飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量、營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率及生產(chǎn)性能的影響

王 貝 ， 許貴善 ， 李斌昌 ， 董利鋒， 呂小康 ， 彭婉婉 ， 刁其玉 *

（1.塔里木大學動物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所，北京 100081；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，甘肅蘭州730070）

反芻動物胃腸道代謝產(chǎn)生的甲烷，其輻射強迫顯著高于二氧化碳，是溫室氣體排放的重要來源，并對全球熱量收支和國家溫室氣體排放清單有重要意義 （Beauchemin 等，2008；Moss 等，2000）。據(jù)估計全世界家畜年排放甲烷量約8.0×107t，其中牛的甲烷排放量約占73%（Kebreab等，2008）。甲烷排放量與飼料轉化率有關，是反芻動物能量代謝的重要組成部分，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要標志。奶牛是能高效利用飼料能量、蛋白質(zhì)、纖維和非蛋白氮，并能高效產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)動物性蛋白最理想的動物。隨著人們對優(yōu)質(zhì)牛奶需求量的不斷增加，如何在提高產(chǎn)奶量、改善乳品質(zhì)的同時，減少甲烷排放量，降低對大氣環(huán)境造成的污染，變得至關重要。目前關于奶牛甲烷排放數(shù)據(jù)多為呼吸測熱室法獲得，并非奶牛生產(chǎn)狀態(tài)，而通過估算模型所得數(shù)據(jù)則與實際有差距，且國外推薦的測算方法大多高估我國溫室氣體的實際排放量。處于泌乳高峰期的奶牛大多處于能量負平衡狀態(tài)，是其生理階段中飼養(yǎng)難度最大的階段。本試驗在不同中性洗滌纖維/非纖維性碳水化合物（NDF/NFC）飼糧下，研究其對泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量、營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率及生產(chǎn)性能的影響，為優(yōu)化飼糧營養(yǎng)配制，提高飼糧利用率和溫室氣體減排提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點 試驗于2018年10月1日至10月31日在北京市房山區(qū)琉璃河鎮(zhèn)趙營村某奶牛場進行。

1.2 試驗設計 試驗選用處于泌乳高峰階段荷斯坦奶牛12頭，月齡 （37.34±2.95）月、體重（564.04±24.97）kg、胎次（1.58±0.23）胎、泌乳天數(shù)（88±15.32）d、產(chǎn)奶量（20.83±0.77）kg/d。飼養(yǎng)試驗進行24 d，包括14 d預飼期和10 d正試期。在正試期的前6 d進行氣體代謝試驗，第7～10天采集飼料樣和糞樣，第11～13天采集奶樣，第14天采集瘤胃液。

1.3 試驗飼糧及飼養(yǎng)管理 將12頭奶牛采用隨機區(qū)組設計分為3組，即NDF/NFC分別為1.14（低組）、1.30（中組）和 1.55（高組），每組 4 頭牛。其中高組飼糧為試驗牧場飼喂經(jīng)典飼糧。試驗牛集中于同一牛舍飼養(yǎng)，分群飼喂，統(tǒng)一管理，試驗期內(nèi)于每天 07：00和 19：00飼喂全混合飼糧（TMR），每天 06：30 和 18：30 采用管道式擠奶機擠奶，散欄飼養(yǎng)，自由飲水。飼糧組成及營養(yǎng)成分見表1。試驗期內(nèi)平均全天最高溫度15.3℃，最低溫度8.1℃，平均溫度11.7℃；最高濕度75%，最低濕度26%，平均濕度50.5%。圈舍懸掛舔磚，每周消毒1次，所有參試奶牛的飼養(yǎng)環(huán)境、飼喂方式、飼糧和飼喂程序均保持一致。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 SF6示蹤技術 試驗采用SF6示蹤技術測定泌乳奶牛瘤胃發(fā)酵甲烷排放量。其測定原理是在低溫下將SF6氣體裝入滲透管，通過體外測定滲透管質(zhì)量的變化計算SF6氣體的滲透速率，再將已知滲透速率的SF6滲透管投入待測動物瘤胃中，由于SF6物理性質(zhì)與CH4類似，可隨噯氣一起排出。因此，在反芻動物口鼻處同一點使用同一采樣器收集的氣樣被空氣稀釋的程度也相同，故通過收集反芻動物呼出的氣體，并測定SF6氣體與CH4氣體濃度，再根據(jù)已知SF6滲透速率即可推算出 CH4排放量（Lassey 等，2001）。

