饲粮阴阳离子平衡对热应激奶牛机体矿物质代谢的影响

臧长江 潘 榕 郭同军 王连群 卜登攀 周振峰

(1.新疆农业大学动物科学学院，新疆肉乳用草食动物营养实验室，乌鲁木齐 830052;2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京 100193;3.新疆畜牧科学院饲料所，乌鲁木齐 830000;4.塔里木大学动物科学学院，阿拉尔 843300)

动物机体的酸碱平衡反映的是饲粮的离子平衡状况，饲粮阴阳离子平衡(dietary cation-anion balance，DCAB)是影响动物机体内酸碱平衡的重要因素。研究DCAB对奶牛机体矿物质代谢的影响，对研究热应激条件下奶牛机体酸碱平衡、矿物元素在机体内的代谢具有重要的意义。通过改变DCAB可以直接影响动物体内的渗透压、酸碱平衡、消化道内的电解质平衡以及水盐的代谢等生理生化指标，进而影响动物的健康和生产性能［1－3］。若奶牛饲粮阴阳离子失衡，会引起血液pH升高或降低，严重时会导致机体酸碱平衡失调，瘤胃内环境的紊乱，进而影响奶牛的正常代谢活动和生产性能［4－6］。饲粮的酸碱度是影响奶牛体内酸碱平衡的主要因素，因此，DCAB成为动物营养学家关注的焦点。不同的泌乳阶段血液中的的浓度不同，泌乳前期奶牛产奶量较高，饲喂大量的精料，易发生瘤胃酸中毒或亚急性瘤胃酸中毒，泌乳后期则易发生碱中毒，通过改变DCAB可以有效预防和缓解因酸碱不平衡导致的中毒现象［7－8］。鉴于这种状况，本文对DCAB 进行深入研究，探讨不同DCAB水平对奶牛机体矿物质代谢的影响，为奶牛生产性能的提高及一些疾病的解决途径提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验采用单因素完全随机试验设计，选取75头健康的泌乳中期［泌乳日龄为(104.8±12.0)d］中国荷斯坦奶牛，根据胎次［(2.0±0.2)胎］、产奶量［(26.52±0.33)kg］、体重［(550.0±52.5)kg］相近的原则随机分为5组，分别以添加不同水平的阴阳离子平衡盐来调整DCAB值，试验共设5组(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组和对照组)，分别饲喂 DCAB值 为 195.76、186.68、177.77、166.94、239.12 mEq/kg干物质(DM)的饲粮。Ⅰ、Ⅱ组中添加的为离子盐A(动物营养学国家重点实验室自行研制)，Ⅲ、Ⅳ组添加的为离子盐B(由北京中畜阳光牧业科技发展有限公司提供)。试验期为67 d，其中预试期7 d，正式试验期60 d。

1.2 试验饲粮及饲养管理

奶牛饲粮参照《奶牛饲养标准》(NY/T 34—2004)进行配制;各组之间除添加的阴阳离子平衡盐剂量不同外，饲养管理一致。奶牛饲养方式采用双列对头固定颈夹式饲养，喂料方式为先粗后精人工饲喂，将阴阳离子平衡盐与精料充分混合均匀，确保奶牛完全采食。奶牛每日饲喂3次、挤奶3次，分别于07:00、14:00和20:00饲喂挤奶。每天喂料结束后散放到运动场自由运动，饮水槽保证足够清洁的饮水。试验饲粮组成及营养水平见表1。

表1 试验饲粮组成及营养水平(干物质基础)Table 1 Composition and nutrient levels of experimental diets(DM basis)

续表1

1.3 样品采集

1.3.1 饲料样品的采集与处理

试验期间每隔30 d收集1次饲料样和剩料样，于－20℃保存;试验结束后，饲料及剩料样品于65℃烘干48 h，计算初水分后，根据剩余料数量适当缩小样品，粉碎过40目筛，保存备用。

