基于奶牛舒适度的牧场设计——有效缓解热应激方式
| 2018-10-22 09:50 荷斯坦奶农俱乐部网 访问量：1051 | [ 字号：大 中 小 ] |
John T. Tyson, P.E. 美国宾夕法尼亚州立大学农业技术推广专家
John Tyson 约翰.泰森
John Tyson先生于1993年本科毕业于美国宾夕法尼亚州立大学的农业工程专业，2008年在该校获得农业工程硕士学位。1993-1995年间，John在宾夕法尼亚州立大学从事农业和生物工程技术推广工作。1995-至今，John先后在宾夕法尼亚州伊利郡和米夫林郡的大学合作推广机构从事农业工程推广教育工作。早在2003年，John就获得了注册工程师执照，目前是奶业基层实践委员会的会员。
John的工作内容囊括奶牛场布局、牛舍设计、通风系统设计、饲料库设计、粪污处理以及牛只舒适度等方面。在工作过程中，他积累了丰富的与牧场工作人员、建筑商、供应商、兽医、财务人员等协调沟通的经验。
2010年，John获得了宾夕法尼亚奶协颁发的“杰出技术推广奖”
在过去的很多年中，我一直专注于奶牛场畜舍的设计、奶牛舒适度等方面的工作，接下来跟大家一起分享。
一个好的奶牛场设计的首要目标是满足动物的需求，保证动物的自然行为，提供最基本的新鲜的空气、饮水、采食、休息和社交。另外，设计方面还要防止奶牛受伤，让动物能够发挥遗传潜力，保障奶牛舒适度。
奶牛舒适度的关键因素
通风（新鲜的空气）、饮水、采食、休息区域/卧床和地面是奶牛舒适度的五个关键因素。这五个关键因素组成了一个奶牛场舒适度管理方面的链条。既然是一个整体的链条，要保证链条每一个环节都是成功的，如果任何一个环节出现问题都会受到影响。在过去的工作中，我的工作重心就是帮助牧场发现链条当中的一些薄弱环节。
在谈畜舍的设计和管理时，我们不仅要有良好的设计，同时还要有良好的管理。如果设计得非常好，但是管理不善也会把它毁掉。另一方面，如果管理的特别好，在某种程度上可以弥补一些设计上的缺陷。
图1 通风过程
良好的通风系统
首先，通风是为了保持适宜的水分、气体和污染物水平。通风要根据季节进行变化，整个畜舍内空气质量保持一致，寒冷/换季时将贼风降到最低，天气暖和时保证动物的高度有微风吹过。
目前，国内很多大型牧场都面临整栋牛舍当中空气质量不一致的问题。而且，炎热季节时的通风也是一个非常重要的话题。
自然通风
首先，一定要保证空气质量，给奶牛提供非常充足的新鲜空气。在美国中西部很多牧场都可能使用自然通风这种通风的方式，一般取决于内外的温度差、风速、屋顶的坡度、进风口的大小和位置、风向等等。
自然通风不是说自然发生的一个事件，而是和你的畜舍的设计有关。在寒冷季节的通风，很多时候都是因为牛体的温度相对于环境温度比较高。所以，空气会从牛体的高度然后一直向上延伸，通过檐下的通风口出去。另外，空气会从两边的进风口进来。夏季自然通风一般与风向、风速有关系。
图2 檐下进风口
图3 纵墙通风口
机械通风
机械通风是通过不同数量和不同位置的风扇及设计好的进风口进行换气来控制的，但这种机械通风的方式维护成本会比较高。在美国的东北部，这种机械通风不太常见。但是，在中西部和中部平原地区有新的应用，主要是低屋面横向通风（恒温牛舍）。相对于自然通风牛舍，机械通风的恒温牛舍需要一直供电和保持机器的运转、维护等等，所以成本会更高一些。