在正試期前3 d使用牛用投藥槍將SF6滲透管成功投入試驗奶牛瘤胃中，同時將龍頭和集氣罐支持墊安裝在奶牛身上以備適應。在氣體收集時每天7：00將集氣罐抽成真空，與采氣管路通過快速接頭相連，開始收集口鼻周圍氣體，同時計時。 每天 08：00至次日 08：00，連續(xù) 24 h采集結束后，更換新的集氣罐，并測定采氣后集氣瓶，剩余壓力在-40 KPa以上表明采樣成功。背景氣體的采集時間、裝置、收集方法與甲烷氣體收集方法相同。將裝有氣樣的集氣罐充入高純氮氣（99.999%），使氣壓達到 120 KPa。

表1 試驗飼糧組成及營養(yǎng)水平（DM基礎）

氣相色譜儀器準備和測定條件：試驗所用到的氣相色譜儀（上分GC-126）配備FID和ECD檢測器，可一次進樣同時測定CH4和SF6；載氣為高純氮氣，流量為40 mL/min；燃氣為高純氫氣，流量為30 mL/min；助燃氣為干燥壓縮空氣；色譜柱溫40℃；進樣口溫度150.0℃；FID檢測器溫度150.0℃；ECD檢測器溫度 300.0℃；SF6標準氣（標準氣體，北京海普氣體有限公司，北京）濃度為0.01 ppb SF6和10 ppm CH4，填充氣為高純氮氣，SF6采用單點校正法進行標定；將氣體樣品經(jīng)過裝有定量閥的進樣器進樣，重復進樣3次以上，峰面積偏差小于5%時取平均值作為有效峰面積，套入標準曲線取對應濃度值。并通過以下公式計算泌乳奶牛CH4產(chǎn)量：

式中：CH4為泌乳奶牛甲烷排放量；SF6為滲透管的滲透速率，mg/d；CH4（樣品）和 CH4（背景）分別為泌乳奶牛樣品和背景中的CH4濃度，ppm；SF6（樣品）和SF6（背景）分別為泌乳奶牛樣品和背景中的氣體濃度，ppt；16.04和146.06分別為CH4和SF6的相對分子質(zhì)量。

1.4.2 消化代謝試驗

1.4.2.1 營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率 采用酸不溶灰分法（4N-AIA）測定營養(yǎng)物質(zhì)消化率。在試驗正試期記錄每天投料量，剩料量控制在5%～10%，計算干物質(zhì)采食量（DMI）。在正試期連續(xù)3 d采集各組TMR飼料樣，將各組飼料樣分別混合均勻后四分法縮樣，各取500 g，密封于自封袋中-20℃冷凍保存待測。在正試期的第7～10天采用直腸取糞法連續(xù)收集糞樣16次，每頭牛每次收集糞樣100 g， 采樣時間點分別為第 7 天的 7：00、11：00、15：00、19：00，第 8 天的 8：00、12：00、16：00、20：00，第 9 天的 9：00、13：00、17：00、21：00，第 10 天的 10：00、14：00、18：00、22：00。 每次取糞后按照每 100 g 鮮樣加10 mL 10%鹽酸固氮，混勻后密封于自封袋中-20℃冷凍保存待測。將采集的飼料樣置于105℃15 min滅酶活后，與糞樣分別65℃烘干48 h，回潮24 h后稱重，粉碎過40目篩后制成分析樣品保存待測。

TMR樣和糞樣中常規(guī)營養(yǎng)成分的測定方法：總能（GE）使用Parr-6400全自動氧彈量熱儀（北京東方圣隆達科技有限公司，美國）測定；粗蛋白質(zhì)（CP）含量使用KjeltecTM Sampler 8420全自動凱氏定氮儀 （FOSS，蘇州安創(chuàng)儀器有限公司，丹麥）測定；粗脂肪（EE）含量使用ANKOMXT15全自動脂肪儀（南京瑤恩儀器設備有限公司，美國）測定；干物質(zhì)（DM）、中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）、灰分（Ash）含量指標參照《飼料分析及飼料質(zhì)量檢測技術》測定（張麗英，2010）；由于部分飼糧所含精料比例較高，NDF和ADF采用熊本海等（2008）及 Van Soest等（1991）報道的方法，用胃蛋白酶（Pepsin P7000，Sigma-Aldrich Co.LLC.，USA）、 熱穩(wěn)定 α-淀粉酶 （α-Amylase A4551，Sigma-Aldrich Co.LLC.，USA） 預先對飼料樣品酶解處理，再用中性洗滌劑和酸性洗滌劑進行洗滌；同時使用4N-AIA法測定飼料和糞中酸不溶灰分含量，各營養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率計算方法參照Zhong等（2008）的公式：

