高寒地區(qū)有窗式和開放式牦牛舍設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

陳昭輝，陳澤鵬，張利斌，羅曉琳，劉繼軍※，官久強(qiáng)

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高寒地區(qū)有窗式和開放式牦牛舍設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

陳昭輝1,2，陳澤鵬1,2，張利斌3，羅曉琳4，劉繼軍1,2※，官久強(qiáng)4

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100193；2. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193； 3. 北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094；4. 四川省草原科學(xué)研究所，成都 611731）

牦牛冬季舍飼是提高增質(zhì)量速度、加快出欄的重要措施，故該研究?jī)?nèi)容是在四川省紅原縣設(shè)計(jì)有窗式和開放式牦牛舍、建設(shè)后投入生產(chǎn)，比較2種牛舍的使用效果。有窗牦牛舍長(zhǎng)度63 m、跨度9 m、檐高3.2 m。牛舍南偏東15°，南側(cè)設(shè)置屋頂采光帶與通長(zhǎng)窗，北側(cè)間隔設(shè)置窗戶，屋檐下通長(zhǎng)設(shè)置通氣縫。開放牦牛舍樣式與有窗舍基本相同，南側(cè)無(wú)墻，牦牛可通往運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。牛舍建成后按試驗(yàn)要求飼養(yǎng)牦牛，對(duì)2類牦牛舍環(huán)境和生產(chǎn)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：2種舍溫度分別為4.17和0.02 ℃，濕度分別為43.25%和30.94%，CO2分別為1 313和669 mg/m3，以上指標(biāo)差異顯著（<0.05）；NH3分別為0.55和0.59 mg/m3（>0.05），風(fēng)速分別為0.30和0.06 m/s（>0.05）。2種舍牦牛日增質(zhì)量分別為0.30和 ?0.06 kg/（d·頭）（<0.01）；采食量分別為4.04和3.96 kg/（頭·d）（>0.05）。有窗舍比開放舍每頭牦牛平均多收益 216.35元/月（<0.01）。可見，有窗舍比開放舍牛舍環(huán)境溫度高、牦牛增質(zhì)量速度快，更具有經(jīng)濟(jì)可行性。

設(shè)計(jì)；環(huán)境控制；生長(zhǎng)；牦牛舍；高寒地區(qū)

0 引 言

牦牛是中國(guó)青藏高原特有畜種，世界上超過(guò)90%的牦牛位于該地區(qū)，中國(guó)牦牛的存欄量約占牛總存欄量的20%[1]。近些年來(lái)，青藏高原地區(qū)牦牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，牦牛養(yǎng)殖在藏區(qū)牧民的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在中國(guó)高寒地區(qū)，冬季嚴(yán)寒，飼草匱乏，導(dǎo)致牦牛增質(zhì)量減慢或失質(zhì)量，甚至死亡[2-3]。20世紀(jì)90年代，相關(guān)學(xué)者提出在寒冷地區(qū)的冬季使用塑料暖棚舍飼養(yǎng)牦牛，并逐步推廣應(yīng)用。目前藏區(qū)牧民暖棚舍飼牦牛以小群飼養(yǎng)模式為主，采用人工喂料、食槽與水槽分開、人工清糞的飼養(yǎng)工藝。李英年等[4-5]研究表明暖棚可以起到較好的保溫作用，特別是在日夜溫差大的高寒地區(qū)，增溫保暖效果更加明顯。曹立強(qiáng)等[6-7]研究表明，暖棚舍飼能夠顯著提高牦牛的日增質(zhì)量，避免掉膘的發(fā)生，可以大幅度提高牦牛的安全越冬度春幾率，能夠?yàn)殛笈ＩL(zhǎng)發(fā)育、繁殖等生理活動(dòng)提供適宜的環(huán)境條件。但是，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)暖棚牛舍冬季容易出現(xiàn)舍內(nèi)濕度過(guò)大、有害氣體濃度高等問(wèn)題；且管理不規(guī)范，透明屋頂上積灰較多，影響透光性能[8]；另外，暖棚牛舍較低矮，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化飼喂與清糞等作業(yè)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，不適于規(guī)模化牦牛場(chǎng)。另外，開放式牦牛舍在青海與西藏地區(qū)應(yīng)用較多，但尚未進(jìn)行試驗(yàn)，需要進(jìn)一步研究。國(guó)外部分寒冷地區(qū)肉牛舍采用單坡開放式牛舍，朝向一般為南向，牛舍南側(cè)通往運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，但保溫效果比有窗舍差[9-10]。

