體況評分在奶牛生產(chǎn)中的研究進(jìn)展

王玉潔 霍鵬舉 孫雨坤 張永根

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150030)

奶牛體況評分(body condition score，BCS)是以奶牛脂肪沉積為主要依據(jù)，用于直接評估奶牛脂肪儲備水平，間接評估奶牛能量積蓄程度，衡量奶牛能量代謝狀況，可進(jìn)一步反映牧場牛群的營養(yǎng)管理水平、健康水平、繁殖性能和生產(chǎn)效率等，是奶牛飼養(yǎng)管理中不可缺少的實(shí)用工具之一[1-2]。在國外，BCS自20世紀(jì)70年代引入奶牛管理以來，研究者和養(yǎng)殖戶通過不斷的摸索與實(shí)踐，將BCS作為奶牛管理的關(guān)鍵監(jiān)測工具，并在生產(chǎn)中取得了較好的效果[3-4]。近年來，科學(xué)家將BCS結(jié)合計(jì)算機(jī)、圖像分析、人工智能等技術(shù)，對動(dòng)物體況進(jìn)行更加快速精準(zhǔn)的評價(jià)，降低了工作人員的工作強(qiáng)度和工作量，從而大大提高勞動(dòng)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

我國畜牧業(yè)發(fā)展正在從散戶養(yǎng)殖模式向規(guī)?；C(jī)械化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型，隨著我國奶牛生產(chǎn)水平和飼養(yǎng)集約化程度的提高，在牛群中經(jīng)常會出現(xiàn)體況過胖或者過瘦的個(gè)體，從而影響群體生產(chǎn)效率[5]。為解決這一問題，我國大型牧場開始借助BCS技術(shù)來監(jiān)測牧場的管理。奶牛在生長發(fā)育、分娩生產(chǎn)、早期泌乳等不同階段會不同程度地調(diào)動(dòng)身體脂肪，以滿足不同能量需求[6]。養(yǎng)殖者可通過大量數(shù)據(jù)估測出奶牛群體體況的平均水平，并篩選出與群體平均水平差異較大的個(gè)體，及時(shí)糾正或改善管理策略，對癥下藥，通過改變營養(yǎng)物質(zhì)供給來調(diào)控奶牛體脂肪儲備，最大限度地減少代謝紊亂疾病和繁殖障礙的發(fā)生，提高奶牛生產(chǎn)效率[3]。因此，為降低奶牛養(yǎng)殖成本，充分發(fā)揮奶牛個(gè)體生產(chǎn)潛力，通過BCS技術(shù)正確地管理和評估奶牛體況就顯得尤為重要。本文綜述了近年來奶牛BCS技術(shù)的主要測定方法以及生產(chǎn)管理中的應(yīng)用效果。

1 BCS測定方法

1.1 人工評分

BCS在不同的國家和地區(qū)采用不同的評分標(biāo)準(zhǔn)。如在美國和愛爾蘭，使用5分制的BCS系統(tǒng)，澳大利亞和新西蘭分別使用8分制和10分制的BCS系統(tǒng)[7]；丹麥?zhǔn)褂?分制的BCS系統(tǒng)[8]。我國使用最廣泛的評分標(biāo)準(zhǔn)是美國的5分制BCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)每0.25分為1個(gè)增量單位，1.00分為最低的分值，反映瘦牛體況，表示嚴(yán)重瘦弱；而最高分值為5.00分，則表示牛體況過于肥胖，如表1所示。

表1 體況評分標(biāo)準(zhǔn)

未說明表示不作為評價(jià)指標(biāo)。

Without information indicated that the index was not used as an analysis index.

評分者需要經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)和練習(xí)后，準(zhǔn)確熟練掌握評分部位的解剖結(jié)構(gòu)，才能保證評分的準(zhǔn)確性。對奶牛體況進(jìn)行評分時(shí)，被測牛要保持正常的站立姿勢，評分者依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)，以視覺和觸摸相結(jié)合的方式進(jìn)行評分[9]。首先從側(cè)面觀察牛的骨盆區(qū)域，檢查從髖骨和薦骨連接處過渡到尾骨的連線(坐骨結(jié)節(jié)-髖骨結(jié)節(jié)-腰角三點(diǎn)的夾角形狀)，主要分為以下3種情況：三角狀(V形，圖1-a)、新月狀(U形，圖1-b)以及一字狀(圖1-c)。當(dāng)動(dòng)物的BCS接近3.00或3.25分時(shí)，其他特征不能有效突顯二者區(qū)別，骨盆區(qū)域就成為重要的判別依據(jù)。最后從牛后方觀察檢查尾根兩側(cè)，根據(jù)其尾根及兩側(cè)凹窩深淺程度來最終判定具體的分?jǐn)?shù)。

