综述：可持续畜禽饲养中的水培饲料生产与利用

《Discover Agriculture》：Hydroponic fodder production and utilization in sustainable livestock and poultry feeding

　　

水培饲料（Hydroponic fodder）生产作为一种资源高效的传统青饲料替代品，已在全球范围内受到关注，尤其是在土地稀缺、水资源有限和气候变化的条件下。尽管其采用率在增加，但关于其营养价值、水利用效率（Water-use efficiency）和动物性能反应的证据仍然分散。本系统综述综合了关于水培饲料生产系统、发芽过程中的营养转化、水分管理策略及其对畜禽生产力影响的现有证据。研究人员对主要科学数据库（包括Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar）进行了系统文献检索，覆盖了1985年至2024年发表的研究。关键词包括水培饲料（hydroponic fodder）、发芽谷物（sprouted grains）、畜禽饲养（livestock feeding）、营养成分（nutrient composition）和动物性能（animal performance）。符合标准的研究包括评估水培饲料生产特性、营养成分、摄入量（intake）、消化率（digestibility）、生产力和经济性（economics）的实验、观察性和对照饲养试验。由于方法异质性，数据提取和综合采用定性方法。总共92项研究符合纳入标准。水培饲料系统范围从手动低成本单元到全自动气候控制（climate-controlled）系统，与传统饲料栽培相比，节水率（water savings）达90–98%。发芽一致地提高了粗蛋白（Crude Protein, CP）浓度、矿物质生物利用度（mineral bioavailability）、抗氧化剂（antioxidant）含量和消化率，尽管由于高水分积累，干物质（Dry Matter, DM）含量有所下降。基于生物质产量（biomass yield）和成本效率，大麦（barley）、玉米（maize）、燕麦（oat）、豇豆（cowpea）和太阳麻（sun hemp）成为最合适的作物。饲养试验表明，当水培饲料部分替代传统饲料时，对营养消化率、产奶量（milk yield）、生长性能（growth performance）、氧化状态（oxidative status）和经济回报（economic returns）具有中性至积极的影响。然而，过量添加（excessive inclusion）会由于瘤胃填充（rumen fill）限制而降低干物质摄入量（Dry Matter Intake, DMI）。当战略性地整合到平衡日粮（balanced rations）中时，水培饲料代表了一种可行的畜禽补充性青饲料（supplementary green feed）。系统优化（system optimization）、作物选择（crop selection）和控制添加水平（controlled inclusion levels）对于实现其营养和经济益处至关重要。未来的研究应优先考虑标准化方案（standardized protocols）、长期生产力试验（long-term productivity trials）和生命周期可持续性评估（life-cycle sustainability assessments）。

全球人口快速增长及气候变化、土地退化与水资源短缺的约束，对畜牧业（livestock sector）满足营养需求构成严峻挑战。传统的青饲料生产高度依赖土地、水和气候稳定性，这些资源日益受限。此外，人类与牲畜在谷物上的竞争推高了饲料成本。在此背景下，水培饲料生产（Hydroponic fodder production）作为一种有前景的技术干预应运而生。它能在受控环境下，以极少的土地和水需求快速生产生物质。然而，现有文献存在不一致性和局限性，许多研究是短期的、在受控实验条件下进行的，且缺乏评估产量、营养成分和动物性能的标准化方法。知识空白体现在：量化水培饲料在不同畜牧系统中的真实营养和经济效益；理解多样化操作条件下的生产效率变异性；以及使用标准化和批判性框架综合动物性能结果的证据。因此，本系统综述旨在批判性地综合有关水培饲料生产的同行评审证据，重点关注生产系统、营养动态、水利用效率和动物性能反应。本研究采用PRISMA 2020（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）框架进行。