冀北不同建筑類型奶牛舍冬季環(huán)境質(zhì)量比較

周英昊，武震鋼，毛 森，王亞男,馮 曼,于 濱,許翊冉，吳 限，郭建軍，邱殿銳*

(1.承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北 承德 067000；2.隆化縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 隆化 068150)

河北省西北部壩上高原位于內(nèi)蒙古高原東南緣，海拔高1 200～1 400 m，冬季嚴寒。近年來，冀北寒區(qū)奶牛養(yǎng)殖的規(guī)?；?、集約化程度不斷提高。該地區(qū)奶牛舍以有窗密閉舍居多，舍內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)和環(huán)境控制相關(guān)配套設(shè)施不盡相同，冬季舍內(nèi)保溫差、濕度大、通風(fēng)換氣效果差、牛舍設(shè)計不規(guī)范、環(huán)境控制不理想等問題依然存在[1-2]。養(yǎng)殖環(huán)境優(yōu)化已成為該地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。本研究選擇河北省北部寒區(qū)3種不同建筑類型的奶牛舍為研究對象，通過對冬季舍內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量狀況評價指標的檢測和比較分析，評價冀北寒區(qū)冬季不同建筑類型奶牛舍的環(huán)境質(zhì)量狀況，為該地區(qū)奶牛舍的設(shè)計和改造提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

選擇位于冀北寒區(qū)的3個牧場為試驗場，每個牧場選擇1棟泌乳牛舍為研究對象，分別編號為舍A、舍B、舍C，各奶牛舍建筑形式及結(jié)構(gòu)如圖1所示，建筑特點見表1。根據(jù)天氣預(yù)報選擇冬季10 d穩(wěn)定的低溫天氣條件，測定舍外溫濕度和和環(huán)境空氣質(zhì)量指標，各牛舍同步進行試驗，具體試驗日期為2018年12月27日至12月31日；2019年1月14日至18日。

1.2 飼養(yǎng)管理

各舍飼養(yǎng)奶牛品種均為荷斯坦奶牛；臥床墊料均為沙子；試驗?zāi)膛Ｃ刻煸缟?、中午、晚上各擠奶1次，共3次。擠奶期間，各舍用鏟車清糞，每日清糞3次，清糞同時用TMR日糧攪拌車上料，每日上料3次，奶牛自由采食、自由飲水。試驗期內(nèi)，各舍處于封閉狀態(tài)，舍內(nèi)所有門窗(包括天窗)關(guān)閉，奶牛不能自由出入舍內(nèi)和運動場，僅東西墻用于運送飼料、清糞車通過的門，于每日上料、清糞、試驗時短暫開啟；各舍于每日18:00開燈，舍A和舍C每日24:00關(guān)燈；舍B次日早6:00關(guān)燈。

圖1 試驗牛舍建筑形式及結(jié)構(gòu)Fig. 1 Architectural form and structure of experimental cowshed

表1 試驗牛舍的建筑特點Table 1 Architectural features of experimental cowshed

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 牛舍內(nèi)外溫度、相對濕度測定 試驗牛舍內(nèi)北臥、南臥、料道各布置1個、舍外凈道布置2個連續(xù)溫濕度記錄儀(華盛昌 DT-172)，測定高度距地面1.8 m，每0.5 h自動記錄1次溫濕度數(shù)據(jù)，取24 h數(shù)據(jù)均值為當日溫濕度。風(fēng)寒溫度(WCT)計算[3]：WCT=13.12+0.6215Tair-11.37V0.16+0.3965TairV0.16，其中WCT表示風(fēng)寒溫度(℃)；Tair代表溫度(℃)；V表示離地面10 m的風(fēng)速(km/h)。

