不同胎次的干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量特征及對泌乳性能的影響

劉志豪，董利鋒，賈 鵬，賴 琦，高彥華，田忠紅，吳秋玨，刁其玉*

（1.河南科技大學動物科技學院，河南洛陽 471003；2.中國農業(yè)科學院飼料研究所，反芻動物及其幼畜營養(yǎng)代謝中美聯(lián)合研究中心，北京 100081；3.西南民族大學生命科學與技術學院，四川成都 610041；4.山東銀香偉業(yè)集團有限公司，山東菏澤 274000)

溫室氣體是指大氣中能夠促成溫室效應的氣體成分，主要包括二氧化碳（CO）、甲烷（CH）、氧化亞氮（NO）、氫氟化合物（HFCs）和六氟化硫（SF）等，它們能夠吸收紅外線，將熱量保留在地面附近的大氣中，從而造成溫室效應，引發(fā)極端性氣候變化。在碳達峰碳中和的時代背景下，我國畜牧業(yè)同樣也面臨著低碳發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。有研究表明，在所有人為產生的溫室氣體中，畜牧業(yè)約占排放總量的15%，而反芻動物每年產生的溫室氣體可到達57 億CO當量（Carbon Dioxide Equivalent，CO-eq），其中牛的溫室氣體排放量最高。牛所產生的溫室氣體主要包括瘤胃發(fā)酵產生的CH，糞便管理過程中產生CH、NO，以及正常生理活動產生的CO。CH作為排放量第二大的溫室氣體，其增溫潛勢是CO的23 倍以上。此外，通過噯氣排出的CH是奶牛能量代謝過程中的重要能量損失，約占總能攝入量的6%～13%。因此，降低奶牛瘤胃CH排放對于降低溫室氣體排放和提升生產效益具有雙重意義。

目前國外對于奶牛、肉牛、羊等的CO排放量已有一定研究，但我國對于反芻動物正常代謝產生的CO排放量研究較少。我國是反芻動物養(yǎng)殖大國，截止2020 年末，我國牛存欄量達9 562.06 萬頭。干奶期是奶牛生產過程中至關重要的一個階段，在此階段其干物質采食量往往會降低，牧場會調整飼糧配方以滿足干奶牛營養(yǎng)需要。干物質采食量和飼糧組成的變化會對瘤胃內溫室氣體排放量產生顯著影響，因此對干奶期奶牛的溫室氣體排放量進行測定是準確核算奶牛溫室氣體排放量不可缺少的部分。本試驗旨在利用Greenfeed系統(tǒng)測定不同胎次的干奶牛的瘤胃溫室氣體排放量，并對后續(xù)泌乳期內試驗牛的產奶量和乳成分進行追蹤，探討干奶牛體況、生產性能與溫室氣體排放量之間的相關關系，為建立全生理周期的奶牛溫室氣體排放數(shù)據庫和核算畜牧業(yè)溫室氣體排放提供數(shù)據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點 本試驗于2020 年10—2020 年11月在山東省菏澤市曹縣山東銀香偉業(yè)集團第三國際牧場完成。

1.2 試驗動物與試驗設計 本試驗選取48 頭體況健康，處于干奶期的荷斯坦奶牛，按照胎次將試驗動物分為4個處理組，每組12 頭牛，4 個處理組如下：一胎組（I 組）、二胎組（II 組）、三胎組（III 組）、以及四胎及以上胎次組（IV 組）。試驗日糧配方參照NRC（2001）中干奶牛營養(yǎng)需要配置，以全混合日糧（TMR）形式飼喂，日糧組成及營養(yǎng)成分見表1。本試驗共45 d，包括預試期5 d，正試期40 d（產前60 天至產前15 天）。試驗內容包括生產性能的記錄、瘤胃溫室氣體的測定、以及后續(xù)泌乳期產奶性能的記錄。

