利用呼吸頻率比較不同溫?zé)嶂笖?shù)在牛舍的應(yīng)用

李璟輝，程瓊儀，陳昭暉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193)

利用呼吸頻率比較不同溫?zé)嶂笖?shù)在牛舍的應(yīng)用

李璟輝，程瓊儀，陳昭暉*

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室，北京 100193)

肉牛耐寒怕熱，準(zhǔn)確評估夏季肉牛舍的環(huán)境條件十分重要。為此，在過去的研究中，人們提出了一系列溫?zé)嶂笖?shù)。為找出在肉牛舍中較為準(zhǔn)確的溫?zé)嶂笖?shù)，論文比較了溫濕指數(shù)(Temperature-Humidity Index,THI)、黑球濕度指數(shù)(Black Globe-Humidity Index,BGHI)、溫濕風(fēng)指數(shù)(Temperature-Humidity-Velocity Index,THVI)和熱負(fù)荷指數(shù)(Heat Load Index,HLI)與肉牛呼吸頻率的相關(guān)程度。結(jié)果表明，4個指數(shù)與呼吸頻率都存在極顯著的正相關(guān)(P<0.0001)；HLI與呼吸頻率的相關(guān)系數(shù)為0.76075，BGHI為0.69746，THVI為0.7374，THI為0.60381。HLI與呼吸頻率的相關(guān)性最大，用HLI作為夏季肉牛舍的溫?zé)嶂笖?shù)最準(zhǔn)確。

夏季；肉牛舍；呼吸頻率；溫?zé)嶂笖?shù)

肉牛耐寒怕熱，其適宜環(huán)境溫度為5～15 ℃左右[1-2]。夏季肉牛舍溫濕指數(shù)(Temperature-Humidity Index,THI)大于78時，肉牛出現(xiàn)熱應(yīng)激，采食量下降約0.4 kg[3]；THI大于84時，熱應(yīng)激嚴(yán)重，肉牛日采食量下降約1.7 kg，出現(xiàn)疾病甚至死亡[3]。要想避免熱應(yīng)激給生產(chǎn)帶來的損失，首先應(yīng)有一個科學(xué)的溫?zé)嶂笖?shù)對牛舍環(huán)境進行評估，從而根據(jù)評價結(jié)果采取適宜的降溫防暑措施。

影響畜舍溫?zé)釛l件環(huán)境因素有4個：干球溫度，潛在的空氣熱含量(可以用濕度，濕球溫度或露點溫度等表示)，熱輻射和空氣流動[4]。這4個因素的綜合作用影響了畜禽的輻射、對流、傳導(dǎo)和蒸發(fā)散熱，從而影響了畜禽與環(huán)境的熱交換。

THI作為最經(jīng)典的溫?zé)嶂笖?shù)，存在一定的優(yōu)越性[4]。THI最初在畜牧業(yè)上的應(yīng)用是預(yù)估奶牛在熱應(yīng)激條件下產(chǎn)奶下降量，結(jié)果成功地與實際情況相符[5]。在很長的一段時間里，THI被認(rèn)為是評價畜舍溫?zé)嵋蛩氐淖罴阎笜?biāo)[4]。但是THI只考慮了溫度和濕度兩個因素，在不斷的研究和發(fā)展中，其局限性也逐漸顯露出來，從而發(fā)展出了一系列溫?zé)嶂笖?shù)。Buffington等[6]提出了黑球濕度指數(shù)(Black Globe-Humidity Index,BGHI)；陶秀萍[7]提出了溫濕風(fēng)指數(shù)(Temperature-Humidity-Velocity Index,THVI)；Gaughan等[8]提出了熱負(fù)荷指數(shù)(Heat Load Index,HLI)。本文選取了THI、BGHI、THVI和HLI這4個溫?zé)嶂笖?shù)，通過相關(guān)性分析，比較這些指數(shù)與呼吸頻率的相關(guān)性大小，旨在找到最適合于肉牛舍的溫?zé)嶂笖?shù)，為今后的肉牛舍溫?zé)嵋蛩卦u價研究提供一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍及試驗動物

試驗于2013年7～8月進行。試驗地點為國家肉牛體系亳州試驗站，位于安徽省亳州市(33.55°N,115.39°E)。2棟試驗牛舍皆為東西走向，牛舍長25 m，跨度10.8 m，檐高2.8 m，雙坡鋼屋架無吊頂石棉瓦屋面，牛舍南面為全開放式，北面每開間3.6 m，設(shè)1.5 m×1.5 m洞口，窗臺高1.1 m。舍內(nèi)牛床為單走道雙列布置。

