魯煜建，王朝元,3※，趙浩翔，董 禮，施正香,3，李保明,3

（1. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083）

0 引 言

東北三省是中國奶業(yè)的優(yōu)勢產區(qū)，2016年奶牛存欄237.5萬頭，牛奶總產量742.0萬t[1]。由于冬季嚴寒，東北地區(qū)奶牛場設計和環(huán)境管理中，普遍關注牛舍的密閉性以及冬季保溫和防風措施，對奶牛夏季熱舒適性的關注則較少。隨著東北地區(qū)夏季高溫越來越頻繁，大數據分析表明夏季奶牛生產存在熱應激現(xiàn)象[2]，然而東北地區(qū)夏季奶牛的熱應激狀況常被忽視，系統(tǒng)研究相對較少。

目前國內外常以熱濕環(huán)境指數、行為與生理參數相結合的方式，綜合評價奶牛熱應激狀況及其對生產的影響。在奶牛熱舒適性研究中，1959年Thom結合干球溫度和濕度參數所提出的溫濕指數（temperature-humidity index，THI）[3]被廣泛采用；1981年Buffington等用黑球溫度取代 THI中的干球溫度得到黑球溫濕指數（black globe-humidity index，BGHI），研究了溫度、濕度和太陽輻射對奶牛熱應激的綜合影響[4]。同時，相關學者還使用熱負荷指數（heat load index，HLI）和綜合氣候指標（comprehensive climate index，CCI）等，綜合評價了溫度、濕度、風速和太陽輻射對肉牛熱環(huán)境舒適性的影響[5-6]。雖然評價指標一直在不斷的調整完善，但 THI仍然是目前評價奶牛熱應激最常用的指標[7-8]。另外，Dikmen等在探究亞熱帶地區(qū)THI指標的適用性時，將奶牛直腸溫度作為熱濕環(huán)境影響的重要評價參數[9]，而Nabenishi等在評價日本奶牛熱應激狀況時，則選取了奶牛的陰道溫度[10]。

在行為研究方面，常采用人工觀察、視頻記錄的方法分析奶牛采食、飲水、站立、躺臥等行為及其影響，如Provolo等通過攝像頭記錄了奶牛躺臥、站立等行為及其變化規(guī)律，探究了通風方式和牛舍設施對奶牛行為的影響[11]。近年來，采用計步器、項圈等穿戴設備監(jiān)測奶牛行為的研究不斷增多。Allen等通過裝有三軸加速度傳感器的腿部數據記錄裝置測量了奶牛站立、躺臥的時間，研究了奶牛體溫和行為的關系[12]。

本文通過對奶牛舍熱濕環(huán)境參數、奶牛行為以及生理參數的連續(xù)自動監(jiān)測，評估東北寒區(qū)奶牛夏季熱應激程度及其對行為和產奶量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍基本情況

試驗于2017年7月1日至8月29日在黑龍江省虎林市隆盛牧業(yè)奶牛場進行，整場存欄奶牛5 000頭。試驗牛舍為自然通風舍，采用雙坡屋頂結構、屋脊南北走向，六列散欄牛床對頭布置；舍內劃分為 4個單元，每個單元設有一個舍外露天運動場（圖 1）。測試的泌乳牛舍尺寸為273 m（長）×36 m（寬）×4.1 m（檐口高），共飼養(yǎng)荷斯坦奶牛820頭。

圖1 舍內外環(huán)境參數傳感器測點布置Fig.1 Sampling locations of automatic sensors to measure indoor and outdoor environment parameters

1.2 熱濕環(huán)境參數測量和布點圖

圖 1為南側牛舍布點圖，北側為對稱布置。溫濕度測量選取試驗牛舍南北方向上等間距的 4個截面，在每個截面東西臥床上方1.8 m高度處各選取1個測點，每個舍外運動場分別布置一個測點，共布置12個測點。采用溫濕度傳感器（Testo 175H1，德國）自動記錄舍內外溫濕度參數，溫度和濕度測試精度分別為±0.4℃（溫度）、±2%（相對濕度），采樣間隔 5 min；在舍內外共布置 8個黑球溫度計（JRT04，北京建通科技有限公司）進行黑球溫度測量，精度±0.5℃，采樣間隔5 min。另外，在舍內外共布置8個風速測量點，采用風速變送器（EE650，E+E，奧地利）測量風速，測量精度±（0.2 m/s＋3%測量值），采樣間隔1 min。

