反刍动物瘤胃甲烷产生与排放的主要生物学特征

贾 鹏 董利锋 屠 焰 刁其玉*

(1.中国农业科学院饲料研究所，奶牛营养学北京市重点实验室，反刍动物及其幼畜营养代谢中美联合研究中心，北京 100081；2.兰州大学草地农业科技学院，兰州 730020)

据2020年中国农业科学院发布的《中国农业产业发展报告》预测，2030年我国肉、蛋、奶总产量将达到1.77亿t，较2018年增长24%，反刍动物养殖规模将继续扩大。尽管反刍动物为人类提供了较高营养价值的食物，但其通过肠道和粪便中的甲烷，以及尿和粪便中氮类化合物(如氨、硝酸盐)释放的氧化亚氮，导致了大气中温室气体的积累，助长了全球气候变暖。全球气候变暖是人类面临的最大环境挑战之一，在巴黎举行的联合国气候变化会议一致认为，应该努力将全球气候变暖控制在“2 ℃以下”[《联合国气候变化框架公约》(2015)][1]。2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，将在2030年做到碳达峰，2060年前实现碳中和[2]。

在过去几十年，农业温室气体排放量占全球人为温室气体排放总量的14.5%，畜牧业生产系统的温室气体排放已成为一个紧迫的问题[3]。其中肉牛和奶牛的温室气体排放量分别占全球家畜排放总量的35%和30%[4]，其次是绵羊和山羊，大致每年各产生4.75亿t二氧化碳当量的温室气体[3]。甲烷被认为是温室气体的第二大人为排放源[5]，其增温潜势是二氧化碳的25倍；甲烷在大气中的存留时间约为12.2年，二氧化碳约为100年，所以甲烷的减排是最为快速地缓解气候变化的方法[6]。

反刍动物的甲烷排放约占全球人为甲烷排放总量的17%[7]。反刍动物的养殖消耗了全球近30%的农作物产量，并占用了30%的陆地面积[8]。研究表明，甲烷的产生除了影响气候，也将造成反刍动物2%～12%摄入总能的损失[9]。反刍动物养殖业的发展需要在人们生活需求、资源节约和环境保护之间维持平衡，其甲烷减排显得尤为重要。甲烷排放受到动物种类、生理阶段和饲粮等因素的影响，研究其排放特点有助于制定针对性的减排措施。比如以反刍动物甲烷排放量较高的生长或生产阶段为目标，可能有助于制定短期干预措施，从而实现畜牧业的甲烷减排[10]。目前，通过改变饲粮结构、原料种类、饲料加工工艺以及饲喂代谢调控物质等措施具有较好地抑制甲烷产生的作用，但效果往往不一致。因此，根据反刍动物甲烷排放特点、饲养管理以及饲粮等因素可制定长期和稳定的甲烷减排措施，本文将对反刍动物瘤胃甲烷排放量的特点进行论述。

1 动物品种和遗传因素

1.1 动物品种

不同品种的动物具有不同的生理特征及生存特性，物种间差异起初是由遗传制造的，反刍动物间的甲烷排放量特点离不开动物品种和遗传。

小型反刍动物主要包括绵羊和山羊，全球绵羊和山羊每年各产生约4.75亿t二氧化碳当量的温室气体，二者的排放量大致相等[3]。在2000—2010年，全球奶牛和肉牛的甲烷排放量占牲畜总排放量的75%，其次是水牛、绵羊和山羊(联合国粮农组织统计数据库，2013)[11]。牛、羊之间具有不同的消化生理特征，为了维持自身需要，羊的单位体重的采食量通常高于牛，导致羊的饲粮瘤胃流通速率较高和饲料消化率较低，这将造成牛、羊之间甲烷排放量的差异[12]。甲烷抑制剂对牛、羊的作用效果也不同，Van Gastelen等[13]指出，除了3-硝基氧基丙醇(3-nitrooxypropanol)和硝酸盐等抑制性添加剂之外，其他饲粮策略在应用于绵羊时对甲烷排放产生的影响小于奶牛和肉牛。