1.3.2 牛舍外圍結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度測定 每日分別于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)檢測各舍東墻、西墻、南墻、北墻、地面、屋頂外圍結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度，采用均勻布點原則，共檢測牛舍的3個橫剖面和3個縱剖面，其中四周墻壁溫度自上而下均勻取4點進行測定，地面溫度選取北臥、南臥、料道地面各1點測定，屋頂溫度自南向北均勻取7點進行測定，測量儀器為手持紅外線測溫儀(?，擜T-380)。各指標在同一個檢測點相同測量時段連續(xù)測定3次，取平均值。

1.3.3 牛舍內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量指標測定 每日分別于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)檢測各舍內(nèi)外空氣中PM2.5、PM10、NH3、CO2、細菌含量、光照強度、噪音強度、風(fēng)速等，舍內(nèi)北臥、料道、南臥自西向東各設(shè)3個檢測點，舍外凈道自南向北設(shè)3個檢測點，檢測高度為距地面1.5 m處。各指標在同一個檢測點相同測量時段連續(xù)測定3次，取平均值。

風(fēng)速的測定采用風(fēng)速儀(KANOMAX Model6006-2c)；空氣中細菌菌落總數(shù)的測定參照GB/T 18204.3-2013[4]中自然沉降法；空氣中PM2.5、PM10含量的測定采用塵埃計數(shù)器(華盛昌DT-9881M)；NH3、CO2含量的檢測分別采用手持式氨氣檢測儀(安帕爾AP-S-NH3)、手持式二氧化碳測定儀(安帕爾 AP-S-CO2)；噪音強度測定采用數(shù)字式噪音計(泰仕 TES-1350A)；光照強度的檢測采用照度計(泰仕 TES-1339)，早上、中午測定舍內(nèi)自然光照強度，晚上舍內(nèi)開燈后測定人工光照強度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007對10 d的試驗數(shù)據(jù)進行整理，選取其中氣溫相對穩(wěn)定的7 d數(shù)據(jù)，對各試驗指標的日平均值用SPSS 17.0進行單因素ANOVA方差分析和方差齊性檢驗，并用 Duncan's法進行多重比較，以P>0.05為差異不顯著，P<0.05為差異顯著，數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛舍內(nèi)外溫?zé)岘h(huán)境

如表2所示：試驗期內(nèi)，各舍外的平均溫度、相對濕度和風(fēng)速差異均不顯著(P>0.05)。各試驗舍舍內(nèi)溫?zé)岘h(huán)境存在較大差異，其中，舍內(nèi)平均溫度和相對濕度均為舍A<舍C<舍B(P<0.05)；舍內(nèi)風(fēng)速為舍B<舍C<舍A(P<0.05)。舍A內(nèi)相對濕度最低、風(fēng)速最高，通風(fēng)效果最優(yōu)，但舍內(nèi)溫度最低，保溫效果最差。舍B內(nèi)溫度最高，保溫效果最優(yōu)，但舍內(nèi)濕度最大，風(fēng)速最低，通風(fēng)效果最差。舍C保溫性能和通風(fēng)效果介于舍A和舍B之間。

2.2 牛舍圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度

如表3所示，試驗期內(nèi)，各舍地面溫度、東墻、西墻、南墻、北墻的內(nèi)表面溫度均為舍B顯著高于舍A和舍C(P<0.05)，舍A、C之間差異不顯著(P>0.05)；屋頂溫度為舍A

2.3 牛舍內(nèi)外空氣質(zhì)量

如表4所示：試驗期內(nèi)，各舍外空氣中PM2.5、PM10、細菌含量差異均不顯著(P>0.05)；NH3含量為舍B<舍C<舍A(P<0.05)；CO2含量為舍A顯著高于舍B和舍C(P<0.05)，舍B、舍C之間差異不顯著(P>0.05)。舍內(nèi)空氣中PM2.5、PM10、細菌、CO2、NH3含量均為舍A

