奶牛數(shù)字化養(yǎng)殖技術(shù)研究進(jìn)展

文/熊安然 熊本海 蔣林樹*

（1 北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院；2 奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所）

在過去近20 年時(shí)間里，我國(guó)奶牛飼養(yǎng)方式發(fā)生了巨大的改變，從傳統(tǒng)的分散飼養(yǎng)逐步向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化過渡[1]。在《2019中國(guó)奶業(yè)質(zhì)量報(bào)告》中，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心主任王加啟表示，我國(guó)現(xiàn)有61.4%的牧場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；B(yǎng)殖，采用了機(jī)械化投喂系統(tǒng)。飼養(yǎng)方式的改變使養(yǎng)殖過程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理成為可能。日糧營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)估、繁殖育種管理、生產(chǎn)性能測(cè)定（DHI）、疾病預(yù)防與診療、乳制品加工與質(zhì)量檢測(cè)等重要環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理的關(guān)鍵，通過對(duì)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間相關(guān)性進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)“飼料端—牧場(chǎng)—獸醫(yī)站”等奶業(yè)重要生產(chǎn)部門之間的信息流通和對(duì)生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能把控，從而提高了奶牛養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平[2]。當(dāng)前，一些大型牧場(chǎng)已經(jīng)具備了全混合日糧（TMR）自動(dòng)飼喂系統(tǒng)、奶牛行為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全自動(dòng)擠奶系統(tǒng)、發(fā)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能化選種選配系統(tǒng)、DHI測(cè)定系統(tǒng)等現(xiàn)代化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可以自動(dòng)獲取牧場(chǎng)數(shù)據(jù)，避免了生產(chǎn)過程中人為因素造成的影響，提高了數(shù)字化管理水平[3]。本文從我國(guó)奶牛數(shù)字化養(yǎng)殖現(xiàn)狀、數(shù)字化技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用以及數(shù)字化信息管理平臺(tái)的建設(shè)和發(fā)展幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 我國(guó)奶牛數(shù)字化養(yǎng)殖現(xiàn)狀

近年來，我國(guó)奶牛呈現(xiàn)量降質(zhì)升的趨勢(shì)。據(jù)USDA機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)奶牛存欄量為840.0 萬頭；之后2014—2018年，奶牛存欄量一直呈下降趨勢(shì)，直到2019年才有所回升，達(dá)到了742.0 萬頭。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2019年我國(guó)牛奶產(chǎn)量為3 201.0 萬噸，比2018年增加了127.0 萬噸，增長(zhǎng)率為4.1%。依據(jù)《荷斯坦2019中國(guó)規(guī)模牧場(chǎng)高產(chǎn)榜單》，全國(guó)范圍內(nèi)年均單產(chǎn)11 噸以上的牧場(chǎng)達(dá)到85個(gè)，其中年均單產(chǎn)高于13 噸的牧場(chǎng)4 個(gè)，12 噸以上牧場(chǎng)24 個(gè)，11噸以上牧場(chǎng)57 個(gè)，覆蓋奶牛存欄37.6 萬頭，奶產(chǎn)量237.0 萬噸，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

與畜禽養(yǎng)殖業(yè)相比，我國(guó)的規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖業(yè)起步較晚，通過引進(jìn)和開發(fā)各類現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備，如全自動(dòng)擠奶機(jī)器人系統(tǒng)（VMS）通過機(jī)器自動(dòng)識(shí)別乳頭及持續(xù)監(jiān)測(cè)牛奶流量，當(dāng)感應(yīng)器感應(yīng)到無牛奶流出時(shí)，通向杯組的真空關(guān)閉，然后進(jìn)行自動(dòng)脫杯，避免了過度擠奶而造成的奶牛乳房損傷，對(duì)增加奶牛產(chǎn)奶量、提高乳品質(zhì)有明顯效果[4]。TMR自動(dòng)飼喂系統(tǒng)、3D掃描牛體況評(píng)分系統(tǒng)、智能化選種選配系統(tǒng)、阿菲金計(jì)步器、安樂福電子項(xiàng)圈、二維碼電子耳標(biāo)等可以快速有效地對(duì)奶牛生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與評(píng)估[5]，極大地提升了牧場(chǎng)管理水平。

