家禽營養需要模型及其應用技術研究進展

和興

蔡輝益 劉世杰 劉國華 張姝 常文環（中國農業科學院飼料研究所，北京 10081） 摘要：預測家禽對于營養素的反應已經發展到了一個全新的階段，現在不僅可以準確預測任意飼料的采食量，而且通過先進的模擬模型可以優化家禽的飼喂和飼養模式。預測模型的發展有效激勵了研究者將目標鎖定于解決控制理論和模型一體化之間存在的關鍵性問題。本文綜述了近些年國內外的一些研究進展，討論了一些試驗設計和結果分析所出現的一些爭論焦點，并且指出了目前家禽對營養素的需要量預測所面臨的一些挑戰以及國內外商業性計算機預測模型的研究進展。 一、前 言 傳統的飼料配制方法是參考飼養標準，根據動物特定生長階段的營養需要配制相應日糧，這種傳統方法目前仍然在畜牧生產實踐中占據主導地位。然而，動物營養學理論證明，動物的營養需要處于動態變化過程中，隨年齡（月齡、周齡、日齡）、環境條件（溫度）、品種（基因型）而變化。如果采用現行配制畜禽日糧的方法，以平均營養需要量代表不同基因型、不同生長期的營養需要量，必然導致動物早期營養供給不足造成動物生產性能不能充分發揮，而后期營養供給過量造成飼料浪費，從而影響養殖經濟效益 長期以來，動物營養學家都致力于預測營養素對家禽生產能力的影響。最早出現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信息（包括飼料，生長環境等），進而模擬動物的生產成績，這為后來預測模型的發展、改進提供了重要的理論依據。在這之后，預測模型最重要的突破就是Emmans（1981）提出了新的理論來預測豬和家禽的采食量，將生長模型由輸入飼料采食量來預測其他指標而改變為通過其他指標反過來確定飼料采食量，這對于預測模型的發展具有革命性的意義。他構建的模型具體表現了這一理論思想，使得預測更為現實，同時也為營養學家提供了一種在不同條件下選擇最合適飼養模式的工具。隨著各國科學家的不斷努力，目前該領域的研究也取得了很大進展，通過整合飼料方程、模擬模型和最優路線，使得豬和家禽的飼料供給及飼養模式的優化成為可能（Gous 和 Berhe，2006）。 家禽營養學家關注的焦點之一是營養素對于經濟指標的貢獻，諸如蛋白沉積、胸肌沉積、產蛋量、采食量以及飼料轉化率等，然而在測量方法和對試驗數據的分析方面仍然存在著較大的爭論。在涉及到企業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為的那樣是由于家禽飼養水平和應激所致。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。研制預測模型的一個很重要的方面是掌握對生產成績的控制，用一種相對簡單的關系來模擬家禽的潛在生產能力，而生產能力又受到物理的、社會的和免疫條件及外部環境等因素的影響，這些因素對于準確預測實際生產能力都形成了巨大的挑戰。目前對這些影響因子的研究還不足，但已經開始得到足夠的重視，相信通過不斷的努力，能更加準確地預測家禽的生產性能和相應的經濟效益。 二、國內外營養需要模型及其應用技術研究現狀 近十幾年來，隨著科學家們對動物體生長發育規律認識的逐步深入和計算機模擬技術的飛速發展，人們逐漸認識到通過數據擬合建立能將品種、飼料及環境綜合于一體的、可以準確預測營養需要和生產性能的動態仿真模型才能在給定的品種、飼養階段及環境下對采食量和生長率做出正確的預測，才能制定出最經濟的飼養方案，提高養殖企業的經濟效益。 養殖業發達國家對動物生長和營養需要的模型研究已有很長的歷史。最早在1925年，Gompertz發表了關于動物生長模型的一部分原始工作。隨后其他科學家研究了各種動物對管理、遺傳選擇和日糧處理反應的標準生長曲線。近年來研究焦點開始轉向開發能被養殖公司用于模擬動物反應、預測營養需要和生產決策的商用軟件。 隨著硬件技術和軟件技術的發展，使得低成本的測定生物器官信息成為可能，同時也可以將先進的數學識別技術用于模擬復雜的生物學反應過程。這些數學識別技術可以估計數學模型的參數，基于適時測量程序中的輸入和輸出參數等(Bakker et al., 1980; Aerts et al., 2000)。 以色列Hebrew大學的Hurwitz等人開發的模型（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，并利用所得結果確定最低成本生長曲線，采用該模型開發的軟件Chickpot于1995年上市。NRC也認為該模型對于估測部分氨基酸需要量有很好的效果。 在當前飼喂制度下，動物的生長曲線無疑得到了顯著的優化，更加符合生產實際 (Famula et al., 1988)。 Novus公司1989年推出肉雞生長模型 IGM（Ivey Growth Model）1.0版，經過多次改進，于1995年推出4.3版，該模型是一種半機制、確定性的動態生長模型，可用于模擬和優化家禽營養需求變化，生長性能預測方面具有高度的精確性。1996年Novus公司在此基礎上正式推出肉雞生產模型軟件OmniproⅡ。