王繼光 劉龍申 鄭衛(wèi)江 姚 文*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，南京210095；2.江蘇智慧牧業(yè)裝備科技創(chuàng)新中心，南京210095；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院，南京210095)

我國(guó)是豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，同時(shí)又是飼料資源嚴(yán)重不足的國(guó)家。我國(guó)規(guī)?；s化豬場(chǎng)普遍采用三階段飼養(yǎng)模式養(yǎng)殖生長(zhǎng)育肥豬，三階段飼養(yǎng)按照群體平均營(yíng)養(yǎng)需要量設(shè)計(jì)飼料配方并制定飼養(yǎng)計(jì)劃，忽略了生長(zhǎng)育肥豬的個(gè)體差異。同時(shí)，為確保飼糧的營(yíng)養(yǎng)水平能滿足大部分動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)需要，企業(yè)大多采用一定比例上浮群體平均營(yíng)養(yǎng)需要量的原則設(shè)計(jì)飼料配方并制定飼養(yǎng)計(jì)劃，造成飼料浪費(fèi)、養(yǎng)殖成本增加、環(huán)境影響加劇和生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，嚴(yán)重制約我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)作為近些年來(lái)規(guī)?；i場(chǎng)興起的管理手段，在提升生產(chǎn)效率、減少飼料浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本方面具有重要的作用，如圖1所示，精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)由4個(gè)模塊構(gòu)成。首先，利用電子耳標(biāo)、深度相機(jī)等智能設(shè)備在群養(yǎng)模式下對(duì)生長(zhǎng)育肥豬進(jìn)行個(gè)體識(shí)別，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、獲取豬只生長(zhǎng)狀況；其次，根據(jù)不同個(gè)體體況信息，充分考慮生長(zhǎng)模式、生長(zhǎng)階段、采食模式、個(gè)體差異等影響營(yíng)養(yǎng)需要量及其變化的因素，科學(xué)預(yù)測(cè)豬只下一階段采食量和營(yíng)養(yǎng)需要量；再次，通過(guò)查閱飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值表、近紅外光譜快速分析等手段快速獲取飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，結(jié)合豬只采食和營(yíng)養(yǎng)需要預(yù)測(cè)值制定個(gè)性化飼養(yǎng)方案；最后，通過(guò)精準(zhǔn)飼喂器識(shí)別豬只身份后，依據(jù)飼養(yǎng)方案，按比例混合營(yíng)養(yǎng)濃度不同的飼糧，定量飼喂生長(zhǎng)育肥豬。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要，可最大化發(fā)掘育肥豬生長(zhǎng)潛能、提高養(yǎng)殖收益、降低養(yǎng)殖成本、減少環(huán)境影響，促進(jìn)生豬養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體識(shí)別、體況信息實(shí)時(shí)獲取、飼糧組成實(shí)時(shí)調(diào)整、飼糧定量飼喂等技術(shù)日益成熟，我國(guó)畜牧業(yè)已具備推廣應(yīng)用精準(zhǔn)養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)的條件。因此，本文綜述了飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定方法、生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)預(yù)測(cè)和營(yíng)養(yǎng)需要量評(píng)估模型、精準(zhǔn)飼養(yǎng)配套智能化設(shè)備開(kāi)發(fā)、精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及其存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，以期為深入理解并完善生長(zhǎng)育肥豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，為利用精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)促進(jìn)生豬養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

圖1 生長(zhǎng)育肥豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)

1 我國(guó)生長(zhǎng)育肥豬養(yǎng)殖現(xiàn)狀

我國(guó)是世界豬肉生產(chǎn)第一大國(guó)[1]，同時(shí)，豬肉是我國(guó)第一大肉類消費(fèi)品[2]。作為豬肉生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，飼料用糧需求不斷增加。近年來(lái)，口糧、工業(yè)用糧和飼料用糧競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，而我國(guó)飼料資源不足，玉米、大豆、小麥等糧食資源嚴(yán)重依賴進(jìn)口(圖2)，其中大部分用作飼料。以2019年為例，我國(guó)豆類產(chǎn)量為2 131.9萬(wàn)t[2]，進(jìn)口大豆8 851.28萬(wàn)t[3]，全年豆粕飼用消費(fèi)為6 240萬(wàn)t[4]。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)是改善生長(zhǎng)育肥豬飼料利用效率、減少生豬養(yǎng)殖業(yè)飼料原料消耗的有效措施，可精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要，根據(jù)生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體體況實(shí)時(shí)調(diào)整飼料配方和飼喂量，在不影響生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能的前提下節(jié)省蛋白質(zhì)消耗，降低飼料成本[5-6]。根據(jù)Andretta等[7]研究所得數(shù)據(jù)計(jì)算，與三階段商業(yè)料飼養(yǎng)相比，個(gè)體水平精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式可使每頭生長(zhǎng)育肥豬(40～130 kg)玉米消耗減少61.531 69 kg，豆粕消耗減少27.978 82 kg。2019年，我國(guó)肉豬出欄54 419.2萬(wàn)頭[2]，按照上述計(jì)算，采用精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)養(yǎng)殖生豬可減少玉米消耗3 348.51萬(wàn) t，減少豆粕消耗1 522.59萬(wàn)t。2019年，我國(guó)飼用玉米全年均價(jià)為2 079元/t[8]，應(yīng)用精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)可降低我國(guó)生長(zhǎng)育肥豬飼糧中玉米成本約696.15億元。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)可有效減少飼料原料消耗，極大提高我國(guó)生豬養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)利潤(rùn)，促進(jìn)畜牧業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，緩解我國(guó)糧食進(jìn)口壓力，保障國(guó)家糧食安全。

