动物生态营养学在畜禽氮磷减排中的应用

郭勇庆,邓 铭,刘德武,孙宝丽

(华南农业大学 动物科学学院，广东 广州 510642)

近年来，畜禽养殖业已成为中国农村经济的主导产业之一，生猪、奶牛和家禽等主要畜禽的养殖数量、集约化程度和生产水平都得到了快速提高。同时，由于中国集约化畜禽养殖场普遍存在配套土地不足的现状，使得畜禽粪便不能得到有效还田利用，造成了很大的环境威胁。调查显示，农业源污染物产生的排放对水环境影响较大，畜禽养殖业排放造成的总氮、总磷量和化学需氧量分别占农业源的38%、56%和96%(环保部、国家统计局和农业部，2010)[1]。随着中国大气、水和土壤污染防治计划等环保政策的实施，及时采取相应措施来降低畜禽氮、磷等污染物排放成为中国养殖业迫切需要解决的问题。

氮和磷是构成动物机体的重要成分，是饲料中必不可少的营养元素，与畜禽健康和生产水平密切相关。当前，养殖者制定饲料配方时大都以提高畜禽的生产性能和免疫能力为目标，很少考虑粪尿中营养物质过剩造成的环境问题。随着环保政策的收紧和人们生态环境安全意识的提高，从业者不得不采取多种措施来降低畜禽生产引起的环境污染。中国饲养标准推荐的磷需要量高于国际常用标准[2]，实际生产中饲料中氮磷含量通常也较高，造成畜禽氮磷利用效率普遍偏低，Bai等[3]研究得出，中国奶牛氮磷平均利用效率只有10%～22%，远低于美国、澳大利亚和新西兰等国家的平均水平(19%～35%)。这不仅造成饲料资源的浪费，而且增加粪尿氮磷的排放，可引起严重的环境污染问题。为减少畜禽粪尿氮磷排放对环境的影响，当前的科学研究多集中在如何处理含氮磷较高的粪便和污水，包括物理[4]、化学[5]、生物处理[6-7]、还田利用等[8]减少粪尿对环境污染的技术和设备，然而这只是治标的方法。研究表明，通过科学配制日粮，可有效调控禽畜粪便中氨氮和总磷含量[9]。采用动物生态营养学原理配制的生态环保型饲料饲喂动物，可以以最少的饲料资源消耗生产出尽可能多的优质畜产品，同时达到最佳的生态平衡[10]。因此，根据动物生态营养学原理，采取日粮调控措施来提高畜禽氮磷利用效率，降低粪尿氮磷排放，具有重要的现实意义。

1 动物生态营养学的原理与实践

畜禽机体对氮磷等养分的利用相对固定，饲料中未被利用的养分会随粪尿排出体外，因此粪尿中的氮磷等养分含量与日粮组成密切相关。研究表明，通过营养调控可以降低畜禽粪尿中氮磷及微量元素的排泄量[11]。因此，生态营养学(Ecological nutrition)应时而生。美国动物营养学家Van Soest于1982年出版了专著《Nutritional Ecology of the Ruminant》[12](反刍动物营养生态学)，阐述了“反刍动物-环境-营养需要”之间的关系，建立了生态营养学的初步理论基础。邢廷铣等[10]在1990年底初步建立了动物生态营养学，指出动物营养学应以获得高效畜禽生产率为目标，以提高饲料转化率为手段，研究“环境(饲料库)-畜禽(基因库)-畜产品(产品库)”3个因素间的物质、能量的转换和平衡及其动态调控模式；后来，动物生态营养学于1996年更新了概念，指出应以生态学和生态经济学理论为基础，把“环境-动物-产品”作为一个整体，研究不同生存条件下动物对各营养物质的动态需求量及其相互关系，以求用尽可能少的饲料或饲草资源在最短的周期内生产出尽可能多而质优的畜产品。动物生态营养学的意义在于要把动物、营养及环境视为一个整体，从饲料安全着手进行综合的、动态的、平衡的营养调控，使动物生产性能达到高效优质，又无环境污染。此外，动物生态营养学还包括微生态营养学，即生态营养学的微型层次，主要是研究“正常微生物群-宿主-营养”三者相互作用的科学，其中宿主包括人、动物和植物，即可以将微生态营养学分为医学微生态营养学、动物微生态营养学和植物微生态营养学3个分支[13]。动物微生态营养学主要关注的是动物机体正常微生物群与营养物质消化吸收、免疫和健康的关系。

