冬春兩季奶牛胃腸道甲烷排放量變化的研究

顏志成，謝天宇，王 榮，譚支良

（1. 湖南農業大學園藝園林學院，湖南 長沙410128；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙410128； 3. 內蒙古農業大學動物科學學院，內蒙古 呼和浩特010018；4. 湖南農業大學動物科學技術學院，湖南長沙410128）

甲烷（Methane，CH4)是一種主要的溫室氣體[1]，其增溫潛能是CO2的20～30 倍[2]。反芻家畜每年排放甲烷約80 Tg（1 Tg=1012 g），占人類活動排放總量的33%[3]。根據《中國畜牧業統計年鑒》統計，中國2010年奶牛存欄量已高達1 420.1 萬頭[4]。王榮等[5]報道，2010年中國奶牛胃腸道甲烷排放總量為0.87 Tg，占反芻家畜胃腸道甲烷排放總量的13.1%，超過山羊和綿羊胃腸道甲烷排放量及其比例，成為中國反芻家畜胃腸道甲烷排放第二大來源。另外，隨著居民生活水平的進一步提高，牛奶的需求量將越來越大，可以預測中國將來奶牛存欄量將會繼續增加。奶牛存欄量的增長亦會直接導致奶牛胃腸道甲烷排放總量大幅度增加，因此奶牛胃腸道甲烷排放的相關研究得到科學家們的高度關注。

奶牛采食量與溫度密切相關[6-7]。研究表明[8-9]，當環境溫度超過25℃時，奶牛的采食量會下降；當環境溫度達到30℃以上時，采食量急劇下降。奶牛在-20℃時的采食量比15 ℃左右時高約35%，當環境溫度超過25 ℃時，每升高1 ℃，奶牛干物質采食量下降6%左右，奶牛在40℃時的采食量比在20 ℃時的采食量下降60%左右。另外，采食量也是影響甲烷排放的關鍵因素[10]。湖南地區冬春兩季的溫度變化明顯[11]，這可能影響奶牛采食量和胃腸道甲烷排放。因此，本試驗研究冬季和春季奶牛胃腸道甲烷排放的狀況，以揭示奶牛胃腸道甲烷排放的季節變化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地點位于湖南望城白箬鋪奶牛飼養牧場。試驗分為冬季（2013年12月～2014年1月）和春季（2014年2月～2014年3月）兩個試驗期，每個試驗期選取相同的中國荷斯坦奶牛28 頭，其中犢牛4 頭、青年牛12 頭和泌乳牛12 頭。試驗期的喂料時間為上午5:30，下午16:00，自由飲水，精飼料飼喂量為體重的1%，粗飼料自由采食，每天記錄采食量。泌乳牛的擠奶時間為上午6:00 和下午17:00，機械擠奶，記錄試驗期的日產奶量，自由飲水。

1.2 試驗日糧

試驗日糧的粗料為稻草，犢牛、青年牛和泌乳牛的精飼料分別為普瑞納小牛精料補充料1216、干乳期精料補充料1512 和普瑞納奶牛精料補充料1812。四分法采集飼料樣品用于實驗室分析粗蛋白（CP）、飼料總能（GE）、酸性洗滌纖維（ADF）以及中性洗滌纖維（NDF）等[12]（詳見表1）。

表1 飼料營養成分

1.3 奶牛胃腸道甲烷測定方法

奶牛呼吸代謝室大小為12 m3，氣體流速約為190 m3/h。參考Storm 等[13]呼吸代謝室法測定奶牛胃腸道甲烷排放的方法，將試驗牛和飼料放入呼吸代謝室，進行連續48 h 密閉采樣。采集氣體樣本時使用50 m L注射器，每隔15 m in 在氣體收集盒中吸取30 m L 氣體注入10 m L 真空瓶中保存，48 h 內在氣相色譜（安捷倫7 890 A）測定樣本氣體中甲烷濃度，根據甲烷濃度氣體流速計算胃腸道甲烷排放量(g/d)，計算公式參考Storm 等[13]。奶牛胃腸甲烷能（MJ/d）和甲烷量（g/d）分別由標準狀態下的甲烷燃燒值39.76 kJ/L 和密度0.717 g/L 換算，甲烷能和甲烷量之間用甲烷能量含量（55.65 g/d）換算。甲烷排放因子計算公式如下：

式中EF 表示甲烷排放因子[甲烷單位：kg/（頭·年）]，GEI 表示總能量攝取[甲烷單位：MJ/（頭·日）]，Ym 表示甲烷轉化因子，飼料中總能轉化為甲烷的百分比。

1.4 數據統計方法

試驗數據用Excel 初步記錄并做簡單處理，然后采用SPSS 12.0 軟件對數據利用一般線性模型（GLM）程序進行方差（ANOVA）分析。P<0.05 時，差異顯著。

