替代法估测肉牛对稻草和麦秸的有效能值

魏 明，陈志强，崔志浩，颜培实，王 刚，耿广多(.南京农业大学动物科技学院，江苏 南京 0095； .安徽凤阳大明农牧科技发展有限公司，安徽 滁州 39000)

稻草和麦秸等农作物秸秆是反刍家畜宝贵的饲料资源，在肉牛日粮中，粗饲料通常占40%～80%[1]。因此，准确评定稻草与麦秸的能量利用效率与有效能值对肉牛生产具有重要意义。粗饲料原料有效能值的评定，大都通过测定化学成分[2-3]、结合体外法[4]、半体内尼龙袋法[5-6]评定其营养物质降解率，建立数学模型，进而根据待测原料中的营养成分来估测其净能。然而，有学者[7]提出，体外法和半体内法或是脱离动物试验，或是需要瘘管动物，其建立的有效能值预测模型并不能代表动物健康真实代谢生理状态下的利用情况。估测单一饲料原料有效能值的另外一种经典方法是结合动物试验的体内法，包括直接法、替代法和回归法3种[8]。农作物秸秆适口性较差，其营养水平和组成成分也不均衡，采用直接法单一饲喂会影响肉牛对能量的吸收和利用，从而影响有效能值的测定。因此，替代法可能更适用于秸秆有效能值的估测。曲志涛[9]采用替代法结合呼吸面罩测热测定了北方地区奶牛常用粗饲料玉米秸秆、玉米青贮、苜蓿(Medicagosativa)和羊草(Leymuschinensis)的代谢能和净能。赵明明等[10]比较了直接法和替代法在测定肉羊粗饲料代谢能的差异，并通过替代法建立了肉羊10种常用粗饲料有效能值的预测方程[11]。此外，赵江波等[12-13]的研究表明，替代法也可用于估测肉羊精料原料代谢能。然而，替代法用于估测单一饲料原料的有效能值时，待测原料和基础饲粮之间潜在的互作效应会影响测定结果[14]，且待测原料不同替代比例条件下其有效能值测定结果差异较大。王骁等[15]在肉鸡上的研究发现，豆粕的替代比例会影响其净能值，20%为最佳替代比例。Villamide[8]研究报道替代比例为10%、20%和40%时所估测的原料有效能值标准差分别是试验饲粮有效能值标准差的13.4、6.4和2.9倍。因此，与单一替代比例相比，设定多个不同的替代比例结合回归法来估测待测原料的有效能值，可能会得到更为准确的测定值。本研究以带穗玉米青贮为基础饲粮，通过设定待测原料在基础饲粮中不同的替代比例，采用替代法并结合呼吸测热装置测定稻草和麦秸对肉牛的代谢能和净能，研究替代比例对待测原料有效能值测定结果的影响，为评定肉牛单一粗饲料有效能值提供方法学上的参考数据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与动物

本研究于2015年10月初至11月中旬在安徽省凤阳县进行，整个试验期最低温度和最高温度分别为9.8和23.5 ℃，平均相对湿度为68.3%。选取12头体重相近(266±13.41)kg的11～12月龄皖东牛公牛，随机分成3组，每组4头牛，进行3期试验。第1期试验，所有供试牛均饲喂由带穗玉米青贮组成的基础饲粮。第2期和第3期试验，各组分别饲喂稻草或麦秸按不同比例(10%、30%和60%)替代基础饲粮组成的试验饲粮，试验饲粮组成及营养水平见表1。每期试验14 d，其中前10 d为预饲期，后4 d为正试期，正试期消化代谢和呼吸代谢试验同时进行。

表1 饲粮组成及营养水平(绝干基础)Table 1 Ingredient and nutrient levels of experimental diets (dry matter basis)

①：预混料为每千克饲粮提供维生素A 500 000 IU、维生素D 15 000 IU、维生素E 3 000 IU、铜3 g、锌12 g、铁30 g、锰10 g、硒60 mg、碘200 mg、钴100 mg。②：实测值。

①：The premix provided the following per kg of diets: VA 500 000 IU, VD 15 000 IU, VE 3 000 IU, Cu 3 g, Zn 12 g, Fe 30 g, Mn 10 g, Se 60 mg, I 200 mg, Co 100 mg. ②：Measured values.

