能量代谢研究动态和趋势

杨华明 张国良

（吉林省农业科学院畜牧科学分院）

摘要：项目研制的牛、羊用两套三室并联开放式呼吸代谢测定装置，是研究动物能量物质代谢

新型专用测试仪器。该装置系统中的呼吸代谢测定室内能长时间真实跟踪模拟异地动物舍饲内和

外气候环境。根据试验研究的不同需要，可分别提供4种采集分析模式。通过控制各种电磁阀和

路与三个并联的呼吸代谢测定室相连接，并与户外新鲜空气相连通，分别按时间顺序定时切换测

采集和储存的数据有（1） O2%；（2)CO2%；（3)CH4%；（4、5）进、排各呼吸代谢测定室的气体

（L/min ，在标准状态下VSTP)；（6）温度；（7）湿度；（8）气压；（9）风速米/秒；（10）

照强度等。该装置中的气体分析仪、数据采集控制仪、软件工作站和进、排气装置等系统的主要

器，均为自主研发，根据实验需要具有多种智能和升级功能。该装置用于研究我国动物能量代谢

律和反刍动物甲烷产生量，并通过实施各种减排措施后，对减少饲料能量损失和提高饲料利用率

及缓解温室效应具有重大现实意义。

（一）立项依据与研究内容

1、项目的立项依据 1.1研究意义

反刍动物牛、羊等在生产过程中，经瘤胃发酵和肠道消化产生的两种气体排放物甲烷（CH4）

氧化碳（CO2），均为国际上公认的主要限制排放的温室气体，而甲烷的温室效应约是CO2的24.5

这两种气体对人类健康及生态环境产生极大的负面影响。全球每年排入大气的甲烷量是0.4—0.6

，其中约三分之一来自人类农业生产活动，而且每年以2.34%的速度增长，其中来自反刍动物的800万吨，占排放总量的15%—25%，对全球气候变暖产生越来越严重的影响，已引起各国的广

注。近十年随着我国奶牛、肉牛等大型反刍动物养殖数量增加，甲烷的排放量也随之快速增长，

动物排放甲烷的能量约占饲料总能量的2—15%，即在反刍动物的消化代谢过程中有2—15%的能

被转变成甲烷而浪费掉。本项目研制“牛、羊用三室并联开放式呼吸代谢测定装置”，是在已有

究成果基础上，针对近年动物营养科研发展趋势和实际需要而设计提出的。该装置能准确监测反

动物的甲烷、二氧化碳产生量及其规律，在此基础上通过营养调控技术研究，既可控制甲烷的生

量，同时还能相对提高反刍动物生产性能。能有效控制反刍动物甲烷排放量，还可以缓解温室效

因此减少反刍动物甲烷的排放量，对于减少饲料能量的损失，提高饲料利用率和缓解温室效应，

具有重大的现实意义。

该装置专用于牛、羊等反刍动物的呼吸气体代谢试验，与能量物质代谢、营养需要和制定科学

粮饲养标准等科研工作密切结合，能够获得多方面更为理想的研究成果，填补我国在牛、羊大型

反刍动物营养和繁育研究的多项空白。

1.2 国内外研究现状

近40年来，畜牧业先进国家都对反刍动物能量、蛋白质营养进行了大量深入的研究，反刍动

的饲养体系已经科学化、标准化，如美国、英国、荷兰、澳大利亚、丹麦和法国等，都相继制定

本国的饲养标准，而它们的这些研究，大多是利用了“开放式呼吸代谢测定装置”后，才得出各

项科学试验结果。

我国，自80年代初期至90年代，相继有著名动物营养学家杨诗兴、杨嘉实、冯仰廉等开展呼

代谢测定装置研究工作，并研制成功面罩式、密闭式、开放式等各种呼吸代谢测定装置。从而开

定出动物呼出产生CO2、CH4和耗 O2量的研究工作，填补了该领域国内空白。当时我国的呼吸代谢测定装置研制处于初级研制阶段，只是把甲烷气体作为能量损失来进行计算和研究。 随着生物科学及电子技术的发展，2008和2009两年间，在我国又出现了新的（第二次）“能

