董瑞蘭，于光輝

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東青島 266109）

畜牧養(yǎng)殖業(yè)帶來(lái)大量的氮素排泄，尤其是大型規(guī)?；膛：腿馀ｐB(yǎng)殖場(chǎng)，是農(nóng)業(yè)面源氨（NH3）排放的重要來(lái)源[1-2]。反芻動(dòng)物攝入的氮素主要以糞便和尿液的形式排泄到陸地和水體系統(tǒng)中儲(chǔ)存或降解[3]。糞氮（FN）主要包括日糧源或內(nèi)源性蛋白質(zhì)，不易快速降解[4]；而尿氮（UN）主要以尿素氮的形式存在，易被脲酶催化和水解成NH3揮發(fā)[5-6]。氮素排泄導(dǎo)致的污染不僅影響氣候變暖（如N2O）[7-8]，還對(duì)臭氧水平[9]、生物多樣性[10]和人體健康（PM2.5）[11]等多方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。氮素的排泄量受飼料粗蛋白質(zhì)（CP）水平和消化率的影響[12]。當(dāng)反芻動(dòng)物日糧CP水平較高時(shí)，多余的氮素則通過UN和FN排泄[13-14]，例如奶牛攝入的氮素僅少部分用于產(chǎn)奶和滿足營(yíng)養(yǎng)需要，其余70%～80%排泄到環(huán)境中[15]，其中尿中的尿素氮?jiǎng)t轉(zhuǎn)化為NH3揮發(fā)損失，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[16]。

通過建模對(duì)反芻動(dòng)物氮素排泄進(jìn)行準(zhǔn)確定量是評(píng)估環(huán)境影響的有效措施[17]，而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)UN也是預(yù)測(cè)NH3排放的基礎(chǔ)[18-19]。尿氮隨日糧蛋白質(zhì)含量和日糧組成及消化率不同而發(fā)生變化[20-21]。因此，預(yù)測(cè)氮素排泄的路徑（尿液和糞便）意義重大[22]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)反芻動(dòng)物氮素排泄是評(píng)估反芻動(dòng)物對(duì)全球大氣環(huán)境的影響，同時(shí)也是制定調(diào)控及減排策略的有效方法。

1 反芻動(dòng)物氮攝入與氮排泄

反芻動(dòng)物攝入的氮素主要來(lái)自飼料，分為瘤胃降解蛋白質(zhì)（RDP）和非降解蛋白質(zhì)（UDP）[23]。RDP在瘤胃微生物（如瘤胃細(xì)菌、原蟲等）的作用下轉(zhuǎn)變成多肽和氨基酸，最終降解為NH3。生成的多肽有2種代謝途徑：一是通過代謝合成微生物蛋白（MP），多肽比氨基酸更容易代謝合成MP，特別是飼喂低蛋白日糧時(shí)；二是直接被瘤胃和瓣胃吸收。氨基酸的主要去向一是被微生物吸收，二是通過氨基酸（以纈氨酸和亮氨酸為例）的脫氨基作用形成揮發(fā)性脂肪酸：

纈氨酸→CO2+氨+異丁酸

亮氨酸→CO2+氨+異戊酸

生成的NH3主要有3個(gè)去向：一是通過瘤胃壁吸收；二是形成MP（20%核酸蛋白質(zhì)）[24]，是微生物利用氮素的主要形式；三是參與瘤胃內(nèi)氮素循環(huán)。組織和瘤胃壁吸收的NH3經(jīng)過血液循環(huán)到達(dá)肝臟，在肝臟合成尿素，生成的尿素一部分經(jīng)尿素再循環(huán)隨血液和唾液回到瘤胃，繼續(xù)參與MP合成；另一部分到達(dá)腎臟隨尿液排出，形成UN。合成的MP和瘤胃UDP，以及一些脫落的內(nèi)源性蛋白進(jìn)入小腸后，在小腸酶的作用下，被分解為氨基酸供組織利用。未被消化的MP、內(nèi)源分泌物，包括腸道脫落的上皮細(xì)胞和消化酶等非蛋白含氮物經(jīng)大腸隨糞便排出，形成FN。

由于反芻動(dòng)物瘤胃微生物利用CP的能力有限，如果飼喂動(dòng)物富含高水平CP的日糧，攝入的多余CP會(huì)損失掉。因此，有必要從動(dòng)物攝入飼料氮的源頭分析，通過對(duì)氮素排泄進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，促進(jìn)氮素的有效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

