用食物當量評價草地農業(yè)的生產力

婁珊寧，侯扶江，任繼周

(蘭州大學草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學農業(yè)農村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州大學中國草業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，蘭州大學草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

全世界正在發(fā)生食物結構的變革，人均口糧消費減少，動物類食物消費增長[1]。20世紀80年代以來，我國耗糧型動物生產導致飼料糧占糧食總產的70%左右，需求持續(xù)增長，這是食物安全的主要壓力[1-3]，因此，傳統(tǒng)的“耕地農業(yè)”向“草地農業(yè)”轉變[2]。一般草地農業(yè)耕地種草的面積不少于1/4，動物生產占農業(yè)產值1/2以上，這是國家發(fā)展水平和農業(yè)現(xiàn)代化的標志[4]。發(fā)達國家栽培草地與天然草原面積比不少于0.10:1，美國為0.58∶1，英國為1.35∶1，新西蘭為3.57∶1；我國僅為0.03∶1，加上改良草地也僅為0.05∶1[5]?？梢姡覈澄锇踩耐{來自農田缺草及其導致的農牧系統(tǒng)相悖[6](discordance of crop & livestock production system，CLPD)，根本原因之一是缺少衡量耕地、草地、林地、水域等食物生產系統(tǒng)的方法和指標，難以向決策者和生產者提供定量的依據(jù)。

國內外關于草地農業(yè)生產力的研究，直接測定牧草和畜產品產量，包括草地的生物產量、經(jīng)濟產量和營養(yǎng)成分產量，家畜的畜產品單位等[7-13]；或間接地通過體內和體外代謝、家畜飼喂和放牧等試驗測定植物生產向動物生產的轉化率[14-19]，以及經(jīng)驗模型等；無一例外地把能量和蛋白質作為重要的指標，既體現(xiàn)了食物的能量價值，又反映了其品質。這些方法常常局限于植物生產或動物生產，牧草之間難以比較、草畜之間缺乏聯(lián)系[20]。食物當量(food equivalent unit，F(xiàn)EU)以熱量和蛋白質為基礎，為各種植物性和動物性食物提供了統(tǒng)一的評價工具[20-21]。然而，當時缺少統(tǒng)一、準確的牧草轉化效率的數(shù)據(jù)，食物當量沒有考慮植物消化率在物種、品種、加工方式、利用方式等以及草畜互作之間的差異，植物與動物的轉換系數(shù)延用生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔1∶10的轉化效率[20]。近20年來，國內外開展了大量的草畜互作試驗[14,18,22-25]，為完善食物當量的計算提供了一些關鍵參數(shù)。與此同時，草地農業(yè)保障食物安全逐漸成為社會現(xiàn)實，草地、農田、林地、水域等共同構建了全球食物安全和生態(tài)安全一體化的保障機制，食物當量作為評價食物生產能力的指標體系，其計測改進和應用拓展具有緊迫的社會需求。

近年，國家重視“糧改飼”、糧經(jīng)草三元種植，其實質是農業(yè)供給側改革，核心即傳統(tǒng)的耕地農業(yè)向草地農業(yè)轉型，發(fā)展糧草畜與生態(tài)環(huán)境兼顧的農業(yè)系統(tǒng)[26]，亟須簡便、準確、通用地評價各類土地食物生產水平的度量衡。為此，以食物當量的理論和方法為基礎，利用牧草營養(yǎng)價值和消化率等實測數(shù)據(jù)，改進食物當量的測算，以體現(xiàn)牧草品種與產品形態(tài)、草畜互作方式與類型、土地利用類型與管理模式等各個尺度的差異性，為草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供精確的評價工具，推動多尺度的草畜系統(tǒng)耦合，為草地農業(yè)保障食物安全和生態(tài)安全提供切實可靠的工具。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國飼料數(shù)據(jù)庫(2016年第27版)飼草營養(yǎng)價值數(shù)據(jù)(http://www.chinafeeddata.org.cn/)，近年科技期刊公開發(fā)表的部分飼草消化代謝數(shù)據(jù)，作者在蘭州大學環(huán)縣黃土高原試驗站、臨澤草地農業(yè)試驗站、瑪曲草地農業(yè)試驗站等放牧試驗中測定的牧草消化代謝數(shù)據(jù)[27-29]。牧草品種主要有紫花苜蓿(Medicagosativa)、燕麥(Avenasativa)、多年生黑麥草(Loliumperenne)、大麥(Hordeumvulgare)、黑麥(Secalecereale)、小麥(Triticumaestivum)、箭筈豌豆(Viciasativa)、高羊茅(Festucaelata)、車前(Plantagodepressa)、菊苣(Cichoriumintybus)、紅三葉(Trifoliumpratense)、白三葉(Trifoliumrepens)等，每個品種測試均有3～5個重復。

