放牧家畜养分消化率的测定

金有顺，侯扶江

（兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

放牧是全球草地最普遍、最经济的管理方式，是草-畜互作维持草地生态系统多功能性的重要机制［1-2］。养分消化率是家畜管理的核心参数之一，直接反映家畜的生产性能和健康状况，是评估草地生态系统物质、能量循环与管理效率的关键指标之一。放牧家畜的养分消化率受牧草（供给量，品质等）、家畜（年龄、性别、体况、瘤胃微生物等）等生物因子［3-4］、年均降水量（annual mean precipitation，AMP）和年均温度（annual mean temperature，AMT）等非生物环境因子，草地系统类型和放牧方法等社会经济因子的影响［5-6］，分析放牧家畜养分消化率的测定方法及其优劣和适用范围，探讨影响养分消化率的主要因素，可为人类食物安全和生态健康提供科学保障［7-8］。

放牧家畜养分消化率的测定方法主要包括直接测定法和间接估测法（图1）。人类古代就利用观察法判断放牧家畜的养分消化率，随着测定技术的进步，人类对养分消化率的认知不断提高，一直在发展费工费力的直接测定方法，包括较为准确的瘤胃瘘管、代谢笼（舱）技术，以及指示剂法等。1986年，苏格兰山地农业研究所Mayes等［9］利用饱和链烷烃技术测定了绵羊的养分消化率以及放牧家畜的选择性采食，把外源指示剂法发展到内源指示剂的新阶段。1976年，美国宾夕法尼亚大学的 Norris 等［10］利用近红外光谱（near-infrared spectroscopy，NIRS）技术测定牧草营养成分［10］，为间接估测养分消化率提供技术基础。间接测定主要包括牧草品质、气候等模型预测法，结合NIRS、无人机和卫星遥感技术预测放牧家畜养分消化率能够快捷、大尺度地提高预测效率。

图1 放牧家畜养分消化率的测定方法Fig.1 Method for determination of nutrient digestibility of grazing livestock

我国陆地面积50%以上通过放牧管理［2-3］。进入21 世纪以来，草地管理正在从传统放牧向现代化转型，草地处于放牧、禁牧或放牧与休牧结合的“十字路口”。放牧家畜的养分消化率是评价草地营养价值和家畜生产力的关键指标，是草地健康管理的基础。为此，本研究分析放牧家畜养分消化率测定的发展和主要方法，力求为放牧管理水平和草地生态安全提供科学依据。

1 直接测定法

1.1 全收粪法（total fecal collection method）

传统测定消化率的方法，是用尼龙袋等容器收集家畜放牧期间排出的所有粪便，同时观测家畜的采食量［11］，计算养分消化率［12-14］。选取公畜便于分离粪、尿样品；若用母畜，则需考虑具有吸湿性的材料，及时地把粪与尿分离。首先，家畜出牧前绑定集粪袋和集尿袋，袋子尽可能柔软、结实，将家畜的应激反应降至最低，并防止家畜卧息时剐蹭、争斗时脱落。归牧后，收集粪袋，处理粪、尿样品，测定质量或体积，预处理粪、尿样品，妥善保存，待测。放牧家畜佩戴粪袋和尿袋主要有两个阶段：适应期，一般6～8 d，家畜适应粪袋及放牧草地和环境；粪尿样品收集期，一般3～5 d。家畜放牧过程中，尽可能减少人类活动的干扰，防止家畜受到惊吓。

全收粪法优点在于可较准确地测定家畜养分消化率，而该法也存在诸多缺陷：1）耗时，费工；2）适合羊等小型、驯化程度高的家畜，对于牛等体型较大的家畜和鹿等驯化程度较低的家畜，需要选取特殊材料，同时防止应激反应和粪袋掉落等；3）难以区分天然草地和混播草地各牧草种的养分消化率；4）放牧家畜佩戴粪袋后，一定程度上会产生生理、心理等应激反应，影响家畜的放牧行为和测定结果等。

