆科牧草相当、甚至略优(表1)。禾草中，玉米(Zeamays)、苏丹草(Sorgliumsudanense)等暖季型牧草的食物当量一般低于冷季型牧草(表1)。青贮饲料蛋白含量中等，但干物质含量低，因而食物当量较小(表1)。

作物秸秆适口性差，粗蛋白含量一般只有2%～5%(表1)，快速降解部分只有高品质牧草的 1/4[34]，消化率低(表1)，维生素和矿物质等营养物质含量少，虽然能量含量高，但综合评价，其食物当量低。青贮、氨化等加工方式虽然提高了秸秆的饲用价值，但作用有限，食物当量仍小于同类作物的青干草(表1)。

2.1.2作物籽实的食物当量 全球超过1/3的禾谷类籽实用作精料，其中40%饲喂反刍家畜，相当于35 亿人的口粮，发展中国家70%的谷物作饲料。9种谷物的食物当量在0.8～1.2，多在0.8～0.9(表2)。作物籽实虽然消化率高，但能量和粗蛋白含量普遍较低(表2)，饲喂草食家畜时生态效率较低(表3)。

植物的食物当量受利用方式的影响。在甘肃省(表4)，春小麦生产籽实，其食物当量相当于收获干草的36%。小麦秸秆青贮虽然提高了其营养价值，但由于粗蛋白含量过少，其食物当量远不及收获干草或放牧利用。紫花苜蓿无论是收获干草还是放牧利用食物当量均较高，青贮后提高了消化率和粗蛋白含量。多年生禾草产草量高，品质好，无论是收获干草还是放牧利用，单位面积草地的食物当量产量高。作物青贮利用的食物当量比收获干草稍高，因为青贮可提高消化率，蛋白含量略有增加，干物质发酵损失小。作物放牧利用，不仅食物当量高，而且人工、机械、能源等成本较低，经济效益好。

表1 饲草食物当量

续表1 Continued Table 1

表2 谷物籽实的食物当量

2.1.3果蔬的食物当量 水果、蔬菜类及其废弃物可用作饲料[30]，尤其在销售、贮运困难时。13种常见水果的食物当量为0.06～0.20，集中于0.05～0.15，平均为0.12。10种常食蔬菜的食物当量为0.05～0.18，多为0.05～0.10，平均为0.09。它们含水量高，因而食物当量小(表5)；适宜就地转化，如果干燥，也可作为饲料商品运输、销售。

表3 主要家畜的料肉比

表4 甘肃省几种作物不同利用方式的食物当量

注：青贮为全株，除引用数据外，其余为作者未发表数据。

Note： Silage is the whole plant, except for the reference data, the rest is the author’s unpublished data.

2.1.4饲草转化为动物产品的效率 饲草转化畜产品才能为人类直接利用，其转化效率是饲用价值评价的关键。肥猪的肉料比是1∶3，猪生产系统包括大、小、公、母，其肉料比大约是1.0∶3.5，即每1 kg猪肉，需花费3.5 kg饲料[2]。猪生产系统要生产1个食物当量，需要消耗3.48个食物当量的饲料。2015年我国人均猪肉消费量是37 kg，那么人均消耗的猪肉所需的饲料为109.52个食物当量，而我国人均粮食消费量106个食物当量[21]，加上用籽实饲喂草食家畜，人畜争粮，粮食生产压力巨大(表6)。

2.1.5动物性食物的食物当量 食物当量也可用于比较动物性食物。动物性食物包括传统的畜禽，也包括水产品，为人类直接食用。16种动物性食物的食物当量在0.26～1.36，多集中于0.85～1.10，平均为0.90(表7)。

2.2 用食物当量评价草地农业系统的生产力

2.2.1草原与栽培草地的食物生产能力 天然草原的饲草食物当量受水热条件的影响较大。21个类草原的食物当量生产水平在142～2739 FEU·hm-2；黄土高原产草量低，食物当量的生产能力平均876 FEU·hm-2；高海拔地区虽然热量不足，但光照充足、辐射强，牧草能量和粗蛋白含量较高，草原的食物当量生产力平均为1367 FEU·hm-2，高于黄土高原和北方温带地区的草原。热带和亚热带地区，牧草生长快、易粗老，粗蛋白含量虽低，但产草量高，因此草原食物当量的生产力大(表8)，约为1400～1800 FEU·hm-2。栽培草地中，豆禾混播的多年生草地产量高，牧草粗蛋白含量和消化率高，食物当量较大(表8)。

放牧系统的食物当量生产能力与草原类型密切相关(表9)。典型草原和亚热带灌丛的放牧系统每hm2生产55～262 FEU，高寒放牧系统的生产能力在17～128 FEU·hm-2。

根据食物当量，草原类型之间、栽培草地之间、天然草原与栽培草地之间、放牧类型之间、放牧与刈割等利用方式之间可以比较食物生产能力。

表6 家畜生产的食物当量需求

注：根据中国动物饲养参考标准计算。

Note： Calculated according to the reference standard of Chinese animal feeding.