根据Ndao等[14]在塞内加尔的苏丹地区对Ndama牛的研究，奶牛的甲烷排放因子(Ym)为31 kg/(头·年)，其他牛为15 kg/(头·年)。平均来看，荷斯坦牛比诺曼底牛每年少排放2.5 t甲烷[15]。Thakuri等[16]分别在平原地区和丘陵地区研究了本地牛和改良牛的甲烷排放量，表明平原地区全群本地牛的甲烷排放因子为(13±3)～(48±10) kg/(头·年)，丘陵地区全群本地牛的甲烷排放因子为(13±3)～(46±9) kg/(头·年)，平原地区和丘陵地区之间的全群本地牛牛只的甲烷排放因子没有显著差异。但是品种之间存在显著差异，本地牛的综合甲烷排放因子为33 kg/(头·年)，而改良牛的综合甲烷排放因子为46 kg/(头·年)。牛的品种类别和子类别之间的活体重和饲养系统的差异导致了牛只甲烷排放因子的差异，原因可能是不同品种牛只之间的能量消化率或者维持净能之间具有差异。

1.2 动物遗传因素

多年来，动物育种一直用于选择反刍动物理想的生产性状，目前已进行大量研究培育低甲烷排放的动物。比如首先确定甲烷产率(甲烷排放量/干物质采食量，g/kg)始终低于或高于平均甲烷产率的动物，然后用于培育低甲烷产率或高甲烷产率动物繁育体系[17]。

Jonker等[18]提前选择了低甲烷产率和高甲烷产率的羊只，在不同饲粮和季节(秋季和冬季)条件下研究表明，组间的羊只甲烷产率高低不受饲粮和季节的影响，即动物甲烷产率遗传性状的表达与环境因素无关。与中等精粗比饲粮相比，当饲喂高精料饲粮时，基于甲烷产率的动物排名没有变化，也表明动物遗传因素对甲烷产率的影响没有随饲粮改变而变化[19]。但是先前的一些研究发现，选择的低甲烷产率的绵羊粪便中的干物质和有机物排泄量增加[20]，这将导致粪污源的甲烷排放量增加。因此，提倡在养殖业中选育低甲烷排放量的动物之前，应确定低甲烷排放量的动物对额外温室气体源(粪污源氧化亚氮和甲烷)的影响。但是Jonker等[18]发现，将粪便中的甲烷及尿液和粪便中的氧化亚氮排放计算在内时，低甲烷产率和高甲烷产率选育系绵羊之间的肠道甲烷排放量(二氧化碳当量)差异仍然存在。

不同品种反刍动物间的甲烷排放量不同，并且甲烷产率具有遗传性。研究发现，短期内可将培育低甲烷产率绵羊作为甲烷减排策略，选择低甲烷产率的绵羊，已被确定为一种可行的甲烷减排措施，并且该策略适合在放牧系统中实施[20]。

2 动物不同生理阶段

2.1 不同生长阶段

动物的生长阶段与生理阶段相对应，基于瘤胃发育的程度和瘤胃微生物区系的形成，不同的生长阶段瘤胃甲烷的产生量是不同的。

根据政府间气候变化专门委员会(IPCC，2006年)数据[21]，西欧生长阶段的小母牛的甲烷排放因子为57 kg/(头·年)。Dall-Orsoletta等[15]研究发现，初次产犊为2岁的小母牛平均甲烷排放因子也为57 kg/(头·年)，从出生至12月龄的甲烷排放因子为31 kg/(头·年)，12～24月龄的甲烷排放因子为75.5 kg/(头·年)。而Jiao等[22]报告，放牧条件下的荷斯坦小母牛从出生至12月龄的甲烷排放因子为36.2 kg/(头·年)，13～24月龄的甲烷排放因子为64.3 kg/(头·年)。试验之间的甲烷排放因子差异可能是由饲养系统、管理系统和小母牛年龄的差异造成。我国研究人员使用六氟化硫示踪技术测量了45头荷斯坦后备牛的甲烷排放量(g/d)，结果表明15月龄后备牛的甲烷排放量(229.6 g/d)高于12(159.7 g/d)和9月龄(117.7 g/d)[23]。与以上研究结果一致，表明小母牛随着年龄的增长，甲烷排放量升高。