隨著數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)產(chǎn)生體系的推行，我國(guó)奶業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)得到了整合，如我國(guó)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)使各種飼料資源得到了有效利用，提高了飼料利用率，防止飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值浪費(fèi)等發(fā)揮了巨大的作用[6]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)[7]、人工智能[8]、基因芯片、紅外光譜[9]、高通量檢測(cè)等諸多新興技術(shù)也廣泛地應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建和奶牛養(yǎng)殖管理中，促進(jìn)了奶牛養(yǎng)殖業(yè)數(shù)字化的發(fā)展。

牧場(chǎng)前期成本投入與后期經(jīng)濟(jì)效益是否平衡，影響著牧場(chǎng)的發(fā)展。當(dāng)前一些中小型牧場(chǎng)受資金條件的制約，無法購(gòu)買先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備，仍然采用人工采集和統(tǒng)計(jì)奶牛生產(chǎn)信息的方法[10]，嚴(yán)重制約了牧場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。也有一些牧場(chǎng)沒有做到統(tǒng)一整合管理，因此，各生產(chǎn)部門之間未形成有效的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。生產(chǎn)和科研人員迫切地希望通過數(shù)字化手段對(duì)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將分散的、異構(gòu)的可用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化使其可以被合理利用[11]。

2 數(shù)字化技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

牧場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的有效處理，對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)牧場(chǎng)生產(chǎn)管理中存在的問題非常重要，使牧場(chǎng)工作能夠做到有的放矢，從而減少牧場(chǎng)的損失[12]。

2.1 飼料端

在規(guī)模化牧場(chǎng)生產(chǎn)管理中，飼料成本占飼養(yǎng)成本的70.0%[13]，很大程度地影響了牧場(chǎng)的養(yǎng)殖收益。而數(shù)字化養(yǎng)殖可以根據(jù)奶牛的泌乳胎次、泌乳周期、體重、產(chǎn)奶量、乳脂率、乳蛋白率推算出奶牛的干物質(zhì)采食量[14]，進(jìn)而因需飼養(yǎng)奶牛。確定牛只營(yíng)養(yǎng)需要量，開展飼料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)定也是開展各項(xiàng)研究工作的基礎(chǔ)和前提[15]，可以做到精準(zhǔn)飼喂，合理節(jié)約成本，避免飼料浪費(fèi)。極光近紅外飼料檢測(cè)儀可以對(duì)飼料成分進(jìn)行快速檢測(cè)，讓管理人員更好的掌握原料質(zhì)量，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估日糧配方。同時(shí)，畜牧工作者和動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)專家等相關(guān)人員還可以通過與飼料數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，估測(cè)飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，從而比較和研究各種飼料原料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及其影響因素[15]。

增加盈利是牧場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)。牧場(chǎng)的盈利主要依賴于奶牛的產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)，生鮮乳質(zhì)量好壞會(huì)對(duì)產(chǎn)品的感官指標(biāo)、風(fēng)味、理化指標(biāo)和衛(wèi)生指標(biāo)以及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值產(chǎn)生直接影響[16]，同時(shí)也直接關(guān)系到其的出售價(jià)格。因此，保障乳品質(zhì)至關(guān)重要。而乳品質(zhì)高低的關(guān)鍵在于飼料搭配的均衡、合理、健康[17]。蛋白質(zhì)和脂肪是各類乳制品中最重要的營(yíng)養(yǎng)成分，也是決定乳制品質(zhì)量的核心指標(biāo)。日糧中的精粗飼料比會(huì)影響到生鮮乳中乳蛋白率和乳脂率，監(jiān)測(cè)乳成分的變化也可以為調(diào)整日糧配比提供數(shù)據(jù)來源。利用奶牛日糧配方軟件設(shè)計(jì)合理的日糧配方，建立最為適宜的飼料配給體系，對(duì)改善乳品質(zhì)，提高飼料轉(zhuǎn)化率，節(jié)約飼養(yǎng)成本，促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖高產(chǎn)、高效有重要意義[13,18，19]。目前，自動(dòng)化控制程度較高的TMR日糧投喂系統(tǒng)、精料自動(dòng)補(bǔ)飼裝置等設(shè)備都已被應(yīng)用于奶牛數(shù)字化精細(xì)飼養(yǎng)[20]。這些軟件和設(shè)備通過對(duì)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)及牧場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模分析，確定每頭泌乳牛每天所需要的飼料數(shù)量以及種類，可以有效地降低飼料的浪費(fèi)，避免多喂或少喂飼料的情況，節(jié)約飼養(yǎng)成本[21]。

2.2 牧場(chǎng)