谢”或“呼吸代谢”的研究热潮，其进展之迅速，是前所未有的。如，江苏省体育科学研究所、

家体育总局体育科学研究所，已先后从美国引进了人用的呼吸代谢测定装置系统；中国农业科学

畜牧兽医研究所，由美国引进三套牛的呼吸测热室，气体分析仪等主要设备；山东大学也从美国

引进了一套小型动物呼吸代谢测定装置。

为了加强这个领域的科研，在21世纪初，吉林省农业科学院曾研制出一台中型开放式呼吸代

定装置，采用了CO2、CH4和 O2等自动分析仪，该装置具有在线测定、自动记录、可控温等功能，

达到了国内同类技术研究的领先水平。并于2008、2009年对前述的已经研制成功的中型开放式

吸代谢测定装置，再次对其中的核心技术系统做了全面改造并积累了新的经验。同时，首次在国

研制成功了小型动物专用的新型“三室并联开放式呼吸代谢测定装置”，经对大白鼠实验结果认

为：装置设计合理、性能稳定，首次得到可喜的新研究结果。

2008年，吉林省农业科学院（中国农业科技东北创新中心）畜牧科学分院畜禽能量代谢实验

的负责人杨华明，受中国农业大学（农业部饲料工业中心）特邀，参与了该单位立项“猪用三室

联开放式呼吸代谢测定装置”的设计研制。利用自动化控制装置，实现了呼吸代谢气体的在线监

和数据采集；装置总体研究水平和装备性能达到国际先进水平。此外，在近几年间，我国上马的

放式呼吸代谢测定装置购置设备项目中，其核心技术气体分析系统、计算机控制、软件工作站、

气体采集系统和进、排气系统等都是从国外引进的，这一技术目前在国内为空白。

1.3 参考文献及网址：

【1】 郭成， 家畜能量代谢呼吸试验装置的研究. 中国畜牧杂志.1983.05 8—11. 【2】杨嘉实，猪用回流密闭式呼吸装置 . 中国兽医学报.1983.11第14卷 第4期242—247. 【3】李玉芝，李茫雪，孙黎. 开放式呼吸测热系统的研制. 动物营养学报志.1998.07. 第10

卷3期29—34.

【4】冯仰廉，张晓明，李爱科等.自控大型双呼吸测热室的研制.中国畜牧杂志，1989，（01）

3—7.

【5】杨嘉实，苏秀霞，杨华明，郝春学，马西艺.中小动物新型自控“开放”“启闭”兼用式

呼吸测热装置.中国动物营养新进展，1992. 604—607.

【6】李胜利，金鑫，范学珊，黄文明，贾志军.反刍动物生产与碳减排措施.动物营养学报2010

年22（1）：2—9.

【7】周怿.刁其玉，奶牛和肉牛甲烷气体排放预测.中国奶牛、2008年第11期46-50. 【8】王成杰，汪诗平，周禾.放牧家畜甲烷气体排放量测定方法研究进展，草业学报2006年，

第15卷第1期113-116.

【9】张晓庆，金艳梅.那日苏反刍动物甲烷生成量的调控.家畜生态学报2006年11月第22卷

第6期1-4.

【10】杨嘉实. 冯仰廉，畜禽能量代谢 中国农业出版社 2004年

【11】杨嘉实，畜禽能量代谢研究简要历史回顾和今后发展建议.动物科技国际研讨会论文集.

北京.2007.111—115.

【12】http://www.fhsci.com.cn/fhsci-ChiClass-2169465-1.html 产品名称：动物呼吸代谢检测仪（calorimetry system） 产地：德国 【13】http://www.tse-systems.com/calorimetry/calorimetry.htm

http://www.naturegene.cn/naturegene-Product-2701923.html

产品名称：动物代谢测量分析系统. 产品型号：LabMaster 产地：美国 美国自然基因有公司（NatureGene Corp.,USA)

描述：能同时检测代谢情况，小动物笼内活动情况以及饮食行为；能检测O2&CO2浓度，空气流以及温度，计算O2消耗量（VO2），CO2产生量（VCO2），呼吸交换率（RER）以及热量；运动参数总活动，步行以及饮食行为；得到食物和液体消耗量，精确到0.01g或ml，同时能记录排粪和

排尿量。系统配合LabMaster软件可进行实验设计、数据记录和分析过程。

【14】http://www.bio-equip.com/showlequip.asp?equipid=308669&division=2601

产品名称：多功能便携式动物呼吸代谢测量系统

英文名称：FOXBOX 产地： 美国

【15】Rodriguez,NM;Campos,WE;Lachica,M. A calorimetry system for metabolism trials. 2nd International Symposium on Energy and Protein Metabolism and Nutrition, SEP 09-13,2007 Vichy FRANCE. Energy and protein metabolism and nutrition.

