奶牛蛋白水平周期性波動(dòng)日糧研究進(jìn)展及對(duì)氮減排的啟示

廉紅霞，王林楓，高騰云，付彤*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河南鄭州 450046；2.河南省家畜營(yíng)養(yǎng)調(diào)控與生態(tài)養(yǎng)殖國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450046）

“十四五”是我國(guó)畜牧業(yè)由畜牧大國(guó)向畜牧強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。2021 年《中國(guó)奶業(yè)質(zhì)量報(bào)告》要求，到2025 年奶業(yè)實(shí)現(xiàn)全面振興，基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，奶源基地、乳品質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力整體水平進(jìn)入世界先進(jìn)行列。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，消費(fèi)需求呈現(xiàn)個(gè)性化和多樣化趨勢(shì)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)成為發(fā)展新引擎，綠色生產(chǎn)為主導(dǎo)方向，這些新變化對(duì)草食畜牧業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展提出了新的要求。畜牧業(yè)應(yīng)堅(jiān)持綠色發(fā)展，協(xié)同推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖和環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展綠色種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)試點(diǎn)工作的通知》提出，加快推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展。中國(guó)乳業(yè)肩負(fù)著推動(dòng)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的責(zé)任與使命，全面推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色轉(zhuǎn)型與升級(jí)、采取有效行動(dòng)促進(jìn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。實(shí)現(xiàn)乳品行業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)、開(kāi)展綠色可持續(xù)發(fā)展成為中國(guó)乳業(yè)的發(fā)展方向。

目前中國(guó)奶業(yè)已躋身世界第一陣營(yíng)，正處于構(gòu)筑“奶業(yè)強(qiáng)國(guó)”的進(jìn)程中。隨著規(guī)?；?、集約化程度的提高，奶牛生產(chǎn)為人類(lèi)提供大量?jī)?yōu)質(zhì)乳制品的同時(shí)，所面臨環(huán)境污染問(wèn)題和奶牛生產(chǎn)蛋白質(zhì)飼料緊缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。我國(guó)飼用蛋白原料對(duì)外依存度長(zhǎng)期保持在80% 以上，2021 年，我國(guó)進(jìn)口苜蓿干草178.03 萬(wàn)t，同比增加31%，其進(jìn)口價(jià)格近5 年來(lái)一直呈上漲趨勢(shì)；國(guó)內(nèi)大豆需求逐年增加，2020 年已超過(guò)1 億t；另一方面，飼料中添加過(guò)量的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)的利用率降低、排放到自然界中的氮元素增加。因此，提高養(yǎng)殖中氮的利用效率，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)高效利用與氮素減排迫在眉睫。

1 奶牛集約化養(yǎng)殖中氮減排的必要性

畜牧養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題已引起全球的廣泛關(guān)注。畜牧業(yè)在世界范圍內(nèi)面臨著經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的諸多挑戰(zhàn)，其中氮的排放對(duì)空氣、水質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和人類(lèi)健康的影響是一個(gè)重要問(wèn)題。奶牛個(gè)體糞尿排泄量在家畜中是最多的，是農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素之一。據(jù)測(cè)定，一頭體重為500～600 kg 的成年乳牛每天排糞量30～50 kg，尿量15～25 kg。一個(gè)千頭奶牛場(chǎng)日產(chǎn)糞尿50 t。而糞尿中含氮物對(duì)空氣、土壤和水體均可造成污染，因此成為主要的環(huán)境關(guān)注物。

我國(guó)奶牛養(yǎng)殖規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化水平不斷提高，生產(chǎn)效率大幅度提升，整體素質(zhì)明顯增強(qiáng)。2020 年我國(guó)奶牛數(shù)量615 萬(wàn)頭，牛奶產(chǎn)量3 440 萬(wàn)t，成母牛平均單產(chǎn)達(dá)到8.3 t；奶牛規(guī)模養(yǎng)殖比例達(dá)到67%，超過(guò)50 萬(wàn)頭成母牛平均單產(chǎn)達(dá)到10 t 以上，多家牧場(chǎng)單產(chǎn)達(dá)到了13 t。據(jù)中國(guó)奶牛數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021 年6 月參測(cè)牛只305 d 產(chǎn)奶量為9.34 t。

