日粮不同精粗比对9月龄后备奶牛甲烷排放与生长性能及营养物质消化率的影响

■李斌昌 董利锋 王 贝， 叶疆凤 王睿鑫 成述儒 刁其玉

(1.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃兰州730070；2.中国农业科学院饲料研究所农业部饲料生物技术重点实验室反刍动物及其幼畜营养代谢中美联合研究中心，北京100081；3.塔里木大学动物科学学院，新疆阿拉尔843300；4.河南科技大学动物科技学院，河南洛阳471000)

随着社会经济的发展，温室气体排放量的增加，而温室气体增加使全球变暖对人类生活的影响已越来越大。2005 年我国温室气体净排放总量为70.46 亿吨二氧化碳当量，其中甲烷所占比重为13.25%，农业生产中产生的甲烷占总CH4产量的56.62%，而反刍动物排放的CH4在农业中占57.13%[1]。反刍动物排放甲烷造成温室气体增加的同时也使得饲料的能量(2%～12%)损失[2]，而奶牛损失的甲烷能可达6%～10%[3]。反刍动物CH4排放与饲料营养成分、日粮结构和瘤胃微生物的组成密切有关，改变日粮的精粗比、日粮组成、瘤胃微生物以及添加外源调控剂等都可影响CH4的生成。相关研究表明，饲料的类型和日粮NFC/NDF 可显著影响瘤胃甲烷排放[4]。李岚捷等[5]给3～6 月龄肉犊牛饲喂不同NFC/NDF 的全混合日粮，发现NFC/NDF 最高组的甲烷能最低，CH4排放量最少，适当的增加精料可以有效减少CH4排放[6-8]。目前，国内在室外条件下，对荷斯坦后备牛甲烷排放的研究还是空白。因此本试验借助SF6示踪技术，主要研究在自由采食的条件下，不同精粗比日粮对9 月龄荷斯坦后备牛CH4排放、生长性能和营养物质表观消化率的影响，得出9 月龄荷斯坦后备奶牛的相关CH4排放因子，为国家温室气体计算提供部分数据支持，并为CH4减排提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点与时间

2018年6月至7月在北京市房山区中加永宏奶牛场完成。

1.2 试验动物和试验设计

选用15 头[BW=(274.4±24.4) kg，月龄=9.4±0.56]健康的中国荷斯坦后备奶牛，根据月龄、体重相近的原则随机分成低精料组（A）、中精料组（B）和高精料组（C），依次饲喂精料水平为30%、40%和50%的全混合日粮（TMR）。A 组饲喂牧场日常日粮，B、C 饲喂试验配置日粮。各组日粮根据NRC（2001）[9]配制，配方和营养成分见表1。

试验期18 d(预饲期10 d，正试期8 d)，正试期第3 d开始气体代谢试验（共6 d）。

1.3 饲养管理

试验牛空腹称重，驱虫后，随机分为三组进行饲养。自由采食、自由饮水，每天于8：00 和17：00 饲喂，每天16：00 清槽，投喂的干物质按体重的3.5%供应TMR，每天剩料占总投料量的5%～10%，隔3 d清理1次水槽和粪污。

1.4 SF6测定技术及方法

1.4.1 渗透管的制备

渗透管（北京环科易成科技有限公司生产）由渗透管体、密封螺母、渗透膜、密封垫和支持垫五部分组成；其规格为外径6.21 mm、内径3.77 mm、高度45 mm。在制作渗透管时首先把支持垫、渗透膜、密封垫依次放入密封螺母，再把密封螺母安装渗透管体上，然后使用0.000 1 g 精度的天平称重，记为空管重（W1）。

表1 试验饲粮组成及营养水平（干物质基础）

渗透管装填SF6气体的原理是：在低温条件下，SF6气体会变为固态。首先将渗透管体侵入液氮（-196 ℃）中冷却约10 min，使用150 ml注射器（市场购买）分3 次向管体中打入450 ml 的SF6气体（99.99%），然后迅速用钳子拿出渗透管体并固定在卡槽上，使用专用扭矩扳手（扭力为5 N）拧紧密封螺母，待渗透管温度和常温相近，管体上没有水珠，质量恒定时，使用0.000 1 g 精度的天平称量渗透管重（W2）。W2-W1为渗透管装填SF6的质量。

将装填好SF6气体的渗透管放入39 ℃恒温的生化培养箱中，并通入氮气（40 ml/min），以模拟反刍动物瘤胃环境。每隔5 d 使用0.000 1 g 精度的天平对渗透管称重一次，连续称重60 d，并记录其管重数据变化。对渗透管的质量变化与时间（天/d）进行线性回归分析，得出回归方程的斜率即为渗透管SF6释放速率（mg/d）。