1.2 飼草食物當量的計算

飼草的食物當量(FEU)，以飼草的能量和粗蛋白含量及其消化代謝為基礎計算[20]。飼草食物當量根據(jù)消化率修正，排除產氣和產熱的能量消耗，直觀地表達了飼草的動物食物生產的價值。本研究使用的飼草消化率，主要通過代謝倉、代謝架測定，也有體內法或體外法測定[29-30]。

FEU=H×CH+P×CP

(1)

式中：H為食物的能量，P為食物的蛋白質含量，CH和CP分別為能量系數(shù)和蛋白質系數(shù)[20]。

以往，稻米(Oryzasativa)作為標準的植物性食物，在 “豬-糧型” 的耕地農業(yè)中占主流[3]；能量和蛋白質含量分別為14.267 MJ·kg-1和77 g·kg-1的稻米為1個食物當量[20]。我國等發(fā)展中國家，草地農業(yè)系統(tǒng)沒有得到充分發(fā)展，長期缺少優(yōu)質牧草，動物生產依賴劣質飼草，重在吃 “飽”，而非吃好，這是歷史的局限性，食物當量的測算重視食物的能量價值，粗略地規(guī)定能量權重占90%，蛋白質占10%[20]。隨著社會發(fā)展，飼草品質成為動物生產的根本保證[31-32]，為此將飼草食物當量中能量和蛋白質的權重調整為1∶1，并重視飼草的消化性能。相應地，食物當量的計算公式調整為：

FEU=H×DH×CH+P×DP×CP

(2)

式中：DH和DP分別為能量和蛋白質的消化率(digestiability of energy and crude protern, %DM)。

紫花苜蓿是全世界種植面積最大的多年生豆科牧草之一[29]，品質優(yōu)異，被譽為“牧草之王”。以初花期的紫花苜蓿作為標準飼草(表1)，規(guī)定其標準食部(standard eatable part, ES)100%、標準含水量(standard water content, WS)10%的苜蓿干草1 kg為1個飼草食物當量，其熱值和粗蛋白含量分別為18.37 MJ·kg-1DM和229 g·kg-1DM，能量消化率和粗蛋白消化率分別為64.95%和74.83%(中國飼料數(shù)據(jù)庫平臺，http://www.chinafeeddata.org.cn/)，消化能和可消化粗蛋白含量分別為11.93 MJ·kg-1DM和17.13%DM。苜蓿的食物當量各參數(shù)計算按下式，

1=18.37×64.95×CH+229×74.83×CP

(2)

其中，18.37×64.95×CH=229×74.83×CP=0.5。

得出飼草食物當量的能量系數(shù)和蛋白質系數(shù)：CH=0.042，CP=0.0029。

將得到的系數(shù)代入式(2)，計算某種飼草的食物當量(FEU)時，將其能量及其消化率、蛋白質含量及其消化率代入式(3)，得出它的食物當量。即

FEU=H×DH×0.042+P×DP×0.0029

(3)

不同地區(qū)、不同生育期、不同品種、不同加工方式的飼草或其產品除去水分之外的食部不同，可根據(jù)含水量校正。即：

FEU′=FEU[E×(100-W)]/[ES×(100-WS)]

(4)

其中，F(xiàn)EU′為校正后的飼草食物當量，E和ES為實際食部和標準食部，W為實際含水量，WS為標準含水量。

生產中往往多測定干物質消化率(digestibility of dry matter，DMD)，簡單易行、成本較低，較少測定能量和蛋白質的消化率；兩者之間有比較好的數(shù)量關系，因此食物當量也可根據(jù)干物質消化率計算。

FEU=DMD×(H×CH+P×CP)

(5)

標準牧草苜蓿的干物質消化率平均為65.48%[29]，將各參數(shù)代入式(5)計算食物當量。

1=65.48×(18.37×CH+229×CP)

其中，18.37×65.48×CH=229×65.48×CP=0.5。

得出飼草食物當量的能量系數(shù)和蛋白質系數(shù)：CH=0.042，CP=0.0033。某飼草的食物當量即:

FEU=DMD×(H×0.042+P×0.0033)

(6)

