夏季熱應(yīng)激條件下荷斯坦牛喘息時(shí)間規(guī)律及影響因素研究

余厚默，張海亮，楊明路,2，竹 磊,2，王 澳，羅漢鵬，王 炎，郭 剛，張 毅，王雅春*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；3.北京首農(nóng)畜牧發(fā)展有限公司，北京 100176）

熱應(yīng)激（Heat Stress，HS）是奶牛對(duì)高溫高濕環(huán)境產(chǎn)生的非特異性應(yīng)答反應(yīng)，嚴(yán)重的熱應(yīng)激會(huì)降低牛群的生產(chǎn)力和動(dòng)物福利[1-4]。隨著全球氣候變暖，夏季奶牛熱應(yīng)激問(wèn)題愈加嚴(yán)重。遺傳選育是降低熱應(yīng)激對(duì)牛群性能影響的重要手段[5]。目前，評(píng)價(jià)奶牛熱應(yīng)激狀態(tài)的主要指標(biāo)包括牛舍的溫濕度指數(shù)（Temperature-Humidity Index，THI）、呼吸頻率和直腸溫度等[6]。然而，通過(guò)THI 無(wú)法有效區(qū)分奶牛在個(gè)體水平對(duì)熱應(yīng)激的抗性差異，對(duì)呼吸頻率和直腸溫度的持續(xù)監(jiān)測(cè)則需要投入額外的人力和物力資源[7-8]，以這些指標(biāo)進(jìn)行熱應(yīng)激抗性選育存在困難。因此，有必要篩選能夠?qū)δ膛釕?yīng)激反應(yīng)進(jìn)行自動(dòng)量化監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。

喘息（Panting）是奶牛以呼吸喘促、腹肋煽動(dòng)為主要特征的一類(lèi)行為[9]。高溫環(huán)境下奶牛為維持機(jī)體平衡而動(dòng)用體溫調(diào)節(jié)機(jī)制，導(dǎo)致熱性喘息加快[10]。喘息的發(fā)生伴隨著奶牛呼吸頻率的提高，是呼吸頻率變化的機(jī)體表征[11]。有研究指出通過(guò)自動(dòng)化傳感器可以量化熱應(yīng)激對(duì)奶牛喘息的影響[12]。利用SCR 公司研發(fā)的奶牛行為監(jiān)測(cè)項(xiàng)圈能夠?qū)Υ笠?guī)模牛群的喘息時(shí)間（Panting Time）進(jìn)行個(gè)體級(jí)別記錄。目前，針對(duì)牛群喘息行為的研究相對(duì)較少，我國(guó)尚無(wú)關(guān)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的喘息時(shí)間相關(guān)的研究。

因此，本研究旨在利用項(xiàng)圈監(jiān)測(cè)夏季泌乳奶牛的喘息時(shí)間，探究北京地區(qū)夏季熱應(yīng)激條件下奶牛喘息時(shí)間的群體特征及其影響因素，以期為篩選定義奶牛熱應(yīng)激抗性性狀以及奶牛熱應(yīng)激抗性的遺傳選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)群體 選擇北京地區(qū)某規(guī)模化牧場(chǎng)的198 頭健康的荷斯坦泌乳母牛，于2018 年5 月—2018 年9 月進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)分為東、西兩個(gè)場(chǎng)區(qū)，該場(chǎng)全群存欄約2 500 頭，采用并列式奶廳擠奶。試驗(yàn)牛群飼養(yǎng)于半開(kāi)放式牛舍，夏季牛舍采食區(qū)域與擠奶廳待擠區(qū)均提供噴淋和風(fēng)扇。牛群每日擠奶3 次，分別在 07:00—10:00、14:00—17:00 和21:00—24:00 完成。

1.2 數(shù)據(jù)收集

1.2.1 喘息時(shí)間 試驗(yàn)期間，試驗(yàn)牛的喘息時(shí)間由HRLDn 項(xiàng)圈（Heat &Rumination-Long Distance，以色列SCR）連續(xù)測(cè)定，收集每頭試驗(yàn)牛泌乳期內(nèi)的喘息時(shí)間。每頭試驗(yàn)牛每天（24 h）均會(huì)自動(dòng)記錄一條喘息時(shí)間數(shù)據(jù)，試驗(yàn)人員定期導(dǎo)出喘息時(shí)間記錄和試驗(yàn)牛群的基本信息。

