泌乳奶牛日糧碳、氮、硫、磷營養(yǎng)素平衡性及糞污減排的研究進展

裴江蘭 韓志蕾 王夢芝* 戚如鑫 歐陽佳良

（1.揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚州225009；2.揚州大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，江蘇揚州225009）

畜禽養(yǎng)殖規(guī)模逐漸擴大，畜禽養(yǎng)殖廢棄物糞便、污水等產(chǎn)生量也迅速增加。仇煥廣等[1]研究發(fā)現(xiàn)，如果國家不采取措施進行干預(yù)，我國畜禽糞便的總污染產(chǎn)生量在2020 年將達到2.9 億噸左右。畜禽養(yǎng)殖污染已成為我國農(nóng)業(yè)污染首要來源；同時，隨著我國奶牛飼養(yǎng)管理由粗放向集約化舍飼的轉(zhuǎn)變，奶牛日糧營養(yǎng)素的供給多以奶牛高產(chǎn)為目的，比如提供更高水平的氮素、磷等，這將嚴重加劇其糞尿排放對環(huán)境生態(tài)的影響。在新版NRC（2001）對奶牛營養(yǎng)需求量的重新評定中，泌乳奶牛磷的絕對需要量為68 g/d，占總的日糧干物質(zhì)推薦量的0.38%。硫的絕對需要量為53 g/d，占總的日糧干物質(zhì)推薦量的0.2%[2]。粗蛋白質(zhì)含量占總的日糧干物質(zhì)推薦量的15.1%[3]。在NY/T 34—2004奶牛飼養(yǎng)標準中，產(chǎn)奶牛維持需要按每100 kg體重供給6 g鈣和4.5 g磷；每千克標準乳供給4.5 g鈣和3 g 磷，鈣磷比例以2～3∶1 為宜[4]。ARC 的奶牛營養(yǎng)需求量以及國內(nèi)外其他畜禽飼養(yǎng)標準推薦的奶牛日糧硫、磷含量一般在0.20%、0.38%[5]。對于我國現(xiàn)有的土地狀況來說，一方面如果較高濃度的畜禽養(yǎng)殖污水長時間用于灌溉，會造成作物的陡長、倒伏、晚熟或不熟，降低產(chǎn)量，更嚴重的會毒害作物使其出現(xiàn)大面積腐爛，與此同時，高濃度的污水可使得土壤的孔隙堵塞，造成土壤透氣以及透水性下降，從而嚴重地影響土壤質(zhì)量[6]。另一方面，與許多工業(yè)污染源產(chǎn)生的廢棄物不同，畜禽糞便是一種有價值的資源，它包含農(nóng)作物所必需的氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)物質(zhì)，以及未被畜禽吸收的礦物質(zhì)元素，還含有75%的揮發(fā)性有機物，屬于營養(yǎng)豐富的有機肥，是保證我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源。2016年《中國環(huán)境年鑒》表示，養(yǎng)殖總氮排放量與農(nóng)業(yè)總氮排放量比值在2011～2015 年由62.79%增長到64.5%，總磷排放量則由2011 年的75.56%上升到了2015年的77.79%[7]。因此，養(yǎng)殖的日糧營養(yǎng)素精準平衡供給，糞污減排與種植的耕地營養(yǎng)素消納利用是生態(tài)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因素之一。

奶牛的飼養(yǎng)既要兼顧到按照營養(yǎng)需求提供，又要兼顧到排放對土地的生態(tài)循環(huán)問題，而對環(huán)境有顯著影響的奶牛糞尿中的有機元素供給平衡是生態(tài)養(yǎng)殖需要研究的課題之一，本文主要綜述近年來奶牛生產(chǎn)實踐中這些營養(yǎng)素的供給、排放，以及其平衡性狀況，旨在為奶牛健康高效、生態(tài)養(yǎng)殖提供一些參考資料。