隨著我國(guó)奶牛業(yè)的快速發(fā)展，氮排泄污染環(huán)境的問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，奶牛氮排泄量與飼糧的粗蛋白質(zhì)含量和消化率密切相關(guān)。在奶業(yè)生產(chǎn)中，養(yǎng)殖者為提高產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)通常提高日糧蛋白的含量，導(dǎo)致70%～80%的攝入氮通過(guò)糞便和尿液排泄到水體、陸地和大氣中，進(jìn)一步造成環(huán)境的惡化。伴隨奶業(yè)快速發(fā)展而來(lái)的奶牛集約化養(yǎng)殖導(dǎo)致排放的氮在較小空間內(nèi)積累。理想情況下，大部分氮素應(yīng)保留在家畜體內(nèi)，或沉積到糞肥中然后用作農(nóng)作物肥料。然而，大量的氮會(huì)以揮發(fā)性氮形式流失。奶牛向環(huán)境中排泄的氮主要是尿氮和糞氮，其通過(guò)不同的方式對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，主要以氨氮（NH-N）、一氧化二氮（NO）和氮?dú)猓∟）的形式排放到空氣中；或者以硝酸鹽（NO）的形式排放到地下水中；以顆粒氮的形式排放到地表水中，導(dǎo)致大氣顆粒增加，平流層臭氧濃度降低，溫室氣體濃度升高，水生生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化和沿海缺氧，降水、土壤和地表水酸度增加等，最終大部分污水進(jìn)入土壤，通過(guò)雨水沖刷進(jìn)入地表水源和地下水源，對(duì)水體造成污染。

糞便作為奶牛養(yǎng)殖主要的污染源，分解的終產(chǎn)物以氨、硝酸鹽和胺等3 種形態(tài)進(jìn)入土壤。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016 年全國(guó)奶牛場(chǎng)糞污年產(chǎn)量約4 億t。牛糞中有機(jī)質(zhì)、氨態(tài)氮（NH-N）、總磷（TP）、總氮（TN）含量分別達(dá)53.56、1.71、1.18、4.37 g/kg，其中的蛋白質(zhì)等經(jīng)微生物分解產(chǎn)生如甲烷（CH）、硫化氫（HS）、氨氣（NH）等。相比糞氮，對(duì)于污染空氣而言，尿氮的污染更為嚴(yán)重，因?yàn)閺哪蛞褐袚]發(fā)出來(lái)的氨是糞便中的6～7 倍。與糞便中的氮不同，尿液中的氮對(duì)不同的氮攝入量更敏感。因此制定可實(shí)施的方案以?xún)?yōu)化養(yǎng)殖場(chǎng)奶牛對(duì)氮素的保留，并盡量減少這些營(yíng)養(yǎng)素在尿液中的排泄量意義重大。

2 奶牛蛋白水平周期性波動(dòng)日糧研究進(jìn)展

在自然界中，一些動(dòng)物、植物和微生物經(jīng)歷了季節(jié)性的營(yíng)養(yǎng)不足和充足時(shí)期，這種營(yíng)養(yǎng)波動(dòng)在生物的快速生長(zhǎng)期以代償性生長(zhǎng)的方式影響穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。反芻動(dòng)物瘤胃微生物可能在氮供應(yīng)量低于或高于其需求量時(shí)增加對(duì)氮利用的效率。研究表明，日糧氮水平不斷變化時(shí)，反芻動(dòng)物氮沉積有所增加，原因在于循環(huán)到瘤胃中的尿素氮能夠?yàn)闄C(jī)體蛋白合成提供氮源，保證了動(dòng)物體內(nèi)正常的氮代謝。樊艷華等通過(guò)研究飼糧蛋白質(zhì)水平周期性變動(dòng)對(duì)內(nèi)蒙古白絨山羊內(nèi)源尿素氮循環(huán)和微生物蛋白質(zhì)合成的影響，探明周期性變動(dòng)飼糧蛋白質(zhì)水平有利于提高內(nèi)蒙古白絨山羊氮利用率和微生物蛋白質(zhì)合成量。飼喂蛋白水平周期性波動(dòng)日糧可提高羔羊氮利用率，原因可能在于轉(zhuǎn)運(yùn)至瘤胃的尿素增加。Muscher 等通過(guò)Ussing Chamber 以瘤胃上皮模擬尿素氮轉(zhuǎn)運(yùn)測(cè)定尿素氮在瘤胃的流通量，表明飼喂2 d 變動(dòng)低氮飼糧的羊屠宰后，尿素氮在基膜的流通量更大。