2007.(124): 215-216 描述：代谢试验用测热系统。

2、项目的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题

牛、羊新型自控开放式呼吸代谢测定装置研制，涉及到电子、软件、传感器、自动控制、气象、

压、空气动力、机械加工、动物营养生理和饲料科学等多种学科。在设计时考虑到既能做重复或

行试验，又要考虑分析气体的气路循环时间等多种复杂因素，因此分别设计并研制成牛、羊专用

的三室并联开放式呼吸代谢测定装置。

2.1 研究内容

2.1.1高精度气体在线分析仪系统的研制 2.1.2 数据采集控制系统和软件工作站建立

（1）拟通过Internet网对各种数据远程传输和智能数据采集控制仪的控制，使动物呼吸代谢

内能长时间（多昼夜）准确真实跟踪模拟远距离的动物舍饲内或户外的有关气候条件。同时，按

定的时间间隔，分别按顺序自动切换测试，并在延时后采集气样，通过一套气体分析仪采集的数

据，分别进入4个独立的数据库。

（2）拟将采集后的数据，和时间值一起，连续地存储（支持断电保存）于数据采集控制仪中。

储的数据可随时通过局域网络或串行通讯线，传送至工作站。工作站软件可对数据做线性化、拟

合、合并连接等后续处理，并生成曲线和表格，供科研人员分析使用。

2.1.3牛、羊呼吸代谢室的研制

（1）每个动物呼吸代谢室内，既是放置被测动物的场所，又是温度、湿度、气压、风速传感

器和照明灯具等设备放置的地方，用以准确检测室内的各种动态变化。

（2）设立户外空气进气口和室内气体混合后排气口，并利用循环回流风道，使动物呼出气体

和户外空气很好交换的目的。 2.1.4进气和排气的装置系统。

（1） 进气装置：根据各种动物呼吸代谢试验要求，湿度应控制在45—90%范围之内，为达到

状态，有效控制湿度（动物在呼吸过程中产生CO2和H2O），需将户外的空气在进入呼吸室以前

进行干燥处理。

（2）排气装置：用旋涡式风机将呼吸代谢室内的混合后的气体抽出室外。并根据被试动物体

重的大小，利用变频器来调节电机的频率，即调节排气量（L/min）。

2.1.5装载被试动物的代谢架（笼）。

为防止在试验期间不发生意外。根据被试动物的大小的不同，设计出各种限位使用的代谢架

（笼）。

（1）羊的代谢笼的上方装有自动下料的饲料槽和一个饮水槽；代谢笼下方，有固定的接粪、

接尿器具。

（2）专为牛设计的是多功能代谢固定架，与羊不同。它的自动接粪、接尿器等设备，是在固

定架下方的地下室内。

2.2 研究目标以及拟解决的关键问题

研究目标：根据多年实践经验的积累，研制出牛、羊三室并联开放式呼吸代谢测定装置系统各

一套。 2.2.1技术性能

（1）该装置系统测试气体精确度高，稳定性好。 （2）设备的机械化、智能化程度高，操作简便。

2.2.2技术参数 （1）气体分析仪测量参数

测量参量 O2 CO2 CH4 NH3 测量参量 气体流量（牛用） 气体流量（羊用） 单ppm ppm ppm ppm 单L/min L/min 量程 18.0000-21.0000 0-20000 0-2000 0-1000 量程 120—1200 5—120 精度 满量程〒1% 满量程〒2% 满量程〒2% 满量程〒2% 精度满量程〒0.5% 满量程〒0.3% 分10 5 2 2 分0.5 0.3 （2）动物呼吸代谢室内有关环境条件参数

位 温度 相对湿度 气压 ℃ % mbar 光照强度 LUX/Fc 风速 米/秒 0—5 〒0.1 20—20000 〒0.5 -10- 50 40-95 600—1418 〒0.5 〒3% 〒2mbar 辨力 0.1 1% 0.1 mbar 0.1 （3）数据采集控制仪技术参数（略）

