刘爱瑜，冯 曼，李永亮，赵心念，郭建军，王亚男，高玉红*
(1.河北农业大学动物科技学院，保定 071000；
2.承德市农林科学院畜牧研究所，承德 067000)
近几年健康养殖和奶牛福利越来越受到重视。牛舍是奶牛活动和生产的主要场所，其环境质量直接或间接影响奶牛的泌乳性能(产奶量和乳品质)和健康水平[1]。据研究，环境对奶牛生产的影响程度可达20%～35%[2]。目前对奶牛舍环境影响较多的因素主要包括温热参数、气载微生物、粉尘和有害气体等[3-4]。研究表明，温热环境是制约奶牛产奶量的主要因素，高温可导致奶牛泌乳性能下降[5-6]。除了温热参数，环境中气载微生物、粉尘和有害气体也是影响奶牛环境的重要因素[7]。虽然大量文献报道了环境因素对奶牛泌乳性能的影响[8-9]，但各项环境参数与泌乳性能指标的相关性分析研究较少。另外，随着高效化、精准化饲养模式的运行，关于奶牛行为的研究也提上日程，因为行为的变化往往预示着奶牛泌乳性能和健康程度的变化，实际生产中养殖环境的变化与奶牛行为(如躺卧、采食、饮水和站立)也存在某种关联[10]，但目前相关研究报道屈指可数。
全舍饲卷帘舍是目前应用较多的奶牛舍结构，因其标准化程度较高，通风和保温效果较好，且节省空间，因此深受奶牛养殖场/户的青睐[2]，目前已在全国大部分地区(尤其华北地区)的奶牛场广泛应用。但因该类牛舍不设舍外运动场，奶牛长期生活于舍内，舍内的环境质量对于奶牛生产与健康至关重要。基于此，本试验选择应用范围广、代表性强的全舍饲卷帘奶牛舍，通过对一个自然年度(12个月)各种环境参数的检测，对环境参数与泌乳性能、奶牛行为的相关性进行分析，为奶牛舍的环境调控提供科学依据。
1.1 试验设计
本试验选择河北省承德市某规模化奶牛场，于2021年1～12月份对每个月份的牛舍环境参数(温热参数和空气质量参数)、泌乳性能和行为指标进行测定，连续检测1个自然年度，即春季(3～5月份)、夏季(6～8月份)、秋季(9～11月份)和冬季(12～2月份)。分析环境参数的年动态变化，并分析各种环境参数与泌乳性能(产奶量和乳品质)和行为参数之间的相关性。
1.2 奶牛舍选择
选择无舍外运动场、南北朝向的全舍饲卷帘奶牛舍，自动卷帘系统设在南北两侧纵墙上，夏季卷帘全部开启，增加通风降温，冬季关闭卷帘增加牛舍保温性能，其他季节卷帘适度开启便于通风换气。牛舍尺寸为113 m长×30.9 m跨×3.5 m檐高，双列单走道布局，共设4组对头卧床，存栏200头5～6岁经产健康的荷斯坦泌乳奶牛(3～4胎，体重(650±100) kg)，该舍建筑为砖混结构，屋顶为双坡半钟楼模式，采用聚乙烯加芯保温彩钢板和阳光板材料搭建而成。舍内立柱安装风机(φ1.0 m，1.5 kw)。试验牛舍的平面结构如图1所示[11]。
图1 卷帘奶牛舍平面图
1.3 奶牛饲养管理
整个试验周期均采用全混合日粮饲喂，精、粗比例为55∶35，其中精料包括玉米、豆粕、全棉籽、膨化大豆、棉籽粕、麸皮等原料，粗料包括全株玉米青贮、苜蓿、酒糟等。全混合日粮的产奶净能为6.17 MJ·kg-1、粗蛋白16%、中性洗涤纤维30%、酸性洗涤纤维22.10%、钙0.72%和磷0.44%。每天饲喂3次(5:00、13:00和18:00)，自由采食，自由饮水；
奶牛每天通过挤奶通道进入挤奶厅挤奶，每天3次(4:30、12:30和18:30)。全年12个月奶牛舍保持不变，饲养管理一致。按照奶牛场饲养管理制度，可根据泌乳期的变化适当调群，舍内饲养的牛群所有季节均为胎次、泌乳期和产奶量一致的健康奶牛，以保证12个月试验条件的一致性。
1.4 测定指标与方法
1.4.1 卷帘奶牛舍全年的环境参数检测