表1 試驗飼糧組成及營養(yǎng)水平（干物質基礎）

1.3 飼養(yǎng)管理 試驗奶牛采用舍飼方式飼養(yǎng)，每天喂料2 次（07:00 和15:00），自由采食且保證日剩料量在5%左右。每天清理剩料，計算牛只的平均采食量。自由飲水，定期清理水槽，保證飼料和飲水的清潔性。所有奶牛的飼喂方式、飼養(yǎng)環(huán)境和飼糧均保持一致。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 Greenfeed 測定系統(tǒng) Greenfeed 測定系統(tǒng)系統(tǒng)由美國C-Lock 科技股份有限公司（C-Lock Inc.，Rapid City，South Dakota，USA）研發(fā)，為我國首次引進和使用，是國際上最為先進和廣泛認可的反芻動物瘤胃甲烷排放測定系統(tǒng)，該測定系統(tǒng)配置有動物氣體采樣器、溫室氣體濃度傳感器、氣體流量計、電子耳標讀取器以及進料倉等組件。測定系統(tǒng)的基本原理是：當奶牛接近氣體采樣器時，經過電子耳標讀取器識別之后，奶?？谇缓捅乔恢械臍怏w（CO、CH等）就能夠進入到氣體收集管道，經非分散性紅外分析儀檢測之后獲取氣體的濃度，同時經氣體流量計檢測管道中氣體流量，并以實時數(shù)據的形式進行遠程的監(jiān)測和分析。其CO和CH排放速率計算公式如下：

式中，CO（CH）為奶牛CO或CH的排放量，單位為g/d；Δt 為氣體樣品測定時間（1s）；CO（CH）為測定期間CO或CH的平均濃度，單位為%；CO（CH）為背景中的CO或CH的平均濃度，單位為%；Q為測定期間氣體的流速，單位為g/s。

1.4.2 飼料樣品的采集與分析 于正試期15～17 d，采用四分法采集飼料樣品，充分混勻后于65℃烘箱中烘干48 h 后，回潮24 h 制成風干樣，粉碎后過40 目網篩后按照周艷所述方法對飼料中干物質、粗蛋白質、粗脂肪、粗灰分、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和總能進行測定。

1.4.3 生長性能測定 體重：于正式試驗結束前5 d，在晨飼前測定每頭奶牛的體重。干物質采食量：在整個試驗期間，每天記錄投料量和剩料量，計算每頭奶牛的平均日采食量，通過對試驗期間采集日糧的干物質含量測定，計算出奶牛每天的干物質采食量。

1.4.4 瘤胃溫室氣體排放量的測定 采用GreenFeed 測定系統(tǒng)測定瘤胃CO和CH的排放量。測定過程如下：于每日08:00-19:00 進行測定，通過進料倉內的誘食劑（苜蓿草顆粒）使試驗牛訪問GreenFeed 測定系統(tǒng)，系統(tǒng)識別電子耳標后開始進行自動測定，每次測定持續(xù)測量時間在3 min 以上視為有效測定。測定過程中，保持每頭牛每天最多可訪問Greenfeed 測定系統(tǒng)4 次，每次訪問間隔6 h。每頭奶牛的有效測定次數(shù)達到30 次以上，以保證數(shù)據準確性。根據CO和CH的全球增溫潛勢換算成CO-eq 排放量，作為評估瘤胃溫室氣體排放量的衡量指標。其中，CO-eq 排放量的計算公式如下：

1.4.5 后續(xù)泌乳期牛奶樣品的采集與測定 干奶期奶牛進入后續(xù)泌乳期時，取泌乳100 d 前后3 d 的產奶量平均值作為產奶量，并按照早中晚4:3:3 的比例取奶樣，取樣量為每天50 mL，采用乳成分和體細胞自動分析儀（Combi Foss FT+，丹麥Foss 公司）測定乳脂率、乳蛋白率、乳糖率、乳體細胞數(shù)和乳尿素氮。

1.5 統(tǒng)計分析 通過Excel 2020 進行數(shù)據處理，采用SPSS 22.0 軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan's 法進行差異顯著性分析。試驗結果以＜0.05 為差異顯著。

2 結果

2.1 干奶期奶牛的基本特征 由表2 可知，試驗奶牛的年齡在3 歲以上，按胎次分為4 個處理，體重隨年齡或胎次的提高而增加，范圍在716.0～806.0 kg，代謝體重變化規(guī)律與體重規(guī)律一致。各個胎次的年齡之間均有顯著差異，III 組和IV 組干奶牛的體重、代謝體重顯著高于I 組和II 組，而I 組和II 組之間，III 組和IV 組之間的體重和代謝體重均無顯著差異。干物質采食量的估測數(shù)據為12.38 kg/d。

表2 試驗干奶?；咎卣?/p>

2.2 后續(xù)泌乳期內產奶量與乳成分 表3 為不同胎次奶牛在分娩后100 天處于高峰期階段的泌乳量與乳成分，可以看出，盡管各指標統(tǒng)計學差異不顯著，處于泌乳高峰期的II 組奶牛的產奶量最高。各個處理組奶牛乳脂率、乳蛋白率、乳糖率和尿素氮均無顯著差異，III 組和IV組的體細胞數(shù)顯著高于I 組和II 組，I 組和II 組之間，III 組和IV 組之間的體細胞數(shù)無顯著差異。