1.3 動物產品的食物當量

我國草食畜生產以牛、羊為主，牛肉產量是羊肉的1.56倍，各個國家大體如此，因此以牛肉作為動物性產品的標準食物，規(guī)定其1 kg(含水量74.3%)為1個食物當量，其能量和蛋白質含量分別為5.815 MJ·kg-1DM和196 g·kg-1DM規(guī)定能量權重占50%，蛋白質權重占50%，得出動物性食物的能量系數(shù)和蛋白質系數(shù)分別為:

CH=0.086，CP=0.0026

動物性食物的食物當量 (food equivalent unit of animal product, FEUa)為:

FEUa=E×0.086+P×0.0026

(7)

動物性食物與植物性食物之間的換算，根據(jù)生態(tài)學的能量金字塔定律，過去以1∶10粗略地換算[20]。隨著家畜消化代謝試驗提供越來越多的數(shù)據(jù)，就將牧草和家畜生產力有機地統(tǒng)一起來。畜產品單位將1 kg?；蜓虻脑鲋囟x為一個畜產品單位，相當于110.88 MJ消化能[33]。1 kg標準飼草-苜蓿的消化能為11.93 MJ，二者相差9.29 倍，飼草食物當量與畜產品食物當量的換算系數(shù)為:

FEUa=9.29×FEUf

(8)

FEU=FEUf

(9)

因此，F(xiàn)EUa=9.29×FEU

(10)

其中，F(xiàn)EUf(forage food equivalent unit)為飼草的食物當量。

2 結果與分析

2.1 植物生產的食物當量

2.1.1植物營養(yǎng)體(飼草)的食物當量 食物當量可以比較各品種和類型牧草的飼用價值。16種豆科牧草的食物當量為0.4～1.2，多在0.6～1.0，平均0.84；17種多年生禾草的食物當量在0.2～1.0，平均0.70，略遜于豆科牧草(表1)；10種一年生禾草的食物當量變化范圍在0.5～0.8，集中于0.6～0.7，平均0.66，低于多年生禾草。7種作物秸稈的食物當量為0.2～0.3，平均0.25，遠低于其營養(yǎng)體；其中，3種作物秸稈青貯后食物當量為0.1～0.2，平均0.18(表1)；5種青貯飼草的食物當量在0.2～0.7，多集中在0.2～0.3，平均0.37，是青貯秸稈的2倍以上，表明青貯并不明顯改善秸稈的飼用價值?？梢?，豆科牧草粗蛋白含量和消化率較高，食物當量大于禾草；然而，適宜時期收獲的禾草，如多年生黑麥草、草地早熟禾(Poapratensis)等，其食物當量與豆科牧草相當、甚至略優(yōu)(表1)。禾草中，玉米(Zeamays)、蘇丹草(Sorgliumsudanense)等暖季型牧草的食物當量一般低于冷季型牧草(表1)。青貯飼料蛋白含量中等，但干物質含量低，因而食物當量較小(表1)。

作物秸稈適口性差，粗蛋白含量一般只有2%～5%(表1)，快速降解部分只有高品質牧草的 1/4[34]，消化率低(表1)，維生素和礦物質等營養(yǎng)物質含量少，雖然能量含量高，但綜合評價，其食物當量低。青貯、氨化等加工方式雖然提高了秸稈的飼用價值，但作用有限，食物當量仍小于同類作物的青干草(表1)。

2.1.2作物籽實的食物當量 全球超過1/3的禾谷類籽實用作精料，其中40%飼喂反芻家畜，相當于35 億人的口糧，發(fā)展中國家70%的谷物作飼料。9種谷物的食物當量在0.8～1.2，多在0.8～0.9(表2)。作物籽實雖然消化率高，但能量和粗蛋白含量普遍較低(表2)，飼喂草食家畜時生態(tài)效率較低(表3)。

植物的食物當量受利用方式的影響。在甘肅省(表4)，春小麥生產籽實，其食物當量相當于收獲干草的36%。小麥秸稈青貯雖然提高了其營養(yǎng)價值，但由于粗蛋白含量過少，其食物當量遠不及收獲干草或放牧利用。紫花苜蓿無論是收獲干草還是放牧利用食物當量均較高，青貯后提高了消化率和粗蛋白含量。多年生禾草產草量高，品質好，無論是收獲干草還是放牧利用，單位面積草地的食物當量產量高。作物青貯利用的食物當量比收獲干草稍高，因為青貯可提高消化率，蛋白含量略有增加，干物質發(fā)酵損失小。作物放牧利用，不僅食物當量高，而且人工、機械、能源等成本較低，經(jīng)濟效益好。

