奶牛饲料营养指标体系和营养需要量研究以及奶牛配方软件研制的发展历程（下）
| 2018-09-28 16:51 荷斯坦奶农俱乐部网 访问量：693 | [ 字号：大 中 小 ] |
徐 明 内蒙古优然牧业
卢德勋 内蒙古农牧业科学院
动物营养的理论和实践经过近二百年的发展，逐步形成现代科学体系。在其初级发展阶段，反刍动物饲料营养理论和单胃动物通常都是混在一起，后来才逐渐形成了独自体系，发展出特有的饲料营养和营养需要量指标和技术体系。随着反刍动物营养理论和技术不断向前发展，奶牛配方软件也得到了长足的进步。其中，CPM软件是世界上第一款应用于奶牛生产的动态配方软件，极大地推动奶牛日粮营养配方技术的发展和进步。
本文上半部分简要介绍了奶牛饲料营养指标体系和营养需要量研究的发展历程，下文则重点介绍与之相应的奶牛配方软件研制的发展和应用。
奶牛配方软件研制的发展历程
传统的奶牛日粮配制过程大体有三个步骤：第一步，查阅动物营养需要量表格，确定动物的维持需要、生产需要等，计算出总的营养需要量。营养需要量仅受动物体重、生产性能的影响，很少考虑环境和管理的影响，营养需要量基本是固定不变的，与实际需要差异较大；第二步查找饲料营养组成表格，确定所选饲料的营养物质的含量。这些营养组成多以概略养分为主，数值基本固定不变，饲料营养价值与实际价值差异较大；第三步，使用手工技术或自制Excel计算配方，使营养供应量与营养需要量相等或相近，再使用精粗比指标控制奶牛的瘤胃酸中毒风险。
伴随计算机技术的发展，配方软件的出现有力地推动了饲料营养科技进步的发展。配方软件集成了营养理论的发展，也集成了饲料经济价值评定、配方成本优化等技术。目前，配方软件不仅是计算工具，而且在模型化支撑下，具有强大的预测功能。计算机软件形式的营养标准也逐渐取代纸质版营养需要成为营养需要研究的主流。
如上所述，反刍动物饲料原料营养指标体系发展共分为三个阶段，为此，相应的配方软件的研制大致也经历了三个发展阶段（如表1所示），分别介绍如下：
表1. 营养理论和配方软件相对应的发展阶段
第一代奶牛配方软件
第一代奶牛配方软件是在单胃动物配方软件的基础之上发展起来的，营养指标、配方思路和计算方法基本与单胃动物配方软件相同。典型代表有SPATAN、BRILL、资源软件等。
计算原理
根据人为设定的营养需要和选定的饲料原料，找到一个成本最低的日粮。其特点是：
（1）相对固定的营养需要量标准；
（2）相对固定的饲料营养指标；
（3）寻求最低成本的日粮。
配方特点
（1）营养指标多为概略养分指标，且指标数量较少。指标基本上都是表观指标，如粗蛋白、粗脂肪、中性洗涤纤维、能量等。能量也是根据概略养分指标计算出来的。因此，这些指标很难准确反映真实的饲料营养价值。
（2）数值固定不变：营养标准和原料营养价值基本是固定不变的，与实际条件相去甚远。所以，设计原理、设计思路相对落后。
（3）本质上没有和动物产生关联。表观的营养指标、固定的饲料营养价值、固定的营养标准，与真实的动物关联性很小。
SPARTAN软件简介
SPARTAN DAIRY软件是由密歇根州立大学编著的日粮配方软件，是第一代配方软件的突出代表。2011年，密歇根州立大学公布了最新的SPARTAN 3，是目前最新版本。SPARTAN软件是在DOS系统下设计的，基于静态营养需要量、静态饲料营养价值基础上的配方软件，具有操作简单的特点。
第二代奶牛配方软件
第二代奶牛配方软件是在第一代配方软件基础上，伴随着康奈尔体系发展起来的。第二代奶牛配方软件所配制的日粮，饲料营养价值和动物营养需要量均是动态的，奶牛的消化、代谢、甚至根据奶牛采食量调节的净能都考虑到了与奶牛的关联关系。典型代表是CNCPS、CPM、AMTS和NDS。
计算原理：
其特点是：
（1）动态的营养需要量
奶牛的营养需要是随着动物的生产性能、体重、环境、管理的条件来改变的。第二代奶牛配方软件可以随着这些变化来给出动态的营养需要量预测值。
（2）动态的饲料营养价值
在CPM数据库中，玉米、苜蓿、玉米青贮等饲料养分的消化速率、流通速率都是动态，会随着营养物质含量的不同而改变。因此，研制者建议牧场隔一段时间把玉米青贮、苜蓿干草、玉米等送到商业实验室检测，这些经过化验的营养指标才能真正地反应饲料本身的营养价值。
（3）寻求最适合动物的日粮
实际生产中，最低成本的日粮效益往往不是最高的，最适合动物需求的日粮其长期效益最佳。第二代配方软件是寻求最适合动物需求的日粮，在效益和效果之间寻求最佳的平衡。
配方特点
（1）动态性：动物营养需要量和饲料营养价值均是动态的。