表3 胎次對新泌乳期內乳成分的影響

2.3 干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量 由表4 可知，干奶期奶牛瘤胃CO-eq 排放量的平均值為18 419.83 g/d，最大值為22 386.66 g/d，最小值為14 022.85 g/d，中位數(shù)為18 530.91 g/d。CO-eq 排放量/ 代謝體重的平均值為127.95 g/kg，最大值為147.79 g/kg，最小值為103.65 g/kg，中位數(shù)為127.90 g/kg。CO-eq排放量/校正乳產量的平均值為497.63 g/kg，最大值為784.97 g/kg，最小值為325.84 g/kg，中位數(shù)為472.89 g/kg。

表4 干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量

2.4 不同胎次干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量的差異由表5 可知，CO-eq 排放量I 組最低，IV 組最高。III組和IV 組的CO-eq 排放量顯著高于I 組，II 組、III組和IV 組之間沒有顯著差異。各處理組之間的CO-eq排放量/代謝體重、CO-eq 排放量/校正乳產量均無顯著差異，但隨著胎次的增加，CO-eq 排放量/校正乳產量有增加的趨勢。

表5 不同胎次的干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量特征

2.5 干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量與動物特征、生產性能的相關關系 由表6 可知，干奶牛的CO-eq 排放量與胎次和體重均有著極顯著的相關關系（＜0.01），而與產奶量、校正乳產量、乳脂率和乳蛋白率之間沒有顯著的相關關系（＞0.05）。

表6 干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量與動物特征、生產性能的相關性

3 討 論

3.1 不同胎次對干奶期奶牛體重的影響 在奶牛的正常生長發(fā)育過程中，荷斯坦奶牛體重隨著年齡增加而不斷增加。本試驗結果表明，隨著胎次增加，年齡增長，干奶牛的體重逐步增加，體重在一胎至三胎增長迅速，三、四胎及以上牛組的體重顯著高于一胎牛組。木沙江·烏不力等研究表明荷斯坦奶牛體重隨年齡的增長而增加，體重的增長速度在5 歲前均處于較高水平，特別是2～4 歲增長最快，4 歲之后日增重降低，生長強度減慢，此后奶牛體重有下降趨勢，但基本趨于穩(wěn)定，7 歲后奶牛體重緩慢下降。

3.2 不同胎次對干奶期奶牛后續(xù)泌乳期內產奶量及乳成分的影響 產奶量是奶牛最重要的生產指標之一。在本試驗條件下，進入后續(xù)的泌乳期后試驗牛全部變?yōu)榻洰a牛，各個胎次的產奶量和校正乳產量均無顯著差異。以往研究表明，胎次與產奶量之間存在顯著的正相關關系，隨著奶牛胎次增加，產奶量逐漸上升，在達到泌乳高峰后，又逐漸開始下降，在本試驗中產奶量在各個胎次之間差異不顯著，這可能是由于本試驗僅收集了試驗牛處于泌乳高峰期的產奶量數(shù)據，此階段各個試驗牛的產奶量均處在整個泌乳期的較高水平。本試驗中各個胎次之間乳脂率無顯著差異，這與廉紅霞等、董燕婕等、吳雙軍等的研究結果一致。母童研究表明，乳蛋白率在三胎時最高，且顯著高于其他胎次，乳糖率則在第三胎次顯著低于其他胎次，呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢。翁春玲等和賴福琪等的研究同樣表明不同胎次之間的乳蛋白率有顯著差異，整體呈現(xiàn)出升高到降低再到升高的趨勢，本試驗乳蛋白率、乳糖率隨胎次的變化趨勢與他們類似，但均無顯著差異，可能是與本試驗所選取的樣本數(shù)量有關。陳丹等研究表明不同胎次間乳中尿素氮含量無顯著差異，隨著胎次增加，尿素氮含量呈現(xiàn)降低、升高、降低的趨勢，本試驗結果與其一致。但有研究表明，乳中尿素氮含量隨著胎次的增加顯著增加，這可能是由于奶牛的品種、飼糧和生長環(huán)境不同所導致。韓曉輝、母童等研究均表明隨著胎次增加，體細胞顯著增加，本試驗結果與其一致，造成這一結果的原因可能與長時間的機器擠奶，對奶牛的乳房造成刺激，導致其乳房損傷的同時感染乳房炎幾率增加，使得乳中體細胞數(shù)隨著胎次的增加而增加。