表1 飼草食物當量

續(xù)表1 Continued Table 1

表2 谷物籽實的食物當量

2.1.3果蔬的食物當量 水果、蔬菜類及其廢棄物可用作飼料[30]，尤其在銷售、貯運困難時。13種常見水果的食物當量為0.06～0.20，集中于0.05～0.15，平均為0.12。10種常食蔬菜的食物當量為0.05～0.18，多為0.05～0.10，平均為0.09。它們含水量高，因而食物當量小(表5)；適宜就地轉化，如果干燥，也可作為飼料商品運輸、銷售。

表3 主要家畜的料肉比

表4 甘肅省幾種作物不同利用方式的食物當量

注：青貯為全株，除引用數(shù)據(jù)外，其余為作者未發(fā)表數(shù)據(jù)。

Note： Silage is the whole plant, except for the reference data, the rest is the author’s unpublished data.

2.1.4飼草轉化為動物產品的效率 飼草轉化畜產品才能為人類直接利用，其轉化效率是飼用價值評價的關鍵。肥豬的肉料比是1∶3，豬生產系統(tǒng)包括大、小、公、母，其肉料比大約是1.0∶3.5，即每1 kg豬肉，需花費3.5 kg飼料[2]。豬生產系統(tǒng)要生產1個食物當量，需要消耗3.48個食物當量的飼料。2015年我國人均豬肉消費量是37 kg，那么人均消耗的豬肉所需的飼料為109.52個食物當量，而我國人均糧食消費量106個食物當量[21]，加上用籽實飼喂草食家畜，人畜爭糧，糧食生產壓力巨大(表6)。

2.1.5動物性食物的食物當量 食物當量也可用于比較動物性食物。動物性食物包括傳統(tǒng)的畜禽，也包括水產品，為人類直接食用。16種動物性食物的食物當量在0.26～1.36，多集中于0.85～1.10，平均為0.90(表7)。

2.2 用食物當量評價草地農業(yè)系統(tǒng)的生產力

2.2.1草原與栽培草地的食物生產能力 天然草原的飼草食物當量受水熱條件的影響較大。21個類草原的食物當量生產水平在142～2739 FEU·hm-2；黃土高原產草量低，食物當量的生產能力平均876 FEU·hm-2；高海拔地區(qū)雖然熱量不足，但光照充足、輻射強，牧草能量和粗蛋白含量較高，草原的食物當量生產力平均為1367 FEU·hm-2，高于黃土高原和北方溫帶地區(qū)的草原。熱帶和亞熱帶地區(qū)，牧草生長快、易粗老，粗蛋白含量雖低，但產草量高，因此草原食物當量的生產力大(表8)，約為1400～1800 FEU·hm-2。栽培草地中，豆禾混播的多年生草地產量高，牧草粗蛋白含量和消化率高，食物當量較大(表8)。

放牧系統(tǒng)的食物當量生產能力與草原類型密切相關(表9)。典型草原和亞熱帶灌叢的放牧系統(tǒng)每hm2生產55～262 FEU，高寒放牧系統(tǒng)的生產能力在17～128 FEU·hm-2。

根據(jù)食物當量，草原類型之間、栽培草地之間、天然草原與栽培草地之間、放牧類型之間、放牧與刈割等利用方式之間可以比較食物生產能力。

表6 家畜生產的食物當量需求

注：根據(jù)中國動物飼養(yǎng)參考標準計算。

Note： Calculated according to the reference standard of Chinese animal feeding.

表7 動物產品的食物當量

2.2.2用食物當量評價國家的食物生產能力 國家之間因發(fā)展水平和農業(yè)歷史傳統(tǒng)不同，相互之間難以比較，但是利用食物當量這個工具，可以統(tǒng)一衡量世界各國的食物生產能力。美國和澳大利亞是牛肉生產和消費大國，我國的羊肉產量和豬肉產量居于世界前位，根據(jù)食物當量的生產能力而言，美國動物性產品生產總量居世界首位。2012年，我國豬肉產量5343萬t(表10)，按照1.0∶3.5的肉料比來計算的話，大約需要18699萬t食物當量的飼料來維持豬肉生產，這與美國、澳大利亞等國存在差異。

表9 放牧系統(tǒng)的食物當量生產能力[42]

表10 2012年3個國家的食物當量生產[51-52]*

注：* 糧農組織共用數(shù)據(jù)庫http://www.fao.org/statistics/databases/zh/。

Note：* FAO database http://www.fao.org/statistics/databases/en/.

表11 2012-2015年我國進口飼料的食物當量[53-54]*

注：*中華人民共和國海關總署http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/。

Note： *General Administration of Customs http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/.

