低排泄水平的低成本日糧

王晶晶 邵建忠

配制豬的日糧總是一個(gè)妥協(xié)的結(jié)果。例如，養(yǎng)豬生產(chǎn)者是選擇配制成本最低的飼料還是配制旨在實(shí)現(xiàn)磷氮低排放的日糧？最近的研究指出，也許他們根本不需要選擇。

中圖分類號(hào)：S815 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2018）01-0008-03

目前，在肥育豬生產(chǎn)行業(yè)中，飼料成本占總生產(chǎn)成本的70%以上。在加拿大，最為常見(jiàn)的是豬按日糧能量密度固定的三階段飼喂系統(tǒng)（Three-phase Feeding System with Fixed Energy Density，3PF-FE）進(jìn)行飼喂。在這一系統(tǒng)中，生長(zhǎng)期分為三個(gè)階段，并且每個(gè)階段的全價(jià)日糧能量密度固定不變，為10.36 MJ/kg。

對(duì)飼料而言，不僅是所含的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值非常重要，而且它對(duì)環(huán)境的影響也很重要。由于豬糞肥施肥造成的污染，環(huán)境污染問(wèn)題經(jīng)常被人們提出。使用這種傳統(tǒng)的三階段飼喂系統(tǒng)，每頭豬的磷（Phosphorus，P）和氮（Nitrogen，N）的排放量分別是1.2 kg和3.4 kg。

一個(gè)由法國(guó)和加拿大的科學(xué)家組成的研究小組，在謹(jǐn)記飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值以及環(huán)境價(jià)值的前提下，開(kāi)始設(shè)計(jì)豬的新型日糧。作為參考，設(shè)計(jì)結(jié)果總是與傳統(tǒng)的能量密度固定的三階段飼喂系統(tǒng)進(jìn)行比較，試驗(yàn)時(shí)后者的飼料成本為100.33加元/頭（73.45美元/頭）。

1 盡量降低飼料成本和減少排放

多年來(lái)，現(xiàn)在數(shù)學(xué)已被用來(lái)為配方飼料建立模型，并利用最佳的方法來(lái)盡量降低飼料成本和/或減少磷氮的排放。

此研究領(lǐng)域的第一批研究在20世紀(jì)90年代末進(jìn)行，其中包括尋找一種新的方法來(lái)為豬日糧建立模型，解決數(shù)學(xué)上的問(wèn)題，并評(píng)估這種新的飼料配制方法的經(jīng)濟(jì)影響。這些研究的結(jié)果顯示，增加飼養(yǎng)期分階段的階段數(shù)可以降低飼料的成本。

作為一個(gè)極端的例子，可以證明，將三階段飼喂系統(tǒng)調(diào)整為一個(gè)能量密度固定的理想飼喂系統(tǒng)（Ideal Feeding System at Fixed Energy Density，IF-FE）是有可能的，IF-FE是一種能量密度固定每天為一個(gè)飼養(yǎng)階段的飼喂系統(tǒng)，飼料成本可降低3.33%。

然而，由于需要存儲(chǔ)大量的各種飼料，這種飼喂系統(tǒng)對(duì)于飼養(yǎng)者來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的。從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看，這些研究中提出的模型是線性的，并且由于現(xiàn)有的算法和求解程序可以很容易地解決。

2 減少磷和氮的排放

幾年之后，為了盡可能降低飼料成本同時(shí)減少磷和氮的排放，研究人員在該大學(xué)進(jìn)行了多項(xiàng)研究。這些研究沒(méi)有采用傳統(tǒng)的三階段飼喂系統(tǒng)，但采用一個(gè)兩階段的飼喂系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在歐洲被養(yǎng)豬生產(chǎn)者廣泛地使用。

研究表明，當(dāng)磷和氮的排放量減少時(shí)，飼料成本隨之增加。但是，磷和氮的排放可以大大地減少，同時(shí)飼料成本的增加相對(duì)較少。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，這一問(wèn)題被模擬成一個(gè)多目標(biāo)問(wèn)題。此外，該模型仍然是線性模型，因此容易解決。

3 開(kāi)發(fā)一種新的飼喂系統(tǒng)

自2011年以來(lái)，舍布魯克大學(xué)的研究人員一直致力于開(kāi)發(fā)一種新的飼喂系統(tǒng)。

首先，他們引入了能量密度可變的方法，即日糧的能量密度不受約束。例如，對(duì)于采用能量密度可變的三階段飼喂系統(tǒng)，生長(zhǎng)期被分成三個(gè)階段，并確定全價(jià)飼料，因此每個(gè)階段的飼料成本可以降至最低。每個(gè)階段使用的飼料可以具有不同的能量密度，其在進(jìn)行優(yōu)化之前是未知的。因此，飼料成本可以減少2.37%。然而，研究結(jié)果顯示磷氮排放的結(jié)果不同，氮排放量減少了5.78%，而磷的排放量增加了4.9%。