动物生态营养学理论可以通过给畜禽饲喂生态环保型饲料来实现。生态环保型饲料就是利用生态营养学理论和方法，围绕畜禽产品公害和减轻畜禽对环境污染等问题，从原料的选购、配方设计、加工饲喂等过程进行严格质量控制，并实施动物营养调控，从而控制可能发生的畜禽产品公害和环境污染，使饲料达到低成本、高效益、低污染的效果[14]。方热军等[15]指出，采用低蛋白结合氨基酸平衡日粮可以降低畜禽粪尿氮的排泄和节约蛋白质饲料资源，在饲料中添加植酸酶可减少粪中40%左右的磷排泄，微量元素螯合物可以明显提高微量元素的利用率，微生物制剂可以减少甚至杜绝饲料中抗生素的添加。此外，使用沸石、丝兰属植物提取物、脲酶抑制剂等可以降低粪便中臭味物质的挥发。因此，为了从源头上解决畜牧业氮磷污染问题，根据动物生态营养学理论，探索日粮调控措施对畜禽氮磷利用效率和排放的影响，对于促进畜牧业可持续发展具有重要意义。

2 降低畜禽粪尿氮排放的饲粮调控措施

影响畜禽粪尿氮排放的营养因素主要包括：日粮蛋白质水平高低，氨基酸是否平衡，饲料原料组成是否合理等；对于反刍动物来说，日粮中降解和非降解蛋白比例是否合理，瘤胃能氮是否平衡以及牧草品质的高低等也可影响氮的利用效率。

2.1 单胃动物

在单胃动物饲料中，可以采用低蛋白日粮、添加寡糖或酶制剂等措施来提高氮利用效率，降低粪尿氮排放[16]。调整日粮使蛋白质满足畜禽需要是提高氮利用率的基本原则，当日粮提供的蛋白质超过需要时，多余的氮会通过粪、尿的形式排出体外。Carpenter等[17]研究得出，随着生长育肥猪日粮中蛋白质水平的降低，尿氮和总氮排出量逐渐降低，氮利用效率逐渐增加。采用低蛋白日粮配制技术可以提高氮的利用效率，即按照理想蛋白质模式，通过添加限制性氨基酸，以平衡日粮氨基酸比例，配制成符合畜禽营养需要的低蛋白氨基酸平衡日粮[18]。随着可消化氨基酸技术的成熟和氨基酸原料生产成本的下降，低蛋白日粮技术在猪、鸡等饲料中也逐渐得到推广。此外，中国的大豆粕主要依靠进口且价格较高，采用合成氨基酸来配制低蛋白饲料，不仅可以降低豆粕用量，还能降低饲料配方成本和粪尿中N的排放量[19]。在降低日粮蛋白质时，需要根据基础日粮中氨基酸含量来补充赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸等必需氨基酸及亮氨酸、缬氨酸和异亮氨酸等支链氨基酸[20]。按照可消化氨基酸为基础，参照理想蛋白质模型，把家禽日粮蛋白质水平降低2%～3%，并添加合成氨基酸配制符合营养需要的平衡日粮，家禽生产性能并未受到显著影响，反而可以提高饲料蛋白利用率，减少氮排出量20%～50%；但是当日粮蛋白质水平下降超过3%时，即便其它营养成分都满足，也会降低肉鸡的生长速率和胴体品质[21]。

在饲料中添加适量的寡糖和植酸酶可以提高氮的利用效率。研究发现，在饲料中添加适量的半乳甘露寡糖，可通过减少生长猪小肠黏膜对氨基酸和葡萄糖的氧化而增加肠外组织对其吸收利用，从而提高氨基酸和葡萄糖的机体利用率[22]。在热应激肉鸡日粮中添加益生菌和纤维寡糖时发现，粗蛋白的表观消化率显著升高，氮排泄量和氮排泄率显著降低[23]。生长猪日粮中添加植酸酶，能明显提高粗蛋白和有机物的表观消化率，同时能够有效提高回肠末端氨基酸的真消化率；与不添加植酸酶的对照组比较，氮沉积量、氮沉积率与氮净沉积率分别提高2.8 g/d、8.8%和11.0%[24]。

