日糧不同精粗比對9月齡后備奶牛甲烷排放與生長性能及營養物質消化率的影響

■李斌昌 董利鋒 王 貝， 葉疆鳳 王睿鑫 成述儒 刁其玉

(1.甘肅農業大學動物科學技術學院，甘肅蘭州730070；2.中國農業科學院飼料研究所農業部飼料生物技術重點實驗室反芻動物及其幼畜營養代謝中美聯合研究中心，北京100081；3.塔里木大學動物科學學院，新疆阿拉爾843300；4.河南科技大學動物科技學院，河南洛陽471000)

隨著社會經濟的發展，溫室氣體排放量的增加，而溫室氣體增加使全球變暖對人類生活的影響已越來越大。2005 年我國溫室氣體凈排放總量為70.46 億噸二氧化碳當量，其中甲烷所占比重為13.25%，農業生產中產生的甲烷占總CH4產量的56.62%，而反芻動物排放的CH4在農業中占57.13%[1]。反芻動物排放甲烷造成溫室氣體增加的同時也使得飼料的能量(2%～12%)損失[2]，而奶牛損失的甲烷能可達6%～10%[3]。反芻動物CH4排放與飼料營養成分、日糧結構和瘤胃微生物的組成密切有關，改變日糧的精粗比、日糧組成、瘤胃微生物以及添加外源調控劑等都可影響CH4的生成。相關研究表明，飼料的類型和日糧NFC/NDF 可顯著影響瘤胃甲烷排放[4]。李嵐捷等[5]給3～6 月齡肉犢牛飼喂不同NFC/NDF 的全混合日糧，發現NFC/NDF 最高組的甲烷能最低，CH4排放量最少，適當的增加精料可以有效減少CH4排放[6-8]。目前，國內在室外條件下，對荷斯坦后備牛甲烷排放的研究還是空白。因此本試驗借助SF6示蹤技術，主要研究在自由采食的條件下，不同精粗比日糧對9 月齡荷斯坦后備牛CH4排放、生長性能和營養物質表觀消化率的影響，得出9 月齡荷斯坦后備奶牛的相關CH4排放因子，為國家溫室氣體計算提供部分數據支持，并為CH4減排提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點與時間

2018年6月至7月在北京市房山區中加永宏奶牛場完成。

1.2 試驗動物和試驗設計

選用15 頭[BW=(274.4±24.4) kg，月齡=9.4±0.56]健康的中國荷斯坦后備奶牛，根據月齡、體重相近的原則隨機分成低精料組（A）、中精料組（B）和高精料組（C），依次飼喂精料水平為30%、40%和50%的全混合日糧（TMR）。A 組飼喂牧場日常日糧，B、C 飼喂試驗配置日糧。各組日糧根據NRC（2001）[9]配制，配方和營養成分見表1。

試驗期18 d(預飼期10 d，正試期8 d)，正試期第3 d開始氣體代謝試驗（共6 d）。

1.3 飼養管理

試驗牛空腹稱重，驅蟲后，隨機分為三組進行飼養。自由采食、自由飲水，每天于8：00 和17：00 飼喂，每天16：00 清槽，投喂的干物質按體重的3.5%供應TMR，每天剩料占總投料量的5%～10%，隔3 d清理1次水槽和糞污。

1.4 SF6測定技術及方法

1.4.1 滲透管的制備

滲透管（北京環科易成科技有限公司生產）由滲透管體、密封螺母、滲透膜、密封墊和支持墊五部分組成；其規格為外徑6.21 mm、內徑3.77 mm、高度45 mm。在制作滲透管時首先把支持墊、滲透膜、密封墊依次放入密封螺母，再把密封螺母安裝滲透管體上，然后使用0.000 1 g 精度的天平稱重，記為空管重（W1）。

