适度提高饲粮淀粉水平并部分用菜籽粕（CM）替代饲粮蛋白源对奶牛甲烷排放及泌乳性能的影响

《Animals》：Effects of a Moderate Increase in Dietary Starch Content and Partial Replacement of Dietary Protein Source with Canola Meal on Methane Emissions and Lactation Performance in Dairy Cows

　　

本研究旨在评估适度提高饲粮淀粉水平及部分以菜籽粕（canola meal，CM）替代饲粮蛋白源对奶牛泌乳性能、甲烷（methane，CH4）排放、瘤胃发酵参数及血清生化指标的影响。首先开展了两项体外产气试验：试验1配制干物质（dry matter，DM）基础上淀粉水平分别为24.0%（低淀粉）、27.4%（中淀粉）和30.8%（高淀粉）的饲粮；试验2在无CM的对照饲粮（CONin_vitro；淀粉25.7%，即24.0%与27.4%的均值）基础上，配制适度提高淀粉含量并以占DM 10.73%的比例添加CM的饲粮（HSCMin_vitro；淀粉29.1%，即27.4%与30.8%的均值）。随后的体内试验中，将30头泌乳中期荷斯坦奶牛随机分为两组：对照组饲粮（CON，DM基础上含26.1%淀粉且不含CM）或试验组饲粮（HSCM，DM基础上含28.9%淀粉并含7.68% CM）。试验1的体外结果表明，提高饲粮淀粉水平线性降低了CO2产量（p < 0.01）和CH4产量（p = 0.03），但组间未检测到显著差异。试验2中，与CON饲粮相比，饲粮淀粉提高3.4%并结合部分添加CM表现出降低CH4（p = 0.06）和CO2产量（p = 0.08）的趋势。体内试验中，饲喂HSCM饲粮的奶牛表现出干物质采食量（dry matter intake，DMI；p = 0.06）和饲料效率（产奶量/DMI；p = 0.09）升高的趋势，且产奶量（p < 0.01）、能量校正乳（energy-corrected milk，ECM；p < 0.01）和乳脂乳蛋白校正乳（fat- and protein-corrected milk，FPCM；p < 0.01）显著提高。乳脂（p < 0.01）、乳蛋白（p < 0.01）、乳糖（p = 0.03）和总固形物（p < 0.01）产量亦显著提高，而乳尿素氮（milk urea nitrogen，MUN）浓度降低（p < 0.01）。HSCM饲粮使CH4产量显著降低14.1%（p = 0.02），同时CH4产量（p < 0.01）以及以g/kg产奶量、ECM和FPCM表示的CH4排放强度（p < 0.01）均降低。瘤胃发酵参数显示，HSCM组异丁酸和异戊酸的摩尔比例较低（p < 0.01），其余瘤胃参数组间无差异。此外，HSCM组血清总蛋白（total protein，TP）浓度较高（p = 0.02），血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN；p = 0.09）呈下降趋势。上述结果表明，适度提高饲粮淀粉含量并部分以CM替代饲粮蛋白源是一种可同时改善泌乳性能并减缓CH4排放的有效营养策略。然而，由于体内试验中淀粉与CM同时改变，各因素的独立贡献无法确定，有待进一步研究。