1 生產(chǎn)中奶牛日糧碳、氮、硫、磷的供給情況

奶牛通過采食干物質(zhì)來滿足能量需求，其能量主要來源于碳水化合物，而碳水化合物中，中性洗滌纖維占比超過一半。范鋌[8]分別飼喂含有中性洗滌纖維40%、43%和46%的日糧給處于泌乳中期的荷斯坦奶牛，結(jié)果顯示，隨著中性洗滌纖維水平的升高而干物質(zhì)采食量顯著降低，每升高1個百分點的中性洗滌纖維，干物質(zhì)采食量約降低0.5 kg。由此可以看出，NDF 的水平在一定程度上可以限制奶牛采食量。此外，Kendal 等[9]分別飼喂含中性洗滌纖維28%和32%的日糧給處于泌乳早期的荷斯坦奶牛，結(jié)果表明，日糧NDF 水平的增加，會造成奶牛產(chǎn)奶量降低，同時就乳脂產(chǎn)量而言，含中性洗滌纖維28%日糧組要明顯高于中性洗滌纖維32%日糧組。而具有奶牛日糧關(guān)鍵作用的非纖維性碳水化合物，其與中性洗滌纖維在日糧中的比例對奶牛有著重要的影響。張林等[10]測定泌乳后期奶牛日糧NFC/NDF 分別為1.38、1.19、1.08，結(jié)果顯示，比值為1.19 和1.08 日糧的乳脂率比1.38 的分別提高了0.09%和0.22%，乳蛋白率分別降低了0.05%和0.06%。此外，王貝等[11]研究表明，當(dāng)NDF/NFC 的水平為1.96（中組）、2.10（高組）時，中組比高組的平均產(chǎn)奶量提高了9.41%。因此，適當(dāng)降低NFC/NDF 將對奶牛的生產(chǎn)性能產(chǎn)生重要影響。

日糧中的蛋白質(zhì)含量以及攝入水平與奶牛對氮素的利用程度有很大關(guān)系。Sinclair等[12]研究指出，奶牛日糧中蛋白質(zhì)含量在140 g/kg時，可提高氮的利用效率并減少氮在環(huán)境中的排放。此外，王星凌等[13]對奶牛不同日糧蛋白質(zhì)水平和氮利用效率進行研究表明，日糧蛋白質(zhì)水平為12.56%、13.96%的氮利用效率明顯高于15.53%和16.93%的蛋白水平，并且伴隨著蛋白水平的提高，尿氮、乳氮排出量和沉積氮同時增加，但糞氮在16.93%的蛋白水平時增加較為明顯，高水平的氮不僅不能提高奶牛對其的利用效率，還增加了糞氮污染物的排放量。由此可見，適宜的蛋白質(zhì)水平對奶牛以及環(huán)境至關(guān)重要。

由于奶牛對磷的真吸收率小，所以攝入適量的磷對奶牛來說非常重要。NY/T 34—2004奶牛飼養(yǎng)標準中提出，對于產(chǎn)奶牛和生長牛每100 kg的體重應(yīng)分別提供4.5 g的磷維持需要量，單位千克的標準乳應(yīng)提供3 g[14]。但將這一飼養(yǎng)標準與NRC（2001）進行比較，可顯然看到對產(chǎn)奶牛、干奶牛、后備牛的日糧磷推薦量達到了過于充足的狀態(tài)，其中泌乳推薦值相差是最大的[15]。針對此現(xiàn)象，在2007年的奶牛營養(yǎng)需要與飼料成分中明確指出應(yīng)該將單位千克標準乳的磷需要量降為2 g[16]。同時，黃文明等[17]對京郊奶牛場的研究調(diào)查表明，飼糧的磷水平為0.34%就足以滿足高產(chǎn)奶牛的需要，日糧磷水平越高并沒有對高產(chǎn)奶牛起到積極的作用。

另外，蛋氨酸、蛋氨酸羥基類似物以及硫酸鹽都能滿足奶牛以及瘤胃微生物對飼糧中硫的需要。日糧中硫過量反而會影響奶牛對銅和硒的吸收，所以，日常奶牛的飼養(yǎng)應(yīng)保持硫的飼喂量為日糧干物質(zhì)的0.4%。

2 奶牛規(guī)模化生產(chǎn)糞污的排放研究

畜牧場養(yǎng)殖所產(chǎn)生的廢物如果不采取一定措施處理再排放，一方面會對農(nóng)田和河流的生態(tài)造成威脅，另一方面會嚴重污染生活飲用水和空氣，此外，還會造成人和牲畜的交叉?zhèn)魅尽Ｒ?guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場糞尿、污水排放量大，據(jù)測定，一頭體重為500～600 kg的成年乳牛，每天排糞量為30～50 kg、尿量為15～25 kg、污水量為15～20 L。眾所周知，奶牛鮮糞、尿含有較高的氨氮、總磷（TP）、總氮（TN）（見表1）[18]。