以大約300個營養水平組合試驗為基礎建立，保證了其模擬和預測的準確性，經多次試驗驗證，其決定系數（R2）達到99％，為目前精確性最高的肉雞生長和營養需要預測模型。全世界有100家以上的肉雞聯合生產企業正在使用這一集成技術。此外，南非Natal大學的EFG軟件開發公司、King（2001）等人也先后開發了Edinburgh模型和BPHL模型技術，均可給出體成分日累計沉積量、活重、屠體和羽毛重、采食量、飼料轉化率、熱損失以及限制性氨基酸沉積預測值，利用與沉積效率有關的第一限制性氨基酸系數和飼糧濃度限定蛋白質沉積量，該模型技術還能用方程描述應激條件下的采食模式和脂肪損失。這些技術的應用有力推動了“精準養殖”技術的應用，顯著提高了肉雞企業的生產效益。 相對而言，我國在動物營養需要和生長動態模型構建方面起步較晚，在生長模型和營養需要模型方面進展緩慢，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，中國農科院飼料所家禽室承擔了“十五” 科技攻關課題“肉雞動態營養需要模型研究” 和“十一五”科技攻關課題“家禽營養參數與飼料生物學價值評定”研究，組織力量在肉雞動態生長模型的建立及相關參數確定和肉雞能量和氨基酸動態需求模型方面開展了一些研究工作。嘗試構建肉雞生長和營養需要的析因模型，取得了一些進展，但其可靠性、準確性均遠未達到實用水平。 三、營養需要預測模型的理論基礎 在預測營養素對家禽生產性能的影響之前，需要有基于扎實理論基礎的方法學。事實上，推導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，而是要確定用于創建一種理論所需的具體數量關系，諸如測量限制性氨基酸的利用率對于確定蛋白質的沉積作用。在Emmans理論基礎上發展的肉雞生長模型（EFG Software，2006）通過頂端稀釋法技術能夠準確地預測飼料采食量，生長速率、體重，蛋白和脂肪的沉積，而用等級補充技術則很難實現，因為后者沒有考慮氨基酸的不平衡性，因而這個反應結果直接和飼料中第一限制性氨基酸相掛鉤。在利用該模型做預測時便發現實際觀測值和預測值之間缺乏一致性，主要原因是實際生產過程中存在氨基酸的不平衡性，而該模型卻未予考慮。 WaZulu-Natal大學的專家也證實，如果這種反應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，預測飼料采食量的模型就必須根據這種多重原因而加以調整，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。 常見的誤區是將一個不完整的模型用于普遍的推廣，這種預測效應只是適應于個體而非全部，將其應用到普遍的生產時，便導致低估營養素的最適添加量。限制性營養素或者是平衡蛋白引起的反應備受關注，但是這不是定義營養需要量的方法。在計算時考慮到邊際效益和邊際成本時，這些反應才被用來確定最經濟的營養素攝入量，以符合閱讀模型( Fisher et al., 1973;Morris, 1989)要求的數據，這比較適用于產蛋雞的營養需要量預測。因為產蛋雞的需求量在一定時間內保持穩定的水平。然而，對于生長期的家禽，這種方法預測出的最經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需求量和它對生長的反應隨時都在變化。因而這種反應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，借用某個試驗的結果來確定一組試驗雞的營養需要量司空見慣，然而任何一個試驗的結果都很難具有普遍性。每個試驗的結果都有其特定的條件：應激、性別、飼養密度、環境條件、飼養水平和飼喂模式等等，所有這些都對營養需要量的預測有所影響。在變化的條件下按照原來的“營養需要量”進行試驗，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需要量，而在于可以被用來作為基礎數據，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重要，氨基酸的利用率就是需要準確估計的一個方面，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？因為關于利用等級補充技術測量利用率的準確性已經遭受置疑，所以需要更多的試驗來解決這個重要的問題。 四、影響營養需要預測模型的因子 在追求企業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利潤做出預測，那么所有上述因素都需要做出預測才可能達到目的。飼料成本最優化需要獲取很多不同層次的信息，包括氨基酸的供應、所有和動物生長生產相關因子的描述、生產系統中所有的可變成本和固定成本以及所有產生收入的細節。所需信息的復雜程度取決于能做出最優選擇而所需模擬系統的水平。