表1 試驗飼糧組成及營養水平（干物質基礎）

滲透管裝填SF6氣體的原理是：在低溫條件下，SF6氣體會變為固態。首先將滲透管體侵入液氮（-196 ℃）中冷卻約10 min，使用150 ml注射器（市場購買）分3 次向管體中打入450 ml 的SF6氣體（99.99%），然后迅速用鉗子拿出滲透管體并固定在卡槽上，使用專用扭矩扳手（扭力為5 N）擰緊密封螺母，待滲透管溫度和常溫相近，管體上沒有水珠，質量恒定時，使用0.000 1 g 精度的天平稱量滲透管重（W2）。W2-W1為滲透管裝填SF6的質量。

將裝填好SF6氣體的滲透管放入39 ℃恒溫的生化培養箱中，并通入氮氣（40 ml/min），以模擬反芻動物瘤胃環境。每隔5 d 使用0.000 1 g 精度的天平對滲透管稱重一次，連續稱重60 d，并記錄其管重數據變化。對滲透管的質量變化與時間（天/d）進行線性回歸分析，得出回歸方程的斜率即為滲透管SF6釋放速率（mg/d）。

1.4.2 采氣設備的制備

采氣管路由連接管、毛細鋼管、過濾器、快速接頭A、快速接頭B 五部分組成。這些部件均采購自美國Swaglok 公司。由連接管依次連接過濾器、快速接頭A。在過濾器出氣端連接一個35 mm 長毛細鋼管控制采氣速率，通過專用鉗子夾毛細鋼管，使毛細鋼管在一個大氣壓下的氣體流速達到指定值（0.45 ml/min）。

集氣罐（自行設計委托生產）為不銹鋼材質半徑均勻有底的圓筒，規格：半徑（r）=8 cm、高（h）=25 cm。進氣口與長150 mm、外徑3.5 mm、內徑2 mm 的不銹鋼材質的圓筒一端連接，圓筒的另一端與快速接頭B連接，快速接頭B 和快速接頭A 可以快速連接取開，便于集氣罐的更換。

背墊（自行設計委托生產）是由帆布制成，四個角連接有尼龍帶。規格：寬70 cm、長150 cm、尼龍帶長120 cm。根據集氣罐的大小設計了兩個以帆布為材質的袋子（帶拉鏈，便于更換集氣罐），分別固定于背墊兩側的中間。

1.4.3 相關氣體的來源

SF6純氣（99.99%）、SF6標準氣（5×10-5cm3/m3）、CH4標準氣（20 cm3/m3）（采購自北京氦普北分氣體工業有限公司）；高純氮氣（99.999%）（采購自北京利合成泰氣體有限公司）。

1.4.4 氣體樣品的采集

預飼期第4 d投喂滲透管（滲透管內SF6氣體剩余量≥400 mg、滲透速率≥2.5 mg/d），給予9 d 的穩定期[11]。在正飼期第1 d 給試驗牛綁定背墊，籠頭和采氣管路，并給予2 d的適應期。

正試期采集氣體樣品，采氣前先將集氣罐用高純氮氣（99.999%）沖洗3 遍，并用真空泵抽真空（P≤-98 kPa）。每天早晨9：00 給每頭試驗牛安裝集氣罐開始采氣，到次日早晨9：00取下并更換新的集氣罐，同時測定集氣罐收氣后的剩余壓力（-60 kPa≤P≤-50 kPa）是否在規定壓力范圍內。每頭試驗牛至少有4個氣體樣品。背景氣體的收集為從每個試驗組中隨機選取一頭牛多安裝一個集氣罐，其進氣口朝向與牛體向相反，安裝和取下的時間同上。氣體收集成功的集氣罐填充高純氮氣（99.999%），填充壓力至120～125 kPa保存，待測。

1.5 飼料樣和糞樣的采集

1.5.1 飼料樣的采集

記錄正試期每天的放料量和剩料量，計算干物質采食量（DMI）；正試期第4、6 d 和8 d 采集各試驗組TMR樣品和剩料樣品，每次采集TMR樣品1 000 g，剩料樣100 g，待3 次采集完混勻取1 000 g 于-20 ℃保存待測。

