饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量、营养物质表观消化率及生产性能的影响

■王 贝 李斌昌 董利锋 许贵善 贾梦可 侯长乐 刁其玉*

（1.中国农业科学院饲料研究所，北京100081；2.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300）

甲烷是导致全球变暖的主要温室气体之一，排放总量低于CO2，等体积甲烷的温室效应是CO2的20～25倍[1]。反刍动物甲烷年排放量约8.0×107t（Kebreab 等2008），占人为甲烷总排放量的33%，其中牛和羊是最大的排放源。而反刍动物瘤胃甲烷排放量占全肠道排放总量的94%，后肠道发酵产生的甲烷仅占6%[2]。因此，减少甲烷能损失可降低摄入总能损失，科学合理的甲烷减排技术是持续缓解反刍动物甲烷排放的关键。郭雪峰等[3]、樊霞等[4]使用SF6示踪法分别测定了内蒙古白绒山羊和肉牛的甲烷产量。大量研究证明，SF6示踪法可快速测定反刍动物甲烷产量。然而鲜有针对于泌乳中期奶牛甲烷排放量的报道。泌乳中期的奶牛，正处于妊娠早期，奶牛食欲旺盛，所摄入的营养足以支持产奶需要和维持体重，但因受内分泌的影响，产奶量开始逐渐下降。这时应维持奶牛饲养水平，保持泌乳量平稳。试验通过营养性调控减少甲烷排放，提高能量利用率，从而达到有效持续缓解反刍动物甲烷排放的目的。本试验通过调整饲粮配方，采用SF6示踪法测定泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量，旨在为泌乳奶牛甲烷减排，环境保护和建立我国反刍动物甲烷排数据库提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

试验于2018年11月15日至12月24日在北京市房山区琉璃河镇赵营村某奶牛场进行。

1.2 试验设计

试验选用处于泌乳中期，产奶量中等偏低的12头健康荷斯坦奶牛，月龄（41.16±2.85）月、体重（649.54±18.44）kg、胎次（1.42±0.15）胎、泌乳天数（170.08±19.04）d、产奶量（18.46±0.89）kg/d，随机分配到3组，每组4头。饲养试验进行28 d，包括14 d预饲期和14 d 正试期。在正试期的1～6 d 进行气体代谢试验，采用SF6示踪技术测定瘤胃甲烷排放量；第7～10 d进行消化代谢试验，采集TMR样品和粪样；第11～13 d采集牛奶样品；第14 d在晨饲3 h后通过口腔采集瘤胃液样品，用于后期测定挥发性脂肪酸及铵态氮。

1.3 试验饲粮及饲养管理

试验分为3 个处理组，即NDF/NFC 分别为1.44（低NDF组，简称低组）、1.65（中NDF组，简称中组）和1.82（高NDF组，简称高组）。其中高NDF组饲粮为试验牧场饲喂经典饲粮。在试验前3 d连续记录试验牛产奶量。试验全期采用TMR 饲喂，每天2 次，分别在每天07：00和19：00饲喂，整个试验期内记录试验奶牛的采食量及剩料量。每天06：30 和18：30 采用管道式挤奶机挤奶2 次，散栏饲养，自由饮水。每天按时观察奶牛的健康及精神状况，包括采食、反刍、粪尿、乳房炎以及蹄病发病状况并做好记录。饲粮组成及营养水平见表1。试验期内平均全天最高温度9 ℃，最低温度-6 ℃，平均温度1.5 ℃；最高湿度66%，最低湿度21%，平均湿度43.5%。圈舍悬挂舔砖，每周六消毒1次，所有参试奶牛的饲养环境、饲喂方式、饲粮和饲喂程序均保持一致。

1.4 样品采集与分析

1.4.1 SF6示踪技术

SF6示踪技术，最早用于研究牛在自由放牧时的能量代谢，又称为甲烷无干扰测定技术，其原理是将已知渗透速率的SF6渗透管投入待测动物瘤胃内，SF6与甲烷具有类似的物理性质，可随动物呼吸和嗳气一起排出体外，在测得采样器内SF6与甲烷的浓度后，根据已知的SF6释放速率，即可推算出甲烷的排放速率。SF6示踪技术对于个体动物和群体动物都适用，其最大的优点是使试验动物活动不受限制，可直接测定生产条件下动物的甲烷排放量，并在圈养和放牧条件下都适用，取样测试方便。缺点是，SF6气体也是一种温室气体，尽管当前用于试验研究释放的SF6远低于其他排放源，但在使用过程中还是应当合理控制SF6排放量。Johnson（1994）等通过大量试验证明，SF6气体对反刍动物和瘤胃内微生物均没有毒害作用，同时也不参与动物体和微生物代谢，也不与瘤胃内其他物质发生化学反应。

