第15章 营养与环境.doc

177第二节 温热环境对动物营养的影响第十五章 营养与环境 动物在维持生命和进行生产的过程中，与周围的环境进行着物质与能量的交换。动物的环境一般指作用于动物机体的一切外界因素，不仅包括自然环境，如气候条件、土壤、地形地势、大气环境等等，还包括人为的环境因素，如畜舍、饲养设施、管理方式等。动物营养学着重于研究营养与环境的相互作用，包含两方面内容：一是研究环境对营养的影响，目的在于了解获得最高动物生产效率所需的最适环境条件，寻求克服不利环境条件的营养调控措施，以提高动物的生产效率；二是研究供给动物的养分对环境质量的影响，目的在于寻求改善和保护环境的营养措施，使动物生产成为生态型产业，减少对环境的污染。本章主要阐述温热环境对动物营养需要的影响；简要介绍保护环境的营养措施。第一节 热平衡与温热环境 外界环境诸因素中，除饲料因素外，温热环境与动物营养关系最为密切。温热环境不仅直接影响动物的采食量、代谢和产热，而且可导致饲料能量在动物体内分配和利用效率的改变，最终导致动物对各种营养物质的需求量及其与能量比率的改变。一、热平衡 (一)热平衡的概念动物的产热量和散热量相等即为热平衡。动物机体在正常代谢过程中，不断产热和散热，作为恒温动物的哺乳动物和家禽，必须使散热量和产热量达到平衡，才能维持体温的相对恒定，保证机体各器官组织执行正常的生理机能。动物的产热和散热概括如图15-1所示。体表面积 产 热 散热 身体被毛辐射基础代谢饮水和排泄蒸发体热热增耗饲 料 组织和外周血流的传导传导随意活动产热体内贮备的养分 对流生产过程 环境温度、湿度及空气流动外界热图15-1 动物的产热与散热示意图（二）热平衡的调节动物体的热平衡受体温调节中枢的控制，该中枢主要位于下丘脑。环境温度变化时，存在于皮肤和内脏器官的温度感受器将信号传递给体温调节中枢，反馈调节内分泌激素（甲状腺素、去甲状腺素等）的分泌，使动物的生理代谢、形态和行为发生改变，进而调节其产热能力、隔热作用和散热能力来维持体温的恒定。热平衡的调节方式有两种： 1物理性调节 指动物通过调整姿势、增减体表面积、扩张或收缩体表血管、改变被毛或羽毛覆盖情况等来调节体热散失程度的方式。2化学性调节 指动物通过提高体内养分代谢速度和肌肉节律性收缩（寒颤）来提高产热量或增加呼吸次数（如热性喘息）来提高散热量的方式。物理性调节不涉及代谢率的改变，只能改变散热量。环境温度稍有变化，物理性调节就会发挥作用，如当环境温度开始下降时，动物以躯体蜷缩或集堆、被毛竖立、体表血管收缩等来减少散热；当环境温度升高时，动物以伸展躯体、逃避日光照晒、戏水、体表血管舒张、汗腺分泌增加等来增大散热。化学性调节通过提高代谢率来调节产热量和散热量。化学调节在环境温度过高或过低时发挥作用，环境温度过低时增加产热，环境温度过高时增加散热。二、温热环境 （一）温热环境的概念 温热环境包括温度、相对湿度、空气流动、辐射及热传递等因素，他们共同作用于动物，使动物产生冷或热、舒适与否的感觉。温热环境常用综合指标来评定，如有效环境温度(Effective Ambient Temperature,简称EAT)。EAT不同于一般环境温度，后者仅仅是用温度计对环境温度的简单测定值；而EAT是动物在环境中实际感受的温度。如相同温度而湿度不同，动物的感受不同。用EAT来反映温热环境非常有用，但定量比较困难。（二）温热环境的划分根据动物对温热环境的反应，温热环境划分为温度适中区(Thermoneutral zone；缩写TNZ)、热应激区和冷应激区。 1温度适中区 也称为等热区。在此温度范围内，动物的体温保持相对恒定，若无其它应激（如疾病）存在，动物的代谢强度和产热量正常。