1.2.2 牛舍溫濕度 試驗(yàn)?zāi)翀?chǎng)的環(huán)境溫濕度由4 臺(tái)溫濕度自動(dòng)記錄儀（型號(hào)為Apresys Digital Data Track179-TH）自動(dòng)測(cè)定，溫濕度記錄儀分別布置于牛舍內(nèi)與牛舍外的背光處，安裝高度約為2 m，溫濕度自動(dòng)記錄儀每隔30 min 自動(dòng)記錄環(huán)境溫度和濕度，試驗(yàn)人員定期導(dǎo)出溫濕度記錄。

1.2.3 奶牛生產(chǎn)性能 試驗(yàn)人員收集該牧場(chǎng)利拉伐阿波羅系統(tǒng)中的日產(chǎn)奶量記錄，最終獲得181 頭試驗(yàn)牛的日產(chǎn)奶量記錄。

1.3 數(shù)據(jù)整理 本研究共收集到試驗(yàn)群體的21 423 條喘息時(shí)間記錄，剔除缺失記錄，最終獲得182 頭泌乳牛的18 059 條有效的連續(xù)喘息時(shí)間數(shù)據(jù)，一胎74 頭、二胎79 頭和三胎及以上29 頭。

根據(jù)4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)計(jì)算平均THI：THI=0.81T+（0.99T-14.3）RH+46.3[13]，T 為環(huán)境溫度，RH 為相對(duì)濕度。

根據(jù)試驗(yàn)牛泌乳天數(shù)的分布，在盡可能保證數(shù)據(jù)均衡并反映奶牛不同泌乳階段特征的基礎(chǔ)上，將試驗(yàn)牛的泌乳期劃分為6 個(gè)泌乳階段，分別為階段Ⅰ（1～30 d）、階段Ⅱ（31～60 d）、階段Ⅲ（61～90 d）、階段Ⅳ（90～120 d）、階段Ⅴ（120～200 d）和階段Ⅵ（＞200 d）。

為分析牛群日產(chǎn)奶量在不同喘息時(shí)間水平上的變化，將喘息時(shí)間分為11 個(gè)水平，分別為水平Ⅰ（1～50 min/d）、水平Ⅱ（51～100 min/d）、水平Ⅲ（101～150 min/d）、水平Ⅳ（151～200 min/d）、水平Ⅴ（201～250 min/d）、水平Ⅵ（251～300 min/d）、水平Ⅶ（301～350 min/d）、水平Ⅷ（351～400 min/d）、水平Ⅸ（401～450 min/d）、水平Ⅹ（451～500 min/d）和水平Ⅺ（＞501 min/d）。分類(lèi)后，將數(shù)據(jù)量小于30 的分組并入前一組。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析 基于SAS 9.2 軟件的Mixed 過(guò)程，利用線性混合模型分析胎次、泌乳階段、場(chǎng)區(qū)、環(huán)境溫濕度和個(gè)體隨機(jī)效應(yīng)對(duì)荷斯坦牛夏季喘息時(shí)間的影響，同時(shí)利用相同方法分析各效應(yīng)對(duì)荷斯坦牛日產(chǎn)奶量的影響。采用Bonferroni t 檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，以P＜0.05 為差異顯著，P＜0.01 為差異極顯著。分析模型如下：

其中，Yijkl為喘息時(shí)間；μ為群體均值；PARITYi為胎次效應(yīng)，共3 個(gè)水平（1 胎、2 胎、3 胎及以上）；STAGEj為泌乳階段效應(yīng)，共6 個(gè)水平（階段Ⅰ-Ⅵ）；BARNk為場(chǎng)區(qū)效應(yīng)，共2 個(gè)水平（東、西場(chǎng)區(qū)）；THI和THI2為協(xié)變量，分別代表THI 的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)，b1和b2分別為上述協(xié)變量對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)；IDijkl為個(gè)體隨機(jī)效應(yīng)；εijkl為隨機(jī)殘差。

其中，Yijklmn為日產(chǎn)奶量；μ為群體均值；MONTHl為測(cè)定月效應(yīng)，共5 個(gè)水平（5 -9 月）；PANTINGm為喘息時(shí)間水平效應(yīng)，共11 個(gè)水平（水平Ⅰ-Ⅺ）；IDijklmn為個(gè)體隨機(jī)效應(yīng)；εijklmn為隨機(jī)殘差；PARITYi、STAGEj和BARNk代表的含義與模型1 相同。

