家禽營養(yǎng)需要模型及其應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

和興

蔡輝益 劉世杰 劉國華 張姝 常文環(huán)（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京 10081） 摘要：預(yù)測家禽對于營養(yǎng)素的反應(yīng)已經(jīng)發(fā)展到了一個全新的階段，現(xiàn)在不僅可以準(zhǔn)確預(yù)測任意飼料的采食量，而且通過先進(jìn)的模擬模型可以優(yōu)化家禽的飼喂和飼養(yǎng)模式。預(yù)測模型的發(fā)展有效激勵了研究者將目標(biāo)鎖定于解決控制理論和模型一體化之間存在的關(guān)鍵性問題。本文綜述了近些年國內(nèi)外的一些研究進(jìn)展，討論了一些試驗設(shè)計和結(jié)果分析所出現(xiàn)的一些爭論焦點，并且指出了目前家禽對營養(yǎng)素的需要量預(yù)測所面臨的一些挑戰(zhàn)以及國內(nèi)外商業(yè)性計算機預(yù)測模型的研究進(jìn)展。 一、前 言 傳統(tǒng)的飼料配制方法是參考飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)動物特定生長階段的營養(yǎng)需要配制相應(yīng)日糧，這種傳統(tǒng)方法目前仍然在畜牧生產(chǎn)實踐中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，動物營養(yǎng)學(xué)理論證明，動物的營養(yǎng)需要處于動態(tài)變化過程中，隨年齡（月齡、周齡、日齡）、環(huán)境條件（溫度）、品種（基因型）而變化。如果采用現(xiàn)行配制畜禽日糧的方法，以平均營養(yǎng)需要量代表不同基因型、不同生長期的營養(yǎng)需要量，必然導(dǎo)致動物早期營養(yǎng)供給不足造成動物生產(chǎn)性能不能充分發(fā)揮，而后期營養(yǎng)供給過量造成飼料浪費，從而影響?zhàn)B殖經(jīng)濟效益 長期以來，動物營養(yǎng)學(xué)家都致力于預(yù)測營養(yǎng)素對家禽生產(chǎn)能力的影響。最早出現(xiàn)的是育肥豬的控制飼喂模型（Edinburgh Model Pig），它成功地整合了一個動物的生長相關(guān)信息（包括飼料，生長環(huán)境等），進(jìn)而模擬動物的生產(chǎn)成績，這為后來預(yù)測模型的發(fā)展、改進(jìn)提供了重要的理論依據(jù)。在這之后，預(yù)測模型最重要的突破就是Emmans（1981）提出了新的理論來預(yù)測豬和家禽的采食量，將生長模型由輸入飼料采食量來預(yù)測其他指標(biāo)而改變?yōu)橥ㄟ^其他指標(biāo)反過來確定飼料采食量，這對于預(yù)測模型的發(fā)展具有革命性的意義。他構(gòu)建的模型具體表現(xiàn)了這一理論思想，使得預(yù)測更為現(xiàn)實，同時也為營養(yǎng)學(xué)家提供了一種在不同條件下選擇最合適飼養(yǎng)模式的工具。隨著各國科學(xué)家的不斷努力，目前該領(lǐng)域的研究也取得了很大進(jìn)展，通過整合飼料方程、模擬模型和最優(yōu)路線，使得豬和家禽的飼料供給及飼養(yǎng)模式的優(yōu)化成為可能（Gous 和 Berhe，2006）。 家禽營養(yǎng)學(xué)家關(guān)注的焦點之一是營養(yǎng)素對于經(jīng)濟指標(biāo)的貢獻(xiàn)，諸如蛋白沉積、胸肌沉積、產(chǎn)蛋量、采食量以及飼料轉(zhuǎn)化率等，然而在測量方法和對試驗數(shù)據(jù)的分析方面仍然存在著較大的爭論。在涉及到企業(yè)利益的時候用一種批判的眼光來審視是非常重要的，近來就有試驗證明，雞只死亡率和均勻度并不像先前所認(rèn)為的那樣是由于家禽飼養(yǎng)水平和應(yīng)激所致。Aviagen和Cobb（2006）同樣指出，目前還不能確定胸肌的沉積以及達(dá)到最大沉積時的家禽胴體組成是否是家禽動物自身遺傳所致還是僅僅由于飼喂過程中禽類蛋白的沉積所致。研制預(yù)測模型的一個很重要的方面是掌握對生產(chǎn)成績的控制，用一種相對簡單的關(guān)系來模擬家禽的潛在生產(chǎn)能力，而生產(chǎn)能力又受到物理的、社會的和免疫條件及外部環(huán)境等因素的影響，這些因素對于準(zhǔn)確預(yù)測實際生產(chǎn)能力都形成了巨大的挑戰(zhàn)。