氮排放与泌乳特性：饲喂添加或不添加支链挥发性脂肪酸的低蛋白日粮的荷斯坦-弗里斯兰奶牛

《Journal of Dairy Science》：Nitrogen emission and lactation characteristics of Holstein-Friesian dairy cattle fed low-protein diets with and without branched-chain volatile fatty acid supplementation

　　

本试验旨在评估与高蛋白日粮和不添加BCVFA的低蛋白日粮相比，支链挥发性脂肪酸(BCVFA)补充对饲喂低蛋白日粮的奶牛产奶量、乳成分产量和氮排放的影响。采用3×3拉丁方设计，将48头荷斯坦-弗里斯兰奶牛(试验开始时泌乳天数(DIM)为91±15天)按胎次、泌乳阶段和产奶量分为3头一组，共16个区组。在每个区组内，奶牛被随机分配到3个牛舍单元之一，以进行独立的排放测量(每个牛舍单元16头动物)。试验共持续15周，包含3个处理期。每个处理期持续5周，包括3周适应期和紧随其后的2周测定期。3种日粮处理为：(1)高蛋白日粮(HP)，日粮粗蛋白(CP)含量为167 g/kg干物质(DM)；(2)低蛋白日粮(LP)，日粮CP含量为154 g/kg DM；(3)LP添加BCVFA钙盐(LP+)，目标分别为253和109 mmol/头/天的异丁酸和2-甲基丁酸。与HP相比，LP和LP+均使氨气(NH₃)排放平均降低21%。与LP相比，补充BCVFA(LP+)未改善产奶量、乳成分产量或干物质采食量(DMI)，也未影响甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、NH₃和一氧化二氮(N₂O)的排放。然而，与HP相比，LP+降低了干物质(DM)排泄量，并有降低有机物(OM)排泄量的趋势(分别降低21%和23%)。降低日粮CP含量(即HP vs. LP或LP+)不影响DMI，但趋于降低乳粗蛋白含量，并降低乳尿素含量以及乳、粗蛋白和乳糖的产量。CO₂、CH₄和N₂O的排放不受日粮CP含量的影响。因此，可以得出结论：当日粮CP含量从167降至154 g/kg DM时，BCVFA补充未能抵消蛋白质限制对产奶量和乳成分产量的负面影响。这可能表明低蛋白日粮可能无法提供足够的瘤胃氮来支持BCVFA促进微生物蛋白合成，或者较低的可代谢蛋白供应量的影响超过了补充BCVFA的任何效应。解读性摘要：从环境角度看，降低日粮氮含量是可取的，以减少氮排泄和NH₃排放，但这通常与奶牛产奶量和乳粗蛋白产量的降低相关。补充支链挥发性脂肪酸可能在这种氮限制的饲喂条件下提供解决方案。本研究结果表明，低蛋白日粮对产奶量和乳成分产量产生负面影响，但降低了NH₃排放。在低蛋白日粮中补充支链挥发性脂肪酸并未改善产奶量，也未影响NH₃排放。

**论文解读：低蛋白日粮添加支链挥发性脂肪酸对奶牛氮排放与泌乳性能的影响**

**一、研究背景与问题提出**

奶牛养殖通过氮排放对环境污染做出贡献，其中氨气(NH₃)排放尤为突出，可导致敏感生态系统的氮富集，进而引发富营养化和酸化问题。NH₃排放水平在很大程度上取决于日粮粗蛋白(CP)的摄入量，该摄入量由干物质采食量(DMI)和日粮CP含量共同决定。瘤胃微生物从日粮来源获取氮，其中瘤胃可降解蛋白(RDP)是瘤胃微生物蛋白合成的主要氮源；此外，瘤胃微生物还可利用通过血液回收到瘤胃的尿素氮。肝脏主要从瘤胃吸收的NH₃以及氨基酸分解代谢产生的氮合成尿素，部分尿素经尿液排出。尿中的尿素在微生物脲酶作用下迅速水解为NH₃，这意味着尿液排泄后，与粪便及被粪便污染的设施表面接触时，NH₃排放便立即开始。降低日粮CP含量可减少肝脏尿素合成，进而降低尿氮排泄和氮排放。此外，过量饲喂CP还会因蛋白质补充成本高和氮利用效率低而降低利润空间。因此，降低日粮氮含量是减少氮排泄和NH₃排放的有效营养措施。

