不同胎次的干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量特征及对泌乳性能的影响

刘志豪，董利锋，贾 鹏，赖 琦，高彦华，田忠红，吴秋珏，刁其玉*

（1.河南科技大学动物科技学院，河南洛阳 471003；2.中国农业科学院饲料研究所，反刍动物及其幼畜营养代谢中美联合研究中心，北京 100081；3.西南民族大学生命科学与技术学院，四川成都 610041；4.山东银香伟业集团有限公司，山东菏泽 274000)

温室气体是指大气中能够促成温室效应的气体成分，主要包括二氧化碳（CO）、甲烷（CH）、氧化亚氮（NO）、氢氟化合物（HFCs）和六氟化硫（SF）等，它们能够吸收红外线，将热量保留在地面附近的大气中，从而造成温室效应，引发极端性气候变化。在碳达峰碳中和的时代背景下，我国畜牧业同样也面临着低碳发展的重大挑战。有研究表明，在所有人为产生的温室气体中，畜牧业约占排放总量的15%，而反刍动物每年产生的温室气体可到达57 亿CO当量（Carbon Dioxide Equivalent，CO-eq），其中牛的温室气体排放量最高。牛所产生的温室气体主要包括瘤胃发酵产生的CH，粪便管理过程中产生CH、NO，以及正常生理活动产生的CO。CH作为排放量第二大的温室气体，其增温潜势是CO的23 倍以上。此外，通过嗳气排出的CH是奶牛能量代谢过程中的重要能量损失，约占总能摄入量的6%～13%。因此，降低奶牛瘤胃CH排放对于降低温室气体排放和提升生产效益具有双重意义。

目前国外对于奶牛、肉牛、羊等的CO排放量已有一定研究，但我国对于反刍动物正常代谢产生的CO排放量研究较少。我国是反刍动物养殖大国，截止2020 年末，我国牛存栏量达9 562.06 万头。干奶期是奶牛生产过程中至关重要的一个阶段，在此阶段其干物质采食量往往会降低，牧场会调整饲粮配方以满足干奶牛营养需要。干物质采食量和饲粮组成的变化会对瘤胃内温室气体排放量产生显著影响，因此对干奶期奶牛的温室气体排放量进行测定是准确核算奶牛温室气体排放量不可缺少的部分。本试验旨在利用Greenfeed系统测定不同胎次的干奶牛的瘤胃温室气体排放量，并对后续泌乳期内试验牛的产奶量和乳成分进行追踪，探讨干奶牛体况、生产性能与温室气体排放量之间的相关关系，为建立全生理周期的奶牛温室气体排放数据库和核算畜牧业温室气体排放提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点 本试验于2020 年10—2020 年11月在山东省菏泽市曹县山东银香伟业集团第三国际牧场完成。

1.2 试验动物与试验设计 本试验选取48 头体况健康，处于干奶期的荷斯坦奶牛，按照胎次将试验动物分为4个处理组，每组12 头牛，4 个处理组如下：一胎组（I 组）、二胎组（II 组）、三胎组（III 组）、以及四胎及以上胎次组（IV 组）。试验日粮配方参照NRC（2001）中干奶牛营养需要配置，以全混合日粮（TMR）形式饲喂，日粮组成及营养成分见表1。本试验共45 d，包括预试期5 d，正试期40 d（产前60 天至产前15 天）。试验内容包括生产性能的记录、瘤胃温室气体的测定、以及后续泌乳期产奶性能的记录。

表1 试验饲粮组成及营养水平（干物质基础）

1.3 饲养管理 试验奶牛采用舍饲方式饲养，每天喂料2 次（07:00 和15:00），自由采食且保证日剩料量在5%左右。每天清理剩料，计算牛只的平均采食量。自由饮水，定期清理水槽，保证饲料和饮水的清洁性。所有奶牛的饲喂方式、饲养环境和饲粮均保持一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 Greenfeed 测定系统 Greenfeed 测定系统系统由美国C-Lock 科技股份有限公司（C-Lock Inc.，Rapid City，South Dakota，USA）研发，为我国首次引进和使用，是国际上最为先进和广泛认可的反刍动物瘤胃甲烷排放测定系统，该测定系统配置有动物气体采样器、温室气体浓度传感器、气体流量计、电子耳标读取器以及进料仓等组件。测定系统的基本原理是：当奶牛接近气体采样器时，经过电子耳标读取器识别之后，奶牛口腔和鼻腔中的气体（CO、CH等）就能够进入到气体收集管道，经非分散性红外分析仪检测之后获取气体的浓度，同时经气体流量计检测管道中气体流量，并以实时数据的形式进行远程的监测和分析。其CO和CH排放速率计算公式如下：

