放牧家畜養分消化率的測定

金有順，侯扶江

（蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室，蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室，蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020）

放牧是全球草地最普遍、最經濟的管理方式，是草-畜互作維持草地生態系統多功能性的重要機制［1-2］。養分消化率是家畜管理的核心參數之一，直接反映家畜的生產性能和健康狀況，是評估草地生態系統物質、能量循環與管理效率的關鍵指標之一。放牧家畜的養分消化率受牧草（供給量，品質等）、家畜（年齡、性別、體況、瘤胃微生物等）等生物因子［3-4］、年均降水量（annual mean precipitation，AMP）和年均溫度（annual mean temperature，AMT）等非生物環境因子，草地系統類型和放牧方法等社會經濟因子的影響［5-6］，分析放牧家畜養分消化率的測定方法及其優劣和適用范圍，探討影響養分消化率的主要因素，可為人類食物安全和生態健康提供科學保障［7-8］。

放牧家畜養分消化率的測定方法主要包括直接測定法和間接估測法（圖1）。人類古代就利用觀察法判斷放牧家畜的養分消化率，隨著測定技術的進步，人類對養分消化率的認知不斷提高，一直在發展費工費力的直接測定方法，包括較為準確的瘤胃瘺管、代謝籠（艙）技術，以及指示劑法等。1986年，蘇格蘭山地農業研究所Mayes等［9］利用飽和鏈烷烴技術測定了綿羊的養分消化率以及放牧家畜的選擇性采食，把外源指示劑法發展到內源指示劑的新階段。1976年，美國賓夕法尼亞大學的 Norris 等［10］利用近紅外光譜（near-infrared spectroscopy，NIRS）技術測定牧草營養成分［10］，為間接估測養分消化率提供技術基礎。間接測定主要包括牧草品質、氣候等模型預測法，結合NIRS、無人機和衛星遙感技術預測放牧家畜養分消化率能夠快捷、大尺度地提高預測效率。

圖1 放牧家畜養分消化率的測定方法Fig.1 Method for determination of nutrient digestibility of grazing livestock

我國陸地面積50%以上通過放牧管理［2-3］。進入21 世紀以來，草地管理正在從傳統放牧向現代化轉型，草地處于放牧、禁牧或放牧與休牧結合的“十字路口”。放牧家畜的養分消化率是評價草地營養價值和家畜生產力的關鍵指標，是草地健康管理的基礎。為此，本研究分析放牧家畜養分消化率測定的發展和主要方法，力求為放牧管理水平和草地生態安全提供科學依據。

1 直接測定法

1.1 全收糞法（total fecal collection method）

傳統測定消化率的方法，是用尼龍袋等容器收集家畜放牧期間排出的所有糞便，同時觀測家畜的采食量［11］，計算養分消化率［12-14］。選取公畜便于分離糞、尿樣品；若用母畜，則需考慮具有吸濕性的材料，及時地把糞與尿分離。首先，家畜出牧前綁定集糞袋和集尿袋，袋子盡可能柔軟、結實，將家畜的應激反應降至最低，并防止家畜臥息時剮蹭、爭斗時脫落。歸牧后，收集糞袋，處理糞、尿樣品，測定質量或體積，預處理糞、尿樣品，妥善保存，待測。放牧家畜佩戴糞袋和尿袋主要有兩個階段：適應期，一般6～8 d，家畜適應糞袋及放牧草地和環境；糞尿樣品收集期，一般3～5 d。家畜放牧過程中，盡可能減少人類活動的干擾，防止家畜受到驚嚇。

全收糞法優點在于可較準確地測定家畜養分消化率，而該法也存在諸多缺陷：1）耗時，費工；2）適合羊等小型、馴化程度高的家畜，對于牛等體型較大的家畜和鹿等馴化程度較低的家畜，需要選取特殊材料，同時防止應激反應和糞袋掉落等；3）難以區分天然草地和混播草地各牧草種的養分消化率；4）放牧家畜佩戴糞袋后，一定程度上會產生生理、心理等應激反應，影響家畜的放牧行為和測定結果等。

