趙俐辰，郭建軍，趙娟娟，劉愛瑜，邱殿銳，馮 曼，毛 森，高玉紅*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北保定 071001；2.承德市農(nóng)林科學院，河北承德 067000）

奶牛是一種耐寒怕熱的家畜，當夏季環(huán)境溫度超過25℃時，奶牛容易出現(xiàn)熱應激反應。我國大部分地區(qū)夏季溫度高、持續(xù)時間長，造成奶牛采食量下降，從而導致泌乳量減少、乳蛋白率和乳脂率等乳指標下降，嚴重時奶牛發(fā)生疾病甚至死亡。據(jù)報道，夏季高溫可使奶牛的干物質(zhì)采食量下降14%～50%，受胎率下降36%。為減少熱應激造成的負面影響，國內(nèi)外已經(jīng)采取了相應措施，如噴淋+風扇的物理降溫設施。然而，外圍護結構是影響奶牛舍隔熱性能的直接因素，如果圍護結構欠合理，隔熱性能差，僅靠物理降溫很難達到理想的緩解熱應激效果，且增加降溫成本，尤其是屋頂結構，直接影響舍內(nèi)的溫熱環(huán)境。目前新建的奶牛舍屋頂結構多采用復合板結構，如聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼復合板，也有很多老舊奶牛舍仍然采用單彩鋼結構，但隔熱效果較差。為解決單彩鋼屋頂牛舍的奶牛熱應激問題，本研究通過對屋頂進行簡單改造，即屋頂外表面鋪設成本較低的鍍鋁層反光膜，同時與復合板屋頂和單彩鋼屋頂?shù)母魺嵝ЧM行對比分析，以期解決實際生產(chǎn)中奶牛舍屋頂?shù)母魺釂栴}。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和牛場選擇 試驗于2020 年夏季（7—8月）于河北保定唐縣某規(guī)?；膛鲞M行，試驗周期為56 d。

1.2 試驗設計及飼養(yǎng)管理 選擇3 棟只有屋頂、四周無墻體的開放式牛舍、坐北朝南的鋼架結構奶牛舍，舍尺寸為100 m（長）×31 m（跨度）×5.5 m/13 m（檐高/脊高）。除了屋頂結構，其他結構和設施完全相同，舍內(nèi)臥床對頭設置，雙列單走道。每棟舍存欄200 頭泌乳中期的荷斯坦奶牛，產(chǎn)奶量（30.44±3.44）kg，每頭牛占舍面積為15 m。舍1 屋頂為單彩鋼板，厚度1 mm；舍2 屋頂為聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼復合板，聚苯烯泡沫厚度10 cm，上下彩鋼板厚度1 mm；舍3 單彩鋼屋頂外面鋪設一層鍍鋁層反光膜，反光膜厚度0.375 mm，單彩鋼板厚度1 mm，3 棟試驗舍屋頂?shù)慕ㄖY構如圖1 所示。

圖1 3 棟試驗舍屋頂建筑結構示意圖

舍內(nèi)降溫設施均為噴淋+風扇，風扇安裝于臥床及采食通道上方，風扇和噴淋間距分別為6 m 和1.5 m，距離地面高度分別為2.1 m 和1.8 m，降溫設施布置如圖2 所示。當外界環(huán)境溫度超過20℃時，開啟風扇，當舍溫超過25℃時，開啟噴淋，噴淋時間1 min，間歇5 min。

3 棟舍的奶牛飼養(yǎng)管理完全相同，全混合日糧每天飼喂3 次，自由采食，自由飲水，刮糞板機械化清糞，每隔2 h 清糞1 次。

1.3 檢測指標及方法

1.3.1 外圍護結構內(nèi)表面溫度測定 牛舍外圍護內(nèi)表面（屋頂、料道、承重柱等）溫度采用紅外測溫儀（FLUKE F568-2）進行測定。按舍長軸方向均勻選擇3 個截面，每個截面均勻設置21 點（A1，A2，A3，B1，……，D4）測點分布如圖3 所示。每周連續(xù)檢測3 d，共檢測24 d，檢測時間為每天的早（06:00—07:00）、午（12:00—13:00）和晚（18:00—19:00）。