這種采用能量密度可變的理想飼喂系統(tǒng)（The Ideal Feeding System with Variable Energy，IF-VE）包括在優(yōu)化前不知飼料能量密度的情況下，每天以最優(yōu)成本的日糧飼喂豬，其飼料成本為94.84加元（69.43美元），比傳統(tǒng)的能量密度固定的三階段飼喂系統(tǒng)低5.5%。與此飼喂系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型仍然是線性的，且易于解決。

4 基于兩種飼料的飼喂系統(tǒng)

其次，一種基于采用兩種飼料的混合料的飼喂系統(tǒng)被提出。這種飼喂系統(tǒng)對(duì)于被稱為“按日分階段飼喂”（Daily Phase Feeding，DPF）的精準(zhǔn)飼喂方法很有用。這種飼喂系統(tǒng)僅使用兩種飼料，每天確定它們的混合比例（圖1）。

利用這種飼喂方案研究了幾種策略：能量密度可以是固定的，也可以是變化的；飼料在優(yōu)化或未優(yōu)化前可以是已知的，也可以是未知的。在飼料未知的情況下，它們可能在一天內(nèi)不能完成，但是當(dāng)它們每天進(jìn)行混合時(shí)，它們就能滿足每日的需求。在這種情況下，這種數(shù)學(xué)模型是雙線性的，比線性模型要更難解決。

2014年，研究人員在能量密度固定和飼料已知——一種飼料設(shè)計(jì)成第一天的最佳日糧而另一種飼料配制成最后一天的最佳日糧——的情況下進(jìn)行了研究。與該飼喂系統(tǒng)相關(guān)的模型也是線性的。該結(jié)果表明，使用DPF系統(tǒng)可以顯著降低飼料成本（圖2）。

然而，2015年進(jìn)行的一項(xiàng)研究詳細(xì)列出了每一種飼喂系統(tǒng)與其相應(yīng)模型之間的相互關(guān)系。顯然，使用能量密度可變和未知變量的DPF系統(tǒng)具有最佳的飼料成本。這種飼喂方法可以使飼料成本下降4%。此外，磷和氮排放量可分別減少3.3%和14.8%。

5 增加對(duì)排放物的限制

飼料成本的這種下降激勵(lì)了研究人員通過(guò)增加對(duì)磷和氮排放的限制來(lái)改善該模型。該模型與多目標(biāo)模型相結(jié)合。使用這種模型，可以根據(jù)飼料成本以及磷和氮的排放情況來(lái)確定日糧，同時(shí)將可以減少這三方面的問(wèn)題。

例如，可以確定一種與當(dāng)前所用系統(tǒng)有相同飼料成本并且磷和氮排放量可以分別減少11.1%和22.4%的飼喂系統(tǒng)，也可以選擇另一種飼料成本降低2%并且磷和氮排放分別減少8.2%和19%的飼喂系統(tǒng)。

6 新型混合飼喂系統(tǒng)

下一步是引入一種混合式的新型飼喂系統(tǒng)，它是由單階段飼喂系統(tǒng)和DPF系統(tǒng)相結(jié)合組成的一種系統(tǒng)。其方法如下：生長(zhǎng)期分成X個(gè)階段（待定）；對(duì)于每一個(gè)階段，DPF系統(tǒng)使用能量密度可變的未知飼料，最后兩個(gè)連續(xù)階段則使用常規(guī)飼料。

例如，當(dāng)X = 3時(shí)，生長(zhǎng)期分為三個(gè)階段；第一階段使用飼料1和飼料2，第二階段使用飼料2和飼料3，最后一個(gè)階段使用飼料3和飼料4。該飼喂系統(tǒng)易于設(shè)置，因?yàn)槊恳粋€(gè)階段只使用兩種飼料。使用它來(lái)降低飼料成本，減少5.19%是有可能的，同時(shí)磷和氮排放可分別減少2.2%和17.8%。

7 降低飼料成本和排放

關(guān)于DPF系統(tǒng)，該研究團(tuán)隊(duì)將其與多目標(biāo)方法相結(jié)合，得到了相同的結(jié)論。確定大量可以既能降低飼料成本又能減少磷氮排放的飼喂系統(tǒng)是可行的。第一個(gè)例子具有與使用能量密度固定的三階段飼喂系統(tǒng)相同的飼料成本，但是磷和氮排放可以分別減少18%和16%。另一例子具有與DPF相同的飼料成本，即降低4%，但磷和氮排放可分別減少8%和17%。

在這兩種情況下，所獲得的解決方案都是使用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)的結(jié)果示例。有些人可能更喜歡大大減少磷的排放，而對(duì)氮排放不限制，或者相反，甚至是兩者的妥協(xié)。確定這樣的飼喂系統(tǒng)是有可能的。

原題名：Low-cost diets with low excretion levels – it is possible（英文）

原作者：Emilie Joannopoulos