1.4.1.1 温热参数：温度、湿度和风速采用连续记录的方法进行测定。测定时采用均匀布点原则，舍内和舍外分别悬挂4个和3个大间隙丝网篮筐作为悬挂仪器安放点(图1)，框内放置电子温湿度记录仪(KTH-350-1)和风速记录仪(WFWZY-1)。每隔0.5 h采集数据，记录12个月的温热参数连续变化。试验结束后，从记录仪中提取每月中旬3个连续自然晴日的测定数据进行分析。
1.4.1.2 空气质量参数：包括气载微生物(细菌总量和真菌总量)、粉尘(PM2.5和PM10)和有害气体(氨气(NH3)和二氧化碳(CO2))。舍内、外分别布置9个和3个采样点(图1)，采用手持便携式仪器定时(7:00～8:00、12:00～13:00和18:00～19:00)检测，测定日期为每月中旬的3个自然晴日(同温热参数数据提取的时间)。NH3和CO2浓度采用电化学方法，分别利用NH3测定仪(BH-20)和CO2测定仪(Gas Alert Micro5 IR，加拿大)进行测定。粉尘浓度采用光散射法，利用多功能粒子计数器(DT-9881M)检测。气载微生物测定采用菌落培养法，利用浮游微生物采样器(FKC-Ⅰ)进行采样，采集细菌后进行培养计数，计算微生物含量。
1.4.2 卷帘奶牛舍全年的泌乳性能测定 利用挤奶厅的牛奶计量杯记录每头奶牛的产奶量，提取每月中旬3 个自然晴日(与其他参数同期)的产奶量，计算每月奶牛的日均产奶量，同时采集奶样，将早、午、晚奶样按4∶3∶3的比例混匀后4 ℃保存，样品送至河北省种畜禽质量检测站DHI中心使用乳成分体细胞数联机测定仪(YQ1-57)进行乳品质测定。
1.4.3 卷帘奶牛舍中奶牛全年的行为参数测定 行为参数包括躺卧、站立、采食和饮水行为。将舍内部分牛栏作为行为测定区域(图1)，该区域存栏50头奶牛，每月随机选择20～25头奶牛，用蜡笔在牛体表做记号，根据蜡笔颜色以及标记形状和位置的不同记录每头标记牛全天的行动轨迹，即4种行为参数在一天中占用总时间、发生频率及单次发生占用的时间，以探寻奶牛4种行为的时间分配规律。测定区域四周安装6个摄像头，连续录制12个月，选择每月中旬3个自然晴日(与其他参数同期)对录像进行提取、统计与分析。
1.5 数据处理
采用SPSS 20.0软件对试验数据进行单因素方差分析，差异显著性采用Duncan氏法进行多重比较，数据均以“平均值±标准误”表示。利用Pearson和R语言(3.6.2)中的CORR 程序对环境参数与泌乳性能、行为参数相关性进行分析，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著，并利用GraphPad Prism7.0和R语言(3.6.2)进行热图制作，图中蓝色代表正相关，红色代表负相关，相关系数(r)的绝对值越接近于1，相关性越强，颜色越深。
2.1 卷帘奶牛舍环境参数的年动态变化
2.1.1 环境温、湿度 一个自然年度的环境温度和湿度的年动态变化如图2所示。全年舍内温度和湿度变化范围分别为-2.22～25.25 ℃(均11.95 ℃)和31.98%～81.24%(均63.83%)。冬季舍内温度最低，变化范围为-2.22～0.62 ℃(均-1.49 ℃)，夏季温度最高，为23.06～25.25 ℃(均24.37 ℃)，而湿度的年变化幅度较温度小，冬季舍内湿度最高，达到74.78%。
图2 奶牛舍温、湿度的年动态变化曲线
2.1.2 风速 一个自然年度的风速年动态变化曲线如图3所示。全年舍内风速变化为0.00～0.80 m·s-1，冬季的舍内风速最低，仅0.006 m·s-1，春、秋季略有升高，夏季风速最高，平均达0.64 m·s-1，显著高于其他季节(P<0.05)。从全年舍内、外风速比较看，舍内7～8月风速高于舍外。
图3 风速的年动态变化曲线