目前對這些影響因子的研究還不足，但已經(jīng)開始得到足夠的重視，相信通過不斷的努力，能更加準(zhǔn)確地預(yù)測家禽的生產(chǎn)性能和相應(yīng)的經(jīng)濟效益。 二、國內(nèi)外營養(yǎng)需要模型及其應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀 近十幾年來，隨著科學(xué)家們對動物體生長發(fā)育規(guī)律認(rèn)識的逐步深入和計算機模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到通過數(shù)據(jù)擬合建立能將品種、飼料及環(huán)境綜合于一體的、可以準(zhǔn)確預(yù)測營養(yǎng)需要和生產(chǎn)性能的動態(tài)仿真模型才能在給定的品種、飼養(yǎng)階段及環(huán)境下對采食量和生長率做出正確的預(yù)測，才能制定出最經(jīng)濟的飼養(yǎng)方案，提高養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)濟效益。 養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)國家對動物生長和營養(yǎng)需要的模型研究已有很長的歷史。最早在1925年，Gompertz發(fā)表了關(guān)于動物生長模型的一部分原始工作。隨后其他科學(xué)家研究了各種動物對管理、遺傳選擇和日糧處理反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生長曲線。近年來研究焦點開始轉(zhuǎn)向開發(fā)能被養(yǎng)殖公司用于模擬動物反應(yīng)、預(yù)測營養(yǎng)需要和生產(chǎn)決策的商用軟件。 隨著硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，使得低成本的測定生物器官信息成為可能，同時也可以將先進(jìn)的數(shù)學(xué)識別技術(shù)用于模擬復(fù)雜的生物學(xué)反應(yīng)過程。這些數(shù)學(xué)識別技術(shù)可以估計數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，基于適時測量程序中的輸入和輸出參數(shù)等(Bakker et al., 1980; Aerts et al., 2000)。 以色列Hebrew大學(xué)的Hurwitz等人開發(fā)的模型（Hurwitz et al.,1978;Talpaz et al.,1991），能利用計算機確定氨基酸和能量的每日生長需要量和維持需要量，可以估測出每日增重所需的飼料成本，并利用所得結(jié)果確定最低成本生長曲線，采用該模型開發(fā)的軟件Chickpot于1995年上市。NRC也認(rèn)為該模型對于估測部分氨基酸需要量有很好的效果。 在當(dāng)前飼喂制度下，動物的生長曲線無疑得到了顯著的優(yōu)化，更加符合生產(chǎn)實際 (Famula et al., 1988)。 Novus公司1989年推出肉雞生長模型 IGM（Ivey Growth Model）1.0版，經(jīng)過多次改進(jìn)，于1995年推出4.3版，該模型是一種半機制、確定性的動態(tài)生長模型，可用于模擬和優(yōu)化家禽營養(yǎng)需求變化，生長性能預(yù)測方面具有高度的精確性。1996年Novus公司在此基礎(chǔ)上正式推出肉雞生產(chǎn)模型軟件OmniproⅡ。以大約300個營養(yǎng)水平組合試驗為基礎(chǔ)建立，保證了其模擬和預(yù)測的準(zhǔn)確性，經(jīng)多次試驗驗證，其決定系數(shù)（R2）達(dá)到99％，為目前精確性最高的肉雞生長和營養(yǎng)需要預(yù)測模型。全世界有100家以上的肉雞聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)正在使用這一集成技術(shù)。