1.4.2.2 產(chǎn)奶量及乳成分 試驗開始前3 d準確記錄試驗奶牛初始產(chǎn)奶量，正試期每天記錄每頭牛產(chǎn)奶量，計算試驗期間的平均日產(chǎn)奶量。在正試期11～13 d按照早晚 1∶1的比例取奶樣，取樣量為每天50 mL，奶樣添加萬分之六重鉻酸鉀用作防腐劑，4℃保存待測。待奶樣采集完畢后及時送至北京奶牛中心乳品質(zhì)量檢驗站進行檢測，乳脂率、乳蛋白率、乳糖率采用紅外光譜儀測定，體細胞數(shù)采用乳成分體細胞測定儀測定。產(chǎn)奶凈能（NEL）和奶牛能量單位通過以下公式計算：

產(chǎn)奶凈能/（MJ/kg）=0.5501×消化能 （MJ/kg）-0.3958；

消化能/（MJ/kg）=GE（MJ/kg）×能量消化率（%）；

奶牛能量/（NND/kg）=NEL（MJ/kg）/3138×1000；

代謝能/（MJ/kg）=GE （MJ/kg）×表觀消化率（%）×0.82；

NFC/%=[1-（CP+EE+NDF+Ash）]×100；

4%標準奶量/（FCM，kg）=M×（0.4+0.15×F）；

式中：M為乳脂率為F的牛奶量，kg；F為牛奶的實際乳脂率，%。

1.5 統(tǒng)計與分析 數(shù)據(jù)采用Excel 2018進行初步整理后，采用SPSS 20.0軟件中one-way ANOVA模型進行單因素方差分析和方差齊性檢驗，差異顯著時用Duncan’s法進行各組間多重比較，P＜0.05為差異顯著，P≤0.01為差異極顯著，0.05≤P＜0.10為存在差異趨勢。

2 結果與分析

2.1 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影響 由表2可知，低組甲烷排放量、甲烷能、甲烷/粗料采食量、甲烷能/代謝能極顯著低于高組（P≤0.01），低組、中組甲烷排放量分別較高組降低了17.00%、11.41%；甲烷/干物質(zhì)采食量、甲烷/有機物采食量、甲烷/精料采食量、甲烷/NDF采食量、甲烷/ADF采食量、甲烷能/總能攝入量、甲烷能/產(chǎn)奶凈能、甲烷能/消化能在3個處理組間均有極顯著差異（P≤ 0.01），低組、中組甲烷/干物質(zhì)采食量分別較高組降低了38.69%、25.78%，甲烷能/總能攝入量分別降低了40.75%、28.10%；甲烷/產(chǎn)奶量組間存在差異趨勢（0.05≤P＜ 0.10）；甲烷/代謝體重、甲烷/標準乳量在 3組間差異不顯著（P＞0.05）。

表2 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影響

2.2 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率的影響 由表3可知，低、中、高3組 飼 糧 DM、GE、CP、EE、NDF、ADF、OM、NFC 的表觀消化率均差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛生產(chǎn)性能和飼料轉化率的影響 由表4可知，3組的產(chǎn)奶量、4%標準乳產(chǎn)量和飼料轉化率均無顯著差異（P＞0.05）。低組日增重極顯著高于高組（P＜0.01）。