1.4.2 采气设备的制备

采气管路由连接管、毛细钢管、过滤器、快速接头A、快速接头B 五部分组成。这些部件均采购自美国Swaglok 公司。由连接管依次连接过滤器、快速接头A。在过滤器出气端连接一个35 mm 长毛细钢管控制采气速率，通过专用钳子夹毛细钢管，使毛细钢管在一个大气压下的气体流速达到指定值（0.45 ml/min）。

集气罐（自行设计委托生产）为不锈钢材质半径均匀有底的圆筒，规格：半径（r）=8 cm、高（h）=25 cm。进气口与长150 mm、外径3.5 mm、内径2 mm 的不锈钢材质的圆筒一端连接，圆筒的另一端与快速接头B连接，快速接头B 和快速接头A 可以快速连接取开，便于集气罐的更换。

背垫（自行设计委托生产）是由帆布制成，四个角连接有尼龙带。规格：宽70 cm、长150 cm、尼龙带长120 cm。根据集气罐的大小设计了两个以帆布为材质的袋子（带拉链，便于更换集气罐），分别固定于背垫两侧的中间。

1.4.3 相关气体的来源

SF6纯气（99.99%）、SF6标准气（5×10-5cm3/m3）、CH4标准气（20 cm3/m3）（采购自北京氦普北分气体工业有限公司）；高纯氮气（99.999%）（采购自北京利合成泰气体有限公司）。

1.4.4 气体样品的采集

预饲期第4 d投喂渗透管（渗透管内SF6气体剩余量≥400 mg、渗透速率≥2.5 mg/d），给予9 d 的稳定期[11]。在正饲期第1 d 给试验牛绑定背垫，笼头和采气管路，并给予2 d的适应期。

正试期采集气体样品，采气前先将集气罐用高纯氮气（99.999%）冲洗3 遍，并用真空泵抽真空（P≤-98 kPa）。每天早晨9：00 给每头试验牛安装集气罐开始采气，到次日早晨9：00取下并更换新的集气罐，同时测定集气罐收气后的剩余压力（-60 kPa≤P≤-50 kPa）是否在规定压力范围内。每头试验牛至少有4个气体样品。背景气体的收集为从每个试验组中随机选取一头牛多安装一个集气罐，其进气口朝向与牛体向相反，安装和取下的时间同上。气体收集成功的集气罐填充高纯氮气（99.999%），填充压力至120～125 kPa保存，待测。

1.5 饲料样和粪样的采集

1.5.1 饲料样的采集

记录正试期每天的放料量和剩料量，计算干物质采食量（DMI）；正试期第4、6 d 和8 d 采集各试验组TMR样品和剩料样品，每次采集TMR样品1 000 g，剩料样100 g，待3 次采集完混匀取1 000 g 于-20 ℃保存待测。

1.5.2 粪样的采集

选取全部试验动物，正试期第4、6 d和8 d采用直肠取粪法采集粪样，每天等时间点收集3 次，每次约100 g，采集完立即用10%的盐酸固氮处理。消化代谢试验结束后将每头牛3 d采集的粪样混合、缩样、冻存，用于营养物质表观消化率和酸不容灰分含量的测定。

1.6 样品分析

1.6.1 饲料样和粪样的测定

将采集的饲料样和粪样风干，粉碎过40目筛，依照AOAC（2000）[12]测定DM、OM、CP、EE、NDF、ADF、Ash、Ca、P 和总能（GE）。CP 含量用Ketuo KDY-9830凯氏定氮仪测定，NDF和ADF含量以ANKOM 200 Fiber Analyzer 测定，总能（GE）采用PARR-6400全自动氧弹量热仪测定，同时测定样品的DM和Ash含量，计算OM含量[12]。

样品酸不容灰分的测定参照国标（GB/T23742—2009）[13]。

营养物质表观消化率计算公式：

式中：D——某养分的消化率（%）；

a——粪中该成份含量（%）；

b——饲料中酸不容灰分含量（%）；

c——饲料中该养分含量（%）；

d——粪中酸不容灰分含量（%）。

1.6.2 生长性能的测定

在试验期第10、18 d清晨空腹称重试验牛并计算其平均日增重（ADG）和料重比（F/G）。

1.6.3 气体样品的测定

气体样品CH4浓度和SF6浓度的测定由G126 型气相色谱（上海仪电分析仪器有限公司）测定。电子捕获检测器（ECD）测定SF6浓度，氢火焰离子检测器（FID）测定CH4浓度。分析条件：色谱柱长3 m，5A分子筛（60～80）；柱箱40 ℃，FID 150 ℃，ECD 300 ℃；氢气30 ml/min，氮气60 ml/min；CH4标准气20 cm3/m3，SF6标准气5×10-5cm3/m3。进样量由定量环控制。甲烷产量计算公式如下：

