奶牛蛋白水平周期性波动日粮研究进展及对氮减排的启示

2022-09-14廉红霞王林枫高腾云付彤

中国畜牧杂志 2022年9期

廉红霞，王林枫，高腾云，付彤*

（1.河南农业大学动物科技学院，河南郑州 450046；2.河南省家畜营养调控与生态养殖国际联合实验室，河南郑州 450046）

“十四五”是我国畜牧业由畜牧大国向畜牧强国转型升级的关键时期。2021 年《中国奶业质量报告》要求，到2025 年奶业实现全面振兴，基本实现现代化，奶源基地、乳品质量和产业竞争力整体水平进入世界先进行列。随着经济发展进入新常态，消费需求呈现个性化和多样化趋势，创新驱动成为发展新引擎，绿色生产为主导方向，这些新变化对草食畜牧业的转型升级和可持续发展提出了新的要求。畜牧业应坚持绿色发展，协同推进畜禽养殖和环境保护，促进可持续发展。2021年农业农村部发布《关于开展绿色种养循环农业试点工作的通知》提出，加快推动农业绿色低碳发展。中国乳业肩负着推动碳达峰、碳中和目标的责任与使命，全面推进全产业链绿色转型与升级、采取有效行动促进绿色低碳可持续发展意义深远。实现乳品行业可持续发展目标、开展绿色可持续发展成为中国乳业的发展方向。

目前中国奶业已跻身世界第一阵营，正处于构筑“奶业强国”的进程中。随着规模化、集约化程度的提高，奶牛生产为人类提供大量优质乳制品的同时，所面临环境污染问题和奶牛生产蛋白质饲料紧缺问题日益严重。我国饲用蛋白原料对外依存度长期保持在80% 以上，2021 年，我国进口苜蓿干草178.03 万t，同比增加31%，其进口价格近5 年来一直呈上涨趋势；国内大豆需求逐年增加，2020 年已超过1 亿t；另一方面，饲料中添加过量的蛋白质，导致动物对蛋白质的利用率降低、排放到自然界中的氮元素增加。因此，提高养殖中氮的利用效率，实现蛋白质高效利用与氮素减排迫在眉睫。

1 奶牛集约化养殖中氮减排的必要性

畜牧养殖对环境造成的污染问题已引起全球的广泛关注。畜牧业在世界范围内面临着经济、环境和社会可持续发展的诸多挑战，其中氮的排放对空气、水质、生态系统的生物多样性和人类健康的影响是一个重要问题。奶牛个体粪尿排泄量在家畜中是最多的，是农业面源污染的主要因素之一。据测定，一头体重为500～600 kg 的成年乳牛每天排粪量30～50 kg，尿量15～25 kg。一个千头奶牛场日产粪尿50 t。而粪尿中含氮物对空气、土壤和水体均可造成污染，因此成为主要的环境关注物。

我国奶牛养殖规模化、标准化和现代化水平不断提高，生产效率大幅度提升，整体素质明显增强。2020 年我国奶牛数量615 万头，牛奶产量3 440 万t，成母牛平均单产达到8.3 t；奶牛规模养殖比例达到67%，超过50 万头成母牛平均单产达到10 t 以上，多家牧场单产达到了13 t。据中国奶牛数据中心统计数据显示，2021 年6 月参测牛只305 d 产奶量为9.34 t。

随着我国奶牛业的快速发展，氮排泄污染环境的问题也越来越受到重视，奶牛氮排泄量与饲粮的粗蛋白质含量和消化率密切相关。在奶业生产中，养殖者为提高产奶量和乳品质通常提高日粮蛋白的含量，导致70%～80%的摄入氮通过粪便和尿液排泄到水体、陆地和大气中，进一步造成环境的恶化。伴随奶业快速发展而来的奶牛集约化养殖导致排放的氮在较小空间内积累。理想情况下，大部分氮素应保留在家畜体内，或沉积到粪肥中然后用作农作物肥料。然而，大量的氮会以挥发性氮形式流失。奶牛向环境中排泄的氮主要是尿氮和粪氮，其通过不同的方式对环境产生影响，主要以氨氮（NH-N）、一氧化二氮（NO）和氮气（N）的形式排放到空气中；或者以硝酸盐（NO）的形式排放到地下水中；以颗粒氮的形式排放到地表水中，导致大气颗粒增加，平流层臭氧浓度降低，温室气体浓度升高，水生生态系统富营养化和沿海缺氧，降水、土壤和地表水酸度增加等，最终大部分污水进入土壤，通过雨水冲刷进入地表水源和地下水源，对水体造成污染。