2棟牛舍各飼養(yǎng)30頭體重500 kg、年齡2歲左右的未閹割西門塔爾公牛，拴系飼養(yǎng)，飼槽寬度為1 m/頭，隨機分配到牛舍的南側(cè)或北側(cè)牛床。每日05∶00和17∶00進行人工喂料、清糞，肉牛自由采食和飲水。從兩個牛舍南北面分別隨機挑選6頭試驗牛對其生理指標(biāo)進行測量。試驗階段肉牛飼料配方、飼喂量和管理措施等不做任何改變。

1.2 試驗方法

1.2.1 環(huán)境參數(shù)測定 圖1為測定布點平面圖。測定溫度、濕度、黑球溫度和風(fēng)速。分別采用精密型溫濕度儀(型號testo 625，精度±0.5 ℃)，熱敏式風(fēng)速儀(型號MODEL6004，沈陽加野科學(xué)儀器有限公司，精度為±(5 %+0.1) m/s)。測量高度為距地面0.7 m(肉牛躺臥背部高度)和1.3 m(肉牛站立背部高度)，在牛站立區(qū)域測3個點，分別為牛頭中部、牛背與牛尾部，具體測點如圖中■所示。黑球輻射溫度測試儀(型號JTR04，精度為±0.5℃)測量高度為1.0 m，具體測點如圖中▲所示。測定時間為2013年8月6日～8日、10日～11日、13日～14日，每天8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00測定。

圖1 環(huán)境參數(shù)測點平面布置圖1.走道；2.飼槽；3.牛床；4.轉(zhuǎn)牛通道；■為環(huán)境溫濕度、風(fēng)速測點；▲為黑球溫度測點Fig.1 Arrangement of environmental parameters measuring points1.Aisle；2.Manger ；3.Fiber duct ；4.Beef transport path；■：measuring points of temperature,humidity,wind speed；▲：measuring point of black global temperature

1.2.2 試驗牛生理指標(biāo)測定 測定呼吸頻率采用人工秒表連續(xù)3 min 計數(shù)側(cè)腹起伏次數(shù)[9-10]，對兩個牛舍共12頭試驗牛進行測定。與環(huán)境測定同時進行。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 試驗最終獲得125組有效的環(huán)境參數(shù)和生理指標(biāo)。試驗數(shù)據(jù)采用SAS統(tǒng)計軟件對溫?zé)釛l件評定指標(biāo)與牛呼吸頻率進行相關(guān)分析。

1.3 試驗所用的溫?zé)嶂笖?shù)

1.3.1 溫濕指數(shù) Thom[11]在人類舒適度的基礎(chǔ)上，利用干球溫度和相對濕度這兩個因素提出了THI：

THI=0.8Td+ RH(0.99 Td-14.3) + 46.3

式中：Td為干球溫度(℃)；RH為相對濕度(%)。雖然THI最初用于人的活動區(qū)域環(huán)境評價，但在評價畜舍溫?zé)釛l件上取得了巨大成功[4]，人們總結(jié)出了THI在各種畜禽舍中的上下限。Mayer等[12]認(rèn)為奶牛舍THI的上下臨界值分別為78和72。而在肉牛舍中，Amundson等[13]總結(jié)出0～60日齡犢牛舍的最佳THI為68，妊娠母牛舍的THI不應(yīng)超過72.9。Brown-Brandl等[3]總結(jié)出育肥牛舍中THI上下限分別為84和74。

1.3.2 黑球濕度指數(shù) 雖然THI應(yīng)用廣泛，但是忽略了熱輻射和風(fēng)速這兩個環(huán)境因素。Brown等[3]發(fā)現(xiàn)，熱輻射是影響肉牛生產(chǎn)重要因素，夏季時暴露在太陽輻射下的肉牛明顯比遮陽處理的肉牛采食量少、增重緩慢、熱應(yīng)激嚴(yán)重。1981年，Buffington等[12]對奶牛進行了大量試驗，提出了BGHI：

BGHI= tbg+0.36 tdp+41.5

(1)

式中:tbg為黑球溫度(℃)；tdp為露點溫度(℃)。該指數(shù)利用黑球溫度和露點溫度對環(huán)境進行綜合評價，實際上考慮了溫度，濕度和熱輻射這3個環(huán)境因素。