圖1 牛骨盆區(qū)域所呈形狀Fig.1 The shape of cow pelvic area

最近，有研究利用折疊量角器進(jìn)行BCS的測量，將折疊量角器打開垂直立于牛臀部上方尾根處，觀察量角器內(nèi)角的開角數(shù)值，如圖2所示，當(dāng)指針指向紅色時(shí)表示較瘦，綠色代表適中，黃色代表肥胖,其測量結(jié)果與BCS的回歸公式為：y=9.94x+77.76[決定系數(shù)(R2)=0.67;P<0.001] (y為所量臀部的內(nèi)角度數(shù)，x為BCS)[10]。

圖2 使用折疊量角器測定BCSFig.2 BCS measurement using folding protractor[10]

盡管研究者們對奶牛BCS及其影響因素已有成熟的理論分析，但由于人工評分主觀性強(qiáng)，其穩(wěn)定性遭到質(zhì)疑[6]。且集約化大型牧場奶牛數(shù)量龐大，人工方法耗時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)成本高，重復(fù)性較差[11]。因此，研究并開發(fā)能夠替代人工，方便、快速、準(zhǔn)確地記錄畜群中每個(gè)動(dòng)物的BCS就顯得尤為重要。

1.2 超聲波成像技術(shù)測量尻部厚度(rump thickness，RT)

為克服因人而異造成的BCS的不穩(wěn)定性，有研究者選擇了一種間接方法，即超聲波成像技術(shù)測量RT[6]。RT指位于髖關(guān)節(jié)與坐骨結(jié)節(jié)之間連線，從后向前的1/5～1/4處，臀肌皮膚和深筋膜之間皮下脂肪層的厚度(圖3)，可有效評估奶牛皮下脂肪的含量，且隨著超聲技術(shù)的出現(xiàn)，可以直接、有效、客觀地測量奶牛的RT[12]。研究發(fā)現(xiàn)，BCS與RT之間關(guān)系的相關(guān)系數(shù)(r)隨泌乳期的變化而變化，BCS與RT之間高度相關(guān)。在RT為10～35 mm,BCS為2.5分時(shí)，其相關(guān)性最高。BCS每增加1個(gè)單位RT增加10 mm[6]。綜上所述，在反映能量利用及脂肪蓄積程度方面，因測量RT的結(jié)果更加客觀穩(wěn)定，所以在一定程度上可以替代BCS，但是相較于通過目測和觸摸的方式衡量奶牛營養(yǎng)利用情況，選擇RT作為BCS評定指標(biāo)，其操作的便捷性較差，對于集約化大型牧場而言，不是一種高效的方法，同時(shí)購買超聲波檢測儀也增加了生產(chǎn)成本。

1.3 利用機(jī)器視覺技術(shù)與圖片處理技術(shù)

近年來，機(jī)器視覺技術(shù)是一種新興的人工智能技術(shù)，隨著成像技術(shù)的不斷革新，成本不斷降低，成像質(zhì)量和靈敏度不斷提高，自動(dòng)化、非接觸、零應(yīng)激、便捷程度高等優(yōu)點(diǎn)使其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用前景廣闊[13]。因此，機(jī)器視覺系統(tǒng)為BCS的評測提供了更客觀、更省時(shí)、更經(jīng)濟(jì)的方法[14-16]。