试验采用SF6示踪技术测定泌乳中期奶牛瘤胃发酵甲烷排放量。在预饲期的第12 d 将渗透管使用兽用投药枪投入试验奶牛瘤胃内，同时将气体采集管路支持装置和集气罐支持垫佩戴于奶牛头部和背部，以备适应。于正试期的第1～6 d对奶牛口鼻周围气体进行收集，气体样品连续收集24 h，时间为每天08：00至次日08：00。集气罐在使用前检漏，并抽至约-100 KPa，采气后集气罐的剩余压力在-40 KPa 以上表明采样成功。测定时将高纯氮气充入集气罐使其为正压，压力约为120 KPa。

气相色谱仪器准备和测定条件[4-5]：试验所用到的气相色谱仪（上分GC-126）配备FID 和ECD 检测器，可一次进样同时测定CH4和SF6；载气为高纯氮气，流量40 ml/min；燃气为高纯氢气，流量为30 ml/min；助燃气为干燥压缩空气；色谱柱温40 ℃；进样口温度150.0 ℃；FID 检测器温度150.0 ℃；ECD 检测器温度300.0 ℃；SF6标准气（标准气体，北京海普气体有限公司，北京）浓度为6.518×10-8g/m3（即0.01 ppb）SF6和7.14×10-3g/m3（即10 ppm）CH4，填充气为高纯氮气，SF6采用单点校正法进行标定；将气体样品经过装有定量阀的进样器进样，重复进样3 次以上，峰面积偏差小于5% 时取平均值作为有效峰面积，套入标准曲线取对应浓度值。并通过以下公式计算泌乳奶牛CH4产量：

式中：CH4为泌乳奶牛甲烷排放量(g/d)；SF6为渗透管的渗透速率(mg/d)；CH4(样品)和CH4(背景)分别为泌乳奶牛样品和背景中的CH4浓度，单位为ppm(注：1 ppm CH4=7.14×10-4g/m3CH4)；SF6(样品)和SF6(背景)分别为泌乳奶牛样品和背景中的气体浓度，单位为ppt(注：1 ppt SF6=6.518×10-9g/m3SF6)；16.04 和146.06 分别是CH4和SF6的分子量。

1.4.2 消化代谢试验

1.4.2.1 营养物质消化率

采用酸不溶灰分法（4N-AIA）测定营养物质消化率。在正试期内每天记录投料量和剩料量，计算干物质采食量（DMI）。在正试期连续3 d采集各组TMR饲料样，将各组饲料样分别混合均匀后四分法缩样，各取500 g，密封于自封袋中-20 ℃冷冻保存待测。在正试期的第7～10 d采用直肠取粪法连续收集粪样16次，每头牛每次收集粪样100 g，采样时间点分别为第7 d的7：00、11：00、15：00、19：00，第8 d 的8：00、12：00、16：00、20：00，第9 d 的9：00、13：00、17：00、21：00，第10 d 的10：00、14：00、18：00、22：00。每次取粪后按照每100 g鲜样加10 ml 10%盐酸固氮，混匀后密封于自封袋中-20 ℃冷冻保存待测。将采集的饲料样置于105 ℃15 min 灭酶活后，与粪样分别在65 ℃烘干48 h，回潮24 h后称重，粉碎过40目筛后制成分析样品保存待测。

TMR样和粪样中常规营养成分的测定方法：总能（GE）使用Parr-6400全自动氧弹量热仪（北京东方圣隆达科技有限公司，美国）测定；粗蛋白质（CP）含量使用KjeltecTMSampler 8420 全自动凯氏定氮仪（FOSS，苏州安创仪器有限公司，丹麦）测定；粗脂肪（EE）含量使用ANKOMXT15全自动脂肪仪（南京瑶恩仪器设备有限公司，美国）测定；DM、NDF、ADF、Ash 含量指标参照《饲料分析及饲料质量检测技术》测定[6]；由于部分饲粮所含精料比例较高，NDF和ADF采用熊本海等[7]及Van Soest 等[8]报道的方法，用胃蛋白酶（Pepsin P7000, Sigma-Aldrich Co. LLC., USA）、热稳定α-淀粉酶（α-Amylase A4551, Sigma-Aldrich Co. LLC., USA）预先对饲料样品酶解处理，再用中性洗涤剂和酸性洗涤剂进行洗涤；同时使用4N-AIA 法测定饲料和粪中酸不溶灰分含量计算各营养物质的表观消化率，计算方法参照Zhong等[9]的公式：