2 預(yù)測(cè)氮素排泄的相關(guān)模型

目前，關(guān)于肉牛養(yǎng)殖氮素排泄的預(yù)測(cè)模型研究較少，都是用日糧化學(xué)組成和動(dòng)物特征變量建立的總氮（TN）預(yù)測(cè)模型，只有Dong等[22]和Waldrip等[25]對(duì)肉牛的UN和FN分別進(jìn)行了預(yù)測(cè)。奶牛的氮素排泄預(yù)測(cè)研究較早，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性順序?yàn)門N＞FN＞UN[26]。

2.1 肉牛氮素排泄預(yù)測(cè)模型

2.1.1 基于氮平衡建立的預(yù)測(cè)模型 Guo等[27]基于氮平衡理論Nexcretion=Ndiet-Ngain提出了生長(zhǎng)育肥型肉牛氮素排泄的預(yù)測(cè)模型：

式中，Nexcretion為肉牛氮排泄量（kg/d），Ndiet為肉牛氮需要量（kg/d），Nintake指肉牛氮攝入量（kg/d），EBW1指在某階段開始時(shí)（t1）的空腹體重（kg），EBW2（kg）指該時(shí)期結(jié)束時(shí)（t2）的空腹體重。Ngain=0.0376（EBW2–EBW1）+0.0000208（EBW22–EBW1

2）表示機(jī)體在空腹基礎(chǔ)上增加的氮素。

此模型的優(yōu)點(diǎn)是僅使用了2個(gè)變量（Nintake和某個(gè)階段的體重差），可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氮素排泄的最小閾值，也可用于確定某一區(qū)域生長(zhǎng)育肥牛的最大承載數(shù)量。此外，該模型可有效預(yù)測(cè)不同品種、體尺和性別的育肥牛。其不足之處是不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同階段的肉牛（如犢牛和繁殖母牛），而且在田間條件下的應(yīng)用還需要通過程序模擬計(jì)算，因此在中國(guó)的推廣應(yīng)用受限。

2.1.2 計(jì)算機(jī)模型 Guo等[28]用STELLA?軟件建立了育肥肉牛氮素排泄的計(jì)算機(jī)模型（2）。根據(jù)（美國(guó)）國(guó)家科學(xué)委員會(huì)（NRC）[29]標(biāo)準(zhǔn)，肉牛育肥階段Ndiet為維持（MPm，用于維持的代謝蛋白需要量，g/d）和生長(zhǎng)（MPg，用于體重增加的代謝蛋白需要量，g/d）需要之和，計(jì)算過程：

式中，Nexcretion為肉牛氮排泄量（kg/d），SBW為宰前活體重（kg），MPg為增加體重需要的代謝蛋白量（g/d），當(dāng)空腹體重當(dāng)量（EQEBW）≤300 kg時(shí)，MPg=NPg/（0.834–0.891×SBW×（SRW/FSBW）×0.00114），NPg為凈蛋白需要量（g/d），SWG為宰前活體增加重量（kg/d），SRW為不同終末體重組成的標(biāo)準(zhǔn)參考重量（SRW為478 kg時(shí)，用于體脂肪為28%的小型大理石花紋的后備小母牛和種公牛；SRW為462 kg時(shí)，用于體脂肪為27%的輕微大理石花紋的育肥牛；SRW為435 kg時(shí)，用于體脂肪為25%的微量大理石花紋的育肥牛）；FSBW為分別用于達(dá)到體脂終點(diǎn)的公?；蚝髠湫∧概?、成熟的小母?；蚍N公牛（為最終的成熟體重×0.6）的實(shí)際宰前活體重；當(dāng)空腹體重當(dāng)量（EQEBW）＞300 kg時(shí)，MPg=NPg/0.492；其中NPg=SWG×{268–29.4×4.18×106×[0.0635×（0.891×SBW×（SRW/FSBW））0.75×（0.956×SWG）1.097]/SWG}。

結(jié)果表明，模型（2）對(duì)模型（1）的算法及系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。因此，其同樣適用于閹牛和種公牛的氮素排泄預(yù)測(cè)，但是模型（2）是基于STELLA?軟件開發(fā)的計(jì)算機(jī)模型，在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用并不常見，同樣不適合用于犢牛和繁殖母牛的氮素排泄預(yù)測(cè)。

2.1.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Yan等[30]用286頭肉牛的消化試驗(yàn)研究了日糧和動(dòng)物因素對(duì)肉牛氮素排泄的影響，發(fā)現(xiàn)TN（UN、FN）的排泄與肉牛的體重（BW）、干物質(zhì)采食量（DMI）、Nintakee和代謝能采食量（MEI）呈正相關(guān)關(guān)系，而與日糧粗飼料的比例（FP）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且基于多元線性回歸分析建立了預(yù)測(cè)TN排泄的模型：

