張少帥 張敏紅(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100193)
風(fēng)速在家禽熱平衡調(diào)節(jié)中的作用
張少帥 張敏紅?
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100193)
摘 要:風(fēng)速作為環(huán)境熱負(fù)荷量的主要因素之一,與溫度和濕度共同影響家禽熱平衡調(diào)節(jié)。在高溫環(huán)境下,提高風(fēng)速能夠增加家禽的可感散熱(SHL),適宜風(fēng)速時(shí)SHL在能量平衡調(diào)節(jié)中起到主要作用。風(fēng)速還可以通過對(duì)水平衡的調(diào)節(jié)減少潛熱散熱(LHL)量,同時(shí)增加SHL的占比,相應(yīng)減少LHL的占比,提高能量的利用率,從而提高體增重和飼料轉(zhuǎn)化率。風(fēng)速對(duì)家禽生產(chǎn)性能的提高作用受到風(fēng)速、日齡、環(huán)境溫度、飼養(yǎng)方式和通風(fēng)方式等因素的影響。本文主要綜述家禽熱平衡及其調(diào)節(jié),風(fēng)速對(duì)SHL和LHL的貢獻(xiàn),并結(jié)合對(duì)生產(chǎn)性能的陳述,闡釋風(fēng)速在家禽熱平衡調(diào)節(jié)中的作用。
關(guān)鍵詞:風(fēng)速;家禽;熱平衡調(diào)節(jié);可感散熱;潛熱散熱
目前在家禽生產(chǎn)中,熱應(yīng)激帶來的危害已經(jīng)成為一個(gè)普遍的問題[1]。熱應(yīng)激是綜合環(huán)境因素所導(dǎo)致的結(jié)果,包括氣溫、濕度和風(fēng)速等,其中溫度起著重要的作用[2]。當(dāng)環(huán)境溫度超過商品肉雞最佳生長溫度時(shí),就可能引發(fā)熱應(yīng)激反應(yīng),導(dǎo)致體溫升高[3]、呼吸頻率加快[4]、采食量和體增重下降[5]、胸肌肉產(chǎn)量降低[6]和肉品質(zhì)下降[7]等。Lin等[2]總結(jié)了幾種緩解熱應(yīng)激的常見策略,包括基因策略、營養(yǎng)策略、飼養(yǎng)策略和環(huán)境策略。其中為雞舍提供良好的通風(fēng)環(huán)境,在肉雞生產(chǎn)過程中具有十分重要的意義,這一點(diǎn)在熱帶和亞熱帶地區(qū)顯得尤為突出。
最早開始研究通風(fēng)對(duì)于家禽的影響要追溯到20世紀(jì)60年代。Drury等[8-9]首次提出了“肉雞生產(chǎn)得益于風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)冷作用”,并得出風(fēng)速可以改善肉雞生產(chǎn)性能。隨后的幾十年,美國、以色列和巴西等國先后開展了相關(guān)研究。在20世紀(jì)末,通風(fēng)管理已經(jīng)在家禽生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用[10]。雖然夏季通風(fēng)能夠緩解熱應(yīng)激和降低死亡率,但是能夠系統(tǒng)闡釋的數(shù)據(jù)少之又少,機(jī)理尚不完全清楚。據(jù)統(tǒng)計(jì),國外專項(xiàng)研究風(fēng)速對(duì)家禽影響的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)屈指可數(shù),發(fā)表的論文也不過20余篇,國內(nèi)僅有陶秀萍[11]較早對(duì)溫濕風(fēng)進(jìn)行了初步的研究,并得出了肉雞溫濕風(fēng)指數(shù)模型,探究了風(fēng)速對(duì)肉雞生理生化的影響。
因此,本文將扼要總結(jié)家禽熱平衡及其調(diào)節(jié),風(fēng)速對(duì)可感散熱和潛熱散熱的貢獻(xiàn),并結(jié)合對(duì)生產(chǎn)性能的陳述,闡釋風(fēng)速在家禽熱平衡調(diào)節(jié)中的作用。
1.1 家禽的熱平衡