1.5.2 糞樣的采集

選取全部試驗動物，正試期第4、6 d和8 d采用直腸取糞法采集糞樣，每天等時間點收集3 次，每次約100 g，采集完立即用10%的鹽酸固氮處理。消化代謝試驗結束后將每頭牛3 d采集的糞樣混合、縮樣、凍存，用于營養物質表觀消化率和酸不容灰分含量的測定。

1.6 樣品分析

1.6.1 飼料樣和糞樣的測定

將采集的飼料樣和糞樣風干，粉碎過40目篩，依照AOAC（2000）[12]測定DM、OM、CP、EE、NDF、ADF、Ash、Ca、P 和總能（GE）。CP 含量用Ketuo KDY-9830凱氏定氮儀測定，NDF和ADF含量以ANKOM 200 Fiber Analyzer 測定，總能（GE）采用PARR-6400全自動氧彈量熱儀測定，同時測定樣品的DM和Ash含量，計算OM含量[12]。

樣品酸不容灰分的測定參照國標（GB/T23742—2009）[13]。

營養物質表觀消化率計算公式：

式中：D——某養分的消化率（%）；

a——糞中該成份含量（%）；

b——飼料中酸不容灰分含量（%）；

c——飼料中該養分含量（%）；

d——糞中酸不容灰分含量（%）。

1.6.2 生長性能的測定

在試驗期第10、18 d清晨空腹稱重試驗牛并計算其平均日增重（ADG）和料重比（F/G）。

1.6.3 氣體樣品的測定

氣體樣品CH4濃度和SF6濃度的測定由G126 型氣相色譜（上海儀電分析儀器有限公司）測定。電子捕獲檢測器（ECD）測定SF6濃度，氫火焰離子檢測器（FID）測定CH4濃度。分析條件：色譜柱長3 m，5A分子篩（60～80）；柱箱40 ℃，FID 150 ℃，ECD 300 ℃；氫氣30 ml/min，氮氣60 ml/min；CH4標準氣20 cm3/m3，SF6標準氣5×10-5cm3/m3。進樣量由定量環控制。甲烷產量計算公式如下：

式中：QCH4——甲烷排放量(g/d)；

QSF6——滲透管SF6滲透速率(mg/d)；

QCH4樣品和QCH4背景——分別為樣品氣體和背景氣體中的CH4(cm3/m3)；

QSF6樣品和QSF6背景——分別為樣品氣體和背景氣體中SF6濃度(1×10-6cm3/m3)；

16.04和146.06——分別是CH4和SF6的分子量。

1.7 數據處理

試驗數據用Excel2016 初步處理，數據統計分析采用SAS 9.1 的單因素方差分析（one-way ANOVA），進行顯著性檢驗，差異顯著時用Duncan's法進行多重比較。P＜0.05為差異顯著，P在0.05～0.10之間為有提高或降低的趨勢。

2 結果與分析

2.1 不同精粗比對9月齡后備奶牛甲烷排放量的影響

表2 不同精粗比對后備奶牛甲烷排放量的影響

由表2 可知，隨著日糧精粗比增加，DMI 顯著增高（P＜0.05），CH4日排放量、單位代謝體重CH4排放量、單位DMI 甲烷排放量、單位有機物采食量CH4排放量、單位中性洗滌纖維采食量CH4排放量、甲烷能CH4E、甲烷能/總能攝入量（CH4E/GEI）皆顯著降低（P＜0.05）。

2.2 不同精粗比對9月齡后備奶牛生長性能的影響

由表3 可知，3 組間的初始體重、結束體重、日增重和料重比均無顯著差異(P＞0.05)。DMI B 組和C 組顯著高于A組(P＜0.05)。

表3 不同精粗比對后備奶牛生長性能的影響

2.3 不同精粗比對9 月齡后備奶牛營養物質表觀消化率的影響

表4 不同精粗比對后備奶牛營養物質表觀消化率的影響(%)