此外，南非Natal大學(xué)的EFG軟件開發(fā)公司、King（2001）等人也先后開發(fā)了Edinburgh模型和BPHL模型技術(shù)，均可給出體成分日累計沉積量、活重、屠體和羽毛重、采食量、飼料轉(zhuǎn)化率、熱損失以及限制性氨基酸沉積預(yù)測值，利用與沉積效率有關(guān)的第一限制性氨基酸系數(shù)和飼糧濃度限定蛋白質(zhì)沉積量，該模型技術(shù)還能用方程描述應(yīng)激條件下的采食模式和脂肪損失。這些技術(shù)的應(yīng)用有力推動了“精準(zhǔn)養(yǎng)殖”技術(shù)的應(yīng)用，顯著提高了肉雞企業(yè)的生產(chǎn)效益。 相對而言，我國在動物營養(yǎng)需要和生長動態(tài)模型構(gòu)建方面起步較晚，在生長模型和營養(yǎng)需要模型方面進(jìn)展緩慢，研究工作極其有限。近年來，臺灣的阮喜文等人有一定的研究成果，中國農(nóng)科院飼料所家禽室承擔(dān)了“十五” 科技攻關(guān)課題“肉雞動態(tài)營養(yǎng)需要模型研究” 和“十一五”科技攻關(guān)課題“家禽營養(yǎng)參數(shù)與飼料生物學(xué)價值評定”研究，組織力量在肉雞動態(tài)生長模型的建立及相關(guān)參數(shù)確定和肉雞能量和氨基酸動態(tài)需求模型方面開展了一些研究工作。嘗試構(gòu)建肉雞生長和營養(yǎng)需要的析因模型，取得了一些進(jìn)展，但其可靠性、準(zhǔn)確性均遠(yuǎn)未達(dá)到實用水平。 三、營養(yǎng)需要預(yù)測模型的理論基礎(chǔ) 在預(yù)測營養(yǎng)素對家禽生產(chǎn)性能的影響之前，需要有基于扎實理論基礎(chǔ)的方法學(xué)。事實上，推導(dǎo)試驗的很重要原因之一并非是檢驗一種理論或者對比兩種理論，而是要確定用于創(chuàng)建一種理論所需的具體數(shù)量關(guān)系，諸如測量限制性氨基酸的利用率對于確定蛋白質(zhì)的沉積作用。在Emmans理論基礎(chǔ)上發(fā)展的肉雞生長模型（EFG Software，2006）通過頂端稀釋法技術(shù)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測飼料采食量，生長速率、體重，蛋白和脂肪的沉積，而用等級補充技術(shù)則很難實現(xiàn)，因為后者沒有考慮氨基酸的不平衡性，因而這個反應(yīng)結(jié)果直接和飼料中第一限制性氨基酸相掛鉤。在利用該模型做預(yù)測時便發(fā)現(xiàn)實際觀測值和預(yù)測值之間缺乏一致性，主要原因是實際生產(chǎn)過程中存在氨基酸的不平衡性，而該模型卻未予考慮。 WaZulu-Natal大學(xué)的專家也證實，如果這種反應(yīng)同時受到飼料中限制性氨基酸水平和氨基酸平衡性改變的影響，預(yù)測飼料采食量的模型就必須根據(jù)這種多重原因而加以調(diào)整，除非它是在飼料中的限制性氨基酸，否則單個氨基酸利用率并不容易被檢測。 常見的誤區(qū)是將一個不完整的模型用于普遍的推廣，這種預(yù)測效應(yīng)只是適應(yīng)于個體而非全部，將其應(yīng)用到普遍的生產(chǎn)時，便導(dǎo)致低估營養(yǎng)素的最適添加量。限制性營養(yǎng)素或者是平衡蛋白引起的反應(yīng)備受關(guān)注，但是這不是定義營養(yǎng)需要量的方法。在計算時考慮到邊際效益和邊際成本時，這些反應(yīng)才被用來確定最經(jīng)濟的營養(yǎng)素攝入量，以符合閱讀模型( Fisher et al., 1973;Morris, 1989)要求的數(shù)據(jù)，這比較適用于產(chǎn)蛋雞的營養(yǎng)需要量預(yù)測。因為產(chǎn)蛋雞的需求量在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的水平。然而，對于生長期的家禽，這種方法預(yù)測出的最經(jīng)濟攝入量就顯得毫無意義，原因在于雖然這個值適合于與試驗期相對的那一階段，但是生長家禽的營養(yǎng)需求量和它對生長的反應(yīng)隨時都在變化。因而這種反應(yīng)僅對于驗證飼料攝入量和生長的理論有意義，而對于確定家禽生長模式意義卻并不大。 很多試驗中，借用某個試驗的結(jié)果來確定一組試驗雞的營養(yǎng)需要量司空見慣，然而任何一個試驗的結(jié)果都很難具有普遍性。每個試驗的結(jié)果都有其特定的條件：應(yīng)激、性別、飼養(yǎng)密度、環(huán)境條件、飼養(yǎng)水平和飼喂模式等等，所有這些都對營養(yǎng)需要量的預(yù)測有所影響。