利用食物當量，不同質的飼草之間可以相互比較，有利于直觀統(tǒng)計。我國2012年僅苜蓿干草的進口量就達44萬t，除此之外還有520萬t的飼料玉米，4500萬t的飼用豆粕(表11)(進口數(shù)據(jù)全部來自中國海關 http://www.customs.gov.cn/publish/portal0/tab49667/)，換算成食物當量，一年進口8226×107萬個食物當量左右。

3 討論

3.1 兩種食物當量計算方法的結果分析

本研究計算的食物當量與原公式相比[20]，谷物類在食物當量小于1.23時，原計算公式的結果大，反之則現(xiàn)公式的計算值高(圖1)。而水果類總體上舊值低于新值，但當食物當量小于0.03時反而高。蔬菜類食物當量高于0.084時，舊值高于新值，反之則低。動物性食物總體上新值多大于舊值，這與新公式強化了蛋白含量等品質指標有關(圖1)。

圖1 食物當量公式計算結果的相關性分析

3.2 影響飼草食物當量的因素

飼草的飼用價值是一個包括動植物因素，甚至微生物因素的綜合指標，影響家畜的生產性能。同時，氣候、土壤、肥力及病蟲鼠害也會影響飼草的飼用價值[55]。采食量是影響家畜生產的關鍵參數(shù)之一[30]，本研究未考慮飼草的適口性，因而缺乏與家畜采食量的聯(lián)系。

3.2.1飼草生育期 同種牧草在不同生育期的粗蛋白質等營養(yǎng)品質在莖葉之間的轉移與分配不斷發(fā)生著變化，從而導致牧草整體的飼用價值和利用率發(fā)生改變[14,23,25]。因此，在牧草的食物當量計算中，需要說明所計算牧草所處的生育期。

飼草不同時期刈割調制青干草或青貯，其食物當量也有差異[51-52,56]。飼草的蛋白質含量波動性較大，如紫花苜蓿，初花期粗蛋白含量達到峰值，盛花期收獲，或者在成熟期收獲，粗蛋白含量降低至15%～18%，中花期干草的粗蛋白含量只有16%[57]。

3.2.2飼草加工 牧草的加工一般有物理加工、化學加工和生物學處理3種，包括粉碎、制粒、堿化、氨化及人工發(fā)酵等。牧草經(jīng)過適宜加工處理，可明顯提高其適口性[30]。牧草粉碎后提高采食量7%，加工制粒增加采食37%[30]；經(jīng)過適當?shù)幕瘜W處理可提高18%～45%，提高有機物的消化率30%～50%[34]。青貯本身并不明顯改善秸稈的飼用價值，主要是通過加工改變適口性，或者通過添加物質提高營養(yǎng)品質，擴大了飼草來源[30]。牧草加工對開發(fā)牧草資源具有重要意義。

3.2.3消化率的測定 消化率是計算飼草食物當量的重要參數(shù)。家畜品種、年齡、性別、體重，以及測定家畜消化率的技術都會影響飼草消化率的數(shù)值，從而影響飼草食物當量的計算(表12)[22,58-60]。目前，各種飼草消化率的測定技術針對性較強，差異較大，為避免多種方法之間結果難以比較，建議用簡單易行、成本低、準確性高的體外法測定[30]。

表12 家畜對幾種牧草的消化率[37,58-59,66-67]

3.3 食物當量的應用

植物的食物當量針對家畜生產，家畜的食物當量針對人類。有些植物食物，如水果、蔬菜、小谷物等，可為人類食用，同時可用作飼料。飼草通過家畜采食、消化代謝轉化為畜產品，若轉換為畜產品的食物當量，可以比較動植物產品。

用食物當量還可以比較不同利用方式下土地的生產力?；谀芰颗c蛋白質含量，食物當量將農田、草原和栽培草地等土地的生產力在統(tǒng)一量綱下計算出來，使它們可以互相比較。

4 結論

我國食物結構在近十年來發(fā)生了不可逆轉的變化，動物產品和非谷類食物大幅度增加，主食與副食的界限逐漸模糊。食物當量打破了單純以谷物為糧食的傳統(tǒng)食物觀，統(tǒng)一了食物的標準，即將各個地域、農業(yè)系統(tǒng)、飼草和家畜種類、飼草加工和利用方式的食物按統(tǒng)一的標準計算，尤其將植物性食物和動物性食物定量地聯(lián)系起來，可以對居民的飲食結構和區(qū)域農業(yè)結構起指導作用，可為推動我國農業(yè)供給側改革提供決策依據(jù)。