2.1.3 气载微生物(细菌和真菌) 一个自然年度细菌总量的年动态变化如图4所示。舍内的细菌总量为4.06×103～1.38×104cfu·m-3，显著高于舍外(P<0.05)，且未超出国家农业行业标准的规定值(≤20 000 cfu·m-3, NY/T 388-1999)。全年中夏、秋季节的舍内细菌总量较高，尤其秋季，细菌总量达8.70×103～1.38×104cfu·m-3(均1.11×104cfu·m-3)，显著高于其他季节(P<0.01)。
图4 舍内、外细菌数量年动态变化曲线
一个自然年度气载真菌总量的年动态变化如图5所示。舍内真菌总量变化趋势为自春季始随着时间延长缓慢增加至夏季峰值(7月份)然后逐渐下降至冬季谷值，四季的真菌总量均值分别为 339.48 cfu·m-3(春)、1 049.91 cfu·m-3(夏)、863.61 cfu·m-3(秋)和289.39 cfu·m-3(冬)。从图5也可看出，全年舍内真菌总量显著高于舍外(P<0.05)(3和5月份除外)。另外，霉菌作为真菌的主要成分，全年舍内的霉菌含量变化为106.73～1 347.82 cfu·m-3，其全年变化趋势与真菌总量变化基本一致。酵母菌在真菌总量中所占比例较小，全年舍内的酵母菌含量为33.58～291.11 cfu·m-3。
图5 奶牛舍真菌含量的年动态变化
2.1.4 粉尘(PM2.5和PM10) 一个自然年度粉尘(PM2.5和PM10)浓度的检测结果如图6所示。舍内PM2.5和PM10浓度的变化分别为5.20～41.84 μg·m-3和80.49～308.54 μg·m-3，从全年的变化趋势看，夏季粉尘浓度最高(PM2.5=17.86 μg·m-3；
PM10=193.07 μg·m-3)，春季较低(PM2.5=6.32 μg·m-3；
PM10=95.32 μg·m-3)，两种粉尘浓度在夏季8月份和冬季12月份均出现峰值，但均未超标(≤2 mg·m-3，NY/T 388-1999)。另外，全年舍内粉尘浓度高于舍外，尤其PM10，各月舍内PM10浓度均显著高于舍外(P<0.05)。两种粉尘浓度比较，各月的舍内外PM10浓度均显著高于PM2.5(P<0.01)。
图6 奶牛舍粉尘浓度年动态变化曲线
2.1.5 有害气体(CO2和NH3) 一个自然年度有害气体(CO2和NH3)浓度的年动态变化如图7所示。各月舍内CO2浓度均显著高于舍外(P<0.05)。舍内CO2浓度变化为439.6～1 504.5 mg·m-3，冬季3个月舍内CO2浓度最高(1 111.9～1 504.5 mg·m-3,均1 302.85 mg·m-3)，1月份达峰值，已超标(1 500 mg·m-3，NY/T 388～1999)。
图7 奶牛舍氨气和二氧化碳浓度年动态变化曲线
NH3浓度全年的变化与CO2变化趋势基本一致。全年舍内NH3浓度变化为0.53～3.15 mg·m-3，未超标(20 mg·m-3，NY/T 388-1999)，冬季含量最高(1.47～3.15 mg·m-3，均2.51 mg·m-3)，显著高于其他季节(P<0.05)，可能是由于冬季牛舍密闭性较强，导致有害气体浓度增加。另外，舍外未检出NH3。
2.2 环境参数与奶牛泌乳性能的相关性分析
2.2.1 产奶量和乳成分的年变化 一个自然年度奶牛的产奶量和乳品质测定结果如表1所示。12个月的日均产奶量为26.79～32.56 kg·(头·d)-1，冬、夏季略低，春秋季略高，但不同季节间差异不显著(P>0.05)。从乳品质分析，乳脂率不同季节间差异显著(P<0.05)，夏季最低，冬、春季节最高，乳糖含量也表现为冬、春季节较高，其他乳成分指标(乳蛋白、非脂乳固体和酸度)不同季节间差异不显著(P>0.05)。
表1 奶牛产奶量和乳品质的年变化
