Improvement of nitrogen use efficiency of feed in dairy replacement heifers in Greece

Abstract

Several practices in agriculture, as the extended use of fertilizers and manure application on fields to increase cultivation productivity have disrupted nitrogen (N) cycle. This have led to the phenomenon N cascade, which describes the creation and mobilization of inorganic reactive N (Nr) forms in different ecosystems. The Nr transformation and moving through terrestrial, aquatic and atmosphere ecosystems have caused negative environmental effects (eutrophication, soil acidification, water acidification, GHG emissions) leading to N pollution. Livestock production and, especially, dairy cattle contribute to N pollution. Increasing nitrogen use efficiency (NUE) of dairy cattle farms has been suggested as a key action towards N pollution mitigation. Dairy replacement heifers comprise a major part of dairy herds and their contribution to N pollution cannot be neglected. The age at first calving and N losses during the period of growth negatively impact overall farm NUE. Therefore, the aim of current PhD dissertation was to describe heifer rearing practices that affect NUE of replacement heifers and look into nutritional factors that may improve NUE and minimize N losses in the environment. To achieve the general aim of the current PhD thesis, three studies were conducted. In the first study, we investigated the management conditions and the current status of NUE of dairy replacement heifers in Greece. We collected data from 14 dairy farms and obtained information about the overall farm and heifer rearing management during a 2-day visit in each farm. We built, three datasets: the reproduction, growth and ration evaluation datasets. For each farm, reproduction records of the herd were retrieved and the age of first service (Τ1stSer), services/heifer and age of first calving (T1stCal) were determined. We estimated body weight (BW) in different stages by the use of measuring tape at 15-20 % of all heifer groups and we calculated the respective stage’s average daily gain (ADG). Moreover, in order to evaluate growth, the mature BW (MBW) of the cows in each herd was estimated. Growth targets based on farm’s MBW were set as follows: (1) 55% MBW at first service, (2) 85% MBW at calving (Target85) and (3) 95% MBW (Target95) at calving. Moreover, the respective ADG targets for each growth stage were set. For ration evaluation, we recorded the total mixed ration (TMR) fed to all heifer groups and we collected feed samples to be chemically analyzed. The ration evaluation was realized using the Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS v6.5). We found that T1stSer and T1stCal was 15.4 (± 2.4) and 25.3 months (± 2.65), respectively. Heifers required 1.54 services/heifer in order to achieve pregnancy. Heifer BW at T1stSer and T1stCal was 437.1 kg and 692.8 kg, respectively. These BW were within the targets of 55 % and 85 % of MBW (404 and 625 kg for T1stSer and T1stCal, respectively), however, they were achieved with 1-month delay. The first limiting factor in all cases was metabolizable energy. Metabolizable protein (MP) % was supplied above heifers’ requirements and increased along with heifers age (P <0.01). From 3 to 12 months NUE was higher (on average 26.1 %), while from 15 to 24 months NUE decreased (on average 13.0 %). We concluded that frequent BW monitoring and adjustments in nutritional management should be implemented in each growth stage according to respective requirements to