草地類型和畜種會影響放牧家畜的養分消化率（表1）。全收糞法測定紫花苜蓿（Medicago sativa）/高羊茅（Festuca elata）混播草地放牧綿羊的干物質消化率為56.48%～60.70%［14-16］，高于馮昕煒等［17］在高寒草甸測定的放牧藏羊的消化率。全收糞法計算放牧家畜養分消化率公式如下：

表1 全收糞法測定家畜養分消化率Table 1 Nutrient digestibility of grazed animals measured by total fecal collection method

式中：D（digestibility）為某養分消化率；DMI（dry matter intake）為干物質采食量（g）；FDM（fecal dry matter）為糞干重（g）；COH（content of herbage）和COF（content of feces）分別為牧草樣品和糞樣中養分含量（g·g-1）。

1.2 指示劑法（indicator method）

指示劑不被放牧家畜消化，或消化吸收很少，絕大多數隨家畜糞便排出體外［11］，根據指示劑在飼草和糞中比例，計算養分消化率，通常分為內源指示劑和外源指示劑。前者一般是飼草中酸不溶灰分和酸性洗滌木質素等難降解物質；外源指示劑主要有Cr2O3和TiO2等，將外源指示劑制成不易被家畜咀嚼的膠囊等物質，在家畜出牧前定量飼喂［20-22］，待家畜歸牧后，收集糞，計算養分消化率。

1.2.1 內源指示劑（endogenous indicator） 天然指示劑，主要包括木質素、鏈烷烴、氮素以及酸不溶灰分等［11］，家畜采食后難以消化，或消化量忽略不計。1）烷烴法（alkane method）。利用牧草皮層蠟質中的奇數鏈烷烴作為內源指示劑［23-24］，與工業生產的偶數鏈烷烴結合，測定放牧家畜對該牧草種的養分消化率（表2），是一種特殊的雙指示劑［25］。其優點：1）可重復性強；2）一定程度上避免家畜個體差異；3）定量評估家畜的選擇采食。其制約因素主要是樣品的準確采集、牧草和糞樣的預處理水平等。計算公式如下：

表2 烷烴法估測家畜養分消化率Table 2 Estimation of nutrient digestibility of animals by alkane method

式中：Hci為牧草中鏈烷烴含量（mg·kg-1）；Fci為糞樣中鏈烷烴含量（mg·kg-1）；i為烷烴長度。

2）酸不溶灰分（acid insoluble ash，AIA）法。牧草灰分不被消化，不溶于鹽酸，根據牧草和糞的灰分含量，建立灰分與養分消化率的定量關系，可以估測放牧家畜對牧草的養分消化率（表3）［34-35］。主要優點：1）成本較低，操作簡單，只需收集糞樣和牧草；2）AIA 的回收率較高；3）極大地減少人力等。缺點：1）放牧家畜有嗜土行為，或在采食牧草時誤食泥土等，使指示劑回收率超過100%［36］，結合食道采樣可以避免；2）放牧家畜采食的牧草樣品與糞樣不能一一對應，準確率低，不能計算較短放牧時段牧草的養分消化率。AIA 法計算養分消化率公式如下：

表3 AIA 法測定家畜養分消化率Table 3 Determination of nutrient digestibility of animals by AIA method

式中：COH和COF分別為牧草樣品和糞樣中養分含量；AOH（AIA content of herbage）和AOF（AIA content of feces）分別是牧草和糞樣中的 AIA 含量（g·g-1）。

式中：DMI和FDM分別為干物質采食量和日排糞干重（g）。

1.2.2 外源指示劑法（exogenous indicator） 人工飼喂指示劑，根據牧草和糞樣中指示劑含量測定養分消化率（表4）。常用的外源指示劑有Cr2O3和TiO2等，Cr2O3在動物體內難溶，回收率高，是廣泛使用的外源指示劑之一［42-43］。主要優點：1）勞動強度低，較全收糞法節省勞動力；2）不影響家畜的放牧行為。主要限制因素有：1）糞便組分不穩定，影響測定結果；2）較難測定單一牧草的養分消化率；3）指示劑的回收率影響測定結果，受牧草組成、指示劑飼喂時間及頻數等影響［44-45］。4）部分指示劑會污染環境。計算公式如下：