我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2014—2019年年均肉豬出欄頭數(shù)達(dá)到68 571.1萬(wàn)頭[2]，而規(guī)模化豬場(chǎng)仍采用傳統(tǒng)三階段飼養(yǎng)模式飼養(yǎng)生長(zhǎng)育肥豬[9]。三階段飼養(yǎng)模式是指根據(jù)生長(zhǎng)育肥豬的日齡和體重，人為地將其生產(chǎn)周期劃分為3個(gè)階段，每個(gè)階段根據(jù)生長(zhǎng)育肥豬群體平均營(yíng)養(yǎng)需要量配制1種飼糧用于這一階段的生長(zhǎng)育肥豬飼養(yǎng)。生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量受生長(zhǎng)階段和個(gè)體差異等的影響，同一生長(zhǎng)階段，不同個(gè)體體況和生長(zhǎng)潛能不同，營(yíng)養(yǎng)需要量不同[10]，同時(shí)，不同個(gè)體營(yíng)養(yǎng)需要量在生長(zhǎng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的模式不同。傳統(tǒng)三階段飼養(yǎng)模式按照群體平均營(yíng)養(yǎng)需要量設(shè)計(jì)飼料配方，為獲得最優(yōu)生產(chǎn)成績(jī)，階段性的單一飼糧營(yíng)養(yǎng)水平通常高于群體平均營(yíng)養(yǎng)需要量[11]，多數(shù)生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體處于營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩狀態(tài)，而少數(shù)高營(yíng)養(yǎng)需求個(gè)體(18%)難以獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)[12]。營(yíng)養(yǎng)不足限制生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)潛能最大化的實(shí)現(xiàn)，而營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩會(huì)造成飼料浪費(fèi)，增加養(yǎng)殖成本，加劇環(huán)境影響[13]，同時(shí)，三階段飼養(yǎng)模式下，飼糧中營(yíng)養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化為動(dòng)物產(chǎn)品的效率較低，如蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化效率低于50%[12,14-15]，磷和能量轉(zhuǎn)化效率低于蛋白質(zhì)[15]。

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)海關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中2021年數(shù)據(jù)為1～7月份進(jìn)口量[3]。

2 生長(zhǎng)育肥豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)

生長(zhǎng)育肥豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)可準(zhǔn)確評(píng)估并匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量，最大化生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)潛能，提高生產(chǎn)效率，降低養(yǎng)殖成本和環(huán)境影響。隨著豬只識(shí)別及健康感知、豬舍環(huán)境控制、智能化液態(tài)料飼喂系統(tǒng)等技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，智能養(yǎng)殖技術(shù)得以應(yīng)用，我國(guó)畜牧業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期[16]。精準(zhǔn)養(yǎng)殖設(shè)備和技術(shù)在生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用將有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)三階段飼養(yǎng)模式的不足，推動(dòng)生豬養(yǎng)殖業(yè)高效、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)性發(fā)展。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)狀況并準(zhǔn)確評(píng)估群體和個(gè)體營(yíng)養(yǎng)需要量，制定個(gè)性化飼養(yǎng)方案，飼糧營(yíng)養(yǎng)供給精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要，可減少飼料浪費(fèi)，提高飼料利用效率和養(yǎng)殖效益，改善動(dòng)物福利，緩解生豬養(yǎng)殖業(yè)對(duì)環(huán)境的壓力[12,17-18]。精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)目的在于精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量，難點(diǎn)在于生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量的準(zhǔn)確評(píng)估和營(yíng)養(yǎng)成分的精準(zhǔn)供給[16-17]，因此，飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定、生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量評(píng)估和精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)智能設(shè)備開(kāi)發(fā)直接決定精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用效果。

