2 2. APR. `2005 - ETH E

DISS. ETH No. 15941
2 2. APR. '2005
Experimental determination of the fibre effectiveness of forages in
ruminants with special emphasis on pasture grass
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
For the degree of
Doctor ofNatural Sciences
Presented by
Christoph M. Graf
Dipl. Biol. Uni. Bern
Born on 13. October 1968
Citizen ofBolligen BE
Accepted on the recommendation of
Prof Dr. M. Kreuzer, examiner
Prof Dr. M. Wanner, co-examiner
Dr. F. Dohme, co-examiner
Zurich, 2005
Summary
1. Summary
In grassland-dominated regions like in Switzerland, grass-based milk production systems are of
central interest with respect to low cost production and animal welfare. Efficient grazing systems
therefore, in which the nutrient and energy requirement for the dairy cows is covered, need young and
highly digestible swards. In turn, this forage, rich in readily fermentable carbohydrates, might not
provide sufficient physical property to prevent ruminal disturbances, i.e. acidosis. A decreasing in
physical property of fibre reduces chewing activity and thus lowers saliva production. Several attempts
were made to determine the effectiveness of fibre and fibre requirements, respectively, of individual
forages for dairy cows, e.g. efficacy of structure, structure value or (physical) effective NDF. Most of
these evaluating systems are based on diets including concentrate supplementation and have
limitations, especially in grass-based diets, which were very poorly estimated. In two experiments the
effect of grass-alone diets supplemented with different forges and in different frequency of
supplementation on chewing behaviour, milk performance and ruminal fermentation were tested. In
experiment 3, forages differing in botanical characteristics, vegetation stage at harvest and
conservation type were tested by four different laboratory methods to evaluate the effects related to the
physical and chemical properties of fibres.
In the first experiment, füll-time grazing compared with part-time grazing supplemented with either
5.5 kg DM hay or maize over night in bam was tested for its effects on chewing behaviour, eating and
ruminating time, and ruminal pH. Six rumen cannulated Brown Swiss cows were used in a double
3 x 3 Latin square arrangement in three periods consisting of 21 days of adaptation and 7 days of data
and sample collection. Chewing activity and ruminal pH fluctuation were determined continuously
over 7 days using special measurement and recording systems. The device for continuous ruminal pH
measurement was developed at the Agroscope Liebefeld-Posieux., Swiss Federal Research Station for
Anima! Production and Dairy Products (ALP). The grazing system has no effect on DM intake, milk
or body weight performance. Also no differences for ruminating time occurred, but füll-time grazing
cows spent more time eating than supplemented cows. Over night, when cows got different diets,
ruminal pH did not differ. In contrast, throughout the day cows, which had got the hay supplement
over night, had a lower ruminal pH compared to the other cows. Nocturnal supplement feeding of hay
gave obviously no advantage over füll time grazing, but even led to a lower daytime pH.
In a second experiment, pasture grass combined with or without 6 kg supplemental hay, offered in
one or three equal portions, was used to determine the effects on chewing behaviour and ruminal pH.
Six rumen cannulated cows (Brown Swiss : Holstein = 1 : 1) were kept in bam and were subjected to a
double 3 x 3 Latin square design in three periods similar to the first experiment. Effects were observed
neither in body weight, milk performance nor in ruminal pH fluctuation. The eating time was
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Summary
increased in grass only fed cows compared to the hay supplemented cows, but no differences were
observed in ruminating time. Rurninal pH across the whole day was decreased in tendency when hay
was fed once a day compared with the other two treatments. Hay supplementation gave no
advantageous fermentation in the rumen compared to feeding only grass. On the other hand, hay
supplementation once a day led in tendency to a more disadvantageous ruminal environment.