文献检索覆盖了Scopus、Web of Science、PubMed、CAB Abstracts和Google Scholar等多个电子数据库，时间范围为1985年至2023年。通过两阶段筛选（题目和摘要筛选，以及全文评估），最终有92项研究纳入分析。由于研究设计、实验条件和报告结果存在显著异质性，定量荟萃分析（meta-analysis）不可行，因此采用定性和主题方法进行综合。出版趋势分析显示，相关研究自2010年后逐渐增加，2015-2018年间显著上升。地理分布分析表明，研究主要集中在印度、伊朗和埃及，显示出区域研究偏向。
水培饲料（Hydroponic fodder）生产系统按其自动化水平和环境控制能力，可分为手动、半自动和全自动系统。手动低成本系统（Manual low-cost systems）通常由竹子、木材或金属架制成，配备塑料或铝制托盘，放置在遮蔽结构中，通过手动浇灌。该系统适用于小农户和电力供应不稳定的地区，其特点是初始投资低、操作简单，但劳动强度大，且由于对温度、湿度等环境参数控制有限，饲料产量和养分组成可能不稳定，并存在较高的霉菌污染风险。半自动系统（Semi-automatic systems）结合了手动监督与自动灌溉和照明系统，通常使用定时器控制的微喷头、电动泵和人工照明（荧光灯或LED），并通过排气扇和蒸发冷却垫部分调节温度、湿度。这些系统提高了萌发均匀性、生物质产量和营养组成，减少了日常劳动需求，更适合中等规模的养殖场，但其部分依赖电力，且操作和维护需要一定的技术知识。全自动商业系统（Fully automated commercial systems）是高技术单元，通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）或物联网（Internet-of-Things, IoT）平台集成传感器，对温度、湿度、光照强度、灌溉频率和通风进行控制。水循环机制可使节水率超过95%，确保一致的生物质生产（每公斤种子产8-10公斤饲料），并通过严格的卫生规程减少微生物污染。这类系统投资成本高，需要熟练的技术专长进行操作和维护，最适合商业奶牛场、育肥场等大规模畜禽企业。比较而言，手动系统投资低但劳动密集，半自动系统在成本和效率间取得平衡，而全自动系统生产效率最高但资本投入巨大。经济可行性而非生物学性能是决定技术采纳的关键因素。
水培饲料生产是一个多阶段过程，涉及种子准备、发芽、受控萌发和收获。种子准备与清洁（Seed preparation and cleaning）始于选择高质量、成熟、无损伤的谷物，需彻底清洁以去除杂质。随后使用次氯酸钠溶液（如0.5-1.0%的家用漂白剂）对种子表面消毒约1小时，以控制霉菌形成，消毒后需用清水彻底冲洗。种子浸泡（Seed soaking）4-24小时，时长取决于物种和种皮硬度，目的是促进快速吸水，激活代谢途径和水解酶，将储存的碳水化合物和蛋白质动员起来用于新组织生长。浸泡后，种子在湿润环境中（如湿麻袋或铺有湿布的托盘）进行预发芽（Pre-germination）24-36小时，以诱导胚根（radicles）萌发，确保种子批均匀萌发，此阶段需避免阳光直射、过热和干燥。萌发开始后，将预发芽的种子以6-8 kg/m2的推荐播种率（seeding rate）均匀铺在水培托盘上（Tray loading and seeding rate）。托盘设计（如穿孔和倾斜）有助于排水，防止积水。随后将托盘置于系统中，维持最佳环境条件（Environmental control）：温度21-27°C，相对湿度（Relative Humidity, RH）40-80%（约60%最佳），光照2000 lx持续12-16小时/天，灌溉周期为短时多次（如每2分钟一次，持续3分钟）。灌溉管理（Irrigation management）使用清洁饮用水，通过手动或自动微喷、雾化喷嘴或背负式喷雾器进行，目标是保持适当水分以支持萌发和生物量积累，同时避免过饱和导致氧气不足和微生物滋生。均匀供水至关重要，需定期维护灌溉设备。在最佳条件下，种子通常在7天内萌发并长成密集的绿色垫状物。收获（Sprouting and harvesting）通常在第8天进行，此时饲料适口性和营养价值达到峰值，沿基部切割以收集整个苗垫，保留茎和根以最小化营养损失。收获后处理（Post-harvest handling）方面，由于水培饲料水分含量高、代谢活跃，极易腐烂，建议收获后24小时内新鲜饲喂。如需短期储存，应在4-6°C的冷藏条件下进行，并限制储存时间。饲喂时应保持饲槽清洁卫生，防止饲料污染和变质。