等热区的下限有效环境温度称为下限（最低）临界温度（LCT）；上限有效环境温度称为上限临界温度（UCT）。在等热区中，温度偏低方向有一段区域最适合动物生产和健康，称为最适生产区。在此区域，动物的代谢强度和产热量保持生理最低水平，动物依靠维持和生产过程所释放的热量就可以补偿向环境散失的热量，不需要增加代谢产热速度就能维持体温恒定。 在等热区内，动物的热平衡调节方式主要是物理调节。 2热应激区 指高于上限临界温度的温度区域。在热应激区，动物除自身的产热外，还从环境中接受了大量的辐射热，仅依靠物理性调节不能把热散失，难以保持体温恒定。这时动物机体开始运用化学调节，提高代谢强度来增强散热，以维持体温恒定，例如：动物心跳加快、出汗、热性喘息等，但代谢率提高又会增加产热量，因此，动物体温能否保持恒定，取决于所增加的散热量与总产热量之间的平衡。当外界有效环境温度持续升高，多余热量无法散失时，动物体温开始升高，直至热死。 3冷应激区 指低于下限临界温度的温度区域。在冷应激区，动物散失到环境的热量增加，单靠物理性调节难以保持体温恒定，必须利用化学调节来增加产热。如果这种产热方式达到最大值时还不能弥补机体的热量损失，动物体温开始下降，直至冻死。 有效环境温度与动物的体温、产热、散热相互关系如图15-2所示。值得注意的是: 动物的温度适中区、下限临界温度与上限临界温度都受动物因素（体重、皮毛隔热性能、组群、机体状况、品种类型、年龄、气候驯化）、营养因素（如：饲养水平）和不同环境组分的温热效应（气流、大气和建筑结构的温度、垫草及地板类型、相对湿度）的影响。图15-2 动物在不同温热区域产热、散热及体温变化。 总产热的虚线段表示饥饿时产热; A-冻死点; B-代谢顶峰与降温点; C-LCT; D-UCT; E-升温点; F-热死点 引自NRC, （1981). 从动物生产来看，有效环境温度处于等热区尤其在最适生产区时，饲养动物最为适宜，经济上最为有利。但实际生产中，环境温度偏离等热区的情况时有发生，如我国南方夏季高温持续期长，而北方冬季过于寒冷。因此，需要了解温热环境对动物营养的影响，并寻求缓解冷热应激的营养调控措施，以保证较高的动物生产性能。第二节 温热环境对动物营养的影响一、对动物采食量的影响 一般而言，环境温度降低，动物采食量增加；反之则采食量下降。温热环境对动物采食量影响的机制还不太清楚，可能与甲状腺素、肾上腺素等激素分泌增加、体内能量平衡及体温变化有关。此外，环境温度不仅直接影响反刍动物牧草的采食量，还加快牧草的老化，从而也间接地影响反刍动物对牧草的采食量。温热环境影响动物采食量的程度与动物品种、性别及体重等因素有关。图15-3是猪、鸡、牛采食量的变化曲线。 (一) 生长肥育猪 环境温度高于21时, 温度每上升1, 每头猪每天采食量减少60-100g(13KJME/g);环境温度低于15时, 温度每下降1, 每头猪每天采食量增加约19.5g。在4-28温度环境中, 生长猪的随意采食量可按下式计算 VFI(g饲料/kg活重)=46.5(0.00031)-0.66(0.00004)(Ta-LCT) LCT=24-(0.15活重(kg) (残余方差为0.0077)式中：Ta为环境温度采食量（%）有效环境温度（）实验表明环境温度对采食量的影响程度因猪体型大小而异。如图15-3b所示：温度高于温度适中区时, 重型猪的采食量降低程度大于轻型猪。因为轻型猪的体表面积与体重的比率较大, 能相对散失更多的热量。图15-3不同动物在不同环境温度下的采食量：(a) 产蛋鸡、(b) 生长猪、(c) 生长牛, ( d) 奶牛.