基于飼料調控實現生豬養殖豆粕減量和環境減排的研究進展

胡奇樂，楊元森，肖 諾，曹紅蕊，李瀅瀅，王 璐，劉 嶺，賴長華，張 帥

中國農業大學動物科學技術學院，畜禽營養與飼養全國重點實驗室，農業農村部飼料工業中心，北京 100193

我國的糧食安全集中表現為飼料糧安全問題。2022 年飼料糧消耗4.54 億噸，占我國糧食消費總量的48%，超過口糧消費近15 個百分點。在我國居民人均糧食消費量較前十年下降8% 的背景下，肉、禽、蛋、奶的人均消費總量卻上升超過20%。這意味著經濟發展提高了居民對動物源性食物（ASF）的需求。國外有預測顯示，全球ASF 消費將在未來呈持續上升趨勢（Macdiarmid等，2016），這大概率將推動飼料糧消耗量持續攀升。據預估，2030 年我國肉蛋奶消費量將再增加5000 萬噸，這預示著在當前生產水平下需要再增加1.5 億噸飼料糧消耗，飼料消耗總量將達到6.0億噸。如何在飼料供需新形勢下合理應對，是政府、科研院校與行業企業需合力解決的難題。此外，已有研究表明，ASF 消費帶來的全球溫室氣體排放量是植物性食品的兩倍（Xu 等，2021），協同增長的飼料糧對農田需求的增加以及生產過程能源投入的提高將引發環境問題（如森林砍伐、碳排放等），這同時也表明飼料糧生產與應用具有極大的可待挖掘的環境減排潛力。

當前，我國飼料糧安全的突出問題在于蛋白質飼料原料短缺。我國能量飼料原料供給能力相對充足，但以豆粕為代表的蛋白質飼料原料供給仍具有很大的進口依賴性。豆粕減量替代是由我國畜產品消費需求增長和飼料原料結構性短缺之間的矛盾決定，是從維護我國飼料糧安全大局出發所做出的重要舉措。海關數據顯示，2022 年我國大豆進口量為9107.8 萬噸，在進口糧食中的占比為62%，是最大的糧食進口品種。國家統計局數據顯示，2022 年我國大豆產量為2029 萬噸，僅為大豆總消耗量的18%，自2012年以來進口依存度一直居高不下，產需缺口較大。此外，我國是世界第二大油菜籽進口國、第三大菜籽粕進口國，魚粉的對外依存度始終高達60%～85%，葵花籽粕進口量是國內產量的2 倍。因此，充分挖掘本地蛋白質飼料資源，提高現有資源的利用效率，減少對進口資源的依賴，做到開源節流和提質增效在當前畜牧業和飼料工業中顯得尤為重要。

在蛋白質飼料原料結構性短缺將會長期存在的大背景下，本文綜述了基于飼料調控實現生豬養殖中豆粕減量替代和環境減排的近期研究進展，以非常規飼料資源的開發利用與減排潛力、低蛋白日糧的應用與階段性成果以及豬精準與動態營養技術最新進展為主要內容，總結當前豆粕減量替代的經驗與成效，分析挖掘未來的減量與減排潛力，有望為夯實我國飼料糧安全根基、降低養殖業環境排放提供理論參考。

1 非常規飼料資源的豆粕替代與環境減排潛力

非常規飼料原料的概念是相對的，可理解為在配方中較少使用，或者對其營養特性和飼用價值了解較少的飼料原料。非常規飼料原料主要來源于農副產品和食品工業副產品，是重要的飼料資源。有學者按照它們的營養特性，將其分為四大類：非常規能量飼料原料、非常規植物蛋白飼料原料、非常規動物蛋白飼料原料和食品工業副產品。利用非常規飼料原料部分代替玉米、豆粕等常規飼料原料是緩解我國飼料資源緊缺問題的重要手段。隨著傳統能量和蛋白質飼料原料價格的不斷上漲，對非常規飼料資源的合理利用有望成為控制飼料成本和環境成本的有效措施。