avoid MP oversupply. In the second study, the effects of CP and RDP levels on N use efficiency (NUE) of dairy replacement heifers were examined. Lowering CP level without compromising growth and production or altering RDP: RUP ratio has been proposed as a nutritional strategy to decrease N excretion in the environment and improve NUE. The study comprised of 2 digestibility trials in a switchback design, with two treatments in 8 heifers (n = 8) each. Then, heifers were assigned randomly in one of two treatments. In first trial, 2 levels of CP (14.9 % DM; HCP and 12.1 % DM; LCP) were offered to heifers. In the second trial, formulated diets contained two different RDP levels (75.2 % CP; HRDP and 64.3 % CP; LRDP) in a LCP diet. Heifers were housed individually. During sampling period, we recorded offer and refusals weight and we collected offer, refusal, feed, feces, urine, rumen fluid and blood samples. In the first trial, N intake was higher in HCP compared with LCP treatment (164.9 vs 130.4 g/d, respectively, P < 0.01). The urinary N was higher for HCP heifers (60.8 and 43.1 g/d for HCP and LCP, respectively, P < 0.01). The higher N intake had corresponding effects on rumen NH3-N (12.6 and 8.1 mg/dL for HCP and LCP, respectively, P = 0.03) and blood urea levels (4.8 and 3.3 mmol/L for HCP and LCP, respectively, P < 0.01). The N balance was higher for HCP than LCP heifers (48.3 and 34.8 g/d for HCP and LCP respectively, P = 0.03), however we observed no effect of the higher CP level on NUE. In the second trial, N intake was not affected, when the RDP level was altered. Rumen NH3-N was higher for HRDP compared with LRDP treatment (10.9 and 4.5 mg/dL for HRDP and LRDP, respectively, P < 0.01). Correspondingly, blood urea N was greater for HRDP heifers (5.4 and 3.7 mmol/L for HRDP and LRDP, respectively, P < 0.01). We observed no difference on N excretion and N balance. However, a tendency for decreased NUE was observed for heifers fed the HRDP treatment (17.4 and 23.0 % for HRDP and LRDP, respectively, P = 0.10). In conclusion, even though higher CP level affected positively N balance, higher N concentration in rumen was observed, leading to increased N excretion in the environment. A constant lower CP level and lower RDP protein level appear to reduce N losses in the environment via urine. In the third study, we aimed to provide a holistic approach to improve NUE of dairy cattle farming at an animal and farm level. The holistic nutritional management (HNM) scheme is addressed to all stakeholders, who are working towards this goal. Feeding CP above requirements has been a strategy to deal with uncertainty regarding forage quality and animal’s requirements. The excessive N that is supplied to animals is excreted in the environment mainly in the form of urine and to a lesser extend contained in the feces. Traditionally, CP level of the diet has been used as an indicator of diet’s N supply, however, MP is a more accurate measure in terms of protein requirements. Main sources of MP for the animal is the rumen microbes and rumen by-pass feed protein. Microbial protein is the cheapest source of protein; however, its synthesis can be maximized when adequate levels of ME are provided. When microbial protein synthesis is maximized, NH3 production in the rumen can be reduced and as a consequence N excreted with urine is also reduced. Therefore, in ration formulation, effort should be made to maximize MP deriving from rumen microbes, while the incorporation of feed protein that escapes rumen