1.3.2 乳样品采集

试验期每隔15 d收集1次奶样，每头牛按早、中、晚产量(4∶3∶3)取样后制成混合样(共200 mL)，－20℃保存。

1.3.3 血液样品采集

分别于试验前、试验30和60 d，在晨饲后2 h，利用一次性真空采血管(奥地利GREINER公司生产，不含抗凝剂)采集尾根动脉/静脉血液2管(9 mL/管)，立即将采血管置入冰盒并及时送回实验室于3 000×g，4℃离心15 min分离血清。分离后的血清分装于离心管中于－20℃保存。

1.3.4 尿样的收集

分别于试验15、30、45、60 d各收集尿样1次，每次采集约200 mL尿液转移至洁净的塑料瓶内，测定其pH，在测定pH后加入少许稀硫酸，－20℃保存。

1.4 试验环境温湿度的监测

本试验中的75头奶牛集中饲养在建有四面敞口采食大棚的运动场中，通过监测环境温湿度变化评价奶牛的热应激状况。将干湿球温度表(型号TMWS－A2，天津市天马仪器厂生产，有效量程:－10～40 ℃，10～90 °RH)悬挂在采食大棚中心的下方，距地面约2 m，保证温湿度表的有效通风，防止阳光照射和雨淋，并要避免奶牛触及。试验期间每天在奶牛采食前06:00、12:00和20:00记录温湿度表读数。

1.5 分析方法

1.5.1 饲料常规成分

粗蛋白质(GB/T 6432—1994)、水分(GB/T 6435—1986)含量采用国家标准方法测定。中性、酸性洗涤纤维含量测定采用Van Soest方法分析［9］，分析过程中添加淀粉酶(Termamyl 120 L，Type S，Danmark)和无水亚硫酸钠。饲料中钠(Na)、钾(K)浓度等采用原子吸收法测定(型号HITACHI Z－2000原子吸收仪，日立株式会社生产)。DCAB值按照文献［10］公式进行计算。

1.5.2 呼吸频率及直肠温度的测定

在试验期内分别于00:00、12:00、18:00左右用秒表和计数器测定安静状态下试验牛腹部和胸廓的起伏次数，每次测5 min，计算每分钟的呼吸次数，取其平均数作为奶牛的呼吸频率;将兽用玻璃体温计的水银柱甩至底部，用酒精棉球擦拭消毒，将感应部分插入直肠10 cm处，5 min后取出读数并记录。

1.5.3 乳、血清、尿液中 K、钙(Ca)等浓度的测定

乳、血清、尿液样品中 K、Ca、Na、镁(Mg)等浓度的测定采用原子吸收法测定;样品经过湿法或微波消解，稀释相应的倍数并加入基体改进剂后，导入火焰原子吸收仪测定，与标准工作曲线比较后定量。

1.5.4 尿液 pH 的测定

试验15、30、45、60 d收集尿液样品时将收集到的尿液稍微降温后及时使用便携式pH计(意大利HANNA公司生产)测定其pH。

1.6 数据分析和统计

基础数据用Excel进行整理，利用SAS 9.0软件中有重复观测数据的Mixd混合模型统计，固定效应有试验处理、试验期(d)及二者之间的交互作用。方差结构采用AR(1)，数据为最小二乘均值，显著性水平为 P＜0.05，极显著水平为P＜0.01，采用Tukey方法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 试验环境温湿度的监测与奶牛热应激的评价

由表2可知，在整个试验期间，牛舍的平均温度均高于29.62℃，温湿指数(temperature humidity index，THI)最低为 84.45，按照美国新泽西州立大学和堪萨斯州立大学对奶牛热应激评价的研究结果［6］，当热应激指数THI≥72时，奶牛即产生热应激，这一评价标准目前已得到各国研究人员的认可。而我国的研究结果表明，当牛舍温度达到28.1℃，THI达到69时奶牛即可产生热应激。本试验采用在国际上得到认可的THI72法来评价奶牛热应激状况［2］。试验过程中，通过对环境温度、相对湿度的监测，结果表明，在整个试验期，奶牛均处于热应激状态，随着试验时间的延长，热应激的程度在不断的加重。

表2 试验期牛舍环境温度及温湿指数Table 2 The environment temperature and THI of barn in trial period