In a third experiment, mixed swards in young and mature stage prepared as silage, haylage and hay
as weil as five individual plant species, i.e. English and Italian ryegrass, orchard grass, red clover and
alfalfa, of the first and second cut were tested by four laboratory methods for their effects on variables
related to the physical property of fibrousness. In addition, the contrast of two maize silages, 3 and
7 mm in length, were compared with the individual plant species. Particle size distribution was
determined by dry sieving with a particle size separator (< 8 mm, 8 - 19 and > 19) and thus the
physically effective factor (pef) was estimated by the percentage of particles > 8 mm in length. The
energy used for grinding the forage samples through a 5 mm sieve was measured. In sacco DM and
NDF degradation after 3, 6, 12, 24, 48 and 96 h as weil as VF A and gas production after 24 h of in
vitro incubation were determined. Finally, the results were compared with chemical analysis of cell
wall constituents and traits describing the effectiveness of fibres, i.e. structure value (SV) and
(physically) effective NDF, calculated by particles > 8 mm in length or by tabulate values of the
Cornell-Penn-Miner Dairy System as weil as the Cornell Net Carbohydrate and Protein System. The
grinding resistance did not or only weak differ between samples of different botanical characteristics,
vegetative stage and conservation type. Young stages and the first cuts had increased proportions of
particles < 19 mm in length as weil as in the degradable and soluble fraction of DM and NDF
degradation and the patterns of fermentation. Silage making compared to haylage or hay making
resulted in the highest proportion of particles > 19 mm, but no clear effect on in sacco and in vitro
fermentation could be observed. Orchard grass expressed the lowest percentage of particles < 19 mm
and fermentation intensity compared to the other grass and the legume species. Compared to maize,
the average of the other single species had fewer particles < 8 mm and more particles > 19 mm in
length and thus a less intense fermentation. Correlations often were significant with most of the fibre
contents and currently recommended structure-describing parameters (i.e. SV, and effective NDF's).
In conclusion, füll-time grazing in the present studies (experiment 1 and 2) never caused seriously
low ruminal pH over longer periods. But nevertheless, for almost 2 hours per day ruminal pH reached
values below 5.8. Hay, supposed to be rich in effective fibre, had no obvious positive effects in
supporting or stabilizing the ruminal pH fluctuation. Moreover hay supplementation once a day even
decreased average pH in the rumen compared to feeding only grass (both experiments) or hay
supplementation for three times a day (experiment 2). Perhaps, cows with higher milk yield and thus
depending on a higher grass intake reach therefore a lower and more detrimental pH. This effect might
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Summary
be additionally enhanced by the supplementation of concentrates. In contrast to the continuous
measurement methods, the other periodically or indirectly applied methods were not so sensitive and
did not show differences between the treatments. However, more research on grass-based diets in
combination with supplementation is needed to understand its fibre effectiveness.
In experiment 3, mainly particle size distribution and in sacco degradation clearly differed between
the diverse forages investigated, while grinding resistance was not useful in that respect. For
estimating the ultimate effectiveness of fibre in ruminant diets, both, the fibre content and the particle
size distribution have to be considered, as can be seen from the selective response of fibre contents to
sward maturity and of particle size distribution to conservation types of mixed swards. This is the case
on systems based on effective NDF. A single, commonly accepted evaluating system to estimate the
effectiveness of fibres is still needed thus facilitating complete and thoroughly tested datasets across a
wide range of plant species to be included in feed tables.
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Zusammenfassung
2. Zusammenfassung
In Grasland dominierten Regionen wie in der Schweiz tragen Weidesysteme bei Milchkühen
wesentlich zur Produktionskostensenkung bei und ermöglichen eine tiergerechte Haltung_
Hochleistende Milchkühe sind jedoch auf den Verzehr von jungem, leicht verdaulichem Gras
angewiesen, um ihren hohen Nährstoff- und Energiebedarf decken zu können_ Futterrationen, welche
reich an schnell fermentierbaren Kohlenhydraten sind, können anderseits zu einer Unterversorgung an
physikalisch effektiver Struktur, respektive an strukturwirksamer Faser, führen_ Eine solche
Unterversorgung kann eine optimale Pansenfunktion nicht mehr gewährleisten, da dadurch weniger
pansenabpuffernder Speichel gebildet und so das Risiko einer Pansenazidose erhöht wird_ In der
Vergangenheit wurden bereits mehrere Versuche unternommen, um die Faserwirksamkeit, respektive
die notwendige Zufuhr an Struktur wirksamer Faser bei verschiedener Rationszusammensetzung für
Milchkühe zu beschreiben; so zum Beispiel in der Strukturwirksamkeit, im Strukturwert oder im
(physikalisch) effektiven NDF-Gehalt. Die meisten dieser Bewertungssysteme basieren allerdings auf
Rationen, welche mit relativ hohem Kraftfutteranteil kombiniert wurden, und sind zudem sehr vage,
insbesondere im Bezug auf Weidegang_ In zwei Experimenten wurde daher die Wirkung einer auf
Grasfütterung basierenden Ration kombiniert mit der Zufütterung verschiedener Raufutterarten oder
Zufütterungshäufigkeiten auf die Kauaktivität, die Milchleistung und die ruminale Fermentation
untersucht. In Experiment 3 wurden Raufutter, welche sich in der botanischen Zusammensetzung, im
Vegetationsstadium bei der Ernte oder in der Konservierungsart unterschieden, mit vier verschiedenen
Labormethoden auf die Wirkung ihrer physikalischen Eigenschaften, welche möglicherweise die
Effektivität der Faser beschreiben, untersucht.