然而，降低日粮CP水平可能会降低产奶量和乳蛋白产量。支链挥发性脂肪酸(BCVFA)由日粮中支链氨基酸在瘤胃内降解产生，是瘤胃微生物群生长所必需的。多种纤维分解菌缺乏合成某些关键生长前体的能力，因此依赖于产BCVFA菌(如淀粉分解菌)的交叉饲喂。研究表明，补充BCVFA可改善纤维分解菌的生长和纤维消化。当RDP充足时，BCVFA通常不会成为限制因素；但当RDP降低时，BCVFA可能成为限制因素，阻碍纤维消化和纤维分解微生物蛋白合成。因此，向低蛋白日粮中添加BCVFA可能通过改善纤维消化、促进微生物蛋白合成和增加养分利用率来弥补营养缺口，从而防止动物生产性能下降。然而，这种效应假设瘤胃中有足够的氮来维持添加BCVFA时微生物的生长。因此，最佳补充策略需处于一个窗口期，即RDP足够低使BCVFA可能成为限制因素，但又不足以损害其功能作用。

基于此，研究人员开展本研究，旨在评估与高蛋白日粮和不添加BCVFA的低蛋白日粮相比，BCVFA补充对饲喂低蛋白日粮(所有日粮RDP水平维持在最优范围内)奶牛产奶量、乳成分和氮排放的影响。研究人员假设，接受低蛋白日粮并添加BCVFA的奶牛，其泌乳特性(即产奶量和饲料效率)将与接受高蛋白日粮的奶牛相似。此外，假设BCVFA补充能改善纤维消化，则低蛋白日粮添加BCVFA的奶牛甲烷(CH₄)产量(g/d)和产量(g/kg DMI)将更高，而CH₄强度(相对于牛奶)将因产奶量同步增加而不受影响。最后，假设BCVFA补充能提高产奶量，则更多的饲料氮将分配到乳氮中，而更少分配到排泄物中，从而比接受高蛋白日粮或不添加BCVFA低蛋白日粮的奶牛产生更低的氮排放。

**二、研究设计与技术方法**

本研究在荷兰瓦赫宁根大学与研究中心的Dairy Campus研究设施进行，采用3×3拉丁方设计，包含3种日粮处理和3个牛舍单元(模拟常规牛舍、地面和粪污管理)，每个单元饲养16头奶牛。共48头荷斯坦-弗里斯兰奶牛(25%头胎、25%二胎、50%三胎及以上)参与试验，试验开始时平均乳脂和乳蛋白校正乳(FPCM)产量为37.8±4.89 kg/d，平均泌乳天数为91±15天。奶牛按胎次、FPCM和DIM分为3头一组，共16个区组，每个区组内随机分配到3个牛舍单元。试验共15周，含3个处理期，每期5周(3周适应期+2周测定期)。3种日粮处理为：高蛋白日粮(HP，CP含量167 g/kg DM)、低蛋白日粮(LP，CP含量154 g/kg DM)和LP补充BCVFA钙盐(LP+，目标分别为253和109 mmol/头/天的异丁酸和2-甲基丁酸)。所有日粮均以全混合日粮(TMR)形式饲喂，由42%牧草青贮、18%玉米青贮和40%精料组成(DM基础)。通过调整精料成分实现日粮CP含量的差异，HP日粮通过用瘤胃保护菜籽粕和瘤胃保护豆粕替代棕榈仁片、甜菜粕和糖蜜来提高CP含量。奶牛每天在0500小时饲喂一次，自由采食，允许至少10%的剩料量。牛舍采用机械通风系统以测量气体排放，每个牛舍单元配备16个卧栏、12个采食位、1个饮水位和1个自动牛体刷。粪污储存在漏缝地板下方的粪坑中。

奶牛每天挤奶两次，每周采集奶样分析乳脂、粗蛋白、乳糖、尿素含量和体细胞数(SCC)。每天记录体重和体况评分(BCS)。每周采集日粮原料样品。粪坑在每期处理开始时机械混合并部分排空，目标保持粪坑充满高度为50 cm，每期结束时再次混合并测量粪污高度，采集粪污样品。气体排放测量采用光腔衰荡光谱法(CRDS)的多气体分析仪(G2508, Picarro Inc.)连续测量CH₄、CO₂、NH₃和N₂O浓度，通过测量进气和出气浓度差乘以通风速率计算气体排放量。饲料、粪污和垫料样品进行化学分析，包括DM、灰分、总氮、氨氮、粗脂肪、淀粉、还原糖、NDF、ADF、ADL和总能(GE)等指标。统计分析使用SAS 9.4的MIXED过程进行。

**三、研究结果**

**养分摄入与消化率**

大多数养分的摄入量不受处理影响，但氮和酸性洗涤木质素(ADL)除外。按设计，LP和LP+日粮的氮摄入量低于HP日粮(分别为0.557和0.560 vs. 0.628 kg/d，P=0.02)，而前两者之间无差异。LP日粮的ADL摄入量低于HP日粮(P=0.03)，LP+与两者均无显著差异。养分消化率不受日粮处理影响。

