寒冷地區(qū)冬季牛舍通風參數(shù)及應用效果研究

于 桐，陳昭輝，任方杰，劉繼軍*，張國梁

（1.中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學院，吉林公主嶺 130033）

動物的生產(chǎn)力20%取決于遺傳，40%～50%取決于飼料，30%～40%取決于環(huán)境條件[1]。環(huán)境條件的改善可有效提高飼料效率和動物生產(chǎn)力。有研究表明，寒冷地區(qū)冬季牛舍有窗式鐘樓通風，平均風速為0.10～0.15 m/s，空氣濕度大于80%，舍內二氧化碳（CO2）和氨氣（NH3）等有害氣體濃度高，甚至舍內墻壁結有20～50 mm 厚的冰霜[2-3]。經(jīng)調研發(fā)現(xiàn)，吉林地區(qū)畜舍冬季舍內平均溫度在5～6℃，舍外平均溫度-14.4～-19.10℃，舍內外溫差遠遠大于國際農(nóng)業(yè)和生物系統(tǒng)工程委員會（CIGR）建議的3～5℃[4]。而冬季牛舍過度保溫則通風不足、濕度過大，易引起牛不同程度的患有皮膚、感冒等疾病，導致生產(chǎn)性能下降，嚴重影響牛場的生產(chǎn)效益[5]。同時潮濕的環(huán)境會使牛只被毛以及皮膚的隔熱性能下降，顯著增加非蒸發(fā)散熱量。因此，在冬季，畜舍需要適當?shù)耐L來排出有害氣體和降低空氣濕度。一般寒冷地區(qū)有窗牛舍采用檐下通風口和屋脊熱壓自然通風的模式，但由于舍內外溫差大、濕度高導致通風口結冰、減小通風口面積，畜舍通風不足。同時熱壓自然通風模式自身受舍內外溫差和舍外風力影響較大，難以控制實際畜舍通風量。而冬季畜舍的國內外通風量參考計算標準較多，如CIGR 三大平衡計算[4]、美國中西部手冊[6]及國內常用設計推薦值[1]，但究竟多少通風量適合我國北方有窗牛舍仍需深入研究。因此，本試驗針對寒冷地區(qū)冬季有窗牛舍采用屋頂機械負壓通風模式在不同通風量計算標準條件下，通過實際畜舍試驗，比較畜舍內環(huán)境差異，選擇最優(yōu)的通風參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 牛舍基本情況和飼養(yǎng)管理 2019年1月20日—2月4日，在吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學院畜牧科學分院的牛場（國家肉牛產(chǎn)業(yè)技術體系公主嶺綜合試驗站）進行試驗。

試驗舍南北朝向布置，南側有運動場。畜舍為砌體結構有窗牛舍，彩鋼板雙坡屋頂，屋頂均勻分布4 個邊長為0.5 m 方形鐘樓通風口。畜舍寬10 m，長46 m，檐口高3.35 m，舍內西側有一個長6 m 飼料間和休息室。北墻均勻布置15 個窗戶，南墻除門外均勻布置11 個窗戶，東山墻2 個窗戶。窗臺高0.9 m，窗戶尺寸1.2 m×1.9 m。南面四扇鐵門，尺寸為1.6 m×2.25 m，西山墻鐵門為3.5 m×2.8 m。舍內為水泥地面，臥床兩側寬3.3 m，無墊料。臥床向清糞走道方向傾斜，坡度為1.5%，以利排尿。清糞走道寬度為2.0 m，由中間向兩邊傾斜，坡度為1%，排水溝寬0.3 m，深0.3 m。欄桿將畜舍均勻分為4 個小欄，無料槽、飲水設施。

試驗牛04:30—05:00 出舍到運動場，自由采食、電加熱水槽飲水；16:30—17:00 回舍無飼喂飲水。每天飼喂2 次（04:30—05:00 和13:30—14:00）。舍內和運動場均為人工清糞。

1.2 試驗動物及日糧 選用試驗舍內共有育肥牛68 頭，平均體重均450 kg，飼養(yǎng)密度為5.28 m2/頭。粗飼料為麥草，約15 kg/（頭·d），精料約2.94 kg/（頭·d），精料配方見表1。