2.4 牛舍內(nèi)外噪音、光照強度

如表5所示，試驗期內(nèi)，舍內(nèi)自然光照強度為舍B最高(P<0.05)，舍A和舍C之間差異不顯著(P>0.05)。夜間人工光照強度舍C最低(P<0.05)，舍A和舍B之間差異不顯著(P>0.05)。各舍內(nèi)外噪音強度相互之間差異不顯著(P>0.05)。結(jié)果顯示，舍B白天采光效果最優(yōu)，夜間舍C補光效果最差，各舍內(nèi)外噪音狀況相當。

表2 冬季牛舍內(nèi)外溫?zé)岘h(huán)境Table 2 Thermal environment of indoor and outdoor in winter

表3 牛舍圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度Table 3 Inner surface temperature of cowshed building envelope ℃

表4 冬季牛舍內(nèi)外空氣質(zhì)量Table 4 Air quality of indoor and outdoor in winter

表5 冬季牛舍內(nèi)外噪音、光照強度Table 5 Noise and light intensity of indoor and outdoor in winter

3 討 論

3.1 牛舍內(nèi)外溫?zé)岘h(huán)境

3.1.1 牛舍內(nèi)外溫度及圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度 試驗期內(nèi)，各舍外溫?zé)岘h(huán)境狀況無顯著差異，但舍內(nèi)小氣候可能因牛舍建筑形式、結(jié)構(gòu)、管理水平等因素的不同有很大差別。本研究發(fā)現(xiàn)，舍B的平均溫度、各墻壁、屋頂、地面溫度在試驗舍中均為最高，該舍冬季保溫性能最好。舍B墻體為370 mm厚的磚混結(jié)構(gòu)，南北兩側(cè)窗戶數(shù)量較少，南側(cè)8扇，北側(cè)6扇，窗戶尺寸較小(1.5 m×1.0 m)，窗戶總面積僅占南北兩側(cè)建筑總面積的7 %左右，舉架較其他舍低，封閉程度較高，且南側(cè)屋頂加設(shè)透明采光帶，可大幅增加屋頂隔熱系數(shù)與舍內(nèi)采光，舍內(nèi)溫度較高，晝夜溫差較小，保溫效果明顯。舍A和舍C墻體1.5 m以下部分為370 mm厚的磚混結(jié)構(gòu)，以上部分主要材料為10 cm厚的聚苯乙烯泡沫復(fù)合彩鋼板，南北兩側(cè)窗戶數(shù)量多，窗戶總面積約占南北兩側(cè)建筑總面積的40%左右，窗戶封閉性一般，易漏風(fēng)，墻壁保溫性能均不如舍B，需加強保溫。另外，舍A屋頂共有4個圓形通氣孔，天窗上方開約15 cm寬通氣縫，開敞面積較大，未做到嚴格封閉，屋頂溫度和舍內(nèi)溫度在試驗舍中最低可能與此有關(guān)。各舍在東西墻均設(shè)有用于運送飼料、清糞車的門，每日開啟關(guān)閉可能影響牛舍的保溫效果，舍A在西墻一側(cè)設(shè)置南面開敞的門斗，西墻保溫性能與舍C相當，能很好緩解冷空氣直接侵入牛舍并促進舍內(nèi)外氣體交換。

3.1.2 牛舍內(nèi)外風(fēng)速及風(fēng)寒溫度 牛舍內(nèi)的氣流速度能反映試驗牛舍的換氣程度，進一步反映其封閉程度。本研究發(fā)現(xiàn)，各舍內(nèi)風(fēng)速均低于舍外，舍B內(nèi)風(fēng)速最低，封閉性最好。舍A因為西墻門斗結(jié)構(gòu)的存在，西側(cè)開敞，且天窗上開通氣縫、屋頂開通氣孔，風(fēng)速較其他舍高，通風(fēng)情況最優(yōu)。此次，舍A舉架最高，且屋頂坡度大，可能也有利于通風(fēng)。