表1 奶牛糞尿污染物的平均含量（kg/t）

研究顯示，畜禽不能利用飼料中的大部分磷，這是因為飼料中的磷一半以上的是以磷酸鹽的形式，經(jīng)由糞便排出體外。由表2可得，像奶牛、肉牛、肉羊這種飼糧中飼草含量較高的動物，糞便中的氮、磷含量比生豬低，但就尿的成分而言，其氮、磷含量是高于生豬的，而且其糞尿污排量是10倍左右。因此，奶牛糞污對土壤的污染值得高度關(guān)注[19]。

表2 家畜糞便成分(%)

在政府間氣候變化委員會（IPCC）發(fā)布的溫室氣體排放清單中指出，農(nóng)業(yè)溫室氣體的排放源主要是反芻動物腸胃發(fā)酵甲烷排放與糞便管理系統(tǒng)中的甲烷和一氧化二氮[20]，據(jù)測算，全球的反芻動物每年產(chǎn)生的甲烷可達到全球人類活動甲烷排放的28%，總計可達八千萬噸[21]。奶牛作為反芻動物生產(chǎn)的主要畜種之一，再加之其龐大的糞污排放量，所以如何實現(xiàn)奶牛生產(chǎn)中減排對實現(xiàn)環(huán)境友好型奶牛生產(chǎn)養(yǎng)殖至關(guān)重要。

糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)顯示，在2004年全球禽畜糞便中，氮含量達到1億3 500萬噸，磷含量達5 800萬噸。其中牛糞便的氮貢獻率最高為58%，豬糞達12%，雞糞為7%，牛糞所占比重最大，從地理位置上看，亞洲地區(qū)輸出量最多，占全球氮和磷輸出總量的35.5%[22]。此外，Burgos等[23]研究顯示，當(dāng)奶牛飼糧中的粗蛋白含量從15%增加到21%時，每頭奶牛每天氮排放量從57 g 增加為149 g，其糞中氨氮將從228.2 mg/dl 增加至508.7 mg/dl，但尿中氮的排放量從67%降至47%。與此同時，Wu等[24]的研究顯示：奶牛飼糧中磷的攝入和排泄存在相關(guān)性，當(dāng)日糧中磷從0.48%降到0.38%時，糞磷的排泄將減少30%～35%。

奶牛糞便的排放已經(jīng)成為限制其本身健康和可持續(xù)發(fā)展的要素。例如，2004年到2013年，安徽省畜禽養(yǎng)殖總數(shù)增加，直接導(dǎo)致了糞便排放量增加。2013年末[25]，安徽省耕地面積僅為418.81萬hm2，但畜禽糞便總量多達7 765.87萬噸。眾所周知，在一定時期內(nèi)單位耕地面積對畜禽糞便消納吸收有確定的值，如果超過這個范圍，會造成土壤污染。假設(shè)按每頭畜禽在飼養(yǎng)周期內(nèi)豬糞當(dāng)量換算系數(shù)和糞尿產(chǎn)生量換算成豬糞當(dāng)量，同時根據(jù)每公頃耕地豬糞當(dāng)量最適宜的承載力為12～24 t/年[26]，418.81萬hm2的耕地承載的糞便范圍是5 025.72～10 051.44 t，安徽省糞便排放總量接近土地消納總能力。

3 我國耕地碳、氮、硫、磷的平衡性研究

土壤化學(xué)性狀是土壤的另一個主要的屬性，它是決定土壤肥力的主要因素，直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，主要包括土壤有機質(zhì)、大量元素、微量元素、土壤pH值等。就國內(nèi)對畜禽糞便的研究來說，王方浩等[27]闡述了由畜禽糞便所帶來的環(huán)境效應(yīng)，我國多個省份存在氮磷含量高而導(dǎo)致的污染問題，這個污染正是由畜禽糞便過量排放導(dǎo)致的。對于糞肥年施氮量歐盟有著明確的規(guī)定，超過170 kg/hm2這個極限值會帶來硝酸鹽淋洗等問題[28]。而土壤的糞便年施磷（P2O5）量不能超過80 kg/hm2（約35 kg P/hm2）[29]。表3 為我國各地區(qū)的糞尿養(yǎng)分分布（氮、磷）差異?？梢?，根據(jù)歐盟的標準，我國較大部分面積的耕地氮磷含量都處于飽和狀態(tài)。其中，氮占比最大的地區(qū)為華北，最小的為東南；磷占比最大的為長江中下游地區(qū)，占比最小的為東北地區(qū)；氮加磷占比由大到小依次為：華北、西南、長江中下游、西北、東北。