2.1 飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定研究進(jìn)展

我國(guó)飼料資源短缺，口糧、工業(yè)用糧與飼料用糧的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，2019—2020年度，我國(guó)玉米食用消費(fèi)943萬(wàn)t，飼用消費(fèi)17 400萬(wàn)t，工業(yè)消費(fèi)8 200萬(wàn)t，分別占據(jù)玉米總消費(fèi)的3.4%、62.5%和29.5%[19]。我國(guó)飼料原料嚴(yán)重依賴進(jìn)口[4]，2019年我國(guó)豆類產(chǎn)量為2 131.9萬(wàn)t[2]，進(jìn)口大豆8 851.28萬(wàn)t[3]。飼料成本占生長(zhǎng)育肥豬生產(chǎn)總成本的70%[20-21]，為緩解飼料原料壓力，降低飼料成本，眾多研究嘗試使用非常規(guī)飼料原料替代傳統(tǒng)飼料原料[22]，由于產(chǎn)地、品種、儲(chǔ)存、加工等差異，飼料原料營(yíng)養(yǎng)組分差異較大。準(zhǔn)確評(píng)定飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，實(shí)時(shí)、快速調(diào)整飼料配方以滿足育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要是精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.1.1 飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定理念

傳統(tǒng)飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值是指飼料中可消化或可代謝營(yíng)養(yǎng)成分的含量。隨著動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展，更能反映動(dòng)物對(duì)飼料利用效率的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定新方法得以建立，如標(biāo)準(zhǔn)回腸氨基酸消化率(standardized ileal amino acid digestibility，SID)、標(biāo)準(zhǔn)全腸道消化率(standardized total tract digestibility，STTD)和凈能(net energy，NE)等，這些理念更能體現(xiàn)飼料原料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物學(xué)效價(jià)。

生長(zhǎng)育肥豬飼料原料有效能評(píng)價(jià)體系包括消化能(digestible energy，DE)、代謝能(metabolic energy，ME)和NE。DE和ME值測(cè)定方法較NE簡(jiǎn)單，通過(guò)動(dòng)物消化代謝試驗(yàn)即可得出飼料原料的DE和ME值。INRA(2004)、NRC(2012)等涵蓋了大量飼料原料DE和ME值，為飼料配方制定提供了重要參考數(shù)據(jù)，生長(zhǎng)育肥豬飼料配方制定時(shí)普遍采用DE和ME能量體系[16]。NE通常采用比較屠宰法或間接測(cè)熱法進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定方法復(fù)雜，難度大，耗時(shí)長(zhǎng)。劉德穩(wěn)[23]、李亞奎[24]、李忠超[25]通過(guò)測(cè)定能量飼料原料、蛋白質(zhì)飼料原料、纖維飼料原料等5大類飼料原料的NE值，建立了飼料原料NE預(yù)測(cè)模型。隨著飼料原料NE值數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充和預(yù)測(cè)模型的完善，NE預(yù)測(cè)模型可快速估測(cè)飼料原料的NE值，為飼料配方制定提供重要參考數(shù)據(jù)。氨基酸是生長(zhǎng)育肥豬維持、生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)成分[26]，在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)中的重要性不言而喻，隨著氨基酸營(yíng)養(yǎng)研究的深入，理想蛋白質(zhì)模型的提出發(fā)展了氨基酸平衡評(píng)價(jià)體系。以全腸道表觀消化率(apparent total tract digestibility，ATTD)評(píng)定飼料原料氨基酸消化率，會(huì)受到后腸微生物發(fā)酵和內(nèi)源損失的影響；應(yīng)用表觀回腸末端氨基酸消化率(apparent ileal amino acid digestibility，AID)、真回腸末端氨基酸消化率(true ileal amino acid digestibility，TID)和標(biāo)準(zhǔn)回腸末端氨基酸消化率(standard ileal amino acid digestibility，SID)等指標(biāo)可以避免這些影響[16]。SID測(cè)定較TID簡(jiǎn)單，通常采用回腸瘺管和無(wú)氮飼糧等技術(shù)測(cè)定飼料原料SID，計(jì)算時(shí)扣除內(nèi)源損失部分。因此，飼糧配制時(shí)普遍使用SID計(jì)算飼料原料氨基酸營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。研究人員通過(guò)大量的研究得到了菜籽粕、豆粕、次粉、玉米、大麥和小麥等飼料原料的氨基酸SID結(jié)果[16,27-31]，我國(guó)構(gòu)建了生長(zhǎng)豬常用飼料原料氨基酸SID數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)測(cè)模型[16]。除能量、氨基酸外，鈣、磷的評(píng)定也有了新的發(fā)展，STTD替代傳統(tǒng)指標(biāo)(總鈣、非植酸磷)描述飼料原料鈣、磷的有效含量。