由表4可知，各處理組間DM、OM和EE的表觀消化率差異不顯著(P＞0.05)。CP的表觀消化率C組顯著高于A 和B(P＜0.05)，A 和B 無顯著差異(P＞0.05)，然而NDF 和ADF 的表觀消化率C 組顯著低于A(P＜0.05)且兩組皆與B無顯著差異(P＞0.05)。

3 討論

3.1 不同精粗比對9月齡后備奶牛甲烷排放的影響

CH4是反芻動物瘤胃發酵的必然產物，其排放量與動物品種、日糧組成、采食量和瘤胃發酵模式等密切相關[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還原合成CH4的途徑是瘤胃甲烷合成的主要途徑，CO2和H2主要來源于糖降解中丙酮酸轉化為乙酸和丁酸的過程，但丙酸可利用H2生成糖增加氫氣的消除途徑，因此CH4排放與乙酸和乙酸/丙酸正相關，與丙酸負相關[16]。Rotger[17]在牛上的研究表明，隨著飼料精粗比增加，瘤胃發酵向丙酸發酵偏移，乙酸產量減少，所以日糧精粗比與CH4排放顯著負相關。運用SF6失蹤技術測定集約化養殖條件下后備奶牛的甲烷排放量具有可行性，本研究運用SF6示蹤技術測定9月齡中國荷斯坦后備牛不同精料水平（30%、40%和50%）的CH4日排放量為117.7、107.10 g 和97.46 g，發現隨著日糧精粗比升高，CH4日排放量顯著降低，低于Jiao 等[18]采用呼吸測熱室測得的得出的結果，主要是SF6示蹤技術測得甲烷排放量不包括動物直腸產生甲烷[19]，因此比呼吸測熱室測得的甲烷排放量約低6%[20]。Hindrichsen 等[21]給泌乳奶牛飼喂精粗比為0∶100 和50∶50 的日糧，發現50∶50 組的甲烷排放量比全粗組降低了18%；樊霞等[4]的研究結果也表明隨著日糧精料比例的增加甲烷排放量顯著降低；Lovett 等[22]給肉犢牛飼喂精粗比35∶65，60∶40，90∶10的日糧時發現，單位代謝體重的甲烷排放量隨日糧精料比例增加顯著降低。

甲烷排放量與DMI 密切相關[23]，Ramin 等[24]認為隨著采食量的增加，食糜通過瘤胃的速度增加，營養物質在瘤胃的發酵時間減少，日糧中NFC 含量增加，NDF 含量減少，發酵模式改變，也使總甲烷排放量減少，所以單位DMI、OMI 的甲烷排放量減少，這與Aguerre 等[25]給泌乳奶牛飼喂不同精粗比（53∶47，46∶54，39∶61，32∶68）的日糧時增加精料比例而顯著減少單位DMI、OMI、DNFI 的甲烷排放量的結果一致。Jihnson 等[26]報道，奶牛CH4/GEI 約為6%，隨著日糧中精料比例的增加，CH4/GEI 可降低至4%～5%，本研究也得出相似結果。單位NDF 消化產生的甲烷是單位非纖維物質的3～5倍[23]，且NDF 含量與甲烷排放是正相關的[6]，因此增加日糧NFC/NDF 減少NDF，且使瘤胃pH值降低而降低了纖維降解菌的活性和豐度導致NDF 的降解率降低，所以甲烷排放降低，甲烷能減小。在Aguerre 等[25]的研究中，精粗比為32∶68 組和53∶47 組的的奶牛甲烷日排放量分別為648 g/頭和538 g/頭，甲烷日排放量減少了17.2%，而本研究中NFC/NDF 高組相比于低組的甲烷日排放量也減少了17.2%。通過本研究結果與前人結果相比較，向日糧中添加精料，可以有效降低青年后備牛的甲烷排放和甲烷能/總能。但在實際生產中，反芻動物采食過多的精料，會引起動物酸中毒、蹄炎和過度肥胖等營養代謝疾病，因此日糧精粗比應控制在適宜范圍內。