2.2 DCAB对热应激条件下奶牛直肠温度及呼吸频率的影响

由表3可知，在热应激条件下，奶牛的直肠温度均不同程度的提高(奶牛的正常体温37.5～39.1℃)，对照组最高，Ⅰ组最低，但各组之间差异不显著(P＞0.05)，奶牛呼吸频率随着DCAB值的升高而升高，但各组之间差异不显著(P＞0.05)。

2.3 DCAB对热应激条件下牛奶乳中矿物质浓度的影响

由表4可知，通过改变饲粮DCAB值，对奶牛乳中 K、Ca、Mg、P 的浓度无显著影响(P＞0.05)，但对Na和Cl的浓度产生了一定的影响，与Ⅲ、Ⅳ组相比，Ⅰ、Ⅱ和对照组奶牛乳中Na的浓度均有不同程度的提高，差异显著(P＜0.05)，Ⅰ、Ⅱ、对照组之间差异不显著(P＞0.05)，Ⅲ、Ⅳ组之间也无显著性差异(P＞0.05);与Ⅲ、Ⅳ组相比，Ⅰ、Ⅱ、对照组奶牛乳中 Cl的浓度显著降低(P＜0.05)，Ⅲ、Ⅳ组之间差异不显著(P＞0.05)，Ⅰ、Ⅱ和对照组之间也无显著性差异(P＞0.05)。

表3 DCAB对热应激条件下奶牛直肠温度及呼吸频率的影响Table 3 Effects of DCAB on rectal temperature and respiratory frequency of dairy cows in the conditions of heat stress

表4 DCAB对热应激条件下奶牛乳中矿物质浓度的影响Table 4 Effects of DCAB on mineral concentrations in milk of dairy cows in the conditions of heat stress mg/mL

2.4 DCAB对热应激条件下奶牛血清中矿物质代谢的影响

由表5可知，DCAB值对奶牛血清中K、Mg、P的浓度影响差异不显著(P＞0.05)，对奶牛血清中Ca、Cl的浓度影响较大，血清中Ca的浓度随着DCAB值的升高有降低的趋势，Ⅳ组中Ca的浓度最高，达到了2.178 mmol/L;血清中Cl的浓度随着饲粮DCAB值的降低呈上升趋势，Ⅳ组最高，在各组中DCAB值对Ca、Cl浓度的影响均未达到显著水平(P＞0.05)。DCAB值对奶牛血清中Na的浓度也产生了一定的影响，对Ⅰ和对照组影响较大，但各组之间也均未达到显著水平(P＞0.05)。

表5 DCAB对热应激条件下奶牛血清中矿物质代谢的影响Table 5 Effects of DCAB on mineral metabolism in serum of dairy cows in the conditions of heat stress mmol/L

2.5 DCAB对热应激条件下奶牛尿液中矿物质浓度及尿液p H的影响

由表6可知，饲粮DCAB值对尿液中K、Ca、Na、Mg的浓度影响差异不显著(P＞0.05);对尿液中Cl的浓度影响较大，随着饲粮DCAB值的降低，尿液中Cl的浓度呈上升趋势，与对照组相比，Ⅰ、Ⅱ组分别提高了 33.826%、35.598%，差异显著(P＜0.05);Ⅲ、Ⅳ 组 分 别 提 高 了 95.421%、76.957%，差异极显著(P＜0.01);Ⅲ、Ⅳ组与Ⅰ、Ⅱ组相比，也有一定程度的提高，差异显著(P＜0.05)。对尿液pH的影响随着饲粮DCAB值的升高而升高，Ⅰ、Ⅱ和对照组与Ⅲ、Ⅳ组相比，显著提高(P＜0.05)，Ⅰ、Ⅱ和对照组之间差异不显著(P＞0.05)，Ⅲ和Ⅳ组之间差异也不显著(P＞0.05)。

表6 DCAB对热应激条件下奶牛尿液中矿物质浓度及尿液pH的影响Table 6 Effects of DCAB on mineral concentrations and pH in urine of dairy cows in the conditions of heat stress