有研究表明，排除动物品种的影响，初次产犊为3岁的小母牛比初次产犊为2岁的小母牛排放更多的甲烷，从出生到产犊，初次产犊为3岁的小母牛瘤胃甲烷排放量的50%集中在24～36月龄，将初次产犊年龄从3岁降至2岁，平均每年可减少2.2 t二氧化碳当量的甲烷[15]。Zeitz等[24]对后备牛与成年牛的结果进行汇总表明，青年牛到成年牛的甲烷产率逐渐增加。而Ramírez-Restrepo等[25]没有发现小母牛(110～480日龄)和成母牛(2 500～2 800日龄)之间的甲烷产率存在差异。Ramírez-Restrepo等[25]研究中的成母牛的干物质采食量为6～7 kg/d，推断出成母牛为非泌乳牛，并且所有牛只均只饲喂相同批次的粗饲料；后有研究证明，将仅饲喂粗饲料和饲喂正常精粗比饲料的成母牛与仅饲喂干草的小母牛的甲烷产率相比，仅饲喂粗饲料的成母牛的甲烷产率与仅饲喂干草的小母牛的甲烷产率更加接近。因此，Ramírez-Restrepo等[25]的结果可能是由仅饲喂成母牛粗饲料和成母牛采食量较低造成。

后备牛到成年牛阶段，随着年龄的增长，甲烷排放量逐渐增加。另外，初次分娩日龄的推后不利于养殖效益和甲烷减排，需要重视后备牛的繁育工作。

2.2 奶牛不同泌乳阶段

奶牛在不同泌乳阶段，基于泌乳曲线，产奶量差别很大，对应的饲粮干物质采食量存在显著差异，导致奶牛的甲烷排放量不同。

Coppa等[26]研究表明，呼吸室和GreenFeed系统测得的泌乳后期荷斯坦奶牛甲烷排放量高于泌乳高峰期。另有报道，从泌乳前期到泌乳后期，甲烷排放量增加了35%[27-28]。尽管在这些研究中没有测量瘤胃容积和饲粮在瘤胃中的滞留时间，但与泌乳前期相比，泌乳后期的瘤胃干物质体积和瘤胃容积增加[29-30]。因此，奶牛在整个哺乳期甲烷排放量的增加可以归因于瘤胃容积的增加导致的干物质采食量增加，干物质采食量是甲烷生产的主要驱动力。但是王贝[31]选用泌乳高峰期、泌乳中期和泌乳后期各12头荷斯坦奶牛，使用六氟化硫示踪法测量其甲烷排放量分别为325.2、261.0和241.8 g/d，发现随着泌乳阶段的增加奶牛甲烷排放量却降低。干物质采食量是决定甲烷排放量的首要指标，王贝[31]研究中奶牛干物质采食量随泌乳阶段的增加而下降，可能是造成与以上结果不一致的原因。

甲烷产率排除了干物质采食量对甲烷排放量的影响，呼吸室测得的奶牛甲烷产率随泌乳阶段增加而增加，GreenFeed系统测得的奶牛甲烷产率为泌乳高峰期最低，泌乳初期居中，泌乳后期最高[32]。反刍动物的甲烷生产与瘤胃微生物发酵和产甲烷菌直接相关，但是不同泌乳阶段奶牛的瘤胃微生物之间并未发现差异[15]。Shi等[33]对甲烷产率高和甲烷产率低的绵羊的瘤胃样品进行了宏基因组和转录组测序，发现2组中产甲烷菌的丰度相似，但产甲烷途径基因的转录在高甲烷产率绵羊中显著增加。泌乳后期奶牛的瘤胃微生物群落没有变化，但是甲烷产率显著升高，可能是由于瘤胃产甲烷途径基因发生了变化。以奶牛第11～18泌乳周和第19～26泌乳周作为2个泌乳阶段时，发现2个泌乳阶段的甲烷排放量相似，可能因为将8周作为一个泌乳阶段时间过短，或者试验未区分头胎牛和经产牛；而第19～26泌乳周的甲烷产率和甲烷强度(甲烷排放量/产奶量，g/kg)显著高于第11～18泌乳周，因此，不同泌乳阶段甲烷产率和甲烷强度的差异可归因于泌乳生理阶段变化引起的奶牛干物质采食量和产奶量的变化[26]。

