泌乳奶牛日粮碳、氮、硫、磷营养素平衡性及粪污减排的研究进展

裴江兰 韩志蕾 王梦芝* 戚如鑫 欧阳佳良

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009；2.扬州大学兽医学院，江苏扬州225009）

畜禽养殖规模逐渐扩大，畜禽养殖废弃物粪便、污水等产生量也迅速增加。仇焕广等[1]研究发现，如果国家不采取措施进行干预，我国畜禽粪便的总污染产生量在2020 年将达到2.9 亿吨左右。畜禽养殖污染已成为我国农业污染首要来源；同时，随着我国奶牛饲养管理由粗放向集约化舍饲的转变，奶牛日粮营养素的供给多以奶牛高产为目的，比如提供更高水平的氮素、磷等，这将严重加剧其粪尿排放对环境生态的影响。在新版NRC（2001）对奶牛营养需求量的重新评定中，泌乳奶牛磷的绝对需要量为68 g/d，占总的日粮干物质推荐量的0.38%。硫的绝对需要量为53 g/d，占总的日粮干物质推荐量的0.2%[2]。粗蛋白质含量占总的日粮干物质推荐量的15.1%[3]。在NY/T 34—2004奶牛饲养标准中，产奶牛维持需要按每100 kg体重供给6 g钙和4.5 g磷；每千克标准乳供给4.5 g钙和3 g 磷，钙磷比例以2～3∶1 为宜[4]。ARC 的奶牛营养需求量以及国内外其他畜禽饲养标准推荐的奶牛日粮硫、磷含量一般在0.20%、0.38%[5]。对于我国现有的土地状况来说，一方面如果较高浓度的畜禽养殖污水长时间用于灌溉，会造成作物的陡长、倒伏、晚熟或不熟，降低产量，更严重的会毒害作物使其出现大面积腐烂，与此同时，高浓度的污水可使得土壤的孔隙堵塞，造成土壤透气以及透水性下降，从而严重地影响土壤质量[6]。另一方面，与许多工业污染源产生的废弃物不同，畜禽粪便是一种有价值的资源，它包含农作物所必需的氮、磷、钾等多种营养物质，以及未被畜禽吸收的矿物质元素，还含有75%的挥发性有机物，属于营养丰富的有机肥，是保证我国农业可持续发展的宝贵资源。2016年《中国环境年鉴》表示，养殖总氮排放量与农业总氮排放量比值在2011～2015 年由62.79%增长到64.5%，总磷排放量则由2011 年的75.56%上升到了2015年的77.79%[7]。因此，养殖的日粮营养素精准平衡供给，粪污减排与种植的耕地营养素消纳利用是生态养殖的关键因素之一。

奶牛的饲养既要兼顾到按照营养需求提供，又要兼顾到排放对土地的生态循环问题，而对环境有显著影响的奶牛粪尿中的有机元素供给平衡是生态养殖需要研究的课题之一，本文主要综述近年来奶牛生产实践中这些营养素的供给、排放，以及其平衡性状况，旨在为奶牛健康高效、生态养殖提供一些参考资料。

1 生产中奶牛日粮碳、氮、硫、磷的供给情况

奶牛通过采食干物质来满足能量需求，其能量主要来源于碳水化合物，而碳水化合物中，中性洗涤纤维占比超过一半。范铤[8]分别饲喂含有中性洗涤纤维40%、43%和46%的日粮给处于泌乳中期的荷斯坦奶牛，结果显示，随着中性洗涤纤维水平的升高而干物质采食量显著降低，每升高1个百分点的中性洗涤纤维，干物质采食量约降低0.5 kg。由此可以看出，NDF 的水平在一定程度上可以限制奶牛采食量。此外，Kendal 等[9]分别饲喂含中性洗涤纤维28%和32%的日粮给处于泌乳早期的荷斯坦奶牛，结果表明，日粮NDF 水平的增加，会造成奶牛产奶量降低，同时就乳脂产量而言，含中性洗涤纤维28%日粮组要明显高于中性洗涤纤维32%日粮组。而具有奶牛日粮关键作用的非纤维性碳水化合物，其与中性洗涤纤维在日粮中的比例对奶牛有着重要的影响。张林等[10]测定泌乳后期奶牛日粮NFC/NDF 分别为1.38、1.19、1.08，结果显示，比值为1.19 和1.08 日粮的乳脂率比1.38 的分别提高了0.09%和0.22%，乳蛋白率分别降低了0.05%和0.06%。此外，王贝等[11]研究表明，当NDF/NFC 的水平为1.96（中组）、2.10（高组）时，中组比高组的平均产奶量提高了9.41%。因此，适当降低NFC/NDF 将对奶牛的生产性能产生重要影响。

