饲料原料来源及其对动物生产和环境可持续发展的影响

程佳敏

（黄冈师范学院，湖北黄冈 438000）

畜牧业生产在全球范围内以多种方式进行，为人们的生活和其他产业提供各种各样动物蛋白及其副产物。目前，畜牧业已经成为发展中国家增长最快的农业产业之一，因为发展中国家的人口增长率、城市化进程和收入水平都得到了极大程度的提高，这种客观的外界环境无疑促进了人们对畜产品的大量需求。一方面，发展中国家对畜产品需求量的增长为当地畜牧业的高速发展提供了契机；另一方面，发展中国家的大部分需求往往需要由当地生产来满足，这种情况很可能会一直延续。而农业生产的扩大需要使经济收入低的人群从中获益，并减轻其对环境的影响。从现实情况来看，尽管畜牧业是农业产业的重要组成部分，但畜牧业带来的一系列问题无法回避，如粪污、废气、废弃物、水体富营养化等。其中，畜牧业排放温室气体造成全球气候变暖的问题逐渐受到人们的广泛关注（覃春富等，2011）。在全球范围内，每年大约有8000万t甲烷是通过肠道发酵生产的，其中反刍动物贡献了很大一部分。饲养反刍动物中的甲烷是由产甲烷菌在瘤胃和消化道后端对饲料发酵产生的，占饲料总能量的2%～12%（安娟和赵晓川，2006）。因此，降低反刍动物甲烷排放的相关策略一直具有获得经济和环境效益的潜力（Patra，2011）。

1 全球动物生产系统

各个国家的养殖生产环境、生产强度、生产目的存在很大的差异，他们根据农业生态和产品需求对动物生产系统进行了分类。在这些系统中，畜禽养殖与农作物生产交织在一起，如亚洲的水稻 /水牛或谷物 /肉牛（Steinfeld等，2006）。动物粪便往往是维持土壤肥力的必要条件，过去几十年，许多发展中国家出现了大型集约化畜牧生产，特别是以猪和家禽为生产单位，以应付对畜牧产品迅速增长的需求（史光华等，2004）。此外，每个系统融入市场经济的程度因许多因素而异，其中最重要的因素也许是地理位置，因为地理位置对市场一体化的影响是双重的：一方面是对农业生态的影响，另一方面是对基础设施的影响。一些地区的市场一体化程度可能更高，因为降雨和土壤条件有利于种植，而其他城市可能缺乏其中一项或两项优势，动物生产系统可分为以下几类。

1.1 自给动物生产系统 对于以维持生计为主的家庭农场来说，土地和劳动力是主要的生产因素。资本投资限于非货币性的设备、土地改良和饲养的畜禽动物，其生产的提高主要取决于天气和由家庭控制生产要素的数量和质量，如充分利用剩余劳动力、利用动物粪便提高土壤肥力、更好的畜禽管理方法（候扶江等，2009）。小农养殖生产的进展很可能是缓慢的，但通过农业系统研究、教育和推广方案可以得到改善。由于当地的非农就业机会很少，货币循环在以维持生计为主的家庭经济中起的作用很小。对于以生存为导向的农场来说，产出和消费是相同的，因此，这些家庭基本上（但并非全部）对价格和市场信号没有很敏感的反应。生活在这些条件下的家庭很少以生产最大化为目标，因为这将意味着专业化及其伴随的风险，以维持生计为主的农民不愿意从传统的做法转向新技术。

1.2 半自给动物生产系统 半自给自足的家庭生产了消费需求的60%～80%农产品，此外，它还将生产蔬菜、茶等经济作物以及饲养的畜禽一并出售（李丽华和唐增，2013）。因此，半自给生产者将面临与价格波动和自然环境变化有关的风险。因此，货币循环在半自给自足的生产单位中起着重要作用。与以生存为导向的养殖户相比，这类养殖户往往对市场和价格信号更敏感。在市场上销售的畜产品份额越高，货币循环在半自给生产体系中的重要性就越大，市场和价格信号的影响最终将取决于市场一体化的程度（杨朝英，2009）。从自给自足向更加商业化生产过渡的第一步可能是需要获得现金流来满足日常的生活或生产，只要这种需求是以销售为唯一目的，那么价格和市场供应之间就会存在负相关关系。换句话说，市场价格越高，需要出售的数量就越少，反之亦然（杨朝英，2009）。

随着过渡进程的继续，市场供应的反应变得积极，因为生产者认识到增加现金收入使他们能购买其他消费品，从而改善其生活或生产。如果这些商品能定期在当地市场买到，收入增长可能会成为一个重要的家庭目标。更高的收入也使家庭能购买更多的外部生产要素（化肥、种子或养殖动物），从而进一步提高产量。因此，从纯粹的半温饱、温饱生活状态过渡到更多的商业化农业生产将对农村家庭的消费和生产产生两个相互关联的影响，即直接购买消费品和服务以及通过增加使用外部投入而使收入进一步增长（高帆和张文景，2013）。对于生活在这些制度下的家庭来说，规避风险仍然是家庭决策的一个重要决定因素。这些生产者面临着与价格波动相关的风险，也面临着气候变化带来的风险。有时这些因素会相互抵消，如产量低导致市场产品短缺，使市场价格上涨，反之亦然。