水在水培饲料系统中是唯一的生长介质，因此其质量对种子萌发、酶激活、幼苗生长、微生物安全和最终饲料品质起决定性作用。理想水质参数（Ideal water quality parameters）包括：pH值（pH）略呈酸性至中性，以促进最佳萌发并抑制霉菌生长；低电导率（Electrical Conductivity, EC）和总溶解固体（Total Dissolved Solids, TDS），高盐浓度会产生渗透胁迫，限制水分吸收；适中的水温（Water temperature）以平衡萌发速度和微生物控制；以及微生物安全（Microbial quality），因为水培饲料收获后即鲜喂，灌溉水必须微生物学安全，以防止霉菌（如曲霉属、青霉属）和细菌污染。水处理策略（Water treatment strategies）对于确保饲料均匀性、卫生和生产力至关重要。机械过滤（Filtration）是首要步骤，用于去除悬浮固体、有机碎屑和颗粒物。消毒（Disinfection）用于控制细菌、真菌和藻类污染，常用低剂量氯化（<2 mg/L游离氯），但过量氯可能损害根组织；紫外线（UV）照射和臭氧处理等非化学方法适用于循环系统，避免残留。循环与再调节（Recirculation and reconditioning）可最大化水利用效率，但需定期结合过滤和消毒进行再调节，以防止微生物累积、生物膜形成和代谢副产物积累，否则会导致霉菌滋生和饲料生长不均。常规监测（Routine monitoring）pH、EC、温度和浊度等参数，有助于早期发现偏差并采取纠正措施。在传统的水培饲料生产中，通常不向灌溉水中添加肥料，因为谷物种子自身含有足够的内源性营养储备来支持6-8天的短暂发芽周期。尽管有实验研究评估了营养补充的效果，但通常不会显著提高干物质产量或消化率，反而增加生产成本。因此，水营养被认为是次要的、可选的增强手段，而非主要营养来源。水利用效率（Water use efficiency）是水培饲料生产的主要优势之一，研究表明，每公斤鲜饲料仅需1.5-3升水，而传统土壤栽培需70-160升。高效的灌溉技术结合水循环，使水培饲料系统特别适用于干旱和半干旱地区，但前提是持续维持水质，以防止因污染、系统故障或饲料变质造成的损失。
水培青饲料（Hydroponics green fodders）因其快速的生物质生成、最少的土地需求和高效的水资源利用，成为传统牧草种植的可行替代方案。其生物量产量（Biomass yield）和生产成本（Cost of production）受多种因素影响，不同种子类型间存在显著差异。总体而言，豆科种子如蛾豆（moth bean, 13.5 kg/kg seed）、太阳麻（sun hemp, 10.0 kg/kg seed）、豇豆（cowpea, 5.5-6.6 kg/kg seed）和马豆（horse gram, 6.0 kg/kg seed）的生物量产量持续优于多数谷物和小米。这归因于其较大的种子尺寸、较高的蛋白质储备和萌发期间子叶营养的快速动员。在谷物中，大麦和燕麦表现最突出，尤其是在7天生长期，大麦产量可达9.3 kg/kg seed。小麦产量适中（4.7-8.8 kg/kg seed）。小米（如珍珠粟、指粟、狗尾粟等）的产量相对较低（3.0-5.9 kg/kg seed）。生长期（Growth period）对产量有显著影响，对于许多谷物，将生长期从7天延长至8天可显著增加生物量。生产成本（Cost of production）因作物而异，蛾豆、玉米、大麦和太阳麻是最具成本效益的水培饲料，而小米的生产成本显著较高。从实际应用角度看，大麦、玉米、燕麦、蛾豆和太阳麻在产量、生长期和生产成本之间提供了最佳平衡，适用于小规模和商业水培单元。
水培饲料在发芽期间经历深刻的生化和结构变化，其营养价值（Nutritive value）与未发芽的谷物有显著差异。近似成分分析表明，收获时水培饲料的干物质（DM）含量适中（9-36%），反映了幼苗发育过程中高水分积累的稀释效应。尽管干物质浓度降低，但有机物（Organic Matter, OM）含量在玉米和小麦饲料中保持很高（>95%）。发芽最显著的效果是粗蛋白（CP）浓度的表观增加，特别是在豆科饲料中，如太阳麻（38.73% CP）、马豆（30.26% CP）和豇豆（27.84% CP）。谷物饲料如大麦、小麦、玉米、燕麦的CP值在10.5-19.8%之间，高于田间收割的成熟牧草。