表3 中國各地區(qū)糞尿養(yǎng)分分布(氮、磷，×104 t)

土壤氮素是土壤中最活躍的元素，也是植物所需的必要的養(yǎng)分之一。土壤的供氮能力可以用土壤的全氮含量來體現(xiàn)，在一定程度上也表明了土壤肥力狀況和土壤結(jié)構(gòu)。研究顯示，土壤堿解氮的含量與作物的吸氮量和作物的產(chǎn)量呈現(xiàn)高度相關(guān)，由此可以較為靈敏地反映出土壤供氮水平和土壤的氮素含量，是耕地地力的重要指標[30]。例如，基于象山縣大量“3414”田間試驗結(jié)果，根據(jù)土壤養(yǎng)分分級標準，象山縣土壤全氮均處于中氮區(qū)（1.5～2.0 g/kg）水平。土壤全氮含量在1.5～2.59 g/kg的耕地面積約1.8萬hm2，占總耕地面積的87.12%，全氮在2.5～3.0 g/kg 的耕地面積約為0.27 萬hm2，占總耕地面積的12.88%。從象山縣常種作物對氮的需求量考慮，目前土壤中的氮素含量基本能滿足農(nóng)作物生長需求，氮肥的施肥方式以保持現(xiàn)有措施為主。象山縣土壤高磷區(qū)面積為7 310 hm2，占耕地總面積的35.32%；中磷區(qū)面積為8 037 hm2，占耕地總面積的38.84%；低磷區(qū)面積為5 349 hm2，占耕地總面積25.84%。全縣有84.16%土壤有效磷含量在15 mg/kg 以上，能夠滿足作物的生長需求。約1/3的土壤，如丹東、丹西、爵溪街道、墻頭、泗洲頭部分區(qū)域及南部環(huán)大塘港等地區(qū)的有效磷含量偏高[31]。

土壤活性有機碳含量與其供碳能力密切相關(guān)，而不同耕作措施對活性有機碳含量有著一定影響。在表層0～5 cm，播種期和收獲期冬小麥田土壤活性有機碳含量均以免耕最高，分別為2.98 g/kg和3.16 g/kg。在播種期，翻耕、旋耕較免耕減少23.03%和23.06%；在收獲期，0～5 cm土層翻耕、旋耕較免耕減少了12.79%和5.52%；5～10 cm土層翻耕、旋耕較免耕減少了20.53%和36.15%[32]。此外，張英英等[33]研究顯示，0～30 cm土層，NTS（免耕結(jié)合秸稈覆蓋）處理較傳統(tǒng)耕作(T)、免耕(NT)、傳統(tǒng)耕作結(jié)合秸稈還田(TS)相比可顯著提高土壤活性有機碳含量。土壤有機碳和作物的高產(chǎn)、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有著十分密切的關(guān)系。當(dāng)土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)低于2%時，首先土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會降低，然后限制作物的高產(chǎn)，然而中國超過80%的耕地土壤有機碳質(zhì)低于該水平[34]。土壤有效硫小于10～16 mg/kg 作物有缺硫的可能性。據(jù)67個土壤樣本測定統(tǒng)計[35]，泰順縣土壤有效硫含量在5.1～26.8 mg/kg，平均為11.2 mg/kg，其中含量≤10 mg/kg 占44.78%，含量在10～15 mg/kg 的占41.79%，＞15 mg/kg的只占13.43%。馬進川[36]對中國土壤磷養(yǎng)分資源管理策略的研究中顯示，農(nóng)田磷素盈余量從1980年的10.6 kg P2O5/ha到2012年96.4 kg P2O5/ha。這表明，相對氮磷元素而言，土壤相對缺碳硫元素。