1.3 試驗通風量確定和風機控制程序設計 試驗期間4個鐘樓通風口安裝4 個定頻風機，風量為1 800 m3/h，尺寸為0.5 m×0.5 m，用來改善冬季夜晚有窗牛舍舍內空氣環(huán)境質量。試驗期為15 d，每3 d為一個試驗階段，風機由風機控制器按照不同通風量人工設定周期統(tǒng)一開啟或關閉。風機控制器位于飼料間內。

表1 精料營養(yǎng)成分

1.4 通風量標準及計算方法 美國中西部手冊通風量標準為0.056 m3/（h·kg）[6]，而國內薦冬季肉牛舍通風量值為0.10 m3/（h·kg）[1]。

根據(jù)Pedersen[7]三大平衡計算，其中，CO2平衡計算法：

水汽平衡計算法：

式中，Vmoist為以水汽平衡計算的通風量，單位為m3/h；L為牛體的潛熱產(chǎn)生量，單位為W；為牛的活動系數(shù)，為1；hvap為水汽攜帶潛熱量，單位為J/kg；Hind為舍內絕對濕度，單位為kg/m3；Hout為舍外絕對濕度，單位為kg/m3。

熱量平衡計算法：

式中，Vheat為以熱量平衡計算的通風量，單位為m3/h；S為牛體的顯熱產(chǎn)生量，單位為W；Aheat為牛的活動系數(shù)，為1；Strans為牛舍外圍護結構傳熱量，單位為W；Srad為牛舍輻射傳熱量，單位為W；hsp為空氣比熱，單位為J/（kg·K）；ρ為空氣密度，單位為kg/m3；Tind為舍內溫度，單位為℃；Tout為舍外溫度，單位為℃。

1.5 環(huán)境指標測定

1.5.1 溫濕度、CO2、NH3環(huán)境指標的測定 試驗期間，舍內縱長方向取2 個等分點，橫寬向取2 個等分點，如圖1。按照布點懸掛自動環(huán)境記錄探頭，同時每天同點手持測定16:30（牛進舍前）、20:30、00:30 和4:30（牛出舍前）距地1.2 m 處舍內CO2、NH3、溫度及濕度指標。

自動記錄儀連續(xù)測定溫濕度、CO2、NH3，懸掛位置距離牛舍地面高度1.8 m。試驗舍平面布置圖及環(huán)境指標測點水平示意圖見圖1。

1.5.2 風速的測定 由于風機為定頻風機，取3 d 測定16:30 空舍關風機、空舍開風機和20:30、00:30 和04:30 有牛開風機時風速。風速測點水平示意圖見圖2，測點高度0.8 m 和1.2 m[6]，詳見圖3。

1.5.3 試驗儀器 試驗儀器見表2。

1.6 統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)中環(huán)境數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析。采用Tukey s-b 方法對各組間平均數(shù)進行多重比較，結果表示為平均值±標準差。

2 結果

表2 試驗儀器

2.1 通風量計算 根據(jù)國內和美國中西部手冊推薦值可得通風量分別3060 m3/h 和1 713.6m3/h。通風量三大平衡計算方法是基于牛只自身產(chǎn)熱量的通風量計算方法，而2002 年CIGR[4]手冊中給出最新的肉牛代謝熱相關公式。其中肉牛20℃時代謝總熱量計算公式（4）：

式中，Φtot為20℃環(huán)境中的肉?？偖a(chǎn)熱量，單位為W；m為肉牛體重，為450 kg；Y2為肉牛平均日增重，為0.8 kg/d；M為攝入干物質能量含量，由于試驗牛未集中栓系育肥選10 MJ/kg[4]。

Φtot=744.09 W

肉牛代謝總熱量溫度校正計算：

肉牛代謝顯熱產(chǎn)熱量計算：

肉牛代謝潛熱產(chǎn)熱量計算：

試驗期間由于肉牛僅夜晚進舍，為方便測量環(huán)境指標不關閉牛舍夜間燈光，且多次有人進出干擾牛的正常活動行為。所有牛的活動系數(shù)如和Aheat取值均為1。