草地类型和畜种会影响放牧家畜的养分消化率（表1）。全收粪法测定紫花苜蓿（Medicago sativa）/高羊茅（Festuca elata）混播草地放牧绵羊的干物质消化率为56.48%～60.70%［14-16］，高于冯昕炜等［17］在高寒草甸测定的放牧藏羊的消化率。全收粪法计算放牧家畜养分消化率公式如下：

表1 全收粪法测定家畜养分消化率Table 1 Nutrient digestibility of grazed animals measured by total fecal collection method

式中：D（digestibility）为某养分消化率；DMI（dry matter intake）为干物质采食量（g）；FDM（fecal dry matter）为粪干重（g）；COH（content of herbage）和COF（content of feces）分别为牧草样品和粪样中养分含量（g·g-1）。

1.2 指示剂法（indicator method）

指示剂不被放牧家畜消化，或消化吸收很少，绝大多数随家畜粪便排出体外［11］，根据指示剂在饲草和粪中比例，计算养分消化率，通常分为内源指示剂和外源指示剂。前者一般是饲草中酸不溶灰分和酸性洗涤木质素等难降解物质；外源指示剂主要有Cr2O3和TiO2等，将外源指示剂制成不易被家畜咀嚼的胶囊等物质，在家畜出牧前定量饲喂［20-22］，待家畜归牧后，收集粪，计算养分消化率。

1.2.1 内源指示剂（endogenous indicator） 天然指示剂，主要包括木质素、链烷烃、氮素以及酸不溶灰分等［11］，家畜采食后难以消化，或消化量忽略不计。1）烷烃法（alkane method）。利用牧草皮层蜡质中的奇数链烷烃作为内源指示剂［23-24］，与工业生产的偶数链烷烃结合，测定放牧家畜对该牧草种的养分消化率（表2），是一种特殊的双指示剂［25］。其优点：1）可重复性强；2）一定程度上避免家畜个体差异；3）定量评估家畜的选择采食。其制约因素主要是样品的准确采集、牧草和粪样的预处理水平等。计算公式如下：

表2 烷烃法估测家畜养分消化率Table 2 Estimation of nutrient digestibility of animals by alkane method

式中：Hci为牧草中链烷烃含量（mg·kg-1）；Fci为粪样中链烷烃含量（mg·kg-1）；i为烷烃长度。

2）酸不溶灰分（acid insoluble ash，AIA）法。牧草灰分不被消化，不溶于盐酸，根据牧草和粪的灰分含量，建立灰分与养分消化率的定量关系，可以估测放牧家畜对牧草的养分消化率（表3）［34-35］。主要优点：1）成本较低，操作简单，只需收集粪样和牧草；2）AIA 的回收率较高；3）极大地减少人力等。缺点：1）放牧家畜有嗜土行为，或在采食牧草时误食泥土等，使指示剂回收率超过100%［36］，结合食道采样可以避免；2）放牧家畜采食的牧草样品与粪样不能一一对应，准确率低，不能计算较短放牧时段牧草的养分消化率。AIA 法计算养分消化率公式如下：

表3 AIA 法测定家畜养分消化率Table 3 Determination of nutrient digestibility of animals by AIA method

式中：COH和COF分别为牧草样品和粪样中养分含量；AOH（AIA content of herbage）和AOF（AIA content of feces）分别是牧草和粪样中的 AIA 含量（g·g-1）。

式中：DMI和FDM分别为干物质采食量和日排粪干重（g）。

1.2.2 外源指示剂法（exogenous indicator） 人工饲喂指示剂，根据牧草和粪样中指示剂含量测定养分消化率（表4）。常用的外源指示剂有Cr2O3和TiO2等，Cr2O3在动物体内难溶，回收率高，是广泛使用的外源指示剂之一［42-43］。主要优点：1）劳动强度低，较全收粪法节省劳动力；2）不影响家畜的放牧行为。主要限制因素有：1）粪便组分不稳定，影响测定结果；2）较难测定单一牧草的养分消化率；3）指示剂的回收率影响测定结果，受牧草组成、指示剂饲喂时间及频数等影响［44-45］。4）部分指示剂会污染环境。计算公式如下：