所謂熱平衡,即產(chǎn)熱和散熱達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)[12]。家禽熱平衡的維持需要機(jī)體時(shí)刻進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),主要分為物理性調(diào)節(jié)和化學(xué)性調(diào)節(jié)。其中物理性調(diào)節(jié)包括生理和行為2方面。肉雞處在高溫或低溫環(huán)境中,首先會(huì)引起皮膚血管的舒張或收縮,進(jìn)而增加或降低皮膚血流量和皮膚溫度,增加或減少與外界的溫差,以利于熱平衡的維持。家禽行為在熱平衡的維持中起著十分重要的作用。而化學(xué)性調(diào)節(jié)主要是在物理性調(diào)節(jié)不能保持熱平衡時(shí),依靠調(diào)整體內(nèi)代謝率來增加或減少產(chǎn)熱量。
家禽體內(nèi)存在一套完整的機(jī)制(圖1),用于維持熱平衡。溫度、濕度和風(fēng)速綜合表征環(huán)境的熱負(fù)荷量,作用于家禽體熱感受器[13-14],包括外周溫度感受器和中樞溫度感受器。這些器官將感受的熱信息上傳至中央處理器,調(diào)節(jié)體溫的中樞結(jié)構(gòu)存在于從脊髓到大腦皮層的整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi),但是體溫調(diào)節(jié)的基本中樞位于下丘腦。其中視前區(qū)下丘腦前部(PO/AH)是體溫調(diào)節(jié)中樞的關(guān)鍵部位[15]。熱信息經(jīng)過中央處理器處理后,通過神經(jīng)或/和內(nèi)分泌途徑支配效應(yīng)器產(chǎn)生反應(yīng)[16-17],調(diào)節(jié)散熱量,完成熱平衡的調(diào)節(jié),以達(dá)到機(jī)體熱平衡的狀態(tài)。
圖1 家禽感受環(huán)境刺激和熱平衡調(diào)節(jié)反應(yīng)示意圖Fig.1 A schematic illustrating the responding to the environment and the corresponding thermoregulation of heat balance of the domestic fowl
1.2 家禽散熱方式及其分配模式
家禽的散熱方式分2類:可感散熱(sensible heat loss,SHL)和潛熱散熱(latent heat loss,LHL)。SHL又稱為“非蒸發(fā)散熱”或“顯熱散熱”,包括輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流,皆為物理散熱方式。LHL又可稱為“不可感散熱”或“蒸發(fā)散熱”,包括皮膚和呼吸道水分的蒸發(fā)。由于家禽身體大都被羽毛覆蓋,沒有汗腺,無法靠體表直接出汗散熱;同時(shí)傳導(dǎo)需要溫度不同的介質(zhì)相互接觸,對(duì)于家禽的散熱貢獻(xiàn)不大。因此,實(shí)際上家禽的散熱方式包括以下2種:1)以輻射和對(duì)流為主的SHL[18];2)以呼吸蒸發(fā)機(jī)制[19]和皮膚蒸發(fā)機(jī)制[20]為主的LHL。家禽體表面和外界的溫度差是SHL的驅(qū)動(dòng)力,只要溫度差是正的,就會(huì)一直在進(jìn)行,而且全程是物理作用,不會(huì)消耗額外的能量。以熱喘(panting)為重要散熱方式的LHL則恰恰相反,這個(gè)過程需要消耗大量的能量。
不過,隨著環(huán)境溫度的上升,SHL所占的散熱比重逐漸降低。低溫和適溫情況下(13~25℃)肉雞主要通過輻射和對(duì)流進(jìn)行散熱;當(dāng)溫度上升至30℃時(shí),LHL所占的比重逐漸升高;而當(dāng)外界溫度達(dá)到35℃時(shí),LHL量占總散熱量的90%。肉雞在不同環(huán)境溫度的散熱分配見表1。
從為數(shù)不多的研究中可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)速主要通過對(duì)家禽能量平衡、水平衡的調(diào)節(jié)進(jìn)而影響SHL、LHL量及其比例來調(diào)節(jié)熱平衡。
2.1 風(fēng)速對(duì)SHL的作用
總結(jié)風(fēng)速對(duì)SHL作用的研究,以2004年Ya?hav等[18]運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)研究SHL為標(biāo)志可分為2個(gè)階段。