隨著現(xiàn)代化養(yǎng)殖技術(shù)的不斷推進(jìn)，奶牛數(shù)據(jù)化設(shè)備或技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到奶牛養(yǎng)殖的各環(huán)節(jié)。如北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司奶牛中心推出的繁殖育種數(shù)據(jù)服務(wù)綜合平臺(tái)，涉及了育種多個(gè)方面的內(nèi)容，包括配種數(shù)據(jù)、獸醫(yī)治療數(shù)據(jù)、DHI測(cè)定結(jié)果、體型外貌數(shù)據(jù)等[10]。數(shù)據(jù)表明，對(duì)奶牛發(fā)情行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效地提高奶牛的受胎率，縮短奶牛配種胎間距[21]。同時(shí)，運(yùn)用環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)牧場(chǎng)溫濕度、甲烷氣體排放量，做到對(duì)奶牛發(fā)情、分群、疾病治療和環(huán)境控制的實(shí)時(shí)監(jiān)控[18,22～24]，實(shí)現(xiàn)對(duì)飼養(yǎng)環(huán)境、疾病防治的有效控制，減少牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)損失[25]。其中的環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效改善了牛舍溫濕度，顯著提高了奶牛的躺臥時(shí)間，使臥床率增加了15.0%[21]。

此外，奶牛養(yǎng)殖數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展還減少了獸醫(yī)、繁育、管理等部門員工巡視、尋找待處理牛只的時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效能；提高了人畜比，降低了勞動(dòng)力成本，讓牧場(chǎng)整體運(yùn)營(yíng)受益，是提高現(xiàn)代化牧場(chǎng)養(yǎng)殖水平，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的必備手段[26]。

2.3 獸醫(yī)站

獸醫(yī)工作是牧場(chǎng)日常管理中的重要環(huán)節(jié)，奶牛的健康狀況直接反映了奶牛營(yíng)養(yǎng)、繁殖育種及后續(xù)乳制品等相關(guān)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀況，關(guān)系著牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。以色列專家Amir先生在阿菲金新品發(fā)布會(huì)指出，每年因乳房炎、酮病、亞急性瘤胃酸中毒等問題給牧場(chǎng)帶來的損失約為每頭牛2 200元。因此，早期監(jiān)測(cè)、揭發(fā)這類問題對(duì)奶牛生產(chǎn)、繁殖、疾病治療等意義重大。通過阿菲金數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整理分析奶牛反芻時(shí)間、產(chǎn)奶量等一些生理指標(biāo)，能夠及早預(yù)測(cè)奶牛疾病或者發(fā)現(xiàn)牛群的異常狀況，為及時(shí)治療贏得了時(shí)間，減少牧場(chǎng)的利益損失[4]。有研究報(bào)道，當(dāng)奶牛產(chǎn)生炎癥反應(yīng)時(shí)，其瘤胃反芻時(shí)間會(huì)明顯下降[27]。當(dāng)奶?；纪』蛘咛悴r(shí)，反芻時(shí)間也會(huì)大大降低[28，29]。獸醫(yī)人員可以通過監(jiān)測(cè)奶牛反芻時(shí)間、活動(dòng)量的變化預(yù)判易病牛群的患病情況，如乳房炎、蹄病、產(chǎn)后酮病等奶牛常見疾病[30]。而監(jiān)測(cè)牛奶體細(xì)胞數(shù)的變化有助于及早發(fā)現(xiàn)亞臨床性乳房炎并且使患病奶牛得到及時(shí)治療，減少產(chǎn)奶量降低的損失和牛只的淘汰，同時(shí)有利于及時(shí)分離異常生鮮乳，保障乳品質(zhì)[31]。因此，采用牧場(chǎng)數(shù)字化生產(chǎn)管理對(duì)奶牛產(chǎn)奶量、乳品質(zhì)和降低隱性乳房炎都有不同程度的改善作用[4]。

規(guī)模化牧場(chǎng)每年都會(huì)定期組織牧場(chǎng)工作人員對(duì)奶牛奶樣和血樣進(jìn)行DHI測(cè)定和“兩病”（結(jié)核病和布魯氏桿菌?。┖Y查，在整個(gè)篩查過程中需要消耗大量的人力和工作人員的精力。目前在奶牛疾病方面還沒有統(tǒng)一的管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從牛只入場(chǎng)到轉(zhuǎn)場(chǎng)再到淘汰的全過程跟蹤管理，做到定期監(jiān)控奶牛健康狀況，保證及時(shí)診斷治療，從而有效避免疾病的發(fā)生及流行，減少牧場(chǎng)因疾病防控導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失[32]。數(shù)字化養(yǎng)殖不僅獸醫(yī)及時(shí)檢測(cè)奶牛疾病提供了信息化管理手段，也為我國(guó)奶牛常見病歷信息系統(tǒng)化建設(shè)提供了良好的應(yīng)用和技術(shù)層面的參考[33]。