二氧化碳平衡計算中熱量單元hpu（動物20℃時1 000 W總代謝熱）的CO2產(chǎn)生量系數(shù)取值為0.185 m3/（h·hpu），根據(jù)式⑴計算可得：VCO2=3816.29 m3/h

hvap為水汽攜帶潛熱量，可以根據(jù)室內溫度Tind通過公式（8）：

由于肉牛適宜舍內相對濕度為80%，取試驗階舍內環(huán)境實測平均溫度Tind=5℃，舍外平均溫度Tout=-10℃，舍外相對濕度取45.4%，則根據(jù)公式（9）可得絕對濕度：

Hind=5.44×10-3kg/m3，Hout=1.07×10-3kg/m3，則根據(jù)式（2）計算可得Vmoist=4387.56 m3/h

由于牛群僅在夜晚進入牛舍，因此太陽熱輻射Srad記為0 W。其中牛舍外圍護結構傳熱量Strans可根據(jù)公式（10）計算獲得：

式中，Ab為牛舍外圍護結構或地面面積，m2；U為牛舍外圍護結構或地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W/（m2·K），Strans=1273.81W。

空 氣 比 熱hsp取1.01×103J/(kg·K)；空 氣 密 度ρ為1.293 kg/m3。根據(jù)式（3）計算可得：Vheat=3830.17 m3/h。

2008 年Curt Gooch 研究建議牛舍冬季通風換氣次數(shù)一般應為6 次/h[8]。因此風機運轉周期T=10 min，根據(jù)通風換氣計算量和風機總通風量比值計算風機開啟和關閉的時間，計算公式（11）：

由于同等條件下美國中西部手冊推薦通風量值最小，和其他幾種計算方式獲得通風量值差距較大，此次試驗中未進行現(xiàn)場測定。

根據(jù)上述公式則可計算出不同通風計算標準下畜舍總通風量和風機控制開啟、關閉時間如表3。

表3 風機控制程序設計

2.2 溫度、濕度 不同通風量試驗階段舍內外溫濕度各個時刻變化見圖4。與16:30 空舍相比，牛進舍后舍內溫濕度迅速提升然后趨于穩(wěn)定，20:30、00:30 和04:30 基本沒有顯著差異。試驗期間即使舍外溫度低至-13.2℃，舍內溫度仍可保持在5.3℃，畜舍保溫效果較好。P1～P5 試驗階段的舍內溫度在00:30 和04:30 無顯著差異，相對濕度00:30 時P1～P5 不存在顯著差異。P1～P5 舍內外平均溫度、濕度見表4，舍內溫度僅P5階段高于其他試驗階段（P＞0.05），P3 濕度顯著低于其他試驗階段。

表4 舍內外P1～P5 試驗階段平均溫度、濕度

2.3 風速分布 不同試驗階段不同時刻舍內風速變化如表5 所示。16:30 空舍、關風機時無論0.8 m 還是1.2 m 平均風速都為0.02 m/s，屬于無風狀態(tài)[9]。其他時間點無論0.8 m 或1.2 m，A1/B1/C1 和A2/B2/C2 位 置 風 速 與A/B/C 存在顯著差異。除16:30 空舍、關風機外其他時間點所有測點位置1.2 m 和0.8 m 風速存在顯著差異。A/B/C 測點1.2 m 和0.8 m 平均風速分別為1.36、0.81 m/s。A1/B1/C1 和A2/B2/C2 位置1.2 m 高度平均風速分別為0.07、0.06 m/s；0.8 m 高度平均風速分別為0.08、0.07 m/s，均小于0.1 m/s，同樣屬于無風狀態(tài)[9]。表5 表明A、B、C風速測點之間不同時刻的風速，3 個位置平均風速0.8 m和1.2 m 處均有顯著差異（P＜0.05）。

2.4 CO2和NH3P1～P5 階段舍內各個時刻CO2和NH3濃度變化如圖5。CO2在牛進舍后迅速升高，在20:30時濃度到達最高點。根據(jù)相關規(guī)定畜舍內CO2濃度最大閾值為1 500 ppm（mg/m3）[10]，P1～P5 試驗階段CO2濃度均超過限值。