1.3 集约化动物生产系统 在这些系统中，生产单位往往对价格和市场信号反应灵敏，会根据价格和市场信号来决定企业的发展规划。对于生活在这种条件下的家庭来说，资源配置将在很大程度上由利润决定，而不是生存动机。然而，尽管风险规避在决策中所起的作用较小，但如果市场不可靠或机构支持（信贷、价格稳定、动保服务）不足，家庭往往不会完全进行商业生产。商业系统的存在既与需求因素有关，也与供应因素有关，如人口密度和购买力高的地区，特别是东亚、欧洲和北美沿海地区，这些地区海洋港口条件便利，显示出工业系统的高度集中，并进口了许多必要的饲料原料（Steinfeld等，2006）。相比之下，美国中西部、巴西和阿根廷的内陆地区有充足的饲料原料，这些地区的养殖系统主要依赖于当地过剩的饲料资源。

2 动物蛋白产品的需求

畜牧业面临着越来越大的压力，必须满足对高价值动物蛋白日益增长的需求，随着人口增长、城镇化及收入增加，预计到2030年，动物蛋白年产量将从1997～1999年的2.18亿t增加到3.76亿t。收入水平与动物蛋白消费之间存在很强的正相关关系，由于养殖水平的提高，动物蛋白（肉、蛋、奶）产量增加，价格下降，发展中国家的国内生产总值水平比工业化国家在大约20或30年前低很多，但肉类消费量却在增加。城市化是影响全球畜产品需求的主要驱动力。城市化促进了包括冷链在内的基础设施的改善，与农村居民饮食不太多样化相比，城市居民饮食结构多样，富含动物蛋白和脂肪，肉类、蛋类、牛奶等乳制品的消费量较高。

在巴西和中国等国家，动物产品消费有显著增长，尽管这一水平仍远远低于北美和大多数其他工业化国家的消费水平。与全球平均水平相比，美国肉类消费量最高，消耗肉类最少的国家是非洲和南亚，这些国家的人均肉类消费量为3～5 kg/年（Sppedy，2003）。随着人们对饮食丰富和多样化的需求，畜牧业提供的高价值蛋白质改善了世界绝大多数国家的营养。畜禽产品不仅提供高价值的蛋白质，也是重要的微量元素，特别是铁和锌等矿物质和维生素（如维生素A）的重要来源。

3 动物生产与温室气体

畜产品日益增长的需求可能对环境产生不利影响。如大规模养殖场的粪污处理是一个很大的问题，将带来一系列环境和公共卫生风险。畜牧生产对环境的影响仅限于过度放牧、沙漠化和垃圾处理不当造成的环境污染等局部性问题（Moran和 Wall，2011）。在发展中国家，畜牧业不仅为人提供动物蛋白，而且还提供广泛的非食物福利，包括收入、就业、对农村和社会发展的许多贡献。目前人们应对全球气候变化的关注点集中在主要的排放源上，核查所有重要的排放源，这在很大程度上是因为发达国家已承诺实现减排目标，这些目标必须在其管辖范围内由污染行业共同承担。畜牧业生产系统估计占全球人为温室气体排放的18%，主要来源和类型是动物产生的甲烷（25%）、土地利用及其变化产生的二氧化碳（32%）和粪肥产生的一氧化二氮（31%）。

4 减少养殖排放的温室气体

众所周知，畜禽养殖对温室气体的排放约占人为温室气体排放的18%（Steinfeld等，2006）。在家畜中，反刍动物（肉牛、水牛、绵羊、山羊和骆驼）的瘤胃和后肠产生了大量甲烷，瘤胃饲料的发酵是肠内发酵产生甲烷的最大来源。反刍动物产甲烷是一个复杂的过程，涉及到一组微生物菌群，统称为产甲烷菌群。在这个过程中，瘤胃微生物将摄入的有机物转化为微生物生长所需的能量，并转化为发酵的最终产物，包括挥发性脂肪酸、醇类、氢气和二氧化碳（Patra，2011）。瘤胃产生的挥发性脂肪酸主要有乙酸、丙酸和丁酸，一般占挥发性脂肪酸总量的95%以上，其中在己糖转化为乙酸或丁酸的过程中，多余的能量被丁酸利用，但主要被转化为甲烷（Moss等，2000）。产甲烷的古生菌能吸收一些最终产物，并与氢气反应生成甲烷和水。在瘤胃中积累的甲烷和其他挥发性气体最终通过口腔排到大气中。反刍动物的甲烷排放占饲料总能量损失的2%～12%，这取决于饲料类型（Johnson和 Johnson，1995）。