Waldrip等[25]將TN中UN和FN區(qū)分，建立了分別預(yù)測(cè)UN和FN以及UN/TN模型：

式中，UN/TN指尿氮占總氮排泄的比例，Nintake指肉牛氮攝入量（g/d）。

Dong等[22]用49個(gè)已發(fā)表研究的數(shù)據(jù)對(duì)肉牛UN和FN的排泄量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)Waldrip等[25]的模型進(jìn)行改進(jìn)，數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了869個(gè)動(dòng)物和180種日糧，包括了肉牛BW、DMI、CP、Nintake、氮全消化道表觀消化率（TTND）以及UN和FN等變量。并基于回歸分析分別建立了UN（模型（9））和FN（模型（10））以及UN/TN（模型（11））的預(yù)測(cè)模型：

式中， TTND指肉牛氮全消化道表觀消化率（%）。

以上模型（3）至（11）均為肉牛氮素排泄預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紤]的變量因子主要是Nintake，可分別對(duì)UN和FN進(jìn)行預(yù)測(cè)，但Dong等[22]的模型與Waldrip等[25]的相比，涵蓋了不同的肉牛品種和不同國(guó)家的肉牛飼料，對(duì)中國(guó)也同樣適用。而且模型（9）和（10）均已被編入加拿大第3次環(huán)境會(huì)議的報(bào)告中，用于氮素排泄預(yù)測(cè)的減排決策。

2.1.4 肉牛氮素排泄預(yù)測(cè)模型的精度和誤差 肉牛氮排泄預(yù)測(cè)模型的適用性、適用條件、誤差比較見表1。在Guo等[27]提出的模型（1）中，肉牛品種、性別和體尺等因素對(duì)Ngain均有影響，應(yīng)用時(shí)需額外計(jì)算校正因子。Guo等[28]的模型（2）中，Ndiet在試驗(yàn)條件下易獲得（Ndiet=DMI×CP×16%），而在田間條件下需通過育肥牛的蛋白質(zhì)需要來(lái)估算，但其預(yù)測(cè)的是特定階段起始和結(jié)束時(shí)的空腹體重最低值，且為育肥牛實(shí)際采食營(yíng)養(yǎng)需要的最小值，造成模型（2）預(yù)測(cè)的氮素排泄量偏低。Yan等[30]在模型（3）中用Nintake預(yù)測(cè)TN排泄，決定系數(shù)（R2）較高，同時(shí)誤差較小，標(biāo)準(zhǔn)誤（SE）為12.3 g/d，當(dāng)模型（4）添加了BW和FP 2個(gè)附加預(yù)測(cè)因子時(shí)，僅使預(yù)測(cè)的誤差略微下降，SE為11.2 g/d。模型（3）和（4）的R2值均較高，適合準(zhǔn)確預(yù)測(cè)歐洲國(guó)家肉牛的氮素排泄。

Waldrip等[25]提出的預(yù)測(cè)模型（5）至（8）適合預(yù)測(cè)精飼料較高的肉牛。模型的測(cè)試結(jié)果顯示，UN、FN的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間的R2值分別為0.82和0.61，模型（7）和（8）的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間R2值均較低，分別為0.45和0.44，原因可能與建立的數(shù)據(jù)庫(kù)不夠完善或使用的變量不合適有關(guān)[22]。

Dong等[22]通過建立大數(shù)據(jù)庫(kù)改進(jìn)了Waldrip等[25]的肉牛模型，降低了UN（21.18 vs14.12）和FN（24.28 vs15.82）模型的常數(shù)項(xiàng)值?？紤]到UN在TN中占較大的比例，Dong等[22]研究預(yù)測(cè)UN/TN時(shí)，模型（11）比Waldrip等[25]的模型（7）和（8）預(yù)測(cè)效果好，其預(yù)測(cè)值和實(shí)際觀察值一致[R2=0.68，符合指數(shù)（IA）=0.87]。所以，在實(shí)際中推薦用TTND預(yù)測(cè)UN/TN。

2.2 奶牛氮素排泄預(yù)測(cè)模型 奶牛干奶期的氮素排泄預(yù)測(cè)模型與肉牛相似，而泌乳奶牛攝入的氮素在分配過程中除包括UN和FN以外，還包括乳中的氮。由此可知，預(yù)測(cè)泌乳奶牛氮素排泄可考慮產(chǎn)奶量或乳成分等變量[31-32]。

