2. 南京农业大学动物科技学院, 南京 210095;
3. 中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100193;
4. 北京奶牛中心, 北京 100085
2. Institute of Animal Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
3. Beijing Institute of Animal Husbandry and Veterinary Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China;
4. Beijing Dairy Cattle Center, Beijing 100085, China
乳能量即为奶牛乳中各个成分所含有的总能量，由奶牛采食的饲料能量转化而来。这部分用于产奶的能量，即为奶牛的生产净能(NEL)[1]。在泌乳奶牛管理过程中，营养不足以及过度喂养都会导致奶牛患病率的增加，从而导致产奶量出现不同程度下降[2]。秉承提高奶牛场经济效益以及减少对环境污染的理念，需要做到合理饲喂，满足奶牛的正常能量需要的同时，又不造成额外的能量损失。因此，乳能量的测定对于指导生产是至关重要的。乳能量主要受乳脂、乳蛋白、乳糖等乳成分含量的影响，目前通常使用氧弹式测热仪测定乳中各成分的热值从而求得乳能量[3]，但是该法对操作人员的要求较高，测定过程耗时较长。此外，中华人民共和国原农业部2004年颁布的《奶牛饲养标准》(NY/T 34—2004)[4]中建议，牛奶的能量(kJ/kg)=750.00+387.98×乳脂率+163.97×乳蛋白率+55.02×乳糖率，为我国奶牛乳能量的测定提供了坚实的理论支撑。但是，该标准对于不同泌乳阶段的奶牛乳能量没有明确的规定。由于高产与低产奶牛的乳成分含量存在差异，对乳能量的影响较大，对于产奶需要的能量不尽相同。同时，对于处于不同泌乳阶段的高产与低产奶牛，产奶量以及乳能量有着不同的趋势。为实现精准饲养，本研究将通过对相同生活环境中的高产与低产奶牛的生产性能测定(DHI)数据进行对比分析，探究产奶量与乳成分的相关性，分析不同泌乳水平奶牛的乳成分差异，以便于奶牛场对牛乳品质进行监控；同时，根据产奶量建立不同泌乳水平奶牛在不同泌乳阶段的乳能量预测模型，以便预测高产与低产奶牛在不同泌乳阶段的乳能量，为奶牛场有针对性的合理饲喂提供科学依据，以便奶牛达到最佳的生产水平。
1 材料与方法 1.1 试验材料DHI数据来源于北京市某奶牛养殖场，选用343头健康状况良好的荷斯坦奶牛，产犊胎次为1~4胎。通过计算奶牛在2016—2019年4个年度的平均日产奶量，将奶牛分成高产组(平均日产奶量≥40 kg/d)和低产组(20 kg/d≤平均日产奶量≤30 kg/d)。其中，高产组奶牛185头，低产组奶牛158头。奶牛每日08:00、13:00、18:00饲喂全混合日粮(TMR)，自由采食、饮水，圈养。
饲粮组成及营养水平见表 1。饲粮钙(Ca)、磷(P)、粗脂肪(EE)含量分别按照GB/T 6435—2002、GB/T 6436—2002、GB/T 6433—2006中方法测定，粗蛋白质(CP)含量采用凯氏定氮法测定，酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)含量采用Van Soest提出的洗涤纤维方法[5-6]测定。
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表 1 饲粮组成及营养水平(干物质基础) Table 1 Composition and nutrient levels of the diet (DM basis) |
2016—2019年每月中旬定期采样，全天早、中、晚3次挤奶，按4:3:3比例采集样品。采样时注意保持奶样清洁，切勿使粪、尿等杂物污染奶样。采样后送往北京某奶牛中心用乳成分分析仪(MCC30SEC，LACTOSCAN，保加利亚)测定乳成分。每头奶牛每天的产奶量由全自动挤奶仪器(v80，河北瑞盛源橡塑牧械装配有限公司)测定并记录。
1.3 乳能量的计算根据中国《奶牛饲养标准》(NY/T 34—2004)，计算奶牛的乳能量，公式如下：