2.2.2 环境参数与泌乳性能的相关性 不同季节奶牛舍的各项环境参数与泌乳性能的相关性如图8所示。环境参数对泌乳性能影响较大的季节为夏、冬季。夏季，影响产奶量的主要参数是温湿度、风速和CO2，温度、湿度与产奶量均呈显著线性负相关(P<0.01，r=-0.936；
P<0.05，r=-0.695)，而风速与产奶量呈极显著线性正相关(P<0.01，r=0.823)，CO2与产奶量呈线性负相关，但未达到显著水平(P>0.05，r=-0.608)。温热参数对乳蛋白也有一定的影响，但不显著(P>0.05)。冬季，温湿度对产奶量影响也较大，温度越高，产奶量越高(P<0.01，r=0.855)，而湿度正好相反(P<0.05，r=-0.703)，且两种有害气体对乳成分产生一定的负面影响，尤其CO2浓度影响乳糖和非脂乳固体，但未达显著水平(P>0.05)。
*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)，下图同
从春、秋季的分析结果看，春季温度对CO2对产奶量和酸度影响较大，尤其温度与产奶量的正相关系数高达0.869(P<0.05)，CO2与产奶量则表现出显著线性负相关(P<0.05，r=-0.741)，另外，NH3与乳糖呈显著负相关(P<0.05，r=-0.724)。秋季对泌乳性能影响较大的环境参数是细菌和CO2，细菌含量主要影响乳蛋白，两者呈显著线性负相关(P<0.05，r=-0.695)，而CO2与乳糖呈显著线性正相关(P<0.05)。
2.3 环境参数与奶牛行为参数的相关性分析
2.3.1 卷帘舍奶牛各种行为的时间分配 一个自然年度奶牛全天4种行为参数的时间分配如表2所示。所测的12个月份中，每天奶牛4种行为分配时间长短依次为：躺卧>采食>站立>饮水。春季奶牛采食时间最长，平均360.73 min；
夏季饮水频率、饮水时间和单次站立时间均较长，平均分别为9.48次、24.35 min和29.20 min；
秋季躺卧时间最长，平均768.22 min；
冬季站立频率和躺卧频率增多。
表2 奶牛12个月4种行为参数每天的时间分配
2.3.2 环境参数与奶牛行为参数的相关性 环境参数与不同季节奶牛行为参数的相关性如图9所示。春季影响行为较大的参数是温度和CO2，温度与全天的采食时间和躺卧时间呈显著线性正相关(P<0.05，r=0.737，r=0.723)，而CO2浓度与采食时间、躺卧时间呈显著线性负相关(P<0.05，r=-0.745，r=-0.783)，并随CO2浓度增加，奶牛站立时间增加，呈极显著线性正相关关系(P<0.01，r=0.827)。
夏季对奶牛行为影响较大的参数是温湿度和风速。随着温度增加，采食频率显著降低(P<0.05，r=-0.675)，饮水频率和单次饮水时间显著增加(P<0.05，r=0.762；
P<0.01，r=0.820)。湿度与采食时间、饮水时间均表现出显著线性负相关关系(P<0.05，r=-0.734；
r=-0.760)。另外，风速也影响采食时间，风速越大，采食时间越长(P<0.05，r=0.762)。
冬季舍内温度和湿度影响奶牛的躺卧行为，温度与躺卧时间呈极显著线性正相关(P<0.01)，相关系数高达0.825，而湿度与躺卧时间呈显著线性负相关(P<0.05)。两种有害气体对奶牛行为也产生一定影响，CO2浓度与单次躺卧时间表现出极显著负相关(P<0.01，r=-0.809)，NH3与躺卧时间呈极显著线性负相关(P<0.01)。秋季的环境参数相对其他季节影响较小。CO2对采食和躺卧行为影响较大，与躺卧时间和单次采食时间呈显著负相关(P<0.05)。
