Towards smart Dairy nutrition (SDN): Improving sustainability and economics of Dairy production

Manfred Schönleben

Doctoral thesis

Abstract:

Vzhledem k rostoucí lidské populaci nesou zemědělci a producenti základních potravin zásadní odpovědnost za uspokojení rostoucích požadavků na dodávky potravin a základních živin. Především zemědělci chovající přežvýkavce, jako např. krávy, přeměňují jinak pro lidskou spotřebu nevhodnou vlákninu na vysoce výživné mléko a maso. Farmáři a producenti mléka a mléčných výrobků však v současnosti stále více čelí důsledkům globálního oteplování. Rovněž ekonomická rizika, jako např. dodávka krmiv a nestálé ceny základních komodit, musí být z jejich strany vyvažována, a to mimo jiné s přihlédnutím k rostoucímu povědomí a nárokům koncových zákazníků na kvalitu životního prostředí. Pokud se zaměříme pouze na emise, produkce mléka a mléčných výrobků přispívá významně k celkové uhlíkové stopě ze strany zemědělství. Vzhledem k faktu, že Organizace pro výživu a zemědělství OSN označila za jeden nejvlivnějších parametrů při snižování uhlíkové stopy rozložitelnost krmiva v bachoru při chovu dojnic, lze považovat využití pákového potenciálu pro zvýšení efektivity za mimořádně důležité. Ve vlastní práci předložená agronomická hodnocení ukazují podstatný ekonomický a ekologický účinek krmiv s vysokým obsahem neutrálně detergentní vlákniny (NDF) a rovněž dopad volby odrůdy pro rozložitelnost krmiva v bachoru. To naznačuje možnost současné vylepšení ekonomické a environmentální udržitelnosti chovu dojnic. Nabídkou odrůd kukuřičné siláže s vysokým obsahem bachorové degradovatelnosti NDF lze zvýšit výnosy oproti nákladům na krmivo (IOFC) přibližně o 10 % za současného snížení akumulace hnoje. Tato zjištění jsou velmi povzbudivou a dobrou zprávou pro životní prostředí, konečné zákazníky i producenty mléka a mléčných výrobků při společném úsilí o současné zlepšení ekonomické a ekologické udržitelnosti produkce mléka. Současně bylo zjištěno, že bachorová degradovatelnost NDF je primárně řízena výběrem odrůd, což může být až čtyřikrát důležitější faktor než následná rozhodnutí ve fázi sklizně. To lze jistě považovat za dobrou zprávu pro zemědělce a manažery firem produkující mléko a mléčné výrobky, protože správná volba odrůdy by měla přinést nejen vysokou bachorovou degradovatelnost NDF, ale také delší období sklizně. Vzhledem k tomu, že z dnešního ekonomického hlediska lze až 50 % celkových nákladů na produkci mléka připsat krmným dávkám, představují tyto skutečnosti velký potenciál pro mléčné farmy využívající NDF. Z tohoto pohledu lze bachorově degradovatelné NDF považovat za nové „zelené zlato“ mléčného zemědělství. Identifikace a produkce vysoce rozložitelného NDF krmiva by proto měla být pro zemědělce a manažery producentů mléčných výrobků zásadním předmětem zájmu. Pro řízení a identifikaci vysoce rozložitelného NDF může být vhodným standardním postupem model CNCPS a jeho analýza. Výběr dobře rozložitelných zdrojů NDF krmiva a vhodných odrůd pro výsadbu může být založen na uNDF240, a to především kvůli jeho slibnému diferenciačnímu potenciálu. Na druhou stranu, vzhledem k nejnižší fenotypové směrodatné odchylce a diferenciačnímu potenciálu, není doporučeno používat absolutní obsah ligninu (% DM) při výběru odrůd stravitelné silážní kukuřice. Mimo to se Pearsonova korelace mezi v současnosti v České republice a v Evropě používanými standardními parametry stravitelnosti vlákniny v organických látkách rozpustných v enzymu (ELOS% DM) a stravitelnosti celulázy (DCS% DM) blíží hodnotě 1, náhrada jedné z těchto analytik prostřednictvím uNDF240 (% NDF) může vysoce cenným způsobem poskytnout

Abstract:

další užitečné informace pro šlechtitele rostlin a zemědělce, ale i koncové zákazníky a oficiální agentury zabývajícími se testováním odrůd. V současnosti stále široce používané standardní systémy formulace krmných dávek pro přežvýkavce však nepodporují kombinaci digitalizovaných údajů specifických pro zemědělské podniky, ani nezohledňují jejich ekonomickou a ekologickou perspektivu. Současné stále široce používané standardní systémy formulace krmných dávek pro přežvýkavce nepod-porují kombinaci digitalizovaných údajů specifických pro zemědělské podniky ani ekonomické a ekologické perspektivy. Odborníci tak mohou těžit z moderních digitalizovaných řešení a systému hodnocení výživy, jako např. CNCPS, aby se případně vyhnuli neekonomickému překrmování zvířat a také vyšším emisím. Např. s využitím konceptu inteligentní mléčné výživy (SDN) lze prostřednictvím rozhraní CNCPS pro podporu rozhodování využít rozsáhlých a snadno dostupných údajů o farmách, jako jsou dojírna, systémy řízení stáda a laboratorní analýza krmiv. K dalšímu doložení těchto výsledků a snadnějšímu přístupu k potenciálním interakčním účinkům mezi genotypem, obdobím výsevu a sklizněmi na mléčnou ekonomiku lze dospět na základě většího rozšíření analýz siláží CNCPS a ekonomického hodnocení významnějšího počtu odrůd kukuřičné siláže. Tyto budoucí výsledky mohou poskytnout další cenné informace o strategiích ohledně kukuřičné siláže přizpůsobené regionálním specifikám optimalizace výnosů bachorové degradovatelnosti NDF.