（2）多指标：第二代配方软件包含着不同层次、不同类别的数百个营养指标。这一点是奶牛配方软件非常大的进步，从第二代奶牛配方软件开始，反刍动物真正建立起自身独立的营养体系和配方系统。
（3）可预测性：通过营养预测技术和模型化技术，配方软件给出可供参考的消化、代谢指标预测值。
（4）最大程度接近动物的动态营养需求，能全方位地满足动物的健康和生产需求。
CPM软件简介
1996年CPM软件1.0版问世，这是世界上首个商业化的第二代奶牛配方软件。CPM软件在奶牛配方软件中首次引入动态饲料营养价值、动态营养需要量，并首次使用非线性优化技术优化奶牛配方。
第三代奶牛配方软件
目前还没有出现真正意义上的第三代配方软件，最新出现的几个配方软件正在向这个方向发展。
计算原理
其特点是：
（1）动物本身和饲养管理条件实时化：第三代配方软件的一个特点是包括动物、环境、管理条件指标数据的实时性。在动物方面：奶牛每天的挤奶数据可以集成到配方软件里，DHI数据完全可以直接导入到动态的动物数据里；在环境方面：温湿度仪、风速仪、光度仪可以把每天最低温度、最高温度、平均温度，最低湿度、最高湿度和平均湿度，风速、光照强度等这些数据实时导入到配方软件的环境设置里；在管理方面：通过给奶牛配戴一些电子设备，就可以知道每头奶牛每天的活动量，行走距离、垂直落差、躺卧时间、体态改变次数和偏好区域，这些数据均具有实时特性。
（2）饲料营养价值实时化：第三代配方软件可以直接和商业实验室或便携设备相连接。当牧场把样品送到实验室，就可以直接将原料营养数据调到配方软件里。
（3）基于群体配方技术：目前做配方是把一群牛虚拟成具有平均产奶量的一头牛，配方师是给这个虚拟的一头牛在做日粮。所以经常会出现：前期牛能量不足、蛋白不足；后期牛能量过剩、蛋白过剩的情况。如果把虚拟的这一头牛真正变成一群牛，就不会出现这些令大家头疼的问题。最典型的就是将DHI的数据导入到CPM软件里，如果日粮对这个群体不合适，就会建议把这群牛再重新分群，或者建议采用新日粮或补饲等方法。
配方特点
（1）增加更多的代谢层次的指标，包括代谢能组成和来源、单体氨基酸氧化稳衡参数、能量流参数等；
（2）实时满足动物营养需求；配方软件能够集成到实时的动物、环境、管理、饲料的信息，更加精准地预测奶牛的营养状况。
（3）强大的预测功能：第三代奶牛配方软件采用集成平台、智慧技术，通过模型化和预测参数，预测出更多代谢层次指标，直至很多净层次指标，包括乳成分和体况变化等，为配方师决策提供可视化、更直接的参考依据。
各类配方软件的比较
这三代奶牛配方软件都具有各自特点、都有其进步之处，参见表2，具体介绍如下：
（1）营养需要量：对于动物的营养需要，第一代配方软件是人为给定的、静态的；第二代是动态的；第三代就是实时的。
（2）营养指标：第一代配方软件的营养指标较少，一般包括五、六个指标；第二代配方软件，如CPM有数百个指标，而且每个指标都有其作用；第三代配方软件的营养指标更多，但会按照指标树、物质流、能量流的模式，进行分类别、分层次的整合。
（3）营养指标层次：第一代配方软件所采用的指标基本为表观层次指标；第二代包含完备的消化层次的数据，可以准确反应出饲料的消化特性；第三代配方软件偏重于代谢层次，可以实时地、可视化地反应出饲料消化之后引起的代谢异常情况的发生几率，突出预测和预警功能。
（4）突出功能：第一代配方软件的突出功能是成本优化，可以帮助配方师找到满足营养指标需求的成本最低的日粮；第二代突出功能是个体预测功能，可以通过配方软件精确满足一头虚拟化的奶牛（群体平均数）的营养需求和原料配合；第三代突出功能是群体预测功能，通过精准分群功能和群体配方功能，实现满足一群牛的营养需求和原料配合，并预测出奶牛对日粮的反应。
表2.各类配方软件的特点
奶牛配方软件的使用
CPM软件是世界上第一款应于与生产的动态配方软件，极大地推动奶牛精准营养配方技术的发展和应用。CPM软件自1996年诞生以来，已得到全世界用户的肯定和认可，是目前使用最广的奶牛配方软件。我们以典型的二代配方软件CPM为例，介绍配方软件的使用技能。
多层次营养平衡技术
CPM软件中营养指标繁多，我们将CPM中的繁多指标进行分类和分层，以便于配方师更好地理解和使用各个营养指标。营养物质主要包括：蛋白质、纤维性碳水化合物、非纤维性碳水化合物、脂肪、矿物元素、维生素等；营养平衡包括：能氮平衡、钙磷平衡、碳水化合物平衡等。动物利用营养物质的过程可分为四个层次：日粮表观层次、消化层次、代谢层次和净层次（卢德勋，2016）。
