基于饲料调控实现生猪养殖豆粕减量和环境减排的研究进展

胡奇乐，杨元森，肖 诺，曹红蕊，李滢滢，王 璐，刘 岭，赖长华，张 帅

中国农业大学动物科学技术学院，畜禽营养与饲养全国重点实验室，农业农村部饲料工业中心，北京 100193

我国的粮食安全集中表现为饲料粮安全问题。2022 年饲料粮消耗4.54 亿吨，占我国粮食消费总量的48%，超过口粮消费近15 个百分点。在我国居民人均粮食消费量较前十年下降8% 的背景下，肉、禽、蛋、奶的人均消费总量却上升超过20%。这意味着经济发展提高了居民对动物源性食物（ASF）的需求。国外有预测显示，全球ASF 消费将在未来呈持续上升趋势（Macdiarmid等，2016），这大概率将推动饲料粮消耗量持续攀升。据预估，2030 年我国肉蛋奶消费量将再增加5000 万吨，这预示着在当前生产水平下需要再增加1.5 亿吨饲料粮消耗，饲料消耗总量将达到6.0亿吨。如何在饲料供需新形势下合理应对，是政府、科研院校与行业企业需合力解决的难题。此外，已有研究表明，ASF 消费带来的全球温室气体排放量是植物性食品的两倍（Xu 等，2021），协同增长的饲料粮对农田需求的增加以及生产过程能源投入的提高将引发环境问题（如森林砍伐、碳排放等），这同时也表明饲料粮生产与应用具有极大的可待挖掘的环境减排潜力。

当前，我国饲料粮安全的突出问题在于蛋白质饲料原料短缺。我国能量饲料原料供给能力相对充足，但以豆粕为代表的蛋白质饲料原料供给仍具有很大的进口依赖性。豆粕减量替代是由我国畜产品消费需求增长和饲料原料结构性短缺之间的矛盾决定，是从维护我国饲料粮安全大局出发所做出的重要举措。海关数据显示，2022 年我国大豆进口量为9107.8 万吨，在进口粮食中的占比为62%，是最大的粮食进口品种。国家统计局数据显示，2022 年我国大豆产量为2029 万吨，仅为大豆总消耗量的18%，自2012年以来进口依存度一直居高不下，产需缺口较大。此外，我国是世界第二大油菜籽进口国、第三大菜籽粕进口国，鱼粉的对外依存度始终高达60%～85%，葵花籽粕进口量是国内产量的2 倍。因此，充分挖掘本地蛋白质饲料资源，提高现有资源的利用效率，减少对进口资源的依赖，做到开源节流和提质增效在当前畜牧业和饲料工业中显得尤为重要。

在蛋白质饲料原料结构性短缺将会长期存在的大背景下，本文综述了基于饲料调控实现生猪养殖中豆粕减量替代和环境减排的近期研究进展，以非常规饲料资源的开发利用与减排潜力、低蛋白日粮的应用与阶段性成果以及猪精准与动态营养技术最新进展为主要内容，总结当前豆粕减量替代的经验与成效，分析挖掘未来的减量与减排潜力，有望为夯实我国饲料粮安全根基、降低养殖业环境排放提供理论参考。

1 非常规饲料资源的豆粕替代与环境减排潜力

非常规饲料原料的概念是相对的，可理解为在配方中较少使用，或者对其营养特性和饲用价值了解较少的饲料原料。非常规饲料原料主要来源于农副产品和食品工业副产品，是重要的饲料资源。有学者按照它们的营养特性，将其分为四大类：非常规能量饲料原料、非常规植物蛋白饲料原料、非常规动物蛋白饲料原料和食品工业副产品。利用非常规饲料原料部分代替玉米、豆粕等常规饲料原料是缓解我国饲料资源紧缺问题的重要手段。随着传统能量和蛋白质饲料原料价格的不断上涨，对非常规饲料资源的合理利用有望成为控制饲料成本和环境成本的有效措施。