Im ersten Experiment wurde die Wirkung der Vollweide mit der Teilzeitweide, in welcher
entweder 5.5 kg TS Heu oder Maissilage im Anbindstall über Nacht zugefüttert wurde, auf das
Kauverhalten, Fress- und Wiederkaudauer, und den ruminalen pH-Verlauf verglichen_ Dazu wurden
sechs Pansen fistulierte Milchkühe der Rasse Brown Swiss in einem doppelten 3 x 3 Lateinischen
Quadrat während drei Durchgängen, bestehend aus je einer 21-tägigen Adaptations- und einer 7tägigen Messphase, getestet. Sowohl die Kauaktivität als auch der pH-Verlauf konnten kontinuierlich
an jedem Tag der einzelnen Messphase gemessen und aufgezeichnet werden_ Die Messapparatur für
die kontinuierliche pH-Messung im Pansen wurde eigens dafür an der Agroscope Liebefeld-Posieux,
Eidgenössischen Forschungsanstalt für Nutztiere und Milchwirtschaft (ALP) entwickelt. Die
verschiedenen Fütterungsvarianten hatten keinen Einfluss auf die Futteraufuahme, die Milch- oder die
Körpergewichtsentwicklung_ Ebenfalls wurde die Wiederkaudauer nicht durch die unterschiedlichen
Rationen beeinflusst. Hingegen verbrachten die Kühe mehr Zeit mit Fressen während der Vollweide
als während den beiden Teilweiden mit Zufütterung im Stall. Wenn die Kühe über Nacht ihre
unterschiedlichen Rationen erhielten, veränderte sich der pH-Verlauf nicht. Doch tagsüber, wenn alle
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Zusammenfassung
Tiere auf der Weide waren, zeigten die Kühe, welche über Nacht Heu frassen, einen deutlich tieferen
mittleren pH-Wert als die anderen Kühe. Das einmalige, nächtliche Zufüttern von Heu, einem
mutmasslich
strukturreichen
Raufutter,
ermöglicht
offensichtlich
keine
vorteilhaftere
Pansenfermentation verglichen mit der Vollweide, sondern führte im Gegenteil zu einem tieferen
ruminalen pH-Wert über den Tag.
Im zweiten Experiment wurde Gras mit oder ohne Zufütterung von 6 kg Heu entweder verteilt auf
eine oder drei gleich grosse Portionen pro Tag in einem Anbindstall verfüttert, um die Wirkung auf
das Kauverhalten und den ruminalen pH-Verlauf zu vergleichen. Der Versuch wurde mit sechs Pansen
fistulierten Milchkühen (Brown Swiss
Holstein = 1
1) in einem 3 x 3 Lateinischen Quadrat,
während drei Durchgängen und mit Versuchsparametern, wie in Experiment 1 beschrieben,
durchgeführt. Es konnte keine Wirkung auf das Körpergewicht, die Milchleistung oder den pHVerlauf festgestellt werden. Einzig die Fresszeit war bei den Kühen, die nur Gras frassen, erhöht,
verglichen mit den Tieren mit Heuzufütterung. Hingegen unterschied sich die Wiederkaudauer nicht
zwischen den unterschiedlichen Fütterungsweisen. Der tägliche pH-Verlauf war bei den einmal pro
Tag mit Heu zugefütterten Kühen tendenziell tiefer. Die Zufütterung von Heu ergab erneut keinen
Vorteil bezüglich des Fermentationsverlaufs im Pansen verglichen mit den nur grasfressenden Kühen.
Im Gegenteil, einmal pro Tag verabreichtes Heu führte eher zu einem leicht tieferen Verlauf des pHWertes.