日粮中的蛋白质含量以及摄入水平与奶牛对氮素的利用程度有很大关系。Sinclair等[12]研究指出，奶牛日粮中蛋白质含量在140 g/kg时，可提高氮的利用效率并减少氮在环境中的排放。此外，王星凌等[13]对奶牛不同日粮蛋白质水平和氮利用效率进行研究表明，日粮蛋白质水平为12.56%、13.96%的氮利用效率明显高于15.53%和16.93%的蛋白水平，并且伴随着蛋白水平的提高，尿氮、乳氮排出量和沉积氮同时增加，但粪氮在16.93%的蛋白水平时增加较为明显，高水平的氮不仅不能提高奶牛对其的利用效率，还增加了粪氮污染物的排放量。由此可见，适宜的蛋白质水平对奶牛以及环境至关重要。

由于奶牛对磷的真吸收率小，所以摄入适量的磷对奶牛来说非常重要。NY/T 34—2004奶牛饲养标准中提出，对于产奶牛和生长牛每100 kg的体重应分别提供4.5 g的磷维持需要量，单位千克的标准乳应提供3 g[14]。但将这一饲养标准与NRC（2001）进行比较，可显然看到对产奶牛、干奶牛、后备牛的日粮磷推荐量达到了过于充足的状态，其中泌乳推荐值相差是最大的[15]。针对此现象，在2007年的奶牛营养需要与饲料成分中明确指出应该将单位千克标准乳的磷需要量降为2 g[16]。同时，黄文明等[17]对京郊奶牛场的研究调查表明，饲粮的磷水平为0.34%就足以满足高产奶牛的需要，日粮磷水平越高并没有对高产奶牛起到积极的作用。

另外，蛋氨酸、蛋氨酸羟基类似物以及硫酸盐都能满足奶牛以及瘤胃微生物对饲粮中硫的需要。日粮中硫过量反而会影响奶牛对铜和硒的吸收，所以，日常奶牛的饲养应保持硫的饲喂量为日粮干物质的0.4%。

2 奶牛规模化生产粪污的排放研究

畜牧场养殖所产生的废物如果不采取一定措施处理再排放，一方面会对农田和河流的生态造成威胁，另一方面会严重污染生活饮用水和空气，此外，还会造成人和牲畜的交叉传染。规模化奶牛养殖场粪尿、污水排放量大，据测定，一头体重为500～600 kg的成年乳牛，每天排粪量为30～50 kg、尿量为15～25 kg、污水量为15～20 L。众所周知，奶牛鲜粪、尿含有较高的氨氮、总磷（TP）、总氮（TN）（见表1）[18]。

表1 奶牛粪尿污染物的平均含量（kg/t）

研究显示，畜禽不能利用饲料中的大部分磷，这是因为饲料中的磷一半以上的是以磷酸盐的形式，经由粪便排出体外。由表2可得，像奶牛、肉牛、肉羊这种饲粮中饲草含量较高的动物，粪便中的氮、磷含量比生猪低，但就尿的成分而言，其氮、磷含量是高于生猪的，而且其粪尿污排量是10倍左右。因此，奶牛粪污对土壤的污染值得高度关注[19]。

表2 家畜粪便成分(%)

在政府间气候变化委员会（IPCC）发布的温室气体排放清单中指出，农业温室气体的排放源主要是反刍动物肠胃发酵甲烷排放与粪便管理系统中的甲烷和一氧化二氮[20]，据测算，全球的反刍动物每年产生的甲烷可达到全球人类活动甲烷排放的28%，总计可达八千万吨[21]。奶牛作为反刍动物生产的主要畜种之一，再加之其庞大的粪污排放量，所以如何实现奶牛生产中减排对实现环境友好型奶牛生产养殖至关重要。

粮农组织数据显示，在2004年全球禽畜粪便中，氮含量达到1亿3 500万吨，磷含量达5 800万吨。其中牛粪便的氮贡献率最高为58%，猪粪达12%，鸡粪为7%，牛粪所占比重最大，从地理位置上看，亚洲地区输出量最多，占全球氮和磷输出总量的35.5%[22]。此外，Burgos等[23]研究显示，当奶牛饲粮中的粗蛋白含量从15%增加到21%时，每头奶牛每天氮排放量从57 g 增加为149 g，其粪中氨氮将从228.2 mg/dl 增加至508.7 mg/dl，但尿中氮的排放量从67%降至47%。与此同时，Wu等[24]的研究显示：奶牛饲粮中磷的摄入和排泄存在相关性，当日粮中磷从0.48%降到0.38%时，粪磷的排泄将减少30%～35%。