表4 外源指示剂法测定家畜养分消化率Table 4 Determination of nutrient digestibility of animals by exogenous indicator method

式中：COF和COH分别为粪样和牧草中养分含量（g·g-1）；IOH（indicator of herbage）和IOF（indicator of feces）分别为牧草和粪样中指示剂含量（g·g-1）。

1.3 近红外光谱技术（NIRS method）

NIRS 用关系模型估测牧草和粪的化学成分，然后根据化学成分预测家畜养分消化率（表5）［46-47］。主要优点有：1）速度快，效率高，节约测定成本；2）便于重复；3）有利于大尺度、大样本调查各种草地类型、各种放牧家畜的养分消化率；4）可以预测单种牧草的养分消化率；5）根据样本量的增大而不断提高标准曲线的精度。主要缺点：1）需要针对牧草种类及其器官和生育期、家畜品种及其发育期等分别建立标准曲线，前期湿法测定样品营养成分投入的人力、物力较大；2）粪便的日组分变化较大，测定结果难以精确反映这一点；3）数据库受样本量、牧草种类等影响。

表5 NIRS 测定家畜养分消化率Table 5 Determination of nutrient digestibility of animals by NIRS method

2 间接测定法

2.1 体外产气法（in vitro gas production method）

利用牧草体外发酵产生的CO2和CH4等气体的比率估测养分消化率，因为牧草的产气量与产气率因营养品质而有差异［52-53］，而营养品质又决定了养分消化率（表6）。主要优点：1）具有简单、快捷、低成本、易标准化等优点；2）能够测定单一牧草的养分消化率，可重复性好；3）不受环境因素的干扰。主要缺点有：1）受瘤胃液采集时间等影响；2）牧草样品的前处理水平会影响试验结果；3）没有考虑环境等因素对放牧家畜养分消化率的影响；4）不能考虑家畜的放牧行为。

表6 体外产气法测定家畜养分消化率Table 6 Determination of nutrient digestibility of animals by in vitro gas production method

2.2 牧草品质预测法（forage quality prediction method）

牧草品质影响家畜放牧行为和消化代谢整个过程，因此利用牧草品质与养分消化率的定量关系建立预测模型（表7），传统常用牧草中粗蛋白（crude protein，CP）、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维等营养成分［56-57］进行预测。由于放牧家畜的发育期和生理状况、饲草组成等均制约家畜的养分消化率，作用机制复杂，因此在传统的摄食调控机理基础上，可用蛋白质组学、基因组学等现代生物技术建立预测模型［11］。主要优点：1）可以大尺度，大样本估测各种草地类型、各种放牧家畜的养分消化率；2）快捷，省时；3）能预测某单个牧草品种的养分消化率，模型可以不断补充样本改进数据，提高准确性。主要缺点；1）测定结果不准确；2）前期建模投入的人力，财力较大；3）不具有时效性，只能预测某一较短时间范围内的养分消化率；4）不能反映家畜的放牧行为。

表7 牧草品质预测家畜养分消化率Table 7 Prediction of nutrient digestibility of animals by forage quality

2.3 气候预测法（climate prediction method）

气候因素，尤其是降水量和积温，定量地决定草地类型［5］、产草量和牧草品质以及家畜的放牧行为，进而作用于家畜的养分消化率，因而可以用气候因子预测放牧家畜的养分消化率。拟合AMP、AMT、AMP/AMT 与放牧家畜的养分消化率，随着AMP 增加，两种草食性家畜养分消化率呈先增长后下降的趋势，AMP 在600～800 mm以及AMT 在12～14 ℃时牛的干物质消化率最高（图2），可能在一定范围内，降水和热量改变牧草品质［63-64］，改善放牧家畜的生境，有助于家畜采食和消化；当降水或热量过高或过低时，家畜对不利环境产生应激响应，同时牧草生长过快、品质易变老，或牧草生长过慢、低矮、灌草混杂等造成群落结构复杂，抑制放牧家畜的采食和消化。主要优点：1）敏捷、迅速；2）可以在全球范围内大尺度调查不同草地类型的消化率；3）能够随着样本库补充提高模型精确度。缺点：1）应用于中小尺度的牧场和牧区管理误差较大；2）需要大样本建立关系模型；3）与家畜的放牧行为联系较少。