粪便作为奶牛养殖主要的污染源，分解的终产物以氨、硝酸盐和胺等3 种形态进入土壤。农业农村部统计数据显示，2016 年全国奶牛场粪污年产量约4 亿t。牛粪中有机质、氨态氮（NH-N）、总磷（TP）、总氮（TN）含量分别达53.56、1.71、1.18、4.37 g/kg，其中的蛋白质等经微生物分解产生如甲烷（CH）、硫化氢（HS）、氨气（NH）等。相比粪氮，对于污染空气而言，尿氮的污染更为严重，因为从尿液中挥发出来的氨是粪便中的6～7 倍。与粪便中的氮不同，尿液中的氮对不同的氮摄入量更敏感。因此制定可实施的方案以优化养殖场奶牛对氮素的保留，并尽量减少这些营养素在尿液中的排泄量意义重大。

2 奶牛蛋白水平周期性波动日粮研究进展

在自然界中，一些动物、植物和微生物经历了季节性的营养不足和充足时期，这种营养波动在生物的快速生长期以代偿性生长的方式影响稳态的过程。反刍动物瘤胃微生物可能在氮供应量低于或高于其需求量时增加对氮利用的效率。研究表明，日粮氮水平不断变化时，反刍动物氮沉积有所增加，原因在于循环到瘤胃中的尿素氮能够为机体蛋白合成提供氮源，保证了动物体内正常的氮代谢。樊艳华等通过研究饲粮蛋白质水平周期性变动对内蒙古白绒山羊内源尿素氮循环和微生物蛋白质合成的影响，探明周期性变动饲粮蛋白质水平有利于提高内蒙古白绒山羊氮利用率和微生物蛋白质合成量。饲喂蛋白水平周期性波动日粮可提高羔羊氮利用率，原因可能在于转运至瘤胃的尿素增加。Muscher 等通过Ussing Chamber 以瘤胃上皮模拟尿素氮转运测定尿素氮在瘤胃的流通量，表明饲喂2 d 变动低氮饲粮的羊屠宰后，尿素氮在基膜的流通量更大。

通过日粮管理和周期性改变日粮的饲喂方式来提高反刍动物氮利用率是缓解环境污染的一种重要手段。在接近或低于动物需要的日粮粗蛋白质水平下，波动日粮粗蛋白质才能有效地提高氮的存留率，且动物的生产性能不会下降。以48 h 为间隔的波动日粮粗蛋白质水平可以增加反刍动物的氮利用效率，这表明了48 h 日粮粗蛋白质水平的变化可能与消化物在肠道中的存留时间一致。瘤胃碳水化合物降解率与粗蛋白质降解率同步是提高氮利用效率、减少尿氮排泄进而提高动物生产性能的一种方法。