2.2.3 技术水平

本项目

0.1 研制的开放式呼吸代谢装置，其总体

研究技术水平及装备性能，具有国际先进水平。

2.3 拟解决的关键问题

（1）为提高CO2、CH4和O2气体分析仪的准确度，自主研发出一体机。

（2）将温度、湿度、风速、光照等传感器信号的参数传递到互联网软件工作站，将其下载到

数据采集控制仪中。

（3）利用变频器技术，调节动物呼吸室内风机的风速来模拟动物舍内或户外的风速。 （4）利用无油空气压缩机等设备，自动制取干燥空气，提供给动物呼吸室内的动物之用。

2.4动物应用试验的预期结果

（1） 用反刍动物牛、羊分别测试所研制测定装置的功能及其可靠性、稳定性。 （2）分别测定牛、羊在不同生长阶段的气体代谢结果和CH4产生的规律；研究采取饲喂非营养

性和营养性等添加剂后，对CH4减排的影响效果。

3、拟采取的研究方案及可行性分析

项目所研究的装置系统，主要是在动物呼吸代谢室内长时间（多昼夜）准确真实模拟远距离的

物舍饲内或户外的有关气候条件下，对有关气体成分进行测定，因此装置内有关气路走向等运行

序，直接影响装置的实际效果。装置的其它部分已经在前面的说明中有较全面地阐述，并且多是

用较为成熟经验而研制成的。该装置总体气路走向设计、气体分析仪和数据采集控制仪研制等作

为装置的核心技术，可以成为项目可行性论证的依据。下面以4个简图示意。

3.1总装置的气路简图（略）

3.2 气体分析仪气路的简图（略） 3.3 数据采集控制仪原理简图（略）

3.4 真实跟踪动物舍饲内环境条件下的三室并联呼吸代谢测定系统简图（略）

4、本项目的特色与创新之处

（1）通过Internet网对各种数据远程传输和智能数据采集控制仪的控制，使动物呼吸代谢室

长时间（多昼夜）准确真实模拟远距离的动物舍饲内或户外的有关气候条件。如，温度、湿度、

风速、光照等。

（2）①将气体分析仪，研制成为一体机型。

② 被采集的分析气体，分析结束后，又流回原来各自的动物呼吸代谢室内，使气体分析结果

更加准确。

（3）数据采集控制和工作站，根据不同试验要求分别提供4钟采集模式。①.单通道采集模式。

②.双通道采集模式。③.三通道采集模式。④.四通道采集模式。

（4）利用变频技术实现了进、排气流量的自由调节，使得测试牛的体重在30—1000kg范围之

内，羊的测试体重在5—100kg范围之内。

上述创新之处，具有自主知识产权。

（二）研究基础与工作条件

1、工作基础

吉林省农业科学院畜牧科学分院，早在“八十”年代中期，就率先建立了农业部认定的中小动

能量代谢实验室，自行设计和制造了六台固定式的呼吸测热装置，完成了以羊、猪、鸡和毛皮动

为重点的基础代谢、生长代谢以及营养需要基本参数的测试，为我国猪、鸡和特种动物等饲养标

的制定和饲粮配制提供了科学依据，填补了多项国内空白，有关专家组评议认为整体技术研究达

国际先进水平，并被列入国际同类能量代谢实验室之一。以本实验室为基地，多次承办了国外与

内同行专家学术交流会，在国内外家畜能量代谢领域享有盛名。为强化这个学科科研能力，不断

研究质量和水平，2004年在吉林省科技厅的大力支持下，吉林省农业科学院将能量代谢实验室

为全院重点实验室建设的项目之一，又自行设计研制了一台可供中型动物用的新型开放式呼吸测热装置。该装置可长时间昼夜在线测定，计算机自动控制、显示、并能贮存试验结果。 氧气、二氧化碳、甲烷气体测试精度可达到ppm级，为国内首创，达到国内同类研究的领先水

。利用该设备先后完成了吉林省科技厅重点项目“舍饲肉羊能量与蛋白质代谢特点的研究”；豁

、莱茵鹅、朗德鹅的基础代谢试验研究工作。对吉林省优良地方品种—松辽黑猪，进行了能量与

白质需要量，以及新吉细毛羊的能量和蛋白质的代谢特点的研究。还与宁夏农林科学院畜牧所合

，利用本院实验条件，全面研究完成在舍饲条件下“滩羊”的能量代谢规律和营养需要、饲养标

准制定。

2008年12月，吉林省科学技术厅组织有关专家组，对吉林省农科院承担的 “动物能量代谢

吸测热装置”项目等，进行了验收鉴定，认为：装置的自动化程度高、设计工艺先进，综合评价

达到国内领先水平。

杨华明被特邀参与了中国农业大学主持的“中型动物自动呼吸代谢室装置的研制与应用”项目

术设计，2009年5月专家组进行成果鉴定认为：这套猪用三室并联开放式呼吸代谢装置的总体

究水平和装备性能，已达到国际先进水平，建议推广应用。有关博士和专家，目前正在利用这套

装置测试玉米、麦麸、大豆粕等净能值，为建立我国猪的净能体系，提供了新的研究手段。 近两年间，在吉林省农业科学院畜牧分院，由杨华明主持，已研制成功“新型小型动物自控三

联开放式呼吸测热装置”。同时系统地进行了大白鼠各生长期的耗O2、C2O和呼吸商、代谢率等

关能量代谢试验，在国内首次获得理想结果。并获得四项国家发明专利。上述种种，都为本项目

仪器设备研制成功，提供了坚实的技术基础。

2、工作条件

本项目实施单位为吉林省农业科学院（中国农业科技东北创新中心）畜牧科学分院，是东北地

的综合科研中心，历史悠久、技术力量雄厚、试验条件优越，人员和设备资源的互补性强，对项

目实施和顺利完成十分有利，可以完全满足试验研究要求。