第1階段(2004年以前):在這一階段,研究者基本認(rèn)為SHL在高溫應(yīng)激時(shí)對(duì)熱調(diào)節(jié)的作用不大。
風(fēng)速的大小影響對(duì)流散熱,進(jìn)而影響SHL。風(fēng)速增大,任何熱物體的對(duì)流傳遞的熱量也隨之增大[22]。其實(shí)對(duì)流散熱現(xiàn)象是個(gè)復(fù)雜的過程,可以用“熱邊界”(heat boundary layer)來解釋[12]。Burmeister等[23]通過對(duì)火雞的研究發(fā)現(xiàn),高于溫度適中區(qū)的偏熱情況下,SHL量會(huì)隨著風(fēng)速的升高而增加,但是在高溫情況下SHL的占比會(huì)降低。SHL量同樣受到日齡的影響。Jurkschat等[24]經(jīng)過試驗(yàn)得出了一套公式———用于描述火雞日齡、風(fēng)速及環(huán)境溫度跟SHL量的相互關(guān)系。研究同樣發(fā)現(xiàn),風(fēng)速的增加可以升高SHL量。Mitchell等[25]使用“風(fēng)道熱量計(jì)”監(jiān)測風(fēng)速對(duì)15周齡來航雞SHL量的影響。結(jié)果表明,在30℃高溫情況下,風(fēng)速從0.2 m/s上升到1.2 m/s,SHL量從7.6 W升高到12.6 W。Timmons等[26]設(shè)置不同溫度(35、38、41℃)和風(fēng)速(0.25、1.0、2.0 m/s)組合,研究成年來航雞的散熱量的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在35℃高溫情況下,增加風(fēng)速能夠使得更多的熱量通過對(duì)流的方式散發(fā)。
表1 肉雞的散熱方式分配Table 1 Distribute of heat loss pattern in broiler[21]%
盡管風(fēng)速可以提高SHL量,Hillman等[27]卻總結(jié)前人研究后認(rèn)為,當(dāng)環(huán)境溫度高于熱中性區(qū)上限時(shí),SHL對(duì)家禽散熱的作用不大。因?yàn)閷?duì)于全羽雞來講,身體被羽區(qū)體表與環(huán)境之間的溫差很小,并且裸露的部位十分有限,僅包括腿部、頭部、肉垂和雞冠,所以Tzschentke等[28]認(rèn)為高溫下SHL在體熱調(diào)節(jié)中的作用可以被忽略不計(jì)。
第2階段(2004年以后):發(fā)現(xiàn)SHL在高溫環(huán)境下肉雞能量平衡調(diào)節(jié)中起主要作用。
這得益于紅外熱成像技術(shù)(infrared thermal imaging technology)的運(yùn)用。在這之前紅外熱成像技術(shù)就已經(jīng)成功地應(yīng)用到哺乳動(dòng)物和鳥類的表皮溫度的測量上[29-30]。而且紅外熱成像輻射計(jì)(in?frared thermal imaging radiometer,IRTIR)測量得出的表皮溫度要比傳統(tǒng)的熱電偶更加精確[31],同時(shí)也能準(zhǔn)確測量拍攝區(qū)域的面積。Yahav等[32]運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)測定了肉雞各個(gè)部位的對(duì)流散熱和輻射散熱,研究了風(fēng)速對(duì)于SHL量的貢獻(xiàn)和SHL量占維持能的百分比,得出,在35℃、60%相對(duì)濕度情況下,0.8、1.5、2.0和3.0 m/s 4種不同的風(fēng)速下肉雞SHL量占到總維持能的比例分別為24.1%、29.1%、36.8%和44.7%,發(fā)現(xiàn)SHL量最高可以占到維持能的近45%,據(jù)此認(rèn)為風(fēng)速可提高SHL量,其在肉雞能量調(diào)節(jié)中起主要作用。
2.2 風(fēng)速對(duì)LHL的作用
LHL通過影響家禽體內(nèi)水代謝調(diào)節(jié)。一部分潛熱通過家禽皮膚散發(fā)(隱形蒸發(fā)和非顯性出汗),而其余大部分潛熱通過呼吸蒸發(fā)散失。環(huán)境溫度過高,家禽呼吸頻率急劇增加,熱量通過呼吸蒸發(fā)水分散失,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致水平衡和酸堿平衡失調(diào)。Belay等[33]證明,相比于24℃,暴露在35℃4 h下的肉雞失水量升高了64%。Teeter等[34]發(fā)現(xiàn),4周齡肉雞熱應(yīng)激(32~41℃)導(dǎo)致呼吸率顯著升高,水分流失、二氧化碳(CO2)分壓下降、碳酸根離子(HCO-3)濃度下降、血液pH顯著升高,出現(xiàn)呼吸性堿中毒。