由表5可知，乳脂率及其總量、乳蛋白率及其總量、乳糖率及其總量在3組間均差異不顯著（P ＞ 0.05）。

表3 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛營養(yǎng)物質(zhì)消化率的影響%

表4 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛生產(chǎn)性能的影響

表5 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛乳成分的影響

3 討論

3.1 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛瘤胃甲烷排放量的影響 反芻動物甲烷排放量受多種因素的影響，主要包括飼糧類型、營養(yǎng)水平、采食量、飼料加工方式、飼喂程序和環(huán)境溫度等。飼糧NDF/NFC水平通過影響飼糧碳水化合物組成結構進而影響瘤胃發(fā)酵模式，丙酸型發(fā)酵不利于甲烷的合成，而乙酸型發(fā)酵則使甲烷排放量增加；飼糧NFC含量的增加，可促進瘤胃優(yōu)勢菌落的生長繁殖，抑制原蟲活性，而甲烷菌附著于原蟲表面，兩者為共生關系，原蟲數(shù)量減少則甲烷菌也隨之減少，因此降低了甲烷排放量（Ramin等，2013；韓昊奇等，2011）。本試驗中，低組、中組、高組試驗奶牛單頭的甲烷排放量分別為 325.23、347.16、391.86 g/d。趙一廣（2012）研究發(fā)現(xiàn)，飼糧精粗比由32：68增加至64∶36時，肉用綿羊單位可消化有機物甲烷排放量由41.34 L/kg降低至33.73 L/kg，降低了約18%。反芻動物采食高NDF飼糧時，瘤胃原蟲可直接利用植物纖維，發(fā)酵轉化為揮發(fā)性脂肪酸。同時，瘤胃內(nèi)纖維分解菌大量增殖，瘤胃內(nèi)主要進行乙酸型發(fā)酵，氫分壓升高，刺激甲烷菌大量增殖，從而甲烷產(chǎn)量增加。

本試驗中，低、中、高組單位干物質(zhì)采食量的甲烷產(chǎn)量分別為 15.58、18.86、25.41（g/kg·d），3 組間存在顯著差異。低NDF/NFC飼糧利于丙酸型發(fā)酵，可促進瘤胃內(nèi)微生物攝取飼糧中可溶性碳水化合物和蛋白質(zhì)，增加對瘤胃內(nèi)氫的消除，從而抑制纖維分解菌和甲烷菌的活性。研究發(fā)現(xiàn)，纖維組分產(chǎn)生的甲烷量是非纖維組分的2～5倍。同時，碳水化合物在瘤胃內(nèi)更易發(fā)酵，其發(fā)酵速率、含量會影響微生物對能量的利用率，從而影響甲烷排放量。周艷（2018）研究發(fā)現(xiàn)，NFC/NDF為0.78組和NFC/NDF為2.17組的肉羊單位干物質(zhì)采食量的甲烷產(chǎn)量分別為46.85 L/kg和30.23 L/kg，高NFC/NDF組顯著低于低NFC/NDF組。

Johnson等（1995）報道，奶牛單位總能攝入量的甲烷能產(chǎn)量約為6%，飼喂更多易消化碳水化合物可降低單位總能攝入量的甲烷能產(chǎn)量至4%～5%。娜仁花等（2010）的研究結果顯示，精粗比為40∶60的玉米秸稈型飼糧、精粗比為40∶60的玉米秸稈青貯型飼糧、精粗比為 60∶40的玉米秸稈青貯型飼糧分別飼喂奶牛，單位總能攝入量的甲烷能為5.91% ～7.13%。吳爽等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，以4種不同粗飼料及其組合、精粗比同為40∶60的飼糧飼喂奶牛，結果顯示單位總能攝入量的甲烷能產(chǎn)量為4.7%～5.5%。本試驗中，低、中、高3組單位總能攝入量的甲烷能產(chǎn)量分別為4.87%、5.91%、8.22%，與上述研究結果一致。

3.2 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率的影響 飼糧營養(yǎng)成分結構是決定其消化率的主要因素。飼糧中可被微生物快速降解和利用的物質(zhì)含量增加，會更有利于纖維分解菌和蛋白質(zhì)降解菌的生長繁殖，進而干物質(zhì)、有機物和蛋白質(zhì)的消化率增加。同時，飼糧NFC比例增加，瘤胃發(fā)酵模式發(fā)生轉變，丙酸濃度增加，刺激瘤胃乳突的發(fā)育，單位面積乳突數(shù)量、長度增加，進而提高瘤胃上皮對揮發(fā)性脂肪酸的吸收率，增加飼糧營養(yǎng)物質(zhì)消化率。本試驗中DM、GE、CP、NDF、ADF、OM 表觀消化率隨著飼糧 NDF/NFC的提高而逐漸降低。飼糧NDF水平的增加會引起單位NDF攝入量的增加，加快食糜在胃腸道的流通速度，使更多的養(yǎng)分后移至腸道中繼續(xù)分解，從而縮短了食糜與瘤胃微生物的作用時間，導致表觀消化率的降低。易學武等（2006）研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼糧中 NDF 的增加，DM、OM、NDF、ADF 的表觀消化率均顯著降低。