式中，CO（CH）为奶牛CO或CH的排放量，单位为g/d；Δt 为气体样品测定时间（1s）；CO（CH）为测定期间CO或CH的平均浓度，单位为%；CO（CH）为背景中的CO或CH的平均浓度，单位为%；Q为测定期间气体的流速，单位为g/s。

1.4.2 饲料样品的采集与分析 于正试期15～17 d，采用四分法采集饲料样品，充分混匀后于65℃烘箱中烘干48 h 后，回潮24 h 制成风干样，粉碎后过40 目网筛后按照周艳所述方法对饲料中干物质、粗蛋白质、粗脂肪、粗灰分、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和总能进行测定。

1.4.3 生长性能测定 体重：于正式试验结束前5 d，在晨饲前测定每头奶牛的体重。干物质采食量：在整个试验期间，每天记录投料量和剩料量，计算每头奶牛的平均日采食量，通过对试验期间采集日粮的干物质含量测定，计算出奶牛每天的干物质采食量。

1.4.4 瘤胃温室气体排放量的测定 采用GreenFeed 测定系统测定瘤胃CO和CH的排放量。测定过程如下：于每日08:00-19:00 进行测定，通过进料仓内的诱食剂（苜蓿草颗粒）使试验牛访问GreenFeed 测定系统，系统识别电子耳标后开始进行自动测定，每次测定持续测量时间在3 min 以上视为有效测定。测定过程中，保持每头牛每天最多可访问Greenfeed 测定系统4 次，每次访问间隔6 h。每头奶牛的有效测定次数达到30 次以上，以保证数据准确性。根据CO和CH的全球增温潜势换算成CO-eq 排放量，作为评估瘤胃温室气体排放量的衡量指标。其中，CO-eq 排放量的计算公式如下：

1.4.5 后续泌乳期牛奶样品的采集与测定 干奶期奶牛进入后续泌乳期时，取泌乳100 d 前后3 d 的产奶量平均值作为产奶量，并按照早中晚4:3:3 的比例取奶样，取样量为每天50 mL，采用乳成分和体细胞自动分析仪（Combi Foss FT+，丹麦Foss 公司）测定乳脂率、乳蛋白率、乳糖率、乳体细胞数和乳尿素氮。

1.5 统计分析 通过Excel 2020 进行数据处理，采用SPSS 22.0 软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用Duncan's 法进行差异显著性分析。试验结果以＜0.05 为差异显著。

2 结果

2.1 干奶期奶牛的基本特征 由表2 可知，试验奶牛的年龄在3 岁以上，按胎次分为4 个处理，体重随年龄或胎次的提高而增加，范围在716.0～806.0 kg，代谢体重变化规律与体重规律一致。各个胎次的年龄之间均有显著差异，III 组和IV 组干奶牛的体重、代谢体重显著高于I 组和II 组，而I 组和II 组之间，III 组和IV 组之间的体重和代谢体重均无显著差异。干物质采食量的估测数据为12.38 kg/d。

表2 试验干奶牛基本特征

2.2 后续泌乳期内产奶量与乳成分 表3 为不同胎次奶牛在分娩后100 天处于高峰期阶段的泌乳量与乳成分，可以看出，尽管各指标统计学差异不显著，处于泌乳高峰期的II 组奶牛的产奶量最高。各个处理组奶牛乳脂率、乳蛋白率、乳糖率和尿素氮均无显著差异，III 组和IV组的体细胞数显著高于I 组和II 组，I 组和II 组之间，III 组和IV 组之间的体细胞数无显著差异。