結(jié)合畜牧業(yè)狀況與區(qū)域的耕地承載力，根據(jù)胡浩等[37]對江蘇省的畜牧業(yè)布局與地區(qū)環(huán)境承載力之間的聯(lián)系得出的研究表明，江蘇省畜牧業(yè)未來還有一定的發(fā)展空間。但就磷的消納而言，已經(jīng)基本達到飽和。這是因為每公頃土地上實際承載的畜禽數(shù)量14.2豬單位，大于江蘇省的全部耕地種植大田作物估算的理論承載力的11.2 豬單位。2013 年我國畜禽糞便總磷產(chǎn)生量是63.89 萬噸，全國平均單位耕地面積達到5.2 kg/hm2，單位播種面積達到3.9 kg/hm2，這個容納量對磷而言有著較大壓力[38]。因此，為了畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，有必要采取有效措施使糞便中的磷含量降低，讓耕地可消納更多畜禽養(yǎng)殖排泄物中的磷[39]。

4 奶牛日糧碳、氮、硫、磷的平衡供給

前述表明，奶牛養(yǎng)殖業(yè)中其日糧的碳、氮、硫、磷供給總量高于奶牛泌乳的營養(yǎng)需要，同時其間的平衡性也沒有給予關(guān)注。鑒于當(dāng)前耕地的承載能力和未來的可持續(xù)發(fā)展，在前人對奶牛碳、氮、硫、磷需要量研究的基礎(chǔ)上認為，奶牛的日糧需要關(guān)注其間的平衡。奶牛泌乳性能，飼養(yǎng)管理是影響奶牛產(chǎn)奶量最重要的因素，特別是日糧的營養(yǎng)價值、飼料的種類與品質(zhì)、貯藏加工技術(shù)及日糧的碳氮比（一般為1～1.5∶1）等對提高母牛的產(chǎn)奶量和奶中成分起著決定性的作用，營養(yǎng)水平過低或不平衡，不僅會影響泌乳量和乳成分，而且還會縮短泌乳期[40-41]。夏建民等[42]研究荷斯坦奶牛對氮的利用率，按泌乳前期（81 d）、中期（146 d）和后期（266 d）進行分組，結(jié)果表明I 場的攝入氮量分別為695.7、646.5、539.6 g/d，Ⅱ場攝入氮量分別為634.5、605.3、383.4 g/d，I 場氮利用率（奶氮和沉積氮占攝入氮比例）（31.6%）顯著高于Ⅱ場（22.7%）。另外，為提高奶牛對尿素的利用率，含尿素的日糧的最佳氮磷比為8∶1，氮硫比應(yīng)為10～14∶1[43]。依據(jù)前人研究，泌乳前、中、后期的碳、氮、硫、磷營養(yǎng)素的比例見表4，可知泌乳早期碳、氮、硫、磷分別占日糧的2.63%、2.63%、0.22%、0.35%（計算其比例為12∶12∶1∶1.6)；高產(chǎn)期碳、氮、硫、磷分別占日糧的2.44%、2.44%、0.22%、0.35%（計算其比例為11∶11∶1∶1.6）；泌乳后期碳、氮、硫、磷分別占日糧的2.03%、2.03%、0.2%、0.35%（計算其比例為10∶10∶1∶1.8）。

表4 奶牛日糧碳氮硫磷元素適宜水平推薦（% DM）[44]

5 結(jié)語

我國目前乳業(yè)發(fā)展迅猛，奶牛養(yǎng)殖規(guī)模在一段時間內(nèi)還要有一定幅度地增長，而相應(yīng)地，其糞尿中營養(yǎng)素的排放也將增加；而且，近一段時期內(nèi)，成為動物營養(yǎng)研究專家、奶牛養(yǎng)殖技術(shù)人員，乃至種植業(yè)的專家都關(guān)注的研究熱點問題。楊飛等[45]的研究表示，與2009年相比，2020年畜禽養(yǎng)殖量成倍快速增長，大多省區(qū)的水環(huán)境和土壤都會面臨嚴重的超負荷承載，耕地也會處于對氮的消化能力最大的階段，這對奶牛生產(chǎn)也帶來了一定的壓力。為此，通過飼料源頭上精確控制泌乳奶牛日糧中碳、氮、硫、磷等元素的比例，在提高飼料的利用效率和提高奶牛泌乳能力的同時，降低奶牛糞便中這些元素的含量，減小這些元素對土壤、河流及空氣的污染，實現(xiàn)環(huán)境友好的生態(tài)養(yǎng)殖。