在變化的條件下按照原來的“營養(yǎng)需要量”進(jìn)行試驗，自然就降低了試驗的可信度。因而這種試驗的價值并不在于幫助試驗者確定營養(yǎng)需要量，而在于可以被用來作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，正如測定某種氨基酸的利用率。一個模型中各影響因素的敏感性分析至關(guān)重要，氨基酸的利用率就是需要準(zhǔn)確估計的一個方面，所有的氨基酸利用率都相同嗎？在動物生長的不同階段他們的利用率都相同嗎？因為關(guān)于利用等級補充技術(shù)測量利用率的準(zhǔn)確性已經(jīng)遭受置疑，所以需要更多的試驗來解決這個重要的問題。 四、影響營養(yǎng)需要預(yù)測模型的因子 在追求企業(yè)利潤最大化的時候需要考慮很多因素，如果要利用模型來對企業(yè)利潤做出預(yù)測，那么所有上述因素都需要做出預(yù)測才可能達(dá)到目的。飼料成本最優(yōu)化需要獲取很多不同層次的信息，包括氨基酸的供應(yīng)、所有和動物生長生產(chǎn)相關(guān)因子的描述、生產(chǎn)系統(tǒng)中所有的可變成本和固定成本以及所有產(chǎn)生收入的細(xì)節(jié)。所需信息的復(fù)雜程度取決于能做出最優(yōu)選擇而所需模擬系統(tǒng)的水平。如果僅考慮家禽生長過程中養(yǎng)殖戶的利益最大化，那么動物生存能力、生長情況和飼料轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)就已足夠做出預(yù)測，然而家禽營養(yǎng)對于屠宰場的可變性（胴體產(chǎn)出率等）以及隨后的處理（胸肌、腿肌重量等）都需要明確規(guī)定。盡管目前對營養(yǎng)需要的預(yù)測已經(jīng)達(dá)到比較高的水平，但是仍然還有未解決以及需要進(jìn)一步研究的一些因素。 1、飼料攝入量 Emmans（1981和1989）提出的飼料攝入量與生長趨勢的理論是基于一定的假設(shè)。假定家禽是盡可能地按照潛在遺傳能力生長，這就暗示了家禽會盡可能的采食以滿足達(dá)到生長速度所需。然而也有學(xué)者認(rèn)為“為能而食”明顯比較荒唐而且在預(yù)測其自由采食量時毫無價值，因為太多的因素影響家禽達(dá)到潛在生長速度所需的營養(yǎng)素(Ferguson and Gous,1997; Ferguson et al., 1997)。 近期研究表明，Ross 308型肉雞明顯不符合為能而食的理論。隨著日糧中蛋白含量的下降，Ross 308的采食量不僅未增加而是降低，導(dǎo)致其生長率低于Cobb500型肉雞，而Cobb500型肉雞的采食量則符合Emman的理論（Kemp et al. 2005, Berhe and Gous 2005）。 2、環(huán)境因素 截至目前為止，還沒有資料表明家禽可以根據(jù)體溫調(diào)節(jié)所需的微環(huán)境；在不能自我調(diào)節(jié)的時候，有些條件是直接影響環(huán)境對于家禽的預(yù)測。許多試驗在研究熱應(yīng)激對家禽的影響時都是采用長時間將試驗動物置于恒溫條件下的方法，這似乎只能說明家禽的生理和生產(chǎn)方面的反應(yīng)是處于穩(wěn)定的狀態(tài)。但忽略了很重要的一點，那就是環(huán)境對于家禽有動態(tài)的累積效應(yīng)(Blanco and Gous, 2006)。 研究者認(rèn)為，家禽對于環(huán)境條件的反應(yīng)是動態(tài)的，這種反應(yīng)不僅依賴于家禽自身調(diào)節(jié)溫度的能力和它們所處環(huán)境條件的變化，而且也與處在此種環(huán)境下的時間有直接關(guān)系。在預(yù)測家禽自由采食量之前必須先解釋清楚這種熱反應(yīng)的動態(tài)性和時間依賴性，而這顯然還有做大量的工作。 3、胸肌沉積 在美國，越來越多的肉雞在上市之前要進(jìn)行分割處理，作為無骨雞胸或腿肌出售，目前整雞出售的比例下降了20%。 顯然，模擬模型需要預(yù)測家禽不同生理部位在不同階段的生長情況，這些信息將有助于動物營養(yǎng)學(xué)家和經(jīng)濟學(xué)家決定家禽的最佳體重以及合理的上市時間。目前主要面臨的挑戰(zhàn)是遺傳學(xué)家能否成功實現(xiàn)在給定體蛋白重量的情況下增加胸肌的沉積以及在某些家禽品種上取得進(jìn)展，使得胸肌沉積不再依賴于追求收獲低脂高蛋白的禽產(chǎn)品。