冬春两季奶牛胃肠道甲烷排放量变化的研究

颜志成，谢天宇，王 荣，谭支良

（1. 湖南农业大学园艺园林学院，湖南 长沙410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙410128； 3. 内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古 呼和浩特010018；4. 湖南农业大学动物科学技术学院，湖南长沙410128）

甲烷（Methane，CH4)是一种主要的温室气体[1]，其增温潜能是CO2的20～30 倍[2]。反刍家畜每年排放甲烷约80 Tg（1 Tg=1012 g），占人类活动排放总量的33%[3]。根据《中国畜牧业统计年鉴》统计，中国2010年奶牛存栏量已高达1 420.1 万头[4]。王荣等[5]报道，2010年中国奶牛胃肠道甲烷排放总量为0.87 Tg，占反刍家畜胃肠道甲烷排放总量的13.1%，超过山羊和绵羊胃肠道甲烷排放量及其比例，成为中国反刍家畜胃肠道甲烷排放第二大来源。另外，随着居民生活水平的进一步提高，牛奶的需求量将越来越大，可以预测中国将来奶牛存栏量将会继续增加。奶牛存栏量的增长亦会直接导致奶牛胃肠道甲烷排放总量大幅度增加，因此奶牛胃肠道甲烷排放的相关研究得到科学家们的高度关注。

奶牛采食量与温度密切相关[6-7]。研究表明[8-9]，当环境温度超过25℃时，奶牛的采食量会下降；当环境温度达到30℃以上时，采食量急剧下降。奶牛在-20℃时的采食量比15 ℃左右时高约35%，当环境温度超过25 ℃时，每升高1 ℃，奶牛干物质采食量下降6%左右，奶牛在40℃时的采食量比在20 ℃时的采食量下降60%左右。另外，采食量也是影响甲烷排放的关键因素[10]。湖南地区冬春两季的温度变化明显[11]，这可能影响奶牛采食量和胃肠道甲烷排放。因此，本试验研究冬季和春季奶牛胃肠道甲烷排放的状况，以揭示奶牛胃肠道甲烷排放的季节变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验地点位于湖南望城白箬铺奶牛饲养牧场。试验分为冬季（2013年12月～2014年1月）和春季（2014年2月～2014年3月）两个试验期，每个试验期选取相同的中国荷斯坦奶牛28 头，其中犊牛4 头、青年牛12 头和泌乳牛12 头。试验期的喂料时间为上午5:30，下午16:00，自由饮水，精饲料饲喂量为体重的1%，粗饲料自由采食，每天记录采食量。泌乳牛的挤奶时间为上午6:00 和下午17:00，机械挤奶，记录试验期的日产奶量，自由饮水。

1.2 试验日粮

试验日粮的粗料为稻草，犊牛、青年牛和泌乳牛的精饲料分别为普瑞纳小牛精料补充料1216、干乳期精料补充料1512 和普瑞纳奶牛精料补充料1812。四分法采集饲料样品用于实验室分析粗蛋白（CP）、饲料总能（GE）、酸性洗涤纤维（ADF）以及中性洗涤纤维（NDF）等[12]（详见表1）。

表1 饲料营养成分

1.3 奶牛胃肠道甲烷测定方法

奶牛呼吸代谢室大小为12 m3，气体流速约为190 m3/h。参考Storm 等[13]呼吸代谢室法测定奶牛胃肠道甲烷排放的方法，将试验牛和饲料放入呼吸代谢室，进行连续48 h 密闭采样。采集气体样本时使用50 m L注射器，每隔15 m in 在气体收集盒中吸取30 m L 气体注入10 m L 真空瓶中保存，48 h 内在气相色谱（安捷伦7 890 A）测定样本气体中甲烷浓度，根据甲烷浓度气体流速计算胃肠道甲烷排放量(g/d)，计算公式参考Storm 等[13]。奶牛胃肠甲烷能（MJ/d）和甲烷量（g/d）分别由标准状态下的甲烷燃烧值39.76 kJ/L 和密度0.717 g/L 换算，甲烷能和甲烷量之间用甲烷能量含量（55.65 g/d）换算。甲烷排放因子计算公式如下：

式中EF 表示甲烷排放因子[甲烷单位：kg/（头·年）]，GEI 表示总能量摄取[甲烷单位：MJ/（头·日）]，Ym 表示甲烷转化因子，饲料中总能转化为甲烷的百分比。

1.4 数据统计方法

试验数据用Excel 初步记录并做简单处理，然后采用SPSS 12.0 软件对数据利用一般线性模型（GLM）程序进行方差（ANOVA）分析。P<0.05 时，差异显著。