1.1 非常规饲料资源营养价值的再认识

非常规饲料资源一般具有以下特点：常规养分变异大，具有明显的区域差异、季节差异或加工特性差异；含有抗营养因子、养分消化率低、有效养分价值低；部分原料有效养分数据缺乏，对其饲用价值认识不够，相关使用标准或者生产中的使用技术有待进一步完善等。当前猪饲料中常用的大宗非常规饲料原料主要包括小麦麸皮、小麦次粉、喷浆玉米皮、喷浆胚芽粕、陈化粮食、棉籽粕、菜籽粕、向日葵粕和棕榈粕等。在作物育种技术创新发展、各国饲养标准以及企业所用原料数据库标准各异的背景下，如何全面认识和准确把握非常规饲料原料的营养价值具有非常重要的现实意义。其中的关键技术要点是使用净能（NE）体系去评估非常规饲料原料的有效能值。净能是饲料中用于动物维持生命和生产产品的能量，即饲料的代谢能扣除饲料在体内的热增耗后剩余的能量。从理论上讲，净能体系相比于传统的消化能和代谢能体系更能使日粮能值与畜禽营养需要量相统一（Noblet 等，2004），且由于代谢能和消化能体系高估了纤维和粗蛋白质的能量，而净能体系考虑了热增耗，从而为更加合理地利用富含纤维的非常规饲料原料提供了理论依据。由于净能的测定较为困难，通过已经建立的预测模型实现其快速预测是当前较为可行的技术手段。

以小麦麸和菜籽粕为例，表1 和表2 分别展示了小麦麸在各国饲料原料数据库中的营养成分以及小麦麸行业标准（NY/T 119–1989）制定过程中所采集的177 个样品的营养成分分析值。结果表明，小麦麸在粗蛋白质、粗灰分以及有效能值上存在很大的差异。徐松（2023）通过探究十种小麦麸的营养组成及替代比例对母猪净能的影响得出，我国小麦麸原料营养成分差异大，但是基于粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分和半纤维素等营养成分含量建立模型可以较好地预测其净能值，且替代比例为35.3% 时可获得最佳小麦麸净能值[NE(MJ/kg DM) = 7.968+0.28×CP+0.607×EE-0.782×Ash – 0.05×HC (R2= 0.98)]。Li（2015）和Li（2021）分别采集13 种和12 种我国不同来源的双低菜籽粕和普通菜籽粕进行营养成分分析后，通过聚类分析合理选择适用样品并进行了生长猪有效能值以及氨基酸消化率的测定，同样获得了菜籽粕净能的预测方程[NE (MJ/kg DM)= 0.22×EE-0.79×Ash+14.36 (R2= 0.77)]。

表1 各国饲料原料营养价值数据库中小麦麸的营养成分

表2 小麦麸行业标准（NY/T 119–1989）制定中使用样品的营养价值数据

此外，非常规饲料原料中多含有特殊的功能性成分，例如：棉籽粕中的寡糖和游离棉酚、棕榈粕与椰子粕中的甘露聚糖、喷浆玉米皮中的纤维和亚硫酸盐、小麦麸皮中的纤维以及高粱中的单宁等，其中的部分成分在动物体内具有抗氧化和免疫调节等特殊生理功效，但其中的一些成分同样具有抗营养因子的作用，降低了原料的养分消化率。对非常规饲料原料进行合理的加工处理（如粉碎和预消化）可以提高原料的养分消化率。Acosta 等（2023）探究了粉碎粒度对含玉米DDGS 饲料营养物质消化率的影响，结果表明，在生长育肥猪中饲喂粉碎处理后的原料与对照组相比均对蛋白质消化率有一定程度的提升。重视非常规饲料原料的营养价值评定，关注和合理使用非常规饲料原料中的功能性成分，提高其养分消化率，结合地源性饲料资源进行新型蛋白饲料原料的开发创制，是基于非常规饲料资源实现豆粕减量替代的重要技术路径。

1.2 非常规饲料原料环境影响的评估

根据《2022 年全国饲料工业发展概况》发布的统计数据，我国猪饲料产量占饲料总产量的45%。饲料投入成本占猪生产总成本的60%～70% 是行业内较为统一的认识，而饲料作物种植、加工与运输过程温室气体的排放占猪生产全过程总排放的78%（Long 等，2022）却鲜少被大众了解。因此，从饲料原料选择和饲料配方配制的源头控制生猪养殖过程的环境排放将会是最为有效的调控措施。

生命周期评价（LCA）是一种国际认可和标准化的方法（ISO14040–14044 系列标准），是为了定性或者定量对一个产品生产或服务过程中的环境问题进行评估，进而指导决策而发展起来的一门技术，是对产品整个生命周期（即“从摇篮到坟墓”）中的所有环境影响进行科学、全面评估的有效方法。图1 展示了 LCA 技术的主要步骤框架及其在我国畜牧产业中的应用价值。图2 展示了一种基于LCA 的猪生产研究的系统边界。表3 总结了近年来国内外关于生猪生产的LCA 部分研究中，在分别确定3 种不同的功能单元（FU）的情景下，生猪生产对全球变暖潜力、土地利用和积累能源需求值的影响情况。