1.4.2.2 产奶量及乳成分

试验开始前3 d 准确记录奶牛初始产奶量，正试期每天记录每头奶牛产奶量。计算试验期间的平均日产奶量。在正试期结束前连续3 d 按照早晚1∶1 的比例取奶样，取样量为每天50 ml，奶样添加万分之六重铬酸钾用作防腐剂，4 ℃保存用于测定乳脂率、乳蛋白率、乳糖率和体细胞数。待奶样采集完毕后及时送至北京奶牛中心乳品质量检验站进行检测。产奶净能和奶牛能量单位通过以下公式计算：

产奶净能NEL（MJ/kg）=0.550 1×消化能（MJ/kg）-0.395 8

消化能（MJ/kg）=GE（MJ/kg）×能量消化率（%）

奶牛能量单位(NND/kg)=NEL(MJ/kg)/3 138×1 000

代谢能（MJ/kg）=GE（MJ/kg）×表观消化率（%）×0.82

4%标准奶量（FCM，kg）=M×（0.4+0.15×F）

式中：M——乳脂率为F的牛奶量(kg)；

F——牛奶的实际乳脂率(%)。

1.5 统计与分析

试验数据采用Excel 2016进行初步整理后，采用SPSS 20.0软件中one-way ANOVA模型进行单因素方差分析和方差齐性检验，差异显著时用Duncan's法进行各组间多重比较，P＜0.05 为差异显著，P＜0.01 为差异极显著，0.05＜P＜0.10为存在差异趋势。

2 结果与分析

2.1 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响

表2 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响

由表2 可知，泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量、甲烷能、甲烷/代谢体重、甲烷/干物质采食量、甲烷/有机物采食量、甲烷/精料采食量、甲烷/粗料采食量、甲烷/NDF 采食量、甲烷/ADF 采食量、甲烷能/总能摄入量、甲烷能/产奶净能、甲烷能/代谢能、甲烷能/消化能在3 个处理组间均有极显著差异（P＜0.01）；低组、中组甲烷/产奶量极显著低于高组（P＜0.01）；低组甲烷/标准乳量显著低于高组（P＜0.05）。

2.2 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛营养物质表观消化率的影响

表3 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛营养物质表观消化率的影响(%)

由表3 可知，低、中、高3 组饲粮总能分别为18.28、18.21、18.14 MJ/kg，表 观 消 化 率 依 次 为87.34%、83.17%、81.30%；DM、GE、CP、EE、NDF、ADF、OM 表观消化率在3 组间均差异不显著（P＞0.05）；低NDF 组NFC 的表观消化率显著高于高NFF 组（P＜0.05）。

2.3 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛生产性能和饲料

转化率的影响

2.3.1 产奶量低、中、高3组在试验期内产奶量无显著差异（P＞0.05），4%校正乳也无显著差异（P＞0.05）。单位总能摄入量的标准乳产量在数值相当，3 组间无显著差异（P＞0.05）。

2.3.2 饲料转化效率和日增重

表4 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛生产性能的影响

从表4 可知，低组和中组的饲料转化率在数值上相当，低组较高组提高了13.16%，3 组间差异不显著（P＞0.05）；日增重在3 组间差异不显著（P＞0.05），低组较高组提高了32.08%，3 组间差异不显著（P＞0.05）。

2.3.3 乳成分

表5 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛乳成分的影响

由表5可以看出，各试验组间乳脂率、乳蛋白率、乳糖率、乳脂总量、乳蛋白总量在三组间均无显著差异（P＞0.05）。乳糖总量随着饲粮NDF/NFC 的提高而呈降低趋势（0.05＜P＜0.10）。

3 讨论

3.1 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛瘤胃甲烷排放量的影响

瘤胃微生物能将碳水化合物和纤维物质转化为可为反刍动物消化利用的挥发性脂肪酸，同时在发酵过程中产生大量二氧化碳、氢气和甲烷。甲烷菌通过利用二氧化碳和氢合成甲烷从而降低瘤胃氢分压，维持瘤胃正常pH值，提高纤维分解菌的发酵能。因此，甲烷菌的存在有益于纤维分解菌。饲粮NDF/NFC 的降低，有利于丙酸发酵，降低瘤胃pH 值，从而影响纤维分解菌和甲烷菌的活性，降低甲烷排放量。饲粮NDF的升高，使奶牛食入更多高纤维含量的细胞壁和更少的可溶性碳水化合物，发酵产生较高乙酸/丙酸，导致较高的甲烷排放量。大量研究表明，甲烷产量与乙酸、乙酸丙酸比例呈正相关关系，与丙酸呈负相关关系。

