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牛是反刍动物，采食时不需要充分咀嚼就吞咽，采食量大，进食快，饱食后很长时间进行反刍，将胃内食团重新呕回口腔进行咀嚼，一昼夜反刍 6 ～ 8小时。
反刍动物与非反刍家畜在消化生理方面有很大差异。反刍动物可利用纤维素作为能量的来源，即通过瘤胃微生物的发酵作用使粗纤维变成低级挥发性脂肪酸，经机体吸收后用作合成糖的原料；瘤胃微生物可利用非蛋白氮（NPN）或氨合成菌体蛋白，成为优质蛋白质饲料资源之一；瘤胃微生物可合成B族维生素及维生素K等；不饱和脂肪酸可经瘤胃微生物酶作用加氢还原成饱和脂肪酸，这是反刍家畜独特的消化生理特点。
基于奶牛的消化生理特点，要满足奶牛大量采食的需要，给予足够的干物质量；饲料必须以粗料为主，尤其是优质粗饲料，以维持瘤胃环境；要注意饲料质量，并补充矿物质、维生素和食盐。
奶牛的营养基础和需要主要包括维持需要和生产需要，维持需要是维持牛体正常的生命活动的需要，而生产需要主要包括生长发育、繁殖产奶和增重的需要。维持奶牛营养需要的营养物质主要包括干物质、能量、蛋白质、矿物质、维生素、纤维素和水。
干物质就是饲料中除水分以外的其他物质的总称。奶牛所需要的营养物质基本包括在干物质中，所以进食量是配合奶牛日粮的一个重要指标。它对奶牛的健康和生产至关重要。预测干物质进食量可有效预防奶牛的过食和不足，提高营养物质的利用率。如果营养摄入不足，不仅会影响奶牛的生产水平，而且会影响奶牛健康；相反，如果营养物质过多，会导致过多的营养物质排放到环境中，造成饲料浪费，提高饲养成本，影响健康，增加代谢疾病发生率。
《奶牛营养需要和饲养标准》对不同体重生理阶段的奶牛都有明确规定。在实际生产中，习惯于用干物质采食量占产奶牛体重的百分比来表示。
泌乳早期：干物质采食量=奶牛体重的 2.0%～ 3.0%；
泌乳盛期：干物质采食量=奶牛体重的 2.5%～ 4.0%；
泌乳中期：干物质采食量=奶牛体重的 2.5%～ 3.5%；
泌乳后期：干物质采食量=奶牛体重的 2.5%～ 3.0%；
干奶期：干物质采食量=奶牛体重的 2.0%～ 2.5%；
后备期：干物质采食量=奶牛体重的 1.5%～ 2.5%。
奶牛的能量需要可分为维持、生长、妊娠和泌乳几个部分。能量不足和过剩都会对奶牛造成不良影响。如果能量供应不足，青年牛生长发育就会受阻，初情期就会延长；产奶牛如果能量供给低于产奶需要时，不仅产奶量降低，泌乳牛还会消耗自身营养转化为能量，维持生命与繁殖需要，严重时会引起繁殖功能紊乱。能量过多会导致奶牛肥胖，母牛会出现性周期紊乱、难孕、难产等；还会造成脂肪在乳腺内大量沉积，妨碍乳腺组织的正常发育，影响泌乳功能而导致泌乳量下降。
蛋白质对奶牛的生长、发育、繁殖和生产有着重要的意义。因此，在饲养中应保证供给蛋白质，特别是处在生长期的幼牛和产奶母牛更应充分满足。
当饲料中的蛋白质供应不足时，奶牛的消化功能减退，表现为生长缓慢、繁殖功能紊乱、抗病力下降、组织器官和结构功能异常，严重影响奶牛的健康和生产。