日粮蛋白质水平周期性波动可调动反刍动物的尿素氮循环机制，降低粪氮、尿氮排出量，增加沉积氮/摄入氮，而且用于合成的微生物蛋白的氮增加，机体氮利用率提高。饲喂波动粗蛋白质水平的日粮时，机体蛋白质代谢的变化可能是提高氮利用效率的部分原因。与在静态浓度下每天摄入等量粗蛋白的动物相比，饲喂波动粗蛋白日粮的动物有更多的尿素向门静脉引流内脏转移。尿素循环到门静脉引流内脏的增加可能导致瘤胃内NH-N 浓度的增加，进而使瘤胃内微生物粗蛋白合成增加，这表明相对于静态日粮，饲喂波动日粮的动物尿素氮净流量更大。当瘤胃中氮含量较低时，日粮粗蛋白水平波动可能促进了氮的循环利用。Zhang 等在荷斯坦公犊上的试验也表明，以48 h 为间隔的日粮粗蛋白水平波动，增加了肝脏合成的尿素氮和进入胃肠道的尿素氮，用于再合成代谢的尿素氮增加，从而增加了犊牛的氮利用率。因而，通过饲喂与日粮在消化道中滞留时间相似的间隔波动日粮粗蛋白水平，可以减少日粮CP的总喂量，且不会对动物的生产性能产生不利影响。

3 蛋白水平周期性波动日粮对奶牛氮减排的启示

目前奶牛生产中，为确保高产奶量，通常会采用过量蛋白质摄入。对奶牛而言，氮主要来源于饲料中的含氮化合物，奶牛对饲料中氮的利用率只有30% 左右，未利用的氮通过粪便和尿液排放到环境中（约30% 随粪便排出，约40% 随尿液排出），较低的利用率不仅会造成生产效益低下、饲料成本增加，同时也使污染物的排放量增多，制约了奶牛业发展。研究表明，瘤胃降解为氮利用率低的最主要原因。目前，研究者建议的奶牛日粮粗蛋白质水平为15.7%～17.1%，这既能满足奶牛的氮代谢需要，又能有相对较小的氮排泄量。

蛋白质饲料紧缺问题一直是养殖业面临的重要课题。特别是近年来，我国奶牛养殖水平迅速提高，集约化程度加快，优质蛋白饲料需求量日益增多。在奶牛全混合日粮（Total Mixed Ration,TMR）中，蛋白质饲料占20%～40%，占饲料总成本的40%～50%。大豆和苜蓿作为奶牛养殖的主要蛋白饲料，长久以来主要依赖于来自美国的进口。2018 年中美贸易战以来，我国奶牛蛋白饲料紧缺问题日益严重。

日粮中适宜的粗蛋白质水平对反刍动物的生产性能和饲料的有效利用至关重要。解决奶牛养殖全产业链中氮减排的措施包括：从饲料源头控制，即建立健全准确的饲养标准，制定奶牛日粮中低蛋白日粮的使用及氨基酸平衡机制；着眼养殖过程管理，即奶牛饲喂管理过程中降低氮损失，做好能氮平衡工作，提高氮利用效率；实施终端调控，即粪尿减排及资源再利用。

在营养研究领域，日粮粗蛋白质水平是影响动物氮排放的重要因素。奶牛日粮中高浓度的氮不仅增加了微生物蛋白质的产生，也提高了瘤胃NH的含量，从而增加了尿氮的排泄量。实践证明，降低日粮氮含量对动物的氮利用效率有很大的改善，不仅降低了饲料成本，还减少了温室气体排放和水土污染。因此猪、禽养殖业提出了“低蛋白饲料”的解决方案，但对追求高品质乳制品的奶牛业并不可行，尽管降低日粮氮浓度可以减少牛的氮排泄量，但日粮氮水平的降低可能会影响动物的生产性能和健康。可见，通过降低日粮氮浓度来减少氮排放在奶牛生产中并不是一个可行的策略。

基于此，精细化饲养成为今后世界范围内奶牛养殖的发展趋势。表明提高饲喂精准度，每天每头牛饲料成本可降低2%，精准饲喂可增加2%的产奶。调整日粮使提供的蛋白质满足奶牛需要成为提高氮利用率的基本原则。在我国奶牛摄入过量蛋白质造成的奶牛高淘汰率、饲料资源浪费及环境污染问题愈来愈严重的情况下，寻找新的出路更显重要。提高奶牛氮利用率、实行精准饲养，是解决目前奶牛生产中氮减排问题切实可行的方法，其中日粮粗蛋白水平波动研究及策略无疑为奶牛养殖氮减排提供了新的思路和启示。