風(fēng)寒溫度(WCT)作為評價奶牛冷應(yīng)激程度的可靠指標，其與風(fēng)速和環(huán)境溫度密切相關(guān)。WCT與奶牛產(chǎn)奶性能之間存在強相關(guān)關(guān)系，根據(jù)WCT數(shù)值可將冷應(yīng)激程度劃分為：輕度冷應(yīng)激：-25 ℃ < WCT≤-10 ℃；中度冷應(yīng)激：-45 ℃

3.1.3 牛舍內(nèi)外相對濕度 相對濕度是評價牛舍環(huán)境的重要指標，牛舍內(nèi)濕度過高時，粉塵易漂浮在空氣中，易引發(fā)奶牛關(guān)節(jié)炎、皮膚炎癥以及消化道、呼吸道等疾病。本研究發(fā)現(xiàn)，各舍相對濕度均高于80%，其中舍B相對濕度高達93.9%，遠超國家相關(guān)標準規(guī)定的80%[10]，應(yīng)引起重視。牛舍內(nèi)濕度受奶牛的呼吸、潮濕地面、糞尿和墊料水份蒸發(fā)的影響，舍B濕度最高可能是由于其封閉嚴密，溫度相對較高，但舍內(nèi)近乎處于無風(fēng)狀態(tài)，造成舍內(nèi)通風(fēng)不良，糞尿等水分易揮發(fā)但不易排出造成的。有報道稱，冬季通過增加牛舍密閉性、減少通風(fēng)量等方式進行保溫，可能使舍內(nèi)長期處于高濕狀態(tài)，嚴重破壞奶牛的熱調(diào)節(jié)[11-12]。各舍每日應(yīng)當選擇適當時間通風(fēng)，排出舍內(nèi)多余水汽，預(yù)防奶牛疾病發(fā)生。

3.2 牛舍內(nèi)外空氣質(zhì)量

空氣中可吸入顆粒物(PM10、PM2.5)、有毒有害氣體(NH3、CO2)和細菌含量都是評價牛舍空氣質(zhì)量狀況的重要指標。PM10和PM2.5可通過呼吸道、皮膚等途徑進入奶牛體內(nèi)，影響奶牛健康和生產(chǎn)性能。NH3無色、有刺激性氣味，主要由厭氣菌分解糞便、飼料與墊料中含氮的有機物產(chǎn)生[13]，奶牛如吸入過量NH3，可破壞血液的運氧功能，引起上呼吸道粘膜充血，嚴重可導(dǎo)致肺出血[14]。CO2無色、無毒、略帶酸味，當濃度達到一定程度時，會造成奶牛缺氧，引起慢性毒害?？諝庵屑毦康脑黾涌蓪?dǎo)致動物機體免疫力和生產(chǎn)性能降低，增加奶?；疾★L(fēng)險。牛舍內(nèi)空氣質(zhì)量可能因牛舍建筑類型、通風(fēng)結(jié)構(gòu)、飼養(yǎng)密度以及清糞、分發(fā)飼料、清掃地面等飼養(yǎng)管理的不同有很大差異。