奶牛粪便的排放已经成为限制其本身健康和可持续发展的要素。例如，2004年到2013年，安徽省畜禽养殖总数增加，直接导致了粪便排放量增加。2013年末[25]，安徽省耕地面积仅为418.81万hm2，但畜禽粪便总量多达7 765.87万吨。众所周知，在一定时期内单位耕地面积对畜禽粪便消纳吸收有确定的值，如果超过这个范围，会造成土壤污染。假设按每头畜禽在饲养周期内猪粪当量换算系数和粪尿产生量换算成猪粪当量，同时根据每公顷耕地猪粪当量最适宜的承载力为12～24 t/年[26]，418.81万hm2的耕地承载的粪便范围是5 025.72～10 051.44 t，安徽省粪便排放总量接近土地消纳总能力。

3 我国耕地碳、氮、硫、磷的平衡性研究

土壤化学性状是土壤的另一个主要的属性，它是决定土壤肥力的主要因素，直接影响作物的产量和品质，主要包括土壤有机质、大量元素、微量元素、土壤pH值等。就国内对畜禽粪便的研究来说，王方浩等[27]阐述了由畜禽粪便所带来的环境效应，我国多个省份存在氮磷含量高而导致的污染问题，这个污染正是由畜禽粪便过量排放导致的。对于粪肥年施氮量欧盟有着明确的规定，超过170 kg/hm2这个极限值会带来硝酸盐淋洗等问题[28]。而土壤的粪便年施磷（P2O5）量不能超过80 kg/hm2（约35 kg P/hm2）[29]。表3 为我国各地区的粪尿养分分布（氮、磷）差异。可见，根据欧盟的标准，我国较大部分面积的耕地氮磷含量都处于饱和状态。其中，氮占比最大的地区为华北，最小的为东南；磷占比最大的为长江中下游地区，占比最小的为东北地区；氮加磷占比由大到小依次为：华北、西南、长江中下游、西北、东北。

表3 中国各地区粪尿养分分布(氮、磷，×104 t)

土壤氮素是土壤中最活跃的元素，也是植物所需的必要的养分之一。土壤的供氮能力可以用土壤的全氮含量来体现，在一定程度上也表明了土壤肥力状况和土壤结构。研究显示，土壤碱解氮的含量与作物的吸氮量和作物的产量呈现高度相关，由此可以较为灵敏地反映出土壤供氮水平和土壤的氮素含量，是耕地地力的重要指标[30]。例如，基于象山县大量“3414”田间试验结果，根据土壤养分分级标准，象山县土壤全氮均处于中氮区（1.5～2.0 g/kg）水平。土壤全氮含量在1.5～2.59 g/kg的耕地面积约1.8万hm2，占总耕地面积的87.12%，全氮在2.5～3.0 g/kg 的耕地面积约为0.27 万hm2，占总耕地面积的12.88%。从象山县常种作物对氮的需求量考虑，目前土壤中的氮素含量基本能满足农作物生长需求，氮肥的施肥方式以保持现有措施为主。象山县土壤高磷区面积为7 310 hm2，占耕地总面积的35.32%；中磷区面积为8 037 hm2，占耕地总面积的38.84%；低磷区面积为5 349 hm2，占耕地总面积25.84%。全县有84.16%土壤有效磷含量在15 mg/kg 以上，能够满足作物的生长需求。约1/3的土壤，如丹东、丹西、爵溪街道、墙头、泗洲头部分区域及南部环大塘港等地区的有效磷含量偏高[31]。

土壤活性有机碳含量与其供碳能力密切相关，而不同耕作措施对活性有机碳含量有着一定影响。在表层0～5 cm，播种期和收获期冬小麦田土壤活性有机碳含量均以免耕最高，分别为2.98 g/kg和3.16 g/kg。在播种期，翻耕、旋耕较免耕减少23.03%和23.06%；在收获期，0～5 cm土层翻耕、旋耕较免耕减少了12.79%和5.52%；5～10 cm土层翻耕、旋耕较免耕减少了20.53%和36.15%[32]。此外，张英英等[33]研究显示，0～30 cm土层，NTS（免耕结合秸秆覆盖）处理较传统耕作(T)、免耕(NT)、传统耕作结合秸秆还田(TS)相比可显著提高土壤活性有机碳含量。土壤有机碳和作物的高产、土壤结构稳定有着十分密切的关系。当土壤有机碳质量分数低于2%时，首先土壤结构的稳定性会降低，然后限制作物的高产，然而中国超过80%的耕地土壤有机碳质低于该水平[34]。土壤有效硫小于10～16 mg/kg 作物有缺硫的可能性。据67个土壤样本测定统计[35]，泰顺县土壤有效硫含量在5.1～26.8 mg/kg，平均为11.2 mg/kg，其中含量≤10 mg/kg 占44.78%，含量在10～15 mg/kg 的占41.79%，＞15 mg/kg的只占13.43%。马进川[36]对中国土壤磷养分资源管理策略的研究中显示，农田磷素盈余量从1980年的10.6 kg P2O5/ha到2012年96.4 kg P2O5/ha。这表明，相对氮磷元素而言，土壤相对缺碳硫元素。