2.2.1 基于飼料組分建立的預(yù)測(cè)模型 1）基于CNCPS（Cornell Net Carbohyd Rate and Protein System）組分建立的預(yù)測(cè)模型 Fox等[33]用康奈爾凈碳水化合物和蛋白質(zhì)體系（CNCPS）飼料組分來(lái)預(yù)測(cè)奶牛氮素的排泄，建立奶牛UN和FN排泄的預(yù)測(cè)模型：

表1 不同肉牛氮排泄預(yù)測(cè)模型適用性、適用條件和誤差比較

式中，PA為每種飼料的蛋白組分A；PB1為每種飼料的蛋白組分B1（%）；PB2為每種飼料的蛋白組分B2；PB3為每種飼料的蛋白組分B3；PC為每種飼料的蛋白組分C，單位均為%；FEPB3為糞便中的蛋白組分B3（g/d）；FEPC為糞便中的蛋白組分C（g/d）；FEBCP為糞便中的菌體蛋白含量（g/d）；IDM為不可消化的飼料干物質(zhì)（g/d）；SPA為皮屑凈蛋白需要量（g/d）；Milk為產(chǎn)奶量（kg/d）；Milk CP為乳蛋白（%）；MPpReg為用于妊娠期代謝蛋白質(zhì)的需要量（g/d）；MPg為用于體重增加的代謝蛋白質(zhì)需要量（g/d）。

用CNCPS日糧變量預(yù)測(cè)奶牛氮素排泄有如下優(yōu)勢(shì)：一方面，模型的輸入變量在大多數(shù)農(nóng)場(chǎng)易獲得；另一方面，獲取輸入變量的過程中，不會(huì)對(duì)奶牛場(chǎng)造成重大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)給奶牛的生產(chǎn)性能帶來(lái)不利影響。其不足之處是模型涉及的輸入變量數(shù)量多，因此限制了在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。目前，用該模型預(yù)測(cè)奶牛的TN排泄量是被認(rèn)可的，但是預(yù)測(cè)UN和FN還需改進(jìn)。

2）一元一次線性模型（即y=a+bx） Nennich等[34]研究發(fā)現(xiàn)，可用RDP預(yù)測(cè)奶牛UN的排泄，并基于回歸關(guān)系建立了一元一次線性模型：

式中，RDP指瘤胃降解蛋白質(zhì)（g/d）。

Yan等[35]發(fā)現(xiàn)可用Nintake（g/d）預(yù)測(cè)排泄的TN：

式中，Nintake指奶牛氮攝入量（g/d）。

上述2個(gè)模型均屬于簡(jiǎn)單的線性模型，而且都使用單一日糧變量（如RDP和Nintake）對(duì)奶牛的UN和TN分別預(yù)測(cè)，生產(chǎn)中易獲得，便于實(shí)際應(yīng)用。日糧的CP含量被證實(shí)可影響UN的排泄[36]，RDP對(duì)日糧CP的可降解特性進(jìn)行了有效描述，但是其需要量要預(yù)先用NRC[37]模型計(jì)算獲得。Nintake是日糧變量中與TN相關(guān)性較強(qiáng)的變量，因此Yan等[35]用Nintake實(shí)現(xiàn)了TN的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。同樣地，Nintake用于中國(guó)荷斯坦奶牛的TN預(yù)測(cè)時(shí)，建議用中國(guó)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)校正變量的系數(shù)。

3）二元一次線性模型（即y=a+b1x1+b2x2） Hutanen等[38]研究發(fā)現(xiàn)，用Nintake和DMI可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)FN的排泄：

式中，F(xiàn)N指奶牛糞氮排泄量（g/d）。研究發(fā)現(xiàn)，奶牛FN排泄量隨Nintake的增加而增加[39]。Hutanen等[38]研究表明，可用DMI預(yù)測(cè)FN，而且同時(shí)用DMI和Nintake比單獨(dú)用Nintake預(yù)測(cè)的效果好。該二元模型的優(yōu)勢(shì)是更好地考慮了初始FN損失，因FN損失主要來(lái)自未被消化的飼料氮、未被消化的微生物氮以及內(nèi)源性氮素，代謝性和內(nèi)源性的氮素是糞氮排泄的主要貢獻(xiàn)源，與DMI緊密相關(guān)，而未被消化的飼料氮?jiǎng)t與Nintake相關(guān)。不足之處是此二元模型的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)為負(fù)數(shù)，這從奶牛的消化代謝角度無(wú)法解釋，也間接說明DMI和內(nèi)源性糞氮之間可能呈曲線回歸的關(guān)系。