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试验数据采用Excel 2007和SPSS 21.0进行处理，使用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行方差齐性检验，Duncan氏多重比较法比较各组数据平均值之间的差异显著性，Pearson相关系数判断2个变量之间的相关性。通过对产奶量与乳脂率、乳蛋白率、乳糖率、乳体细胞数进行双变量相关分析，判断不同泌乳水平奶牛乳成分之间的差异；通过对乳能量与产奶量进行回归分析，比较高产与低产奶牛不同泌乳阶段的乳能量，建立对应泌乳阶段乳能量的最优预测模型。
2 结果与分析 2.1 高产与低产奶牛的乳成分对比分析 2.1.1 高产与低产奶牛乳成分比较奶牛的1个泌乳周期为10个月，干奶期为2个月。表 2、表 3记录了185头高产奶牛和158头低产奶牛在2016—2019年4个泌乳周期的平均产奶量及各个乳成分的平均含量。由于不同奶牛在相同时间所处的泌乳阶段不同，为了更好地说明奶牛各乳成分在1个完整泌乳周期的变化情况，故根据奶牛的泌乳月份分析奶牛的平均产奶量及各乳成分平均含量。
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表 2 高产奶牛的产奶量和乳成分 Table 2 Milk yield and milk composition of high yield dairy cows |
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表 3 低产奶牛的产奶量和乳成分 Table 3 Milk yield and milk composition of low yield dairy cows |
由表 2可知，高产奶牛的年平均产奶量为41.07 kg/d，乳脂率、乳蛋白率、乳糖率的年平均值分别为4.64%、3.29%、5.06%，乳体细胞数的年平均值为19.76×104个/mL。高产奶牛的产奶量范围为10.7~71.00 kg/d，泌乳第1~6月的产奶量平均值大于40 kg/d，泌乳第3月时的产奶量最高，在泌乳6个月之后，产奶量随泌乳时间的延长出现了较为明显的下降；乳脂率范围为0.43%~9.13%，随泌乳时间的延长呈先下降后上升的趋势；乳蛋白率范围为1.93%~4.54%，泌乳第6~9月期间，乳蛋白率处于整个泌乳周期的较高水平；乳糖率范围为4.01%~5.67%，整个泌乳周期没有较明显的波动；乳体细胞数波动范围较大，在(0.70~108.00)×104个/mL。
由表 3可知，低产奶牛的年平均产奶量为26.78 kg/d；乳脂率、乳蛋白率的年平均值分别为4.98%、3.41%，均高于高产奶牛，乳糖率的年平均值为5.05%，与高产奶牛相近；乳体细胞数与高产奶牛相比明显升高，年平均值为33.75×104个/mL。低产奶牛的产奶量在泌乳第2月时最高，在泌乳6个月之后呈平缓下降趋势，其中泌乳第7、8、9、10月的产奶量无显著差异(P> 0.05)；乳脂率范围为1.37%~8.91%，以泌乳第7月为转折点，之前乳脂率呈下降趋势，之后呈上升趋势；乳蛋白率范围为2.47%~5.13%，随泌乳时间的延长缓慢增加；乳糖率范围为2.24%~5.54%，整个泌乳周期内波动不大；乳体细胞数变化较大，在(1.00~130.30)×104个/mL范围内波动，可能与低产奶牛体况存在较大差异有关。
高产与低产奶牛的乳成分比较如表 4所示。高产与低产奶牛在产奶量、乳脂率、乳蛋白率、乳脂量、乳蛋白量、乳糖量和乳体细胞数方面均具有极显著差异(P＜0.01)。其中，高产奶牛的乳脂率和乳蛋白率极显著低于低产奶牛(P＜0.01)，而乳脂量和乳蛋白量极显著高于低产奶牛(P＜0.01)。高产与低产奶牛的乳糖率没有显著差异(P＞0.05)，但是高产奶牛的乳糖量极显著高于低产奶牛(P＜0.01)。此外，高产奶牛的乳体细胞数极显著低于低产奶牛(P＜0.01)。
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表 4 高产与低产奶牛乳成分比较 Table 4 Comparison of milk composition between high and low yield dairy cows |