2.2 反刍动物

在反刍动物饲料中，可以采用适宜的饲粮粗蛋白质水平、补饲瘤胃保护性氨基酸、保证瘤胃能氮平衡、改变饲粮粗饲料类型和使用饲料添加剂等日粮调控措施来提高氮利用效率，降低粪尿氮排放。

饲粮粗蛋白质水平可直接影响氮采食量和粪氮、尿氮排泄量。奶牛粪氮排泄量通常比较稳定，日粮中多余的氮主要通过尿液排出体外[25]。因此，对于泌乳奶牛来说，确保奶牛适宜的氮摄入量和提高产奶量是提高氮利用效率的有效途径。王星凌等[26]给奶牛饲喂不同蛋白质水平(12.56%、13.96%、15.53%和16.93%)的饲粮时得出，随着饲粮粗蛋白水平的提高，尿氮排出量逐渐增加，乳氮排出量缓慢上涨，体内氮沉积显著增加，而粪氮排出量则相对稳定，仅当蛋白质水平为16.93%时显著增加。不同蛋白水平的饲粮也可影响奶牛粪尿中NH3的排放量。Lee等[27]研究得出，饲粮蛋白质水平为16.7%时奶牛粪尿中NH3的排放潜力显著高于14.8%蛋白质水平饲粮组，低蛋白质饲粮组122 h的NH3累积排放量比高蛋白质饲粮组显著降低47%。

在确定反刍动物饲料蛋白质水平时，需要考虑饲料原料的蛋白质品质、氨基酸平衡、瘤胃降解和非降解蛋白质平衡及粗饲料品质和水平等多种因素。因此，在降低饲料蛋白质的同时，可根据基础饲粮氨基酸组成，补充过瘤胃蛋氨酸和赖氨酸等，能够起到保证氨基酸平衡和提高氮利用效率的作用。与饲喂代谢蛋白平衡饲粮的奶牛相比，代谢蛋白缺乏时补充过瘤胃赖氨酸(100 g/(头·d))和蛋氨酸(24 g/(头·d))后未影响奶牛的生产性能，但是降低了尿氮排泄量和奶牛粪便的 NH3释放潜力[28]。当饲粮中可发酵碳水化合物不足时，不能给瘤胃微生物提供足够的能源用来合成微生物蛋白，因此，此时若添加适量瘤胃可发酵碳水化合物，保证瘤胃能氮平衡，则能够提高微生物蛋白的合成潜力，提高氮的利用效率，如高糖黑麦草干草组奶牛尿氮(114 g/d)和尿氮占总排泄氮的比例显著低于低糖黑麦草干草组(229 g/d)[29]。对饲料原料进行适当加工，也可提高氮的利用效率。陈涛等[30]用0%、10%、20%和30%的蒸汽压片玉米代替粉碎玉米，结果蒸汽压片玉米组奶牛的饲料转化率显著增加，乳尿素氮水平显著降低，氮排放量分别比对照组降低了4.23%、9.37%和10.29%。此外，采取改变饲粮碳水化合物组成和粗饲料类型以及在饲粮中添加离子载体、单宁和微生态制剂等饲料添加剂等措施，也可提高反刍动物的氮利用效率和降低粪尿氮排放[31]。因此，采取饲粮调控措施能提高畜禽对饲粮蛋白质的利用效率，降低粪尿氮排放，但不同调控措施的效果存在差异，应继续开展相关研究，科学评价不同调控措施的可行性。

3 降低畜禽粪尿磷排放的饲粮调控措施

饲料总磷含量、磷源的溶解度以及饲料的钙磷比例等是影响动物磷利用效率的主要因素，当饲料中总磷水平过高、以植酸磷为主和钙磷比例不当时均可降低动物对磷的吸收和利用率，粪尿中磷排放量相应增加。

3.1 单胃动物

采取低磷饲粮、使用高效矿物质磷源、在饲料中添加植酸酶等措施，可以提高单胃动物日粮中磷的利用效率。饲料营养物质供给超过需求是导致养分排出增多的重要原因之一。研究表明，中国饲养标准推荐的产蛋鸡、肉仔鸡、肉鸭和奶牛饲粮中磷需要量均高于美国饲养标准[32]。此外，饲料加工企业在制作饲料时通常采用营养物质富裕量的理念，即营养物质含量要高于饲养标准，以保证出现采食量低等问题时不会出现营养缺乏。因此，可以结合实际生产，在不影响畜禽生产性能时，探索采用低磷日粮来降低饲料中磷的水平，以减少粪尿中磷的排放。