圖像收集是機(jī)器視覺系統(tǒng)的第1步，當(dāng)被測動(dòng)物通過圖像采集區(qū)域時(shí)，相機(jī)會在幾秒內(nèi)捕捉到尻部特征，據(jù)此確定BCS[13]。為保證獲取高質(zhì)量圖像作為BCS判斷依據(jù)，近10年來，科研工作者選用了可見光相機(jī)、熱成像相機(jī)以及三維(3D)相機(jī)用于動(dòng)物圖像采集。不同的相機(jī)會提供不同的圖像參數(shù)信息，可見光相機(jī)可以清晰地捕捉到奶牛尻部輪廓，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算得到BCS。Azzaro等[17]對比了不同計(jì)算模型在奶牛體型外貌輪廓中的應(yīng)用效果，經(jīng)過增加體型的可變性因素后，模型降低了錯(cuò)誤率，提高了識別率。熱成像相機(jī)與可見光相機(jī)的工作原理類似，通過接收和測量物體表面的紅外輻射，相機(jī)捕捉到物體發(fā)出的熱量信息，然后將其轉(zhuǎn)化為輻射溫度讀數(shù)[18-19]。Sheehy等[20]假設(shè)因體型較胖的奶牛尻部更加圓滑，所以更符合拋物線的形態(tài)，反之BCS較低的尻部形態(tài)會偏離拋物線，結(jié)合熱成像相機(jī)自動(dòng)識別奶牛BCS，最后的結(jié)果顯示與人工評分的相關(guān)性達(dá)到0.94。

Skin:皮膚;Superficial fascia:表層筋膜;Subcutaneous fat:皮下脂肪;Profound fascia:深層筋膜;Gluteal muscle:尻部肌肉。

左圖實(shí)線表示在骶骨檢查部位髖骨結(jié)節(jié)與坐骨結(jié)節(jié)之間的假想線，虛線顯示了傳感器測量的位置；右圖為超聲圖像。

In the left
Figure, the solid line showed an imagined line between hook bone and pin bone, and the dashed showed the test site for the detector; the right
Figure was the ultrasonic image.

圖3超聲波檢測儀測檢測部位及其超聲圖像

Fig.3 Test sites and ultrasonic image for reflectorscope[6]

隨著技術(shù)的改進(jìn)和成本的降低，3D相機(jī)即深度相機(jī)成為了許多機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心組成部分[21-22]。在成像方面，3D相機(jī)通過發(fā)射脈沖，測量發(fā)射光從被測物體然后返回到探測器的時(shí)間差值來感知深度，以此能夠捕捉到奶牛尻部的立體信息，相較于二維(2D)成像，不僅可以獲取尻部輪廓，還可以呈現(xiàn)出更多細(xì)節(jié)，比如薦骨和坐骨之間連線的凹陷程度，脊柱的突出程度等，如圖4所示，因此可以更準(zhǔn)確地測量BCS[22-23]。在動(dòng)物圖像信息系統(tǒng)領(lǐng)域中較早的研究開發(fā)了通過傅里葉算法配合3D相機(jī)對奶牛BCS的精確測量[14]，低成本3D相機(jī)在BCS應(yīng)用中的可行性在后來得到了論證[24]。另外，由于不同圖形的處理方法也會影響B(tài)CS的準(zhǔn)確性，傅里葉算法的平均絕對誤差(MAE)為0.34，主成分分析(PCA)法的平均誤差為0.31～0.33[13,17]。

2 BCS在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 BCS與奶牛營養(yǎng)

奶牛的膘情反映了飼料配方的合理性和奶牛營養(yǎng)代謝穩(wěn)定性。過瘦則會出現(xiàn)泌乳初期的奶牛因BCS下降過快，同時(shí)沒有足夠的體脂儲備，導(dǎo)致泌乳期峰值不高、泌乳持續(xù)期短、產(chǎn)奶量低等問題，更容易進(jìn)入能量負(fù)平衡狀態(tài)[25-26]。相反，奶牛過胖則會出現(xiàn)很多代謝疾病或者繁殖障礙，但能量平衡不容易監(jiān)測，因而需要借助BCS來間接評估奶牛能量水平[13]。

雖然很多研究報(bào)道了泌乳早期和圍產(chǎn)期奶牛需要的合理BCS范圍，但是并沒有明確調(diào)控BCS的最佳策略。Dale等[25]的研究設(shè)計(jì)了在奶牛體況較差的情況下提高分娩前BCS的2種方法，分別為延長奶牛干奶期的時(shí)間以及在泌乳后期提供低蛋白質(zhì)、高淀粉的飼糧，但結(jié)果顯示，低蛋白質(zhì)、高淀粉飼糧對圍分娩前期的BCS并沒有顯著的提高效果，而且還會降低干物質(zhì)采食量(DMI)和乳脂、乳蛋白含量；另外，延長干奶期雖然能夠顯著提高分娩時(shí)的BCS，但是提高幅度較小，并且效果在分娩后的延續(xù)性較差，因此從奶牛生產(chǎn)的角度分析，延長干奶期對奶牛生產(chǎn)性能和健康沒有良好的效果。

左圖為原始深度圖像，右圖為左圖刪除背景后的圖像。

The left
Figure showed the image at original depth, and the right
Figure showed the image without background.