1.2 试验操作与样品采集

试验牛全部采用单栏拴系式饲养，每天喂料两次(08:00和16:00)，自由饮水。试验开始前，连续3 d估测所有试验牛对基础饲粮的自由采食量，按最小自由采食量的80%确定给料量，以保证试验期间所有试验牛全部采食试验饲粮，不剩余料。其它饲养管理工作按保种场程序进行。正式试验开始前和结束后连续2 d对试验牛进行早晨空腹称重，取平均值作为采样体重。

正试期4 d，对各试验牛连续96 h全收粪尿。每头牛每天24 h的粪样全部收集，对全部粪便称重并作好记录，每头牛每天粪样经充分混合后分成两部分取样：一份在65 ℃烘干，用于常规养分含量测定；一份用10%的稀硫酸固氮(每100 g粪样加10 mL硫酸)，65 ℃烘干，制成风干样，粉碎过1 mm筛后密封保存，以备粪氮分析。试验牛尿液通过限位栏和自制的接尿装置收集，接尿装置包括橡胶漏斗、导尿管和接尿桶3部分；限位栏在不影响试验牛正常采食、饮水及趴卧基础上限制其活动范围，提高尿液收集的稳定性。每天24 h的尿样全部收集，用量筒准确记录。用6～8层纱布过滤后，取尿样的10%，置于干净塑料瓶中，加入10%的硫酸(每100 mL尿液加入10 mL硫酸)，密封，置于-20 ℃保存，备测。

呼吸代谢试验和消化代谢试验同时进行，12头牛分两次，每次连续48 h测定。开放式呼吸测热装置于每天06:00(代表饲前1 h)、12:00(代表午间休息)、18:00(代表饲后1 h)和24:00(代表夜间休息)对各供试牛测定气体代谢，每头牛每次测定时长为8～12 min。开放式呼吸测热装置的研制参照李玉芝等[16]的方法，整个系统包括呼吸测热头箱、气路系统(气体流量计、采气泵)、气体采样检测系统。气样中氧气浓度变化由顺磁式氧气分析仪(8000 M，Signal Instrument，UK)测定，甲烷浓度变化由INNOVA 1412光声谱多点气体检测仪(LumaSense Technologies，Ballerup，Denmark)测定。产热量[HP,KJ·(kg0.75·d)-1]的计算根据McLean和Tobin[17]推导的公式：

HP=20.47×ΔO2×F×STP×60×24÷BW0.75。

式中：20.47为单位耗氧量代谢产热系数(kJ·L-1)；ΔO2为入气、排气的氧气浓度差(%)；F为呼吸头箱单位时间内排气量(L·min-1)；STP为标准状况，60表示60 min,24表示24 h,BW0.75表示代谢体重。甲烷产生量则根据呼吸头箱入气、排气的甲烷浓度差以及呼吸箱的换气量进行换算。取48 h连续8次测定值的平均值作为供试牛每天的产热量和甲烷产生量。所有试验牛在预饲期间多次佩戴呼吸头箱以达到适应的目的。

1.3 测定指标及方法

饲粮和粪中的总能(GE)、干物质(DM)、粗蛋白质(CP)、粗灰分(Ash)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量指标测定参照《饲料分析及饲料质量检测技术》[18]的方法进行测定。GE采用IKA-C200氧弹式热量测定仪测定；CP采用FOSS-8400全自动凯氏定氮仪测定；NDF和ADF采用ANKOMA200i纤维分析仪测定。

尿能(UE)测定：取两张定量滤纸叠在一起测定其能值，做3个平行，计算出滤纸的平均能值。将10 mL尿液分多次滴在两张重叠滤纸上，65 ℃烘干后于IKA-C200氧弹式热量测定仪中测定，得到滤纸和尿液的总能值，减去滤纸能值即为尿能。

1.4 数据计算及分析

甲烷能[CH4-E，kJ·(kg0.75·d)-1][19]、消化能[DE，kJ·(kg0.75·d)-1]、代谢能(ME，kJ·(kg0.75·d)-1]、 能量沉积[RE，kJ·(kg0.75·d)-1]、净能[NE，kJ·(kg0.75·d)-1]计算公式如下：

CH4-E=L×39.54÷BW0.75；

DE=GE-FE；

ME=ME-UE-CH4-E；

RE=ME-HP；

NE=NEm+RE。

式中:L表示甲烷产量，BW0.75表示代谢体重，GE表示总能，FE表示粪能，UE表示尿能，HP表示产热量，NEm表示净能维持需要量。

净能维持需要量[NEm，kJ·(kg0.75·d)-1]的计算根据Lofgreen和Garrett[20]的净能模型：

lgHP=a+bMEI。

式中：MEI为代谢能采食量；a和b为待解常数。当MEI为0时，a的反对数即为NEm。

待测原料能值=[试验饲粮能值-(1-X)×基础饲粮能值]/X。

式中：X为待测原料替代基础饲粮比例(%)。

建立饲粮有效能值(DE、ME和NE，MJ·kg-1)与基础饲粮中待测原料替代比例(%)之间的回归方程：

Y=β0X+β1。

式中：Y表示饲粮的有效能值，X表示待测原料替代基础饲粮的比例，β0、β1为待解常数。当待测原料在基础饲粮中的替代比例达到100%时，可以根据回归方程估测出待测原料的有效能值。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行初步处理后，用IBM SPSS 20.0软件进行统计分析，试验结果以平均值±标准差表示，差异显著性检验采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，差异显著时采用Duncan氏法进行多重比较，P<0.05为差异显著。回归分析采用线性回归分析法(Linear regression)进行分析。