奶牛随着泌乳阶段的增长其甲烷排放量和甲烷产率随之增加，甲烷排放量的增加归因于干物质采食量增加，甲烷产率的增加可能归因于由于瘤胃产甲烷途径基因发生了变化。

3 奶牛不同年龄和胎次

奶牛一生要经历青年、中年与老年，胎次是年龄的体现，动物对饲粮营养成分的消化和利用功能与年龄有关，所以胎次将影响甲烷排放。

Grandl等[34]对泌乳奶牛开展试验发现，奶牛年龄与甲烷排放之间存在曲线关系。甲烷排放量在第2～3泌乳期时达到最大值，到6.5岁左右时甲烷排放量、甲烷产率和甲烷强度均较低。由于奶牛可能在甲烷排放高峰之前已经完成了生长[35]，所以年龄与甲烷排放之间的曲线关系可能主要由采食量、瘤胃中的饲料流通速率以及营养物质(尤其是纤维)消化率导致[36]，也会受到饲料粉碎程度[37]或瘤胃微生物生长条件的影响[38]。采食量从初产到第2、3胎次时显著增加，但此后基本保持不变，所以排除采食量的影响。有研究表明，较高的剩余采食量直接导致甲烷排放量升高[39-40]，老年奶牛伴随的剩余采食量增加的趋势不能解释甲烷排放量降低的结果；消化道中的饲料流通速率被认为与甲烷排放量呈负相关[41]，研究中的老年奶牛的采食量增加并没有增加饲料流通速率，所以饲料流通速率也无法解释甲烷排放量降低的结果。唯一可能解释观察到的甲烷排放量的变化是年龄与纤维消化率之间的相关曲线关系(小牛和老牛的消化率较低)。在反刍性状中发现了类似的变化模式，奶牛咀嚼效率最高的年龄阶段是中年，这导致纤维降解率增加，所以甲烷排放量在中年奶牛中达到最大值[34]。

Coppa等[26]研究表明，初产奶牛的甲烷排放量低于经产奶牛，可能因为初产奶牛的干物质采食量比经产奶牛低3.5 kg/d，以及中性洗涤纤维(NDF)消化率随年龄变化，经产奶牛具有更高的NDF消化率。但是当甲烷排放量用甲烷产率和甲烷强度表示时，饲粮及泌乳阶段之间的差异显著，初产与经产间差异消失，所以采食量和产奶量与初产和经产泌乳牛的甲烷排放量呈正相关。

成年奶牛单位采食量、体重和产奶量下的甲烷排放量与年龄显著相关，随着年龄的增长，这些数值在奶牛2 000日龄左右时达到最大值，然后下降[34]。这种反应并没有与年龄相关的采食、咀嚼、饲料瘤胃流速和有机物消化率的相应变化保持一致。然而，随着年龄的增长，纤维的消化率与甲烷排放量表现出相似的变化，因此每单位可消化纤维的甲烷排放量相对稳定。

4 瘤胃微生物区系

反刍动物对营养物质的消化吸收依赖于瘤胃微生物，其发酵过程可产生多种产物，为产甲烷菌合成甲烷提供了底物。因此，除产甲烷菌外，其他瘤胃微生物差异也可造成反刍动物甲烷排放量不同。