Simmons等[35]研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境溫度在29~35℃之間時(shí),隨著風(fēng)速增加(從61 m/min增加到183 m/min),肉雞LHL量下降。Yahav等[32]將6~7周齡肉雞飼養(yǎng)于35℃(高溫)、相對(duì)濕度60%的環(huán)境中,研究不同風(fēng)速對(duì)水平衡的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),1.5和2.0 m/s風(fēng)速下體溫、精氨酸催產(chǎn)素濃度和血漿滲透壓都顯著低于低風(fēng)速(0.8 m/s)和高風(fēng)速(3.0 m/s)下;失水狀態(tài)下,精氨酸催產(chǎn)素濃度和血漿滲透壓都會(huì)升高[36]。這表明,較低風(fēng)速(0.8 m/s)時(shí),肉雞熱量大部分還是依靠熱喘散發(fā),高頻率的呼吸會(huì)過多帶走體內(nèi)的水分,導(dǎo)致水平衡的破壞;而高風(fēng)速(3.0 m/s)情況下,一方面機(jī)體內(nèi)水分大量通過皮膚散發(fā)[37],不利于水平衡的維持??梢?,適宜風(fēng)速通過調(diào)節(jié)水平衡減少LHL量。
2.3 對(duì)散熱分配方式的影響
風(fēng)速影響家禽的散熱方式。Simmons等[35]研究了風(fēng)速對(duì)SHL和LHL量的影響,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度在29~35℃之間時(shí),總的散熱量不會(huì)隨著風(fēng)速的增加(從61 m/min增加到183 m/min)而改變,相反,卻處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍;風(fēng)速上升,SHL量增加,LHL量下降;而溫度上升,卻伴隨著SHL量下降,LHL量上升;而且,當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s左右時(shí),無論溫度如何上升,總散熱量會(huì)保持相對(duì)恒定;風(fēng)速提高,LHL轉(zhuǎn)化為SHL,能夠促進(jìn)肉雞的生產(chǎn)性能。
簡而言之,以紅外熱成像技術(shù)研究SHL為節(jié)點(diǎn),發(fā)現(xiàn)SHL在高溫環(huán)境下肉雞能量平衡調(diào)節(jié)中起到主要作用,證實(shí)了風(fēng)速對(duì)SHL的重要影響;同時(shí)發(fā)現(xiàn),適宜風(fēng)速通過調(diào)節(jié)水平衡減少LHL量;高溫下風(fēng)速的提高促使LHL向SHL轉(zhuǎn)化,進(jìn)而增加SHL的占比,相應(yīng)減少LHL的占比,提高能量的利用率。總之,風(fēng)速通過對(duì)家禽能量平衡、水平衡的調(diào)節(jié),進(jìn)一步影響SHL、LHL及其比例,從而達(dá)到調(diào)節(jié)熱平衡的目的。
自從Drury等[8-9]首次發(fā)現(xiàn)“肉雞生產(chǎn)得益于風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)冷作用”以后,許多試驗(yàn)證實(shí)了風(fēng)速調(diào)節(jié)對(duì)家禽生產(chǎn)性能的提高作用[10,25-26,28-29,32,35,38-39]。生產(chǎn)性能的提高是風(fēng)速對(duì)高溫環(huán)境下家禽熱平衡調(diào)節(jié)的結(jié)果。風(fēng)速對(duì)生產(chǎn)性能是否提高取決于風(fēng)速大小、家禽日齡、環(huán)境溫度、飼養(yǎng)方式和通風(fēng)方式等因素。