表4 外源指示劑法測定家畜養分消化率Table 4 Determination of nutrient digestibility of animals by exogenous indicator method

式中：COF和COH分別為糞樣和牧草中養分含量（g·g-1）；IOH（indicator of herbage）和IOF（indicator of feces）分別為牧草和糞樣中指示劑含量（g·g-1）。

1.3 近紅外光譜技術（NIRS method）

NIRS 用關系模型估測牧草和糞的化學成分，然后根據化學成分預測家畜養分消化率（表5）［46-47］。主要優點有：1）速度快，效率高，節約測定成本；2）便于重復；3）有利于大尺度、大樣本調查各種草地類型、各種放牧家畜的養分消化率；4）可以預測單種牧草的養分消化率；5）根據樣本量的增大而不斷提高標準曲線的精度。主要缺點：1）需要針對牧草種類及其器官和生育期、家畜品種及其發育期等分別建立標準曲線，前期濕法測定樣品營養成分投入的人力、物力較大；2）糞便的日組分變化較大，測定結果難以精確反映這一點；3）數據庫受樣本量、牧草種類等影響。

表5 NIRS 測定家畜養分消化率Table 5 Determination of nutrient digestibility of animals by NIRS method

2 間接測定法

2.1 體外產氣法（in vitro gas production method）

利用牧草體外發酵產生的CO2和CH4等氣體的比率估測養分消化率，因為牧草的產氣量與產氣率因營養品質而有差異［52-53］，而營養品質又決定了養分消化率（表6）。主要優點：1）具有簡單、快捷、低成本、易標準化等優點；2）能夠測定單一牧草的養分消化率，可重復性好；3）不受環境因素的干擾。主要缺點有：1）受瘤胃液采集時間等影響；2）牧草樣品的前處理水平會影響試驗結果；3）沒有考慮環境等因素對放牧家畜養分消化率的影響；4）不能考慮家畜的放牧行為。

表6 體外產氣法測定家畜養分消化率Table 6 Determination of nutrient digestibility of animals by in vitro gas production method

2.2 牧草品質預測法（forage quality prediction method）

牧草品質影響家畜放牧行為和消化代謝整個過程，因此利用牧草品質與養分消化率的定量關系建立預測模型（表7），傳統常用牧草中粗蛋白（crude protein，CP）、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維等營養成分［56-57］進行預測。由于放牧家畜的發育期和生理狀況、飼草組成等均制約家畜的養分消化率，作用機制復雜，因此在傳統的攝食調控機理基礎上，可用蛋白質組學、基因組學等現代生物技術建立預測模型［11］。主要優點：1）可以大尺度，大樣本估測各種草地類型、各種放牧家畜的養分消化率；2）快捷，省時；3）能預測某單個牧草品種的養分消化率，模型可以不斷補充樣本改進數據，提高準確性。主要缺點；1）測定結果不準確；2）前期建模投入的人力，財力較大；3）不具有時效性，只能預測某一較短時間范圍內的養分消化率；4）不能反映家畜的放牧行為。

表7 牧草品質預測家畜養分消化率Table 7 Prediction of nutrient digestibility of animals by forage quality

2.3 氣候預測法（climate prediction method）

氣候因素，尤其是降水量和積溫，定量地決定草地類型［5］、產草量和牧草品質以及家畜的放牧行為，進而作用于家畜的養分消化率，因而可以用氣候因子預測放牧家畜的養分消化率。擬合AMP、AMT、AMP/AMT 與放牧家畜的養分消化率，隨著AMP 增加，兩種草食性家畜養分消化率呈先增長后下降的趨勢，AMP 在600～800 mm以及AMT 在12～14 ℃時牛的干物質消化率最高（圖2），可能在一定范圍內，降水和熱量改變牧草品質［63-64］，改善放牧家畜的生境，有助于家畜采食和消化；當降水或熱量過高或過低時，家畜對不利環境產生應激響應，同時牧草生長過快、品質易變老，或牧草生長過慢、低矮、灌草混雜等造成群落結構復雜，抑制放牧家畜的采食和消化。主要優點：1）敏捷、迅速；2）可以在全球范圍內大尺度調查不同草地類型的消化率；3）能夠隨著樣本庫補充提高模型精確度。缺點：1）應用于中小尺度的牧場和牧區管理誤差較大；2）需要大樣本建立關系模型；3）與家畜的放牧行為聯系較少。

