飼料原料來源及其對動物生產和環境可持續發展的影響

程佳敏

（黃岡師范學院，湖北黃岡 438000）

畜牧業生產在全球范圍內以多種方式進行，為人們的生活和其他產業提供各種各樣動物蛋白及其副產物。目前，畜牧業已經成為發展中國家增長最快的農業產業之一，因為發展中國家的人口增長率、城市化進程和收入水平都得到了極大程度的提高，這種客觀的外界環境無疑促進了人們對畜產品的大量需求。一方面，發展中國家對畜產品需求量的增長為當地畜牧業的高速發展提供了契機；另一方面，發展中國家的大部分需求往往需要由當地生產來滿足，這種情況很可能會一直延續。而農業生產的擴大需要使經濟收入低的人群從中獲益，并減輕其對環境的影響。從現實情況來看，盡管畜牧業是農業產業的重要組成部分，但畜牧業帶來的一系列問題無法回避，如糞污、廢氣、廢棄物、水體富營養化等。其中，畜牧業排放溫室氣體造成全球氣候變暖的問題逐漸受到人們的廣泛關注（覃春富等，2011）。在全球范圍內，每年大約有8000萬t甲烷是通過腸道發酵生產的，其中反芻動物貢獻了很大一部分。飼養反芻動物中的甲烷是由產甲烷菌在瘤胃和消化道后端對飼料發酵產生的，占飼料總能量的2%～12%（安娟和趙曉川，2006）。因此，降低反芻動物甲烷排放的相關策略一直具有獲得經濟和環境效益的潛力（Patra，2011）。

1 全球動物生產系統

各個國家的養殖生產環境、生產強度、生產目的存在很大的差異，他們根據農業生態和產品需求對動物生產系統進行了分類。在這些系統中，畜禽養殖與農作物生產交織在一起，如亞洲的水稻 /水牛或谷物 /肉牛（Steinfeld等，2006）。動物糞便往往是維持土壤肥力的必要條件，過去幾十年，許多發展中國家出現了大型集約化畜牧生產，特別是以豬和家禽為生產單位，以應付對畜牧產品迅速增長的需求（史光華等，2004）。此外，每個系統融入市場經濟的程度因許多因素而異，其中最重要的因素也許是地理位置，因為地理位置對市場一體化的影響是雙重的：一方面是對農業生態的影響，另一方面是對基礎設施的影響。一些地區的市場一體化程度可能更高，因為降雨和土壤條件有利于種植，而其他城市可能缺乏其中一項或兩項優勢，動物生產系統可分為以下幾類。

1.1 自給動物生產系統 對于以維持生計為主的家庭農場來說，土地和勞動力是主要的生產因素。資本投資限于非貨幣性的設備、土地改良和飼養的畜禽動物，其生產的提高主要取決于天氣和由家庭控制生產要素的數量和質量，如充分利用剩余勞動力、利用動物糞便提高土壤肥力、更好的畜禽管理方法（候扶江等，2009）。小農養殖生產的進展很可能是緩慢的，但通過農業系統研究、教育和推廣方案可以得到改善。由于當地的非農就業機會很少，貨幣循環在以維持生計為主的家庭經濟中起的作用很小。對于以生存為導向的農場來說，產出和消費是相同的，因此，這些家庭基本上（但并非全部）對價格和市場信號沒有很敏感的反應。生活在這些條件下的家庭很少以生產最大化為目標，因為這將意味著專業化及其伴隨的風險，以維持生計為主的農民不愿意從傳統的做法轉向新技術。

1.2 半自給動物生產系統 半自給自足的家庭生產了消費需求的60%～80%農產品，此外，它還將生產蔬菜、茶等經濟作物以及飼養的畜禽一并出售（李麗華和唐增，2013）。因此，半自給生產者將面臨與價格波動和自然環境變化有關的風險。因此，貨幣循環在半自給自足的生產單位中起著重要作用。與以生存為導向的養殖戶相比，這類養殖戶往往對市場和價格信號更敏感。在市場上銷售的畜產品份額越高，貨幣循環在半自給生產體系中的重要性就越大，市場和價格信號的影響最終將取決于市場一體化的程度（楊朝英，2009）。從自給自足向更加商業化生產過渡的第一步可能是需要獲得現金流來滿足日常的生活或生產，只要這種需求是以銷售為唯一目的，那么價格和市場供應之間就會存在負相關關系。換句話說，市場價格越高，需要出售的數量就越少，反之亦然（楊朝英，2009）。

隨著過渡進程的繼續，市場供應的反應變得積極，因為生產者認識到增加現金收入使他們能購買其他消費品，從而改善其生活或生產。如果這些商品能定期在當地市場買到，收入增長可能會成為一個重要的家庭目標。更高的收入也使家庭能購買更多的外部生產要素（化肥、種子或養殖動物），從而進一步提高產量。因此，從純粹的半溫飽、溫飽生活狀態過渡到更多的商業化農業生產將對農村家庭的消費和生產產生兩個相互關聯的影響，即直接購買消費品和服務以及通過增加使用外部投入而使收入進一步增長（高帆和張文景，2013）。對于生活在這些制度下的家庭來說，規避風險仍然是家庭決策的一個重要決定因素。這些生產者面臨著與價格波動相關的風險，也面臨著氣候變化帶來的風險。有時這些因素會相互抵消，如產量低導致市場產品短缺，使市場價格上漲，反之亦然。