研究背景方面，人为温室气体（greenhouse gas，GHG）排放已破坏地球气候平衡与环境稳定，加速全球变暖；CH₄是第二重要的温室气体，其20年尺度全球增温潜势（global warming potential，GWP）为CO₂的82.5倍，对全球变暖的贡献约30%。畜牧业是农业GHG的主要来源之一，贡献全球人为CH₄约三分之一；反刍动物因特殊胃肠道与微生物发酵，通过碳水化合物厌氧发酵产生大量CH₄，占畜牧业CH₄总排放的81%，且CH₄造成的能量损失约占总能摄入的2%～12%，直接带来饲料成本经济损失。奶牛将人类不可利用的粗饲料转化为营养丰富的牛奶，但奶牛养殖贡献全球畜牧业GHG总排放约30%，因此有效的CH₄减排策略应支持或维持奶牛泌乳性能。饲粮配制是兼顾减排与泌乳性能的有效策略：纤维与淀粉是两类最重要的饲粮碳水化合物组分，纤维降解产生乙酸、丁酸及大量氢气（H₂），大部分H₂被产甲烷古菌用于合成CH₄；仅抑制产甲烷途径可能升高瘤胃H₂分压而抑制饲料降解；理论上淀粉降解主要促进丙酸发酵，丙酸作为有效H₂汇可减少CH₄生成。但已有研究显示，只有组间淀粉水平梯度较大时才能观察到CH₄显著下降：Culbertson等和Pirondini等分别提高饲粮淀粉4%和4.2%，均未观察到CH₄产量或排放强度（g/kg ECM）显著下降；Juckem等将淀粉由21%提高至27%则显著降低CH₄产量与排放强度；Aguerre等发现提高3%和6%淀粉未显著降低CH₄产量，而提高9%可显著减排。另一方面，双低油菜籽（芥酸<2%、硫苷<30 μmol/g）经溶剂浸提后的副产物即双低菜籽粕（CM），是豆粕（soybean meal，SBM）的经济替代品；体内研究表明CM的CH₄产生潜力低于SBM，可能与其瘤胃流通速率较高、减少瘤胃可发酵底物有关；Gidlund等报道以CM为蛋白源时CH₄排放强度（g/kg ECM）随饲粮粗蛋白（crude protein，CP）浓度升高而显著下降；Benchaar等观察到随CM替代SBM比例增加CH₄排放线性下降；添加CM还可提高DMI与泌乳性能，从而降低排放强度。然而提高饲粮淀粉虽为高产奶牛常用手段，却可能增加瘤胃酸中毒风险。2023年中国农业（奶业）产业技术体系调查显示，现代化规模牧场高产奶牛饲粮淀粉含量主要在24%～31%，前50%平均29%、后50%平均25.9%，75%的饲粮配制在25%～29%，说明行业内已形成较窄且公认的淀粉范围。因此研究人员有意选择约3%的淀粉增幅以保持在常用范围内，而非评估偏离商业实践、可能增加酸中毒风险的更宽范围；但如此适度增幅单独使用可能不足以有效减排。本研究的创新点在于考察该适度淀粉增幅与部分以CM替代饲粮蛋白源相结合能否同时减缓CH₄排放并改善泌乳性能，这一策略在奶业常用淀粉范围内鲜有研究。研究假设该组合策略较不含CM的对照饲粮可降低CH₄排放并提高产奶量；目的是研究不同淀粉含量与CM添加对体外CH₄产生的影响，以及适度提高饲粮淀粉并部分以CM替代蛋白源对泌乳奶牛泌乳性能、CH₄排放、瘤胃发酵参数和血清生化参数的影响。

研究人员开展的研究包括两项体外产气试验和一项体内饲养试验。体外试验1以调整玉米比例配制淀粉24.0%、27.4%、30.8%（DM基础）的饲粮为发酵底物；试验2配制无CM对照饲粮（CON_{in_vitro}，淀粉25.7%）与适度提高淀粉并添加占DM 10.73% CM（CM贡献饲粮总CP的28.4%）的饲粮（HSCM_{in_vitro}，淀粉29.1%）。体内试验于2026年4—6月在上海星火二牧场开展，平均气温18～28 ℃，奶牛饲养于拴系式牛舍，每头牛垫料区约3.5 m²，自由饮水，垫料为木刨花并每日更换；舍温超过18 ℃时开启风机提供3 m/s风速，超过26 ℃时启用喷淋（喷2 min停1 min）。