引自余振华译（1988），p.34、33、29、29。 (二) 鸡 温度在18-21外, 每上升或下降1, 生长鸡和产蛋鸡的采食量相应降低或增加1.6-1.8%。鸡对温度变化能产生适应，一旦适应后, 环境温度对采食量的影响程度大大减少。经总结大量文献资料发现，环境温度从26升高到29，蛋鸡采食量下降较小，温度继续升高到32，采食量明显下降。在15-30的环境中, 产蛋鸡的采食量（Y）可用下面公式计算: 白来航 Y(kJ.ME/天/只)=1606-35.283Ta+1.6469Ta2-0.0362Ta3 黄壳蛋系Y(kJ.ME/天/只)=3597-294.47Ta+13.589Ta2-0.21833Ta3 (三) 反刍动物 肉牛 温度在15-25外，低于15,采食量增加2-25%; 高于25, 采食量降低3-35%。奶牛 饲粮为60-65%优质粗料和35-40%精料时,在-20时的采食量比10-20时高约35%; 在25-27时, 采食量开始下降, 在40时的采食量比18-20时低60%。小公水牛 在32.6时的采食量比在温度适中区时低15%。绵羊 采食量变化与奶牛类似, 即: 在炎热环境中采食量下降; 而温度低于温度适中区时, 采食量增加。剪毛后绵羊的干物质采食量(DMI)与温度变化呈线性关系: DMI(g/kg体重0.75) = 111.3 - 0.52 Ta二、对养分消化、代谢和利用的影响 （一）对养分消化的影响 环境温度升高，可提高动物的消化能力；环境温度下降，则降低动物的消化能力。低温对肉用犊牛的影响大于对成年肉牛的影响, 对饲料ADF消化率的影响大于对总能消化率的影响。在-1038温度中, 温度每上升1, 牛对总能和氮的消化率约分别提高0.18和0.1个百分单位；羊对总能和氮的消化率约分别提高0.05和0.12个百分点。在5-23环境中, 温度每升高1, 生长猪饲料总能及氮消化率分别增加0.15和0.24个百分点。 环境温度对养分消化的影响机理为：温度影响胃肠道运动和消化液分泌, 从而影响排空速度和消化过程。此外, 环境温度能促使牧草老化, 间接影响反刍动物对牧草的消化。 （二）对养分代谢的影响 冷环境中,猪、牛、绵羊的尿氮排出量增加，导致表观代谢能值降低。高温可降低尿能和粪能损失, 代谢能值增加。实验表明: 在20时, 妊娠母猪进食总能的代谢率为77%, 而在12-14时代谢率为74%。由于鸡对气候适应较快, 温热环境对鸡饲料代谢能值影响尚有争论。有人发现: 在高温条件下, 动物对磷和钾吸收减少, 而尿中钾排出增加。 冷热应激时，动物需提高代谢率来调节产热和散热，动物总产热提高。 （三）对养分利用率的影响 温热环境通过影响动物采食、消化、代谢及产热来改变养分用于机体维持和生产的分配比例，影响饲料能量的利用效率。在温度适中区, 饲料能量用于机体维持的比例最少, 用于生产的能量最多, 能量效率最高。在冷应激区, 饲料能量用于机体维持的比例增加, 用于产品合成的比例减少, 最终导致能量利用效率降低。在热应激区时, 维持能量需要减少，用于生产部分的能量因代谢增强而减少, 但能量利用率降低不太明显。表15-1列出猪在不同温热环境的生长速度和能量效率。图15-4表明动物在不同温热环境时的产品能量沉积模式。