1.3.3 溫濕風(fēng)指數(shù) 陶秀萍[7]通過肉雞試驗提出THVI，其計算公式為：

THVI= (0.15×DBT+0.85×WBT)× V-0.058

(2)

式中:DBT為干球溫度(℃)；WBT為濕球溫度(℃)；V為風(fēng)速(m/s)。THVI考慮了溫度、濕度、空氣流動3個環(huán)境因素。THVI在應(yīng)用于肉牛舍時，計算公式進行了校正[14]：

THVI= (0.35×DBT+0.65×WBT)× V-0.058

(3)

1.3.4 熱負(fù)荷指數(shù) BGHI和THVI都考慮了3個環(huán)境因素，但都不全面，BGHI沒有考慮空氣流動，THVI沒有考慮熱輻射。2008年Gaughan等[8]提出HLI ，考慮了溫度、濕度、空氣流動及太陽輻射4因素，計算公式如下：

HLIBG>25=8.62+ 0.38RH+1.55BG-0.5V+e(2.4-V)

(4)

HLIBG<25=10.66+0.28RH+1.3BG-V

(5)

式中:BG為黑球溫度(℃)；RH為相對濕度(%)；V為風(fēng)速(m/s)。Gaughan[8]還給出了HLI的上、下限臨界值，HLI 高于下限臨界值時，肉牛開始動用物理和化學(xué)調(diào)節(jié)，出現(xiàn)熱應(yīng)激；大于上限臨界值時，肉牛體熱調(diào)節(jié)失衡，出現(xiàn)熱積聚，體溫升高。HLI的初始臨界值是以未遮陽、黑色普通牛的喘息評分建立的，其上、下限臨界值分別為86和77，根據(jù)牛的品種及實際飼養(yǎng)情況可進行校正[8]。借助于上下限臨界值，生產(chǎn)者可以根據(jù)實際生產(chǎn)情況更容易地判斷牛是否處于熱應(yīng)激，并采取相關(guān)措施進行生產(chǎn)調(diào)整。本次的試驗對象為生理健康、舍飼130 d以上、被毛黃白相間的西門塔爾肉牛，遮陽面積5.3 m2/頭，飲用15～20℃的地下水，糞便清掃及時。根據(jù)此肉牛品種、生理狀況及飼養(yǎng)條件校正臨界值，其上、下限臨界值分別為96.0和87.0。

2 結(jié)果與分析

高溫高濕條件下，肉牛非蒸發(fā)散熱減弱，通過增大呼吸頻率來加大蒸發(fā)散熱[15]，故呼吸頻率與環(huán)境溫?zé)釛l件存在極大相關(guān)性。試驗期間8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00試驗平均呼吸頻率分別為(59±9)、(65±12)、(78±14)、(83±13)、(82±18)、(81±17)次/min。由表1可知，與呼吸頻率都存在極顯著的正相關(guān)(P<0.0001)，說明用呼吸頻率分別對其進行評估切實可行。

表1 各指數(shù)與呼吸頻率的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation of each index and respiration rate

2.1 溫濕指數(shù)

測定期間，試驗舍各個時刻平均THI分別為(83.56±1.57)、(85.50±1.55)、(87.14±1.30)、(87.95±1.07)、(87.46±1.28)、(87.40±1.41)。THI與呼吸頻率的回歸關(guān)系結(jié)果如圖2。呼吸頻率與THI的相關(guān)系數(shù)r=0.60381。

2.2 黑球濕度指數(shù)

測定期間，試驗舍各個時刻平均BGHI分別為BGHI(82.61±1.79)、(85.02±1.80)、(87.00±1.68)、(88.20±1.63)、(87.47±1.76)、(86.13±1.62)，BGHI與呼吸頻率的回歸關(guān)系結(jié)果如圖3。呼吸頻率與THI的相關(guān)系數(shù)r=0.69746。

圖2 呼吸頻率與THI的線性關(guān)系圖Fig.2 Linear relation between respiration rate and THI

圖3 呼吸頻率與BGHI的線性關(guān)系圖Fig.3 Linear relation between respiration rate and BGHI

2.3 溫濕風(fēng)指數(shù)

測定期間，試驗舍各個時刻平均THVI分別為(30.06±1.79)、(31.11±1.79)、(32.00±1.51)、(32.65±1.60)、(32.37±1.78)、(32.57±1.80)，THVI與呼吸頻率的回歸關(guān)系結(jié)果如圖4，呼吸頻率與THVI的相關(guān)系數(shù)r=0.7374。