图4 低屋面横向通风（恒温牛舍）
图5低屋面横向通风（恒温牛舍）
缓解热应激
缓减热应激是现代牛舍所必需的，夏季仅靠遮阴是维持不了高产的。在建造牧场的时候，一定要考虑是否会存在热应激，采取并安装合适的缓减热应激的设计和设备。
荷斯坦奶牛的特征
前面已经提到，我们设计畜舍的时候一定要满足动物的需要，对于荷斯坦奶牛来讲，一般体温恒定在38.6℃左右(101.5°F)。荷斯坦奶牛起源于欧洲北部，在轻度到中度寒冷的冬季和凉爽的夏季的环境中进化而来，因此，相比寒冷更怕炎热。
图6 荷斯坦奶牛的适温区
上图中间的浅蓝色区域是奶牛的适温区，介于-1度到21摄氏度之间。上面这条黄线表示的是能量摄入量，随着温度升高，能量摄入量逐渐降低；下面黄线是维持需要，随温度升高先降后升，在适温区时，维持需要是最低的；这两条线之间的差就是奶牛用于生产的能量。因此，奶牛处于适温区时，可以用于生产的能量是最多的。
温湿指数是衡量热应激重要指标
热应激的程度不仅仅取决于温度，湿度的影响也非常大。温湿指数是衡量热应激的一个综合指标。计算公式为：温湿指数THI=(1.8Tdb +32)–(0.55 –0.55 RH)(1.8Tdb –26)；如果温湿指数大于68的话就存在热应激了。
图7 温湿指数表
图中横向第一行是相对湿度，纵向第一、二列是温度，中间的这些数字就是计算出来的温湿指数。温湿指数的一个方便之处是它并没有单位，所以我们不用计较温度是用华氏温度还是摄氏温度表示。如图所示，黄色、橙色、红色和紫色区域分别对应轻度、中等、严重和危险程度的热应激。
热应激持续时间 结果越糟糕
另外，影响热应激的还有热应激持续的时间，持续时间越长，结果越糟糕。如果热应激持续24小时之内，影响相对较小。但如果超过48小时，产量就会受到严重影响。如果温湿指数超过68，72小时之后后果就非常严重了。
图8 重庆、呼和浩特和宾夕法尼亚斯泰特科利奇1月到12月的月平均温度
我们可以看到，三地夏天时有很长一段时间内超过20℃。而奶牛的适温区是-1～21℃。对于奶牛来讲，低温相对于热应激更容易忍受。大家看重庆的温度曲线，在夏天重庆最低温基本都是在25℃左右的，所以，一天当中奶牛没有可以缓解热应激的时段。其他城市相对来讲好一些，因为在夜间的时候温度可以降到25℃之下，可以缓解一部分热应激。
奶牛热力学
图9 奶牛的热力学
我们从奶牛角度看一下它是如何进行热传导的。首先是辐射，热辐射是双向的，也就是温度高的地方要向温度低的地方传导热。太阳对奶牛有直接的热辐射。如果牛舍屋顶或地面温度高于奶牛体温，对奶牛也有间接辐射。另外，奶牛通过与地面的直接接触进行表面热传导。奶牛散热的另一个重要途径就是与周围空气进行热交换，可以把自己身上的热量散发出去。奶牛通过皮肤蒸发散热的能力是非常有限的，但是可以通过呼吸来进行蒸发散热。这就是为什么热应激的时候经常可以发现奶牛的喘息频率是增加的。此外，随着产量的增加，奶牛消化食物也是产热的，产量越高产热也是越多的。
缓解热应激第一步——减少阳光直射 提供遮荫
图10 遮荫
首先，第一步非常简单，就是提供遮荫，这是我们大部分牧场都有的。通过建造畜舍给奶牛提供遮荫，阻断太阳的热辐射。前面提过热辐射是双向的，阳光对奶牛的直接照射导致热应激，而夜间也可以从奶牛肢体和整个畜舍把热量散发到周围的环境当中。
缓解热应激第二步——对流散热