3 讨 论

3.1 DCAB对热应激条件下奶牛直肠温度及呼吸频率的影响

直肠温度、奶温和腹腔温度常用来表示体核温度，三者相似，直肠温度作为一个主要的生理指标，通常用来诊断机体健康状态、预测机体和生产性能的变化，评价环境对动物生长、妊娠和繁殖的影响程度，奶牛的直肠温度通过各种调节机制而保持着相对稳定，正常条件下，奶牛直肠温度为38℃左右，当热应激条件下，奶牛直肠温度开始上升，奶牛的行为和生产性能开始发生变化，体温的升高是奶牛抵御热应激的一种方式，有利于体热的散发［11］。李秋凤［7］研究结果表明，在热应激条件下，DCAB值为275 mEq/kg DM时，对泌乳前期荷斯坦奶牛的直肠温度和呼吸频率有一定的降低，DCAB值对泌乳后期荷斯坦奶牛的直肠温度和呼吸频率无显著影响。本试验通过改变饲粮DCAB值，对奶牛直肠温度产生了一定的影响，各试验组与对照组相比，均有不同程度的降低，但差异不显著，对照组较高可能与采食量的增加有关，对照组奶牛对粗饲料采食量的增加在机体内代谢过程中将产生一部分热量［12］，这与体温的升高是否存在必然的联系，对体温的升高影响有多大还有待进一步的研究。

随着环境温度的升高，奶牛的呼吸频率加快，当环境温度低于30℃时，呼吸频率变化缓慢，30℃以上时，呼吸频率与环境温度成正比。由于气温升高，体热散发困难，奶牛主要依靠热性呼吸和发汗散热。温度从等温区上升到32℃以上时，奶牛的呼吸频率则从20次/min上升到100次/min，甚至更高［13］。在本试验中，通过改变饲粮DCAB值，对奶牛的呼吸频率产生了一定的影响，随着DCAB值的降低呼吸频率有下降的趋势，但与非热应激期相比(正常呼吸频率为18～35次/min)均出现较大程度的升高，这主要是因环境温度的升高所导致。

3.2 DCAB对热应激条件下奶牛生产性能及乳中矿物质浓度的影响

本试验的前期研究结果表明，在热应激条件下，饲粮中添加阴阳离子平衡盐时，随着DCAB值的增加产奶量有增加的趋势［12］。在热应激初期(试 验 前 30 d)，饲 粮 DCAB值 在 167～196 mEq/kg DM时，产奶量下降幅度较小;而在热应激后期(试验后30 d)，饲粮DCAB值为187～239 mEq/kg DM时，产奶量下降幅度较小;但就整个试验期而言，饲粮DCAB值为197 mEq/kg DM时，产奶量下降幅度最小。

牛乳中的矿物质主要以盐的形式存在，一部分与蛋白质结合，少量被脂肪球吸附。牛乳中盐的组成及其存在状态对牛乳的物理化学特性影响很大。总的来说离子具有维持牛乳的等电点、调节乳的渗透压以及形成酪蛋白胶粒的作用，正常牛乳中含有约 0.7%的无机盐，主要是 K、Ca、P、S、Cl及其他微量成分，其中 Na、K、Cl呈离子状态，Ca、Mg、P一部分呈溶液状态，一部分呈悬浊状态，无机成分在加工过程中对牛乳的稳定性起着重要的作用［14］。牛乳中各矿物质的浓度也是机体健康状况的一种反映，当奶牛患乳房炎时，牛乳中K的浓度有下降的趋势［8，15］。本试验结果表明，随着饲粮DCAB值的升高，牛乳中Na的浓度呈上升趋势，当DCAB值高于187 mEq/kg DM时，上升幅度较大，达到了显著水平;牛奶中Cl的浓度随着饲粮DCAB值的升高呈下降趋势，Ⅰ、Ⅱ和对照组最为明显，一般正常牛乳中 Na的浓度为 0.3～0.7 g/L，Cl的浓度为 0.8～1.4 g/L［16］，本试验结果牛乳中Na的浓度在正常范围之内，但Cl浓度偏低，这可能与饲粮中Cl的含量、气候环境等因素有关。