圖3 奶牛舍結構及外圍護溫度測點布置

1.3.2 奶牛舍環(huán)境溫濕度的測定 舍內(nèi)外溫濕度均采用連續(xù)檢測法，檢測儀器為法國KTH-350-I 型電子溫濕度記錄儀，測點平面布置如圖2 所示。每棟舍內(nèi)分別于南側臥床、北側臥床、中間南北兩側料道各設置3 個，舍外在場區(qū)凈道上方1.7 m 處懸掛3 個，懸掛高度（探頭距地面的垂直距離）為1.7 m，每0.5 h 自動記錄溫濕度數(shù)據(jù)，繪制24 h 的溫濕度連續(xù)曲線，每一時刻的均值為所有測點的均值，并按照以下公式計算溫濕指數(shù)（THI）。

圖2 奶牛舍降溫設施平面布置圖

式中，AT 為環(huán)境溫度（℃）；RH 為相對濕度（%）。

1.4 統(tǒng)計分析 試驗結果以平均值± 標準誤表示，采用SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件進行方差和相關性分析，采用Duncan's 法進行多重比較，<0.05 表示差異顯著，<0.01 表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同建筑材料屋頂奶牛舍的外圍護結構內(nèi)表面溫度日變化 如表1 所示，中午時段，與單彩鋼舍相比，反光膜舍屋頂內(nèi)表面溫度和料道溫度分別降低了10.48℃（<0.01）和1.97℃（<0.05）。早晨時段，屋頂內(nèi)表面溫度單彩鋼舍和復合板舍之間差異達到極顯著水平，復合板舍與反光膜舍表現(xiàn)出顯著性差異。晚上3 類屋頂奶牛舍的各圍護結構溫度均未表現(xiàn)出顯著性差異。各時段復合板舍與反光膜舍各圍護結構表面溫度差異均未達到顯著性水平（早晨屋頂溫度除外）。

表1 不同建筑材料屋頂奶牛舍的外圍護各結構內(nèi)表面溫度 ℃

2.2 不同建筑材料屋頂奶牛舍外圍護各結構內(nèi)表面溫度的空間變化

2.2.1 外圍護結構內(nèi)表面溫度的水平變化 如圖4 所示。反光膜舍屋頂陽坡和陰坡溫度均低于單彩鋼舍（<0.01），陽坡溫度降低4.34℃，陰坡溫度降低4.37℃。反光膜舍的料道陽側和陰側表面溫度較單彩鋼舍分別低1.57℃（<0.05）和1.17℃（<0.01）。南側臥床和北側臥床的表面溫度3 類屋頂奶牛舍均未表現(xiàn)出顯著性差異。

圖4 不同建筑材料屋頂奶牛舍屋頂、料道及臥床表面溫度的水平變化

2.2.2 外圍護結構表面溫度的垂直變化 不同建筑材料屋頂奶牛舍圍護結構表面溫度的垂直變化主要表現(xiàn)為承重柱不同高度（H1-H4）的溫度變化（圖5），各垂直高度處的承重柱溫度3 棟舍之間差異均未達到顯著水平，但4 個垂直高度處的溫度均表現(xiàn)為復合板舍、反光膜舍低于單彩鋼舍，不同垂直高度處的復合板舍/反光膜舍與單彩鋼舍溫差范圍為 0.23～1.28℃。