2.1.2 飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定技術(shù)

傳統(tǒng)飼料原料常規(guī)評(píng)定技術(shù)包括化學(xué)分析、飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定、預(yù)測(cè)方程和動(dòng)物試驗(yàn)[32]?；瘜W(xué)分析技術(shù)是其他評(píng)定技術(shù)的基礎(chǔ)，但只能測(cè)定飼料原料化學(xué)組成的總量，不能測(cè)定有效成分。飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值表是匯總相關(guān)測(cè)試結(jié)果得出的平均值，具有一定的代表性，但無(wú)法準(zhǔn)確反映飼料原料的確切營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。分析原料有效成分與其他營(yíng)養(yǎng)素的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值數(shù)據(jù)庫(kù)可構(gòu)建預(yù)測(cè)方程估計(jì)飼料原料有效成分，如豬NE、DE和ME回歸方程[23-25,33]。通過(guò)測(cè)定基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)構(gòu)建飼料原料有效能值預(yù)測(cè)模型[34]，方程預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度受化學(xué)分析和擬合方程效應(yīng)因子的影響，每種飼料原料要單獨(dú)建立預(yù)測(cè)方程以提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[35]。動(dòng)物試驗(yàn)是測(cè)定飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值最直接、有效的方式，然而實(shí)際操作過(guò)程中規(guī)范性難以保證，不同研究結(jié)果變異較大，同時(shí)，動(dòng)物試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本較高。

上述傳統(tǒng)飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定方法要求高、耗時(shí)長(zhǎng)、難度大，不適用于飼料原料生物學(xué)效價(jià)的快速分析，體外消化、體外發(fā)酵、近紅外光譜等快速評(píng)定技術(shù)逐漸引起關(guān)注。體外消化試驗(yàn)利用胃蛋白酶、胰蛋白酶和非淀粉多糖酶等模擬單胃動(dòng)物胃腸道消化，根據(jù)豬、家禽消化過(guò)程特點(diǎn)設(shè)計(jì)體外消化流程，不受試驗(yàn)動(dòng)物個(gè)體差異的限制，測(cè)定速度快、易于操作。體外消化技術(shù)可對(duì)大量飼料原料進(jìn)行測(cè)定[36-38]，例如，高慶濤[39]、王美琴[40]應(yīng)用單胃動(dòng)物仿生消化系統(tǒng)有效模擬了豬、雞消化過(guò)程，測(cè)定了飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。體外消化無(wú)法模擬動(dòng)物體內(nèi)消化酶分泌、產(chǎn)物排出和pH漸變等動(dòng)態(tài)過(guò)程，未體現(xiàn)微生物對(duì)消化過(guò)程的影響；同時(shí)，體外消化技術(shù)對(duì)不同飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值測(cè)定的準(zhǔn)確度受原料種類的影響，對(duì)每種原料建立針對(duì)性的測(cè)定方案是提高測(cè)定準(zhǔn)確性的有效方式。體外發(fā)酵技術(shù)可模擬微生物對(duì)纖維的降解過(guò)程，從豬后腸內(nèi)容物、糞便提取活菌或純化纖維降解酶，模擬后腸微生物對(duì)飼料纖維的分解過(guò)程，用揮發(fā)性脂肪酸預(yù)測(cè)大腸能量消化率[41]。近紅外光譜技術(shù)(near-infrared spectroscopy，NIR)是一種利用光學(xué)原理對(duì)飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行快速測(cè)定的技術(shù)[42-43]，以漫反射方式獲得標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等化學(xué)計(jì)量學(xué)手段建立物質(zhì)光譜與樣品成分的定標(biāo)模型[42-44]，可同時(shí)預(yù)測(cè)待測(cè)樣品多種組分，具有樣品無(wú)損、速度快、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)[16,32,44-46]。GB/T 18868—2002[47]是采用近紅外光譜法快速測(cè)定飼料中水分、粗蛋白質(zhì)、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，研究人員已建立了水分、粗蛋白質(zhì)、粗灰分、粗纖維、粗脂肪等常規(guī)養(yǎng)分和維生素、氨基酸等成分分析的數(shù)學(xué)模型[48-51]，用于評(píng)定玉米、小麥、豆粕等飼料原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[16,42]。近紅外光譜法是飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定的重要研究方向，同時(shí)，近紅外光譜法也存在一些缺點(diǎn)：1)依賴化學(xué)分析建立的預(yù)測(cè)模型決定了近紅外光譜測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性低于化學(xué)分析測(cè)定結(jié)果；2)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)測(cè)模型成本高，不易推廣，且定標(biāo)模型需持續(xù)更新、維護(hù)；3)低含量成分檢測(cè)靈敏度低[44-45]。