3.3 不同胎次對干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量的影響反芻動物產生的溫室氣體主要來源于腸道發(fā)酵和糞便，其中腸道發(fā)酵產生的溫室氣體通過口、鼻和直腸等排出體外。本試驗使用目前國際先進的Greenfeed 測定系統(tǒng)，可以測定出奶牛處于正常狀態(tài)條件下經過口腔和鼻腔的CO和CH排放情況；根據IPCC的推薦的每種溫室氣體的增溫潛勢，可以計算出奶牛的瘤胃溫室氣體排放量。本試驗發(fā)現(xiàn)，干奶牛的CO-eq 排放量處于14 022.8～22 386.7 g/d，平均CO-eq 排放量為18 419.8 g/d。孫斌等研究表明，新疆荷斯坦干奶牛的CO-eq 排放量為3 111.61 g/d，遠遠低于本試驗結果，這可能是因為采用的測量方式不同，孫斌采用的是對牛舍內的CO進行測定計算出干奶牛的溫室氣體排放量，沒有計算奶牛瘤胃內溫室氣體的排放量。本試驗中，基于GreenFee測定系統(tǒng)能夠直接測定奶牛呼吸過程中通過口鼻排出的溫室氣體總量。Huhtanen 等測得飼喂TMR 和添加商用濃縮料的混合日糧奶牛的CO-eq 排放量分別為22 944、25 116 g/d，在體重（664±72 kg、675±96 kg）相近的情況下CO-eq 排放量高于本試驗的結果，這可能是由于奶牛的CO-eq 排放量與干物質采食量呈顯著正相關，而Huhtanen 等的試驗動物干物質采食量高于本試驗。Neel 等對不同體重安格斯牛的溫室氣體排放量的測定中發(fā)現(xiàn)，體重較高（平均體重609 kg）的安格斯牛的CO-eq 排放量為16 065 g/d，體重較低（平均體重為480 kg）的安格斯牛的CO-eq 排放量14 221 g/d，2 種結果均低于本試驗中干奶期奶牛瘤胃的CO-eq 排放量，原因可能是本試驗中荷斯坦奶牛的體重遠遠高于Neel 等試驗中安格斯牛體重。

本試驗結果表明，隨著胎次增加，干奶牛的CO-eq 排放量呈現(xiàn)增加的趨勢，尤其是在四胎和一胎之間有著顯著的差異，而各個胎次之間的單位代謝體重CO-eq 排放量卻沒有顯著差異，Neel 等研究也表明不同體重牛的CO排放量用單位體重CO排放量表示時沒有差異，這表明胎次對CO-eq 排放量的影響可能是由于體重差異造成的。各個胎次之間的單位校正乳產量CO-eq 排放量沒有顯著差異，但隨著胎次增加，呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，這可能是由于計算的校正乳產量是在新的泌乳期，所有牛都為經產牛，各個胎次之間的產奶量均沒有顯著差異所造成的。

3.4 干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量與動物特征、生產性能的相關性 目前測定反芻動物瘤胃溫室氣體排放量的測定方法很多，包括呼吸室法、非分光紅外技術等，但精準的測定奶牛的瘤胃溫室氣體排放量需要大量的人力，在實際生產中，無法作到對每一頭動物精確測定，因此需要根據反芻動物實測的CO和CH排放數(shù)據，應用統(tǒng)計方法建立的預測模型，核算排放因子，來預測動物的瘤胃溫室氣體排放量，為建立溫室氣體排放清單提供準確簡便的方法。本試驗結果表明，干奶牛的CO-eq 排放量與胎次（相關系數(shù)=0.44）和體重（相關系數(shù)=0.74）之間均存在著極顯著的正相關關系，體重越大，其CO-eq 排放量就越高。Arthur 等用GreenFeed 測量了119 頭小母牛和329 頭閹牛的CO排放量數(shù)據，發(fā)現(xiàn)其與體重之間的相關系數(shù)分別為0.84和0.87；Jonker 等研究了母羊和羔羊的CO排放量和體重之間的關系，其相關系數(shù)為0.36～0.78，與本研究結果相似，干奶期奶牛瘤胃溫室氣體排放量隨著體重的增加而增加。

4 結 論

在本試驗條件下，干奶期奶牛的瘤胃溫室氣體排放量為14 022.8～22 386.7 g/d，平均排放量為18 419.8 g/d。不同胎次的干奶期荷斯坦奶牛的瘤胃溫室氣體排放量存在差異，其中一胎牛的瘤胃溫室氣體排放量最低。同時，干奶期奶牛的瘤胃溫室氣體排放量與胎次和體重均呈顯著的正相關關系。