式中：QCH4——甲烷排放量(g/d)；

QSF6——渗透管SF6渗透速率(mg/d)；

QCH4样品和QCH4背景——分别为样品气体和背景气体中的CH4(cm3/m3)；

QSF6样品和QSF6背景——分别为样品气体和背景气体中SF6浓度(1×10-6cm3/m3)；

16.04和146.06——分别是CH4和SF6的分子量。

1.7 数据处理

试验数据用Excel2016 初步处理，数据统计分析采用SAS 9.1 的单因素方差分析（one-way ANOVA），进行显著性检验，差异显著时用Duncan's法进行多重比较。P＜0.05为差异显著，P在0.05～0.10之间为有提高或降低的趋势。

2 结果与分析

2.1 不同精粗比对9月龄后备奶牛甲烷排放量的影响

表2 不同精粗比对后备奶牛甲烷排放量的影响

由表2 可知，随着日粮精粗比增加，DMI 显著增高（P＜0.05），CH4日排放量、单位代谢体重CH4排放量、单位DMI 甲烷排放量、单位有机物采食量CH4排放量、单位中性洗涤纤维采食量CH4排放量、甲烷能CH4E、甲烷能/总能摄入量（CH4E/GEI）皆显著降低（P＜0.05）。

2.2 不同精粗比对9月龄后备奶牛生长性能的影响

由表3 可知，3 组间的初始体重、结束体重、日增重和料重比均无显著差异(P＞0.05)。DMI B 组和C 组显著高于A组(P＜0.05)。

表3 不同精粗比对后备奶牛生长性能的影响

2.3 不同精粗比对9 月龄后备奶牛营养物质表观消化率的影响

表4 不同精粗比对后备奶牛营养物质表观消化率的影响(%)

由表4可知，各处理组间DM、OM和EE的表观消化率差异不显著(P＞0.05)。CP的表观消化率C组显著高于A 和B(P＜0.05)，A 和B 无显著差异(P＞0.05)，然而NDF 和ADF 的表观消化率C 组显著低于A(P＜0.05)且两组皆与B无显著差异(P＞0.05)。

3 讨论

3.1 不同精粗比对9月龄后备奶牛甲烷排放的影响

CH4是反刍动物瘤胃发酵的必然产物，其排放量与动物品种、日粮组成、采食量和瘤胃发酵模式等密切相关[14]。CH4是由甲烷菌利用瘤胃其它微生物的降解底物（甲酸、乙酸、甲醇、CO2和H2）生成的[15]，其中CO2-H2还原合成CH4的途径是瘤胃甲烷合成的主要途径，CO2和H2主要来源于糖降解中丙酮酸转化为乙酸和丁酸的过程，但丙酸可利用H2生成糖增加氢气的消除途径，因此CH4排放与乙酸和乙酸/丙酸正相关，与丙酸负相关[16]。Rotger[17]在牛上的研究表明，随着饲料精粗比增加，瘤胃发酵向丙酸发酵偏移，乙酸产量减少，所以日粮精粗比与CH4排放显著负相关。运用SF6失踪技术测定集约化养殖条件下后备奶牛的甲烷排放量具有可行性，本研究运用SF6示踪技术测定9月龄中国荷斯坦后备牛不同精料水平（30%、40%和50%）的CH4日排放量为117.7、107.10 g 和97.46 g，发现随着日粮精粗比升高，CH4日排放量显著降低，低于Jiao 等[18]采用呼吸测热室测得的得出的结果，主要是SF6示踪技术测得甲烷排放量不包括动物直肠产生甲烷[19]，因此比呼吸测热室测得的甲烷排放量约低6%[20]。Hindrichsen 等[21]给泌乳奶牛饲喂精粗比为0∶100 和50∶50 的日粮，发现50∶50 组的甲烷排放量比全粗组降低了18%；樊霞等[4]的研究结果也表明随着日粮精料比例的增加甲烷排放量显著降低；Lovett 等[22]给肉犊牛饲喂精粗比35∶65，60∶40，90∶10的日粮时发现，单位代谢体重的甲烷排放量随日粮精料比例增加显著降低。