圖4用3D相機(jī)拍攝的深度圖像

Fig.4 Depth images taken with a 3D camera[22]

考慮到奶牛泌乳高峰前的能量代謝水平歸功于分娩后的能量儲存，BCS變化與剩余采食量(RFI)和DMI之間存在一定的聯(lián)系。Rathbun等[27]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泌乳早期的BCS的變化會顯著影響RFI，但是BCS是在很小的波動(dòng)范圍內(nèi)影響RFI，因此其準(zhǔn)確性受到質(zhì)疑。研究表明，泌乳早期的奶牛在營養(yǎng)上存在能量負(fù)平衡的傾向，因而BCS有下降的趨勢，但下降幅度不應(yīng)超過1.50分。為此，奶牛泌乳早期應(yīng)該最大限度地增加采食量，保證奶牛BCS不會下降過快導(dǎo)致消瘦。在分娩后的60 d內(nèi)，BCS下降較快，變化幅度在0.50～1.00，因而在泌乳中期應(yīng)該給奶牛提供額外的飼料以使奶牛逐漸恢復(fù)體況；產(chǎn)奶量正常奶牛的泌乳后期、干奶期及低產(chǎn)奶牛通常具有正的能量平衡，BCS相對較高。表2所示為奶牛各階段理想BCS。奶牛分娩后225～250 d是調(diào)整體況的關(guān)鍵時(shí)期，對偏瘦牛應(yīng)補(bǔ)喂優(yōu)質(zhì)粗飼料和適當(dāng)增加精料，因該階段代謝能轉(zhuǎn)化為體脂肪的效率較高。

表2 奶牛理想體況評分

2.2 BCS與奶牛健康

不同時(shí)期內(nèi)合理的奶牛BCS是奶牛高產(chǎn)與健康的標(biāo)志。研究表明，奶牛的身體能量儲備和健康程度密切相關(guān)，通過觀察奶牛在圍產(chǎn)期前后或泌乳早期的BCS變化，可以有效判斷真胃移位、酮病、產(chǎn)褥熱、卵巢疾病等疾病的發(fā)生概率[29]。但本文僅對近些年內(nèi)BCS表現(xiàn)在奶牛健康方面的主要研究成果進(jìn)行綜述。

研究普遍認(rèn)為，在干奶期的BCS不宜過高。Duffield等[30]證明了在干奶期時(shí)的奶牛BCS達(dá)到4.00或4.00分以上時(shí)，分娩后出現(xiàn)酮病的幾率是低BCS奶牛的1.6倍。Rathbun等[27]驗(yàn)證了這一結(jié)論，但是此研究結(jié)果表明，分娩期的BCS對酮病發(fā)生幾率的判斷是無效的。這一結(jié)論與先前奶牛分娩期BCS大于3.5會增加酮病發(fā)生幾率的結(jié)論[23]不符。其原因在Barletta等[31]的試驗(yàn)中被分析，可能是在奶牛分娩前BCS已經(jīng)開始發(fā)生變化，而這一變化并不具有一致性，在234頭奶牛中28%的奶牛分娩后BCS會升高，22%保持不變，剩下50%的奶牛BCS會下降，所以在判斷奶牛酮病發(fā)生幾率時(shí)并不能參考分娩時(shí)的BCS。