2 結(jié)果與分析

2.1 喘息時(shí)間的描述性統(tǒng)計(jì) 由圖1 可知，THI 的變化范圍為59.88～85.24，平均THI 為73.56，其中日THI均值高于68 的時(shí)間達(dá)78%。6—8 月期間THI 均值較高，奶牛長(zhǎng)時(shí)間處于熱應(yīng)激狀態(tài)；5 月和9 月的平均THI 較低，牛群熱應(yīng)激反應(yīng)尚不明顯。

圖1 北京某牛場(chǎng)5—9 月泌乳牛喘息時(shí)間均值與環(huán)境THI 變化趨勢(shì)

喘息時(shí)間的變化與THI 呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在7 月20 日，為338.41 min/d，與THI 峰值日期（7 月21 日）基本吻合。7 月喘息時(shí)間均值最高，為163.21 min/d；在THI 較低的5 月，喘息時(shí)間均值最低，為37.77 min/d，7 月和5 月的喘息時(shí)間相差125.4 min/d。5—9 月，喘息時(shí)間均值存在較大變化，變異系數(shù)為61.79%。

由表1 所示，試驗(yàn)牛群喘息時(shí)間均值為96.19 min/d。不同牛舍條件下的牛群喘息時(shí)間不同，西區(qū)牛群喘息時(shí)間為89.95 min/d，低于東區(qū)。兩個(gè)場(chǎng)區(qū)中，喘息時(shí)間均隨胎次的升高呈增加趨勢(shì)。不同場(chǎng)區(qū)中，1 胎奶牛的喘息時(shí)間均為最短；西區(qū)的2 胎奶牛喘息時(shí)間最長(zhǎng)，為93.36 min/d，東區(qū)的3 胎及以上奶牛喘息時(shí)間最長(zhǎng)，為113.97 min/d。

表1 各胎次荷斯坦牛5 至9 月喘息時(shí)間描述性統(tǒng)計(jì) min/d

2.2 各因素對(duì)喘息時(shí)間的影響 胎次、泌乳階段、場(chǎng)區(qū)和THI 對(duì)喘息時(shí)間均有顯著影響，各因素不同水平的最小二乘均值估計(jì)值及喘息時(shí)間與THI、THI2的回歸系數(shù)如表2 所示。本研究中，喘息時(shí)間隨奶牛胎次的升高而降低，3 胎及以上奶牛的喘息時(shí)間顯著低于低胎次奶牛（1～2 胎），1 胎與3 胎及以上奶牛的喘息時(shí)間相差27.73 min/d。喘息時(shí)間總體上隨泌乳階段的推移呈逐漸增加的趨勢(shì)。在第Ⅱ階段（即泌乳高峰期），喘息時(shí)間出現(xiàn)第1 個(gè)峰值，為100.93 min/d；隨后，喘息時(shí)間呈逐漸升高的趨勢(shì)，在泌乳后期，牛群喘息時(shí)間出現(xiàn)最高值，為122.77 min/d；喘息時(shí)間在第Ⅲ階段最低，為92.06 min/d。西區(qū)牛群的喘息時(shí)間極顯著高于東區(qū)牛群，二者相差5.03 min/d。

表2 各因素對(duì)泌乳期荷斯坦牛喘息時(shí)間的影響 min/d

本研究中，喘息時(shí)間對(duì)THI 的一次項(xiàng)和二次項(xiàng)的回歸極顯著（P＜0.01），回歸系數(shù)估計(jì)值分別為-66.82 min/d和0.52 min/d。在THI 低于64.25 時(shí)，喘息時(shí)間隨THI的增加逐漸降低，THI 超過(guò)64.25 后，喘息時(shí)間隨THI增加逐漸升高。