Lovett 等[10]研究发现随着精料比例的升高，单位活体和胴体增重的甲烷产量极显著的降低。Lovett等[11]的结果显示，高精料组显著提高了泌乳奶牛干物质采食量和产奶量，单位标准乳的甲烷产量随着精料比例的增加呈下降趋势。Hindrichsen 等[12]研究发现，产奶量为20 kg/d的泌乳牛全粗料饲粮中的50%替换为精饲料后，胃肠道甲烷产量降低了18%。樊霞等[4]的研究结果表明，肉牛甲烷排放量随着粗饲料稻草的增加而增加。本试验中奶牛甲烷排放量随着饲粮NDF 水平的升高而显著升高，与上述研究结果相一致。

反刍动物干物质采食量与甲烷产生量呈正相关关系。高采食量增加了瘤胃食糜的流通速率，底物与瘤胃微生物的作用时间减少，瘤胃微生物数量和发酵模式发生改变，可降低甲烷排放量。本试验中，随着饲粮NDF 水平的降低，试验牛采食量由11.59 kg/d 增加至15.30 kg/d，甲烷排放量由399.80 g/d 降低至260.95 g/d，对应的干物质采食量的甲烷排放量也由34.50 g/(kg·d)降低至17.06 g/(kg·d)。Benchaar 等[13]研究了4 种不同干物质采食水平对瘤胃甲烷产量的影响，结果发现，甲烷能释放量随干物质采食量的增加而增加，而单位总能摄入量的甲烷能呈下降趋势。郭雪峰等[3]研究发现甲烷排放量与干物质采食量呈正相关关系。

3.2 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛营养物质表观消化率的影响

饲粮精料比例的降低，相应NDF 水平升高，会引起奶牛采食量的相对增加，同时缩短了饲料在瘤胃中的降解时间，加快食糜在胃肠道的流通速度，减少微生物与食糜的作用时间，降低瘤胃发酵程度，导致了营养物质表观消化率的降低，而瘤胃微生物则需要能量来进行自身的营养和繁殖，从而导致饲粮总能利用减少[14]。饲粮NFC 浓度的增加，有利于分解蛋白质、淀粉的优势菌群的增加，提高微生物的发酵速率，从而提高饲粮能量利用率。易学武等[15]的研究结果表明，奶牛DM、CP、OM、NDF、ADF、Ca、TP 的表观消化率均随着饲粮精粗比的增加而显著增加。本试验中各组营养物质表观消化率随饲粮NDF 水平的升高而降低，其中NFC 的消化率在3 组间差异显著，这与史仁煌等[16]、Tjardes[17]的研究结果一致。

3.3 饲粮NDF/NFC对泌乳中期奶牛生产性能和饲料转化率的影响

瘤胃微生物利用饲料供能将含氮物质合成微生物蛋白，微生物蛋白是反刍动物获取蛋白的重要来源，也是乳蛋白合成的主要来源。张林等[18]认为，饲粮NDF/NFC 水平的升高会降低能量的供应速率，不利于微生物充分利用氮源，进而影响微生物蛋白和乳蛋白的合成。Lykkesfeldt 等[19]、Turk等[20]认为，泌乳奶牛长期产奶容易造成机体损伤，导致机体免疫力下降、患病率升高。饲粮NFC 为易发酵碳水化合物，在瘤胃中可被微生物快速降解为VFA，为反刍动物的维持和生产提供能量。Broderick 等[21]、Penner 等[22]研究发现高NFC饲粮可提高奶牛干物质采食量，进而发挥奶牛高产性能。Overton等[23]研究发现，高NFC饲粮能显著改善奶牛机体新陈代谢，提高奶牛干物质采食量和产奶量。

随着饲粮NDF/NFC 的降低，饲粮中能量水平和蛋白含量增加，血糖浓度升高且生糖氨基酸浓度也升高，这些都促使奶牛的产奶量和乳蛋白率的增加。本试验中乳脂率及其总量、乳蛋白率及其总量、乳糖率及其总量在3组间均无显著差异，但随着精料比例的增加，有增加的趋势，这种差异主要是由干物质采食量和产奶量的不同所造成的，干物质采食量决定了奶牛用于维持和生产的养分供给量。本试验中干物质采食量、产奶量的变化规律一致，均随着饲粮NDF 水平的升高而下降，这与张小丽等（2006）、汪水平等（2007）、温嘉琪等（2014）、朱芬花等（2017）的研究结果一致。

4 结论

在本试验条件下得出如下结论：

①饲粮NDF/NFC能极显著影响泌乳中期奶牛甲烷排放量和单位代谢体重的甲烷排放量。

②饲粮NDF/NFC 在1.44 到1.82 之间，对泌乳中期奶牛营养物质表观消化率无显著性影响，但随着饲粮NDF/NFC 的下降，营养物质表观消化率呈升高趋势，其中NFC的消化率显著升高。

③饲粮NDF/NFC 在1.44 到1.82 之间，对泌乳中期奶牛生产性能和日增重无显著性影响。