degradation in the diets is encouraged. Besides animal’s metabolism, alterations in management practices can further improve farm NUE. The formation of different feeding groups within a herd based on groups’ productivity is a step towards increase of milk NUE and, thus, farm NUE. Moreover, the use of mechanistic nutritional models, such as The Cornell Net Protein and Carbohydrate System (CNCPS, v6.5) allows the accurate requirement prediction and prevents potential nutrient loss in the environment. Animal parameters regarding milk production, milk composition, BW, BCS and DMI are valuable inputs in order to run such nutritional models. Therefore, monitoring all the above parameters in combination with frequent feed chemical analysis and proper ration implementation (feeder performance, ration’s homogeneity) is suggested to be incorporated in farm’s routine management practices.

Διάφορες πρακτικές στον τομέα της γεωργίας, όπως η εκτεταμένη χρήση λιπασμάτων και η εναπόθεση κοπριάς στις γεωργικές εκτάσεις, για την αύξηση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών, διατάραξαν τον κύκλο του αζώτου (Ν).Αυτό οδήγησε στο φαινόμενο, γνωστό ως καταρράκτης Ν, το οποίο περιγράφει τον σχηματισμό και την κινητοποίηση ανόργανων δραστικών μορφών N (Nr) στα διάφορα οικοσυστήματα. Οι μετακινήσεις και ανταλλαγές Nr μεταξύ των εδαφικών, ατμοσφαιρικών και υδάτινων οικοσυστημάτων προκάλεσαν πολλές αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις (όξυνση εδάφους και υδάτων, ευτροφισμό, συνεισφορά στην δημιουργία αερίων του θερμοκηπίου) και αναφέρονται ως νιτρορύπανση. Η ζωική παραγωγή και, ιδιαίτερα, η γαλακτοπαραγωγός βοοτροφία θεωρείται ένας από τους τομείς που συμβάλλουν σημαντικά στην νιτρορύπανση. Η αύξηση αποδοτικότητας χρήσης Ν (ΑΧΝ) των αγελαδοτροφικών εκτροφών, έχει προταθεί ως λύση κλειδί για την άμβλυνση του προβλήματος της νιτρορύπανσης. Οι μοσχίδες αντικατάστασης αποτελούν σημαντικότατο κομμάτι των γαλακτοπαραγωγικών κοπαδιών, με την συμβολή τους στην νιτρορύπανση να μην μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα. Η ηλικία του πρώτου τοκετού και οι απώλειες Ν κατά την διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης επηρεάζουν αρνητικά την συνολική ΑΧΝ των εκτροφών. Επομένως, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να περιγράψει τις πρακτικές εκτροφής των μοσχίδων αντικατάστασης που επηρεάζουν την ΑΧΝ της τροφής των μοσχίδων αντικατάστασης και να διερευνήσει διατροφικούς παράγοντες που μπορεί να βελτιώσουν την ΑΧΝ της τροφής, μειώνοντας τις απώλειες Ν στο περιβάλλον. Προς επίτευξη του στόχου αυτού, διεξήχθησαν τρεις μελέτες.Στην πρώτη μελέτη, διερευνήθηκαν οι συνθήκες διαχείρισης και η τρέχουσα κατάσταση της ΑΧΝ της τροφής των μοσχίδων αντικατάστασης γαλακτοπαραγωγικής κατεύθυνσης στην Ελλάδα. Συνολικά συλλέχθηκαν δεδομένα από 14 εκτροφές γαλακτοπαραγωγικής κατεύθυνσης. Κατά την επίσκεψη διάρκειας 2 ημερών σε κάθε εκτροφή, συλλέχθηκαν πληροφορίες σχετικά με την διαχείριση όλης της εκτροφής, αλλά και αυτή των μοσχίδων αντικατάστασης. Έτσι, δημιουργήθηκαν 3 βάσεις δεδομένων για την αξιολόγηση της αναπαραγωγής, της ανάπτυξης και των σιτηρεσίων. Για κάθε εκτροφή, ανακτήθηκαν αναπαραγωγικά στοιχεία όλων των αγελάδων της εκτροφής και η ηλικία της πρώτης αναπαραγωγής (T1stSer), τεχνητές σπερματεγχύσεις (ΤΣ)/μοσχίδα και η ηλικία πρώτου τοκετού (T1stCal) προσδιορίστηκαν. Στα διάφορα αναπτυξιακά στάδια, το σωματικό βάρος (ΣΒ) για το 15-20 % όλων των ομάδων των μοσχίδων εκτιμήθηκε με χρήση μετρικής ταινίας και υπολογίστηκε η αντίστοιχη μέση ημερήσια