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LED光谱-肉鸡生长关系模型及机制

【摘要】:精细化管理是畜牧业发展的必然趋势。目前精准畜牧业的研究多数集中在养殖信息实时感知技术、精细养殖共享平台构建,而精准环境参数与动物生长藕合模型的基础研究较少,其中光照模型的研究尤其匮乏。由于缺乏合理的决策模型,导致获取的"农业大数据"无法有效的支持生产决策。因此,精准环境参数下动物生长模型是实现畜牧业精细化管理的先决条件之一。家禽视网膜视锥细胞以"超齐构体"的结构相互嵌合,使其拥有高度发达的视觉系统。而发光二极管(Light-emitting-diode,LED)作为新一代照明光源的翘楚,凭借其精准可控的特点为探索光信息-家禽生长模型提供了良好的载体。本研究依托家禽优越的视觉机能和LED的精准可控性,构建LED光信息-肉鸡生长关系模型,揭示LED光谱对肉鸡生长发育的多尺度作用机理,为精准畜牧业生产决策模型的构建奠定基础。本研究的主要内容及研究结论如下:(1)基于元分析数据融合的LED光谱-肉鸡生长关系模型为克服单次独立试验质量和标准很难绝对统一的缺点,本研究利用一种高效数据合并模型(元分析,Meta-analysis),对已出版的LED光谱-肉鸡生长相关主题文献的数据进行融合汇总,并提出新假说。通过对照组光源种类、肉鸡品系、肉鸡性别模式、光照度水平、光周期、育成期环境温度水平、育成期日粮营养的亚组分析,表明单色LED光谱对肉鸡体重(BW)的提升作用,与以上因素正常水平值无耦合关联(P0.05)。单色LED光谱对肉鸡的主要生产性能产生显著影响(P0.05)。其中,蓝光LED对肉鸡BW和饲料效率(FCR)的改善作用最为明显(10.66%,95%CI 8.79 to 12.53;-4.47%,95%CI-5.46 to-3.48;P0.001),红光LED对BW和FCR无影响。单色LED光谱对国际流行商品肉鸡的生产性能提升程度大于地方品种商品肉鸡。Meta回归分析表明,短波长光谱成分利于肉鸡生长发育,而长波长光谱无明显改善作用,波长每增加100nm,BW随之降低4.9%。基于此,提出新假说,合理的蓝光-绿光-黄光比例,可能会进一步提升肉鸡生长发育。(2)基于实测分析的典型单色LED光谱-肉鸡生长关系以中国特色肉鸡品种"三黄鸡"(半速生)为研究对象,对元分析数据融合结论做交叉验证分析,并探索速生和半速生肉鸡光谱响应的差异性。短波长LED光谱(蓝、绿光)促进半速生肉鸡生长,而长波长LED光谱对半速生肉鸡生长无促进作用,LED光谱波长值与半速生肉鸡 BW 呈线性负相关(30d:BW=-0.154 × wavelength + 460.1,R2= 0.8755),结果与Meta分析一致。然而,速生肉鸡和半速生肉鸡对LED光谱的反应存在一定差异性,半速生肉鸡在生长后期(60日龄),红光LED饲养下的肉鸡出现补偿性生长,生长优势逐渐凸显,回归分析表明LED波长值与半速生肉鸡生长后期体重有正相关性关系(72d:BW = 0.164 × wavelength+1081.2,R2 = 0.9251)。(3)蓝×绿LED光谱-肉鸡生长关系基于元分析融合结果,构建肉鸡生长优势光谱的LED组合光谱,探讨肉鸡生长优势光谱之间是否存在协同作用或拮抗作用,对元分析数据融合结果提出的新假说进行验证。肉鸡生长优势光谱之间同时存在协同作用和拮抗作用,光谱成分比例决定了起主导作用的是协同作用或是拮抗作用。与纯色光谱相比,绿×蓝LED组合光谱中蓝光成分高于50%时,肉鸡生长优势光谱起促生长协同作用;绿×蓝LED组合光谱中蓝光成分低于50%时,肉鸡生长优势光谱起促生长拮抗作用。(4)白×黄LED光谱-肉鸡生长关系为避免肉鸡生长优势光谱的负面效应,以人眼柔和型光谱—黄色LED光谱为基础,构建高光效白×黄LED组合光谱,并探讨了组合光谱的剂量学效应。白×黄LED组合光谱成分中黄光成分比例对肉鸡体重、料肉比、骨骼发育、可食内脏重以及体表温度有显著性影响(P0.05)。白×黄LED组合光谱中黄光成分比例的连续变化,可引起肉鸡生长发育指标的连续性变化,呈"正-负"效应。白×黄LED组合光谱中黄光成分比例越高,对肉鸡体重、腹部脂肪重、胫骨长度、龙骨长度以及体表温度的正面效应越大;白×黄LED组合光谱中黄光成分比例越低,相应的负面效应越大。(5)LED光谱-肉鸡生长的生理学机制通过多尺度生理学指标监测,结合主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和Pearson相关性模型构建光信息的生理学机制。4个单色光谱处理组的9个生理学指标(144个原始指标)的PCA分析结果显示各处理组聚类趋势明显。光信息可通过改变甘油三酯代谢、Ca营养吸收以及甲状腺激素分泌,从而显著增加腹脂沉积、增强关键骨骼发育、改变内分泌状态,最终影响鸡只体重重。(6)LED光谱-肉鸡生长的摄入-排泄学机制从摄入-排泄平衡的角度探讨了 LED光信息对饮食饮水的摄入特性以及排泄特性及影响肉鸡生长发育的机理。典型光谱对鸡只的摄食量、日粮代谢能以及粗蛋白的摄入无显著影响(P0.05);典型光谱下鸡只的饮水量差异显著(P0.05)。对排泄特性的研究表明,典型光谱对鸡只粪便量产生显著影响(P0.05);Pearson分析显示,鸡只粪便产量与摄食量存在线性正相关性(R2=0.841;P0.01);饮水量与粪便含水率显著正相关(R2=0.5257;P0.01);粪便挥发性固体含量与含水率正相关(R2=0.428;P0.01)。因此,典型单色LED光谱引起鸡只的摄入-排泄向肉鸡生长方向偏移,导致鸡只的生长速率和饲料利用率的差异,影响机体生长发育。(7)LED光谱-肉鸡生长的行为学机制从行为学角度探讨了 LED光信息对肉鸡行为特性和行为节律的影响及其与肉鸡生长发育的内在适应性联系。行为监测结果表明,绿光和蓝光LED下饮食行为占比高达34.0%(14d)、32.3%(28d)、31.5%(42d)和 36.2%(14d)、38.7%(28d)、40.5%(42d),而红光 LED 下行走行为占比高达 45.1%(14d)、53.6%(28d)和 30.9%(42d),红光下站立行为占比高达32.2%(14d)、56%(28d)和50%(42d)。节律监测结果提示,红光LED下鸡只集中出现在Afternoon、Evening和Night,时段(24.1%-41.4%);且红光LED下高频率的出现行为,多数以行走、站立等"非生长性"能耗行为的表达,饮食行为的时间集中性高。而蓝光LED下鸡只在4个时段内出现频率和饮食频率十分均匀(21.7%-25.2%;14.1-35.2%),且在Night时段内鸡只仍保持较高水平的饮食行为(14.1%)。因此,蓝光可降低"非生长性"行为表达以及降低应激反应能耗,将更多的能量用于生长发育。同时光谱虽然不影响摄食总量,但蓝光可改变鸡只饮食习性,使得鸡只饮食平均分布在一整天的时段内,利于饲料消化和吸收,促进鸡只生长发育。

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