2 結果與分析

從表2 可知，犢牛在冬季和春季的平均代謝體重分別為30.0 kg 和34.1 kg，差異不顯著；干物質采食量分別為2.55 kg/d 和2.48 kg/d，差異不顯著。其他指標項如酸性洗滌纖維攝入量、中性洗滌纖維攝入量、粗蛋白攝入量、總能量攝取量、胃腸道甲烷排放量、甲烷排放因子和甲烷轉化因子在冬春兩季之間的差異也不顯著。這可能是因犢牛在冬春兩季的干物質采食量變化不大而形成的結果。

表2 冬季和春季犢牛體重、采食和胃腸道甲烷排放量

從表3 可知，青年牛在冬季和春季的平均代謝體重分別為60.2 kg 和64.2 kg，差異不顯著；干物質采食量分別為6.08 kg/d 和4.39 kg/d，差異顯著（P<0.05)；酸性洗滌纖維攝入量分別為1.71 kg/d 和0.83 kg/d，差異顯著 (P<0.05)；總能量攝取量分別為141 g/d 和123MJ/d，差異顯著(P<0.05) ；甲烷排放因子分別為6.10[kg /(頭·年)]和7.81[kg /(頭·年)]，差異顯著(P<0.05)；甲烷轉化因子分別為4.32%和6.24%，差異顯著（P<0.05）；中性洗滌纖維攝入量、粗蛋白攝入量和胃腸道甲烷排放量，差異不顯著。在反芻動物的日糧中，干物質主要由粗纖維和粗蛋白組成。其中，粗纖維的主要參考指標是中性洗滌纖維（中性洗滌纖維包含纖維素、木質素、不溶性灰分和半纖維素；酸性洗滌纖維包括纖維素、木質素和不溶灰分；在組成上中性洗滌纖維可粗略認為包含酸性洗滌纖維；二者在測定方法上有所不同，故同列于表中）。所有采食量指標中，中性洗滌纖維攝入量和粗蛋白差異均不顯著，而干物質采食量差異顯著，故干物質采食量是引起酸性洗滌纖維攝入量變化的主要因素。青年牛采食的干物質能量主要包括總能量攝取量與因甲烷排放損失的能量。在胃腸道甲烷排放量無差異的情況下，干物質采食量與總能量攝取量差異顯著。這說明干物質采食量是引起總能量攝取量變化的主要因素。另外，采食量是影響甲烷排放量變化的主要因素[16-18]，甲烷排放因子與甲烷轉化因子是甲烷排放量的主要參數。在干物質采食量差異顯著的情況下，甲烷排放因子與甲烷轉化因子差異顯著而甲烷排放量差異不顯著。這說明干物質采食量是引起甲烷排放因子與甲烷轉化因子變化的主要因素。綜上所述可知：干物質采食量是引起酸性洗滌纖維攝入量、總能量攝取量、甲烷排放因子和甲烷轉化因子變化的主要因素。

表3 冬季和春季青年牛體重、采食和胃腸道甲烷排放量

從表4 可知，泌乳牛在冬季和春季的平均代謝體重分別為103 kg 和104 kg，差異不顯著；產奶量分別為15.8 kg/d 和12.2 kg/d，差異不顯著。干物質采食量、酸性洗滌纖維攝入量、中性洗滌纖維攝入量、粗蛋白攝入量和總能量攝取量，差異不顯著。胃腸道甲烷排放量分別為249 g/d 和363 g/d，差異顯著 (P<0.05)。甲烷排放因子分別為13.9 kg/（頭·年）和20.2 kg/（頭·年），差異顯著(P< 0.05)，甲烷轉化因子分別為4.26%和5.74%，差異顯著（P<0.05)。采食量是影響甲烷排放量的主要因素。產奶牛在冬春兩季所有采食量指標、能量攝入量、產奶量差異不顯著，而甲烷排放量差異顯著且春季高于冬季，這說明產奶牛春季攝入飼料轉化成甲烷的甲烷轉化因子顯著高于冬季；另外，甲烷排放因子與甲烷轉化因子成正相關關系，故春季的甲烷排放因子將顯著高于冬季，這些推斷結果與本試驗的試驗數據結果一致。

表4 冬季和春季泌乳牛體重、產奶量、采食和胃腸道甲烷排放量

從圖1 和2 可以看出，隨干物質采食量的增加，胃腸道甲烷排放量隨著增加。將冬春兩季奶牛干物質采食量和胃腸道甲烷排放量建立回歸方程，冬季奶牛干物質采食量與其胃腸道甲烷排放量存在如下回歸關系：Y=17.04 X+11.11（R2=0.902，P<0.000 1，n=28）。春季奶牛干物質采食量與胃腸道甲烷排放量存在如下回歸關系：Y=22.36 X+30.76（R2=0.892，P<0.000 1，n=28）。上述結果表明，干物質采食量是影響甲烷排放量的主要因素，這也驗證了前人的研究結果——采食量是影響甲烷排放量的主要因素。