2.2.2 基于飼料成分和動(dòng)物的特征變量建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚇ennich等[40]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nintake未知而CP已知時(shí)則可用模型（17）來(lái)預(yù)測(cè)TN：

該模型的日糧范圍代表了更廣泛的地理區(qū)域，且包含了產(chǎn)奶量大于40 kg/d的奶牛數(shù)據(jù)，由于考慮了奶牛BW，所以用此模型可以同時(shí)預(yù)測(cè)犢牛、母牛、奶牛干奶期和泌乳期的TN排泄，尤其當(dāng)Nintake缺乏時(shí)，可用CP攝入量預(yù)測(cè)TN（SE為51.4 g/d），因此也適用中國(guó)奶牛的氮素排泄預(yù)測(cè)。

2.2.3 基于產(chǎn)奶量或乳成分建立的一元一次線性（y=a+bx）模型 乳中尿素氮（MUN，mg/100 mL）是一個(gè)可以快速獲得且不會(huì)對(duì)奶牛造成損傷的指標(biāo)，也可預(yù)測(cè)奶牛UN排泄量。Jonker等[41]用3個(gè)獨(dú)立的飼養(yǎng)試驗(yàn)研究泌乳奶牛氮的利用率，同時(shí)用變量MUN建立了荷斯坦奶牛UN和FN的預(yù)測(cè)模型（18）和（19）。模型的MUN介于9.7～29.6 mg/100 mL，平均值為18.46 mg/100 mL。

模型（19）中，Nintake=（UN+Nmilk+97）/0.83， Nmilk指乳中氮的含量（g/d）。

隨著研究的深入，有研究發(fā)現(xiàn)模型（18）預(yù)測(cè)的變量有偏差[42]。Kauffman等[43]對(duì)用MUN預(yù)測(cè)UN的排泄進(jìn)行了校正：

Nennich等[40]發(fā)現(xiàn)，泌乳奶牛TN與產(chǎn)奶量（MY）之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系：

Zhai等[44]通過飼喂中國(guó)荷斯坦奶牛4種CP水平的日糧（分別為13.2%、14.1%、15.0%、16.2%），發(fā)現(xiàn)MUN與UN之間存在極顯著的線性關(guān)系，并據(jù)此建立了用MUN來(lái)預(yù)測(cè)UN排泄的線性模型：

上述模型（18）、（20）和（22）表明，MUN與UN存在顯著的線性關(guān)系。模型（22）是基于中國(guó)荷斯坦奶牛數(shù)據(jù)建立的，所以更適合預(yù)測(cè)中國(guó)奶牛的UN排泄，但其日糧CP范圍較窄（13%～16%），不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)低于13%或者高于16%時(shí)的情況。泌乳奶牛TN的排泄量隨產(chǎn)奶量的增加而顯著地增加，模型（21）的準(zhǔn)確性低于模型（17）（其SE值51.4 vs 70.9 g/d），因此，盡管該變量在生產(chǎn)中易獲得，但考慮到模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，故不推薦在生產(chǎn)中使用。

2.2.4 基于飼料組成和乳成分建立的預(yù)測(cè)模型 基于飼料組成和乳成分建立的預(yù)測(cè)模型見表2。

最早開始對(duì)奶牛TN進(jìn)行預(yù)測(cè)的是模型（23），使用多個(gè)參數(shù)使測(cè)定過程更復(fù)雜，限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。模型（26）僅使用了3個(gè)變量，參數(shù)獲得較為方便，更適合預(yù)測(cè)中國(guó)奶牛的實(shí)際生產(chǎn)。預(yù)測(cè)FN時(shí)，相比于模型（24）的多個(gè)參數(shù)，Higgs等[46]的模型（29）和Marini等[47]建立的方程更實(shí)用，但二者的準(zhǔn)確性需用中國(guó)荷斯坦奶牛的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。在UN預(yù)測(cè)模型（25）、（27）、（28）及（30）和（31）中，基于變量獲取的方便性和模型的應(yīng)用考慮，模型（27）更適合預(yù)測(cè)中國(guó)奶牛的尿氮排泄。

2.2.5 基于尿常規(guī)指標(biāo)建立的模型 Burgos等[49]研究發(fā)現(xiàn)，將尿比重（USG，mg/100 mL）作為預(yù)測(cè)尿中尿素氮排泄的方法在空氣質(zhì)量方面有重要調(diào)控意義，并描述了尿比重、血漿尿素氮（PUN，mg/100 mL）、MUN（mg/100 mL）與尿中尿素氮（UUN，mg/100 mL）或總UN的多變量統(tǒng)計(jì)模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)USG是唯一與UUN或UN顯著相關(guān)的變量：