另外，要想實現(xiàn)最佳飼喂模式，不同品種間的反應(yīng)差異也需要準(zhǔn)確預(yù)測。 4、群體均勻度 由于消費者對于整只家禽或其分割部分都要求比較高的均勻度，因而家禽上市時體重和體成分的一致性逐漸成為家禽生產(chǎn)中的重要指標(biāo)。有試驗證明，飼料中缺乏蛋白的時候會導(dǎo)致均勻度下降(Corzo et al., 2004)，這需要大量的試驗數(shù)據(jù)和模型來進(jìn)行模擬。飼料中大量缺乏某種重要的營養(yǎng)素而導(dǎo)致均勻度下降的原因可能是當(dāng)家禽面臨缺乏時過量耗能而引起。 上市體重的變化或許是由于飼料中營養(yǎng)物質(zhì)之外的其他因素所致。這些因素包括飼料的均勻度、家禽周圍的微環(huán)境、禽舍的通風(fēng)設(shè)備等(Gous and Berhe, 2006)。由于這種營養(yǎng)性和非營養(yǎng)性作用的交叉作用引起了變化，進(jìn)而形成了有別于個體反應(yīng)的群體反應(yīng)模型規(guī)律。 5、死亡率 死亡率并非在所有的試驗中都有所報道，所以這些沒有死亡率說明的報道，其試驗結(jié)果都值得懷疑，不報道的原因通常是覺得限制性營養(yǎng)素和死亡率并沒有或者很少有相關(guān)性反應(yīng)。然而有學(xué)者指出，死亡率與品種和飼料有高度相關(guān)，通過飼喂高蛋白飼料而提高生長率時，有的品種顯示出較高的死亡率。（Kemp et al. 2005)這也說明在某些時候，要通過改變飼喂方式來降低高生長品種的生長速度，比如用粉料代替顆粒料或者是限制性飼喂。通過模擬模型來預(yù)測死亡率是比較困難的，因為這種觀察缺乏合理的理論推導(dǎo)，更多的是憑主觀感受。然而，可以明確的是當(dāng)預(yù)測家禽最佳飼喂成績時，特定品種的反應(yīng)試驗還必須需要試驗論證才行。 6、 其他因子 還有大量的試驗證明應(yīng)激狀態(tài)時動物的潛在生產(chǎn)能力會下降。諸如高溫條件下，高密度飼養(yǎng)和疾病感染時都顯現(xiàn)出較低的生長率。然而，很少有文獻(xiàn)描述在動物處于這種狀態(tài)時如何飼喂更加合理。也有試驗證明應(yīng)激因素（如高密度飼養(yǎng)）似乎不會影響到家禽對氨基酸的利用率，僅僅是降低了采食量(C. Fisher和 R.M. Gous)。 事實上，生物學(xué)系統(tǒng)要遠(yuǎn)比模擬系統(tǒng)復(fù)雜，這就導(dǎo)致了過程控制面臨更多的挑戰(zhàn)。 五、發(fā)展方向與前景 研制適于我國國情的家禽生長與動態(tài)營養(yǎng)需求模型和配套的生產(chǎn)管理軟件技術(shù)，這對促進(jìn)我國飼料科技進(jìn)步，促進(jìn)家禽業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 動態(tài)營養(yǎng)需求模型是基于對家禽生理生化代謝的充分認(rèn)識，尤其是生化機制的模型化，即對家禽生理生化代謝的數(shù)學(xué)表達(dá)是極其艱巨的工作，與國外同類研究工作相距甚遠(yuǎn)。這對實驗條件包括動物養(yǎng)殖實驗環(huán)境條件和實驗室分析條件提出了極高的標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)估測如果完全由我國自主研發(fā)，至少需耗時8～10年和巨額經(jīng)費，因此對先進(jìn)實用的家禽生長和動態(tài)營養(yǎng)需要模型適度的引進(jìn)或許是一個明智之舉。 我國是禽業(yè)大國，動態(tài)營養(yǎng)需求模型和配套的生產(chǎn)管理軟件技術(shù)對于大型養(yǎng)殖場，尤其是那些一條龍企業(yè)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，必將顯著地改進(jìn)家禽產(chǎn)品質(zhì)量，同時提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

牧童

記得笨論壇有人提出過一個問題， 什么是營養(yǎng)模型， 樓主此貼是個最好理解的解釋了。 希望那個站友能看見這個貼子。

翱翔

非常不錯的文章，感謝樓主，下載學(xué)習(xí)！@@002:

yumianfeilong

817肉雜雞也不符合為能而食的理論。