光照對錦江牛維持行為及活動量的影響

曹錦承，李婷婷，楊珍珍，顏培實(shí)

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，江蘇 南京 210095)

動物對光環(huán)境變化的反應(yīng)，在行動上具有瞬時性和持續(xù)性的不同程度時間性變化，在空間上會發(fā)生位點(diǎn)改變[1]。外向動物行為與動物健康和生長存在內(nèi)在聯(lián)系，剖析動物行為變化可以折射動物環(huán)境的舒適程度[2]。

自然光在秋冬季節(jié)縮短，利用長光周期(long-day photoperiod)即延長光照時間能夠顯著改善動物的生產(chǎn)性能。在奶牛管理中應(yīng)用長光周期發(fā)現(xiàn)16 h光照可提高奶牛生產(chǎn)性能，促進(jìn)奶牛的采食行為[3]。在小馬駒的生產(chǎn)管理中運(yùn)用長光周期能夠增加小馬駒干物質(zhì)消化率，改善其生長性能，增加采食頻率，減少總體采食時間[4]。邱靜蕓等[5]發(fā)現(xiàn)長光周期可提高錦江牛的日增重，增加趴臥休息率，降低活動量，認(rèn)為肉牛趴臥休息率的提高可以減少其非生產(chǎn)能量的消耗，從而提高肉牛的生產(chǎn)性能。

動物行為因其動機(jī)而不同。維持行為中采食、休息和修飾等行為被視為正向的，而爭斗和規(guī)癖行為被視為負(fù)向強(qiáng)化的結(jié)果。趴臥休息率的下降會引起動物生產(chǎn)性能的降低[6]。奶牛在橡膠墊、糞床等較為舒服的墊料上會增加趴臥時間[7]，長光周期會提高奶牛的趴臥休息時間[8]，為奶牛的生產(chǎn)提供有利的環(huán)境。三軸加速度傳感器已常規(guī)用于奶?；顒恿康臏y定，可判定奶牛的行為特征，在放牧牛可與全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)配合測定行走距離與總體活動量。本試驗通過加速度傳感器收集錦江牛活動量數(shù)據(jù)，聚類分析錦江牛的行為量化特征。

在邱靜蕓等[5]研究長光周期與自然光照相比較的基礎(chǔ)上，本研究將長光周期與穩(wěn)定短光照相比，將錦江牛分為長光周期LD組(16L∶8D)和等光周期對照SD組(12L∶12D)，通過觀察其行為及活動量，探討光照對肉牛采食行為、趴臥休息行為、反芻行為和活動量的影響，進(jìn)一步探討長光周期對休息行為正向強(qiáng)化。

1 材料與方法

1.1 試驗動物與設(shè)計

試驗于2018年9月至2019年1月在江西高安市裕豐農(nóng)牧有限公司進(jìn)行。試驗牛場為東西走向的半開放式牛舍，南北側(cè)各12個牛欄，牛欄規(guī)格為4 m×3 m×1.5 m。在牛舍的南半側(cè)以中軸線用遮光簾分隔東西兩區(qū)，每區(qū)6組牛欄，每欄散養(yǎng)3頭，公牛(311.17±18.04)kg和母牛(152.78±21.15)kg各18頭，東西兩區(qū)各有9頭公牛和母牛。東區(qū)SD組在自然光照的基礎(chǔ)上人工增加光照至12 h，12L∶12D(6:00—9:00和15:00—18:00補(bǔ)光)；LD組，16L∶8D(6:00—9:00和15:00—21:00補(bǔ)光)。LED燈(13 W)安裝于離地2.4 m，料槽后30 cm處，相間2 m，共計24盞。預(yù)試期5 d，正式試驗期96 d。

1.2 試驗日糧與日常管理

2組日糧見表1，自由采食，自由飲水，每天上午6：00、11:30及下午5:30定時清理牛糞。

表1 試驗飼糧組成及營養(yǎng)水平

1.3 行為觀察

在試驗期10月7日至10日連續(xù)4 d于不同時間點(diǎn)(7：00、9：00、11：00、13：00、17：00)觀察并記錄36頭錦江牛的趴臥狀態(tài)。10月19日至10月23日(光照前期)及11月27日至12月1日(光照后期)，利用攝像頭記錄8:00—11:00和14:00—17:00錦江牛的采食行為、反芻行為、趴臥行為。

1.4 活動量的測定

在12月6日至10日上午8:00—11:00，下午2：00—5:00，每組公牛隨機(jī)挑選3頭，將傳感器三軸加速度計量器(BWT901CL)以A型項圈的方式固定于頸側(cè)，連續(xù)觀察5 d，通過記錄特征行為X、Y、Z方向的加速度數(shù)據(jù)。

K-means聚類算法可以將錦江牛的狀態(tài)分為靜止、微動、慢走、快走4種行為特征，表示其活動量。本試驗結(jié)合項圈將三軸加速度計量器佩戴于公牛頸部，傳感器的Z軸垂直指向地面，X、Y軸分別指向肉牛的前方及右側(cè)。將4種行為特征取K等于4。試驗所得數(shù)據(jù)S={X1,X2,X3,…,Xn}，其中n為數(shù)據(jù)樣本的個數(shù)，Xi=[xt,yt,zt]，xt，yt，zt分別為X、Y、Z方向在t時刻的加速度，具體執(zhí)行操作如下:

①降維。由于試驗所獲得數(shù)據(jù)是空間三維特征向量，無法在二維平面有效可視化，故通過PCA算法將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維特征向量。

{A1,A2,A3,…,An}=PCA({X1,X2,X3,…,Xn})，

其中公式中Ai=[pi,qi]是降維后的二維特征向量。

②設(shè)置聚類中心個數(shù)。本文試驗需要分析錦江牛的4類行為特征，所以將聚類中心設(shè)為4，分別為[α1,α2,α3,α4]。計算每個樣本點(diǎn)到所有聚類中心的歐式距離，然后根據(jù)距離的大小將樣本點(diǎn)歸類到最近的中心所屬的簇中。

D(i)=argmin‖Ai-αj‖2(j=1,2,3,4)，

其中①中D(i)表示離樣本Ai最近的聚類區(qū)域中心，αj為第j類的聚類中心。

③更新聚類中心。計算每個簇的特征均值zi，并將其作為該簇新的聚類中心。

其中n為所有樣本的數(shù)量，I(·)為指示函數(shù)，當(dāng)D(i)=j時，其值為1，否則為0，即將同屬于j類別的樣本相加然后求平均，也就得到新的聚類中心。

④迭代計算。重復(fù)執(zhí)行③過程，不斷對聚類中心進(jìn)行迭代更新，直到聚類中心不再變化或者變化量小于設(shè)定的閾值。

通過上述4個算法步驟，最終可以將樣本聚類成4個具有不同聚類中心(α1，α2，α3，α4)的簇，將收集的樣本點(diǎn)分別與這4個聚類中心計算它們之間的歐氏距離，迭代計算后，將錦江牛的行為特征進(jìn)行分類。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行初步整理，SPSS 20.0軟件的雙因素統(tǒng)計方法分析采食、反芻、趴臥行為。采用Graph Pad 7.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照前期長光周期對錦江牛行為的影響

由表2雙因素分析發(fā)現(xiàn)，光照前期LD組錦江牛站立時間比SD組降低35.1%(P<0.01)，趴臥休息時間增加41.5%(P<0.01)，趴臥反芻時間增加24.7%(P<0.05)，采食時間降低11.1%(0.05

表2 光照前期長光周期對錦江牛行為的影響(n=18) min

2.2 光照前期長光周期對錦江牛趴臥率的影響

長光周期對錦江牛趴臥率的影響見圖1，LD組公牛的趴臥休息率在11：00顯著提高(P<0.05)，在13：00提高但差異不顯著(0.05

2.3 光照后期長光周期對錦江牛行為的影響

由表3雙因素分析發(fā)現(xiàn)，光照后期LD組錦江牛站立時間降低28.6%(P<0.01)，趴臥時間提高20.9%(P<0.01)；母牛趴臥反芻時間比公牛提高44.6%(P<0.01)，采食時間增加22.3%(P<0.01)。光照與性別之間不存在互作效應(yīng)。

2.4 長光周期對錦江公牛活動量的影響

由表4可知，四類行為特征中， LD組靜止行為占比提高11.4%(P<0.05)，其他行為特征差異不顯著。

*表示差異顯著(P<0.05)，時間點(diǎn)為每次采血時間

表3 光照后期長光周期對錦江牛行為的影響(n=18) min

表4 長光周期對錦江公?；顒恿康挠绊?n=9) %

3 討論

3.1 長光周期對錦江牛行為及趴臥率的影響

Phillips等[9]在研究光照對雜交小母牛影響時發(fā)現(xiàn)，光照對小母牛采食時間影響并不顯著。Fuller等[4]的研究表明，長光周期(16L∶8D)與短光周期(8D∶16L)相比，小馬駒的采食時間減少，而采食頻率和干物質(zhì)消化率增加，生長性能有所改善。Macmillan等[10]在探討光周期管理對奶牛行為影響時，并沒有發(fā)現(xiàn)光照周期對奶牛攝食行為有影響。邱靜蕓等[5]研究表明，錦江牛16 h光照組與自然光照組相比，采食時間顯著降低。這與本試驗LD組錦江牛采食時間有下降的趨勢相一致，亦即長光周期使動物的采食形式發(fā)生改變，使采食的時間更加集中[11]，肉牛的采食效率提高，表明食欲良好。

Oshiro等[12]研究表明，山羊白天反芻行為的發(fā)生頻率顯著高于夜間。Gordon等[13]發(fā)現(xiàn)，反芻行為的模式隨所使用照明系統(tǒng)的改變而變化，并且不同的進(jìn)料時間對反芻沒有影響。Phillips等[14]探究奶牛對補(bǔ)光的差異反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)光照對奶牛反芻行為影響不顯著。本試驗中，光照對錦江?？偡雌c行為時間影響不顯著，但是，LD組靜臥反芻時間在行為觀察前期顯著增加，在后期有增加趨勢。此外，性別對采食時間具有顯著影響，本次試驗中母牛的采食時間長，可能是母牛體型較小，牛胃所能容納飼料的體積也相對較小，因此母牛通過提高采食時間的方式攝入飼料。