图 1是以5 d为1个时间节点，按照泌乳天数绘制的1个完整泌乳周期的泌乳趋势散点图。由图可以看出，高产与低产奶牛的产奶量均在泌乳60 d左右达到了最高水平。与低产奶牛相比，高产奶牛全期产奶量高，持续力强。
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图 1 高产与低产奶牛的泌乳趋势散点图 Fig. 1 Scatter chart of lactation trend of high and low yield dairy cows |
由表 5可知，奶牛的产奶量与乳脂率、乳蛋白率、乳体细胞数呈现极显著负相关(r=-0.851、r=-0.654、r=-0.811，P＜0.01)，与乳糖率没有显著相关性(r=0.128，P＞0.05)。由三维散点图(图 2)可知，点的分布较为集中，在拟合平面上的点分布较多，乳脂率和乳蛋白率与产奶量的相关性较强，说明产奶量受乳脂率和乳蛋白率的影响较大。
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表 5 产奶量与乳成分的相关性分析 Table 5 Correlation analysis of milk yield and milk composition |
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图 2 乳脂率和乳蛋白率与产奶量的三维散点图 Fig. 2 Three-dimensional scatter plot of milk fat percentage and milk protein percentage with milk yield |
高产与低产奶牛乳能量在整个泌乳周期中的变化趋势如图 3所示。由图可以看出，高产与低产奶牛的乳能量曲线随着泌乳天数的延长均呈现出先下降后上升的趋势，其中在泌乳前60 d快速下降，泌乳60 d之后缓慢上升。同时，高产与低产奶牛的乳能量曲线在泌乳盛期及之后的泌乳中期、后期出现了明显的分离，低产奶牛的乳能量大于高产奶牛。
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图 3 高产与低产奶牛乳能量曲线 Fig. 3 Milk energy curves of high and low yield dairy cows |
在本研究中，高产奶牛185头，提供7 400个乳能量数据；低产奶牛158头，提供6 320个乳能量数据。值得注意的是，高产与低产群中冬季分娩牛与夏季分娩牛比例约为6:4，冬季分娩牛与夏季分娩牛的数量接近，因此本研究所建立的回归模型受自然月份的气候因素影响较小。
高产奶牛在泌乳前60 d，产奶量与乳能量的拟合曲线如图 4-a所示，描述该乳能量的最优模型为E=4.573-0.031X(R2=0.918，残差范围：-0.957 8~1.432 7，P＜0.01，n=7 400)(式中：E为乳能量；X为产奶量。下同)；在泌乳60 d之后，产奶量与乳能量的拟合曲线如图 4-b所示，描述该乳能量的最优模型为E=3.890-0.019X(R2=0.980，残差范围：-0.968 0~1.590 6，P＜0.01，n=7 400)。低产奶牛在泌乳前60 d，产奶量与乳能量的拟合曲线如图 4-c所示，描述该乳能量的最优模型为E=4.280-0.038X(R2=0.958，残差范围：-0.959 3~1.457 3，P＜0.01，n=6 320)；在泌乳60 d之后，产奶量与乳能量的拟合曲线如图 4-d所示，描述该乳能量的最优模型为E=4.178-0.034X(R2=0.887，残差范围：-1.197 6~1.589 5，P＜0.01，n=6 320)。在泌乳前60 d、60 d之后的乳能量拟合曲线中，高产与低产奶牛的乳能量分别随着产奶量的增加而降低。在泌乳前60 d，高产奶牛的乳能量在2.9~3.7 MJ/kg，低产奶牛的乳能量在3.0~3.7 MJ/kg，两者之间比较接近；在泌乳60 d之后，高产奶牛的乳能量在2.9~3.3 MJ/kg，低产奶牛的乳能量在3.1~3.6 MJ/kg，高产奶牛低于低产奶牛。