选用30头泌乳荷斯坦奶牛（10头初产、20头经产；体重726.8 ± 58.2 kg，泌乳天数179.5 ± 10.1 d，产奶量40.1 ± 5.4 kg/d），按胎次、产奶量和泌乳天数采用完全随机区组设计分为15个区组，每区组1头牛随机分入CON饲粮（实验室实测淀粉26.1%，不含CM）或HSCM饲粮（实测淀粉28.9%，含7.68% CM），饲粮按NASEM（2021）推荐配制以满足泌乳中期营养需要；全混合日粮（total mixed ration，TMR）每日3次用立式TMR搅拌机配制，按粗饲料、精料补充料、矿物质顺序添加，加水使含水量达45%～50%，混合约15～20 min；每日3次（0600、1330、2100 h）饲喂，允许5%～10%剩料；每日3次挤奶（0600、1300、2100 h）；试验共10周，前2周为饲粮适应期。结论为：体外结果表明显著降低瘤胃CH₄需要较大淀粉增幅（6.8%），适度增幅（3.4%）不足，除非结合CM；体内验证显示适度淀粉（2.8%）结合CM（7.68% DM）可提高DMI、产奶量及乳成分产量，使CH₄降低14.1%，并更明显地降低排放强度（g/kg ECM）；其机制及淀粉与CM的独立贡献尚不清楚，需进一步研究；总体而言，在商业生产常用的较窄淀粉范围内，适度提高淀粉并以CM作为饲粮蛋白源是同时改善泌乳性能与减少奶牛肠道CH₄排放的实用策略。重要意义在于为奶业在不大幅提高淀粉、规避瘤胃酸中毒风险的前提下，提供了一种兼顾生产效益与环境减排的可操作营养策略。

关键技术方法方面（不超过250字）：采用体外产气法（人工唾液按Menke等方法配制，瘤胃液采自3头安装瘤胃瘘管的泌乳后期奶牛，经4层纱布过滤后按1:2与人工唾液混合并持续通CO₂，39 ℃恒温培养，于8、24、48 h测定顶空压力并以气相色谱测定CH₄与CO₂浓度）；体内采用完全随机区组设计的30头荷斯坦奶牛饲养试验（来源为上海星火二牧场）；采用自动头室（Automatic Head-Chamber，AHC）系统结合便携式温室气体分析仪（GGA-30p）于第4、8周测定气体排放，并进行CH₄回收率校验；经口腔胃管采集瘤胃液以气相色谱测定挥发性脂肪酸（volatile fatty acids，VFAs）；尾静脉采血用自动生化分析仪测定血清指标；数据采用SAS 9.4的PROC GLM与PROC MIXED（重复测量）分析。

研究结果方面，体外产气（3.1）：试验1中随饲粮淀粉升高，总产气量由196.5 mL/g DM线性降至160.5 mL/g DM（p < 0.01），CO₂产量由157.1 mL/g DM降至130.9 mL/g DM（p < 0.01），CH₄产量线性下降（p = 0.03），淀粉对CH₄产量的影响呈显著趋势（p = 0.07），多重比较仅低淀粉组较高淀粉组呈CH₄下降趋势（p = 0.06），其余组间无差异；CH₄（p = 0.73）与CO₂（p = 0.45）占总气体比例不受淀粉水平影响。试验2中，与CON_{in_vitro}相比，HSCM_{in_vitro}呈降低CH₄产量（p = 0.06）和CO₂产量（p = 0.08）的趋势，总产气量（p = 0.12）、CH₄占比（p = 0.11）和CO₂占比（p = 0.31）无显著差异。