**体尺与泌乳特性**

接受LP+日粮的奶牛体重(BW)低于接受HP日粮时(P=0.02)，接受LP日粮的奶牛BW与HP和LP+均无显著差异。LP和LP+日粮的产奶量(分别为30.4和30.4 vs. 31.8 kg/d)、乳尿素含量(15和14 vs. 19 mg/dL)、粗蛋白产量(1,079和1,068 vs. 1,152 g/d)和乳糖产量(1,321和1,312 vs. 1,392 g/d)均低于HP日粮(P≤0.04)，乳粗蛋白含量趋于降低(P=0.08)，而前两者之间无差异。饲料效率不受日粮处理影响，但LP和LP+日粮的氮效率(乳氮/氮摄入量)高于HP日粮(P<0.01)，前两者之间无差异。

**粪污中养分排泄**

大多数养分的排泄量不受处理影响，但DM和OM除外。LP+日粮的DM排泄量低于HP日粮(P=0.04)，LP与HP和LP+均无显著差异。LP和LP+的OM排泄量趋于低于HP(P=0.05)。氮排泄量(有机、无机和总氮)在3种日粮间无显著差异。

**气体排放**

表6所列排放量为动物和粪污的合计排放量。通风速率、温度和相对湿度在各处理间无差异(P≥0.38)。CH₄、CO₂和N₂O的排放不受日粮处理影响(P≥0.18)，无论以何种单位表示。NH₃排放受日粮处理影响，在所有表达方式下均呈现相同响应：LP和LP+日粮的NH₃排放低于HP日粮(P≤0.02)，前两者之间无差异。

**四、讨论与结论**

**讨论**

本研究目标日粮CP含量为HP日粮165 g/kg DM，LP和LP+日粮155 g/kg DM，通过使用不同成分的精料实现。日粮配方设计满足DVE(肠道可消化蛋白)需求的104%(HP日粮)和92%(LP和LP+日粮)，因此接受LP或LP+日粮的奶牛经历约8%的后肠道氨基酸可利用性不足，这体现在产奶量和乳蛋白产量下降以及乳粗蛋白含量趋于降低。日粮RDP水平保持在最优范围内，但并未观察到低蛋白日粮中补充BCVFA的明显响应。文献中BCVFA补充的响应差异较大，日粮CP水平、泌乳阶段、日粮中RDP水平和真RDP来源等因素均可能影响响应。BCVFA补充未影响DMI，与研究结果一致的部分文献相符，但与部分早期泌乳阶段的研究不一致。NDF消化率虽未达统计显著，但补充BCVFA后数值上提高了6.5%以上，与既往研究一致。降低日粮CP含量未影响DMI，但降低了产奶量、乳粗蛋白产量和含量，这与多项研究结果一致，可能原因是LP和LP+日粮存在8%的可代谢蛋白(MP)缺乏。日粮CP含量不影响乳脂含量和NDF消化率。粪污养分排泄方面，LP+日粮的DM排泄量低于HP日粮，部分原因可能是DMI和OM摄入量的数值降低以及消化率的改善。气体排放方面，CH₄排放不受日粮影响，与多数研究一致，可能归因于影响CH₄排放的关键养分(NDF、淀粉和脂肪)摄入量未发生改变。NH₃排放方面，LP和LP+日粮分别比HP日粮降低20.1%和22.3%，这与多项研究结果一致，主要归因于降低日粮CP导致尿氮排泄减少。N₂O排放不受日粮CP含量影响，与既往某些研究不同，可能因本研究中日粮硝酸盐含量在各处理间相似。

**结论**

通过调整精料成分将日粮CP含量从167降至154 g/kg DM，不影响DMI，但趋于降低乳粗蛋白含量，并降低乳尿素含量以及乳、粗蛋白和乳糖的产量。与高蛋白日粮相比，LP和LP+日粮的NH₃排放分别降低20.1%和22.3%。CO₂、CH₄和N₂O的排放不受日粮CP含量影响。在低蛋白日粮中补充BCVFA未改善产奶量和乳成分产量，也未影响CH₄、CO₂、NH₃和N₂O排放。总体而言，在154 g CP/kg DM日粮中补充BCVFA未能抵消蛋白质限制对产奶量和乳成分产量的负面影响。这可能表明低蛋白日粮可能无法提供足够的瘤胃氮来支持BCVFA促进微生物蛋白合成，或者较低的可代谢蛋白供应量的影响超过了补充BCVFA的任何效应。