相同日糧模式下，處于不同季節的奶牛，其在不同溫度條件下能量消耗和營養需要不同，導致干物質采食量亦會有所不同。黃峰等[19]在不同季節對（環境溫度）奶牛干物質采食量變化的研究中發現，春季（25.6 ℃）奶牛的干物質采食量最大,冬季（18.0 ℃）次之。陳喜斌等[20]報道生長期薩能山羊5 ℃的干物質采食量低于18 ℃。許貴善等[21]發現青海綿羊在夏季、秋季和冬春季干物質采食量存在極顯著差異（P<0.01），其中夏季干物質采食量最高，而冬春季干物質采食量最低。本試驗中，青年牛冬季干物質采食量顯著高于春季，而犢牛和泌乳奶牛兩季節干物質采食量差異不顯著。湖南望城白箬鋪奶牛飼養牧場平均氣溫冬季為5.8 ℃，春季為18.0 ℃，相比犢牛和泌乳奶牛，季節溫度對湖南地區青年牛干物質采食量影響更大。另外，丁耿芝等[22]報道，不同季節反芻動物接受日照時間的長短也會影響采食量，日照時間越長，食欲越強，干物質采食量越高。

圖1 冬季奶牛攝入量和胃腸道甲烷排放量的回歸關系

圖2 春季奶牛攝入量和胃腸道甲烷排放量的回歸關系

采食量是影響甲烷排放的最主要因素之一。趙一廣[23]對肉用綿羊甲烷排放的研究發現，肉用綿羊的甲烷排放量與日糧干物質采食量之間存在顯著線性正相關關系（P<0.01）。Yan 等[24]通過測定299 頭泌乳期和16 頭干奶期荷斯坦奶牛甲烷排放的結果發現，甲烷排放量與干物質采食量有明顯的正相關性（R2=0.75）。這些結果說明，家畜胃腸道甲烷排放量隨著采食量的增加而增加。在本試驗中，青年牛冬季干物質采食量顯著高于春季，犢牛和泌乳奶牛冬季和春季的干物質采食量差異不明顯。可以預測，青年牛冬季奶牛胃腸道甲烷排放高于春季，而犢牛與泌乳奶牛兩季節奶牛胃腸道甲烷排放無顯著差異。但本研究結果與預測不一致，三個生長期奶牛春季甲烷排放一致高于冬季。這說明，本試驗中的季節因素并不是主要通過影響奶牛干物質采食量進而影響奶牛胃腸道甲烷排放，奶牛胃腸道甲烷排放還受甲烷轉化因子的影響，三個生長期奶牛春季的甲烷轉化因子高于冬季。

春季奶牛胃腸道甲烷轉化因子高于冬季可能是由于冬春兩季的溫度差異影響奶牛消化方式和瘤胃發酵類型進而影響能量轉化效率所致。王麗鳳[25]報道，低溫可提高日糧在反芻動物瘤胃的流通速率，而使其甲烷產量降低。游玉波[26]報道，高溫與低溫相比，瘤胃總揮發性脂肪酸的總濃度顯著下降，乙酸比例增加，丙酸和丁酸比例減小。孫斌[27]等報道，在不同季節，奶牛夏季胃腸道甲烷排放量最多，冬季排放量最少，且隨著環境溫度的降低，瘤胃發酵更趨于丙酸發酵，甲烷產量下降。

奶牛采食量和胃腸道甲烷排放量的回歸關系圖中的斜率為單位采食量的胃腸道甲烷排放。冬季和春季干物質采食量的胃腸道甲烷排放分別為17.04 g/kg（0.95 MJ/kg）和22.46 g/kg（1.25 M J/kg）。該結果同樣說明，奶牛春季胃腸道甲烷排放的轉化效率高于冬季。M ills 等[14]在奶牛甲烷排放估算模型中的干物質采食量的胃腸道甲烷排放為0.92 MJ/kg，明顯低于本試驗結果。M ills 的模型是基于11個試驗、43 頭泌乳奶牛數據庫建立的，其平均粗飼料比例（54%）明顯高于本試驗，可能是由于本試驗牛場飼養水平偏低，尤其粗飼料稻草的質量過低、適口性較差，導致粗飼料采食量偏低，而高比例精飼料會在瘤胃中快速發酵，導致較高的單位干物質采食量的甲烷排放量增大。

3 結論與討論

（1）冬春兩季顯著影響奶牛胃腸道甲烷排放，這可能是因冬春兩季的溫度和光照時間等因素引起。相比冬季，春季奶牛甲烷轉化因子較高，導致其胃腸道甲烷排放顯著提高。

（2）春季甲烷轉化因子顯著高于冬季，這可能是因季節影響奶牛對日糧的消化利用和瘤胃發酵方式和日糧能量利用效率。

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