结合畜牧业状况与区域的耕地承载力，根据胡浩等[37]对江苏省的畜牧业布局与地区环境承载力之间的联系得出的研究表明，江苏省畜牧业未来还有一定的发展空间。但就磷的消纳而言，已经基本达到饱和。这是因为每公顷土地上实际承载的畜禽数量14.2猪单位，大于江苏省的全部耕地种植大田作物估算的理论承载力的11.2 猪单位。2013 年我国畜禽粪便总磷产生量是63.89 万吨，全国平均单位耕地面积达到5.2 kg/hm2，单位播种面积达到3.9 kg/hm2，这个容纳量对磷而言有着较大压力[38]。因此，为了畜牧业的可持续发展，有必要采取有效措施使粪便中的磷含量降低，让耕地可消纳更多畜禽养殖排泄物中的磷[39]。

4 奶牛日粮碳、氮、硫、磷的平衡供给

前述表明，奶牛养殖业中其日粮的碳、氮、硫、磷供给总量高于奶牛泌乳的营养需要，同时其间的平衡性也没有给予关注。鉴于当前耕地的承载能力和未来的可持续发展，在前人对奶牛碳、氮、硫、磷需要量研究的基础上认为，奶牛的日粮需要关注其间的平衡。奶牛泌乳性能，饲养管理是影响奶牛产奶量最重要的因素，特别是日粮的营养价值、饲料的种类与品质、贮藏加工技术及日粮的碳氮比（一般为1～1.5∶1）等对提高母牛的产奶量和奶中成分起着决定性的作用，营养水平过低或不平衡，不仅会影响泌乳量和乳成分，而且还会缩短泌乳期[40-41]。夏建民等[42]研究荷斯坦奶牛对氮的利用率，按泌乳前期（81 d）、中期（146 d）和后期（266 d）进行分组，结果表明I 场的摄入氮量分别为695.7、646.5、539.6 g/d，Ⅱ场摄入氮量分别为634.5、605.3、383.4 g/d，I 场氮利用率（奶氮和沉积氮占摄入氮比例）（31.6%）显著高于Ⅱ场（22.7%）。另外，为提高奶牛对尿素的利用率，含尿素的日粮的最佳氮磷比为8∶1，氮硫比应为10～14∶1[43]。依据前人研究，泌乳前、中、后期的碳、氮、硫、磷营养素的比例见表4，可知泌乳早期碳、氮、硫、磷分别占日粮的2.63%、2.63%、0.22%、0.35%（计算其比例为12∶12∶1∶1.6)；高产期碳、氮、硫、磷分别占日粮的2.44%、2.44%、0.22%、0.35%（计算其比例为11∶11∶1∶1.6）；泌乳后期碳、氮、硫、磷分别占日粮的2.03%、2.03%、0.2%、0.35%（计算其比例为10∶10∶1∶1.8）。

表4 奶牛日粮碳氮硫磷元素适宜水平推荐（% DM）[44]

5 结语

我国目前乳业发展迅猛，奶牛养殖规模在一段时间内还要有一定幅度地增长，而相应地，其粪尿中营养素的排放也将增加；而且，近一段时期内，成为动物营养研究专家、奶牛养殖技术人员，乃至种植业的专家都关注的研究热点问题。杨飞等[45]的研究表示，与2009年相比，2020年畜禽养殖量成倍快速增长，大多省区的水环境和土壤都会面临严重的超负荷承载，耕地也会处于对氮的消化能力最大的阶段，这对奶牛生产也带来了一定的压力。为此，通过饲料源头上精确控制泌乳奶牛日粮中碳、氮、硫、磷等元素的比例，在提高饲料的利用效率和提高奶牛泌乳能力的同时，降低奶牛粪便中这些元素的含量，减小这些元素对土壤、河流及空气的污染，实现环境友好的生态养殖。