畜禽钙磷和微量元素营养研究进展

吴信， 万丹， 印遇龙*

1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室；畜禽养殖污染控制与资源化技术国家工程实验室；湖南省畜禽健康养殖工程技术研究中心，长沙410125；2.中国科学院天津工业生物技术研究所，天津300308

作为不可再生资源，矿物元素在工业、农业、国防等领域均有广泛应用，其更是人类和动物机体所必需的营养素，分为常量元素和微量元素两类。人和动物体内含量大于0.01%的称为常量元素，包括钙、磷、钠、氯、钾、镁、硫等；人和动物体内含量在0.01%以下的称为微量元素，目前已发现机体必需的或可能必需的微量元素有16 种，即铁、锰、钴、铜、锌、硒、钼、碘、氟、钒、镍、砷、铬、锂、硅、锡[1]。矿物元素在畜禽生长发育、新陈代谢、神经活动、免疫功能及内分泌等几乎所有的生命活动过程中都发挥着重要的生理作用。如果机体某种矿物元素摄入不足或在体内过量蓄积、矿物元素间比例失调，都将引发疾病甚至死亡等严重问题。世界饲料工业起源于20世纪40年代，随着世界经济和人口的快速发展以及人均生活水平的提高，饲料工业也得到了长足的发展，2016 年全球饲料产量首次超过10 亿t[2]。随着饲料工业和养殖业的集约化规模化发展，畜禽矿物元素用量迅速增加，导致矿物元素资源紧缺，同时，目前矿物元素在剂型与剂量的使用上存在较大问题，造成生态环境污染[1]。因此，亟需从源头控制矿物元素在养殖业中的应用，以满足畜禽的营养需要为出发点，形成既减少向环境中的排放，又能为种植业提供良好的有机肥料的可持续种养模式。

钙磷作为畜禽体内含量最高的矿物元素，在消化、吸收、代谢、利用、排泄五大营养过程中均存在复杂的交互关系[3]。微量元素虽在畜禽体内含量较少，但具有极其重要的生理功能，有助于维持畜禽机体健康、提高机体抗氧化和抗应激能力、提高畜禽肉品质等[4]。基于此，以钙磷和微量元素为切入点，介绍了饲用矿物元素的应用现状、畜禽矿物元素基础需要量及合适的添加范围，着重综述了新型饲用微量元素的开发与应用进展，并探讨了矿物元素动态饲喂模式的可行性及有效性，以期为合理利用矿物元素资源及进一步解决全球生态农业研究的畜禽矿物元素导致的环境污染提供参考。

1 我国饲料中钙磷和微量元素应用现状

饲料行业是现代畜牧业和水产养殖业发展的物质基础，同时连接着种植业，是农业产业链中的重要环节。近年来，国内饲料产量快速增长，从2012年的2.17亿t增长至2017年的2.85亿t[5]。饲料工业发展至今，面临着质量安全要求更严、资源环境约束更紧张的双重挑战。然而，由于饲料中矿物元素的不合理使用，致使钙、磷、铜、锌、镁、铁、锰等每年的环境排放量超过1 000 万t[6]，已对土壤、水体等生态环境构成威胁，而伴随矿物元素存在于饲料中的有毒重金属镉、铅等更是一大安全隐患。对部分城市集约化养殖场的畜禽粪便取样调查的结果表明，部分区域的猪粪中铜、锌的超标率分别达59.84%和95.08%[7]。因此，在满足畜禽养殖营养需要量的情况下，科学合理的使用饲料中的矿物元素，实现降低养殖业中矿物元素的排放，是当前亟待解决的问题。

2 饲用钙磷和微量元素概况

饲用矿物元素主要有钙、磷、铜、锌、铁、锰、硒等。以猪为例，猪对钙的需要量在所有矿物元素中最高，一旦日粮供给不足或钙磷比例不当会直接影响猪的正常生长发育和生产水平[8]。因此，在配制猪日粮时，对于矿物元素，首先需要准确供给的就是钙，同时应添加相应比例的磷。微量元素对于畜禽的生长发育同样具有重要意义。在饲粮中添加较高剂量的铜可以改善生猪和家禽对饲料中营养物质的消化吸收、促进生长激素的分泌[9]，从而使其采食量增加等。饲粮中铜含量过少，可能引起贫血、生长发育停滞；但向饲粮中添加过量的铜，不仅提高生产成本，还会引起生猪的蓄积性铜中毒、导致其他二价金属元素吸收代谢异常，同时影响食品安全、造成生态环境污染[10]。所以，合理的铜添加在畜禽饲养过程中十分重要。饲料中硒缺乏会导致机体抗氧化功能异常，但饲料中硒过量也会对动物机体造成不良影响，甚至毒害作用[11]。向家禽日粮中添加外源锌（如ZnSO4）以满足日常营养需要，然而，因ZnSO4的利用效率低，只有6%的锌被留于体内，而94%的锌被排出体外，并在土壤中累积，对生态环境造成了严重的负担[12]。因此，探索畜禽矿物元素需要量和合适的添加范围，改进现有剂型的利用效率，对养殖业矿物元素源头控制至关重要。