DMI与产奶（3.2）：与CON组相比，HSCM组DMI（24.9 vs. 24.1 kg/d；p = 0.06）和饲料效率（p = 0.09）呈升高趋势；粗饲料采食量较低（9.04 vs. 9.59 kg/d；p < 0.01），精料采食量（15.8 vs. 14.5 kg/d；p < 0.01）和淀粉采食量（7.18 vs. 6.28 kg/d；p < 0.01）显著较高；产奶量（37.4 vs. 35.6 kg/d；p < 0.01）、ECM（41.4 vs. 39.3 kg/d；p < 0.01）和FPCM（38.1 vs. 36.3 kg/d；p < 0.01）显著提高，自第2周起HSCM组产奶量超过CON组并持续至试验结束；DMI、产奶量、ECM和FPCM均存在显著时间效应（p < 0.01）；HSCM组MUN较低（13.7 vs. 14.3 mg/dL；p < 0.01），乳糖率呈降低趋势（5.09 vs. 5.13%；p = 0.06），乳脂（1.54 vs. 1.46%；p < 0.01）、乳蛋白（1.29 vs. 1.22%；p < 0.01）、乳糖（1.91 vs. 1.83%；p = 0.03）和总固形物（4.89 vs. 4.63%；p < 0.01）产量显著较高。气体排放（3.3）：与对照相比，HSCM饲粮使CH₄产量显著降低14.1%（474.6 vs. 552.7 g/d；p = 0.02），CH₄产量（19.2 vs. 23.5 g/kg DMI；p < 0.01）及以每千克产奶量（12.7 vs. 15.3 g/kg；p < 0.01）、ECM（11.1 vs. 13.7 g/kg；p < 0.01）和FPCM（12.1 vs. 14.9 g/kg；p < 0.01）表示的排放强度均较低，CO₂产量组间无显著差异（p = 0.31）。瘤胃发酵参数（3.4）：HSCM饲粮未改变瘤胃pH（6.16 vs. 6.11；p = 0.29）、NH₃-N浓度（9.79 vs. 10.4 mg/dL；p = 0.53）、总VFA浓度（130 vs. 133 mM；p = 0.40）、乙酸（59.2 vs. 59.1%；p = 0.87）、丙酸（22.9 vs. 22.5%；p = 0.42）、丁酸（14.8 vs. 14.9%；p = 0.77）、戊酸（1.50 vs. 1.55%；p = 0.27）摩尔比例及乙酸/丙酸比（2.62 vs. 2.65；p = 0.63）；HSCM组异丁酸（0.64 vs. 0.72%；p < 0.01）和异戊酸（1.05 vs. 1.27%；p < 0.01）摩尔比例显著降低。血清生化参数（3.5）：HSCM饲粮呈降低BUN浓度趋势（4.98 vs. 5.31 mmol/L；p = 0.09），显著升高TP浓度（70.5 vs. 68.2 g/L；p = 0.02），并观察到较低的TAC浓度（1.17 vs. 1.25 mmol/L；p < 0.01），其余血清生化参数组间无显著差异（p > 0.05）。

讨论部分总结：体外甲烷减排方面，体外产气技术可快速模拟瘤胃发酵与产甲烷过程；试验1中CH₄产量随淀粉升高线性下降，与既往研究及预期一致，但高淀粉组中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）由31.3%降至25.3%（约降6个百分点），玉米比例由26.1%升至39.3%，故产气降低不能简单归因于可发酵底物减少，可能因高淀粉快速发酵致瘤胃pH下降、抑制纤维分解菌并降低NDF降解效率，但本研究未直接测定pH动态与NDF消化率，该解释仍属推测。关于所需淀粉增幅，既往报道需提高6%～9%方能显著减排；试验1中3.4%增幅无明显效果，6.8%增幅呈降低CH₄趋势，提示存在剂量依赖，即单纯提高淀粉可能需超过6.8%的增幅，或淀粉单独作用不足而需与其他减排策略结合。