表3显示了CPM软件在不同层次的典型指标。按照从表观指标到净层次指标的顺序分层考虑，依次平衡各层营养指标，可以更有效率地使用CPM做出精准营养配方。我们将多个具有相同营养功能或生产性能表现的指标，定义为指标群。几个指标群组成了指标树。通过指标群调节营养物质利用、优化生产指标，会更加精准、系统地调控奶牛营养物质的利用过程。
表3.不同营养层次的典型营养指标
营养标准推荐值的选择
表4和表5推荐了不同阶段泌乳牛和干奶牛的营养需要量标准。每个阶段的营养标准应该是一个推荐范围，而不是一个绝对数值。
表4 泌乳牛营养物质的推荐量
表5 干奶牛营养物质的推荐量
营养标准在使用时应将标准性和灵活性相结合。使用时需要考虑奶牛的实际反应、牧场的管理现状等因素。比如：奶牛日粮的NDF水平我们是选择26、28、30或32哪个标准？在牧场TMR制作比较随意、加料不准、长度不稳的情况下，最好选择较高的NDF标准；围产料、新产料过度不佳，是否使用短纤日粮等因素也都影响NDF指标的选择。
优化功能的实现
CPM中的优化功能可优化出满足奶牛需求的最适日粮，而不是价格最低的日粮。CPM中的优化功能是从系统的角度对奶牛日粮进行优化。很多人会反应优化功能很难实现，经常优化不出配方，很少用户真正使用此项功能。CPM在优化的过程中需要注意由粗略到精细逐步实现，优化指标由少到多，预测指标由少到多，这样才能将CPM最强大的优化功能用好。
我们根据CPM优化功能的原理，开发出评价饲料原料营养价值的专门化软件CPMC-Feed。可以评判综合的饲料价值，结合饲料价格以及营养素含量综合评判得到饲料综合价值，这个比只通过饲料价格去判断饲料价值更加合理。
配套服务体系
配方师可以在精准牧业营养工程技术网（www.cpmcd.com）上找到CPM软件的网络在线教育课程，方便大家对CPM软件进行学习和使用。
结语
奶牛营养理论发展、模型化技术和计算机技术的共同发展，催生出奶牛配方软件，后者极大促进了配方技术在研究和实践中的发展。无论对于研究者，还是实践配方师，我们都需要熟知营养指标和营养需要量的发展历程，以及营养指标之间的传承和发展，使用好配方软件，才能更好地做好服务工作。
参考文献
（1）卢德勋，系统动物营养学导论（第二版），2016年9月出版，中国农业出版社
（2）Spilke, J., and R. Fahr. 2003. Decision support under the conditions of automatic milking systems using mixed linear models as part of a precision dairy farming concept. Pages 780–785 in Proc.EFITA Congr., Debrecen, Hungary. European Federation for Information Technology in Agriculture, Food and the Environment (EFITA), Paris, France.
（3）CJ Sniffen，JD O'Connor ， PJ Van Soest ， DG Fox ， JB Russell. 1992. A net carbohydrate and protein system for evaluating cattle diets: II. Carbohydrate and protein availability. Journal of Animal Science, 70 (11) :3562-77.
（4）ME Van Amburgh, EA Collao-Saenz, RJ Higgs, DA Ross, EB Recktenwald. 2015. The Cornell Net Carbohydrate and Protein System: Updates to the model and evaluation of version 6.5. Journal of Dairy Science, 98 (9) :6361
（5）Dan N. Waldner. Comparison of Software Applications for Formulating Dairy Rations. http://www.txanc.org/docs/SoftwareDairyRations.pdf
京公网安备 11010502036456号
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