图2 AMP、AMT、AMT/AMP 和不同放牧家畜干物质消化率的关系Fig.2 Relationship between AMP，AMT，AMT/AMP and dry matter digestibility of different animals

3 讨论与展望

3.1 放牧家畜养分消化率测定技术的发展

放牧家畜的养分消化率测定大致经过3个发展阶段（图3）。直接观察阶段持续时间较长。早期，由于理论和技术不足，人类主要通过放牧行为观察，获取经验知识，估测家畜的养分消化率，较为主观。仪器测定阶段，与直接观察相结合。1810年，家畜饲养标准规定动物所需的营养物质。1864年，德国科学家提出饲草的概略养分与测定方法。随着分析化学的发展，养分消化率的测定日益准确，全收粪法［14-16］、指示剂法［22-25］和NIRS［48-49］等普遍用于放牧家畜养分消化率的测定。模型预测阶段，计算机、遥感、分子测序、大数据分析等现代技术有能力预测放牧家畜的养分消化率，然而需以放牧行为观察和仪器测定为基础。

图3 放牧家畜养分消化率测定的发展阶段Fig.3 Outline of the stages in research on determination of nutrient digestibility of grazing animals

3.2 放牧家畜养分消化率测定的影响因素

消化率既是牧草的内禀性状，受牧草品种和生长阶段等因素的影响，也是家畜的特征参数，受家畜的种类、发育阶段、性别、瘤胃微生物和放牧管理等因素限制。放牧藏羊的干物质消化率随年龄呈“马鞍型”变化［22］，说明放牧家畜的选择性采食和消化系统的差异可改变牧草养分消化率。低放牧率的杂交奶牛，干物质消化率约70.7 %，显著低于高放牧率的76.7%［65］，可见，放牧管理也影响家畜的消化率。

3.3 放牧家畜养分消化率测定方法比较

放牧家畜养分消化率的测定方法也适用于舍饲家畜，但是操作的难易程度不同（表8）。全收粪法测定结果精确，然而费工、费时、费钱［14-18］，集粪袋对家畜放牧行为有较大影响，且难以体现牧场饲草供给的空间异质性。酸不溶灰分法、链烷烃等指示剂法一定程度节约了劳动力，但由于指示剂不能完全回收，准确性受限制［34-35］。饱和链烷烃技术可以反映放牧家畜的择食特征和食物组成［30-32］。体外产气法成本低，人工耗费小，是估测养分消化率的常用技术之一［53］，需要有食道瘘管的家畜和家畜放牧采食的样品，即使采食样本具有代表性，体外产气法测定养分消化率也会高于放牧动物的体内养分消化率。牧草品质预测法、气候预测法等根据大数据库建立模型，能够在大尺度下预测多种放牧草地类型的家畜养分消化率，相比全收粪法、指示剂法等仪器测定的结果，精确度低，不能明确放牧家畜的择食特征。总之，测定放牧家畜养分消化率的主要难点之一是收集代表性的采食样本，需要与放牧行为的观测和采食模拟相结合。

表8 放牧家畜养分消化率测定方法的比较Table 8 Comparison of the methods for determination of nutrient digestibility in grazing animals

3.4 展望

放牧家畜养分消化率的测定首先取决于对放牧系统的认识。无人机和遥感技术能够获取图像数据（图4），尤其是无人机技术，能快速、高重复地获取放牧区产草量、家畜行为等数据，和牧草品质预测法等相结合构建模型，即时预测放牧家畜的养分消化率。人工智能、云计算等大数据分析手段能够综合生物、非生物和社会因子预测家畜的养分消化率，需要传统方法与现代技术相结合，提高准确度和降低投入，服务放牧管理。

图4 放牧家畜养分消化率的大数据预测模式Fig.4 Big data prediction model for nutrient digestibility of grazing animals