2 结果

2.1 不同替代比例的稻草和麦秸对肉牛营养物质消化率的影响

不同饲粮组之间DM采食量无显著差异(P>0.05)(表2)。与基础饲粮组相比，肉牛对DM、CP、NDF和ADF的表观消化率均随稻草和麦秸替代比例的增加而逐渐下降，其中稻草和麦秸60%替代组显著低于10%替代组和基础饲粮组(P<0.05)。相同替代比例下，稻草替代组的各营养物质消化率有高于麦秸替代组的趋势，但组间差异不明显(P>0.05)。

2.2 稻草和麦秸不同替代比例对肉牛能量代谢规律的影响

各试验饲粮组的粪能(FE)排出量随稻草和麦秸替代比例的增加而呈上升的趋势，均高于基础饲粮组；而UE和CH4-E排出量基础饲粮组和试验饲粮之间无显著差异(P>0.05)(表3)。基础饲粮组的DE、ME和NE采食量均高于其余试验饲粮组，各试验饲粮组的DE、ME和NE采食量随稻草和麦秸替代比例的提高而呈逐渐下降趋势。相同替代比例下，稻草替代组的DE、ME和NE采食量亦高于麦秸替代组，而FE排出量则低于麦秸替代组。与基础饲粮组相比，稻草和麦秸替代显著降低了肉牛的GE消化率、GE代谢率和DE代谢率(P<0.05)，并且随着替代比例的提高，三者呈逐渐下降的趋势。

表4 试验饲粮消化能、代谢能和净能值(Y)与待测原料替代比例(X)之间的线性回归方程Table 4 The regression equation between the experimental dietary DE, ME, NE values (Y) and the substitution ratios of test feed ingredients (X)

表5 待测原料有效能值回归估测值及消化能和代谢能转化为净能的效率Table 5 Effective energy values of test ingredients using regression method and efficiency of DE or ME to NE

2.3 各试验饲粮有效能值的回归方程及待测原料有效能值

通过线性回归分析发现，供试饲粮的有效能值与稻草或麦秸替代比例间存在显著的回归关系(P<0.05)，DE、ME和NE与替代比例间的回归方程如表4所列。根据回归方程最终计算得到稻草的DE、ME和NE分别为8.51、5.79和3.64 MJ·kg-1，麦秸的DE、ME和NE分别为7.89、5.08和3.13 MJ·kg-1，稻草的各有效能值以及DE和ME到NE的转化效率均高于麦秸(表5)。

表6 替代法和回归法估测待测原料消化能、代谢能和净能值的差异Table 6 Differences of estimated DE, ME, NE values of test feed ingredient using substitution method and regression method

2.4 替代法和回归法估测稻草和麦秸有效能值的差异

当稻草或麦秸替代比例为30%时，替代法计算得到的稻草或麦秸DE、ME和NE与回归法的估测值最为接近(表6)。稻草或麦秸3个替代比例下，30%所测得的有效能值变异度最小，也最接近于回归法估测值的变异度。由此表明，利用替代法估测稻草和麦秸有效能值，30%的替代比例要优于10%和60%。

3 讨论

3.1 不同试验饲粮对肉牛营养物质消化率和能量代谢规律的影响

饲粮营养物质消化率是反映动物对营养物质利用的重要指标，饲粮化学组成、饲喂量、生长阶段、试验动物及环境的不同都会引起消化率的变化。研究表明，饲粮中各营养物质消化率与NDF含量显著负相关[21]。本研究中，稻草和麦秸NDF含量均高于玉米青贮，故随着稻草或麦秸替代比例的提高，供试饲粮的NDF含量逐渐提高，其DM、CP、NDF和ADF消化率呈下降趋势。

不同饲粮之间营养物质消化率的差异亦会导致其有效能值的不同。陶春卫[22]研究表明，饲粮原料组成是影响饲粮能值的主要因素，其中纤维含量对饲粮有效能值影响较大，与饲粮ME高度负相关。本研究中，各供试饲粮的NDF和ADF含量以稻草和麦秸60%替代饲粮组最高，基础饲粮组最低。因此，各组在总能采食量基本一致的情况下，基础饲粮组的DE、ME显著高于60%替代组的，其余各组DE和ME则随替代比例的提高相应降低，这与赵明明等[10]和刘洁[23]在肉用羊上得到研究结果一致。粪能是饲粮能量损失占比最大的部分，本研究中稻草和麦秸60%替代组的粪能排出量最大，其次是30%替代组、10%替代组以及基础饲粮组，所以各组的总能消化率随稻草和麦秸替代比例的提高而降低。而尿能和甲烷能排出量各组间无显著差异，因此，总能代谢率和消化能代谢率的差异也是由粪能排出量的不同而造成的。