本試驗LD組錦江牛的趴臥休息時間極顯著提高。Phillips等[14]在研究奶牛對補(bǔ)充光照的差異反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，在奶牛趴臥區(qū)域補(bǔ)充光照會增加其趴臥時間。動物運(yùn)動量的增加會加速營養(yǎng)消耗，因此，肉牛的趴臥休息率升高會減少其營養(yǎng)消耗，從而提高飼料的利用率，改善生產(chǎn)性能。韓興泰等[15]在研究牦牛和黃牛不同運(yùn)動量的能量代謝時發(fā)現(xiàn)，隨著其運(yùn)動速度的增加，能量消耗也在增加。本試驗對錦江牛采食、趴臥、站立、反芻行為進(jìn)行統(tǒng)計，LD組試驗牛趴臥休息時間均顯著高于12 h光照組，說明長光周期可以增加錦江牛的趴臥休息時間，減少能量消耗。

趴臥休息率是反映動物對其生活環(huán)境是否感到舒適的重要指標(biāo)之一。趴臥休息率的增加能夠有效反映畜牧場對動物生存環(huán)境的良好管理。Haley等[11]在探究奶牛在混凝土地板(不舒適環(huán)境)和床墊地板(舒適環(huán)境)的行為表現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，奶牛在舒適環(huán)境下會發(fā)生更多趴臥休息行為，但是采食與站立時間會減少，說明趴臥休息時間增加是動物表達(dá)對環(huán)境感到舒適的行為特征之一。趴臥時間又與動物的生長激素(GH)分泌密切相關(guān)，趴臥時間的減少會引起GH分泌減少，側(cè)面反映趴臥休息率升高可提高動物的育肥效果。邱靜蕓等[5]探究長光照在不同時間點(diǎn)對肉牛趴臥率影響時發(fā)現(xiàn)，8:00、13:00、15:00肉牛的趴臥休息率顯著上升。本試驗分別探究7:00、9:00、11:00、13:00、17:00的趴臥狀態(tài)，在11:00 LD組的趴臥休息率顯著提高，13:00有提升趨勢，母牛在9：00、13：00趴臥休息率也有增加的趨勢，LD組錦江牛的趴臥率基本高于SD組，證實(shí)了長光照能提高動物的趴臥休息率。另外，邱靜蕓等[5]也證實(shí)采食率與趴臥休息率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即趴臥休息率提升，食欲也隨之改善。

3.2 長光周期對錦江?；顒恿康挠绊?/h3>

Hanson等[16]通過三軸加速度傳感器與GPS結(jié)合，不僅可以判定行為特征，更可以通過奶牛的行走距離來測定活動量水平。有研究通過直接觀察與自動傳感器收集奶牛行為表明傳感器在探究動物行為中是一種有效的方法[17]。本試驗采取活動量聚類分析方法剖析4種行為特征中，光照顯著影響靜止行為，LD組比SD組降低11.4%。

活動量是判定動物情緒是否安穩(wěn)的重要指標(biāo)之一。已有研究發(fā)現(xiàn)，奶牛處于發(fā)情焦慮狀態(tài)下，其活動量會提升[18]。鄢新義等[19]在探究北京地區(qū)奶?；顒恿繒r發(fā)現(xiàn)，奶牛的活動量在采食時達(dá)到最高峰，一年中夏季的活動略高于春秋兩季，這些結(jié)果表明奶牛在采食興奮或受到熱應(yīng)激情況下，奶牛的活動量會提升。奶牛的站立時間和行走時間長必然會引起活動量的提升，靜止行為時間長證明奶?；顒恿康停芰肯纳?。此外，動物處于舒適環(huán)境下活動量會降低，不適的環(huán)境會引起動物不安，快走行為占比會上升[20]。本試驗中，2組牛的快走行為占比幾乎相等，說明長光照并不會引起錦江牛不適。

活動量可以作為研究動物神經(jīng)活性的指標(biāo)，動物神經(jīng)興奮性提高會導(dǎo)致動物活動量增加。本課題組曾報告妊娠后期活動量顯著高于前期、中期，心率變異性分析表明后期低頻成分(LF)顯著高于前期、中期，可知后期交感神經(jīng)興奮性較高，導(dǎo)致奶牛后期活動量提高[21]。并且本研究LD組試驗牛的靜止行為特征比例上升，2組數(shù)據(jù)說明長光周期為錦江牛創(chuàng)造了舒適光環(huán)境，有利于改善肉牛的健康狀態(tài)。

綜上所述，長光周期增加錦江牛趴臥休息率并使反芻行為向趴臥反芻傾斜，增加靜止行為狀態(tài)時間，減少活動量有利于動物健康與生產(chǎn)。

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