Abstract:

To satisfy increasing food and nutrient supply requirements for our growing future human population, farmers and staple food producers carry vital responsibilities. Especially farmers with ruminant livestock like dairy cows transform otherwise for human consumption unsuitable fiber into highly nutritious milk and meat. Nevertheless, dairy farmers are challenged increasingly by the consequences of global warming. Economic risks like feed supply and volatile commodity prices need to be balanced, also taking the increasing environmental awareness of end-customers into account. Focusing just on emissions, dairy production contributes an essential part of the total carbon foot-print emitted by the agricultural sector. Since rumen degradability of feed was identified by the Food and Agricultural Organization of the United Nations as one of the most influential parameters in reducing the carbon footprint of dairy farming, the desire to exploit leverage potential for efficiency increases can be considered exceptionally high. The presented agronomic evaluations within this thesis show the substantial economic and ecological effect of feeding forages with high neutral detergent fiber (NDF) rumen degradability and the impact of variety choice. The economic and environmental sustainability of dairy farming can be improved simultaneously. By supplying the maize silage varieties with high NDF rumen degradability, income over feed cost (IOFC) could be increased by ~10% while simultaneously, the manure accumulation could be reduced. These results are very encouraging and good news for the environment, end-customers, and dairy farmers alike, in the combined quest to simultaneously improve the economic and ecological sustainability of dairy production. Essential for the practitioner, NDF rumen degradability has been detect- ed to be primarily governed by variety choice; it may be four times more important than the correct harvest stage decision. This is good news for farmers and dairy managers, because the right variety choice should yield not only high NDF rumen degradability, but also a larger harvest window. Since from the economic perspective today, up to 50% of total milk production costs can be attributed to the fed diet, these facts put a strong flashlight on core nutrients for dairy farms like the NDF. In this sense, rumen degradable NDF can be seen as the new "green gold" of dairy farming. Identifying and producing high degradable feed NDF should, therefore, be a prime concern to farmers and dairy managers. Especially for the management and identification of highly degradable NDF, the CNCPS model and analysis may be well-suited standard procedures. The selection of well degradable feed NDF sources and varieties for planting may, therefore, be based on the uNDF240 due to its promising differentiation potential. On the other hand, due to the comparatively lowest phenotypic standard deviation (σp) and differentiation potential, the use of the absolute lignin content (% DM) when selecting for digestible silage maize varieties can be discouraged. Additionally, since the Pearson correlation between two of today in the Czech Republic and Europe applied standard fiber digestibility parameters enzyme-soluble organic substance (ELOS % DM) and cellulase digestibility (DCS % DM) approaches one, the substitution of one of these analytics through the uNDF240 (% NDF) may render valuable additional information for plant breeders, farmers/end-customers and official variety testing agencies alike, in a highly economical manner. Present-day still widely used standard ration formulation systems for ruminants do not support the combination of farm-specific digitized data and economic and ecologic perspectives. Dairy professionals may, therefore, profit from modern digitized solutions and dietary evaluation systems like the CNCPS to avoid uneconomic overfeeding and nutrient emissions. For instance, using

Abstract:

the smart dairy nutrition (SDN) concept, via interfaces, CNCPS can take advantage of the vast and readily available farm data from sources like milking parlor, herd management systems, and feed laboratory analyses, for informed decision support. Within the whole food chain, advances in digitization and the dawn of smart farming solutions promise for more than two decades a revolution in informed decision making, via the access of a broad phalanx of data. For instance, using the smart dairy nutrition (SDN) concept, via interfaces, CNCPS can take advantage of the vast and readily available farm data from sources like milking parlor, herd management systems, and feed laboratory analyses. The presented results show that the economic and ecological sustainability of dairy farming can be improved simultaneously. By applying readily available on-farm digitized information and supplying maize silage varieties with high NDF rumen degradability, IOFC could be increased by ~10%. At the same time, the manure accumulation could be reduced. As a guideline for practitioners, in order to manage and harvest high quantities of the new “green gold” (rumen degradable neutral detergent fiber), farmers and dairy managers may focus on five major aspects: 1) Correct variety choice; 2) planting of autumn cover crop; 3) correct fertilization strategy; 4) silage maize seed row spacing; and 5) dry matter/harvest maturity of the crop. The obtained results are very encouraging and good news for the environment, end- customers, and dairy farmers alike, in the combined quest to simultaneously improve the economic and ecological sustainability of dairy production.

Keywords

bachorová degradovatelnost NDF, udržitelné mléčné hospodářství, digitalizace, inteligentní zemědělství, fenotypová variace, IOFC, CNCPS

Keywords

sustainable dairy farming, Income Over Feed Costs, CNCPS, NDF rumen degradability, digitization, smart agriculture, phenotypic variation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 2. 2021

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Luboš Střelec, Ph.D.
• Reader: David Hampel, Ph.D., doc. Mgr., Joachim Mentschel, externi

Mendel University in Brno

Faculty of Business and Economics

Doctoral programme / field:
Economics and Management / Business Management and Economics