图1 生命周期评价的主要步骤框架及其在我国畜牧产业中的应用价值

图2 一种基于生命周期评价猪生产研究的系统边界

表3 国内外猪生产的不同功能单元情景下，生猪生产对全球变暖趋势、土地利用和饲料生产的积累能源需求值的影响

Fang 等（2023）研究指出，中国的低机会成本饲料（LCFs）可以减少三分之一与土地使用相关的环境影响。LCFs 指的是被动物利用的原本可能会丢弃的饲料产品，例如糠麸类、蛋白副产物、食物残渣等9 大类，其中也囊括了非常规性饲料原料。Haque（2022）报道指出，在猪生产中每消耗1 lb的DDGS 原料，将引起0.242 kg CO2–eq 的碳排放。将土壤–作物综合管理系统策略与饲料油料副产物或DDGS 分别替代豆粕的策略相结合后，生长猪的全生命周期过程环境影响中碳足迹、氮足迹和土地利用值分别为0.7 kg CO2–eq/FU、51～52 g Nr/FU 和3.2 m2/FU（FU 指 生 产1 kg 猪 活 重），与常规对照情景相比将减少碳排放约64%，减少氮排放12%～14%，减少土地利用10%～12%。

除了学术界相关研究以外，大型企业也在粮油与饲料原料的深加工创新与非常规原料的绿色高效应用方面贡献了相应技术。例如：益海嘉里正努力构建粮油食品加工业循环经济产业链，在稻谷加工为优质大米过程中，利用副产物稻壳发电，利用米糠榨油，每利用1 吨稻壳可代替烟煤（5000 千卡）约0.63 吨，这种生物质原料的燃烧绿色环保，通过“吃干榨净”式精深加工，使水稻资源价值得以充分利用。

2 猪低蛋白日粮技术助力豆粕减量和环境减排

低蛋白日粮将是相当长时期内解决我国蛋白饲料资源短缺的最大依仗。我国饲用豆粕减量替代行动已取得阶段性成效，但仍有进步空间。在国家印发《猪鸡饲料玉米豆粕减量替代技术方案》《饲用豆粕减量替代三年行动方案》以及《农业农村减排固碳实施方案》等与豆粕减量替代和环境减排相关的通知后，我国畜产品产量在2022年全面增长，畜产品和饲料原料的进口双下降，饲用豆粕在饲料消耗中的占比降至14.5%，饲料蛋白转化效率比上年提高两个百分点，减少大豆使用需求约410 万吨，推动节约饲料粮1630 万吨（首届中国饲料产业发展论坛，2023）。

周俊言等（2022）和Wang 等（2018）较为全面地综述了低蛋白日粮近年来的研究进展，总结了饲粮蛋白质水平对生长猪营养物质消化及肠道微生物组成和代谢的影响，指出利用淀粉与氨基酸耦联匹配技术能提高日粮碳氮沉积效率，改良支链和直链淀粉比例（最佳：4.88）能有效提高碳氮沉积效率，利用氨氮甲酰谷氨酸可以提高机体氮沉积效率等新的技术手段。在以上研究基础上，国家启动了“十四五”重点研发计划项目“畜禽低蛋白低豆粕多元化日粮配制与节粮技术”，未来将从碳氮适配与骨骼肌蛋白质合成、净能需要及净能赖氨酸平衡模式、限制性赖氨酸需要及平衡模式以及矿物元素需要及电解质平衡模式等方面着手开展研究，并将建立覆盖断奶仔猪、生长育肥猪、妊娠母猪和泌乳母猪等猪养殖全程的低蛋白低豆粕日粮配制技术体系。

低蛋白日粮对环境的影响也在不少文章中被探讨。为探究低蛋白高纤维结合日粮对生猪后续粪污储存管理过程的影响，邢政（2022）设置了包括基础日粮（CK）在内的四个饲料配方[ 另有低蛋白日粮配方（LC）、高纤维日粮（HF）以及低蛋白与高纤维相结合日粮（LC+HF）]进行消化代谢试验以及堆肥试验。结果表明，不论在干清粪、固粪堆肥还是水泡粪模式下，LC 以及LC+HF 日粮的氮素利用率都更高，可以使粪污在储存期间保存更多的养分，更少的氨挥发量。低蛋白日粮在LCA 相关研究中的碳排放结果显示，每增加1 kg 猪活重，产生的碳排放为1.76～2.45 kg CO2–eq（Monteiro 等，2019 ；Berton 等，2018）。