2.4 熱負(fù)荷指數(shù)

測定期間，試驗舍各個時刻平均HLI(試驗時黑球溫度均大于25 ℃，采用公式①計算)分別為(64.19±4.32)、(67.30±4.10)、(69.83±3.98)、(71.68±4.30)、(70.67±4.49)、(68.43±4.62)，HLI與呼吸頻率的回歸關(guān)系結(jié)果如圖5，呼吸頻率與HLI的相關(guān)系數(shù)r=0.69746。

2.5 4個溫?zé)嶂笖?shù)的比較

HLI與呼吸頻率的相關(guān)系數(shù)最大，為0.76075，其次THVI為0.7374，BGHI為0.69746，THI與呼吸頻率的相關(guān)系數(shù)最小為0.60381。說明在本次試驗中HLI與呼吸頻率的相關(guān)性最大，用HLI作為肉牛舍的環(huán)境綜合評價指數(shù)最準(zhǔn)確。

圖4 呼吸頻率與THVI的線性關(guān)系圖Fig.4 Linear relation between respiration rate and THVI

圖5 呼吸頻率與HLI的線性關(guān)系圖Fig.5 Linear relation between respiration rate and HLI

3 討 論

THI只考慮了溫度、濕度兩個環(huán)境因素，故其與呼吸頻率相關(guān)性相對最小；而HLI全面考慮了溫度、濕度、熱輻射和空氣流動四個因素，故其與呼吸頻率相關(guān)性最大，相對也最為準(zhǔn)確。BGHI和THVI都考慮了三個環(huán)境因素，與呼吸頻率的相關(guān)性介于THI和HLI之間。

4個環(huán)境綜合評價指數(shù)中，BGHI和THVI沒有明確在肉牛舍中的上下限，故在生產(chǎn)中不易根據(jù)實際情況進行調(diào)整；THI和HLI給出了在肉牛舍中的上下限值，但HLI可以根據(jù)實際生產(chǎn)情況對上下限值進行校正，其實用性高于THI。本文只羅列了極有限的部分環(huán)境綜合條件評價指數(shù)，下一步工作應(yīng)該對更多評價指數(shù)進行比較。如2002年，Mader和Davis[16]在前人的基礎(chǔ)上通過肉牛試驗對THI進行校正，提出了校正溫濕指數(shù)(THIadj)：

THIadj=4.51+THI-1.992 WS+0.0068 SR

式中：WS為風(fēng)速(m/s)；SR為太陽輻射(W/m2)。THIadj和HLI一樣，也綜合考慮了溫度、濕度、熱輻射和空氣流動這4要素。受試驗條件限制，本次試驗未能測量熱輻射，因此無法計算THIadj。任何環(huán)境綜合評價指數(shù)都是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型，從而建立等式。但是，數(shù)據(jù)再多，建立的等式也只能反映總體至多約56%的變異情況[17]，所以任何指數(shù)都有其局限性。如本文認(rèn)為最準(zhǔn)確的溫?zé)嶂笖?shù)HLI是通過肉牛試驗得出的，在其他畜舍的準(zhǔn)確度還有待驗證。因此在利用指數(shù)對畜舍環(huán)境進行綜合評價時，一定要考慮實際情況，科學(xué)地選取最佳指數(shù)。

4 結(jié) 論

THI、BGHI、THVI和HLI與肉牛呼吸頻率都存在極顯著的正相關(guān)(P<0.0001)，用于評定肉牛舍溫?zé)釛l件都有一定合理性。HLI與呼吸頻率的相關(guān)系數(shù)最大為0.76075，THVI為0.7374，BGHI為0.69746，THI為0.60381。在此次試驗中，HLI與呼吸頻率的相關(guān)性最大，用HLI作為肉牛舍環(huán)境綜合評價指數(shù)最準(zhǔn)確，并且HLI給出的上、下限指數(shù)能根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行校正，更具實用性。

[1]丁露雨,王美芝,郭 霏,等.我國不同地區(qū)肉牛舍夏季環(huán)境狀況測定[J].家畜生態(tài)學(xué)報,2011,32(1):68-72.

[2]婁玉杰,周海柱.肉牛場環(huán)境質(zhì)量及其評價[J].現(xiàn)代畜牧獸醫(yī),2010(2):26-27.