《奶牛营养需要和饲养标准》中详细列出了母牛的维持、产奶、妊娠可消化粗蛋白质和小肠可消化粗蛋白质的需要量。计算需要量时只需查询表格中的数据即可。
饲料粗纤维的分析指标常用的是粗纤维（CF）、酸性洗涤纤维（ADF）和中性洗涤纤维（NDF），而表示纤维的最好指标是中性洗涤纤维。日粮中纤维不足或饲草过短，将导致奶牛消化不良，瘤胃酸碱度下降，易引起酸中毒、蹄叶炎、真胃变位，并可使奶牛的乳脂率下降等。如果日粮中植物粗纤维比例过多，则会降低日粮的能量浓度，减少奶牛对干物质的采食量，同样对奶牛不利。
奶牛日粮中要求含有 15%～ 17%的粗纤维。一般高产奶牛日粮中要求粗纤维含量超过 17%，干乳期和妊娠末期奶牛日粮中的粗纤维含量为 20%～ 22%。用中性洗涤纤维表示，奶牛日粮中性洗涤纤维含量在28%～ 35%之间最理想。在实际生产中，奶牛日粮干物质中精料的比例不要超过 60%，这样才可提供足够数量的粗纤维。
根据矿物质占动物体重比例的大小，分为常量元素和微量元素。常量元素占动物体重比例在 0.01%以上，包括钙、磷、钠、氯、镁、钾、硫。低于 0.01%的为微量元素，包括铜、铁、锌、锰、钴、碘、氟、铬等。
钙是奶牛需要量最大的矿物质元素，特别是对泌乳牛。奶牛体内 98%的钙存在于骨骼和牙齿中，其余的存在于软组织和细胞外液中。钙除了参与形成骨骼与牙齿以外，还参与肌肉的兴奋、心脏的节律收缩的调节、神经兴奋的传导、血液凝固和牛奶的生产等。钙的缺乏导致奶牛产奶量下降、采食量下降，出现各种骨骼症状，如幼龄动物的佝偻病，成年动物患软骨症，奶牛患乳热症（分娩瘫痪）。
磷除了参与机体骨骼的组成外，还是体内许多生理生化反应不可缺少的物质，若磷不足，动物患佝偻病，成年动物患软骨症，生长速度和饲料利用率下降，食欲减退、异食癖、产奶量下降、乏情、发情不正常或屡配不孕等。
食盐主要由钠和氯组成。钠和氯主要分布于细胞外液，是维持外渗透压、酸碱平衡和代谢活动的主要离子。奶牛缺食盐会出现异食癖、食欲不振、产奶量下降等。食盐的需要量占奶牛日粮干物质进食量的 0.46%或按配合料的 1%计算即可。非产奶牛按日粮干物质进食量的 0.25%～ 0.30%计算。奶牛维持需要的食盐量约为每 100 kg体重 3 g，每产 1 kg标准乳供给 1.2 g盐。
维生素是奶牛维持正常生产性能和健康所必需的营养物质，具有参与代谢免疫和基因调控等多种生物学功能。维生素的缺乏会严重影响奶牛的正常生产性能。对于牛一般仅补充维生素A、维生素D、维生素E即可，维生素K可在瘤胃合成，而水溶性维生素瘤胃微生物均能合成。
水是奶牛最重要的营养素。水缺乏时，奶牛被毛粗糙、食欲下降。奶牛每天应饮水 60 ～ 100 L，饮水量与环境温度、饲料种类及生产状况有关。
奶牛需要的水来源于饮水、饲料中的水以及体内的代谢水。其中以饮水最为重要，而奶牛的饮水量受产奶量、干物质进食量、气候条件、水质等多种因素影响。
为保证奶牛充足的饮水量，一般采取自由饮水；饮水清洁干净、无污染；同时要测试水的质量、盐分、可溶固形物及可溶性盐、硬度、硝酸盐、pH值（6.5 ～ 8.5）、污染物、细菌含量等；合理的饮水环境和条件，如水温适宜，饮水器附近的地面要平坦、宽敞、舒适等。