本研究發(fā)現(xiàn)，舍內(nèi)空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量受牛舍通風(fēng)情況影響明顯，可能與牛舍建筑結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。舍A縱跨大、舉架高，且有通氣孔、通氣縫、門斗等結(jié)構(gòu)，利于通風(fēng)，因此舍內(nèi)空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量均最低，舍內(nèi)空氣質(zhì)量最優(yōu)；其舍外NH3和CO2含量相對較高，進一步說明舍A建筑結(jié)構(gòu)更利于牛舍內(nèi)外進行氣體交換，可有效促進有害氣體排出舍外，降低可吸入顆粒物和氣載細菌的聚集，有效減輕對牛群的危害。舍B和舍C內(nèi)空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量相對較高，舍外NH3、CO2含量較低，進一步說明有害氣體在舍內(nèi)滯留，不易排出，可吸入顆粒物和氣載細菌在舍內(nèi)大量聚集，牛舍換氣效果及空氣質(zhì)量不如舍A。舍B飼養(yǎng)密度最低，但空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量卻均為最高，進一步說明了其封閉嚴密，舍內(nèi)外氣體交換困難。NH3含量達到10～15 mg/m3時，就會降低動物對感染的抵抗能力[15]，各舍NH3含量雖未達到該濃度范圍，但應(yīng)當引起注意。舍B和舍C內(nèi)CO2含量均超過國家標準中規(guī)定的1 500 mg/m3[10]，舍內(nèi)通風(fēng)不良、氧氣含量下降、其他有害氣體含量增高，奶牛如長期處此環(huán)境中，可能會出現(xiàn)精神萎靡，食欲減退，體質(zhì)下降，生產(chǎn)能力降低，易患病等癥狀，應(yīng)當引起注意。本研究還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境濕度與氣載細菌、粉塵微粒含量之間可能存在正相關(guān)關(guān)系，有待進一步研究確定。舍內(nèi)高濃度的細菌對奶牛和飼養(yǎng)員的健康存在潛在威脅，建議牛場應(yīng)當重視細菌疾病的預(yù)防。

3.3 牛舍內(nèi)外光照與噪音

光照可通過視覺器官影響奶牛的生理機能和生產(chǎn)性能，是奶牛保持良好生產(chǎn)必不可少的條件之一。李云甫等[16]研究證明，補充光照使產(chǎn)奶期奶牛每天的光照時間達到15 h能夠增加奶牛的產(chǎn)奶量和采食量，提高奶牛養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。本研究發(fā)現(xiàn)，各舍內(nèi)白天自然光照強度均高于50 lx，符合國家標準中牛舍內(nèi)日平均照度不低于50 lx的規(guī)定[10]，但各舍采光效果差異較大，屋頂向陽面如能合理設(shè)置采光帶，可增強牛舍采光，同時促進牛舍升溫。各舍夜間人工光照強度均低于50 lx，未達到光照最低標準要求，需要加強夜間照明，同時確保舍內(nèi)照度均勻。應(yīng)注意的是，泌乳牛一般需要6 h的連續(xù)黑暗時間，在制定擠奶班次和時間及制定補光措施時需要綜合考慮。本研究中牛舍內(nèi)外噪音均未超過國家標準中牛舍內(nèi)噪音不超過75 dB的規(guī)定[10]，但是過強、過長的噪音可能使奶牛的生產(chǎn)性能下降，應(yīng)該合理選擇和安排機械設(shè)備，降低牛舍噪音。

4 結(jié) 論

奶牛舍環(huán)境質(zhì)量狀況可能與牛舍的建筑類型和舍內(nèi)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。冀北寒區(qū)高舉架、縱跨大、封閉性差的全封閉有窗牛舍冬季通風(fēng)換氣效果好，舍內(nèi)空氣質(zhì)量優(yōu)，但保溫效果差，可能對奶牛健康及生產(chǎn)性能產(chǎn)生不利影響，可考慮安裝屋頂采光帶、加強外墻和屋頂保溫、合理開關(guān)門窗等措施提高牛舍溫度；低舉架、縱跨小、封閉性好的全封閉有窗牛舍冬季保溫效果好，但通風(fēng)難以保證，舍內(nèi)濕度大，粉塵微粒、有毒有害氣體濃度、空氣微生物含量高，勢必影響奶牛健康，可考慮增加屋頂排風(fēng)系統(tǒng)、檐下通風(fēng)孔、門斗結(jié)構(gòu)等通風(fēng)設(shè)施，促進舍內(nèi)外氣交換。冀北寒區(qū)奶牛舍的設(shè)計改造應(yīng)注意考慮冬季牛舍保溫和通風(fēng)換氣，并加強冬季防寒和通風(fēng)管理，達到改善牛舍環(huán)境質(zhì)量目的。