現(xiàn)有飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值測(cè)定方法各有利弊、互有關(guān)聯(lián)，近紅外光譜法測(cè)定快速、高效，可以滿足精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值快速測(cè)定的要求，整合生物學(xué)知識(shí)，借助其他測(cè)定方法發(fā)展、完善近紅外光譜法是精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值快速評(píng)定的重要發(fā)展方向。

2.2 生長(zhǎng)育肥豬精準(zhǔn)飼養(yǎng)方案

生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是品種特性、飼糧攝入和營(yíng)養(yǎng)利用等的綜合體現(xiàn)[52]，生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需要呈動(dòng)態(tài)變化，因此，準(zhǔn)確評(píng)估并根據(jù)生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量制定符合生產(chǎn)目的的飼養(yǎng)方案，對(duì)充分發(fā)掘生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)潛能、節(jié)約飼料成本具有重要意義。法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所、加拿大農(nóng)業(yè)與食品學(xué)會(huì)等科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，有利于養(yǎng)殖者制定合理的飼養(yǎng)方案，精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要，最大限度發(fā)揮生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)潛能。

2.2.1 生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型

van Milgen等[52]基于大量生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建了生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，此模型適用于15～150 kg體重生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)，通過(guò)設(shè)定群體平均龔帕茲函數(shù)(Gompertz function)參數(shù)(初始體重、初始體蛋白質(zhì)量、平均蛋白質(zhì)沉積速率和體成熟速度參數(shù)precocity)和群體平均伽馬函數(shù)(Gamma function)參數(shù)a、b模擬生長(zhǎng)育肥豬蛋白質(zhì)沉積潛能和采食量變化；基于能量分配和回腸可消化氨基酸理論，依托飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值數(shù)據(jù)庫(kù)INRA-AFZ，結(jié)合飼料配方，模擬生長(zhǎng)肥育豬群體平均體蛋白質(zhì)和體脂沉積狀況，進(jìn)而預(yù)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬體重、料重比、瘦肉率和背膘厚等指標(biāo)，可評(píng)估不同飼養(yǎng)方案(飼料配方、限飼等)對(duì)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能、屠宰性能等的影響，有助于飼養(yǎng)者選擇符合最優(yōu)生產(chǎn)成績(jī)、最小化生產(chǎn)成本、最大化利潤(rùn)收益等養(yǎng)殖目的的飼養(yǎng)方案。此模型為確定性模型，用于預(yù)測(cè)群體的平均生長(zhǎng)性能，因此對(duì)前期數(shù)據(jù)收集要求較高，要求用于建模的個(gè)體具有較好的群體代表性。Vautier等[53]收集了10個(gè)批次生長(zhǎng)育肥豬采食量、體重等數(shù)據(jù)，構(gòu)建生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型參數(shù)中值協(xié)方差矩陣，引入變異性(variability)概念；利用中值協(xié)方差矩陣設(shè)定模型參數(shù)，為不同生長(zhǎng)育肥豬賦予某一參數(shù)不同數(shù)值，與確定性模型采用平均值設(shè)定單一數(shù)值參數(shù)相比，這種參數(shù)設(shè)定方式增加了模型的隨機(jī)性，反映了生長(zhǎng)育肥豬的個(gè)體差異。此模型可快速預(yù)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能，幫助養(yǎng)殖者制定最佳飼養(yǎng)管理方案，但前期需要收集大量生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)性能數(shù)據(jù)以構(gòu)建可靠的模型參數(shù)集；并且，預(yù)測(cè)某一特定養(yǎng)殖場(chǎng)生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)性能時(shí)需進(jìn)一步收集該養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)以校正模型，數(shù)據(jù)收集耗時(shí)長(zhǎng)，難度高。