本試驗(yàn)主要從牦牛舍設(shè)計(jì)和應(yīng)用效果評(píng)價(jià)2個(gè)方面進(jìn)行研究。首先在普通肉牛飼養(yǎng)工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合高寒牧區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并建造適合該地區(qū)使用的有窗牦牛舍和開放牦牛舍，為牦牛提供適宜的飼養(yǎng)環(huán)境；同時(shí)對(duì)牦牛舍應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)新型牦牛舍相關(guān)環(huán)境參數(shù)和牦牛生長(zhǎng)性能進(jìn)行測(cè)定，并與傳統(tǒng)飼養(yǎng)方式比較，為牦牛的規(guī)模化養(yǎng)殖和牦牛舍環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。

1 牦牛舍設(shè)計(jì)

1.1 有窗牦牛舍的設(shè)計(jì)方案

1.1.1 有窗牦牛舍總體方案

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，有窗牦牛舍設(shè)計(jì)為門式鋼架結(jié)構(gòu)，朝向?yàn)槟掀珫|15°，牛舍長(zhǎng)度63 m、跨度為9 m、檐高為3.2 m，開間6 m，牛舍屋頂采用雙坡式、彩鋼夾芯板屋頂，其厚度為120 mm，屋頂坡度為1:4，屋頂南坡上設(shè)計(jì)采光帶。牛舍西側(cè)設(shè)置寬度為3 m的飼料間。北側(cè)墻間隔布置1.5 m × 1.5 m塑鋼推拉窗，窗臺(tái)1.4 m。南側(cè)窗戶通長(zhǎng)布置2.0 m × 1.5 m的塑鋼推拉窗，窗臺(tái)1.4 m。南側(cè)屋檐下設(shè)通氣縫，寬度為0.16 m。舍內(nèi)單列布置，飼喂走道設(shè)在北側(cè)，門為2.0 m × 2.9 m的推拉門，走道寬度為2.2 m，料槽寬度為0.6 m，在南墻設(shè)4個(gè)通往運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的門（2.4 m × 2.9 m）。

牦牛為散欄飼養(yǎng)模式，采用機(jī)械飼喂、機(jī)械與人工清糞結(jié)合、飲水槽恒溫飲水。與現(xiàn)行類似牛舍相比，該牦牛舍增設(shè)采光帶、通氣縫、清糞旋轉(zhuǎn)欄和飲水槽等設(shè)施，使得舍內(nèi)陽(yáng)光輻射更充分，通風(fēng)組織更合理，濕氣和有毒有害氣體排放，欄位設(shè)置利于機(jī)械化清糞，并且可以滿足牦牛冬季飲溫水的需求。

有窗牦牛舍平面圖與剖面圖及通氣縫詳圖見圖1。

注：A、B代表定位軸號(hào)。i為坡度。

1.1.2 有窗牦牛舍防寒設(shè)計(jì)

1）確定保溫指標(biāo)

墻體和屋頂?shù)谋匦阅苤笜?biāo)為冬季底限熱阻[11]，公式如下：

式中0×min、￠0×min分別為墻體和屋頂冬季低限熱阻， (m2×℃)/W；t為冬季舍內(nèi)計(jì)算溫度，℃，根據(jù)牦牛的生產(chǎn)需求，取8 ℃；t為冬季舍外計(jì)算溫度，℃，紅原地區(qū)冬季通風(fēng)情況下，室外溫度取-15.1 ℃；為溫度修正系數(shù)，取1.0；為考慮材料變形及熱惰性的系數(shù)，頁(yè)巖磚墻體取1.0；R為墻體和屋頂內(nèi)表面交換熱阻，（m2×℃）/W，查表得R= 0.115 (m2×℃)/W；[]為舍內(nèi)氣溫與墻體內(nèi)表面溫度的允許溫差，[]＝t-t1

將這些參數(shù)帶入式（1）和式（2），得出墻體和屋面的冬季低限熱阻分別為0.64和0.84 (m2×℃)/W。

2）確定墻體厚度[12]