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a：高产奶牛在泌乳前60 d的乳能量与产奶量的拟合曲线；b：高产奶牛在泌乳60 d之后的乳能量与产奶量的拟合曲线；c：低产奶牛在泌乳前60 d的乳能量与产奶量的拟合曲线；d低产奶牛在泌乳60 d之后的乳能量与产奶量的拟合曲线。 a: the fitting curve of milk energy and milk yield of high yield dairy cows before 60 days of lactation; b: the fitting curve of milk energy and milk yield of high yield dairy cows after 60 days of lactation; c: the fitting curve of milk energy and milk yield of low yield dairy cows before 60 days of lactation; d: the fitting curve of milk energy and milk yield of low yield dairy cows before 60 days of lactation. 图 4 乳能量与产奶量在不同泌乳阶段的拟合曲线 Fig. 4 Fitting curves of milk energy and milk yield at different lactation periods |
为了检验本研究所得预测模型的准确性，将根据其计算出的乳能量与根据《奶牛饲养标准》中公式计算所得的乳能量进行比较，结果见表 6。4个预测模型的乳能量平均值均与《奶牛饲养标准》计算公式所得乳能量平均值很接近，且乳能量的范围相近，预测模型与《奶牛饲养标准》所得乳能量之间没有显著差异(P>0.05)，说明预测模型的预测准确度较高，得出的高产与低产奶牛的乳能量在不同泌乳阶段的结果符合预期值。
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表 6 根据预测模型与《奶牛饲养标准》中公式计算所得乳能量的比较 Table 6 Comparison of between milk energies calculated according to prediction model and the formula of Dairy Cattle Feeding Standard |
高产与低产奶牛的乳成分之间存在差异。高产奶牛的乳脂率、乳蛋白率低于低产奶牛，而乳脂量和乳蛋白量却高于低产组，差异极显著。这与张慢等[7]、俞大阔等[8]、Nasr等[9]得出的产奶量与乳脂率、乳蛋白率呈现显著负相关的结论一致；与段柳艳等[10]得出的产奶量分别与乳脂率、乳蛋白率2个指标间存在强正相关性的结论不一致，这可能是由于稀释效应[11]，即虽然随着产奶量的增加奶牛的乳脂和乳蛋白的总量上升，但乳脂、乳蛋白的浓度减小所致。在本研究中，高产与低产奶牛的乳糖率差异不大，但是高产奶牛的乳糖量高于低产奶牛，差异极显著。这与李胜利[11]得出的产奶量与乳糖率呈显著正相关的结论不一致，这可能是由于高产奶牛摄入的饲粮多，饲粮中的一部分纤维素、半纤维素以及淀粉在瘤胃发酵，产生的挥发性脂肪酸(VFA)多，经瘤胃吸收的丙酸量升高，使得在乳腺合成的乳糖量增加[12]；同样受稀释效应的影响，高产与低产奶牛的乳糖率无明显差别，与本试验结果较为一致。此外，高产奶牛的乳体细胞数低于低产奶牛，差异极显著。这与周庆民等[13]、张慧林等[14]、宋维政等[15]得出的产奶量与乳体细胞数呈显著性负相关的结论一致。按照国际奶牛联合会制定的标准，乳体细胞数在(20~30)×104个/mL时，奶牛处于隐性乳房炎状态，乳体细胞数大于50×104个/mL，即为临床乳房炎，会导致产奶量的大幅度下降。
3.2 产奶量与乳能量的相关性分析奶牛随着年龄的增长、胎次的增加，体质会有一定程度的下降，消化能力和抗病能力减弱，造成奶牛生产性能的降低[16]。此外，高产与低产奶牛的瘤胃菌群存在显著差异[17]，Ben Shabat等[18]研究发现碳水化合物在奶牛瘤胃的消化吸收受到瘤胃菌群的影响，而且消化率与微生物的丰富度呈负相关。碳水化合物在瘤胃内发酵成VFA，瘤胃菌群利用氨合成微生物蛋白(MCP)，为奶牛提供大量能量和蛋白质[19]，最终导致高产与低产奶牛对饲料利用效率的差异。一般来说，高产奶牛摄入的饲粮多，饲料转化率高，总的泌乳净能大于低产奶牛，由此造成了高产与低产奶牛产奶量的差异。有研究报道，根据奶牛的产奶量和脂蛋比，可以较准确地预测奶牛的血浆非酯化脂肪酸(NEFA)浓度，从而预测奶牛的能量状态[20]。因此，产奶量是预测奶牛能量状态的一项重要指标。