1.3 陰道溫度測量

選取了6頭健康的2～3胎次、泌乳時間在65～80 d之間的高產奶牛，采用紐扣溫度計（DS1922L，iButton，精度±0.5℃）和陰道栓（CIDR1380，賽得寶，上海碩滕企業(yè)發(fā)展有限公司）連續(xù)測量陰道溫度[12]，采樣間隔為5 min。CIDR每六天更換一次，隔天放入。所測結果作為奶牛的核心體溫（core body temperature, CBT）。

1.4 行為參數測量

采用自主研發(fā)的生理與行為參數感知裝置（專利號201720086526.5）對奶牛站立、躺臥和行走等行為的持續(xù)時間和發(fā)生頻率進行連續(xù)監(jiān)測。該裝置包括若干檢測腳環(huán)、數據采集站和用戶端計算機。檢測腳環(huán)包括心率傳感器（分辨率：1次/min）、溫度傳感器（精度±0.3℃）和三軸加速度傳感器，用于實時采集奶牛的生理與行為參數，并通過無線通訊發(fā)送到數據采集站；數據采集站對接收到的數據進行存儲后，發(fā)送到用戶端計算機，采樣間隔1min。

1.5 產奶量記錄

牧場采用 GEA80位轉盤式擠奶系統(tǒng)，每天 6:00、14:00和20:00擠奶3次，自動記錄每日總產奶量、泌乳牛頭數、平均產奶量等信息；產奶量為全群每日平均產奶量數據。

1.6 熱應激評價指標選取

試驗牛舍不受太陽輻射的影響，風速較小，選取THI評價舍內奶牛的熱應激狀況。對于開放式舍外運動場，選取 BGHI指標以綜合考慮包括太陽輻射的影響。THI和BGHI計算公式如下[13]

式中Tdb為干球溫度，℃，RH（relative humidity）為相對濕度，%，Tbg為黑球溫度，℃。

根據之前的研究結果[4-6]，奶牛熱應激程度的評價閾值范圍：無熱應激THI或BGHI<72；輕度熱應激72≤THI或BGHI<78；中度熱應激78≤THI或BGHI<89；重度熱應激THI或BGHI≥89。

1.7 數據處理

使用SPSS21.0軟件處理數據，分別對數據進行方差分析（One-Way ANOVA）、相關性分析（Pearson）和回歸分析（Regression）。數據呈現(xiàn)方式為均值±標準差，P<0.05為差異性顯著。

2 結果與分析

2.1 奶牛熱應激程度

奶牛夏季熱應激結果如表 1所示，試驗期間舍內無熱應激、輕度熱應激和中度熱應激的時間分別占比41.2%、40.9%、17.9%，舍外運動場則為49.7%、20.5%、29.8%。運動場由于晝夜溫差大且受太陽輻射影響，無熱應激和中度熱應激程度占比均較大。7、8月份舍內和舍外THI和BGHI最大和最小值分別為86.8、50.3和90.5、47.3。徐明等測得呼和浩特地區(qū)奶牛舍7、8月份最大和最小THI指數值則分別為84.6、50.4[14]。

表1 舍內外奶牛熱應激持續(xù)時間與程度分布Table 1 Duration and distribution of heat stress for indoor and outdoor dairy cows

舍內和舍外運動場每日 10:00—18:00平均每小時THI和BGHI分布如圖2所示，2條水平線分別為輕度熱應激閾值線（72）和中度熱應激閾值線（78）。試驗期間，7月中上旬天氣晴朗、氣溫較高，舍內外熱應激指數均較高，且運動場受到太陽輻射影響，奶牛熱應激狀況更加嚴重，之后出現(xiàn)陰雨天氣使得熱應激有所緩解。8月中上旬，舍內熱應激程度降低，但由于舍外仍受到太陽輻射的影響，BGHI指數降低程度較小，下旬氣溫下降明顯，舍內外熱濕指數均明顯下降。