[3]Brown-Brandl T M,Eigenverg R A,Nienaber J A,et al.Dynamic response indicators of heat stress in shaded and non-shaded feedlot cattle,part 1:analyses of indicators[J].Biosystems Engineering,2005,90(4):451-462.

[4]Hahn G L,Gaughan G B,Mader T L,et al.Livestock energetics and thermal environmental management[M].Mich:ASABE,2009:113-130.

[5]Berry I L,Shanklin M D,Johnson H D.Dairy shelter design based on milk production decline as affected by temperature and humidity[J].Transactions of the ASAE,1964,7(3):329-331.

[6]Buffington D E,Collazo-Arocho A,Canton G H,et al.Black globe-humidity index as comfort equation for dairy cows[J].Transactions of the ASAE,1981,24(3):711-714.

[7]陶秀萍.不同溫濕風(fēng)條件對肉雞應(yīng)激敏感生理生化指標(biāo)影響的研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2003.

[8]Gaughau J B,Mader T L,Holt T L,et al.A new heat load index for feedlot cattle[J].Journal of Animal Science,2008,86:226-234.

[9]丁露雨,王美芝,陳昭暉,等.南方開放式肉牛舍夏季噴霧降溫效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(2):224-231.

[10]Scharf B,Leonard M J,Weaber R L,et al.Determinants of bovine thermal response to heat and solar radiation exposures in a field environment[J].International Journal of Biometeorol,2011,55(4):469-480.

[11]Thom E C.Measuring the need for air conditioning[J].Heat and Ventilation,1958,53(8): 68-70.

[12]Mayer D G,Davison T M,McGowan M R,et al.Extent and economic effect of heat loads on dairy cattle production in Australia[J].Aust Vet,1999,77:804-808.

[13]Amundson J L,Mader T L,Rasby R J,et al.Environmental effects on pregnancy rate in beef cattle[J].Animal Science,2006,84:3 415-3 420.

[14]魏天盛,馬馳騁,孫亞楠,等.江淮地區(qū)肉牛棚舍環(huán)境評價[C]∥家畜環(huán)境與生態(tài)學(xué)術(shù)研討會論文集,2010:139-144.

[15]李如治.家畜環(huán)境衛(wèi)生學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2010:19-22.

[16]Davis S,Mader T.Adjustments for wind speed and solar radiation to the temperature-humidity index[R].Nebraska:Nebraska Beef Cattle Report.Univesity of Nebraska-Lincoln,2003:48-51.

[17]Brown-Brandl T M,Jones D D,Woldt W E.Evaluating Modelling Techniques for Cattle Heat Stress Prediction[J].Biosystems Engineering,2005,91(4):513-524.

ComparingDifferentThermalIndiceswithRespirationRateApplicationanditsinBeefCattleBarn

LI Jing-hui,CHENG Qiong-yi,CHEN Zhao-hui*

(StateKeyLaboratoryofAnimalNutrition，CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgricultureUniversity,Beijing100193,China)

Beef cattle are cold-resistant but sensitive heat.It is important to assess environmental conditions of beef barn accurately in summer.Therefore,a series of thermal indices were developed in former research.In order to find out a more accurate index for beef barn,this paper compares the correlation of Temperature-Humidity Index (THI),Black Globe-Humidity Index (BGHI),Temperature-Humidity-Velocity Index (THVI),Heat Load Index (HLI) with respiration rate of beef cattle.The results showed that 4 indices are all significantly positively correlated to respiration rate(P<0.0001).The correlation coefficient of HLI and respiration rate is 0.76075,while that of BGHI is 0.69746 and THVI is 0.7374 and THI is 0.60381.HLI is relevant to respiration rate most,so it is concluded as the most accurate index for beef barn thermal conditions assessment in this study.

summer; beef cattle barn; respiration rate; thermal indices

2014-03-16，

2014-04-25

南方地區(qū)草食家畜舍飼小氣候調(diào)控技術(shù)研究(201303145)；國家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-38)

李璟輝(1992-)，男，江蘇蘇州人，本科，研究方向：畜舍環(huán)境控制。E-mail：Lgreyhui@126.com

*[通訊作者]陳昭暉(1981-)，男，浙江樂清人，博士，講師，研究方向：畜牧環(huán)境工程。E-mail：chenzhaohui@cau.edu.cn

S811.6

A

1005-5228(2014)07-0032-05