1.3 集約化動物生產系統 在這些系統中，生產單位往往對價格和市場信號反應靈敏，會根據價格和市場信號來決定企業的發展規劃。對于生活在這種條件下的家庭來說，資源配置將在很大程度上由利潤決定，而不是生存動機。然而，盡管風險規避在決策中所起的作用較小，但如果市場不可靠或機構支持（信貸、價格穩定、動保服務）不足，家庭往往不會完全進行商業生產。商業系統的存在既與需求因素有關，也與供應因素有關，如人口密度和購買力高的地區，特別是東亞、歐洲和北美沿海地區，這些地區海洋港口條件便利，顯示出工業系統的高度集中，并進口了許多必要的飼料原料（Steinfeld等，2006）。相比之下，美國中西部、巴西和阿根廷的內陸地區有充足的飼料原料，這些地區的養殖系統主要依賴于當地過剩的飼料資源。

2 動物蛋白產品的需求

畜牧業面臨著越來越大的壓力，必須滿足對高價值動物蛋白日益增長的需求，隨著人口增長、城鎮化及收入增加，預計到2030年，動物蛋白年產量將從1997～1999年的2.18億t增加到3.76億t。收入水平與動物蛋白消費之間存在很強的正相關關系，由于養殖水平的提高，動物蛋白（肉、蛋、奶）產量增加，價格下降，發展中國家的國內生產總值水平比工業化國家在大約20或30年前低很多，但肉類消費量卻在增加。城市化是影響全球畜產品需求的主要驅動力。城市化促進了包括冷鏈在內的基礎設施的改善，與農村居民飲食不太多樣化相比，城市居民飲食結構多樣，富含動物蛋白和脂肪，肉類、蛋類、牛奶等乳制品的消費量較高。

在巴西和中國等國家，動物產品消費有顯著增長，盡管這一水平仍遠遠低于北美和大多數其他工業化國家的消費水平。與全球平均水平相比，美國肉類消費量最高，消耗肉類最少的國家是非洲和南亞，這些國家的人均肉類消費量為3～5 kg/年（Sppedy，2003）。隨著人們對飲食豐富和多樣化的需求，畜牧業提供的高價值蛋白質改善了世界絕大多數國家的營養。畜禽產品不僅提供高價值的蛋白質，也是重要的微量元素，特別是鐵和鋅等礦物質和維生素（如維生素A）的重要來源。

3 動物生產與溫室氣體

畜產品日益增長的需求可能對環境產生不利影響。如大規模養殖場的糞污處理是一個很大的問題，將帶來一系列環境和公共衛生風險。畜牧生產對環境的影響僅限于過度放牧、沙漠化和垃圾處理不當造成的環境污染等局部性問題（Moran和 Wall，2011）。在發展中國家，畜牧業不僅為人提供動物蛋白，而且還提供廣泛的非食物福利，包括收入、就業、對農村和社會發展的許多貢獻。目前人們應對全球氣候變化的關注點集中在主要的排放源上，核查所有重要的排放源，這在很大程度上是因為發達國家已承諾實現減排目標，這些目標必須在其管轄范圍內由污染行業共同承擔。畜牧業生產系統估計占全球人為溫室氣體排放的18%，主要來源和類型是動物產生的甲烷（25%）、土地利用及其變化產生的二氧化碳（32%）和糞肥產生的一氧化二氮（31%）。

4 減少養殖排放的溫室氣體

眾所周知，畜禽養殖對溫室氣體的排放約占人為溫室氣體排放的18%（Steinfeld等，2006）。在家畜中，反芻動物（肉牛、水牛、綿羊、山羊和駱駝）的瘤胃和后腸產生了大量甲烷，瘤胃飼料的發酵是腸內發酵產生甲烷的最大來源。反芻動物產甲烷是一個復雜的過程，涉及到一組微生物菌群，統稱為產甲烷菌群。在這個過程中，瘤胃微生物將攝入的有機物轉化為微生物生長所需的能量，并轉化為發酵的最終產物，包括揮發性脂肪酸、醇類、氫氣和二氧化碳（Patra，2011）。瘤胃產生的揮發性脂肪酸主要有乙酸、丙酸和丁酸，一般占揮發性脂肪酸總量的95%以上，其中在己糖轉化為乙酸或丁酸的過程中，多余的能量被丁酸利用，但主要被轉化為甲烷（Moss等，2000）。產甲烷的古生菌能吸收一些最終產物，并與氫氣反應生成甲烷和水。在瘤胃中積累的甲烷和其他揮發性氣體最終通過口腔排到大氣中。反芻動物的甲烷排放占飼料總能量損失的2%～12%，這取決于飼料類型（Johnson和 Johnson，1995）。