图15-4 动物在不同温热区能量食入、产热及能量沉积的关系 引自余振华译，1988，p.57能量（MJ）表15-1 温度对70-100kg猪采食量、增重、能量效率的影响温度 能量进食量 增 重 产品能 能量效率() (kJ.DE/天) (kg/天) (kJ)a (%)b 0 64337 0.54 12512 19.4进食能 5 47714 0.53 12280 25.710 44417 0.80 18536 41.715 39974 0.79 18304 45.820 40861 0.85 19695 48.225 33372 0.72 16682 50.130 28045 0.45 10427 37.135 19159 0.31 7183 37.4引自 余振华译（1988），p.56 a.按80kg猪每增重1g含23.17kJ NE计算 b.能量效率=产品能食入DE100% 由图15-4所示，温度略低于适中区时可以提高生长猪的能量利用率。因为, 低温可提高动物采食量而食入更多的能量，增加产品合成的能量。有资料表明，在热应激区, 饲料能量用于产蛋和产奶的能量效率提高。主要原因是由于采食量下降，动物动用体贮进行产奶或产蛋, 而计算能量效率时认为这部分能量来源于饲料；此外,体脂用于产蛋的能量利用率也高于饲料能用于产蛋的效率。三、对养分需要量的影响（一）能量 冷应激和热应激均提高动物的能量需要量。因此，应根据动物采食量的变化，调节饲粮能量浓度。冷应激时，动物采食量提高，能量浓度可略有提高。热应激时，动物采食量下降，应提高饲粮能量浓度，此时添加脂肪既可提高能量浓度，又可减少体增热，有利于防止动物生产性能下降。猪 在温热环境中,可根据热散失量、生产水平及采食量估计能量需要量。环境温度在温度适中区以下每下降1, 20 kg、2060kg和 60100kg的生长肥育猪每天分别需增加14、27和38g 饲料(12kJ.ME/g)以补偿热散失。环境温度在低于1820时, 每下降1, 母猪维持能量需要增加4%。 ARC(1981)建议先用下述公式计算猪在冷应激区的额外产热(EH)，再根据饲料能量利用率及饲料有效能值，便可计算每天多需要的饲料量。 EH ( kJ/天 ) = ( 1.31 W + 95 )( LCT Ta ) 式中：W为猪体重(kg), Ta为环境温度。 鸡 生长鸡或产蛋鸡处在1821环境温度以外时, 温度每上升或下降1采食量降低或增加1.6-1.8%。产蛋鸡能量需要可按下式计算: ME(kJ/天/只)=544W0.75(1.015)t+23W+8.66EE 式中：W为体重(kg), W为每天生长增重或失重(g), EE为蛋重(g), t 是25 环境温度的差值()。NRC(1994)推荐用下述公式计算： ME ( kJ/只/天 ) = W0.75 (724 - 8.2Ta) + 23W + 8.66 EE牛 肉牛的维持净能(NEm)需要可用按下式计算： NEm ( MJ/天 ) = aW0.75 式中：a 在温度适中区为0.3222；当环境温度高于上限临界温度时, 每增加或减少1, a相应地减少或增加0.00293, 或者维持代谢能减去或增加0.91%。在寒冷的冬季，青年母牛的能量总需要增加30%。产奶母牛能量需要可按照NRC(1981)进行估计, 见表15-2。 绵羊 当环境温度低于下限临界温度时， 绵羊需要的维持代谢能(MEm)可按下式估计: T MEm ( kJ/天 ) = 534.7 W0.75 + b I 式中：T是有效环境温度与下限临界温度的差值; I是总隔热系数(/kJ.m2.天); b是动物表面积(m2)。当温度高于上限临界温度时, 应改变饲粮粗精比例来调节能量浓度, 保证绵羊食入足够能量。