2.3 不同喘息時(shí)間水平下的牛群日產(chǎn)奶量變化 基于Mixed 過(guò)程對(duì)日產(chǎn)奶量進(jìn)行影響因素分析，發(fā)現(xiàn)胎次、泌乳階段、場(chǎng)區(qū)、月份和喘息時(shí)間對(duì)日產(chǎn)奶量均有顯著影響。5—9 月不同喘息時(shí)間水平下日產(chǎn)奶量的最小二乘均值如圖2 所示，不同月份間奶牛的日產(chǎn)奶量存在極顯著差異，5 月最高，為43.37 kg，8 月最低，為39.44 kg，二者相差3.92 kg。除7 月外，奶牛日產(chǎn)奶量隨喘息時(shí)間的增加均呈逐漸上升的趨勢(shì)，不同月份的上升幅度存在差異，其中5 月和6 月的上升幅度較大，組內(nèi)極差分別為3.94、3.72 kg，9 月的上升幅度最小，組內(nèi)極差為1.70 kg。此外，高喘息時(shí)間的分組集中于7 月和8 月，在5 月和6 月并沒(méi)有出現(xiàn)。

圖2 北京地區(qū)某牛場(chǎng)泌乳牛喘息時(shí)間對(duì)日產(chǎn)奶量的影響

3 討 論

3.1 環(huán)境THI 與喘息時(shí)間 北京地區(qū)5—9 月處于持續(xù)高溫階段[14]，本研究中，試驗(yàn)場(chǎng)7 —8 月的日均THI為78.23，奶牛遭受?chē)?yán)重的熱應(yīng)激。Gernand 等[1]、屈軍梅等[3]研究表明，奶牛遭受熱應(yīng)激后其生產(chǎn)性能大幅下降。本試驗(yàn)中，牛群的喘息時(shí)間在5—7 月呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，在7 月之后逐漸下降，這與THI 的變化有很大關(guān)系。Osei-Amponsah 等[15]研究指出，在高THI 條件下泌乳牛群的呼吸頻率顯著加快，喘息時(shí)間增加，并伴隨有體表溫度升高與產(chǎn)奶量下降。可見(jiàn)，喘息時(shí)間可以反映牛群遭受的熱應(yīng)激程度。同一群體中，高THI 環(huán)境下牛群的喘息時(shí)間明顯高于低THI 環(huán)境牛群。

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)牛群處于熱應(yīng)激環(huán)境時(shí)，日THI均值與喘息時(shí)間呈二次曲線關(guān)系。同樣，Islam 等[12]在澳大利亞?wèn)|北部牛群中發(fā)現(xiàn)，每小時(shí)的平均THI 與喘息時(shí)間均值也呈二次曲線關(guān)系，當(dāng)THI 高于55 時(shí)，喘息時(shí)間隨THI 的升高而升高。目前普遍認(rèn)為，奶牛受到熱應(yīng)激影響是從THI 超過(guò)68 開(kāi)始，表現(xiàn)為產(chǎn)奶量下降[16]；也有研究指出，僅通過(guò)THI 和產(chǎn)奶量下降評(píng)價(jià)熱應(yīng)激會(huì)低估熱應(yīng)激對(duì)荷斯坦牛的影響[17-18]。本研究中，喘息時(shí)間隨THI 上升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)64.25 時(shí)，低于68 這一常用閾值[16]，喘息行為更加靈敏地反映了奶牛的熱應(yīng)激狀況。此外，隨著牛群產(chǎn)奶量的大幅提升，高產(chǎn)奶牛對(duì)熱應(yīng)激的耐受能力逐步變?nèi)鮗19]，這使得熱應(yīng)激的環(huán)境閾值已經(jīng)發(fā)生了變化。

3.2 喘息時(shí)間的影響因素 本試驗(yàn)中，相同環(huán)境下，不同胎次奶牛的喘息時(shí)間存在極顯著差異，其中1 胎牛的喘息時(shí)間最長(zhǎng)，3 胎及以上奶牛喘息時(shí)間最短。與經(jīng)產(chǎn)牛相比，頭胎牛可能對(duì)泌乳應(yīng)激帶來(lái)的疼痛與擠奶廳的陌生環(huán)境有所不適[20]，另外頭胎牛還受到泌乳和生長(zhǎng)帶來(lái)的巨大能量消耗[21]，因此受到更大的熱應(yīng)激壓力，都可能導(dǎo)致喘息時(shí)間延長(zhǎng)。