甲烷排放量与DMI 密切相关[23]，Ramin 等[24]认为随着采食量的增加，食糜通过瘤胃的速度增加，营养物质在瘤胃的发酵时间减少，日粮中NFC 含量增加，NDF 含量减少，发酵模式改变，也使总甲烷排放量减少，所以单位DMI、OMI 的甲烷排放量减少，这与Aguerre 等[25]给泌乳奶牛饲喂不同精粗比（53∶47，46∶54，39∶61，32∶68）的日粮时增加精料比例而显著减少单位DMI、OMI、DNFI 的甲烷排放量的结果一致。Jihnson 等[26]报道，奶牛CH4/GEI 约为6%，随着日粮中精料比例的增加，CH4/GEI 可降低至4%～5%，本研究也得出相似结果。单位NDF 消化产生的甲烷是单位非纤维物质的3～5倍[23]，且NDF 含量与甲烷排放是正相关的[6]，因此增加日粮NFC/NDF 减少NDF，且使瘤胃pH值降低而降低了纤维降解菌的活性和丰度导致NDF 的降解率降低，所以甲烷排放降低，甲烷能减小。在Aguerre 等[25]的研究中，精粗比为32∶68 组和53∶47 组的的奶牛甲烷日排放量分别为648 g/头和538 g/头，甲烷日排放量减少了17.2%，而本研究中NFC/NDF 高组相比于低组的甲烷日排放量也减少了17.2%。通过本研究结果与前人结果相比较，向日粮中添加精料，可以有效降低青年后备牛的甲烷排放和甲烷能/总能。但在实际生产中，反刍动物采食过多的精料，会引起动物酸中毒、蹄炎和过度肥胖等营养代谢疾病，因此日粮精粗比应控制在适宜范围内。

3.2 不同精粗比对9月龄后备牛生长性能的影响

在适宜的精粗比范围内，日粮精粗比与日增重正相关[27]。梁大勇等[28]给荷斯坦青年公牛分别饲喂精粗比为40∶60，50∶50，60∶40 的日粮，发现随着日粮精料比例增加，日增重显著增加。日粮能量水平和日增重相关，能量摄入越多，平均日增重越高[29-30]。本试验中，不同精粗比日粮对日增重无显著影响，可能是由于日粮能量水品相近所致，这也与本研究饲料营养物质消化率各组间无显著差异的结果相统一。在Lamas等[31]的试验中，随着日粮精粗比的增加，干物质采食量显著增加，这与本试验结果一致，也与王吉峰[32]、Weiss 等[33]的研究相同。NRC[9]认为，消化率低的饲料限制干物质采食量，因为其消化速度慢，在消化道停留时间长，因此提高日粮精料水平(小于60%)总能提高干物质采食量。本试验结果表明，日粮精饲料从30%增加到50%，并没有改变后备奶牛的增重，说明此生理阶段的后备牛，可以利用粗饲料，从饲料转化效率和饲料成本的角度分析，后备牛应该饲喂精料在30%左右的日粮，对于生产实际起到有利作用。

3.3 不同精粗比对9 月龄后备牛营养物质表观消化率的影响

适宜的精料比例可以提高反刍动物对日粮中营养物质的利用，本试验结果表明，饲喂精粗比30∶70，40∶60，50∶50 的日粮，后备牛DM、OM 的表观消化率无显著差异，粗蛋白质表观消化率显著提高，但NDF和ADF的表观消化率显著下降，这与汪水平等[34]和Macgrgeor等[35]的结果一致，表明9月龄后备牛瘤胃发育成熟，具有消化粗饲料的能力，应维持日粮的精粗比在30%为宜。而在Dado 等[36]和Yang 等[37]的研究中，提高日粮精料比可显著提高DM 和OM 的表观消化率，这可能与日粮中NDF水平有关。随着日粮精料比例增加，快速可发酵碳水化合物数量增加，纤维的消化速度和流量会变化[9]，所以在一定精粗比范围内，纤维和非纤维营养物质的消化率是动态平衡的，因为随着日粮NFC/NDF增加，pH值显著升高，瘤胃纤维降解菌活性和丰度显著降低[38-40]，使纤维降解率降低，而NFC是易消化有机物，可在瘤胃降解也可在后肠道消化吸收。瘤胃蛋白降解菌主要有栖瘤胃普雷沃氏菌、嗜淀粉瘤胃杆菌和溶纤维丁酸弧菌[41]，虽然溶纤维丁酸弧菌会随NFC/NDF下降[42]，但栖瘤胃普雷沃氏菌与日粮蛋白含量正相关[43]，淀粉分解菌与NFC/NDF正相关[44]。这可以解释本试验的CP 的消化率随着精粗比增加而增高，与Dado 等[36]和Yang 等[37]的高精料组CP消化率高的结果一致。提高日粮精粗比，降低了纤维的消化率，使甲烷菌合成甲烷的前体物质H2减少，因此瘤胃甲烷排放降低。

4 结论

在本试验条件下，得出如下结论：

①提高日粮精粗比能够有效减少9 月龄后备奶牛的甲烷排放，但综合其对生长性能和营养物质消化的影响及牧场经济效益，应给9月龄后备奶牛饲喂精料水平约30%的日粮为益，甲烷排放量为117.7 g/d。

②提高日粮精粗比，可以提高9月龄后备奶牛的粗蛋白消化率和干物质采食量，降低纤维的消化率，且对干物质和有机物的消化率无显著影响和日增重无显著影响。