7月和8月上中旬奶牛熱應激較嚴重，舍內每日溫度、濕度和THI變化如表2所示。對每天8:00—12:00、12:00—16:00、16:00—20:00、20:00—8:00四個時段的分析可知，中午至晚間（12:00—20:00）以中度熱應激為主，是熱應激最嚴重的時段。除了中午高溫時段熱應激較嚴重外，16:00—20:00時段熱應激指數仍然較高，且舍內輕度熱應激占比明顯高于舍外，即在舍外熱應激程度明顯緩解后，舍內仍有一段時間處于中度熱應激狀態(tài)，這與舍內小氣候滯后于舍外變化以及舍內通風不足密切相關。由于東北地區(qū)晝夜溫差大，夜晚與白天的THI差值大于 10。受太陽輻射影響，舍外奶牛白天熱應激程度較高，因此更傾向于選擇在舍內休息、活動。徐明等探究了內蒙古地區(qū)奶牛夏季熱應激狀況，發(fā)現(xiàn) 13:00—18:00舍外比舍內THI平均高1.0，其余時間舍內比舍外平均高2.1，通過奶牛舍內外分布狀況發(fā)現(xiàn)，奶牛能夠感知舍內外溫度的細微變化而安排自己的活動區(qū)域[15]。

圖2 舍內、運動場每日10:00—18:00平均每小時THI（temperature-humidity index）、BGHI（black globe-humidity index）分布Fig.2 Daily 10:00-18:00 hourly THI or BGHI distribution inside and outside of barn

表2 7、8月份上中旬每日溫度、濕度和THI變化Table 2 Daily change of temperature(T), humidity(RH) and THI in early and middle July and August

2.2 熱應激對核心體溫的影響

2.2.1 核心體溫日變化

奶牛核心體溫日變化如表 3所示，該數據剔除了發(fā)情奶牛當天的體溫數據。將每日劃分為 8:00—12:00、12:00—16:00、16:00—22:00和22:00—8:00 4個時段進行分析表明，奶牛體溫的變化特征與熱應激程度變化相似，在 12:00—16:00時段體溫較高，而夜間（22:00—8:00）體溫較低，且每日體溫標準差較大。7月19日關閉運動場后，奶牛的體溫標準差減小。從12:00—16:00至16:00—22:00，雖然THI指數降低，但奶牛體溫仍會出現(xiàn)小幅上升，表明奶牛體溫的變化存在一定的滯后性。Igono等在探究奶牛不同降溫措施對體溫變化規(guī)律的影響時，同樣發(fā)現(xiàn)了類似的滯后性，有遮陽下奶牛體溫的最高值出現(xiàn)在20:00，滯后于黑球溫度約5 h[16]。另外，本場20:00—22:00為每日第3次擠奶時段，奶廳相對較高的高溫也會導致奶牛體溫的短暫上升。

從7月19號前后奶牛體溫標準差變化可知，夜間開放運動場對奶牛體溫具有一定的調節(jié)作用。Igono等研究表明，夜間溫度降到 21℃以下可以在一定程度上緩解白天奶牛在高溫下的熱應激，如果 21℃以下的夜間溫度可以維持3～6 h，則可以降低由熱應激所導致的產奶量損失[17]。Scott等在探究美國不同地區(qū)夏季熱濕環(huán)境對奶牛直腸溫度的影響時表明，如果白天高溫、但夜間溫度≤21℃，可以使奶牛在第二天環(huán)境溫度升高前體溫維持在39℃以內[18]。由此可見，晝夜溫差較大伴隨夜間溫度低于 21℃，在東北地區(qū)夜間開放運動場能夠緩解奶牛白天熱應激，降低產奶量減產損失。但在今后管理過程中，需要綜合考慮運動場可能對環(huán)境產生的負面影響。