圖5 不同建筑材料屋頂奶牛舍承重柱表面溫度的垂直變化

2.3 不同建筑材料屋頂奶牛舍的環(huán)境溫濕度動態(tài)變化

2.3.1 奶牛舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化 3 棟舍環(huán)境溫濕度的晝夜連續(xù)變化如圖6 所示，3 棟舍的溫度晝夜范圍22.82～31.73℃（單彩鋼舍，均26.61℃）、23.45～30.09℃（復合板舍，均26.3℃）和23.19～30.10℃（反光膜舍，均26.64℃），舍外晝夜溫度變化范圍為23.15～34.99℃（均28.71℃），各舍的舍內(nèi)、外日均溫和均濕差異均不顯著。從3 棟舍溫濕度比較可以看出，不同舍間的日均溫度和日均濕度均未達到顯著性水平，但從各時刻溫度和濕度看，尤其是12:30—16:30，復合板舍與反光膜舍的溫度均低于單彩鋼舍（<0.05），復合板舍、反光膜舍與單彩鋼舍的溫差范圍為 1.17～1.76℃，且復合板舍濕度高于單彩鋼舍。

圖6 奶牛舍環(huán)境溫濕度晝夜連續(xù)變化

2.3.2 奶牛舍溫濕指數(shù)的晝夜連續(xù)變化 如圖7 所示，各舍THI 晝夜變化范圍分別為72.10～82.68（單彩鋼舍，均76.96）、73.41～81.48（復合板 舍，均77.50）和72.82～81.47（反光膜舍，均76.88），各舍THI 日均值顯著低于舍外（均78.96），不同舍THI 日均值未表現(xiàn)出顯著，但10:30—19:00 復合板舍與反光膜舍的THI低于單彩鋼舍（<0.05）。

圖7 奶牛舍溫濕指數(shù)的晝夜連續(xù)變化

2.4 屋頂內(nèi)表溫度與其他圍護結構表面溫度、舍內(nèi)溫度的相關性 如表2 所示，屋頂內(nèi)表面溫度與料道表面溫度（<0.01）、承重柱各高度處（H1-H4）表面溫度（<0.05）、舍內(nèi)環(huán)境溫度（<0.01）均表現(xiàn)出顯著線性正相關關系，尤其是屋頂表面溫度與舍內(nèi)溫度的相關系數(shù)高達r=0.897。從回歸方程可以得到，屋頂內(nèi)表面溫度每升高1℃，環(huán)境溫度可增加0.5℃，料道表面溫度增加0.27℃。當中午時段屋頂內(nèi)表面溫度達46.22（單彩鋼舍）、33.94℃（復合板舍）和34.46℃（反光膜舍）時，經(jīng)回歸方程計算，舍內(nèi)環(huán)境溫度可達到34.98（單彩鋼舍）、28.88℃（復合板舍）和29.14℃（反光膜舍），可見，單彩鋼舍的隔熱效果遠遠不及復合板舍和反光膜舍。

表2 屋頂內(nèi)表面溫度與其他外圍護結構表面溫度、舍內(nèi)溫度的相關系數(shù)和回歸方程

3 討論

3.1 不同建筑材料屋頂牛舍外圍護結構隔熱效果的評價夏季強烈的太陽輻射可透過外圍護結構影響舍內(nèi)的溫熱環(huán)境，導致舍內(nèi)溫度上升，從而造成奶牛嚴重的熱應激，選擇隔熱性能良好的建筑材料可有效降低舍內(nèi)環(huán)境溫度。鄧利軍等試驗表明，采用單層彩鋼板屋頂?shù)呐锷岣魺嵝阅懿?，棚頂表面溫度較高，且升溫快。本試驗中的單彩鋼板屋頂厚度僅1 mm，容易導致舍內(nèi)環(huán)境溫度增加。如果將屋頂結構加厚，可使熱傳導效率降低，進而降低外圍護結構內(nèi)表面和舍內(nèi)溫度。本試驗中10 cm 厚聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂?shù)哪膛Ｉ峋哂辛己玫母魺嵝Ч?，中午時表現(xiàn)最為明顯，尤其是12:00—13:00 這一時段屋頂內(nèi)表面溫度較單彩鋼板奶牛舍低11.50℃，舍內(nèi)溫度低2.21℃，將單彩鋼屋頂進行改造，屋頂外表面鋪設反光膜后，同樣在12:00—13:00 這一時段屋頂內(nèi)表面溫度較單彩鋼板牛舍降低10.48℃，舍內(nèi)溫度降低1.8℃。可見，單彩鋼屋頂外鋪反光膜可有效改善舍內(nèi)的溫熱環(huán)境。反光膜作為提高反射隔熱效果的建筑材料，已應用于構筑物或建筑物表面，反光膜材料通常為鋁箔、鍍鋁膜或者鋁塑膜材料，屋頂外鋪設反光膜可有效改善屋頂?shù)母魺嵝Ч?，起到類似鏡面的作用。本試驗中，在原有單彩鋼板屋頂?shù)幕A上外鋪一層鍍鋁層反光膜，屋頂內(nèi)表面日平均溫度較單彩鋼屋頂降低了3.2℃，各外圍護結構表面溫度均顯著低于單彩鋼奶牛舍。