在澳大利亞南部的荷斯坦牛中，Osei-Amponsah 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，夏季不同泌乳時(shí)期的奶牛呼吸頻率不同，其中泌乳中期（121～240 d）最低，為97.8 次/min，泌乳后期（240 d 以上）最高，為104.6 次/min，這與本研究中喘息時(shí)間隨泌乳階段的變化趨勢(shì)基本一致。泌乳早期，由于產(chǎn)奶所造成的能量負(fù)平衡導(dǎo)致體脂動(dòng)員[22]，使得奶牛喘息時(shí)間增加。泌乳高峰期后的泌乳中期，伴隨著奶牛產(chǎn)奶量的緩慢下降，喘息時(shí)間有所下降。泌乳后期奶牛遭受著妊娠與泌乳的雙重應(yīng)激[23]，還需調(diào)動(dòng)自身的生理機(jī)能抵御熱應(yīng)激[24]，故喘息時(shí)間可能進(jìn)一步提高。

牛群的喘息時(shí)間還受到牛舍條件的影響。本研究中，西區(qū)牛群喘息時(shí)間顯著低于東區(qū)，這可能與本試驗(yàn)中東西場(chǎng)區(qū)不同的牛舍結(jié)構(gòu)有關(guān)。安代志[10]的研究表明不同結(jié)構(gòu)的牛舍對(duì)奶牛呼吸頻率有顯著差異，這支持了本研究的結(jié)果。

3.3 日產(chǎn)奶量與喘息 本研究中，5 月平均THI 為68.27，該月缺乏高喘息時(shí)間的牛群，牛群熱應(yīng)激反應(yīng)不明顯[25]，此階段奶牛日產(chǎn)奶量隨喘息時(shí)間延長(zhǎng)有較大的變化。這可能由于受到熱應(yīng)激的奶牛會(huì)調(diào)動(dòng)生理和生化過(guò)程加強(qiáng)散熱，以抵抗熱應(yīng)激并維持熱平衡，從而降低了熱應(yīng)激對(duì)日產(chǎn)奶量造成的負(fù)面影響[26]。Gaughan 等[27]研究指出喘息是家畜向環(huán)境散熱的重要的調(diào)節(jié)機(jī)制之一，本研究也印證了這一點(diǎn)。7 月的平均THI 為78.03，奶牛遭受?chē)?yán)重?zé)釕?yīng)激，喘息加重，出現(xiàn)張嘴、流涎、伸舌和身體擺動(dòng)等動(dòng)作，不同喘息時(shí)間水平下的牛群日產(chǎn)奶量沒(méi)有顯著變化。此時(shí)奶牛僅依靠喘息難以繼續(xù)維持自身的熱平衡穩(wěn)態(tài)，還需降低代謝產(chǎn)熱以抵抗熱應(yīng)激，導(dǎo)致日產(chǎn)奶量降低。綜上所述，輕微熱應(yīng)激狀態(tài)下奶?？赏ㄟ^(guò)增加喘息時(shí)間來(lái)加快蒸發(fā)散熱，調(diào)節(jié)體溫，維持正常生理狀態(tài)，但隨著THI 升高，其調(diào)節(jié)作用逐漸下降。

Luo 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，不同胎次中國(guó)荷斯坦牛的呼吸評(píng)分與產(chǎn)奶量之間的近似遺傳相關(guān)在0.22～0.29，均為正相關(guān)，夏季呼吸評(píng)分越高的奶牛產(chǎn)奶量更高，這與本研究結(jié)果相互印證。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)中，在夏季，北京地區(qū)荷斯坦牛的喘息行為持續(xù)發(fā)生，胎次、泌乳階段、場(chǎng)區(qū)和溫濕度指數(shù)對(duì)喘息時(shí)間有顯著或極顯著的影響，喘息時(shí)間對(duì)奶牛日產(chǎn)奶量有極顯著的影響。在群體水平，喘息時(shí)間可以評(píng)價(jià)奶牛遭受熱應(yīng)激的嚴(yán)重程度；在個(gè)體水平，喘息時(shí)間可以區(qū)分奶牛抵抗熱應(yīng)激能力的差異。喘息時(shí)間發(fā)生變化的環(huán)境溫濕度閾值為64.25，低于一般認(rèn)為的輕度熱應(yīng)激閾值，能夠更加敏感地反映奶牛遭受熱應(yīng)激的狀態(tài)。本研究為喘息時(shí)間的遺傳分析建模奠定了基礎(chǔ),為牧場(chǎng)利用喘息時(shí)間管理牛群的夏季熱應(yīng)激提供了理論基礎(chǔ)。