1.1 非常規飼料資源營養價值的再認識

非常規飼料資源一般具有以下特點：常規養分變異大，具有明顯的區域差異、季節差異或加工特性差異；含有抗營養因子、養分消化率低、有效養分價值低；部分原料有效養分數據缺乏，對其飼用價值認識不夠，相關使用標準或者生產中的使用技術有待進一步完善等。當前豬飼料中常用的大宗非常規飼料原料主要包括小麥麩皮、小麥次粉、噴漿玉米皮、噴漿胚芽粕、陳化糧食、棉籽粕、菜籽粕、向日葵粕和棕櫚粕等。在作物育種技術創新發展、各國飼養標準以及企業所用原料數據庫標準各異的背景下，如何全面認識和準確把握非常規飼料原料的營養價值具有非常重要的現實意義。其中的關鍵技術要點是使用凈能（NE）體系去評估非常規飼料原料的有效能值。凈能是飼料中用于動物維持生命和生產產品的能量，即飼料的代謝能扣除飼料在體內的熱增耗后剩余的能量。從理論上講，凈能體系相比于傳統的消化能和代謝能體系更能使日糧能值與畜禽營養需要量相統一（Noblet 等，2004），且由于代謝能和消化能體系高估了纖維和粗蛋白質的能量，而凈能體系考慮了熱增耗，從而為更加合理地利用富含纖維的非常規飼料原料提供了理論依據。由于凈能的測定較為困難，通過已經建立的預測模型實現其快速預測是當前較為可行的技術手段。

以小麥麩和菜籽粕為例，表1 和表2 分別展示了小麥麩在各國飼料原料數據庫中的營養成分以及小麥麩行業標準（NY/T 119–1989）制定過程中所采集的177 個樣品的營養成分分析值。結果表明，小麥麩在粗蛋白質、粗灰分以及有效能值上存在很大的差異。徐松（2023）通過探究十種小麥麩的營養組成及替代比例對母豬凈能的影響得出，我國小麥麩原料營養成分差異大，但是基于粗蛋白質、粗脂肪、粗灰分和半纖維素等營養成分含量建立模型可以較好地預測其凈能值，且替代比例為35.3% 時可獲得最佳小麥麩凈能值[NE(MJ/kg DM) = 7.968+0.28×CP+0.607×EE-0.782×Ash – 0.05×HC (R2= 0.98)]。Li（2015）和Li（2021）分別采集13 種和12 種我國不同來源的雙低菜籽粕和普通菜籽粕進行營養成分分析后，通過聚類分析合理選擇適用樣品并進行了生長豬有效能值以及氨基酸消化率的測定，同樣獲得了菜籽粕凈能的預測方程[NE (MJ/kg DM)= 0.22×EE-0.79×Ash+14.36 (R2= 0.77)]。

表1 各國飼料原料營養價值數據庫中小麥麩的營養成分

表2 小麥麩行業標準（NY/T 119–1989）制定中使用樣品的營養價值數據

此外，非常規飼料原料中多含有特殊的功能性成分，例如：棉籽粕中的寡糖和游離棉酚、棕櫚粕與椰子粕中的甘露聚糖、噴漿玉米皮中的纖維和亞硫酸鹽、小麥麩皮中的纖維以及高粱中的單寧等，其中的部分成分在動物體內具有抗氧化和免疫調節等特殊生理功效，但其中的一些成分同樣具有抗營養因子的作用，降低了原料的養分消化率。對非常規飼料原料進行合理的加工處理（如粉碎和預消化）可以提高原料的養分消化率。Acosta 等（2023）探究了粉碎粒度對含玉米DDGS 飼料營養物質消化率的影響，結果表明，在生長育肥豬中飼喂粉碎處理后的原料與對照組相比均對蛋白質消化率有一定程度的提升。重視非常規飼料原料的營養價值評定，關注和合理使用非常規飼料原料中的功能性成分，提高其養分消化率，結合地源性飼料資源進行新型蛋白飼料原料的開發創制，是基于非常規飼料資源實現豆粕減量替代的重要技術路徑。

1.2 非常規飼料原料環境影響的評估

根據《2022 年全國飼料工業發展概況》發布的統計數據，我國豬飼料產量占飼料總產量的45%。飼料投入成本占豬生產總成本的60%～70% 是行業內較為統一的認識，而飼料作物種植、加工與運輸過程溫室氣體的排放占豬生產全過程總排放的78%（Long 等，2022）卻鮮少被大眾了解。因此，從飼料原料選擇和飼料配方配制的源頭控制生豬養殖過程的環境排放將會是最為有效的調控措施。

生命周期評價（LCA）是一種國際認可和標準化的方法（ISO14040–14044 系列標準），是為了定性或者定量對一個產品生產或服務過程中的環境問題進行評估，進而指導決策而發展起來的一門技術，是對產品整個生命周期（即“從搖籃到墳墓”）中的所有環境影響進行科學、全面評估的有效方法。圖1 展示了 LCA 技術的主要步驟框架及其在我國畜牧產業中的應用價值。圖2 展示了一種基于LCA 的豬生產研究的系統邊界。表3 總結了近年來國內外關于生豬生產的LCA 部分研究中，在分別確定3 種不同的功能單元（FU）的情景下，生豬生產對全球變暖潛力、土地利用和積累能源需求值的影響情況。