乙醚浸出物（Ether Extract, EE）含量相对较低（2-6.5%），燕麦饲料稍高（6.5%）。纤维组分如粗纤维（Crude Fiber, CF）、中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）在萌发期间会发展，大麦饲料在7-8天收获时ADF值约17%，显著低于成熟谷物牧草，表明消化率提高。非纤维性碳水化合物（Non-fiber extract, NFE）含量在谷物和小米饲料中较高，支持瘤胃发酵。矿物质方面，水培饲料含有可观的常量矿物质如钙（Ca）、磷（P）、钾（K）、镁（Mg），特别是大麦饲料在8天收获时Ca和Mg浓度较高。发芽似乎能增强几种微量矿物质的生物利用度，如铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu），例如大麦和燕麦饲料中的Fe含量高达171 mg/kg和166.8 mg/kg。维生素E（α-生育酚）是水培饲料的一个显著营养优势，燕麦饲料含量尤其高（2.6 mg/kg）。矿物质组成随生长期显著变化，研究显示Ca和P含量随生长阶段推进而增加。总体而言，水培饲料提供了营养密集、适口性好、高消化率的青饲料，可补充常规粗饲料。然而，其高水分含量需要在日粮配制中谨慎处理，以避免过度的瘤胃填充和稀释膳食干物质摄入量。收获时间（4-8天）对于优化营养密度至关重要。
水培饲料具有高水分含量（85-90%）、嫩芽和高适口性，这强烈影响畜禽的自愿采食量（Voluntary feed intake）。高水分含量导致反刍动物瘤胃快速扩张，在达到代谢饱腹之前就形成了物理限制。因此，尽管动物因水培饲料的柔软和甜味而乐于采食，但当水培饲料大量替代传统粗饲料时，总干物质摄入量（DMI）可能会下降。报道的采食量水平因物种而异：大型反刍动物（牛、水牛）每天15-25公斤，小型反刍动物0.25-2.0公斤，成年猪1.5-2.0公斤，兔0.1-0.2公斤，相当于体重的1.0-1.5%（以鲜重计）。采食量主要受体积填充、水分含量和适口性的支配。物种特异性约束决定了最大添加水平。谷物类水培饲料（如大麦、玉米、燕麦、小麦）在6-8天收获时因纤维浓度较低和可溶性碳水化合物含量较高而更受偏好。豆科水培饲料（如豇豆、太阳麻）虽然粗蛋白丰富，但由于纤维含量较高和存在次级代谢物，采食量可能较小。动物在引入水培饲料后通常需要7-10天的适应期，以达到稳定的采食水平。尽管新鲜水培饲料采食量看似可观，但其对每日总干物质摄入量的贡献相对较低，通常仅占10-25%。因此，水培饲料应被视为补充性青饲料，能提高日粮适口性、维生素供应和瘤胃功能，而非单一饲料来源。实践喂养建议：大型反刍动物每天最多15-20公斤鲜水培饲料；小型反刍动物0.5-1.0公斤；猪占日粮的10-15%；兔不超过日采食量的5-10%。这些水平可在不损害DMI或营养平衡的前提下优化采食量。
系统综述证实，水培饲料对牛和水牛的消化率、生产力和经济效益具有积极或中性影响。研究显示，水培饲料（特别是大麦和玉米）能提高营养物质消化率。例如，在反刍动物体外系统中，饲喂水培大麦可提高真实干物质消化率和总挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFA）浓度，表明瘤胃发酵效率增强。体内研究也支持这一结论，当用部分水培玉米或大麦替代常规饲料或精料时，泌乳水牛和奶牛的乳产量增加，乳脂和非脂固形物（SNF）含量改善，同时降低了饲养成本。在生长动物（如犊牛）中，当水培饲料被策略性使用时，能改善日增重（Average Daily Gain, ADG）和生长率。然而，完全替代传统饲料并未表现出额外的生产力提升，有时甚至会增加生产成本。经济收益在部分替代水平（25-60%）时通常最优。
对于山羊，以玉米和大麦为主的水培饲料能有效改善营养利用、生长性能、繁殖效率和生产经济学。当山羊日粮中添加40%的水培玉米饲料时，干物质摄入量和体重增加，同时饲养成本降低。饲喂水培大麦也能显著提高干物质、粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维的消化率。在繁殖性能方面，水培玉米饲料替代25-50%的精料蛋白能改善山羊公羊的睾丸参数、精液质量和性行为，并促进母羊的早期发情、提高受胎率和羔羊初生重。经济上，部分替代精料可降低饲养成本。