表7 动物产品的食物当量

2.2.2用食物当量评价国家的食物生产能力 国家之间因发展水平和农业历史传统不同，相互之间难以比较，但是利用食物当量这个工具，可以统一衡量世界各国的食物生产能力。美国和澳大利亚是牛肉生产和消费大国，我国的羊肉产量和猪肉产量居于世界前位，根据食物当量的生产能力而言，美国动物性产品生产总量居世界首位。2012年，我国猪肉产量5343万t(表10)，按照1.0∶3.5的肉料比来计算的话，大约需要18699万t食物当量的饲料来维持猪肉生产，这与美国、澳大利亚等国存在差异。

表9 放牧系统的食物当量生产能力[42]

表10 2012年3个国家的食物当量生产[51-52]*

注：* 粮农组织共用数据库http://www.fao.org/statistics/databases/zh/。

Note：* FAO database http://www.fao.org/statistics/databases/en/.

表11 2012-2015年我国进口饲料的食物当量[53-54]*

注：*中华人民共和国海关总署http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/。

Note： *General Administration of Customs http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/.

利用食物当量，不同质的饲草之间可以相互比较，有利于直观统计。我国2012年仅苜蓿干草的进口量就达44万t，除此之外还有520万t的饲料玉米，4500万t的饲用豆粕(表11)(进口数据全部来自中国海关 http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/)，换算成食物当量，一年进口8226×107万个食物当量左右。

3 讨论

3.1 两种食物当量计算方法的结果分析

本研究计算的食物当量与原公式相比[20]，谷物类在食物当量小于1.23时，原计算公式的结果大，反之则现公式的计算值高(图1)。而水果类总体上旧值低于新值，但当食物当量小于0.03时反而高。蔬菜类食物当量高于0.084时，旧值高于新值，反之则低。动物性食物总体上新值多大于旧值，这与新公式强化了蛋白含量等品质指标有关(图1)。

图1 食物当量公式计算结果的相关性分析

3.2 影响饲草食物当量的因素

饲草的饲用价值是一个包括动植物因素，甚至微生物因素的综合指标，影响家畜的生产性能。同时，气候、土壤、肥力及病虫鼠害也会影响饲草的饲用价值[55]。采食量是影响家畜生产的关键参数之一[30]，本研究未考虑饲草的适口性，因而缺乏与家畜采食量的联系。

3.2.1饲草生育期 同种牧草在不同生育期的粗蛋白质等营养品质在茎叶之间的转移与分配不断发生着变化，从而导致牧草整体的饲用价值和利用率发生改变[14,23,25]。因此，在牧草的食物当量计算中，需要说明所计算牧草所处的生育期。

饲草不同时期刈割调制青干草或青贮，其食物当量也有差异[51-52,56]。饲草的蛋白质含量波动性较大，如紫花苜蓿，初花期粗蛋白含量达到峰值，盛花期收获，或者在成熟期收获，粗蛋白含量降低至15%～18%，中花期干草的粗蛋白含量只有16%[57]。

3.2.2饲草加工 牧草的加工一般有物理加工、化学加工和生物学处理3种，包括粉碎、制粒、碱化、氨化及人工发酵等。牧草经过适宜加工处理，可明显提高其适口性[30]。牧草粉碎后提高采食量7%，加工制粒增加采食37%[30]；经过适当的化学处理可提高18%～45%，提高有机物的消化率30%～50%[34]。青贮本身并不明显改善秸秆的饲用价值，主要是通过加工改变适口性，或者通过添加物质提高营养品质，扩大了饲草来源[30]。牧草加工对开发牧草资源具有重要意义。

3.2.3消化率的测定 消化率是计算饲草食物当量的重要参数。家畜品种、年龄、性别、体重，以及测定家畜消化率的技术都会影响饲草消化率的数值，从而影响饲草食物当量的计算(表12)[22,58-60]。目前，各种饲草消化率的测定技术针对性较强，差异较大，为避免多种方法之间结果难以比较，建议用简单易行、成本低、准确性高的体外法测定[30]。

表12 家畜对几种牧草的消化率[37,58-59,66-67]

3.3 食物当量的应用

植物的食物当量针对家畜生产，家畜的食物当量针对人类。有些植物食物，如水果、蔬菜、小谷物等，可为人类食用，同时可用作饲料。饲草通过家畜采食、消化代谢转化为畜产品，若转换为畜产品的食物当量，可以比较动植物产品。

用食物当量还可以比较不同利用方式下土地的生产力。基于能量与蛋白质含量，食物当量将农田、草原和栽培草地等土地的生产力在统一量纲下计算出来，使它们可以互相比较。

4 结论

我国食物结构在近十年来发生了不可逆转的变化，动物产品和非谷类食物大幅度增加，主食与副食的界限逐渐模糊。食物当量打破了单纯以谷物为粮食的传统食物观，统一了食物的标准，即将各个地域、农业系统、饲草和家畜种类、饲草加工和利用方式的食物按统一的标准计算，尤其将植物性食物和动物性食物定量地联系起来，可以对居民的饮食结构和区域农业结构起指导作用，可为推动我国农业供给侧改革提供决策依据。