2.2.2 生長(zhǎng)育肥豬氨基酸需要量預(yù)測(cè)模型

Hauschild等[54]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)狀況，根據(jù)生長(zhǎng)育肥豬連續(xù)7 d采食量和連續(xù)2周體重?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)二次指數(shù)平滑法分別提前1 d和1周預(yù)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬采食量、體重，并計(jì)算體蛋白質(zhì)沉積變化，進(jìn)而根據(jù)體蛋白質(zhì)沉積數(shù)據(jù)確定生長(zhǎng)育肥豬標(biāo)準(zhǔn)回腸可消化賴氨酸(SID Lys)需要量(相對(duì)于能量)；按照理想蛋白質(zhì)模式確定育肥豬對(duì)飼糧蛋白質(zhì)和其他氨基酸的需要量，根據(jù)預(yù)測(cè)采食量和營(yíng)養(yǎng)需要量計(jì)算出精準(zhǔn)匹配育肥豬氨基酸需要量所需的飼量營(yíng)養(yǎng)濃度(圖3)。根據(jù)預(yù)測(cè)制定生長(zhǎng)育肥豬個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)方案，按照比例混合2種營(yíng)養(yǎng)成分含量不同的飼料配制所需氨基酸濃度的飼糧，利用自動(dòng)飼喂系統(tǒng)，識(shí)別生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體并定量提供飼料，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間為生長(zhǎng)育肥豬提供數(shù)量適宜、氨基酸含量適當(dāng)?shù)娘暭Z[6,55]，精準(zhǔn)匹配生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要。此方案僅考慮生長(zhǎng)育肥豬氨基酸需要量，未涉及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需要量(鈣、磷等)，個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)方案的實(shí)現(xiàn)需使用自動(dòng)飼喂系統(tǒng)和電子耳標(biāo)，成本較高。

圖3 生長(zhǎng)育肥豬氨基酸需要量預(yù)測(cè)流程圖

2.2.3 精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)智能設(shè)備開(kāi)發(fā)

生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量存在個(gè)體差異，整體隨時(shí)間呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能和體況數(shù)據(jù)，制定并實(shí)施個(gè)性化飼養(yǎng)方案，實(shí)時(shí)調(diào)整飼料配方和定量飼喂是精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)的重要研究方向。生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體識(shí)別、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取和處理是精準(zhǔn)飼養(yǎng)的關(guān)鍵。射頻識(shí)別電子耳標(biāo)可實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)育肥豬的個(gè)體識(shí)別[17,56]，自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂器可記錄生長(zhǎng)育肥豬采食次數(shù)、采食時(shí)間和采食量等數(shù)據(jù)，搭載體重秤可獲取體重?cái)?shù)據(jù)[53,57-58]，結(jié)合射頻識(shí)別電子耳標(biāo)可獲取每頭生長(zhǎng)育肥豬的相關(guān)數(shù)據(jù)。生長(zhǎng)育肥豬個(gè)性化飼糧的配制和供應(yīng)通常利用自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂器實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂器可將2種營(yíng)養(yǎng)濃度不同的飼糧按照不同的比例混合以滿足生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要。當(dāng)生長(zhǎng)育肥豬靠近飼喂器采食時(shí)，自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂器可通過(guò)射頻識(shí)別電子耳標(biāo)識(shí)別生長(zhǎng)育肥豬個(gè)體，根據(jù)預(yù)設(shè)飼養(yǎng)方案為其提供飼糧[53,57-58]。

除自動(dòng)精準(zhǔn)飼喂器外，前腿稱重系統(tǒng)[59]、圖像分析技術(shù)[60]、機(jī)器視覺(jué)分析[61]、三維攝影測(cè)量[62]等技術(shù)也可用于生長(zhǎng)育肥豬的體況信息獲取，借助上述技術(shù)可實(shí)現(xiàn)非接觸式數(shù)據(jù)獲取，減少養(yǎng)殖業(yè)從業(yè)人員工作量，避免生長(zhǎng)育肥豬應(yīng)激。體況信息對(duì)于制定合理的營(yíng)養(yǎng)方案具有重要意義，如蛋白質(zhì)沉積量占增重的比例是計(jì)算生長(zhǎng)育肥豬氨基酸需要量的重要依據(jù)[63]。雙能X射線吸收法(dual-energy X-ray absorptiometry)可測(cè)定生長(zhǎng)育肥豬骨礦物質(zhì)含量、骨礦物質(zhì)密度、瘦體質(zhì)量和體脂質(zhì)量等體況數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算體蛋白質(zhì)量及其在增重中的比例[6,63]，B型超聲裝置[6]、圖像分析技術(shù)[17]等可測(cè)定背膘厚。此外，利用圖像分析技術(shù)處理溫度傳感器、視頻等獲取的數(shù)據(jù)，使實(shí)時(shí)監(jiān)控生長(zhǎng)育肥豬的體溫變化、采食行為和飲水行為成為可能，大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的正確處理和使用無(wú)疑將進(jìn)一步促進(jìn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)的發(fā)展和完善。國(guó)內(nèi)相關(guān)公司在精準(zhǔn)飼養(yǎng)智能設(shè)備方面取得了一定研究成果，睿畜科技開(kāi)發(fā)的“小蓬”系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)育肥豬非接觸式自動(dòng)估重，生成周度生長(zhǎng)曲線；“Alot”平臺(tái)可自定義育肥豬數(shù)據(jù)采集內(nèi)容，輔助商品豬分批、全程、精細(xì)化管理；北京小龍潛行科技有限公司開(kāi)發(fā)了非接觸式自動(dòng)估重系統(tǒng)，可精準(zhǔn)追蹤育肥豬生長(zhǎng)速度與料重比，實(shí)現(xiàn)均重與均勻度追蹤預(yù)警；北京農(nóng)信互聯(lián)科技股份有限公司開(kāi)發(fā)了“豬小智”系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)母豬智能估重、測(cè)溫和育肥豬階段飼喂、分餐模式喂養(yǎng)。針對(duì)初生仔豬目標(biāo)較小、分娩欄內(nèi)光線變化復(fù)雜、仔豬粘連和硬性遮擋現(xiàn)象較為嚴(yán)重等問(wèn)題，沈明霞等[64]提出一種基于深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初生仔豬目標(biāo)識(shí)別方法，該方法在驗(yàn)證集和測(cè)試集上的精確率分別可達(dá)到95.76%和93.84%；李泊等[65]提出一種基于YOLO v3(you only look once v3)模型與圖結(jié)構(gòu)模型(pictorial structure models)的豬只頭尾辨別方法，對(duì)豬只頭尾識(shí)別精確率可達(dá)到96.22%，有效提高了群養(yǎng)豬只自動(dòng)行為檢測(cè)水平。