饲料中的磷可以分为植物、动物和矿物质3种来源。磷的生物学利用率因磷的来源不同而有所差异，其中，动物和矿物质来源磷的利用效率通常高于植物来源。其中，肉骨粉等动物原料含钙量高，容易吸收，但是由于其存在细菌超标和传播疫病风险，目前只少量用于蛋鸡饲粮。植物来源的磷大都以植酸磷的形式存在，但是单胃动物胃肠道缺乏分解植酸的酶。近年来，随着植酸酶工业的发展，植酸酶的添加在饲料产品中逐渐普及，在单胃动物饲料中添加300～500 U/kg的植酸酶，通常可以降低0.10%有效磷含量。大量的研究表明，在肉鸡[33-34]、肉鸭[35-36]、蛋鸡[37]、猪[38]饲粮中添加植酸酶均能提高植物来源磷的利用效率，降低磷酸氢钙(DCP)、磷酸二氢钙(MCP)、磷酸一二钙(MDCP)等矿物质磷的添加量。通常认为矿物质磷源中的水溶磷含量越高，磷利用率越高。万敏艳等[39]以肉仔鸡体增重、胫骨指标和血清生化指标评定磷的利用效率时发现，相对于DCP(100%)，MDCP对肉仔鸡的生物学利用率是112.5%。吕小康等[40]研究表明，相对于试剂级DCP(100%)，以磷酸盐中磷的表观消化率和真消化率为指标，MDCP的相对生物学利用率均为120%。因此，采用生物学利用率较高的矿物质磷源时可以降低饲料中磷酸盐的添加量，同时可以降低粪尿中磷的排放量。

3.2 反刍动物

反刍动物可以利用瘤胃微生物产生的植酸酶来分解植酸，使其中的磷释放出来被消化利用[41]。奶牛食入的磷由可利用磷和不可利用磷两部分组成，其中可利用磷经微生物作用和胃肠道消化吸收来合成奶和体组织，或进入唾液磷循环，多余的磷经尿排出体外；不可利用磷、消化道中死亡的微生物，以及细胞所含的磷主要通过粪便排出体外。生产水平不变时，奶牛机体需要的磷变化较小，多余的磷会随粪尿排出体外[42](图1)。通过中国饲养标准计算得出的奶牛磷需要量比美国NRC(2001)[41]高26%～74%，因此在不影响生产性能的前提下，降低饲料磷的水平是提高反刍动物饲料磷利用效率的最佳途径。通过泌乳性能、繁殖性能和骨骼生长等指标来综合评价泌乳奶牛[43-44]和生长母牛[45-46]饲粮磷的适宜需要量时得出：饲粮磷含量为0.30%～0.34%时可满足生长期奶牛正常血磷浓度、最大平均日增重和骨骼强度，饲粮磷含量为0.32%～0.42%时可满足泌乳期奶牛的磷需要，且对奶牛的乳脂率、乳蛋白率和繁殖性能影响较小。随着奶牛饲粮含磷量的升高，磷的吸收率逐渐下降；当超过磷需要量时，会增加粪磷的排泄量[47]。因此，需要控制反刍动物饲粮中的磷含量。

图1 磷在奶牛体内的代谢过程[42]

此外，饲粮钙磷比、矿物质磷源的种类、植酸酶也会影响反刍动物的磷利用效率[41]。因此，需要根据奶牛生理阶段和产奶量等因素来确定日粮中适宜磷含量和钙磷比，尝试使用高效磷源和添加植酸酶等措施，以满足生产需要和降低粪尿磷的排放。

4 小 结

综上所述，饲粮中氮和磷通过消化吸收被用来合成肉蛋奶等畜产品，是畜禽生产中必须的营养元素，未被吸收部分则随粪尿排出体外，通过径流、渗漏等途径引起大气、水体、土壤的污染。粪尿中的氮磷浓度与饲粮蛋白质、总磷的含量及饲料原料组成密切相关。因此，采用动物生态营养学原理，通过降低营养物质投入、改善饲粮组成等途径可以提高畜禽氮磷利用效率和降低粪尿排放，在不影响动物生产性能发挥和健康的同时，可以起到节本、增效和减排的作用。