反刍动物瘤胃中的微生物发酵为合成甲烷提供的底物包括：氢、二氧化碳、甲酸盐、乙酸盐和甲基化合物。其中，氢和二氧化碳是瘤胃生产甲烷的主要底物，微生物碳水化合物发酵产生的大部分氢用于甲烷的生产。因此，微生物发酵的产氢过程和瘤胃产甲烷菌与甲烷合成之间有着密切的联系。此前有报道称，低甲烷产率和高甲烷产率动物的瘤胃中可产生大量氢的细菌的相对丰度之间存在差异[42]；低甲烷产率和高甲烷产率绵羊的瘤胃产甲烷菌群之间的主要差异结果表明，高甲烷产率绵羊中氢营养型产甲烷途径相关基因的表达量较高，这也支持了这一理论[34]。

瘤胃细菌群落及其活动可能作用于动物的甲烷排放量性状。微生物数据显示，高甲烷产率动物的毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的丰度增加，而低甲烷产率动物的丹毒菌科(Erysipelotrichaceae)的夏普氏菌属(Sharpea)的丰度是高甲烷产率动物的10～13倍[42]。Wallace等[43]发现低甲烷排放量动物瘤胃中琥珀酸弧菌科(Succino vibrionaceae)的丰度较高。Kittelmann等[44]对甲烷排放量低和高的多个绵羊群体中的微生物群落进行了广泛调查，报告显示“S”型低甲烷产率绵羊富含Sharpeaazabuensis序列以及其他乳酸和琥珀酸产生菌，平均占细菌16S rRNA基因的11.9%。Sharpeaazabuensis是一种革兰氏阳性的异源发酵厌氧菌，能够在一系列普通糖上生长，并通过葡萄糖发酵产生乳酸和二氧化碳[45]。可能夏普氏菌属(Sharpea)聚集的低甲烷产率绵羊具有较小的瘤胃容积，且瘤胃周转率较高。因此，“S”型低甲烷产率反刍动物导致从瘤胃发酵中生成的氢更少，这反过来又解释了较少数量的氢营养型产甲烷菌和较少的甲烷生成。

瘤胃微生物组是导致动物饲料效率差异的一个重要因素，瘤胃中甲烷的产生导致2%～12%摄入总能的损失[9]。对在相同饲养和饲粮条件下的多种动物的分析表明，个体动物从饲料中摄入能量的能力存在很大差异。有报道指出了高剩余采食量和低剩余采食量动物在甲烷产生方面的差异以及微生物组成方面的差异[46]。这些差异与一些微生物组特征紧密相关，包括高效奶牛瘤胃微生物组丰富度的降低和分类及编码能力优势的增加。从生态学角度来看，高效奶牛低丰富度微生物组中产甲烷途径和产甲烷菌的丰富度较低。因此，高效微生物组菌群较为单一，但更专一，以增加宿主的能量利用率和减少甲烷产生[46]。

在畜牧业，温室气体减排策略主要通过调整饲粮和使用添加剂以减少甲烷排放[10]。尽管饲粮对瘤胃微生物群落结构有很强的影响，但这种影响往往是不一致和短暂的，所以很难制定出一种广泛适用的用于甲烷减排的饲粮策略[47]。由于瘤胃中的微生物负责产生甲烷，因此可利用有关影响微生物群落组成的因素，以提出旨在操纵这些群落以实现长期、稳定地减少瘤胃甲烷的策略[10]，但是具体措施还需进一步研究。

5 小 结

后备牛随着年龄的增长和体重的增加，其甲烷排放量随之增多，应当避免初次产犊时间的推迟造成的甲烷排放量及养殖成本的增加，重视繁育工作。成年泌乳牛除经产牛甲烷排放量高于头胎牛外，小于6.5岁的经产牛的胎次对甲烷排放量没有影响，泌乳后期甲烷排放量高于泌乳前期。针对甲烷排放量较高时期，使用缓解甲烷排放策略将取得更佳效果；通过育种以及调控瘤胃微生物是一种长期和稳定的甲烷减排方法。国外开展了大量的反刍动物甲烷排量放量特点研究，我国应当探明本土的反刍动物甲烷排放量特点，填补我国系统性监测数据和官方权威信息，制定反刍动物养殖业的甲烷减排措施，助力我国碳达峰和碳中和事业。