图11 对流
对流散热取决于奶牛温度和周围空气温度差，还有奶牛周围的空气流速。所以，如果我们想通过对流降温的话，首先可以加快换气的速度。其次，可以加快畜舍之内的风速。换气主要是把畜舍之内的热量散发到畜舍之外去，加快风速这个功能主要是为了把奶牛身上的热量散发到畜舍内部去，所以，二者是必不可少的。
自然通风
对于自然通风的牛舍来讲，很大程度决定于进风口。现在我们推荐进风口大小为每头牛0.65～1.0m2。如果畜舍已经建成，它的宽度肯定是比较确定的。如果畜舍存栏数过多，而进风口大小宽度不变，这样奶牛存栏越多对散热越不力。
对于靠自然通风的畜舍来讲，进风口一定要维持在牛的高度，也就是说你在畜舍外面是可以看到里面的牛的。
图12 自然通风牛舍进风口维持在牛的高度
加快空气流速
加快空气流速的作用就是通过驱散奶牛皮肤表层的热空气来增强奶牛的散热能力，这必须在奶牛周围形成“空气湍流”，推荐空气的湍流为1.5～2.2米/秒。
扰流风机
图12 扰流风机
我们经常能看到大片使用扰流风机的，但扰流风机不能换气，它只是可以加快空气流速。
图13 扰流风机安装的位置
扰流风机安装的位置都是奶牛密度比较大的地方。如果在畜舍之内，扰流风机安装在每排卧床和饲喂通道上方，安装位置要达到加快奶牛背部上方空气流通的目的。一般推荐将风机按照10～12倍直径距离的间隔悬挂，1.2米风机是12米的间距，大约2～3米高，相对垂直方向倾斜10～20度角。另外，安装方向要能够吹到牛体的背部。
HVLS低速大通风量风扇
图14 美国牧场低速大通风量风扇
图15 低速大风量风扇覆盖范围是个问题
在美国比较常用的一个风机是低速大风量的风扇。如果问我这种风扇好不好的话，我觉得不太好用，从名字上可以看出它是低速的。为什么它不太好呢？因为这种风机在上图中只有橙色区域是它能提供足够风速的地方，周围风速太小了。
低速大通风量的推荐值是吊扇安装在奶牛上方2倍吊扇直径的高度位置。
图16 吊扇安装在奶牛上方2倍吊扇直径的高度位置
如果因为天气的限制不能使用自然通风，我们必须使用机械通风，包括隧道通风或者横向通风。它的弊端是维护成本比较高。机械通风的一个优点是换气速度比较快，大概每头牛每秒钟能换气0.7立方米。如果按照次数来讲，大概每分钟能换一次，也就是每小时能换60次。但是，弊端就是空气的流速不足。在牛舍当中，一般牛的高度在1.5～2米之间。而空气流通较快的位置是在牛体上方几米的位置。所以，如果想效果比较好的话，一般在这种情况下会增加一些扰流风机。
图17 横向通风
图18 隧道通风
缓解热应激第三步——蒸发散热
蒸发如何散热
图19 蒸发如何影响奶牛散热
前面已经讲过，牛皮肤的散热能力是非常弱的，主要通过呼吸系统肺部来散热。所以，我们要给奶牛提供足够的饮水，因为喝了足量的水之后它才可以给自己的身体降温。
添加饮水
首先要增加饮水空间，天气炎热时饮水量会加倍。
图20
图21
蒸发降温
研究表明，每蒸发1千克水需要2,350kJ能量，我们可以计算一下如果通过蒸发散热可以给奶牛降温降多少。蒸发降温包括间接蒸发散热和直接蒸发降温，分别指降低奶牛周围的空气温度，或者直接驱散奶牛身上的热量。值得注意的是：如果想利用蒸发降温，必须首先保证空气交换和流通速度。为什么要保证换气次数呢？主要是把畜舍内的水分换到舍外去。
间接的蒸发降温