4.1 饲养管理 日粮营养水平升高会降低甲烷排放量作为能量摄入的比例或以动物产品（肉或奶）为单位转化（Matin等，2010）。用大多数高能量精料中含有的非结构性碳水化合物（淀粉和糖）取代日粮中的结构性碳水化合物（纤维素、半纤维素）可增加饲料摄入量，提高瘤胃发酵速度，加速饲料在胃肠道的周转，从而导致瘤胃理化条件和微生物种群大量改变。随着淀粉发酵微生物的繁殖，挥发性脂肪酸由乙酸向丙酸转变，降低甲烷产量，因为瘤胃氢源的相对比例下降，氢键的相对比例增加。饲喂含45%淀粉饲料的公牛甲烷排放量较低，可以更好地解释为瘤胃pH较低以及原生动物数量的减少（Matin等，2010）。低瘤胃pH还可能抑制产甲烷菌和纤维素分解菌的生长和活性（Hegarty，1999）。

在高浓缩饲料（70%）中，用大麦代替甜菜粕可以减少34%的甲烷排放（Lovett等，2005）。Beauchemin等（2008）评估了饲喂含有玉米（慢速降解淀粉）或大麦（快速降解淀粉）奶牛的甲烷排放发现，原料来源对甲烷排放的影响受生产阶段的限制。

4.2 植物次生化合物 植物次生化合物（浓缩单宁和皂苷）是反刍动物饲料的重要添加剂，尤其是作为甲烷减排策略。单宁在产甲烷过程中有两种作用方式：一种是直接作用于瘤胃产甲烷菌，另一种是由于饲料降解较低而间接抑制产生氢气（Wanapat等，2013）。Chanthakhoun等（2011）报道，浓缩单宁通过对产甲烷菌的直接毒性作用，可以减少13%～16%的甲烷生成量。在适当的剂量下，皂苷或含皂苷的植物具有抑制原生动物种群、增加细菌和真菌种群、增加丙酸盐产量、提高微生物蛋白合成、减少瘤胃产甲烷的作用（Wanapat等，2013）。

4.3 有机酸 有机酸（苹果酸、富马酸和丙烯酸酯）是反刍动物日粮中常用于提高瘤胃发酵效率的有机酸。与体外评估添加有机酸对瘤胃产甲烷影响结果相比，体内试验结果仍然是不确定且高度可变的。如在奶牛日粮中添加有机酸没有发现任何变化，而在肉牛身上尽管添加有机酸降低了采食量，但甲烷排放量可降低16%（Foley等，2009；Beauchemin等，2008）。

4.4 抗生素 反刍动物通常使用等离子抗生素来提高肉和奶的生产效率（Morgavi等，2010）。离子团不会改变产甲烷菌的数量和多样性，但它们会改变革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的数量，同时伴随着发酵过程中产生乙酸到丙酸的变化，这种发酵降低了产甲烷菌生产甲烷所需氢气的有效性，它们还可能减少瘤胃原生动物的数量。日粮中含有的莫能菌素剂量＜20 mg/kg可能并不总是对甲烷的产生有抑制作用（Beauchemin等，2008）。

4.5 免疫和生物控制 Wright等（2004）针对3种选定甲烷菌的疫苗使澳大利亚绵羊的甲烷产量下降了近8%。然而，用不同种类的甲烷菌制备的疫苗或在其他区域测试的疫苗并没有引起积极反应。在不同条件下饲养的动物体内存在高度多样化的产甲烷菌群落，而另一种产甲烷菌取代了目标物种留下的标记位点，这可能是免疫接种失败的原因（Wright等，2007）。Cook等（2008）使用产蛋鸡产生的抗体对动物消化道中存在的3种常见甲烷菌进行被动免疫，在体外可以暂时降低甲烷产量，但24 h孵育结束时效果消失。到目前为止，免疫接种在减少反刍动物甲烷排放方面还没有给出一个明确、积极的答案，这凸显了这种方法的困难。

4.6 脂肪 脂肪是一种能量补充原料，可以在不影响其他瘤胃参数的情况下抑制瘤胃甲烷生成（Wanapat等，2013）。脂肪的作用机制可能有5个方面，通过补充脂肪减少甲烷；降低纤维消化产生长链脂肪酸；降低干物质摄入量；抑制甲烷菌，通过生物氢化作用抑制瘤胃原生动物，并在一定程度上抑制瘤胃活动。在动物可以每天补充粗饲料的情况下，脂肪对减少甲烷排放提供了一种实用的方法，但过多的油脂不利于纤维消化和动物生产。Kongmun等（2010）在体外瘤胃液体发酵中添加大蒜素可以改善挥发性脂肪酸的组成，减少甲烷损失，减少原生动物数量。

5 结论

畜牧业生产对粮食安全、人类脱离贫困和饥饿、维持社会稳定至关重要。随着人口的不断增加，人们也面临着自然资源退化和灾难性气候变化在内的环境危机。减少反刍动物甲烷排放的管理策略不仅可以提高饲料利用率、提高饲养效率和动物生产力，而且减少甲烷排放还会降低反刍动物对全球温室效应的影响。