3.3 高产与低产奶牛乳能量预测模型的比较分析奶牛的泌乳高峰期在产后30~45 d，而采食高峰期在产后70 d左右[21]，2个高峰期间隔时间较长，很容易引发奶牛的能量摄入与产量输出不均衡的问题。若根据泌乳高峰期的乳能量需要提供较长时间的饲粮，易造成肥胖综合征，导致出现低血糖、酮血症、难产等疾病[22-23]；若提供的能量不足而不能满足泌乳高峰期的乳能量需要时，又会造成奶牛生产性能的下降。所以，根据产奶量的变化及时监测奶牛的乳能量需要是一件很重要的事情。而且，根据产奶量反映乳能量较为灵活，能够避免某一时间计算的乳能量在不同时间的差异性。在规模化养殖场中，由全自动挤奶仪器记录奶牛每天的产奶量，我们可以根据产奶量的变化，及时掌握乳能量的变化情况，按照泌乳净能需要，调整饲料结构。
因此，为得到更为精准的泌乳净能需要，本研究根据产奶量分别构建泌乳前60 d和泌乳60 d之后的乳能量预测模型。在泌乳前60 d，高产与低产奶牛的乳能量预测模型分别为E=4.573-0.031X(R2=0.918，残差范围：-0.957 8~1.432 7，P＜0.01，n=7 400)、E=4.280-0.038X(R2=0.958，残差范围：-0.959 3~1.457 3，P＜0.01，n=6 320)；在泌乳60 d之后，高产与低产奶牛的乳能量预测模型分别为E=3.890-0.019X(R2=0.980，残差范围：-0.968 0~1.590 6，P＜0.01，n=7 400)、E=4.178-0.034X(R2=0.887，残差范围：-1.197 6~1.589 5，P＜0.01，n=6 320)。由于低产奶牛的饲料利用率较低，易造成饲料的浪费，而高产奶牛产出水平高，易导致营养供应不足，故对高产与低产奶牛的乳能量分别进行了预测分析。对于本文未涉及到的平均日产量为30~40 kg/d的中产奶牛，可联合参考高产与低产奶牛的乳能量预测模型，中产奶牛的乳能量处于两者之间。
一般来说，由于受到分娩应激的影响，产后奶牛在泌乳早期特别是围产期的干物质采食量下降，而产奶量快速上升，很容易造成能量负平衡[24]。在此状态下，奶牛将调动其身体组织储备[25]，进一步导致奶牛消瘦、产奶量下降，甚至引起高血酮、机体免疫力下降、繁殖能力降低等疾病[26-27]。为了避免能量负平衡带来的不良影响，结合奶牛的产奶量，根据乳能量预测模型预测泌乳净能，适当增加精料量，补充过瘤胃葡萄糖和过瘤胃脂肪，保证充足的能量供应[28]。奶牛进入泌乳中期，采食量增大，而产奶量逐渐下降。此期奶牛泌乳需要的能量通过精料补给[29]，应根据乳能量适当调整饲料结构，增加粗饲料的饲喂，适当减少精料的饲喂，在保证奶牛健康的前提下，尽量延缓奶产量的下降。在泌乳后期的饲养重点是为下一个泌乳期做充分准备，要根据奶牛的体况、产奶量进行合理饲喂[30]，瘦弱的奶牛应加强营养，精料补给应大于乳能量；过肥的奶牛为了避免难产，应适当减膘，精料补给应小于乳能量。
4 结论① 高产与低产奶牛的乳成分存在差异，高产奶牛的乳脂率、乳蛋白率和乳体细胞数极显著低于低产奶牛。
② 可根据产奶量(X)预测乳能量(E)，在泌乳前60 d，高产与低产奶牛的最优乳能量模型分别为E=4.573-0.031X(R2=0.918，残差范围：-0.957 8~1.432 7，P＜0.01，n=7 400)；E=4.280-0.038X(R2=0.958，残差范围：-0.959 3~1.457 3，P＜0.01，n=6 320)。在泌乳60 d之后，高产与低产奶牛的最优乳能量模型分别为E=3.890-0.019X(R2=0.980，残差范围：-0.968 0~1.590 6，P＜0.01，n=7400)、E=4.178-0.034X(R2=0.887，残差范围：-1.197 6~1.589 5，P＜0.01，n=6 320)。
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