3 精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)用

決策支持工具InraPorc模型以Van Milgen等[52]提出的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合養(yǎng)殖場(chǎng)飼養(yǎng)管理措施、豬場(chǎng)設(shè)施、育肥豬品系等特定情況模擬該養(yǎng)殖場(chǎng)采用不同營(yíng)養(yǎng)方案時(shí)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)情況，幫助用戶制定符合養(yǎng)殖目的的飼養(yǎng)管理方案[66-67]。Cadero等[67]利用InraPorc模擬了96種不同養(yǎng)殖策略下生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)狀況，飼養(yǎng)策略、豬只健康狀況和養(yǎng)殖場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等，分析對(duì)生長(zhǎng)育肥豬生產(chǎn)性能和養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的影響，結(jié)果表明精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式可有效改善生長(zhǎng)育肥豬生產(chǎn)性能，提高經(jīng)濟(jì)效益；利用生命周期評(píng)價(jià)方法研究生豬養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響，結(jié)果表明精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式可有效緩解生豬養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響。此決策支持工具可迅速模擬不同飼養(yǎng)策略對(duì)生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)性能、屠宰性能等的影響，模擬速度快、周期短，可為養(yǎng)殖者制定飼養(yǎng)策略提供重要參考；但是，其前期需收集大量數(shù)據(jù)用于建模，使用時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況(如養(yǎng)殖環(huán)境、飼養(yǎng)策略等)進(jìn)行參數(shù)校正以獲得可靠的模擬結(jié)果，使用門檻較高。