圖2 AMP、AMT、AMT/AMP 和不同放牧家畜干物質消化率的關系Fig.2 Relationship between AMP，AMT，AMT/AMP and dry matter digestibility of different animals

3 討論與展望

3.1 放牧家畜養分消化率測定技術的發展

放牧家畜的養分消化率測定大致經過3個發展階段（圖3）。直接觀察階段持續時間較長。早期，由于理論和技術不足，人類主要通過放牧行為觀察，獲取經驗知識，估測家畜的養分消化率，較為主觀。儀器測定階段，與直接觀察相結合。1810年，家畜飼養標準規定動物所需的營養物質。1864年，德國科學家提出飼草的概略養分與測定方法。隨著分析化學的發展，養分消化率的測定日益準確，全收糞法［14-16］、指示劑法［22-25］和NIRS［48-49］等普遍用于放牧家畜養分消化率的測定。模型預測階段，計算機、遙感、分子測序、大數據分析等現代技術有能力預測放牧家畜的養分消化率，然而需以放牧行為觀察和儀器測定為基礎。

圖3 放牧家畜養分消化率測定的發展階段Fig.3 Outline of the stages in research on determination of nutrient digestibility of grazing animals

3.2 放牧家畜養分消化率測定的影響因素

消化率既是牧草的內稟性狀，受牧草品種和生長階段等因素的影響，也是家畜的特征參數，受家畜的種類、發育階段、性別、瘤胃微生物和放牧管理等因素限制。放牧藏羊的干物質消化率隨年齡呈“馬鞍型”變化［22］，說明放牧家畜的選擇性采食和消化系統的差異可改變牧草養分消化率。低放牧率的雜交奶牛，干物質消化率約70.7 %，顯著低于高放牧率的76.7%［65］，可見，放牧管理也影響家畜的消化率。

3.3 放牧家畜養分消化率測定方法比較

放牧家畜養分消化率的測定方法也適用于舍飼家畜，但是操作的難易程度不同（表8）。全收糞法測定結果精確，然而費工、費時、費錢［14-18］，集糞袋對家畜放牧行為有較大影響，且難以體現牧場飼草供給的空間異質性。酸不溶灰分法、鏈烷烴等指示劑法一定程度節約了勞動力，但由于指示劑不能完全回收，準確性受限制［34-35］。飽和鏈烷烴技術可以反映放牧家畜的擇食特征和食物組成［30-32］。體外產氣法成本低，人工耗費小，是估測養分消化率的常用技術之一［53］，需要有食道瘺管的家畜和家畜放牧采食的樣品，即使采食樣本具有代表性，體外產氣法測定養分消化率也會高于放牧動物的體內養分消化率。牧草品質預測法、氣候預測法等根據大數據庫建立模型，能夠在大尺度下預測多種放牧草地類型的家畜養分消化率，相比全收糞法、指示劑法等儀器測定的結果，精確度低，不能明確放牧家畜的擇食特征。總之，測定放牧家畜養分消化率的主要難點之一是收集代表性的采食樣本，需要與放牧行為的觀測和采食模擬相結合。

表8 放牧家畜養分消化率測定方法的比較Table 8 Comparison of the methods for determination of nutrient digestibility in grazing animals

3.4 展望

放牧家畜養分消化率的測定首先取決于對放牧系統的認識。無人機和遙感技術能夠獲取圖像數據（圖4），尤其是無人機技術，能快速、高重復地獲取放牧區產草量、家畜行為等數據，和牧草品質預測法等相結合構建模型，即時預測放牧家畜的養分消化率。人工智能、云計算等大數據分析手段能夠綜合生物、非生物和社會因子預測家畜的養分消化率，需要傳統方法與現代技術相結合，提高準確度和降低投入，服務放牧管理。

圖4 放牧家畜養分消化率的大數據預測模式Fig.4 Big data prediction model for nutrient digestibility of grazing animals