通過(guò)日糧管理和周期性改變?nèi)占Z的飼喂方式來(lái)提高反芻動(dòng)物氮利用率是緩解環(huán)境污染的一種重要手段。在接近或低于動(dòng)物需要的日糧粗蛋白質(zhì)水平下，波動(dòng)日糧粗蛋白質(zhì)才能有效地提高氮的存留率，且動(dòng)物的生產(chǎn)性能不會(huì)下降。以48 h 為間隔的波動(dòng)日糧粗蛋白質(zhì)水平可以增加反芻動(dòng)物的氮利用效率，這表明了48 h 日糧粗蛋白質(zhì)水平的變化可能與消化物在腸道中的存留時(shí)間一致。瘤胃碳水化合物降解率與粗蛋白質(zhì)降解率同步是提高氮利用效率、減少尿氮排泄進(jìn)而提高動(dòng)物生產(chǎn)性能的一種方法。

日糧蛋白質(zhì)水平周期性波動(dòng)可調(diào)動(dòng)反芻動(dòng)物的尿素氮循環(huán)機(jī)制，降低糞氮、尿氮排出量，增加沉積氮/攝入氮，而且用于合成的微生物蛋白的氮增加，機(jī)體氮利用率提高。飼喂波動(dòng)粗蛋白質(zhì)水平的日糧時(shí)，機(jī)體蛋白質(zhì)代謝的變化可能是提高氮利用效率的部分原因。與在靜態(tài)濃度下每天攝入等量粗蛋白的動(dòng)物相比，飼喂波動(dòng)粗蛋白日糧的動(dòng)物有更多的尿素向門(mén)靜脈引流內(nèi)臟轉(zhuǎn)移。尿素循環(huán)到門(mén)靜脈引流內(nèi)臟的增加可能導(dǎo)致瘤胃內(nèi)NH-N 濃度的增加，進(jìn)而使瘤胃內(nèi)微生物粗蛋白合成增加，這表明相對(duì)于靜態(tài)日糧，飼喂波動(dòng)日糧的動(dòng)物尿素氮凈流量更大。當(dāng)瘤胃中氮含量較低時(shí)，日糧粗蛋白水平波動(dòng)可能促進(jìn)了氮的循環(huán)利用。Zhang 等在荷斯坦公犢上的試驗(yàn)也表明，以48 h 為間隔的日糧粗蛋白水平波動(dòng)，增加了肝臟合成的尿素氮和進(jìn)入胃腸道的尿素氮，用于再合成代謝的尿素氮增加，從而增加了犢牛的氮利用率。因而，通過(guò)飼喂與日糧在消化道中滯留時(shí)間相似的間隔波動(dòng)日糧粗蛋白水平，可以減少日糧CP的總喂量，且不會(huì)對(duì)動(dòng)物的生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響。

3 蛋白水平周期性波動(dòng)日糧對(duì)奶牛氮減排的啟示

目前奶牛生產(chǎn)中，為確保高產(chǎn)奶量，通常會(huì)采用過(guò)量蛋白質(zhì)攝入。對(duì)奶牛而言，氮主要來(lái)源于飼料中的含氮化合物，奶牛對(duì)飼料中氮的利用率只有30% 左右，未利用的氮通過(guò)糞便和尿液排放到環(huán)境中（約30% 隨糞便排出，約40% 隨尿液排出），較低的利用率不僅會(huì)造成生產(chǎn)效益低下、飼料成本增加，同時(shí)也使污染物的排放量增多，制約了奶牛業(yè)發(fā)展。研究表明，瘤胃降解為氮利用率低的最主要原因。目前，研究者建議的奶牛日糧粗蛋白質(zhì)水平為15.7%～17.1%，這既能滿足奶牛的氮代謝需要，又能有相對(duì)較小的氮排泄量。