表3 胎次对新泌乳期内乳成分的影响

2.3 干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量 由表4 可知，干奶期奶牛瘤胃CO-eq 排放量的平均值为18 419.83 g/d，最大值为22 386.66 g/d，最小值为14 022.85 g/d，中位数为18 530.91 g/d。CO-eq 排放量/ 代谢体重的平均值为127.95 g/kg，最大值为147.79 g/kg，最小值为103.65 g/kg，中位数为127.90 g/kg。CO-eq排放量/校正乳产量的平均值为497.63 g/kg，最大值为784.97 g/kg，最小值为325.84 g/kg，中位数为472.89 g/kg。

表4 干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量

2.4 不同胎次干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量的差异由表5 可知，CO-eq 排放量I 组最低，IV 组最高。III组和IV 组的CO-eq 排放量显著高于I 组，II 组、III组和IV 组之间没有显著差异。各处理组之间的CO-eq排放量/代谢体重、CO-eq 排放量/校正乳产量均无显著差异，但随着胎次的增加，CO-eq 排放量/校正乳产量有增加的趋势。

表5 不同胎次的干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量特征

2.5 干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量与动物特征、生产性能的相关关系 由表6 可知，干奶牛的CO-eq 排放量与胎次和体重均有着极显著的相关关系（＜0.01），而与产奶量、校正乳产量、乳脂率和乳蛋白率之间没有显著的相关关系（＞0.05）。

表6 干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量与动物特征、生产性能的相关性

3 讨 论

3.1 不同胎次对干奶期奶牛体重的影响 在奶牛的正常生长发育过程中，荷斯坦奶牛体重随着年龄增加而不断增加。本试验结果表明，随着胎次增加，年龄增长，干奶牛的体重逐步增加，体重在一胎至三胎增长迅速，三、四胎及以上牛组的体重显著高于一胎牛组。木沙江·乌不力等研究表明荷斯坦奶牛体重随年龄的增长而增加，体重的增长速度在5 岁前均处于较高水平，特别是2～4 岁增长最快，4 岁之后日增重降低，生长强度减慢，此后奶牛体重有下降趋势，但基本趋于稳定，7 岁后奶牛体重缓慢下降。

3.2 不同胎次对干奶期奶牛后续泌乳期内产奶量及乳成分的影响 产奶量是奶牛最重要的生产指标之一。在本试验条件下，进入后续的泌乳期后试验牛全部变为经产牛，各个胎次的产奶量和校正乳产量均无显著差异。以往研究表明，胎次与产奶量之间存在显著的正相关关系，随着奶牛胎次增加，产奶量逐渐上升，在达到泌乳高峰后，又逐渐开始下降，在本试验中产奶量在各个胎次之间差异不显著，这可能是由于本试验仅收集了试验牛处于泌乳高峰期的产奶量数据，此阶段各个试验牛的产奶量均处在整个泌乳期的较高水平。本试验中各个胎次之间乳脂率无显著差异，这与廉红霞等、董燕婕等、吴双军等的研究结果一致。母童研究表明，乳蛋白率在三胎时最高，且显著高于其他胎次，乳糖率则在第三胎次显著低于其他胎次，呈现先下降再升高的趋势。翁春玲等和赖福琪等的研究同样表明不同胎次之间的乳蛋白率有显著差异，整体呈现出升高到降低再到升高的趋势，本试验乳蛋白率、乳糖率随胎次的变化趋势与他们类似，但均无显著差异，可能是与本试验所选取的样本数量有关。陈丹等研究表明不同胎次间乳中尿素氮含量无显著差异，随着胎次增加，尿素氮含量呈现降低、升高、降低的趋势，本试验结果与其一致。但有研究表明，乳中尿素氮含量随着胎次的增加显著增加，这可能是由于奶牛的品种、饲粮和生长环境不同所导致。韩晓辉、母童等研究均表明随着胎次增加，体细胞显著增加，本试验结果与其一致，造成这一结果的原因可能与长时间的机器挤奶，对奶牛的乳房造成刺激，导致其乳房损伤的同时感染乳房炎几率增加，使得乳中体细胞数随着胎次的增加而增加。