3.2 不同精粗比對9月齡后備牛生長性能的影響

在適宜的精粗比范圍內，日糧精粗比與日增重正相關[27]。梁大勇等[28]給荷斯坦青年公牛分別飼喂精粗比為40∶60，50∶50，60∶40 的日糧，發現隨著日糧精料比例增加，日增重顯著增加。日糧能量水平和日增重相關，能量攝入越多，平均日增重越高[29-30]。本試驗中，不同精粗比日糧對日增重無顯著影響，可能是由于日糧能量水品相近所致，這也與本研究飼料營養物質消化率各組間無顯著差異的結果相統一。在Lamas等[31]的試驗中，隨著日糧精粗比的增加，干物質采食量顯著增加，這與本試驗結果一致，也與王吉峰[32]、Weiss 等[33]的研究相同。NRC[9]認為，消化率低的飼料限制干物質采食量，因為其消化速度慢，在消化道停留時間長，因此提高日糧精料水平(小于60%)總能提高干物質采食量。本試驗結果表明，日糧精飼料從30%增加到50%，并沒有改變后備奶牛的增重，說明此生理階段的后備牛，可以利用粗飼料，從飼料轉化效率和飼料成本的角度分析，后備牛應該飼喂精料在30%左右的日糧，對于生產實際起到有利作用。

3.3 不同精粗比對9 月齡后備牛營養物質表觀消化率的影響

適宜的精料比例可以提高反芻動物對日糧中營養物質的利用，本試驗結果表明，飼喂精粗比30∶70，40∶60，50∶50 的日糧，后備牛DM、OM 的表觀消化率無顯著差異，粗蛋白質表觀消化率顯著提高，但NDF和ADF的表觀消化率顯著下降，這與汪水平等[34]和Macgrgeor等[35]的結果一致，表明9月齡后備牛瘤胃發育成熟，具有消化粗飼料的能力，應維持日糧的精粗比在30%為宜。而在Dado 等[36]和Yang 等[37]的研究中，提高日糧精料比可顯著提高DM 和OM 的表觀消化率，這可能與日糧中NDF水平有關。隨著日糧精料比例增加，快速可發酵碳水化合物數量增加，纖維的消化速度和流量會變化[9]，所以在一定精粗比范圍內，纖維和非纖維營養物質的消化率是動態平衡的，因為隨著日糧NFC/NDF增加，pH值顯著升高，瘤胃纖維降解菌活性和豐度顯著降低[38-40]，使纖維降解率降低，而NFC是易消化有機物，可在瘤胃降解也可在后腸道消化吸收。瘤胃蛋白降解菌主要有棲瘤胃普雷沃氏菌、嗜淀粉瘤胃桿菌和溶纖維丁酸弧菌[41]，雖然溶纖維丁酸弧菌會隨NFC/NDF下降[42]，但棲瘤胃普雷沃氏菌與日糧蛋白含量正相關[43]，淀粉分解菌與NFC/NDF正相關[44]。這可以解釋本試驗的CP 的消化率隨著精粗比增加而增高，與Dado 等[36]和Yang 等[37]的高精料組CP消化率高的結果一致。提高日糧精粗比，降低了纖維的消化率，使甲烷菌合成甲烷的前體物質H2減少，因此瘤胃甲烷排放降低。

4 結論

在本試驗條件下，得出如下結論：

①提高日糧精粗比能夠有效減少9 月齡后備奶牛的甲烷排放，但綜合其對生長性能和營養物質消化的影響及牧場經濟效益，應給9月齡后備奶牛飼喂精料水平約30%的日糧為益，甲烷排放量為117.7 g/d。

②提高日糧精粗比，可以提高9月齡后備奶牛的粗蛋白消化率和干物質采食量，降低纖維的消化率，且對干物質和有機物的消化率無顯著影響和日增重無顯著影響。