NH3濃度則隨著牛進舍時間的增長而增加，在04:30 時達到最大值。且P5 試驗階段04:30 舍內NH3濃度和其他處理有顯著差異。根據(jù)相關規(guī)定畜舍內NH3濃度閾值為26 ppm[10]，試驗期間NH3濃度均未超過限值。表6 顯示P3 試驗階段CO2和NH3濃度均顯著小于其他試驗階段。

2.5 舍內牛只行為 在試驗期間觀察到各個時刻牛只站立和躺臥行為統(tǒng)計如表7，P1 和P5 階段20:30 舍內牛只情況見圖6。P1～P5 試驗階段隨著牛進舍時間的增長，地面泥濘程度的增加，站立牛只數(shù)目增加。同時刻比較，隨著風量的增加，牛只在00:30 躺臥百分比變化明顯，P5 相較于P1 階段的5.4% 增加了90.2%（P＜0.05）。但04:30 舍內牛只站立比例均達到了92% 以上，沒有顯著差異。

表5 牛舍內各時刻風速 m/s

表6 牛舍內P1～P5 試驗階段CO2 和NH3 平均濃度 ppm

表7 牛舍內P1～P5 試驗階段不同時刻牛只行為百分比 %

3 討 論

3.1 通風量計算 本研究結果發(fā)現(xiàn)，通風量的計算依據(jù)不同，冬季牛舍的推薦通風量大小差距較大。美國中西部手冊推薦通風量＜環(huán)境衛(wèi)生學推薦通風量＜CO2平衡通風量＜水汽平衡通風量＜熱量平衡通風量。本試驗中熱平衡計算方式所得通風量明顯大于其他計算方式所得結果，接近CO2平衡計算方式所得通風量的2.17 倍。可能是由于試驗牛舍為提高畜舍保溫性能使用37 砌體墻體作為圍護結構，但是這種圍護結構較為廣泛的應用于寒冷地區(qū)的畜舍[2,11-12]，因此熱量平衡計算所得通風量具有一定的參考價值。

一般畜舍的通風換氣量以CO2平衡計算為主，主要是CO2不受溫度濕度的影響。2005 年Blanes[7]研究認為通過CO2平衡計算獲得通風量平均比實測通風量低8%，水汽平衡計算獲得通風量比實測通風量低9%；Li[13]和Xin[14]則認為，CO2間接法估算的通風量與直接法測定的通風量無顯著差異；Samer 等[15]認為水汽平衡法在冬季表現(xiàn)出可靠的結果，在夏季表現(xiàn)一般；熱平衡法在夏季、冬季均不可靠；CO2平衡法有時會因氣體混合不均與其他原因存在差異。本試驗中以CO2平衡計算為標準計算通風量的試驗階段較其他試驗階段舍內日平均濕度、NH3濃度和CO2濃度顯著較低，因此更推薦使用CO2平衡作為冬密閉牛舍通風計算標準。

在計算中由于人工測點對畜舍內牛群活動的干擾，將所有牛的活動系數(shù)如和Aheat取值均為1，一定程度上減少了CO2平衡計算所得通風量的值。同時人工干擾和燈光改變牛群正常夜晚的活動水平，造成牛只代謝產(chǎn)熱總量和排泄量的增加。而不同文獻對CO2平衡計算通風量公式中hpu 的CO2產(chǎn)生量系數(shù)有不同推薦值，Pedersen 等[16]1998 年推薦舍飼肉牛CO2產(chǎn)生量系數(shù)為0.185 m3/（h·hpu）；CIGR[4]推薦舍飼肉牛CO2產(chǎn)生量系數(shù)為0.185 m3/（h·hpu）；Pedersen 等[17]推薦舍飼奶牛CO2產(chǎn)生量系數(shù)為0.20 m3/（h·hpu）；Edouard 等[18]推薦舍飼奶牛CO2產(chǎn)生量系數(shù)為0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。本試驗取常規(guī)值0.185 m3/（h·hpu），通過試驗發(fā)現(xiàn)不能滿足實際生產(chǎn)需求。因此后面設計取值推薦選取0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。