圖1 生命周期評價的主要步驟框架及其在我國畜牧產業中的應用價值

圖2 一種基于生命周期評價豬生產研究的系統邊界

表3 國內外豬生產的不同功能單元情景下，生豬生產對全球變暖趨勢、土地利用和飼料生產的積累能源需求值的影響

Fang 等（2023）研究指出，中國的低機會成本飼料（LCFs）可以減少三分之一與土地使用相關的環境影響。LCFs 指的是被動物利用的原本可能會丟棄的飼料產品，例如糠麩類、蛋白副產物、食物殘渣等9 大類，其中也囊括了非常規性飼料原料。Haque（2022）報道指出，在豬生產中每消耗1 lb的DDGS 原料，將引起0.242 kg CO2–eq 的碳排放。將土壤–作物綜合管理系統策略與飼料油料副產物或DDGS 分別替代豆粕的策略相結合后，生長豬的全生命周期過程環境影響中碳足跡、氮足跡和土地利用值分別為0.7 kg CO2–eq/FU、51～52 g Nr/FU 和3.2 m2/FU（FU 指 生 產1 kg 豬 活 重），與常規對照情景相比將減少碳排放約64%，減少氮排放12%～14%，減少土地利用10%～12%。

除了學術界相關研究以外，大型企業也在糧油與飼料原料的深加工創新與非常規原料的綠色高效應用方面貢獻了相應技術。例如：益海嘉里正努力構建糧油食品加工業循環經濟產業鏈，在稻谷加工為優質大米過程中，利用副產物稻殼發電，利用米糠榨油，每利用1 噸稻殼可代替煙煤（5000 千卡）約0.63 噸，這種生物質原料的燃燒綠色環保，通過“吃干榨凈”式精深加工，使水稻資源價值得以充分利用。

2 豬低蛋白日糧技術助力豆粕減量和環境減排

低蛋白日糧將是相當長時期內解決我國蛋白飼料資源短缺的最大依仗。我國飼用豆粕減量替代行動已取得階段性成效，但仍有進步空間。在國家印發《豬雞飼料玉米豆粕減量替代技術方案》《飼用豆粕減量替代三年行動方案》以及《農業農村減排固碳實施方案》等與豆粕減量替代和環境減排相關的通知后，我國畜產品產量在2022年全面增長，畜產品和飼料原料的進口雙下降，飼用豆粕在飼料消耗中的占比降至14.5%，飼料蛋白轉化效率比上年提高兩個百分點，減少大豆使用需求約410 萬噸，推動節約飼料糧1630 萬噸（首屆中國飼料產業發展論壇，2023）。

周俊言等（2022）和Wang 等（2018）較為全面地綜述了低蛋白日糧近年來的研究進展，總結了飼糧蛋白質水平對生長豬營養物質消化及腸道微生物組成和代謝的影響，指出利用淀粉與氨基酸耦聯匹配技術能提高日糧碳氮沉積效率，改良支鏈和直鏈淀粉比例（最佳：4.88）能有效提高碳氮沉積效率，利用氨氮甲酰谷氨酸可以提高機體氮沉積效率等新的技術手段。在以上研究基礎上，國家啟動了“十四五”重點研發計劃項目“畜禽低蛋白低豆粕多元化日糧配制與節糧技術”，未來將從碳氮適配與骨骼肌蛋白質合成、凈能需要及凈能賴氨酸平衡模式、限制性賴氨酸需要及平衡模式以及礦物元素需要及電解質平衡模式等方面著手開展研究，并將建立覆蓋斷奶仔豬、生長育肥豬、妊娠母豬和泌乳母豬等豬養殖全程的低蛋白低豆粕日糧配制技術體系。

低蛋白日糧對環境的影響也在不少文章中被探討。為探究低蛋白高纖維結合日糧對生豬后續糞污儲存管理過程的影響，邢政（2022）設置了包括基礎日糧（CK）在內的四個飼料配方[ 另有低蛋白日糧配方（LC）、高纖維日糧（HF）以及低蛋白與高纖維相結合日糧（LC+HF）]進行消化代謝試驗以及堆肥試驗。結果表明，不論在干清糞、固糞堆肥還是水泡糞模式下，LC 以及LC+HF 日糧的氮素利用率都更高，可以使糞污在儲存期間保存更多的養分，更少的氨揮發量。低蛋白日糧在LCA 相關研究中的碳排放結果顯示，每增加1 kg 豬活重，產生的碳排放為1.76～2.45 kg CO2–eq（Monteiro 等，2019 ；Berton 等，2018）。