蛋白質(zhì)飼料緊缺問(wèn)題一直是養(yǎng)殖業(yè)面臨的重要課題。特別是近年來(lái)，我國(guó)奶牛養(yǎng)殖水平迅速提高，集約化程度加快，優(yōu)質(zhì)蛋白飼料需求量日益增多。在奶牛全混合日糧（Total Mixed Ration,TMR）中，蛋白質(zhì)飼料占20%～40%，占飼料總成本的40%～50%。大豆和苜蓿作為奶牛養(yǎng)殖的主要蛋白飼料，長(zhǎng)久以來(lái)主要依賴(lài)于來(lái)自美國(guó)的進(jìn)口。2018 年中美貿(mào)易戰(zhàn)以來(lái)，我國(guó)奶牛蛋白飼料緊缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。

日糧中適宜的粗蛋白質(zhì)水平對(duì)反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能和飼料的有效利用至關(guān)重要。解決奶牛養(yǎng)殖全產(chǎn)業(yè)鏈中氮減排的措施包括：從飼料源頭控制，即建立健全準(zhǔn)確的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，制定奶牛日糧中低蛋白日糧的使用及氨基酸平衡機(jī)制；著眼養(yǎng)殖過(guò)程管理，即奶牛飼喂管理過(guò)程中降低氮損失，做好能氮平衡工作，提高氮利用效率；實(shí)施終端調(diào)控，即糞尿減排及資源再利用。

在營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域，日糧粗蛋白質(zhì)水平是影響動(dòng)物氮排放的重要因素。奶牛日糧中高濃度的氮不僅增加了微生物蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，也提高了瘤胃NH的含量，從而增加了尿氮的排泄量。實(shí)踐證明，降低日糧氮含量對(duì)動(dòng)物的氮利用效率有很大的改善，不僅降低了飼料成本，還減少了溫室氣體排放和水土污染。因此豬、禽養(yǎng)殖業(yè)提出了“低蛋白飼料”的解決方案，但對(duì)追求高品質(zhì)乳制品的奶牛業(yè)并不可行，盡管降低日糧氮濃度可以減少牛的氮排泄量，但日糧氮水平的降低可能會(huì)影響動(dòng)物的生產(chǎn)性能和健康?？梢?jiàn)，通過(guò)降低日糧氮濃度來(lái)減少氮排放在奶牛生產(chǎn)中并不是一個(gè)可行的策略。

基于此，精細(xì)化飼養(yǎng)成為今后世界范圍內(nèi)奶牛養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)。表明提高飼喂精準(zhǔn)度，每天每頭牛飼料成本可降低2%，精準(zhǔn)飼喂可增加2%的產(chǎn)奶。調(diào)整日糧使提供的蛋白質(zhì)滿足奶牛需要成為提高氮利用率的基本原則。在我國(guó)奶牛攝入過(guò)量蛋白質(zhì)造成的奶牛高淘汰率、飼料資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問(wèn)題愈來(lái)愈嚴(yán)重的情況下，尋找新的出路更顯重要。提高奶牛氮利用率、實(shí)行精準(zhǔn)飼養(yǎng)，是解決目前奶牛生產(chǎn)中氮減排問(wèn)題切實(shí)可行的方法，其中日糧粗蛋白水平波動(dòng)研究及策略無(wú)疑為奶牛養(yǎng)殖氮減排提供了新的思路和啟示。

4 小 結(jié)

粗蛋白水平周期性波動(dòng)日糧通過(guò)對(duì)氮利用的積極影響，實(shí)現(xiàn)了奶牛精準(zhǔn)飼養(yǎng)及奶牛集約化養(yǎng)殖過(guò)程中的氮素減排，為保持奶牛高產(chǎn)前提下實(shí)現(xiàn)氮減排提供了新的思路。