如果僅考慮家禽生長過程中養殖戶的利益最大化，那么動物生存能力、生長情況和飼料轉化率的反應就已足夠做出預測，然而家禽營養對于屠宰場的可變性（胴體產出率等）以及隨后的處理（胸肌、腿肌重量等）都需要明確規定。盡管目前對營養需要的預測已經達到比較高的水平，但是仍然還有未解決以及需要進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。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到生長速度所需。然而也有學者認為“為能而食”明顯比較荒唐而且在預測其自由采食量時毫無價值，因為太多的因素影響家禽達到潛在生長速度所需的營養素(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、環境因素 截至目前為止，還沒有資料表明家禽可以根據體溫調節所需的微環境；在不能自我調節的時候，有些條件是直接影響環境對于家禽的預測。許多試驗在研究熱應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方面的反應是處于穩定的狀態。但忽略了很重要的一點，那就是環境對于家禽有動態的累積效應(Blanco and Gous, 2006)。 研究者認為，家禽對于環境條件的反應是動態的，這種反應不僅依賴于家禽自身調節溫度的能力和它們所處環境條件的變化，而且也與處在此種環境下的時間有直接關系。在預測家禽自由采食量之前必須先解釋清楚這種熱反應的動態性和時間依賴性，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學家和經濟學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是遺傳學家能否成功實現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展，使得胸肌沉積不再依賴于追求收獲低脂高蛋白的禽產品。另外，要想實現最佳飼喂模式，不同品種間的反應差異也需要準確預測。 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中的重要指標。有試驗證明，飼料中缺乏蛋白的時候會導致均勻度下降(Corzo et al., 2004)，這需要大量的試驗數據和模型來進行模擬。飼料中大量缺乏某種重要的營養素而導致均勻度下降的原因可能是當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物質之外的其他因素所致。這些因素包括飼料的均勻度、家禽周圍的微環境、禽舍的通風設備等(Gous and Berhe, 2006)。由于這種營養性和非營養性作用的交叉作用引起了變化，進而形成了有別于個體反應的群體反應模型規律。 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，其試驗結果都值得懷疑，不報道的原因通常是覺得限制性營養素和死亡率并沒有或者很少有相關性反應。然而有學者指出，死亡率與品種和飼料有高度相關，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，更多的是憑主觀感受。然而，可以明確的是當預測家禽最佳飼喂成績時，特定品種的反應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激狀態時動物的潛在生產能力會下降。諸如高溫條件下，高密度飼養和疾病感染時都顯現出較低的生長率。然而，很少有文獻描述在動物處于這種狀態時如何飼喂更加合理。也有試驗證明應激因素（如高密度飼養）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，生物學系統要遠比模擬系統復雜，這就導致了過程控制面臨更多的挑戰。 五、發展方向與前景 研制適于我國國情的家禽生長與動態營養需求模型和配套的生產管理軟件技術，這對促進我國飼料科技進步，促進家禽業可持續發展具有重要意義。 動態營養需求模型是基于對家禽生理生化代謝的充分認識，尤其是生化機制的模型化，即對家禽生理生化代謝的數學表達是極其艱巨的工作，與國外同類研究工作相距甚遠。這對實驗條件包括動物養殖實驗環境條件和實驗室分析條件提出了極高的標準要求。據估測如果完全由我國自主研發，至少需耗時8～10年和巨額經費，因此對先進實用的家禽生長和動態營養需要模型適度的引進或許是一個明智之舉。 我國是禽業大國，動態營養需求模型和配套的生產管理軟件技術對于大型養殖場，尤其是那些一條龍企業都將產生深遠的影響，必將顯著地改進家禽產品質量，同時提升企業經濟效益。

牧童

記得笨論壇有人提出過一個問題， 什么是營養模型， 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，下載學習！@@002:

yumianfeilong

817肉雜雞也不符合為能而食的理論。