3 畜禽钙磷和微量元素的需要量研究进展

3.1 畜禽钙磷和微量元素基础需要量

体重、生长阶段是影响矿物元素基础需要量的重要因素。其次，蛋禽的产蛋量以及妊娠母猪的配种体重、胎次、产仔数等也是影响种畜禽矿物元素基础需要量的影响因素。参考猪营养需要（NRC，2012）[13]和家禽营养需要（NRC，1994）[14]，随着体重的增加，生长猪对矿物元素的基础需要量见表1，不同阶段家禽对矿物元素的基础需要量见表2。目前，除妊娠母猪和哺乳母猪的钙磷基础需要量考虑到母猪的初配体重、胎次、产仔数等因素外，母猪的微量元素基础需要量、种禽的钙磷基础需要量均未细化（表2、3）。因此，如何选择合适的剂型与剂量的矿物元素，避免母猪和蛋禽的微量元素负平衡，确保繁殖潜能的最大化是当今动物营养研究的关注点之一。

表1 生长猪日粮钙、磷和微量元素需要量（自由采食，90%干物质）[13]Table 1 Dietary requirements of calcium,phosphorus and trace elements of growing pigs(free feeding,90%dry matter)[13]

表2 家禽日粮钙、磷、微量元素需要量（自由采食，90%干物质）[14]Table 2 Dietary requirements of calcium,phosphorus and trace elements of poultry(free feeding,90%dry matter)[14]

3.2 畜禽钙磷和微量元素的合适添加范围

根据我国畜禽养殖业的生产实际和环保因素，我国农业农村部2625 号公告分别推荐和限制了畜禽中各种矿物元素的添加量(表4)。当前，饲料企业基本参考限量标准的上限进行饲料配方设计和产品开发。然而，该公告除了针对铜、锌有较严格的最高限量，对铁和锰的限量均较高，对钙磷暂无最高限量要求。其中，我国仔猪阶段铜的限量（125 mg·kg-1）仍高于欧盟的限量（25 mg·kg-1）。因此，需要对畜禽的矿物元素的合适添加量进行系统的研究，制订适合我国的合适添加范围。

表4 我国畜禽钙、磷和微量元素推荐添加量和最高限量Table 4 Recommended addition and maximum limit of calcium,phosphorus and trace elements of livestock and poultry in China

3.3 新型饲用微量元素开发与应用进展

饲用微量元素不仅与骨骼发育等畜禽生长发育密切相关，还可通过与机体内的蛋白质和其他物质相结合形成酶、激素、维生素等生物大分子，在机体内特别是繁殖阶段和快速生长及应激期间对内分泌、免疫等生命活动发挥重要的生理调控功能。目前，饲料中添加的微量元素主要是无机盐的形式，虽然价格便宜，但是稳定性差，易受饲料中其他成分的影响，且存在吸收利用率低等问题。而通过改变微量元素的结构，可以增加其吸收利用率，减少饲料中的添加量以及向环境的排放量，从而达到降低饲用矿物元素给生态环境等造成严重污染的目的。因此，亟需开发新型饲用微量元素。

锌具有改善肠道健康、增强机体抗应激能力的生理功能。研究表明，氧化锌能显著降低断奶仔猪腹泻率，但大量氧化锌没有被吸收而是直接排出体外，并蓄积在土壤中，对环境造成重要的影响。通过在断奶仔猪日粮中添加高锌（3 000、2 000、1 000 mg·kg-1），42 日龄后，测定粪便中锌的含量，高锌组中锌的含量分别是对照组（100 mg·kg-1）的 13.6、9.9 和 4.6 倍[15]。农业农村部 2625号公告对氧化锌的添加量减少了用量，现代养殖生产中，为了更好地利用锌对机体的积极作用及减少对环境的危害，可考虑碱式氯化锌替代氧化锌。农业农村部饲料工业中心的研究结果表明，碱式氯化锌在抗腹泻和促生长方面具有比氧化锌更高的效率[15]，1 250 mg·kg-1碱式氯化锌能达到2 250 mg·kg-1氧化锌的效果，农业农村部已将碱式氯化锌作为抗腹泻锌源纳入2625 号公告，为行业替代氧化锌提供了新的方案。其他形式的氧化锌替代方案，如改性氧化锌、纳米氧化锌等方案在控制仔猪腹泻应用上也具有一定的作用。