通風控制程序根據(jù)2008 年Gooch[8]建議的6 次/h換氣次數(shù)設計，但試驗舍內環(huán)境指標改善不明顯。2014年王美芝等[19]的研究表明，保溫窗牛舍在通風率為10～15 次/h 可以達到舍內外溫差在3.8～8.8℃和3.7～7.6℃，更接近CIGR 推薦冬季舍內外溫差3～5℃[4]。在同等通風量的條件下，改善通風換氣次數(shù)可能會有效改善舍內環(huán)境。

3.2 環(huán)境指標 試驗期間，舍外P2 階段溫度和其他階段存在顯著差異，基本外部環(huán)境一致。但是舍內溫度、相對濕度、CO2和NH3濃度并沒有隨著通風量的增加而降低。舍內相對濕度P1～P5 均達到了90%以上，高于牛舍建議濕度80%。

CO2對家畜沒有毒害作用，但當其濃度過高時會造成動物缺氧，如果長期處在這樣的環(huán)境，會影響動物的健康和生產(chǎn)性能[9]。雖然試驗期間舍內CO2濃度沒有達到病變或致死濃度，但是P1～P5 濃度均大于1 500 ppm，因此P1～P5 的階段通風量都沒有滿足畜舍需求。

舍內風速在風機正下方A/B/C 和風機北側A1/B1/C1 和南側A2/B2/C2 位置風速有顯著差異，A1/B1/C1和A2/B2/C2 位置風速在1.2 m 和0.8 m 均小于0.1 m/s，屬于無風狀態(tài)。一般冬季適宜風速范圍為0.1～0.2 m/s，不超過0.25 m/s。當風速高于0.2 m/s 會帶走過多熱量，對牛舍保溫不利；同時低于0.1 m/s 則通風不足，不利于及時帶走濕氣和有害氣體[20]。因此，舍內風速分布的不均和過小可能導致舍內氣流不均勻性，從而不能有效地降低舍內CO2和NH3濃度，以及將舍內的濕氣排出舍外。

同時有研究表明，實體地面牛舍加12 h 人工清糞一次畜舍，伴隨通風量的增加舍內NH3濃度也會增加[21]，是由于地面的糞尿中所含有的氨被氣流擾動加速了其揮發(fā)的速度。但是舍內NH3濃度除P3 階段外，NH3濃度沒有顯著差異，甚至有隨著通風量增加下降趨勢，也可以說明舍內通風氣流分布不均。

3.3 牛只行為 躺臥休息是牛必不可少的行為。Jensen 等[22]試驗表明，強迫禁止牛躺臥其體內的生長激素含量會明顯下降、血漿皮質醇水平升高，其他與應激相關的指標會發(fā)生明顯變化，從而影響牛的生長。Tucker 等[23]研究表明，一般情況下牛會每天躺臥休息8～16 h；而Chen 等[24]研究表明，當舍內地面泥濘程度嚴重時，牛只每天僅躺臥3.2 h。

通過試驗期間觀察，伴隨著通風量的增加00:30 時躺臥數(shù)量變化明顯，但是隨著牛只在舍內的停留時間增加，地面泥濘程度增加，04:30 基本沒有牛只躺臥。00:30 時刻躺臥數(shù)目的增加主要是由于風機的開啟提高了舍內地面的干燥程度，促進了牛只的躺臥行為。這一結果也與2018 年Giorgio 等[25]分析吊扇提高地面干燥程度從而促進奶牛躺臥數(shù)量一致。

4 結 論

1）國內推薦通風量值和三大平衡計算通風量值均不能滿足寒冷地區(qū)有窗牛舍通風需求。

2）CO2平衡通風量計算比較適合作為低溫高濕牛舍通風量計算依據(jù)。但CO2平衡計算中hpu 的CO2產(chǎn)生量系數(shù)取0.185 m3/（h·hpu）過小，可以取0.20、0.22、0.24 m3/（h·hpu）。

3）通風雖然沒有顯著改善舍內CO2和NH3濃度，但是加強了舍內地面的干燥程度，增加了牛只的躺臥比例。