4.1 飼養管理 日糧營養水平升高會降低甲烷排放量作為能量攝入的比例或以動物產品（肉或奶）為單位轉化（Matin等，2010）。用大多數高能量精料中含有的非結構性碳水化合物（淀粉和糖）取代日糧中的結構性碳水化合物（纖維素、半纖維素）可增加飼料攝入量，提高瘤胃發酵速度，加速飼料在胃腸道的周轉，從而導致瘤胃理化條件和微生物種群大量改變。隨著淀粉發酵微生物的繁殖，揮發性脂肪酸由乙酸向丙酸轉變，降低甲烷產量，因為瘤胃氫源的相對比例下降，氫鍵的相對比例增加。飼喂含45%淀粉飼料的公牛甲烷排放量較低，可以更好地解釋為瘤胃pH較低以及原生動物數量的減少（Matin等，2010）。低瘤胃pH還可能抑制產甲烷菌和纖維素分解菌的生長和活性（Hegarty，1999）。

在高濃縮飼料（70%）中，用大麥代替甜菜粕可以減少34%的甲烷排放（Lovett等，2005）。Beauchemin等（2008）評估了飼喂含有玉米（慢速降解淀粉）或大麥（快速降解淀粉）奶牛的甲烷排放發現，原料來源對甲烷排放的影響受生產階段的限制。

4.2 植物次生化合物 植物次生化合物（濃縮單寧和皂苷）是反芻動物飼料的重要添加劑，尤其是作為甲烷減排策略。單寧在產甲烷過程中有兩種作用方式：一種是直接作用于瘤胃產甲烷菌，另一種是由于飼料降解較低而間接抑制產生氫氣（Wanapat等，2013）。Chanthakhoun等（2011）報道，濃縮單寧通過對產甲烷菌的直接毒性作用，可以減少13%～16%的甲烷生成量。在適當的劑量下，皂苷或含皂苷的植物具有抑制原生動物種群、增加細菌和真菌種群、增加丙酸鹽產量、提高微生物蛋白合成、減少瘤胃產甲烷的作用（Wanapat等，2013）。

4.3 有機酸 有機酸（蘋果酸、富馬酸和丙烯酸酯）是反芻動物日糧中常用于提高瘤胃發酵效率的有機酸。與體外評估添加有機酸對瘤胃產甲烷影響結果相比，體內試驗結果仍然是不確定且高度可變的。如在奶牛日糧中添加有機酸沒有發現任何變化，而在肉牛身上盡管添加有機酸降低了采食量，但甲烷排放量可降低16%（Foley等，2009；Beauchemin等，2008）。

4.4 抗生素 反芻動物通常使用等離子抗生素來提高肉和奶的生產效率（Morgavi等，2010）。離子團不會改變產甲烷菌的數量和多樣性，但它們會改變革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的數量，同時伴隨著發酵過程中產生乙酸到丙酸的變化，這種發酵降低了產甲烷菌生產甲烷所需氫氣的有效性，它們還可能減少瘤胃原生動物的數量。日糧中含有的莫能菌素劑量＜20 mg/kg可能并不總是對甲烷的產生有抑制作用（Beauchemin等，2008）。

4.5 免疫和生物控制 Wright等（2004）針對3種選定甲烷菌的疫苗使澳大利亞綿羊的甲烷產量下降了近8%。然而，用不同種類的甲烷菌制備的疫苗或在其他區域測試的疫苗并沒有引起積極反應。在不同條件下飼養的動物體內存在高度多樣化的產甲烷菌群落，而另一種產甲烷菌取代了目標物種留下的標記位點，這可能是免疫接種失敗的原因（Wright等，2007）。Cook等（2008）使用產蛋雞產生的抗體對動物消化道中存在的3種常見甲烷菌進行被動免疫，在體外可以暫時降低甲烷產量，但24 h孵育結束時效果消失。到目前為止，免疫接種在減少反芻動物甲烷排放方面還沒有給出一個明確、積極的答案，這凸顯了這種方法的困難。

4.6 脂肪 脂肪是一種能量補充原料，可以在不影響其他瘤胃參數的情況下抑制瘤胃甲烷生成（Wanapat等，2013）。脂肪的作用機制可能有5個方面，通過補充脂肪減少甲烷；降低纖維消化產生長鏈脂肪酸；降低干物質攝入量；抑制甲烷菌，通過生物氫化作用抑制瘤胃原生動物，并在一定程度上抑制瘤胃活動。在動物可以每天補充粗飼料的情況下，脂肪對減少甲烷排放提供了一種實用的方法，但過多的油脂不利于纖維消化和動物生產。Kongmun等（2010）在體外瘤胃液體發酵中添加大蒜素可以改善揮發性脂肪酸的組成，減少甲烷損失，減少原生動物數量。

5 結論

畜牧業生產對糧食安全、人類脫離貧困和饑餓、維持社會穩定至關重要。隨著人口的不斷增加，人們也面臨著自然資源退化和災難性氣候變化在內的環境危機。減少反芻動物甲烷排放的管理策略不僅可以提高飼料利用率、提高飼養效率和動物生產力，而且減少甲烷排放還會降低反芻動物對全球溫室效應的影響。