3.3 不同胎次对干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量的影响反刍动物产生的温室气体主要来源于肠道发酵和粪便，其中肠道发酵产生的温室气体通过口、鼻和直肠等排出体外。本试验使用目前国际先进的Greenfeed 测定系统，可以测定出奶牛处于正常状态条件下经过口腔和鼻腔的CO和CH排放情况；根据IPCC的推荐的每种温室气体的增温潜势，可以计算出奶牛的瘤胃温室气体排放量。本试验发现，干奶牛的CO-eq 排放量处于14 022.8～22 386.7 g/d，平均CO-eq 排放量为18 419.8 g/d。孙斌等研究表明，新疆荷斯坦干奶牛的CO-eq 排放量为3 111.61 g/d，远远低于本试验结果，这可能是因为采用的测量方式不同，孙斌采用的是对牛舍内的CO进行测定计算出干奶牛的温室气体排放量，没有计算奶牛瘤胃内温室气体的排放量。本试验中，基于GreenFee测定系统能够直接测定奶牛呼吸过程中通过口鼻排出的温室气体总量。Huhtanen 等测得饲喂TMR 和添加商用浓缩料的混合日粮奶牛的CO-eq 排放量分别为22 944、25 116 g/d，在体重（664±72 kg、675±96 kg）相近的情况下CO-eq 排放量高于本试验的结果，这可能是由于奶牛的CO-eq 排放量与干物质采食量呈显著正相关，而Huhtanen 等的试验动物干物质采食量高于本试验。Neel 等对不同体重安格斯牛的温室气体排放量的测定中发现，体重较高（平均体重609 kg）的安格斯牛的CO-eq 排放量为16 065 g/d，体重较低（平均体重为480 kg）的安格斯牛的CO-eq 排放量14 221 g/d，2 种结果均低于本试验中干奶期奶牛瘤胃的CO-eq 排放量，原因可能是本试验中荷斯坦奶牛的体重远远高于Neel 等试验中安格斯牛体重。

本试验结果表明，随着胎次增加，干奶牛的CO-eq 排放量呈现增加的趋势，尤其是在四胎和一胎之间有着显著的差异，而各个胎次之间的单位代谢体重CO-eq 排放量却没有显著差异，Neel 等研究也表明不同体重牛的CO排放量用单位体重CO排放量表示时没有差异，这表明胎次对CO-eq 排放量的影响可能是由于体重差异造成的。各个胎次之间的单位校正乳产量CO-eq 排放量没有显著差异，但随着胎次增加，呈现出逐渐增长的趋势，这可能是由于计算的校正乳产量是在新的泌乳期，所有牛都为经产牛，各个胎次之间的产奶量均没有显著差异所造成的。

3.4 干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量与动物特征、生产性能的相关性 目前测定反刍动物瘤胃温室气体排放量的测定方法很多，包括呼吸室法、非分光红外技术等，但精准的测定奶牛的瘤胃温室气体排放量需要大量的人力，在实际生产中，无法作到对每一头动物精确测定，因此需要根据反刍动物实测的CO和CH排放数据，应用统计方法建立的预测模型，核算排放因子，来预测动物的瘤胃温室气体排放量，为建立温室气体排放清单提供准确简便的方法。本试验结果表明，干奶牛的CO-eq 排放量与胎次（相关系数=0.44）和体重（相关系数=0.74）之间均存在着极显著的正相关关系，体重越大，其CO-eq 排放量就越高。Arthur 等用GreenFeed 测量了119 头小母牛和329 头阉牛的CO排放量数据，发现其与体重之间的相关系数分别为0.84和0.87；Jonker 等研究了母羊和羔羊的CO排放量和体重之间的关系，其相关系数为0.36～0.78，与本研究结果相似，干奶期奶牛瘤胃温室气体排放量随着体重的增加而增加。

4 结 论

在本试验条件下，干奶期奶牛的瘤胃温室气体排放量为14 022.8～22 386.7 g/d，平均排放量为18 419.8 g/d。不同胎次的干奶期荷斯坦奶牛的瘤胃温室气体排放量存在差异，其中一胎牛的瘤胃温室气体排放量最低。同时，干奶期奶牛的瘤胃温室气体排放量与胎次和体重均呈显著的正相关关系。