鉴于瘤胃健康与生产成本限制，体内试验选取25.7%与29.1%两个淀粉水平，符合中国现代化规模牧场高产奶牛24%～31%的实际范围；因约3%增幅可能不足以显著减排，故引入CM部分替代蛋白源，CM可通过较高瘤胃流通速率限制可发酵底物可利用性、较慢蛋白降解速率改善能氮同步等机制减少产甲烷；Paula等报道以CM替代SBM呈降低CH₄浓度与产量（mL/g DM）趋势；试验2中HSCM组CH₄产量降低17%，较单提高3.4%淀粉所实现降幅高出3.65～9.55个百分点，符合CM与淀粉协同减排的预期。体内泌乳性能方面，DMI受饲粮淀粉水平与蛋白源影响；Malekkhahi等报道淀粉由22%升至32%时DMI增加1.2 kg/d；对照饲粮NDF较高（尤其粗饲料NDF）造成的物理充盈亦可能降低DMI；既往研究中DMI随CM添加线性增加，Sánchez-Duarte等发现完全以CM替代SBM并将淀粉提至27%可提高DMI；HSCM组DMI升高趋势可能归因于适度淀粉提高能量密度与CM较慢的蛋白水解共同改善瘤胃能氮同步，但该机制未经直接测定，仍属推测。淀粉作为快速发酵碳水化合物是泌乳奶牛主要能源，提高淀粉可通过提供合成乳的额外能量显著提高产奶量与FPCM，但反应并不总是一致，Piccioli-Cappelli报道在泌乳早期和后期提高淀粉未显著改善产奶量；本研究中较高淀粉带来的可消化能结合DMI提高可能部分贡献于产奶量、ECM和FPCM升高；CM的作用亦值得考虑，其可能通过优化蛋氨酸供给、较高瘤胃未降解蛋白（rumen-undegradable protein，RUP）比例和改善能氮同步提高氮利用；Benchaar等的剂量效应研究亦发现产奶量与ECM随CM替代SBM水平升高而线性增加，但CM对产奶量的影响在不同研究中不一致，可能与基础饲粮类型、CM添加水平和饲粮CP含量差异有关。高淀粉饲粮常易致乳脂率下降，原因包括产奶量提高的稀释效应、养分优先分配至脂肪组织或瘤胃环境与乳腺脂肪酸合成改变；本研究中乳脂率得以维持而乳脂产量因产奶量提高显著增加，提示HSCM饲粮未对乳脂生产产生负面影响；粗饲料提供的物理有效NDF（physically effective NDF，peNDF）可支持反刍与唾液缓冲以维持瘤胃pH和乳脂率，但本研究未测定粒度分布，peNDF对瘤胃pH稳定的贡献有待后续研究；CM较高的蛋氨酸含量可能有助于维持瘤胃pH，从而抵消淀粉提高2.8个百分点带来的产酸风险；低瘤胃pH是经改变生物氢化途径和产生反式-10、顺式-12共轭亚油酸导致乳脂下降的已知诱因，HSCM组瘤胃pH相对稳定进一步支持其对脂肪合成无负面影响。提高饲粮淀粉可提高乳蛋白与乳糖产量，CM亦可作为有效蛋白源提高乳蛋白产量；本研究中乳蛋白与乳糖产量显著增加，可能亦归因于产奶量提高；MUN显著降低表明更多氮被分配至乳蛋白合成而非以尿素形式排出，反映饲粮氮利用效率整体改善。综上，HSCM组较高的产奶量、ECM、FPCM和乳成分产量符合预期，凸显优化淀粉水平与蛋白源对泌乳奶牛饲粮配制的重要性。瘤胃发酵与甲烷减排方面，多项研究表明提高淀粉可通过促进丙酸发酵途径减少CH₄生成，但效应大小取决于淀粉增幅，Culbertson等与Pirondini等分别提高4%和4.2%均未检测到CH₄产量或排放强度显著下降，提示适度提高淀粉单独作用可能不足，需在有限可调范围内采取补充策略。