另外，舍內(nèi)不同空間位置受屋頂輻射熱的影響存在一定差異。料道兩側的承重柱不同高度處（距離屋頂3～12 m 處）和料道的表面溫度均與屋頂內(nèi)表面溫度存在線性正相關關系，越靠近棚頂受到熱輻射的影響越大，這與高騰云等研究結果基本一致。洪小華等通過對蕪湖地區(qū)鐘樓式奶牛舍夏季溫熱環(huán)境的測定發(fā)現(xiàn)，舍內(nèi)環(huán)境溫度與屋頂隔熱層輻射熱呈正相關。本試驗中，單彩鋼奶牛舍中午時屋頂內(nèi)表面溫度高達40℃以上，舍內(nèi)溫度可達31.73℃，屋頂內(nèi)表面溫度與舍內(nèi)環(huán)境溫度呈正相關，相關系數(shù)高達0.897。從屋頂建筑成本分析，單彩鋼屋頂通過鋪設反光膜的改造成本較傳統(tǒng)的聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂每平米約降低15～20 元，適合單彩鋼屋頂?shù)母脑臁?/p>

3.2 不同建筑材料屋頂圍護結構牛舍溫熱環(huán)境的評價外圍護結構的隔熱保溫性能直接影響畜舍的溫熱環(huán)境，良好的圍護結構設計是保障牛舍環(huán)境的重要措施。本試驗的3 棟奶牛舍均為敞棚舍，通風較好，降溫方式采用噴淋+吹風的間歇噴淋模式（噴1min 停5 min）。雖然單彩鋼屋頂鋪設反光膜或者采用聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂有效改善了舍內(nèi)環(huán)境，緩解了奶牛熱應激程度，但舍內(nèi)THI 仍然較高，各舍每天THI均大于72。根據(jù)關于奶牛熱應激評價的國家行業(yè)標準和研究報道，本試驗3 棟牛舍中的奶牛均處于熱應激狀態(tài)，尤其是單彩鋼板奶牛舍，10:00—19:00 時THI 已超過79，處于中度熱應激水平，特別是13:30—15:30 時段，THI 最高，而05:00—06:00 時段相對較低，這種變化趨勢和李宏雙等研究結果基本一致。因此，鑒于奶牛熱應激的現(xiàn)狀，應針對不同時間段采取不同的降溫措施或調(diào)整降溫強度，以保持每天奶牛適宜的溫熱環(huán)境條件，減少因熱應激造成的經(jīng)濟損失。

4 結論

本試驗結果顯示，單彩鋼鋪設反光膜的奶牛舍屋頂可有效提高隔熱性能，降低外圍護內(nèi)表面溫度和舍內(nèi)環(huán)境溫度，其隔熱效果與聚苯乙烯泡沫夾芯彩鋼板屋頂相似，適用于實際生產(chǎn)中單彩鋼頂奶牛舍的改造。奶牛舍屋頂內(nèi)表面溫度與其他圍護結構內(nèi)表面溫度、環(huán)境溫度均呈顯著線性正相關關系，因此，選擇隔熱性能良好的屋頂建筑材料可改善舍內(nèi)的溫熱環(huán)境，利于緩解奶牛熱應激。