环境参数是影响奶牛生产和健康水平的重要因素，尤其温度、相对湿度、风速等温热参数，直接影响畜体散热与产热，且各环境因子相互影响，综合影响奶牛生产[12]。适宜的环境有利于奶牛保持良好的健康状态，维持较高的泌乳性能，而不适宜的环境会增加奶牛遭受冷热应激的风险，降低对疾病的抵抗力[13-14]。泌乳性能作为奶牛最重要的生产指标，容易受温、湿度影响，本研究中，环境参数与泌乳性能相关性表现出较强的季节性，尤其夏、冬两季，温度与产奶量均呈线性相关，当夏季舍温变化范围为23.06～25.25 ℃时，环境温度与产奶量之间表现出线性负相关关系，相关系数高达-0.936，大量研究也认为，高温的夏季奶牛容易产生热应激[15]，温度越高，风险越大。当环境温度超过25 ℃时，奶牛将因无法通过自身调节控制体温而出现热应激反应，并容易引起体温升高、产奶量和乳品质下降[16-17]。而寒冷的冬季，持续强烈的低温和风速容易给奶牛生产带来较大的经济损失。已有研究指出[18]，我国北方冬季寒冷环境下，奶牛产奶量最高可下降40%，本研究中冬季环境温度处于-2.22～0.62 ℃范围时，温度与产奶量间则表现出线性正相关关系(r=0.855)，可见，冬季提高舍温有助于产奶量的提高。本研究也发现，环境湿度、有害气体与产奶量表现出线性相关关系，夏、冬季舍内湿度较高，高温高湿和低温高湿均会增加奶牛的不适感，且高湿容易滋生病原菌，这些环境因素均会对奶牛产生不利影响。研究认为，奶牛适宜湿度为50%～70%[19]。另外，冬季牛舍封闭程度较高，有害气体(CO2和NH3)增多，奶牛易患乳房炎、呼吸道等疾病，导致产奶量降低，甚至导致乳成分合成机能降低[20]。
奶牛行为的自然表达是体内生理机能变化的外在表现，通过监测行为变化不仅可以及时反映奶牛的健康状况，对泌乳性能也可起到预判作用[21]。一般情况下，季节更替和气候条件变化容易引起养殖环境发生变化，而奶牛也会因环境的变化产生相应的行为反应，而行为变化直接关系着奶牛的生产性能。顾宪红等[22]通过大量调研指出，奶牛每天的躺卧休息时间为10～14 h，躺卧时间低于12 h时产奶量明显下降。Jensen等[23]研究也发现，奶牛自身有强烈的休息动机，其休息行为与采食行为密切相关，部分干扰休息行为的因素也会减少采食行为[24]。本研究中，春季温度是影响奶牛行为的主要参数，温度与采食时间呈线性正相关关系，且温度与躺卧时间也呈线性正相关关系，春季随着气温上升，温湿环境适宜，奶牛在舒适的环境下会增加躺卧时间，同时降低游走和站立的时间，减少多余的能量消耗，从而将更多的能量用于产奶[25]。另外，躺卧行为有助于反刍行为的发生和能量的吸收与代谢。曹国弟等[26]研究发现，奶牛饮水量较大，尤其高温夏季，本研究结果发现，夏季温度与饮水行为密切相关，温度升高，奶牛饮水量增加，单次站立时间也增加，且奶牛站立时间随着温度的升高而增加，因为站立时可以增加奶牛体表与周围环境的接触，从而增加与环境间的对流交换热量[27]。徐东贺[28]关于舍环境影响三河牛行为的研究认为，夏季肉牛通过走动或站立以增加机体散热，肉牛躺卧时间减少，走动和站立时间增加，而冬季温度降低，奶牛为了减少散热会增加躺卧时间。研究表明，冬季奶牛在高湿环境下容易代谢紊乱，在温热、通风少的环境中，采食量明显降低，饮水次数减少，站立时间增加[29-30]，可见，冬季重视奶牛舍保温的同时也要兼顾通风除湿。
4.1环境参数与奶牛泌乳性能相关性表现出季节性规律。夏、冬季环境参数与泌乳性能的相关性较强，夏季温度、湿度、风速、CO2含量与产奶量的相关系数分别达-0.936、-0.695、0.823和-0.608，冬季温、湿度与产奶量的相关系数分别达0.855和-0.703。
4.2环境参数与奶牛行为参数相关性表现出季节性规律。春季的温度和CO2是影响行为的主要参数，随着温度增加，全天采食时间和躺卧时间随之增加(r=0.737；
r=0.723)。CO2则表现出相反趋势。夏、冬季温、湿度是影响行为的主要参数，夏季温度与采食次数呈负相关，冬季温度与躺卧时间呈正相关，且夏季风速影响采食时间(r=0.762)。