表3 奶牛分時段平均核心體溫（CBT）變化情況Table 3 Daily average CBT changes of cows in different time

2.2.2 核心體溫和THI之間的關系

分析核心體溫和THI、BGHI指數相關性可知，奶牛體溫和舍內全天平均THI相關性最高（P<0.01，r=0.88）。如圖3回歸分析所示，當THI達到輕度熱應激閾值72時，CBT為38.8℃，當THI達到中度熱應激閾值78時，CBT則上升到為 39.3℃。奶牛體溫超過閾值會降低采食量、產奶量以及產奶效率[19]，且產奶量與直腸溫度呈負相關關系。研究表明，奶牛處于熱應激狀況下的體溫閾值約為38.9～39.0℃，此時產奶量即開始降低，且體溫每升高0.55℃，產奶量下降1.8 kg[20-21]。本試驗期間奶牛體溫的變化范圍為 38.1～40.4℃，最高體溫出現(xiàn)在 12:00—20:00時段，此時段平均體溫高于39.0℃，與中度熱應激時段吻合。Nabenishi等探究了日本西南部地區(qū)8、9月份奶牛熱應激狀況，測試期間最大THI為79，CBT變化范圍為 39.7～40.7℃[10]。

圖3 奶牛核心體溫與THI回歸分析Fig.3 Regression analysis between (core body temperature)CBT and THI

2.3 熱應激對奶牛行為的影響

試驗期間不同熱應激程度下奶牛每日站立、躺臥和行走時間所占百分比如圖4所示。圖4剔除了每日3次擠奶時段（共計6 h）以及發(fā)情奶牛當天的行為數據，僅分析了每天18 h的行為數據。結果表明由無熱應激到中度熱應激，奶牛的躺臥時間比例從 51.3%降低到 42.3%（P=0.28），站立時間相應從45.9%升高至55%（P=0.24），但均不存在顯著性的統(tǒng)計差異。躺臥時間與奶牛舒適度密切相關，是體現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖福利化水平的重要指標[22-23]。Allen等將奶牛站立時間分別與環(huán)境溫度、濕度，THI以及三者結合進行回歸分析，判定系數均不顯著[12]。Zahner等在探究了歐洲中部地區(qū)氣候變化對奶牛生理和行為規(guī)律的影響，表明白天奶牛的躺臥時間隨著 THI增加而顯著降低，但是夜間的THI對躺臥時間不存在顯著影響[24]。

圖4 每日躺臥、站立和行走時間所占百分比隨THI變化Fig.4 Percentage changes of daily lying, standing and walking time with THI

圖 5顯示了每日不同時間段內奶牛在不同熱應激程度下的躺臥、站立和行走時間所占百分比的變化情況。在不同時間段內，受行為節(jié)律的影響，奶牛主要行為時間存在一定的差異；而在同一時間段內，隨著熱應激程度的升高，奶牛躺臥時間縮短、站立時間相應增加的規(guī)律明顯。對每日熱應激較嚴重時段（10:00—14:00）的奶牛行為數據和THI相關性分析表明，躺臥時間和THI之間呈現(xiàn)顯著的負相關關系（P<0.01，r=-0.53）。

圖5 不同熱應激程度（THI）下奶牛分時段行為變化Fig.5 Daily behavior changes of cows at different time under varied heat stress levels

奶牛躺臥時間隨著熱應激程度的增加而降低，而站立時間相應升高，因為站立時可以增加奶牛體表與環(huán)境的接觸面積，從而增加與環(huán)境間的對流換熱量[25]。徐東賀在探究牛舍環(huán)境對三河牛行為的影響時得到夏季牛通過走動或站立來增加機體散熱，三河牛的躺臥時間減小，走動和站立時間增加[26]。Provolo等研究表明當THI≥60時，奶牛的躺臥和站立比例與舍內 THI相關性分別為-0.738（P<0.01）和 0.788（P<0.01）[11]。Allen 等[12]研究結果顯示當 THI＜68時，站立奶牛的比例最低（43.6%），當THI升高至80～89時，站立比例達到最高（68.2%）；