Burgos等[49]研究證實(shí)，USG是預(yù)測(cè)農(nóng)場(chǎng)奶牛個(gè)體和群體UUN的有效工具，也是預(yù)測(cè)NH3排泄的方法，但USG攜帶的信息量較少，其與UN和UUN的關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

2.2.6 基于飼料成分和能量攝入建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?飼料成分和能量攝入建立的奶牛氮排泄經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵姳?。能量類型對(duì)奶牛的氮排泄模式有潛在的影響，模型（34）和（35）在Nintake的基礎(chǔ)上增加日糧的能量或者品質(zhì)作為預(yù)測(cè)的協(xié)變量[50-51]，避免了動(dòng)物可利用氮的過高估計(jì)。模型（36）應(yīng)用范圍較廣，更適合預(yù)測(cè)中國(guó)泌乳奶牛TN的排泄量。其不足之處是不能分別預(yù)測(cè)FN和UN。Reed等[52]用1990—1995年美國(guó)農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)測(cè)試了模型（37）、（38）和（39），發(fā)現(xiàn)在Nintake和 DMI以及Nintake的基礎(chǔ)上增加5個(gè)預(yù)測(cè)變量，UN、FN和TN的預(yù)測(cè)誤差分別降低2.1%、1.6%和0.14%。鑒于改進(jìn)幅度較小，建議用簡(jiǎn)單變量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2 基于飼料組成和乳成分建立的奶牛氮排泄預(yù)測(cè)模型

2.2.7 奶牛氮素排泄預(yù)測(cè)模型的精度和誤差 奶牛氮排泄預(yù)測(cè)模型的適用性、適用條件、誤差比較見表4。

Wilkerson等[45]研究表明，預(yù)測(cè)模型TN（模型（23）的R2值為0.646）的準(zhǔn)確性高于FN（模型（24）的R2值為0.553）。Kebreab等[50]研究顯示，預(yù)測(cè)模型FN（模型（35）的SE為0.29 g/d）的準(zhǔn)確性高于UN模型（模型（34）的SE為0.38 g/d）。UN預(yù)測(cè)模型（12）和FN模型（13）使用了FEPB3、FEPC、FEBCP等多個(gè)變量，生產(chǎn)中不常用也不易獲得，限制了模型的應(yīng)用。Reed等[52]發(fā)現(xiàn)，采食的能量與UN模型（37）呈正相關(guān)，而與FN模型（38）或總氮模型（39）呈負(fù)相關(guān)，不同變量之間存在共線性，如代謝能攝入量與Nintake之間還存在高度相關(guān)（皮爾森系數(shù)R=0.92），因此還有待繼續(xù)改進(jìn)。Burgos等[49]研究顯示，MUN和UUN的相關(guān)關(guān)系較低（R2=0.11），故不支持用MUN來(lái)預(yù)測(cè)商業(yè)奶牛場(chǎng)的UN或UUN排泄。

1）尿氮預(yù)測(cè)模型 Nennich等[34]用RDP預(yù)測(cè)奶牛UN的排泄，模型（14）預(yù)測(cè)的誤差為42.8 g/d。Kauffman等[43]提出了模型（20）的回歸系數(shù)比JonkeR等[41]的模型（18）高40%。Zhai等[44]提出的預(yù)測(cè)模型（22）的R2值為0.82，僅使用少數(shù)日糧，未經(jīng)驗(yàn)證準(zhǔn)確性不確定。模型（25）的誤差（38.6 g/d）低于模型（14）的誤差（42.8 g/d），但預(yù)測(cè)尿氮的準(zhǔn)確性沒有顯著改善，原因與多元回歸關(guān)系中每個(gè)變量產(chǎn)生的誤差有關(guān)，導(dǎo)致整體預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性降低了。Hutanen等[38]研究發(fā)現(xiàn)，UN的排泄量隨Nintake的增加而增加，但隨DMI的增加而降低，將ME或產(chǎn)奶量作為模型（27）的第3個(gè)輸入變量時(shí)，產(chǎn)奶量比ME效果更好。預(yù)測(cè)模型（28）將Fox等[33]模型（12）的一致關(guān)聯(lián)系數(shù)（CCC）從0.84改進(jìn)到0.9，并獲得較高的決定系數(shù)值（R2=0.86），均方根誤差（RMSE=12.73 g/d）也較低。Spek等[48]研究發(fā)現(xiàn)，用全收尿法測(cè)定UN能提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性（如模型（30）和（31）），R2值為0.93。