181第三节 动物营养与环境保护表15-2 温度对奶牛能量需要、干物质采食和产奶量的影响干物质进食量（精粗比为2：3）预期产奶量（kg）温度 （）维持和生产需要（kg）占10-20时的百分数（%）预期采食（kg）占需要的百分数（%）4020.213210.250123519.412016.786183018.911116.986182518.410417.796252018.210018.2100271518.210018.2100271018.210018.210027518.410318.910027018.811018.810027-519.311819.310027-1019.812619.810025-1520.213320.09923-2021.315120.49620 适用于体重600kg，每天产奶27kg，含乳脂3.7的奶牛。 引自余振华译（1988），p.85 （二）蛋白质和氨基酸 研究表明，温热环境不影响动物对蛋白质、赖氨酸及蛋氨酸的需要量, 也不影响赖氨酸和蛋氨酸的利用率。但应根据采食量变化调整饲粮中蛋白质、氨基酸的浓度。冷应激时，动物采食量提高，饲粮蛋白质水平可以不变。据报道，在平均气温7-9，饲粮能量浓度为14.23 MJ DE/Kg时，18-35、 35-60 和60-90kg猪适宜能蛋比分别为94.85、101.63和109.41MJ/g，饲粮粗蛋白质分别为15、14和13%。热应激时，动物采食量下降，若提高饲粮蛋白质水平, 会增加热增耗，加重热应激。因此，应通过平衡饲粮氨基酸，按可消化氨基酸需要配制饲粮来降低粗蛋白质水平，保证氨基酸摄入足够，动物生产性能就不会下降。 据报道，在平均气温31条件下，15-30、 30-60 和60-90kg猪饲粮适宜能量浓度分别为14.44、14.56和15.40MJ/kg，适宜能蛋比为80.17、90.96和107.74MJ/g，猪的平均日增重分别达571、603和740g。 （三）矿物质 冷热应激时，动物体内代谢加强、某些矿物元素排泄增加，从而增加矿物质需要量。如热应激时，动物体内钾、钠排出量增加, 而钾的吸收减少, 因此饲粮中要相应地提高钾、钠水平。适当提高饲粮钙能提高动物的耐热力。添加碳酸氢钠可缓减热应激的不良影响。（四）维生素 冷热应激均提高代谢率，并影响消化道中微生物对某些维生素的合成，因而增加维生素需要量。据报道: 生长小鸡在32.5环境中需要的硫胺素大约是21时需要的两倍; 小鸡对吡哆醇、尼克酸、叶酸和胆碱的需要不受温度的影响。热应激时，动物体内的维生素C合成量不能满足需要，饲粮添加维生素C, 可缓减热应激。（五）水 温热环境对动物的需水量影响很大。冷应激时，动物饮水量下降。热应激时,动物饮水量急剧增加，因为动物出汗和热喘息使体内水分大量散失, 同时，水槽、饲料中水蒸发加快，饲料来源水减少。相同温度下，动物需水量受空气湿度影响很大, 一般而言, 湿度高, 需水量减少。 第三节 动物营养与环境保护一、 动物对环境污染的影响随着生活水平的提高，环境保护问题越来越引起人类的重视。动物在为人类提供大量优质畜产品的同时，也向环境排放大量的粪尿和有害气体。据估计，存栏小猪（20-40千克的育成猪、后备母猪）年产粪尿约1500千克；中猪（初产母猪或50-75千克的育肥猪）年产粪尿约3000千克；大猪（75-100千克的育肥猪、成年母猪和成年公猪）年产粪尿约4500千克。这些粪尿中含有大量的氮、磷和其他矿物元素（表15-3 ），排泄率可达70%-80%（表15-4）。目前，引人关注的环境污染有N、P、铜、锌、砷、硒、 有毒有害气体（如氨、硫化氢等）、抗生素残留等，其中，最为关注的是N和P的污染。动物排泄物中的N和P沉积在土壤或直接渗入地下水或经表土冲刷进入河流和湖泊，可导致水的超营养化作用（Eutrophication），加速水生植物尤其是藻类的过度生长，使水质明显恶化。