Mitchell[25]研究表明,在高溫、高濕極端環(huán)境下,提高風(fēng)速可能是冷卻降溫的唯一切實(shí)可行的方法。Ruzal等[40]研究風(fēng)速在高溫下對(duì)蛋雞的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),35℃情況下,3.0 m/s顯著提高雞蛋產(chǎn)量,而低風(fēng)(0.5 m/s)不利于雞蛋的產(chǎn)量和品質(zhì)。據(jù)Lott等[41]報(bào)道,環(huán)境溫度為28℃時(shí),125 m/min的風(fēng)速較15 m/min(當(dāng)風(fēng)速小于0.25 m/s時(shí)被認(rèn)為是無風(fēng)靜止?fàn)顟B(tài),可忽略其影響)能夠提高4~6周齡肉雞的體增重和飼料轉(zhuǎn)化率。Yahav等[39,42]和Ruzal[40]等研究了不同的風(fēng)速(試驗(yàn)1:0.5、1.5、2.0和3.0 m/s;試驗(yàn)2:1.0、1.5、2.0和2.5 m/s)對(duì)在高溫(35℃)、相對(duì)濕度60%環(huán)境下單籠飼養(yǎng)肉雞、火雞生產(chǎn)性能的影響。結(jié)果表明,2次試驗(yàn)中暴露在1.5和2.0 m/s風(fēng)速下4~7周齡的肉雞體增重、采食量和飼料轉(zhuǎn)化率顯著升高。低風(fēng)速(0.5和1.0 m/s)組的生產(chǎn)性能要低于高風(fēng)速(2.5和3.0 m/s)組,并得出最佳風(fēng)速范圍是在1.5~2.0 m/s。同時(shí)Yahav等[18]提出風(fēng)速影響生產(chǎn)性能過程中存在一個(gè)溫度“拐點(diǎn)”。在環(huán)境溫度低于30℃時(shí),通風(fēng)增加維持能耗,降低生長效率。
在一種日循環(huán)模式溫度(22—32—22℃)中,May等[43]的研究表明,2 m/s的風(fēng)速會(huì)降低21~49日齡肉雞的飲水量,提高采食量、體增重和肉重比。但是Simmons等[44]研究了另一種循環(huán)模式溫度(25—30—25℃),露點(diǎn)溫度為23℃時(shí),21~ 28日齡群養(yǎng)的羅斯肉公雞在不同風(fēng)速下(3、2和<0.25 m/s)的體增重并沒有顯著的影響。然而,隨著肉雞的生長,風(fēng)速的作用逐漸凸顯。到42~49日齡時(shí),3 m/s風(fēng)速下的體增重和料重比要顯著高于2 m/s和<0.25 m/s組。Dozier等[45]得出了相似的結(jié)果。在25—35—25℃循環(huán)模式溫度,露點(diǎn)溫度為23℃時(shí),21~49日齡的肉公雞處在3 m/s高風(fēng)速下的生產(chǎn)性能要高于2 m/s相對(duì)低風(fēng)速狀態(tài)下。
Dozier等[46]研究了通風(fēng)方式對(duì)日循環(huán)高溫(25—35—25℃)下肉雞生產(chǎn)性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,晝夜24 h高風(fēng)速(2.79 m/s)組37~51日齡肉公雞的體增重和飼料轉(zhuǎn)化率明顯高于僅白天12 h高風(fēng)速組肉雞,但采食量和死亡率沒有顯著差異。
綜合以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)速對(duì)家禽生產(chǎn)性能的作用與環(huán)境溫度、風(fēng)速大小、飼養(yǎng)方式(單養(yǎng)和群養(yǎng))、日齡和通風(fēng)方式有關(guān)。
本文通過總結(jié)家禽熱平衡及其調(diào)節(jié),風(fēng)速對(duì)SHL和LHL的作用,并結(jié)合對(duì)生產(chǎn)性能的陳述,闡釋了風(fēng)速在家禽熱平衡調(diào)節(jié)中的重要作用。風(fēng)速增加高溫環(huán)境下家禽SHL量,適宜風(fēng)速時(shí)的SHL在能量平衡調(diào)節(jié)中起主要作用;通過維護(hù)水平衡減少LHL量;通過增加SHL占比,相應(yīng)減少LHL占比,提高能量的利用率,從而提高體增重和飼料轉(zhuǎn)化率。風(fēng)速對(duì)生產(chǎn)性能的提高作用取決于風(fēng)速大小、肉雞日齡、環(huán)境溫度、飼養(yǎng)方式和通風(fēng)方式等。今后應(yīng)進(jìn)一步研究風(fēng)速在不同高溫、濕度下家禽能量平衡和水平衡調(diào)節(jié)中的作用及其途徑,系統(tǒng)闡釋風(fēng)速調(diào)節(jié)熱平衡的作用機(jī)制,為合理通風(fēng)提供科學(xué)依據(jù)。