与预期相反，HSCM组瘤胃丙酸摩尔比例未随CH₄下降而升高，乙酸/丙酸比亦未下降，这与Mc Geough等报道一致，即CH₄下降可能与静态VFA摩尔比例变化无直接关联；但VFA摩尔比例反映的是产生、吸收与液相外流的动态平衡而非直接产生速率，淀粉发酵加速时乙酸、丙酸、丁酸生成可能同时增加而丙酸比例相对不变；更重要的是丙酸是瘤胃上皮吸收最快的VFA，吸收速率显著高于乙酸和丁酸，即使净丙酸产生增加，快速吸收也可防止其在瘤胃池中蓄积而维持摩尔比例稳定；但本研究未直接测定瘤胃液相稀释速率或净VFA产生，上述解释仍属推测。HSCM组异丁酸与异戊酸摩尔比例降低提供了额外线索：支链挥发性脂肪酸（branched-chain volatile fatty acids，BCVFAs）是支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）瘤胃发酵的终产物；与CM相比SBM含更高异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸，且这些BCAAs在SBM中瘤胃降解更充分，可能解释CON中高比例SBM所致HSCM组异丁酸与异戊酸摩尔比例较低；由于BCVFAs可能影响NDF降解与CH₄产生，该变化可能与HSCM组较低CH₄排放相关；此外CM较高瘤胃流通速率可能限制液相与固相中产甲烷菌的底物可利用性从而减少CH₄产生，但这些机制仍属推测，需进一步研究。组合饲粮增强的甲烷减排可能部分归因于瘤胃能氮供给同步性改善，尽管本研究未获直接证据：淀粉发酵为丙酸途径提供碳骨架与ATP，该途径传统上被视为与产甲烷竞争的关键氢汇，但丙酸途径的竞争性氢利用效率可能受瘤胃可降解蛋白（rumen-degradable protein，RDP）供应限制用于微生物蛋白合成；与SBM相比CM的RDP降解速率较慢，可能更好匹配淀粉发酵的时间模式，从而增强经丙酸途径的氢竞争利用；这种能氮同步与CM的减排机制或可解释为何仅2.8个百分点的适度淀粉提高结合CM即实现14.1%的甲烷产量降低，其效果与或大于既往报道的单纯大幅提高淀粉所实现的效果；但这些机制解释仍属推测，需未来直接测定瘤胃发酵动态、微生物区系和氢代谢加以证实；值得注意的是HSCM组CH₄排放强度降幅比CH₄产量降幅高2.86～4.85个百分点，该差异反映产奶量提高带来的额外稀释效应。全身代谢指标方面，TP是奶牛蛋白营养状况的关键指标并与产奶量正相关；高淀粉饲粮增加瘤胃可发酵碳水化合物供应并提高氨基酸利用效率，CM则促进瘤胃更高效的氮代谢并提供较高比例RUP，二者共同可能解释HSCM组较高TP浓度；HSCM组较低BUN浓度进一步支持氮利用改善，因BUN是瘤胃氮循环产物并与氮利用效率相关。高产奶常伴随代谢负荷增加而影响氧化平衡；Ma等报道高精料饲粮可诱导亚急性瘤胃酸中毒并降低乳腺静脉血TAC；本研究中HSCM组血TAC显著下降可能反映产奶量提高所致代谢负荷增加、饲粮淀粉升高以及CM不饱和脂肪酸潜在氧化挑战的综合作用；由于所有测定值均在奶牛正常生理范围内，该变化更可能反映对较高能量摄入的代谢适应而非临床相关氧化应激，但不能排除其反映全身氧化挑战轻度增加的可能，需以更多氧化应激标志物和更长观察期进一步阐明。研究结论翻译：体外结果表明，显著的瘤胃甲烷减排需要较大幅度的淀粉提高（6.8%），而适度提高（3.4%）不足，除非与菜籽粕结合。这些结果在体内得到验证：适度淀粉（2.8%）结合菜籽粕（7.68% DM）提高了DMI、产奶量和乳成分产量，使甲烷降低14.1%，并更明显地降低排放强度（g/kg ECM）。这些益处的机制以及淀粉与菜籽粕各自的独立贡献仍不清楚，需要进一步研究。总之，在商业运营通常采用的较窄淀粉范围内，适度提高淀粉并以菜籽粕作为饲粮蛋白源，是同时改善奶牛泌乳性能和减少肠道甲烷排放的实用策略。