αύξηση βάρους (ΜΗΑΒ). Επιπλέον, για την αξιολόγηση της ανάπτυξης, εκτιμήθηκε το ενήλικο σωματικό βάρος (ΕΣΒ) των αγελάδων κάθε εκτροφής. Στόχοι ανάπτυξης τέθηκαν με βάση το ΕΣΒ κάθε εκτροφής ως εξής: (1) 55% ΕΣΒ στην πρώτη αναπαραγωγή, (2) 85% ΕΣΒ στον τοκετό (Target85) και (3) 95% ΕΣΒ στον τοκετό (Target95). Επιπρόσθετα, τέθηκαν οι αντίστοιχοι στόχοι ΜΗΑΒ για κάθε αναπτυξιακό στάδιο. Για την αξιολόγηση των σιτηρεσίων, καταγράφηκαν τα σιτηρέσια ολικής ανάμειξης που χορηγούνταν σε όλες τις ομάδες των μοσχίδων και συλλέχθηκαν δείγματα των επιμέρους ζωοτροφών, τα οποία και αναλύθηκαν χημικά. Η αξιολόγηση των σιτηρεσίων έγινε με την χρήση του διατροφικού μοντέλου Cornell Net Carbohydrate and Protein System (CNCPS v6.5). Βρέθηκε ότι η T1stSer και T1stCal ήταν 15,4 (± 2,4) και 25,3 μήνες (± 2,65), αντίστοιχα. Οι μοσχίδες χρειάστηκαν 1,54 ΤΣ/μοσχίδα για να συλλάβουν. Το ΣΒ των μοσχίδων στην T1stSer και T1stCal ήταν 437,1 κιλά and 692,8 κιλά, αντίστοιχα. Τα ΣΒ ήταν εντός των στόχων του 55 % και 85 % ΕΣΒ (404 και 625 κιλά για T1stSer και T1stCal, αντίστοιχα), ωστόσο η έναρξη της αναπαραγωγής έγινε με ένα μήνα καθυστέρηση. Σε όλες τις περιπτώσεις, η μεταβολιστέα ενέργεια ήταν ο πρώτος περιοριστικός παράγοντας. Η μεταβολιστέα πρωτείνη (ΜΠ) χορηγήθηκε σε πλεόνασμα υπερβαίνοντας τις ανάγκες των μοσχίδων, με το πλεόνασμα ΜΠ να αυξάνεται με την αύξηση της ηλικίας των μοσχίδων (P <0.01). Για την περίοδο 3 έως 12 μηνών, η ΑΧΝ ήταν υψηλότερη (μέσος όρος 26.1 %), ενώ από 15 έως 24 μηνών η ΑΧΝ μειώθηκε (μέσος όρος 13,0 %). Συμπερασματικά, συχνή παρακολούθηση του ΣΒ και προσαρμογή της διατροφικής διαχείρισης ανάλογα με το αναπτυξιακό στάδιο και τις ανάγκες των μοσχίδων είναι αναγκαία προκειμένου να αποφευχθεί η χορήγηση περίσσειας ΜΠ. Στην δεύτερη μελέτη, διερευνήθηκε η επίδραση του επιπέδου ολικών αζωτούχων ουσιών (ΟΑΟ) και πεπτής πρωτεΐνης στη μεγάλη κοιλία (ΠΠ) στην ΑΧΝ της τροφής των μοσχίδων αντικατάστασης. Η μείωση του επιπέδου των ΟΑΟ χωρίς να επηρεαστεί η παραγωγικότητα (ανάπτυξη, γαλακτοπαραγωγή) ή η μεταβολή της αναλογίας μεταξύ ΠΠ και μη πεπτής πρωτεΐνης στη μεγάλη κοιλία (ΜΠΠ), έχουν προταθεί ως διατροφικές στρατηγικές για την μείωση της απέκκρισης του Ν στο περιβάλλον και βελτίωση της ΑΧΝ της τροφής. Η μελέτη περιέλαβε 2 δοκιμές πεπτικότητας σε πειραματικό σχεδιασμό διασταύρωσης, με δύο επεμβάσεις σε 8 μοσχίδες (n = 8) η κάθε μία. Στις μοσχίδες ανατέθηκε τυχαία μία από τις 2 επεμβάσεις. Στην πρώτη δοκιμή, 2 επίπεδα ΟΑΟ (14,9 % ΞΟ; HCP και 12,1 % ΞΟ; LCP) χορηγήθηκαν στις μοσχίδες. Στην δεύτερη δοκιμή, τα σιτηρέσια περιείχαν δύο διαφορετικά επίπεδα ΠΠ (75,2 % ΟΑΟ; HRDP και 64,3 % ΟΑΟ; LRDP) με ένα χαμηλό επίπεδο ΟΑΟ. Οι μοσχίδες στεγάστηκαν ατομικά. Κατά την διάρκεια της δειγματοληπτικής περιόδου, καταγράφηκε η χορηγούμενη προσφερόμενη ποσότητα και ποσότητα της άρνησης του σιτηρεσίου και λήφθηκαν δείγματα της προσφοράς, άρνησης, ζωοτροφών, κοπράνων, ούρων, υγρού μεγάλης κοιλίας και αίματος. Στην πρώτη δοκιμή, η κατανάλωση N ήταν υψηλότερη για την επέμβαση HCP σε σύγκριση με την LCP (164,9 έναντι 130,4 γρ/ημέρα, αντίστοιχα, P < 0.01). Η περιεκτικότητα των ούρων σε N ήταν υψηλότερη για τις μοσχίδες HCP (60,8 και 43,1 γρ/ημέρα για HCP και LCP, αντίστοιχα, P < 0.01). Η υψηλότερη κατανάλωση Ν είχε την αντίστοιχη επίδραση στο αμμωνιακό Ν του υγρού μεγάλης κοιλίας (12,6 και 8,1 mg/dL για HCP και LCP, αντίστοιχα, P = 0.03) και στα επίπεδα ουρίας του αίματος (4,8 και 3,3 mmol/L για HCP και LCP, αντίστοιχα, P < 0.01). Το ισοζύγιο Ν ήταν υψηλότερο για τις μοσχίδες της HCP από ότι στις μοσχίδες της LCP (48,3 και 34,8 γρ/ημέρα για HCP και LCP αντίστοιχα, P = 0.03), ωστόσο δεν παρατηρήθηκε κάποια επίδραση του υψηλότερου επιπέδου ΟΑΟ στην ΑΧΝ της τροφής. Στην δεύτερη δοκιμή, η κατανάλωση Ν δεν επηρεάστηκε από το διαφορετικό επίπεδο ΠΠ. Το αμμωνιακό Ν του υγρού μεγάλης κοιλίας ήταν υψηλότερο για την επέμβαση HRDP σε σύγκριση με την LRDP (10,9 και 4,5 mg/dL για HRDP και LRDP, αντίστοιχα, P < 0.01). Η ουρία στο αίμα ήταν υψηλότερη για τις μοσχίδες HRDP (5,4 και 3,7 mmol/L για HRDP και LRDP, αντίστοιχα, P < 0.01). Δεν παρατηρήθηκε διαφορά στην απέκκριση και το ισοζύγιο του Ν. Παρ’ όλα αυτά, μία τάση για μειωμένη ΑΧΝ της τροφής παρατηρήθηκε για τις μοσχίδες της HRDP (17,4 και 23,0 % για HRDP και LRDP, αντίστοιχα, P = 0.10). Συμπερασματικά, ακόμη και αν το υψηλότερο επίπεδο ΟΑΟ επηρέασε θετικά το ισοζύγιο Ν, αυτό έγινε με υψηλότερη συγκέντρωση Ν στην μεγάλη κοιλία, οδηγώντας σε υψηλότερη απέκκριση του Ν στο περιβάλλον. Σε ένα σταθερό χαμηλό επίπεδο ΟΑΟ, το χαμηλότερο επίπεδο ΠΠ φαίνεται να μειώνει τις απώλειες Ν στο περιβάλλον μέσω των ούρων. Στην τρίτη μελέτη, σκοπός ήταν η δημιουργία μίας ολιστικής προσέγγισης της διατροφής για την βελτίωση της ΑΧΝ των γαλακτοπαραγωγικών εκτροφών, τόσο σε επίπεδο ζώου όσο και εκτροφής. Το σχήμα της ολιστικής διατροφικής διαχείρισης (HNM) απευθύνεται σε όλους τους ενδιαφερόμενους που εργάζονται την αύξηση της ΑΧΝ. Η χορήγηση ΟΑΟ υπερβαίνοντας τις ανάγκες των ζώων, υπήρξε ένας τρόπος αντιμετώπισης της αβεβαιότητας σε ότι αφορά την διακύμανση της χημικής σύστασης των χονδροειδών ζωοτροφών, αλλά και των διατροφικών των αναγκών. Το πλεονασματικό Ν που χορηγείται στα ζώα, απεκκρίνεται στο περιβάλλον κυρίως μέσω των ούρων και σε λιγότερο βαθμό μέσω των κοπράνων. Γενικά, το επίπεδο των ΟΑΟ χρησιμοποιούνταν ως ένδειξη της χορήγησης Ν, ωστόσο η ΜΠ είναι ακριβέστερο μέτρο των πρωτεϊνικών αναγκών. Κύριες πηγές ΜΠ για το ζώο είναι οι μικροοργανισμοί της μεγάλης κοιλίας και η πρωτεΐνη της τροφής που προσπερνά την αποδόμηση στην μεγάλη κοιλία. Η μικροβιακή πρωτεΐνη είναι η φθηνότερη πηγή πρωτεΐνης για το ζώο, ωστόσο η μεγιστοποίηση της σύνθεσης της γίνεται όταν χορηγούνται επίσης επαρκή επίπεδα μεταβολιστέας ενέργειας. Όταν η σύνθεση της μικροβιακής πρωτεΐνης έχει μεγιστοποιηθεί, η παραγωγή αμμωνίας στην μεγάλη κοιλία μπορεί να μειωθεί, με αποτέλεσμα την μείωση της απέκκρισης Ν μέσω των ούρων. Επομένως, κατά την κατάρτιση σιτηρεσίων, προσπάθεια πρέπει να γίνεται για την μεγιστοποίηση της ΜΠ που προέρχεται από τους μικροοργανισμούς, ενώ ενθαρρύνεται η ένταξη ζωοτροφών στα σιτηρέσια που είναι διαθέσιμες μετά την μεγάλη κοιλία.Πέρα από τον μεταβολισμό του ζώου, διαφοροποιήσεις στις πρακτικές διαχείρισης μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω την ΑΧΝ των εκτροφών. Η δημιουργία διατροφικών ομάδων με βάση την παραγωγικότητα εντός του κοπαδιού, είναι ένα βήμα προς την αύξηση της ΑΧΝ στο γάλα και επομένως όλης της εκτροφής. Επιπλέον, η χρήση μηχανιστικών διατροφικών μοντέλων όπως το Cornell Net Protein and Carbohydrate System (CNCPS, v6.5) επιτρέπει την ακριβή πρόβλεψη των αναγκών και αποτρέπει πιθανές απώλειες των θρεπτικών στο περιβάλλον. Παράγοντες που αφορούν το ζώο, όπως γαλακτοπαραγωγή, σύνθεση γάλακτος, ΣΒ, δείκτης σωματικής διάπλασης και κατανάλωση ξηράς ουσίας είναι πολύτιμες εισροές σε τέτοιου είδους μοντέλα. Επομένως, η παρακολούθηση όλων των παραπάνω παραγόντων, η συχνή χημική ανάλυση των ζωοτροφών και η κατάλληλη εφαρμογή των σιτηρεσίων (απόδοση προσωπικού, ομοιογένεια σιτηρεσίου) συνιστάται να ενταχθούν στις πρακτικές διαχείρισης κάθε εκτροφής.