2 结果与分析

从表2 可知，犊牛在冬季和春季的平均代谢体重分别为30.0 kg 和34.1 kg，差异不显著；干物质采食量分别为2.55 kg/d 和2.48 kg/d，差异不显著。其他指标项如酸性洗涤纤维摄入量、中性洗涤纤维摄入量、粗蛋白摄入量、总能量摄取量、胃肠道甲烷排放量、甲烷排放因子和甲烷转化因子在冬春两季之间的差异也不显著。这可能是因犊牛在冬春两季的干物质采食量变化不大而形成的结果。

表2 冬季和春季犊牛体重、采食和胃肠道甲烷排放量

从表3 可知，青年牛在冬季和春季的平均代谢体重分别为60.2 kg 和64.2 kg，差异不显著；干物质采食量分别为6.08 kg/d 和4.39 kg/d，差异显著（P<0.05)；酸性洗涤纤维摄入量分别为1.71 kg/d 和0.83 kg/d，差异显著 (P<0.05)；总能量摄取量分别为141 g/d 和123MJ/d，差异显著(P<0.05) ；甲烷排放因子分别为6.10[kg /(头·年)]和7.81[kg /(头·年)]，差异显著(P<0.05)；甲烷转化因子分别为4.32%和6.24%，差异显著（P<0.05）；中性洗涤纤维摄入量、粗蛋白摄入量和胃肠道甲烷排放量，差异不显著。在反刍动物的日粮中，干物质主要由粗纤维和粗蛋白组成。其中，粗纤维的主要参考指标是中性洗涤纤维（中性洗涤纤维包含纤维素、木质素、不溶性灰分和半纤维素；酸性洗涤纤维包括纤维素、木质素和不溶灰分；在组成上中性洗涤纤维可粗略认为包含酸性洗涤纤维；二者在测定方法上有所不同，故同列于表中）。所有采食量指标中，中性洗涤纤维摄入量和粗蛋白差异均不显著，而干物质采食量差异显著，故干物质采食量是引起酸性洗涤纤维摄入量变化的主要因素。青年牛采食的干物质能量主要包括总能量摄取量与因甲烷排放损失的能量。在胃肠道甲烷排放量无差异的情况下，干物质采食量与总能量摄取量差异显著。这说明干物质采食量是引起总能量摄取量变化的主要因素。另外，采食量是影响甲烷排放量变化的主要因素[16-18]，甲烷排放因子与甲烷转化因子是甲烷排放量的主要参数。在干物质采食量差异显著的情况下，甲烷排放因子与甲烷转化因子差异显著而甲烷排放量差异不显著。这说明干物质采食量是引起甲烷排放因子与甲烷转化因子变化的主要因素。综上所述可知：干物质采食量是引起酸性洗涤纤维摄入量、总能量摄取量、甲烷排放因子和甲烷转化因子变化的主要因素。

表3 冬季和春季青年牛体重、采食和胃肠道甲烷排放量

从表4 可知，泌乳牛在冬季和春季的平均代谢体重分别为103 kg 和104 kg，差异不显著；产奶量分别为15.8 kg/d 和12.2 kg/d，差异不显著。干物质采食量、酸性洗涤纤维摄入量、中性洗涤纤维摄入量、粗蛋白摄入量和总能量摄取量，差异不显著。胃肠道甲烷排放量分别为249 g/d 和363 g/d，差异显著 (P<0.05)。甲烷排放因子分别为13.9 kg/（头·年）和20.2 kg/（头·年），差异显著(P< 0.05)，甲烷转化因子分别为4.26%和5.74%，差异显著（P<0.05)。采食量是影响甲烷排放量的主要因素。产奶牛在冬春两季所有采食量指标、能量摄入量、产奶量差异不显著，而甲烷排放量差异显著且春季高于冬季，这说明产奶牛春季摄入饲料转化成甲烷的甲烷转化因子显著高于冬季；另外，甲烷排放因子与甲烷转化因子成正相关关系，故春季的甲烷排放因子将显著高于冬季，这些推断结果与本试验的试验数据结果一致。

表4 冬季和春季泌乳牛体重、产奶量、采食和胃肠道甲烷排放量

从图1 和2 可以看出，随干物质采食量的增加，胃肠道甲烷排放量随着增加。将冬春两季奶牛干物质采食量和胃肠道甲烷排放量建立回归方程，冬季奶牛干物质采食量与其胃肠道甲烷排放量存在如下回归关系：Y=17.04 X+11.11（R2=0.902，P<0.000 1，n=28）。春季奶牛干物质采食量与胃肠道甲烷排放量存在如下回归关系：Y=22.36 X+30.76（R2=0.892，P<0.000 1，n=28）。上述结果表明，干物质采食量是影响甲烷排放量的主要因素，这也验证了前人的研究结果——采食量是影响甲烷排放量的主要因素。