Im
dritten
Experiment
wurden
sowohl
junge
und
reife
Vegetationsstadien
einer
Wiesengrasmischung (ausgewogener Mischbestand), konserviert als feuchte und trockene Silage und
als Heu, als auch fünf Reinbestände (englisches und italienisches Raigras, Knaulgras, Rotklee
Luzerne) mit vier Labormethoden auf ihre Wirkung bezüglich ihrer physikalischen Fasereigenschaften
untersucht. Zusätzlich wurden die Interaktionen von Maissilagen, mit 3 respektive 7 mm
Häcksellänge, mit den Einzelpflanzenarten mittels Kontrastanalysen verglichen. Mit Hilfe einer
Futterschüttelbox wurde die Partikelgrössenverteilung (< 8, 8-19 und > 19 mm Länge) und daraus der
physikalisch effektive Faktor (pef) als der Prozentsatz mit der Partikellänge > 8 mm bestimmt. Die
Mahlwiderstandsenergie wurde gemessen, welche zum Zerkleinern auf eine theoretische Länge von
5 mm benötigt wurde. Ferner wurden die in sacco Abbaubarkeit von TS und NDF bestimmt, sowie die
Gas- und FFS-Produktion nach einer 24-h in vitro Inkubation. Schliesslich wurden die Resultate mit
den Gehalten an chemisch analysierten Zellwandbestandteilen sowie den theoretischen Werten der
Fasereffektivität, d.h. Strukturwert und (physikalisch) effektive NDF, verglichen. Die (physikalisch)
effektive NDF wurde einerseits durch die Prozentualverteilung der Partikel > 8 mm bestimmt und
stammte anderseits aus Tabellenwerten des Cornell-Penn-Miner Dairy Systems und des Cornell Net
Carbohydrate and Protein Systems. Im Mahlwiderstand unterschieden sich die verschiedenen
Futterarten gar nicht oder nur sehr schwach. Junge Vegetationsstadien und erste Schnitte hatten einen
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Zusammenfassung
grösseren Prozentsatz in Partikellänge < 19 mm sowie eine erhöhte TS- und NDF-Abbaubarkeit und
eine leicht intensivere Fermentation. Die feuchte Silage verglichen mit der trockenen Silage und dem
Heu wies einen erhöhten Prozentsatz an Partikeln > 19 mm auf, aber in der Fermentierbarkeit war kein
deutlicher Unterschied ersichtlich. Knaulgras fermentierte am schwächsten und hatte die geringsten
Anteile an Partikeln < 19 mm verglichen mit den anderen Reinbeständen. Verglichen mit den
Maissilagen wiesen die anderen Einzelarten im Mittel einen erhöhten Prozentsatz an Partikeln
> 19 mm und eine niedrigere Fermentation auf. Es bestanden deutliche Korrelationen zwischen den
untersuchten Daten und den Faserkonzentrationen sowie den empfohlenen strukturwertbestimmenden
Parametern, d.h. SV und effektiven NDFs.
Grundsätzlich konnte ein gravierend tiefer, ruminaler pH bei einer grasreichen Ration in den
präsentierten Untersuchungen (Experiment 1 und 2) ausgeschlossen werden. Dennoch wurde ein pHWert im Pansen von unter 5.8 während fast zwei Stunden pro Tag gemessen. Heu, welches als
faserreich gilt, konnte die ruminale pH-Entwicklung nicht stabilisieren. Im Gegenteil, eine einmalige
Heuzufütterung pro Tag senkte den pH-Verlauf verglichen mit einer reinen Grasration (beide
Experimente) oder einer dreimaligen Heuzufütterung pro Tag (Experiment 2). Vielleicht würden aber
Kühe mit einer höheren Milchleistung und daher einer erhöhten Futteraufnahme einen bedenklich
tieferen pH-Verlaufim Pansen entwickeln, insbesondere, wenn noch zusätzlich Kraftfutter zugefüttert
würde. Im Gegensatz zu den kontinuierlich aufZeichnenden Messmethoden waren die periodisch
erfassenden und indirekten Methoden nicht empfindlich genug, um die geringen Unterschiede
zwischen den Behandlungen aufzuzeigen. Es bleibt nun weiter abzuklären, in welchem Masse und
unter welchen Bedingungen bei einer grasreichen Ration eine Azidose im Pansen erzeugt wird, und
welche Messmethoden sinnvoll sind, um diese zu erkennen und dadurch eine Beurteilung der
Faserwirksamkeit von Weidegras zu ermöglichen.
Im dritten Experiment trennten hauptsächlich die Partikelgrössenverteilung und die in sacco
Abbaubarkeit die verschiedenen Futtervariationen deutlich. Der Mahlwiderstand war im Gegensatz
dazu nicht geeignet. Die Kombination aus Faseranteil und Partikelgrössenverteilung erwies sich als
sehr zweckdienlich zur Schätzung der Fasereffektivität. So zeigte sich die Bestimmung des
Fasergehaltes v.a. bei der Differenzierung zwischen den Reifestadien als hoch selektiv, während die
Partikelgrössenverteilung
zwischen
den
Konservierungsarten
wirksam
differenzierte.
Diese
Kombination wird auch in den Bewertungssystemen angewendet, welche auf der effektiven NDF
basieren. Zur umfassenden Bestimmung der idealen Fasereffektivität wäre nun ein einheitliches
Bewertungssystem notwendig, welches erlauben würde, ein einziges, global angewendetes Konzept
mit Tabellenwerten über einen grossen Bereich der verschiedensten Futterarten zu erstellen.
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