在人口稠密地区，如果不能妥善地解决N、P的污染问题，高密度的集约化畜禽生产规模将不能进一步扩大，甚至无法维持。为此，许多国家均制订了有关畜牧生产排污量的法规，如荷兰是世界上第一个因集约化养殖排出大量粪磷而造成严重环境污染的国家，从1984年起，荷兰就对相关的环境问题进行了专门立法，并就每亩土壤中可施用的动物粪便的数量和含磷量进行计算，规定土壤允许施用的P量（表15-5）,该规定值逐年减少。1998年，荷兰又重新立法，对N和P的排放都作了规定，当超过规定数量时，农户必须对超量部分支付税金。表15-3 在中等营养水平下万头猪场的氮磷排放量预测值食入与排出量(t/年)氮磷总食入量164(153-248)40(27-44)总排出量107(100-161)31(20-33)粪31(29-47)29(18-31)尿76(71-114)2(1-3) 引自 张子仪(1997)，p.11表15-4 典型猪场每年的N、P排泄量 综合性猪场种猪场 肥育猪场NPNPNP饲料中1583664159421沉积量421014328 7排泄量1162650126614排泄率(%)7372 78 80 70 67 引自 袁森泉译(1993)，p.41-43 综合性猪场以一头母猪及其20头仔猪从断奶至90千克重的N、P排泄量计。母猪、生长猪、育肥猪饲料的N、P含量（%）分别为2.7,0.7；3.2,0.7;2.9,0.65; 母猪、生长猪、育肥猪食入N、P总量（kg）分别为33,8；31,7;94,21。 种猪场以一头母猪及其20头断奶仔猪从断奶至30千克的N、P排泄量计。 肥育猪场以20头从30千克至屠宰的N、P排泄量计。表15-5 1987年起荷兰允许的P2O5（kg/亩）年草地可耕地玉米青贮地199016.78.323.3199413.38.310.0199510.07.37.319979.07.37.319988.06.7 引自 罗绪刚和刘彬 (1998)，p.77-8121世纪的畜牧生产不仅能提供量多、质好的畜产品，生产效率高，而且必须成为“绿色产业”，对环境无污染，作到可持续发展。在动物生产中，以牺牲环境质量为代价来换取动物生产性能改善和提高经济利益的手段将受到很大程度的限制。从营养学途径来降低畜牧业对环境所带来的不利影响将是动物营养研究的重要领域。二、 保护环境的营养措施 动物养殖业要变为绿色产业，这为动物营养提出了新的挑战。动物营养研究将不再局限于对动物本身的营养需要的研究，而成为“总循环营养”研究，即营养学家必须能够改变或控制饲料到粪尿、畜产品的全过程，供给动物的饲料在满足其维持和生产需要的同时，还要能控制粪尿的组成和数量，并使其能够更容易被生物降解，对环境无污染。 保护环境的营养措施有以下方面： （一） 准确预测动物的营养需要营养物质供给过量是导致排出比例增加的直接原因。实际生产中，动物饲粮中常常含有某些过量的养分，作为一种安全系数，以弥补因饲料成分变异或不能准确确定所用原料养分利用率对饲养效果的影响。准确预测动物的营养需要和饲料的营养价值，采用多阶段饲养，就能正确配制饲粮，减少排出量。如表15-6所示，由于对磷消化率和需要量有了较好的了解，荷兰猪场的P排泄量降低了30%；随研究的进一步深入和结合添加植酸酶，P排泄量可减少58%。表15-6 荷兰猪场P排泄量的预测改善因素 采食量 kg/头家畜排泄量Kg/头家畜 (%)1983年 1.611.181001993年（对P消化率和需要量有较好了解） 1.230.8370应用微生物植酸酶 1.010.6152应用替代饲料+更有效的植酸酶+对P需要量更好地了解 0.890.4942 引自 陆天华译 (19