间接蒸发降温主要是通过蒸发水分来降低周围环境的温度，然后再通过降温后的空气来给奶牛降温，例如通过降低周围空气温度来增加对流降温。
图22 间接蒸发降温原理
不同气侯条件对蒸发降温的效果会有不同的影响。如上图所示，在温度是35摄氏度，湿度是30%的干燥炎热环境中，如果通过间接蒸发降温的方式把空气里面的湿度增加到100%，这样可以把温度降到22摄氏度。而在温度同样为35摄氏度，湿度为60%的潮湿炎热的环境中，如果我们采取间接蒸发降温的方式把相对的湿度增加到100%，我们只能把温度降到28摄氏度。由此可见，在干燥的空气和潮湿的空气中采用同样的蒸发降温方式，最终温度差可以达到6摄氏度。
图23
这个表格深色部分是THI比较高的地方。黄线是说在这种情况下如果我们把相对湿度从20、30增加到100，温度也是有所下降的。这些适用于干燥的地方，但不适用于潮湿的地方。
温帘蒸发降温
空气通过湿帘进入牛舍，通过蒸发水分来降低空气温度。
图24 湿帘降温
喷雾降温
小水滴被喷洒到空气中，然后蒸发降低空气温度。使用湿帘和喷雾进行降温都属于间接的蒸发降温，即用来降低奶牛周围空气温度。
图25喷雾降温
直接的蒸发降温
在比较潮湿的地区，间接蒸发降温的方式（例如喷雾）使用效果不佳，更适合采取直接蒸发降温的方式，即喷淋，也就是把水直接打在奶牛的皮肤上进行散热。大的水滴能够直接渗透过牛毛到奶牛的皮肤上。在水滴进行蒸发的过程当中，带走奶牛身上的热量，也起到给牛降温的作用。
图26
图27
喷淋的设计
喷淋的设计相对比较简单，目标是喷洒粒度为1.3毫米的水，覆盖颈夹后方大概1.5～2.0米的区域。每次喷淋的时间要控制在1～2分钟内，然后根据不同温度设定喷淋的间隔时间，大概5～15分钟重复一次。
图28 把奶牛的皮肤全部打湿
其它需要降温的区域
适用直接蒸发降温方式的地方比如待挤区和回牛通道。通过这种方式把奶牛的温度降下来以后，一般2.5～3小时之后温度才会回升。为什么推荐在待挤区和回牛通道安装直接蒸发降温的喷洒装置呢？主要是可以节约用水，因为奶牛的密度比较高，所以，用水量会比较低。
直接和间接蒸发降温的比较
直接蒸发降温（例如喷淋）和间接蒸发降温（例如喷雾）这两种方法的差别，首先是总用水量，间接降温的方式用水量小于直接蒸发降温的方式。其次，散热的效率来讲，直接蒸发降温方式比间接的效率高。另外，直接蒸发降温和间接蒸发降温是两个不同的系统，是针对不同的气候使用的两种不同方式。气候干燥地区，二者均可应用，但是气候潮湿的地区，喷雾的效果不佳，喷淋更加适用。
蒸发降温注意事项
在使用蒸发降温时，需要小心不要在奶牛皮肤表面覆盖一薄层水，因为这样会将热气困在皮肤表面，被困的空气层反而会将奶牛隔离，降低对流降温的效率！因此，使用蒸发降温系统，如果设计安装的不合理，不但不会起到降温的作用，反而会阻碍奶牛的散热，温度升高了。
缓减热应激的步骤
首先减少阳光照射，如提供遮阴。第二，增加对流降温，加快换气速度，加快阴凉处牛体高度的空气流速。第三，增强蒸发降温能力，比如提供大量饮水，安装间接蒸发降温和直接蒸发降温系统来给奶牛降温。
（本文根据John Tyson 在“安迪苏2018国际奶业研讨会”上的讲课内容整理，由张倩博士担任翻译并审阅，未完待续）
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