3.2 替代法和回归法对稻草、麦秸有效能值测定的影响

稻草和麦秸适口性差，纤维含量高，属于低质的粗饲料，单独饲喂不仅影响肉牛的采食量，也影响肉牛对营养物质的消化率和能量利用率。因此，替代法用于估测稻草和麦秸的有效能值更为科学。Villamide等[24]研究发现，替代法用于估测秸秆等高纤维含量原料能值时，待测原料与基础日粮之间的互作效应会影响其在动物消化道的滞留时间和消化利用效率，而采用化学组成和待测原料相似的基础饲粮则能有效降低这种互作影响。在本研究中，带穗玉米青贮的化学组成和营养分成与稻草麦秸相似。此外，前期研究发现，自由采食条件下带穗玉米青贮能保持肉牛增重良好的生理状态，因此，本研究选取带穗玉米青贮作为基础饲粮。

替代法考虑最多的是被测原料的替代比例问题，目前关于替代法研究猪禽等非反刍动物饲料原料能值的报道很多，而在反刍动物上研究相对较少，对替代比例也没有确切的固定值。在肉用绵羊上，赵明明等[10]利用直接法和替代法估测羊草的代谢能，其结果表明，羊草的最佳替代比例为20%；赵江波等[12]认为套算法用于估测单一谷物饲料有效能值的替代比例以28.37%～45.95%为宜，其中小麦的最佳替代比例为28.37%。此外，Villamide[8]综述了直接法、替代法和回归法测定家兔饲料原料能值的精确度，并提出替代法测定家兔饲料能值精确度最高的替代比例为20%～30%。在使用替代法时，待测饲料原料的替代比例是导致原料有效能值变异的重要原因。以单一的替代比例来计算待测原料的有效能测定值误差较大，而增加不同的替代比例并结合回归法，能使测定值更为准确。在家禽上，宁冬等[25]研究发现，较10%和20%，当棉籽粕或玉米蛋白粉的替代比例为5%时，其测定能量价值的变异度较大，用回归法估测棉籽粕或玉米蛋白粉的能值，其标准误差较小。聂大娃等[26]和王骁等[15]的研究也发现，待测饲料替代基础饲粮的比例会影响NE测定值，如果待测饲料适口性较差，则可以适当的降低替代比例。参照前人研究成果，本研究设计稻草和麦秸的替代比例在30%的基础上前后各设置10%和60%，共组成3个替代比例。结果表明，稻草或麦秸10%和60%替代比例的测定值变异度均明显高于30%替代组：在10%替代比例条件下，可能由于稻草或麦秸替代基础饲粮比例过小，对整体试验饲粮有效能值的影响不稳定，导致套算结果变异度较大；而60%替代条件下，则可能由于待测原料占比过多，与基础饲粮之间存在互作效应而干扰有效能值的推算。根据稻草或麦秸替代比例与其有效能值之间的回归方程，估算得稻草的DE、ME和NE为8.51、5.79和3.64 MJ·kg-1；麦秸的对应值为7.89、5.08和3.13 MJ·kg-1。与稻草或麦秸10%和60%替代比例相比，30%替代无论是有效能测定值还是其标准误都和回归估测值最为接近。因此，采用替代法估测稻草或麦秸对肉牛的有效能值时，替代比例选择30%为宜。我国《肉牛饲养标准》[27]给出的稻草能量推荐值为消化能5.17～5.42 MJ·kg-1，综合净能1.99～2.16 MJ·kg-1；麦秸的推荐值为消化能5.85～5.93 MJ·kg-1，综合净能2.10～2.18 MJ·kg-1。美国NRC[28]给出的稻草和麦秸推荐值均为消化能8.53 MJ·kg-1，代谢能6.19 MJ·kg-1。本研究的稻草和麦秸有效能估测值高于《肉牛饲养标准》的推荐值，而略低于NRC标准。

4 结论

1)替代比例会影响单一粗饲料原料有效能值的测定，在带穗玉米青贮为基础饲粮条件下稻草或麦秸的替代比例以30%为宜。

2)在估测单一粗饲料原料有效能值时，回归法和替代法结合能提高测定结果的准确度，有助于筛选替代法最佳的替代比例。

3)稻草对肉牛的代谢能和净能值分别为5.79和3.64 MJ·kg-1，麦秸的对应值分别为5.08和3.13 MJ·kg-1。

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