2）糞氮預(yù)測(cè)模型 Hutanen等[38]研究發(fā)現(xiàn)，與Nintake相比，DMI與FN排泄緊密相關(guān)，模型（16）同時(shí)使用DMI和Nintake改善了預(yù)測(cè)效果。FN模型（29）的R2值為0.73，CCC為0.83，RMSE值為10.38 g/d。將Marini等[47]和Hutanen等[38]的FN預(yù)測(cè)模型與模型（29）相比，分別低估了20%和17%[44]。

3）總氮預(yù)測(cè)模型 Yan等[35]的模型（15）用Nintake預(yù)測(cè)TN排泄量，獲得R2值為0.901，誤差為30.6 g/d。Nennich等[40]提出的模型（17）預(yù)測(cè)誤差（51.4 g/d）比模型（21）的誤差（70.9 g/d）低19.5%，說明用CP、DMI和BW預(yù)測(cè)TN比產(chǎn)奶量更準(zhǔn)確。Yan等[35]發(fā)現(xiàn)，模型（26）在Nintake預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上增加活體重和產(chǎn)奶量，可使R2值從0.901提高到0.910，標(biāo)準(zhǔn)誤差由30.6 g/d降低到29.3 g/d。模型（36）和（39）的均方根預(yù)測(cè)誤差（RMSPE分別為15%和8%[52]，表明模型（39）比（36）更準(zhǔn)確。

表3 基于飼料成分和能量攝入建立的奶牛氮排泄經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表4 不同奶牛氮排泄預(yù)測(cè)模型適用性、適用條件和誤差比較

2.3 山羊氮素排泄預(yù)測(cè)模型

2.3.1 一元一次線性模型（即y=a+bx） Luo等[53]用總氮采食量（TNI，g/kg BW0.75）和表觀消化氮采食量（DNI，g/kg BW0.75）分別對(duì)干奶期山羊的內(nèi)源性尿氮（EUN，g/kg BW0.75）進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立了以下回歸方程（n=79；R2=0.59）：

EUN包括尿素、肌酸酐、膽紅素、尿囊素、馬尿酸、尿酸和氨基酸等[54]，是不可避免的最少氮素?fù)p失，當(dāng)飼喂動(dòng)物含氮水平非常低但能量和其他營(yíng)養(yǎng)足夠的日糧時(shí)，EUN等同于UN的總排泄量。泌乳奶山羊的EUN預(yù)測(cè)方程與用DNI預(yù)測(cè)的干奶期山羊的預(yù)測(cè)方程較為相似，而用TNI（R2=0.65）預(yù)測(cè)時(shí)準(zhǔn)確性較用DNI（R2=0.72）低：

Luo等[53]提出的模型（40）和（41）適合預(yù)測(cè)干奶期山羊EUN的排泄，但二者預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性不高。模型（41）僅適合預(yù)測(cè)干奶期山羊的氮平衡≥0且采食量高于維持需要的情況，其優(yōu)勢(shì)是可用于求和方程中氮需要量的預(yù)測(cè)，而且不需要額外的校正因子。模型（40）預(yù)測(cè)的干奶期山羊EUN比泌乳山羊高10%，而模型（41）用變量DNI預(yù)測(cè)的干奶期山羊的EUN稍低于泌乳山羊。當(dāng)用TNI和DNI預(yù)測(cè)泌乳山羊的EUN時(shí)，2個(gè)變量的預(yù)測(cè)差異不顯著。

Rapetti等[55]研究發(fā)現(xiàn)，山羊UN與乳尿素水平（MUL, mg/100 mL）呈正相關(guān)關(guān)系，并基于MUL建立了如下模型：

Schuba等[56]用17篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)山羊的FN進(jìn)行了預(yù)測(cè)：

式中，F(xiàn)N指山羊的糞氮排泄量（g/d），Nintake指氮攝入量（g/d），AIC為阿凱克信息論準(zhǔn)則（AIC）。

2.3.2 二元一次線性模型（即y=a+b1x1+b2x2） Moore等[57]用146篇發(fā)表文獻(xiàn)對(duì)山羊的FN進(jìn)行了預(yù)測(cè)（模型（44）），F(xiàn)N為糞便代謝蛋白（MFCP，g/d）和未消化的日糧蛋白的總和，模型中MFCP用0.0267×DMintake（g/d）計(jì)算，未消化的CP排泄量（g/d）計(jì)算為（100–0.88）×CPintake。