3 猪精准与动态营养技术从源头推动豆粕减量和环境减排

落实精准营养技术与动态营养需求评估是饲料原料营养价值与猪营养需要量之间相衔接、匹配的关键，也是间接减少环境排放的重要调控措施，主要涵盖三方面：猪饲料原料营养价值评定与数据库建立，猪动态营养需要量的模型预测以及精准营养供给技术（杨雪芬等，2022）。

张帅等（2020）全面综述了国内近些年来基于猪饲料原料营养价值评定以及动态需要量模型化的研究进展。当前，随着物联网技术的革新、智能设备的研发和智能养殖模式的探索，进一步丰富了猪生产中多元异构数据的采集，具有强大学习能力的新模型算法逐渐在猪的能量需要量预测模型以及猪舍环境监控上进行应用，大大提高了预测模型的泛用性与准确性。研究指出，如果实现生猪养殖全域数字化技术落地，每头猪可以节约日粮43.7～49.0 kg（天府国际动物营养创新论坛，2023）。Wang 等（2023）探索了神经网络模型（ANN）在猪生长性能预测模型上运用的可能性，并利用ANN 对试验获取的生长育肥猪的净能需要量实测数据进行建模，同时基于机器学习算法优化了饲料原料净能预测模型。Peng 等（2022）利用全长16S rRNA 基因测序和机器学习揭示了育肥舍和妊娠舍的空气中可吸入颗粒的细菌组成，通过对猪舍空气污染物特征精准把控，高效改善猪舍环境质量。

杨雪芬等（2022）和黄瑞林等（2022）对精准营养技术、动态营养需求以及精准供给技术的相关研究现状进行了总结，且均不同程度强调了饲料配方的动态化与精细化在提高饲料养分利用效率中的重要意义。近年来，国外关于多目标饲料配方算法的研究不断兴起，其是一种平衡饲料配方经济成本、营养需求和环境影响的新兴 方 法（Méda 等，2021 ；de Quelen 等，2021）。Shurson 等（2023）在研究中表示，利用多目标饲料配方，结合饲料成分的LCA 数据，可以减少美国猪肉生产的环境足迹。此外，利用净能体系也是实现精准营养的重要技术环节。近年来，农业农村部饲料工业中心（MAFIC）团队利用自主研发的间接测热设备，先后测定了40 余种饲料原料在生长猪、母猪上的净能值，初步建立了我国自己的猪净能体系，为饲料原料在饲料配方中的精准利用提供了数据支撑。基于该体系的研究表明，净能体系相比于代谢能体系均不同程度缓解了环境排放并降低了饲料成本（Hu 等，2023），该研究利用四种不同蛋白质原料（菜籽粕、花生粕、棉籽粕和膨化大豆）分别替代豆粕，并基于净能体系或代谢能体系评估猪生产全过程产生的碳排放、氮排放和土地利用。因此，考虑利用多目标饲料配方和净能体系等饲料调控措施与实际生产相结合，能够为绿色猪产业发展提供优化路径参考，也将成为挖掘利用蛋白饲料资源、探索多元化配方体系、推广低蛋白日粮的有利依托。

准确把握饲料原料营养价值变异，基于新兴智能技术关注个体与群体的动态营养需求，并利用大数据算法提升饲养曲线、营养需要等预测模型的准确性，在提高动物生产力的同时减少饲料资源浪费并协同评估与控制环境排放，是发展具有中国特色的低豆粕多元化猪精准饲料配方的重要技术途径。农业农村部饲料工业中心（MAFIC）团队创建了全球首个基于通用语言模型（GLM）架构的AI 配方软件FeedMaaS，该在线实时应用系统支持饲料原料营养价值和猪营养需要量参数查询、营养需要量调整、最低成本配方制作、模糊查询、上下文语意衔接和语音输入，预计在未来与生产实践相结合后将进一步推动饲料配方的便捷化，加速精准、动态营养的实现。

4 小结与展望

集成推广非常规饲料原料、低蛋白日粮技术以及精准与动态营养技术是当前实现豆粕减量替代、缓解饲料粮供需紧张矛盾和养殖环境排放压力的重要技术手段。关注饲料粮的精准配比与投入，充分挖掘现有的地源性饲料资源，不仅关系到养殖业的降本和饲料粮的节约，更影响到猪生产过程的环境减排，是绿色高效养殖实现的有效途径。除了饲料调控措施外，也应充分考虑粪便管理措施、猪场养殖环节综合管理措施、种养结合新生产模型等途径来实现绿色高效养殖业，同时高饲料转化效率畜禽品种的培育也是解决我国饲料资源短缺路径的选择。我们应当持续不断探索更环保、更安全、更低碳的畜牧业生产方式，以最小代价解决人类多元化粮食需求与生态环境之间的矛盾。