3 豬精準與動態營養技術從源頭推動豆粕減量和環境減排

落實精準營養技術與動態營養需求評估是飼料原料營養價值與豬營養需要量之間相銜接、匹配的關鍵，也是間接減少環境排放的重要調控措施，主要涵蓋三方面：豬飼料原料營養價值評定與數據庫建立，豬動態營養需要量的模型預測以及精準營養供給技術（楊雪芬等，2022）。

張帥等（2020）全面綜述了國內近些年來基于豬飼料原料營養價值評定以及動態需要量模型化的研究進展。當前，隨著物聯網技術的革新、智能設備的研發和智能養殖模式的探索，進一步豐富了豬生產中多元異構數據的采集，具有強大學習能力的新模型算法逐漸在豬的能量需要量預測模型以及豬舍環境監控上進行應用，大大提高了預測模型的泛用性與準確性。研究指出，如果實現生豬養殖全域數字化技術落地，每頭豬可以節約日糧43.7～49.0 kg（天府國際動物營養創新論壇，2023）。Wang 等（2023）探索了神經網絡模型（ANN）在豬生長性能預測模型上運用的可能性，并利用ANN 對試驗獲取的生長育肥豬的凈能需要量實測數據進行建模，同時基于機器學習算法優化了飼料原料凈能預測模型。Peng 等（2022）利用全長16S rRNA 基因測序和機器學習揭示了育肥舍和妊娠舍的空氣中可吸入顆粒的細菌組成，通過對豬舍空氣污染物特征精準把控，高效改善豬舍環境質量。

楊雪芬等（2022）和黃瑞林等（2022）對精準營養技術、動態營養需求以及精準供給技術的相關研究現狀進行了總結，且均不同程度強調了飼料配方的動態化與精細化在提高飼料養分利用效率中的重要意義。近年來，國外關于多目標飼料配方算法的研究不斷興起，其是一種平衡飼料配方經濟成本、營養需求和環境影響的新興 方 法（Méda 等，2021 ；de Quelen 等，2021）。Shurson 等（2023）在研究中表示，利用多目標飼料配方，結合飼料成分的LCA 數據，可以減少美國豬肉生產的環境足跡。此外，利用凈能體系也是實現精準營養的重要技術環節。近年來，農業農村部飼料工業中心（MAFIC）團隊利用自主研發的間接測熱設備，先后測定了40 余種飼料原料在生長豬、母豬上的凈能值，初步建立了我國自己的豬凈能體系，為飼料原料在飼料配方中的精準利用提供了數據支撐。基于該體系的研究表明，凈能體系相比于代謝能體系均不同程度緩解了環境排放并降低了飼料成本（Hu 等，2023），該研究利用四種不同蛋白質原料（菜籽粕、花生粕、棉籽粕和膨化大豆）分別替代豆粕，并基于凈能體系或代謝能體系評估豬生產全過程產生的碳排放、氮排放和土地利用。因此，考慮利用多目標飼料配方和凈能體系等飼料調控措施與實際生產相結合，能夠為綠色豬產業發展提供優化路徑參考，也將成為挖掘利用蛋白飼料資源、探索多元化配方體系、推廣低蛋白日糧的有利依托。

準確把握飼料原料營養價值變異，基于新興智能技術關注個體與群體的動態營養需求，并利用大數據算法提升飼養曲線、營養需要等預測模型的準確性，在提高動物生產力的同時減少飼料資源浪費并協同評估與控制環境排放，是發展具有中國特色的低豆粕多元化豬精準飼料配方的重要技術途徑。農業農村部飼料工業中心（MAFIC）團隊創建了全球首個基于通用語言模型（GLM）架構的AI 配方軟件FeedMaaS，該在線實時應用系統支持飼料原料營養價值和豬營養需要量參數查詢、營養需要量調整、最低成本配方制作、模糊查詢、上下文語意銜接和語音輸入，預計在未來與生產實踐相結合后將進一步推動飼料配方的便捷化，加速精準、動態營養的實現。

4 小結與展望

集成推廣非常規飼料原料、低蛋白日糧技術以及精準與動態營養技術是當前實現豆粕減量替代、緩解飼料糧供需緊張矛盾和養殖環境排放壓力的重要技術手段。關注飼料糧的精準配比與投入，充分挖掘現有的地源性飼料資源，不僅關系到養殖業的降本和飼料糧的節約，更影響到豬生產過程的環境減排，是綠色高效養殖實現的有效途徑。除了飼料調控措施外，也應充分考慮糞便管理措施、豬場養殖環節綜合管理措施、種養結合新生產模型等途徑來實現綠色高效養殖業，同時高飼料轉化效率畜禽品種的培育也是解決我國飼料資源短缺路徑的選擇。我們應當持續不斷探索更環保、更安全、更低碳的畜牧業生產方式，以最小代價解決人類多元化糧食需求與生態環境之間的矛盾。