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(責(zé)任編輯 陳 燕)
Effects of Air Velocity on Regulation of Thermal Balance in Poultry
ZHANG Shaoshuai ZHANG Minhong?
(State Key Laboratory of Animal Nutrition,Institute of Animal Science,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)
Abstract:Air velocity as a principal parameter of thermal load affects the regulation of thermal balance of poultry along with ambient temperature and humidity.At high ambient temperature,enhanced air velocity in?creases the sensible heat loss of poultry,which plays a major role in the regulation of energy balance at an ap?propriate air velocity.The decrease of latent heat loss can be achieved by adjusting the water balance and in?creasing the ratio of sensible heat loss.This can enhance energy utilization and improve weight gain and feed conversion rate.Many factors influence the performance of poultry,such as air velocity,days of age,ambient temperature,the pattern of feed and ventilation.This review summarized thermal balance and regulation and the contribution of air velocity to sensible heat loss and latent heat loss of poultry.Combined with the statement of performance,the effects of air velocity on thermal balance were elucidated.[Chinese Journal of Animal Nutri?tion,2015,27(5):1348?1354]
Key words:air velocity;poultry;regulation of thermal balance;sensible heat loss;latent heat loss
Corresponding author?,professor,E?mail:zmh66@126.com
通信作者:?張敏紅,研究員,博士生導(dǎo)師,E?mail:zmh66@126.com
作者簡介:張少帥(1991—),男,河北沙河人,碩士研究生,研究方向?yàn)榧仪轄I養(yǎng)與環(huán)境。E?mail:zss9587@126.com
基金項(xiàng)目:國家“十二五”科技支撐課題(2012BAD39B02);中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程(ASTIP?IAS07)
收稿日期:2015-01-29
doi:10.3969/j.issn.1006?267x.2015.05.003
中圖分類號(hào):S815.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1006?267X(2015)05?1348?07