相同日粮模式下，处于不同季节的奶牛，其在不同温度条件下能量消耗和营养需要不同，导致干物质采食量亦会有所不同。黄峰等[19]在不同季节对（环境温度）奶牛干物质采食量变化的研究中发现，春季（25.6 ℃）奶牛的干物质采食量最大,冬季（18.0 ℃）次之。陈喜斌等[20]报道生长期萨能山羊5 ℃的干物质采食量低于18 ℃。许贵善等[21]发现青海绵羊在夏季、秋季和冬春季干物质采食量存在极显著差异（P<0.01），其中夏季干物质采食量最高，而冬春季干物质采食量最低。本试验中，青年牛冬季干物质采食量显著高于春季，而犊牛和泌乳奶牛两季节干物质采食量差异不显著。湖南望城白箬铺奶牛饲养牧场平均气温冬季为5.8 ℃，春季为18.0 ℃，相比犊牛和泌乳奶牛，季节温度对湖南地区青年牛干物质采食量影响更大。另外，丁耿芝等[22]报道，不同季节反刍动物接受日照时间的长短也会影响采食量，日照时间越长，食欲越强，干物质采食量越高。

图1 冬季奶牛摄入量和胃肠道甲烷排放量的回归关系

图2 春季奶牛摄入量和胃肠道甲烷排放量的回归关系

采食量是影响甲烷排放的最主要因素之一。赵一广[23]对肉用绵羊甲烷排放的研究发现，肉用绵羊的甲烷排放量与日粮干物质采食量之间存在显著线性正相关关系（P<0.01）。Yan 等[24]通过测定299 头泌乳期和16 头干奶期荷斯坦奶牛甲烷排放的结果发现，甲烷排放量与干物质采食量有明显的正相关性（R2=0.75）。这些结果说明，家畜胃肠道甲烷排放量随着采食量的增加而增加。在本试验中，青年牛冬季干物质采食量显著高于春季，犊牛和泌乳奶牛冬季和春季的干物质采食量差异不明显。可以预测，青年牛冬季奶牛胃肠道甲烷排放高于春季，而犊牛与泌乳奶牛两季节奶牛胃肠道甲烷排放无显著差异。但本研究结果与预测不一致，三个生长期奶牛春季甲烷排放一致高于冬季。这说明，本试验中的季节因素并不是主要通过影响奶牛干物质采食量进而影响奶牛胃肠道甲烷排放，奶牛胃肠道甲烷排放还受甲烷转化因子的影响，三个生长期奶牛春季的甲烷转化因子高于冬季。

春季奶牛胃肠道甲烷转化因子高于冬季可能是由于冬春两季的温度差异影响奶牛消化方式和瘤胃发酵类型进而影响能量转化效率所致。王丽凤[25]报道，低温可提高日粮在反刍动物瘤胃的流通速率，而使其甲烷产量降低。游玉波[26]报道，高温与低温相比，瘤胃总挥发性脂肪酸的总浓度显著下降，乙酸比例增加，丙酸和丁酸比例减小。孙斌[27]等报道，在不同季节，奶牛夏季胃肠道甲烷排放量最多，冬季排放量最少，且随着环境温度的降低，瘤胃发酵更趋于丙酸发酵，甲烷产量下降。

奶牛采食量和胃肠道甲烷排放量的回归关系图中的斜率为单位采食量的胃肠道甲烷排放。冬季和春季干物质采食量的胃肠道甲烷排放分别为17.04 g/kg（0.95 MJ/kg）和22.46 g/kg（1.25 M J/kg）。该结果同样说明，奶牛春季胃肠道甲烷排放的转化效率高于冬季。M ills 等[14]在奶牛甲烷排放估算模型中的干物质采食量的胃肠道甲烷排放为0.92 MJ/kg，明显低于本试验结果。M ills 的模型是基于11个试验、43 头泌乳奶牛数据库建立的，其平均粗饲料比例（54%）明显高于本试验，可能是由于本试验牛场饲养水平偏低，尤其粗饲料稻草的质量过低、适口性较差，导致粗饲料采食量偏低，而高比例精饲料会在瘤胃中快速发酵，导致较高的单位干物质采食量的甲烷排放量增大。

3 结论与讨论

（1）冬春两季显著影响奶牛胃肠道甲烷排放，这可能是因冬春两季的温度和光照时间等因素引起。相比冬季，春季奶牛甲烷转化因子较高，导致其胃肠道甲烷排放显著提高。

（2）春季甲烷转化因子显著高于冬季，这可能是因季节影响奶牛对日粮的消化利用和瘤胃发酵方式和日粮能量利用效率。

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