3.3 DCAB对热应激条件下奶牛矿物质代谢及尿液p H的影响

血清电解质在维持动物的正常代谢方面有非常重要的作用，具有多种生理功能，如维持细胞的通透性，肌肉、神经细胞的应激性，维持细胞内、外的渗透压，调节机体的酸碱平衡，组成机体组织，形成生物活性物质、酶等。它们参与机体各种生命活动。Na、K、Cl主要参与维持机体酸碱平衡、渗透压平衡，此外它们还有独特的功能，即维持瘤胃内环境的稳定，以保证微生物的生长，Na、K、Cl的浓度改变可能通过改变瘤胃内环境的理化特性来间接地影响瘤胃微生物蛋白质的合成。K在几个酶控生化反应中起着激活和辅酶的作用，而且又是牛乳的主要矿物元素之一。Sanchez等［17－18］报道，饲粮K的含量从0.66%DM基础升高以后，奶牛的DM采食量和泌乳量都有了提高，而且在热应激期间，DM采食量的降低和泌乳的需要、排汗流失［19］及维持酸碱平衡［20］都提高了 K 的需要量。Beede等［21］研究结果表明，热应激期间，饲粮K含量达到1.5%DM基础时，奶牛可获得最佳的泌乳性能。动物在遭受热应激时，由于采食量减少，Na、K的摄入量不足，同时由于唾液的大量分泌和皮肤蒸发量增加，机体代谢紊乱而使血清中的Na、K浓度降低，而影响动物机体的正常代谢活动。因此，维持细胞中Na、K、Cl的正常水平非常重要。本试验结果表明，在热应激条件下，DCAB对血清中K的浓度无显著影响，相对稳定，而尿液中K的浓度和饲粮中K的含量呈正相关。血清中Na的浓度随着DCAB值的升高呈升高的趋势，而尿液中Na的浓度和血清中Na的浓度保持一致，说明血清、尿液中Na的浓度和饲粮中Na的含量有很大的相关。血清和尿液中Cl的浓度受饲粮DCAB值影响较大，随着DCAB值的降低而呈升高趋势，Ⅲ、Ⅳ组与Ⅰ、Ⅱ和对照组相比，尿液中Cl的浓度达到了显著水平［22］，尿液当中的Cl浓度是饲粮当中Cl含量的最直接反映［10］，血液中Cl的浓度升高，与奶牛饲喂高精料饲粮体内发生轻度代谢性酸中毒有关［23－24］。

Ca是重要的代谢调节物，它可激活许多种酶，降低神经肌肉的兴奋性，降低毛细血管和膜的通透性，维持正常的肌肉收缩，维持神经冲动的正常传导等。血浆中游离的Ca的浓度必须恒定在一个极小的范围内，对于维持正常的生理活动非常重要［25－26］。动物机体具有调节血液中 Ca浓度的机制，通过控制Ca的吸收、骨中Ca的沉积和动员及由尿的排出来维持血Ca的恒定。Mg也是动物体内的重要矿物元素之一，它对缓解动物应激有重要作用。Mg的缺乏都对奶牛的生产性能产生负面影响。本试验结果表明，降低饲粮DCAB值，血清中Ca的浓度有升高的趋势，但差异不显著，同时，尿液中Ca的浓度也呈上升趋势，说明机体对Ca浓度的调节稳定在一个极小的范围之内。DCAB对血清、尿液中Mg的浓度无显著影响。一般情况下，降低奶牛尿液pH是DCAB产生调控效应的基础和前提，S、Cl离子被机体吸收后在肾脏产生相应的负电荷，机体为了维持酸碱平衡、渗透压平衡而分泌排出相应的H+，进而使尿液的pH降低［27－28］，在本试验条件下，通过改变饲粮 DCAB值，对奶牛尿液pH产生了显著的影响，随着饲粮DCAB值的降低，尿液pH呈下降趋势，且达到了显著水平，这与Hu等［29］报道的结果一致。

4 结 论

在热应激条件下添加阴阳离子平衡盐调整饲粮DCAB值在177.77 mEq/kg DM 以下时，对降低奶牛的呼吸频率、缓解热应激、增加血清Ca浓度效果较好;添加离子盐对牛乳、血清、尿液中K、Mg、P的浓度影响较小，但对Na、Cl的浓度影响较大，对改善奶牛健康起到了积极的作用。

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