水培饲料在羊的日粮中同样能有效改善营养消化、瘤胃发酵、生长性能、产奶量、繁殖效率和经济效益。研究证实，水培大麦能提高绵羊对干物质、粗蛋白和无氮浸出物的消化率，增强瘤胃发酵活性和酶活性，改善瘤胃组织形态学。在生长羔羊中，适度添加水平（25-50%）可提高采食量、日增重和饲料转化率。对于泌乳母羊，水培饲料（包括大麦和燕麦）能增加产奶量并改善乳成分。在繁殖公羊和母羊中，水培饲料能提高激素水平、受胎率，并降低流产率。经济效益方面，饲养成本可减少30-42%，主要得益于对商业精料和传统粗饲料依赖的降低。然而，过高添加水平在某些情况下可能对生长不利。
与反刍动物相比，水培饲料在猪和兔等单胃动物中的应用效果更具差异性和物种特异性。在猪方面，尤其是在断奶后阶段，饲料能量密度和消化率至关重要。研究报道，日粮中添加15%或30%的水培小麦饲料会降低断奶仔猪的生长性能，这可能与高水分、高纤维饲料稀释了能量且增加了体积有关。然而，当用50%的水培玉米饲料替代精料时，能改善粗蛋白、粗纤维和乙醚浸出物的消化率，对生长性能产生积极影响。因此，猪的日粮中应限制低至中等添加水平，并优先选择能量密度较高的谷物饲料如玉米。对于兔子，由于其功能性盲肠和后肠发酵能力，对纤维饲料的耐受性更高，水培饲料的应用效果更为积极多样。多项研究表明，当水培大麦、燕麦或小麦替代基础日粮的30-50%时，对兔子的生长性能、饲料摄入量或屠宰率无负面影响，甚至能改善营养物质消化率、血液生化指标和瘤胃/盲肠细菌总数。在繁殖母兔中，饲喂水培小麦饲料能提高性接受能力和繁殖率。经济上，效果因饲料类型和添加水平而异。
在禽类日粮中，水培或发芽饲料通常以低至中等添加水平（一般5-30%）作为功能性饲料成分使用。当适当添加时，它们能改善生长性能、饲料效率、营养利用、抗应激能力、抗病力和产品品质。例如，用发芽高粱替代玉米能提高肉鸡屠宰体重；在玉米日粮中添加33%的发芽大麦能获得最佳生长性能；添加发芽荞麦能改善因磷缺乏而受损的生长性能。在健康方面，添加发芽豆类（如黑绿豆、绿豆）能减少肉鸡夏季的氧化应激，并保护其免受球虫病影响。发芽过程还能改善矿物质利用，如发芽荞麦能提高磷的利用率和胫骨质量。此外，水培饲料还能提升禽蛋品质，如在蛋鸡日粮中添加苜蓿和亚麻籽芽苗，可使鸡蛋富含n-3多不饱和脂肪酸、脂溶性维生素、类胡萝卜素和植物雌激素，同时降低胆固醇含量。对于火鸡和本地鸡，添加水培大麦或绿豆芽也能提高生产性能。经济上，作为部分替代品或补充剂，当它减少了对昂贵蛋白质或矿物质补充剂的依赖时，似乎具有可行性。
本系统综述整合的证据表明，水培饲料生产在技术上是可行的，为畜禽提供新鲜青饲料是一种资源高效的方法，尤其适用于土地有限、水资源短缺和气候多变的地区。在不同的生产系统中，水培饲料在短生长周期内，每单位种子都能实现高鲜生物质产出，同时比传统饲料栽培节水高达98%。发芽过程中的营养转化是其主要优势，而非绝对的干物质产量。发芽增强了粗蛋白浓度、矿物质生物利用度、抗氧化剂含量和酶活性，改善了适口性和消化率。然而，这些益处伴随着由于高水分积累导致的干物质浓度显著降低，这强调了在实际饲喂系统中控制添加水平的必要性。动物饲养试验表明，当以中等水平整合到平衡日粮中时，水培饲料可以部分替代传统青饲料或粗饲料，而不会对采食量、消化率或生产力产生不利影响。经济评估表明，当水培饲料作为补充性青饲料而非完全饲料替代品使用时最为可行。总体而言，证据支持将水培饲料视为一种战略性的营养和管理工具，而非传统饲料资源的通用替代品。其成功采纳取决于系统设计、作物选择、收获时间、水分质量管理和日粮平衡。
尽管采用率在增加，但几个关键的知识空白限制了水培饲料技术更广泛和更一致的应用。未来研究需要优先考虑：生产方案的标准化（Standardization of production protocols）；长期的动物性能和健康研究（Long-term animal performance and health studies）；干物质效率和营养密度的优化（Dry matter efficiency and nutrient density optimization）；瘤胃发酵动态和肠道健康反应（Rumen fermentation dynamics and gut health responses）；经济和生命周期可持续性评估（Economic and life-cycle sustainability assessments）；物种特异性饲喂策略的细化（Species-specific feeding strategies）；以及将水培饲料整合到气候适应性畜牧系统（climate-resilient livestock systems）。未来的研究应从概念验证转向系统优化、长期验证和可持续性基准测试，使水培饲料技术从一种替代饲喂选项转变为弹性畜牧生产体系中的明确组成部分。