基于牧场的低排放系统下牛奶生产的效能分析：以生物固氮与三叶草系统为核心

《Journal of Dairy Science》：Productivity of low-emission systems of pasture-based milk production

为应对畜牧业温室气体和氨排放挑战，研究人员系统研究了基于三叶草-生物固氮(BFN)的草地系统在减少人工氮肥(AFN)投入下的生产效能。结果显示，在几乎不施用AFN的情况下，该系统仍能维持与高投入集约系统相当的牧草干物质(DM)和牛奶产量，为低排放可持续畜牧业提供了有力实践依据。本刊特此推荐。

　　

随着全球对气候变化议题的关注日益加深，农业部门的温室气体(GHG)和氨(NH₃)排放，特别是来自畜牧业的部分，已成为环境治理的重点。在温带地区，基于草场的牛奶生产是重要的经济活动，但也贡献了显著的排放份额。例如，在新西兰，农业占全国温室气体排放的50%；在爱尔兰，农业、林业和其他土地利用部门(AFOLU)的排放占比高达44%。其中，畜牧业排放约占全球总排放的10-12%，而近30%来自奶牛场。这些排放主要来自反刍动物肠道发酵产生的甲烷(CH₄)、粪便管理以及施用人工合成氮肥(AFN)产生的氧化亚氮(N₂O)。与此同时，农业也是氨排放的主要源头，几乎贡献了爱尔兰全部的氨排放。因此，如何在维持牛奶生产的同时，有效降低环境影响，成为了畜牧业面临的一项紧迫挑战。

面对这一挑战，一系列经过验证的管理实践可被采纳，用以降低草场基奶牛场的排放。其中，一个核心且具有成本效益的策略是：最大限度地减少AFN的使用，并优化与三叶草相关的生物固氮(BFN)条件。BFN能显著降低与氮循环相关的N_{23排放。然而，在过去的几十年里，随着AFN使用的增加，三叶草在欧洲西部草场中的重要性逐渐被取代。尽管BFN系统在环保和降低成本方面潜力巨大，但传统观念认为，基于三叶草的草地在生产力上可能不及AFN草地，特别是在春季生长和生长季长度方面可能存在劣势。此外，三叶草的持久性差和年际产量不稳定也曾被认为是其弱点。那么，在现代管理技术和育种改良的背景下，一个几乎不依赖AFN、以三叶草-BFN为核心的草场系统，其生产力究竟如何？能否在维持甚至提升牛奶产量的同时，实现环境效益？这正是《Journal of Dairy Science》最新发表的研究旨在回答的问题。}

为了评估这些低排放系统的生产力，研究人员在爱尔兰蒂珀雷里郡的Solohead研究农场进行了一系列系统规模的实验。研究团队没有局限于小面积的试验田，而是采用了更贴近真实农场运营的“系统规模”实验设计，每个系统都包含一个完整的奶牛群及其管理的草场。研究历时数年（2017-2022年），涵盖了四个不同的实验，并将这些系统根据AFN投入强度主要聚类为三类进行比较：集约对照系统(INT)，年平均AFN投入高达265公斤/公顷；包含AFN的最佳实践系统(BPN)，年平均AFN投入为99公斤/公顷；以及仅含极少量AFN的最佳实践系统(BPO)，年平均AFN投入低于5公斤/公顷。所有系统都保持了相似的平均载畜率（约2.53头奶牛/公顷）和牛群规模。在技术方法层面，研究综合运用了系统规模农场实验以模拟真实生产条件；采用氮差减法来量化关键的生物固氮量(BFN)，并与已有模型进行对比验证；通过周期性草场切割与组分分离来精确测定牧草总干物质(DM)产量以及三叶草和禾草各自的贡献；并系统监测了奶牛的产奶性能、体况和饲料摄入，以全面评估不同系统对最终生产输出的影响。

研究结果清晰地揭示了基于三叶草-BFN的草场系统的巨大潜力。

牧草生产与生物固氮：

分析表明，尽管三个系统的AFN投入差异巨大，但其单位面积的年牧草干物质(DM)产量并无统计学差异。这背后的机制在于不同氮源之间的互补与替代。在INT系统中，高产出来自高AFN投入；而在BPN和BPO系统中，减少的AFN被显著更高的生物固氮(BFN)所补偿。数据显示，BFN与AFN投入呈强烈的负相关关系：AFN投入越少，三叶草的竞争力越强，其固氮能力也越高。INT系统的年平均BFN仅为60公斤/公顷，而BPN和BPO系统则分别达到178公斤/公顷和252公斤/公顷。这意味着，在优化管理的BPO系统中，大气中固定的氮贡献了草场氮需求的主要部分。

季节性生长与草场质量：

关于三叶草系统春季生长乏力的传统担忧在本研究中并未得到证实。不同系统间的春季牧草DM生长率没有显著差异。这得益于早春时节通过“拖鞋式”撒肥机高效施用的浆液粪便所提供的氮素，以及可能来自冬季三叶草匍匐茎腐烂所释放的氮。同时，三叶草含量随季节动态变化，在BPN和BPO系统中，三叶草在牧草DM中的比例从4/5月的16-21%增长到8/9月的36%，显示出强大的夏季生长优势。在牧草营养价值方面，系统间也基本没有差异。仅在生长季早期，INT系统的牧草粗蛋白(CP)含量有高于BPO的趋势，这反映了其时更高的氮可用性；而在生长季中期，BPO系统的中性洗涤纤维(NDF)含量有低于INT系统的趋势，这可能与其更高的三叶草含量有关。

牛奶生产与饲料预算：

最重要的生产指标——牛奶产量同样在不同系统间保持了稳定。无论是每头奶牛的产奶量、乳脂和乳蛋白产量，还是经脂肪和蛋白质校正的牛奶(FPCM)产量，均无显著差异。与此一致，系统的放牧季长度、每头奶牛消耗的牧草、青贮饲料和精料数量也基本相同。这表明，在优化的管理下，极低AFN投入的系统能够提供与高投入系统等量的有效饲料资源，从而支撑相同的奶牛生产性能。

在讨论与结论部分，研究人员深入阐释了这些发现的深远意义。首先，研究证明了通过一系列最佳管理实践，可以成功建立并维持高生产力的三叶草-BFN草场系统。这些实践包括：极低或不施用AFN、定期重播和补播三叶草、控制低留茬高度(约4.5厘米)、秋季实行长轮牧间隔、维持较低的冬季闭场牧草量，以及确保土壤pH值、磷(STP)和钾(STK)的非限制性状态。其次，研究有力挑战了关于三叶草系统产量年际波动大、春季生长弱的传统观点。在实验期间，并未发现三叶草系统比集约AFN系统具有更大的年际产量变异。春季生长的持平，则归功于浆液粪便的有效利用和可能的氮素内部循环。

最终，这项研究得出了一个明确而乐观的结论：在欧盟及其他地区当前及未来可能对AFN使用施加更严格限制的背景下，优化以三叶草-BFN为核心的草场系统，即使接收极少或不接收AFN输入，也完全能够维持草场基奶牛场的牧草干物质和牛奶产量。这一结论不仅具有重要的科学价值，为可持续畜牧业提供了坚实的数据支撑和理论依据；更具有紧迫的现实意义。它向农场主和政策制定者展示了一条清晰可行的路径——通过采纳并坚持一系列经过验证的最佳实践，奶牛生产完全可以在大幅降低环境足迹（减少N₂O和NH₃排放）和生产成本（节省AFN开支）的同时，保持其经济产出和竞争力，从而实现环境效益与经济效益的双赢，推动畜牧业向更可持续的未来转型。