表3 妊娠和泌乳母猪日粮微量元素需要量（自由采食，90%干物质）[13]Table 3 Dietary requirements of trace element of pregnant and lactating sows(free feeding,90%dry matter)[13]

近年来，采用氨基酸微量元素替代无机微量元素也是“减量增效”策略之一。研究表明，日粮中高水平的添加量会增加粪便中的排出量，而添加有机形式的微量元素，可减少它们经粪便的排出量[16]，日粮中用较少的有机形式的锌代替无机锌既满足了肉鸡和蛋的营养需求，又将矿物元素对环境的影响降到最低[17]。本实验室研究发现，使用氨基酸金属螯合物能显著提高畜禽对微量元素的消化吸收率[18]。低剂量的有机铜替代无机铜，提高了铜的生物利用率，降低了粪便中铜的含量[19]，有机铜也可改善生长后期畜禽肉品质。在肉鸡日粮中添加有机铜——赖氨酸铜（250 mg·kg-1）显著降低在十二指肠和空肠内容物的锌的溶解度[20]；肉鸡日粮中50～75 mg·kg-1羟基蛋氨酸螯合锰可有效替代100 mg·kg-1硫酸锰[21]。使用有机铁饲喂哺乳仔猪，与无机铁相比，仔猪体重、日增重以及血红蛋白和血液红细胞数含量等指标均显著增加，有机铁促进了铁的吸收与利用，降低排粪量和粪中排铁量[22]。研究发现，妊娠后期母仔日粮中采用有机铁Fe-CGly 替代FeSO4，能显著改善妊娠后期母猪的胎盘铁沉积和铁代谢，改善母猪的繁殖性能，特别是仔猪的出生窝重[23]；螯合铁还可增强幼龄期免疫力以及减少肠道刺激[24-25]。

微量元素络合物配体的选择对其功能性也具有重要的影响。本实验室研究发现，不同来源的硒对蛋鸡产蛋性能影响区别较大[26]；锌和铁等与多糖等植物天然产物络合后具有多种兼具天然产物和微量元素的功能性生理作用[27]。总之，与传统无机微量元素相比，饲料中选用新型微量元素更加高效安全，可一定程度上降低微量元素的排放。

4 钙磷和微量元素机体内动态规律与精准化饲喂

机体对矿物元素等营养物质的消化、吸收和利用存在明显的空间分布差异，矿物元素之间存在协同与拮抗作用，基于此规律提出了动态营养及其饲喂模式[28]。本实验室研究表明，机体铁稳态受生物钟调控，一天中，仔猪09:00 肝脏铁储存浓度最高，15:00血清铁浓度最高，且与铁吸收、代谢密切相关的基因DMT1、DCYTB、TfR和HAMP均呈现动态节律变化[29]；相应地节律性补铁影响猪的铁吸收和沉积[30]；妊娠后期动态添加钙显著缩短了母猪的产程，有效提高了母猪的繁殖性能[31]。在家禽中的研究结果表明，蛋鸡钙和锌动态饲喂影响了钙、锌和磷3 种元素在蛋鸡体内不同器官和组织间的调运节律，以及蛋鸡体内钙与锌元素之间的昼夜变化，调节钙、锌和磷元素在蛋鸡体内的稳态，影响了钙、锌和磷在产蛋鸡血清和胫骨昼夜变化及蛋黄中的沉积规律和沉积水平[32]。这提示动态饲喂模式可一定程度上避免矿物元素间的拮抗作用，进而提高利用率。

5 展望

随着畜牧业不断进步和发展，饲料中钙磷和微量元素需要量更趋于精准化。建立适合我国国情的畜禽矿物元素添加量推荐标准，开发高效的矿物元素产品，有效地降低畜禽饲料中的矿物元素含量，降低或者平衡粪污中的矿物元素排放量，构建养殖矿物元素安全与高效利用的理论、方法和技术体系，减少畜禽养殖排泄物对环境的污染是关乎我国畜禽养殖业的可持续发展、农业生态环境的维护的重要举措[33-34]。因此，需要进一步完善矿物元素有效性评估模型，精确评价动物不同阶段矿物元素的有效需要量，修订饲料中矿物元素添加标准；同时，在研究功能性氨基酸和矿物元素吸收与分布规律基础上，进一步研发并筛选出高效安全的矿物元素添加剂产品，降低畜禽排泄物中的重金属元素的含量。