FN=[0.0267×DMintake+（100–0.88）×CPintake]×16% （46）式中，F(xiàn)N指山羊的糞氮排泄量（g/d），DMintake指干物質(zhì)攝入量（g/d），CPintake指日糧粗蛋白質(zhì)攝入量（g/d）。該模型的優(yōu)勢(shì)是使用范圍較廣，涵蓋了許多不同品種山羊和日糧類型，而且考慮了不同國(guó)家、體重、粗飼料比例等因素，數(shù)據(jù)全面，有代表性；其不足之處是使用的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為處理均數(shù)觀察值，而不是單位動(dòng)物的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，未消除不同研究的影響。鑒于DM和CP采食量均為生產(chǎn)常見變量，可推薦用于中國(guó)山羊糞氮排泄的預(yù)測(cè)。

2.3.3 一元二次非線性模型（即y=a+b1x1+b2x22）Schuba等[56]通過17篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，山羊的UN與Nintake之間呈二次非線性關(guān)系：

式中，UN指山羊的尿氮排泄量（g/d），Nintake指氮攝入量（g/d）。AIC分析表明，山羊UN（模型（47））比FN（模型（45））預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)確。

2.4 綿羊氮素排泄預(yù)測(cè)模型 Schuba等[56]用27篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)綿羊的UN和FN分別進(jìn)行了預(yù)測(cè)（見模型（48）和（49））：

式中，UN指綿羊的尿氮排泄量（g/d），F(xiàn)N指綿羊的糞氮排泄量（g/d），Nintake指氮攝入量（g/d）。AIC分析表明，綿羊UN（模型（48））比FN（模型（49））預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)確。

3 前景與展望

從中國(guó)目前主要的肉牛（魯西黃牛、利木贊牛、西門塔爾牛、夏洛萊牛、三元雜交牛、黑牛等）、奶牛（中國(guó)荷斯坦奶牛、三河牛、草原紅牛、新疆褐牛等）和奶山羊（西農(nóng)奶山羊、關(guān)中奶山羊、嶗山奶山羊、成都麻羊等）品種來(lái)看，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的肉牛（海福特牛、安格斯牛、海福特×安格斯雜交牛、三元雜交牛、英國(guó)無(wú)角白牛、夏洛萊牛、比利時(shí)藍(lán)/白牛、內(nèi)洛爾牛）、奶牛（荷斯坦奶牛、娟姍牛、更賽牛、艾爾夏牛）和奶山羊（薩能奶山羊、阿爾卑斯山羊、安哥拉山羊、努比亞山羊等）品種與中國(guó)相比，有些品種被中國(guó)引入飼養(yǎng)。預(yù)測(cè)模型反映的是氮素輸入與輸出之間的規(guī)律，但也因國(guó)內(nèi)外品種的不同而導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果有所差異。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用時(shí)，最好用中國(guó)的氮排泄量數(shù)據(jù)庫(kù)校準(zhǔn)現(xiàn)有模型中變量的系數(shù)。若校準(zhǔn)條件不具備，也可直接使用現(xiàn)有的氮排泄預(yù)測(cè)模型。

縱觀現(xiàn)有的氮素排泄模型，未來(lái)可從以下方面改進(jìn)：

1）統(tǒng)一方法、減少誤差。建模所需的數(shù)據(jù)推薦用全收糞尿法測(cè)定，比指示劑法（如三氧化二鉻（Cr2O3）等）估測(cè)的更加準(zhǔn)確，能提高氮素排泄預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，降低由測(cè)定方法造成的誤差。

2）選擇合適的模型輸入變量。盡管動(dòng)物或日糧的特征輸入變量與氮排泄緊密相關(guān)，但是篩選出強(qiáng)相關(guān)的最佳變量可提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。選擇的變量應(yīng)反映動(dòng)物氮排泄的內(nèi)在規(guī)律。此外，預(yù)測(cè)變量應(yīng)盡可能方便獲得，如果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性很高，但是變量獲取難度大，對(duì)模型的應(yīng)用也會(huì)造成很大影響。

3）開發(fā)科學(xué)、高效的計(jì)算機(jī)軟件模型。與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)回歸模型相比，新型的人工智能模型可能更準(zhǔn)確反映輸入與輸出變量的復(fù)雜關(guān)系，便于在生產(chǎn)中推廣使用。

4）收集有代表性的數(shù)據(jù)。建模數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)更新，用過時(shí)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)前的動(dòng)物氮排泄量，誤差較大。

綜上所述，現(xiàn)有模型適合預(yù)測(cè)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家反芻動(dòng)物的氮素排泄，急需建立適合中國(guó)反芻動(dòng)物養(yǎng)殖模式的氮素排泄預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而為中國(guó)反芻動(dòng)物氮素和NH3的減排策略提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。