3.3 飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛生產(chǎn)性能和飼料轉化率的影響 本試驗中，隨著飼糧NDF/NFC的升高，奶牛干物質(zhì)采食量逐漸降低，與Grummer等（2004）研究結果飼糧NDF水平的提高會降低干物質(zhì)采食量一致。過高的NDF水平飼糧會增大奶牛瘤胃內(nèi)食糜體積，增強飽腹感，降低奶牛食欲，限制采食量，從而導致產(chǎn)奶量的降低，產(chǎn)生對奶牛生產(chǎn)性能不利的影響。飼糧干物質(zhì)采食量直接決定了奶牛用于維持和生產(chǎn)的養(yǎng)分供給量，而飼糧的組成及營養(yǎng)水平對奶牛產(chǎn)奶量和乳脂率起著決定性作用。碳水化合物經(jīng)瘤胃微生物發(fā)酵產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸是奶牛的基本能量來源以及乳脂前體物的重要合成原料，其中乙酸是乳脂的前體物質(zhì)，而丙酸可通過異生作用生成糖，因此乙酸與丙酸的比值會直接影響牛奶的乳脂率。

范鋌（2014）用 NDF 水平為 40%、43%、46%的3種飼糧飼喂泌乳中期奶牛，結果發(fā)現(xiàn)奶牛產(chǎn)奶量隨著飼糧NDF水平的升高而降低。本試驗中，奶牛干物質(zhì)采食量和產(chǎn)奶量呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，均隨著飼糧NDF/NFC的提高逐漸降低。Kanjanapruthipong等（2006）用NDF水平為 23%、25%、27%、29%的飼糧飼喂泌乳高峰期奶牛發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)奶量、4%標準乳產(chǎn)量、乳蛋白率、乳蛋白產(chǎn)量及乳糖產(chǎn)量均隨著NDF水平的提高而顯著降低。史仁煌等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，隨著飼糧NDF水平的提高，奶牛干物質(zhì)采食量、產(chǎn)奶量、乳糖產(chǎn)量、乳蛋白產(chǎn)量均顯著降低。朱芬花等 （2017）、溫嘉琪等（2014）、易學武等（2006）也得到了一致的研究結果。本試驗中，4%標準乳產(chǎn)量、乳脂總量、乳糖總量、乳蛋白總量均表現(xiàn)為隨著飼糧NDF/NFC的提高逐漸降低，這與以往研究結果相一致。

本試驗中，各試驗組奶牛的日增重差異顯著，低、中、高 3 組試驗牛分別為 0.84、0.66、1.94 kg，試驗奶牛正處于泌乳高峰期，對營養(yǎng)的需求量也處于旺盛期，且泌乳奶牛長期產(chǎn)奶容易造成機體損傷，導致機體免疫力下降、患病率升高（Turk等，2008；Lykkesfeldt等，2007）。在低溫條件下，更應該提高奶牛維持的能量需要量。飼糧中精料比例增加，瘤胃發(fā)酵模式更趨于丙酸型發(fā)酵，丙酸合成的葡萄糖可沉積更多的體脂，有助于增加體重，能幫助奶牛維持良好的體況，更好的越冬，且本試驗中飼喂的青貯為全株玉米青貯，兼有青飼料和粗飼料的特性，更適合瘤胃微生物對蛋白質(zhì)的降解和利用，從而增加采食量和日增重。

4 結論

在本試驗條件下，飼糧NDF/NFC能顯著影響泌乳高峰期奶牛甲烷排放量和單位代謝體重的甲烷排放量。飼糧NDF/NFC為1.14～1.55，對泌乳高峰期奶牛營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率無顯著性影響，但隨著飼糧NDF/NFC的下降，營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率呈升高趨勢。另外，飼糧NDF/NFC對泌乳高峰期奶牛生產(chǎn)性能無顯著性影響，但對日增重有顯著影響。