3 數(shù)字化信息管理平臺(tái)的建設(shè)與作用

我國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)已逐漸向數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，但與國(guó)外已經(jīng)成熟的技術(shù)相比還存在一定的差距。在奶牛養(yǎng)殖過程中，飼喂、繁殖、泌乳、檢疫、疾病防治等都會(huì)影響到奶牛的產(chǎn)奶量及乳品質(zhì)，進(jìn)而影響牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，將我國(guó)奶牛生產(chǎn)資源進(jìn)行系統(tǒng)、專門的調(diào)研，建立相關(guān)養(yǎng)殖數(shù)字化信息管理平臺(tái)，成為我國(guó)未來奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的方向，對(duì)我國(guó)奶業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義[15]。

3.1 構(gòu)建奶牛數(shù)字化信息管理平臺(tái)

數(shù)字化信息管理平臺(tái)是采用多學(xué)科、多設(shè)備、多機(jī)構(gòu)融合，應(yīng)用計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)牧場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一整合管理。應(yīng)用奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)、生產(chǎn)學(xué)、疾病學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息管理學(xué)、數(shù)據(jù)分析學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的集成[20]，對(duì)奶牛的采食量、體況、活動(dòng)量、反芻時(shí)間、產(chǎn)奶量、乳成分、健康狀況、發(fā)情狀況等有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析[34]，整合飼料產(chǎn)品監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、畜產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)、乳品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站、動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心等監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)所得到的數(shù)據(jù)建立奶牛生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)管理的信息集成系統(tǒng)，專門對(duì)繁育、保健、疫病、防治、飼料營(yíng)養(yǎng)、DHI等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成牛只檔案資料、牧場(chǎng)數(shù)據(jù)資料，為奶牛日糧配比、飼養(yǎng)管理、繁殖育種、疾病預(yù)防、牛舍環(huán)境控制、提高乳品質(zhì)等工作提供重要依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)[35，36]。

3.2 奶牛數(shù)字化信息管理平臺(tái)在生產(chǎn)上的作用

數(shù)字化信息管理平臺(tái)集現(xiàn)代飼料配方、遺傳育種、疾病防治、環(huán)境控制和管理等先進(jìn)技術(shù)于一體，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整理，建立牧場(chǎng)飼料資源數(shù)據(jù)庫(kù)、養(yǎng)殖生產(chǎn)信息庫(kù)、獸醫(yī)站疫病防治信息庫(kù)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)DHI信息庫(kù)以及科研團(tuán)隊(duì)得出的各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的相關(guān)關(guān)系信息庫(kù)，建立綜合管理系統(tǒng)。并將在整個(gè)過程中涉及到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，隨后上傳到省級(jí)養(yǎng)殖平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面的信息化管控[34]。將地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，通過整合一個(gè)地區(qū)，甚至一個(gè)國(guó)家不同牧場(chǎng)的檢測(cè)管理數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握奶牛養(yǎng)殖業(yè)在營(yíng)養(yǎng)、養(yǎng)殖、疾病防控等方面的數(shù)據(jù)資源[33]，既可以方便牧場(chǎng)管理層及時(shí)了解場(chǎng)內(nèi)情況，對(duì)照本牧場(chǎng)正常的生產(chǎn)水平或?qū)φ招袠I(yè)內(nèi)優(yōu)秀牧場(chǎng)生產(chǎn)水平，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)做出偏差比較分析，發(fā)現(xiàn)自己牧場(chǎng)隱藏的問題或生產(chǎn)差距，及時(shí)為牧場(chǎng)管理者提供決策依據(jù)[12]。也可為科研人員提供大量的數(shù)據(jù)來源，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期、不同地區(qū)的病歷綜合分析，及時(shí)合理的進(jìn)行病情監(jiān)控。同時(shí)，還可以及時(shí)地對(duì)牛舍環(huán)境、資源配置等問題解決起到一定的參考作用，從而有效地減少牧場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)損失，降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4]。