本試驗期間無熱應激、輕度熱應激和中度熱應激狀況下，奶牛每天的平均躺臥時間分別為9.2、8.4、7.6 h，變化范圍為 4.7～11.3 h。多數研究可以得到奶牛每日平均躺臥時間在10～14 h。Gomez等通過攝像機觀察16個商業(yè)化散欄飼養(yǎng)奶牛每日的行為規(guī)律，結果顯示奶牛的平均躺臥時間為11.9 h/d，范圍為3.9～17.6 h/d[27]。Bewley等通過腳環(huán)裝置探究了體況、產奶量和泌乳階段等對奶牛行為的影響，表明奶牛平均躺臥時間為10.5 h/d[28]。試驗期間本場奶牛平均躺臥時間小于10 h/d，除了受熱應激影響外，在奶牛擠完奶返回牛舍采食后也可能會發(fā)生躺臥行為，而部分時間沒有統(tǒng)計。該場奶牛每天擠奶3次，在待擠區(qū)、擠奶以及返回牛舍開始采食的時間總計約為6 h，因此躺臥行為只統(tǒng)計了每天除了擠奶之外的18 h數據。

2.4 熱應激對產奶量的影響

試驗期間，奶牛日均產奶量變化如圖 6所示，在 7月上中旬下降較大，之后至 8月上旬逐漸回升，隨后又小幅度下降，這與日均THI的變化趨勢相反。相關性分析表明，奶牛單產和舍內全天平均 THI相關性最高（P<0.01，r=-0.603）。楊毅等在探究輕中度應激對奶牛生產性能的影響時得到，產奶量和 THI呈現(xiàn)極顯著的負相關關系（P<0.01，R=-0.82）[29]。當THI≥75時，產奶量顯著性下降。

圖6 奶牛日均產奶量與THI隨時間變化Fig.6 Change of daily average milk yield of cows and THI

對產奶量和熱應激指數進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，產奶量變化會滯后1 d，即當日THI值對第二天的產奶量的影響最大。這與部分學者的研究結果相似，如West等研究發(fā)現(xiàn)產奶量滯后于平均THI 2 d[19]。將產奶量按照不同熱應激程度進行分析表明（圖7），當舍內日均THI≥75時，全群奶牛日均產奶量下降至25 kg，與THI<75時的產奶量相比，顯著下降 9.2%（P<0.05）。薛白等研究得到當THI大于70時，奶牛的產奶量出現(xiàn)下降[21]。Ravagnolo等研究表明，當THI大于72時，THI每升高一個單位，產奶量下降0.2 kg[30]。東北地區(qū)夏季晝夜溫差大，夜間部分時間溫度低于 21℃，這對奶牛的熱應激具有緩解作用，一定程度上提高了熱應激指數（THI）的閾值。

圖7 不同熱應激程度下奶牛日均產奶量變化Fig.7 Daily average milk yield changes under different heat stress levels

3 結 論

本文對黑龍江地區(qū)奶牛夏季熱應激狀況及其對行為和生產性能的監(jiān)測研究表明，7～8月份該場奶牛夏季以輕度和中度熱應激為主，舍內輕度和中度應激時間占比分別為40.9%、17.9%，舍外運動場為20.5%、29.8%；每日12:00—20:00是中度熱應激發(fā)生的集中時間段。東北地區(qū)夏季輕度至中度熱應激狀況造成奶牛的核心體溫由38.8℃升高至 39.3℃，日均躺臥時間則由 51.3%下降至42.3%（P=0.28）。當舍內溫濕指數THI≥75時，產奶量顯著下降9.2%。東北地區(qū)夏季晝夜溫差較大，夜間開放運動場有利于調節(jié)奶牛的體溫，可以在一定程度上緩解奶牛的熱應激及其對產奶量的影響。另外，由于奶牛體溫的變化滯后于環(huán)境參數的變化，因此在環(huán)境管理時建議結合此特征而采取相應的措施。

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