Hauschild等[54]提出生長(zhǎng)育肥豬氨基酸需要量預(yù)測(cè)模型，并利用Pomar等[68]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估該模型預(yù)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬采食量和體重的準(zhǔn)確度，與觀測(cè)值相比，采食量和體重預(yù)測(cè)值平均絕對(duì)誤差分別為12%和1.8%。通過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)評(píng)價(jià)該模型評(píng)估生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量準(zhǔn)確度，根據(jù)賴氨酸需要量預(yù)測(cè)值為生長(zhǎng)育肥豬提供不同賴氨酸水平的飼糧，觀測(cè)生長(zhǎng)育肥豬增重、料重比等指標(biāo)；若生長(zhǎng)育肥豬采食飼糧的賴氨酸水平等于預(yù)測(cè)值時(shí)獲得最優(yōu)生長(zhǎng)性能，說(shuō)明該模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量；若飼糧賴氨酸水平低于預(yù)測(cè)值時(shí)生長(zhǎng)育肥豬的生長(zhǎng)性能優(yōu)于飼糧賴氨酸水平等于預(yù)測(cè)值時(shí)，說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)值偏高；反之，則說(shuō)明該模型預(yù)測(cè)值偏低[6,69]。Zhang等[69]試驗(yàn)表明該模型可準(zhǔn)確評(píng)估25～55 kg體重階段生長(zhǎng)豬對(duì)賴氨酸的需要量，低估了55 kg以上生長(zhǎng)育肥豬的賴氨酸需要量；Cloutier等[6]試驗(yàn)結(jié)果與Zhang等[69]相反，其試驗(yàn)結(jié)果表明該模型低估了25～50 kg體重階段生長(zhǎng)豬對(duì)賴氨酸的需要量，而對(duì)70～100 kg體重階段育肥豬賴氨酸需要量的評(píng)估較為準(zhǔn)確。上述結(jié)果表明，該模型對(duì)于生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)需要量的評(píng)估效果或許受到育肥豬遺傳特征、養(yǎng)殖環(huán)境等的影響，在新的養(yǎng)殖環(huán)境下應(yīng)用該模型時(shí)是否需要進(jìn)行針對(duì)性校正仍需進(jìn)一步研究。已有研究應(yīng)用該模型進(jìn)行滿足80%個(gè)體營(yíng)養(yǎng)需要量的群體精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式和滿足每個(gè)個(gè)體的個(gè)體精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式對(duì)生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)影響的比較[7]。與傳統(tǒng)三階段飼養(yǎng)模式相比，精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式可在不影響生長(zhǎng)育肥豬生產(chǎn)性能的前提下，減少生長(zhǎng)育肥豬對(duì)飼糧氨基酸、蛋白質(zhì)、氮和磷等養(yǎng)分的攝入量[7,12,55,57,63]，提高飼料利用效率，降低飼料成本[17,55]，減少氮、磷排泄[12]；同時(shí)，可緩解生豬養(yǎng)殖業(yè)對(duì)環(huán)境的壓力，減少碳排放、水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤酸化等環(huán)境問(wèn)題[55,70]。個(gè)體水平精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式上述改善效果優(yōu)于群體水平精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式[12,17,55]。傳統(tǒng)階段性飼養(yǎng)條件下，生長(zhǎng)育肥豬群體采食同一配方的飼糧，當(dāng)飼養(yǎng)模式由傳統(tǒng)階段性飼養(yǎng)轉(zhuǎn)為精準(zhǔn)飼養(yǎng)，生長(zhǎng)育肥豬采食適合自身的個(gè)性化飼糧[58]，這種飼糧賴氨酸水平通常低于階段性單一飼糧[7]，這種情況下，理想蛋白質(zhì)的氨基酸模式也應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整[57]。Remus等[57]認(rèn)為，個(gè)體精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式下蘇氨酸與賴氨酸比值應(yīng)調(diào)整為傳統(tǒng)階段性飼養(yǎng)模式下蘇氨酸與賴氨酸比值的85%，以獲得最優(yōu)生產(chǎn)成績(jī)。精準(zhǔn)飼養(yǎng)是一種新興的飼養(yǎng)模式，此模式下，各種營(yíng)養(yǎng)成分的比例、理想蛋白質(zhì)的氨基酸模式可能需要進(jìn)行一定的調(diào)整，探究精準(zhǔn)飼養(yǎng)模式下平衡飼糧的組成是精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)的重要研究方向之一。

4 小結(jié)與展望

生豬養(yǎng)殖業(yè)傳統(tǒng)階段性飼養(yǎng)方式難以最大程度發(fā)掘生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)潛力，生產(chǎn)效率低，精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)可依據(jù)豬只體況個(gè)性化制定飼養(yǎng)方案，最大程度發(fā)掘生長(zhǎng)育肥豬生長(zhǎng)潛力，節(jié)省飼料消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，緩解環(huán)境壓力，是促進(jìn)生豬養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)需要整合生物學(xué)知識(shí)：1)建立飼料原料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值生物學(xué)效價(jià)評(píng)價(jià)理論和快速檢測(cè)方法；2)完善生長(zhǎng)育肥豬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要量評(píng)估模型，明確生長(zhǎng)育肥豬對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)成分的需要量和個(gè)性化飼糧不同營(yíng)養(yǎng)成分合理比例；3)開(kāi)發(fā)智能化設(shè)備保證生長(zhǎng)育肥豬群養(yǎng)模式下個(gè)性化飼養(yǎng)方案的實(shí)施。目前國(guó)內(nèi)多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)和一些企業(yè)已經(jīng)具備了研發(fā)和生產(chǎn)精準(zhǔn)飼養(yǎng)智能系統(tǒng)與設(shè)備的能力，同時(shí)國(guó)家和各級(jí)政府“十四五”期間均在大力推進(jìn)畜牧機(jī)械的自動(dòng)化和智能化升級(jí)，再加上因飼料成本和環(huán)保成本等上漲促使企業(yè)向養(yǎng)殖精細(xì)化要效益的自身動(dòng)力，精準(zhǔn)飼養(yǎng)系統(tǒng)和設(shè)備在生長(zhǎng)育肥豬上的應(yīng)用與推廣指日可待。