一般認(rèn)為，血液游離脂肪酸(NEFA)和β-羥丁酸(BHBA)濃度與分娩期的奶牛BCS的相關(guān)性較高。其機(jī)理可能是因?yàn)橐环矫鍮CS與DMI呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，另一方面血液NEFA和BHBA濃度變化受到能量負(fù)平衡和免疫抑制的影響。比如，奶牛健康較差，與分娩期的BCS過高，或者在分娩后BCS快速下降，分娩后血液NEFA和BHBA濃度較高有很大關(guān)系。Sheehy等[20]研究證明了分娩前BCS開始下降會增加血液NEFA和BHBA的濃度，從而增加了酮病的發(fā)生幾率。進(jìn)一步的研究表明，奶牛圍產(chǎn)期共42 d的BCS與血液NEFA和BHBA濃度呈正相關(guān)關(guān)系[31]。因此，干奶期較低的BCS使奶牛分娩前后的體況更加穩(wěn)定，反之分娩前后體況變化則更為劇烈(無論上升還是下降)。另外，在研究脂聯(lián)素與BCS關(guān)系的試驗(yàn)中，De Koster等[32]認(rèn)為脂聯(lián)素與干奶期的BCS呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但同時(shí)脂聯(lián)素與胰島素反應(yīng)和脂肪酸代謝呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 BCS與奶牛繁殖

BCS對奶牛繁殖的影響是多方面的，可直接影響奶牛繁殖效率和繁殖性能，不同繁殖階段對奶牛BCS有不同的要求，合適的BCS有較高的繁殖率。飼糧能量水平過高，會導(dǎo)致奶牛體內(nèi)脂肪沉積過多，體況易變肥，甚至使生殖道(如輸卵管進(jìn)口)被脂肪阻塞，有礙受孕。過于肥胖的牛還會產(chǎn)生繁殖疾病，導(dǎo)致胎衣滯留、難產(chǎn)、繁殖障礙等生殖問題。

過瘦或過肥的奶牛繁殖效率較低，產(chǎn)犢間隔時(shí)間較長，且更早回歸發(fā)情周期[1]。分娩后BCS降低會導(dǎo)致分娩后妊娠率降低，低BCS(<2.5分)奶牛分娩后體況損失過大、過快都會降低繁殖率。分娩后BCS下降小于1.00分時(shí)，母牛受胎率為50%；下降1.00～2.00分時(shí)，受胎率為24%；下降大于2.00分時(shí)，受胎率為21%[33]。研究表明，從分娩前到分娩后30 d BCS減少可以導(dǎo)致妊娠失敗率提高2.4倍[33]。分娩后BCS的高低和變化程度都和首次配種受胎率、空懷期、首次發(fā)情時(shí)間以及首次排卵時(shí)間有較大關(guān)系[34]。低BCS奶牛通過推遲分娩后排卵和減少孕酮濃度來影響繁殖，表現(xiàn)為快速減少孕酮分泌量；而BCS較高時(shí)，這一影響在開始時(shí)比較輕，也不易被很快觀察出來，持續(xù)降低采食量，將發(fā)生排卵推遲和血液孕酮濃度減少[34-35]。因此，BCS下降和低BCS都通過減少孕酮濃度來降低繁殖率。干奶期體況損失嚴(yán)重可能導(dǎo)致流產(chǎn)，如果奶牛在分娩時(shí)BCS太低可能表現(xiàn)為排卵數(shù)降低和妊娠率降低。

3 小 結(jié)

BCS在生產(chǎn)中可以有效反映奶牛的能量水平，是一種方便、快捷、實(shí)用的測量工具。人工測量方法已經(jīng)在國內(nèi)外奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)場中普遍應(yīng)用，而在科技進(jìn)步的背景下，以圖像信息系統(tǒng)為代表的人工智能方法開始不斷在生產(chǎn)中得以嘗試。但當(dāng)前因使用環(huán)境多變，不同拍攝角度或受光線以及設(shè)定場所差異的影響，圖像信息技術(shù)應(yīng)用效果尚不一致，未來還需收集更多環(huán)境模式下的BCS圖像信息，逐步完善該技術(shù)體系。BCS可以有效管理奶牛泌乳前期能量負(fù)平衡的發(fā)生，并且應(yīng)該更加關(guān)注干奶期的BCS變化，因?yàn)樵谶@一時(shí)期BCS變化直接影響了酮病和繁殖障礙的發(fā)生幾率，以及脂肪代謝和糖代謝在分娩前后的水平。目前牛場受到人力和技術(shù)的限制，使BCS并不能長時(shí)間持續(xù)監(jiān)測，而在諸如換料應(yīng)激、熱應(yīng)激或健康應(yīng)激下產(chǎn)生的BCS變化也并不明確，因此未來在條件成熟后應(yīng)明確BCS對不同生產(chǎn)過程中奶牛應(yīng)激的影響。