墻體主體材料為燒結(jié)KP1磚，外墻及內(nèi)墻用水泥砂漿抹面，厚度1=3=0.02 m，如圖1。其中，燒結(jié)KP1磚的導(dǎo)熱系數(shù)為=0.58 W/(m×℃)，水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)=0.93 W/(m×℃)。

注：δ1、δ2、δ3分別為組成墻體的材料（水泥、KP1磚、水泥）厚度。

根據(jù)多層勻質(zhì)材料的總熱阻公式：

式中R、、R分別為墻體內(nèi)表面、中間及外表面的變換熱阻，(m2×℃)/W；a為墻體內(nèi)表面換熱系數(shù)，冬季取8.7 W/(m2×℃)；a為墻體外表面換熱系數(shù)，冬季取23.3 W/(m2×℃)；1、2、3分別為組成墻體的材料厚度，1=3=0.02 m；1、2、3分別為墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，1=3=0.93 W/(m×℃)，2=0.58 W/(m×℃)。

當(dāng)0=0×min=0.64 (m2×℃)/W 時(shí)，利用公式（3）可計(jì)算出1≈0.26 m。由此可知，墻體厚度最少為0.26 m，根據(jù)建筑模數(shù)要求，采用0.37 m厚度的磚墻。

3）確定屋面厚度

本設(shè)計(jì)采用聚苯乙烯彩鋼夾芯板屋面，外層和內(nèi)層鋼板的厚度分別為1=0.50 mm，3=0.60 mm，導(dǎo)熱系數(shù)1=3=46.5 W/(m·K)，導(dǎo)熱系數(shù)2＝0.035 W/(m·K)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及建筑材料常見型號(hào)，屋面材料采用120 mm厚聚苯乙烯彩鋼夾芯板。

1.1.3 有窗牦牛舍自然光照設(shè)計(jì)

1）確定畜舍朝向

首先，根據(jù)場(chǎng)址的地形、地勢(shì)、局部氣候特征及建筑用地等因素確定畜舍朝向[13]。邢啟明通過(guò)對(duì)南北朝向聯(lián)棟式犢牛舍環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)：白天南側(cè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的塑料膜和陽(yáng)光板接受太陽(yáng)輻射效果好于北側(cè)，南側(cè)氣溫較舍外高出5 ℃以上，而北側(cè)氣溫僅比舍外高出2～3 ℃，造成北側(cè)肉牛增質(zhì)量效果不佳，影響經(jīng)濟(jì)效益[14]。因此，結(jié)合紅原地區(qū)工民建建筑物朝向與冬季主導(dǎo)風(fēng)向西北風(fēng)，有窗牦牛舍坐北朝南，同時(shí)偏東15°，便于早上更早的接受陽(yáng)光照射。飼喂走道位于北側(cè)，飼養(yǎng)區(qū)域位于南側(cè)，可以減少冷風(fēng)滲透[15-16]。

2）確定窗戶的上椽和下椽[12]

根據(jù)太陽(yáng)高度角確定牛舍窗戶的上椽和下椽位置。本設(shè)計(jì)要求冬至日上午10:00時(shí)陽(yáng)光直射到牛欄上。

計(jì)算如下：

式中為當(dāng)?shù)厝我鈺r(shí)間的太陽(yáng)高度角，（°）；為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋ā悖粸槌嗑暎ㄌ?yáng)光線垂直照射地點(diǎn)與地球赤道所夾的圓心角），（°）；為太陽(yáng)時(shí)角，上午為負(fù)，下午為正，（°）；A為太陽(yáng)方位角，（°）。

式中為計(jì)算日在一年中的日序數(shù)，從1月1日開始計(jì)算。為24 h計(jì)算的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。

紅原縣地處32.8°N，102.55°E。根據(jù)式（4）～式（7）計(jì)算出冬至日上午10:00，太陽(yáng)高度角=26.89°，太陽(yáng)方位角=?30.11°。根據(jù)牛舍的朝向與太陽(yáng)方位角的關(guān)系，墻面法線與太陽(yáng)方位的夾角為，=29.56°。如果牛舍朝向南，則南窗上椽和下椽至地面的高度與南窗光線投照到舍內(nèi)地面的水平距離之間，存在以下關(guān)系：

注：H1、H2分別為窗戶上椽和下椽到室內(nèi)地面的高度，m；S1為南窗上椽光線透射到舍內(nèi)的a到南墻外皮的水平距離，m；S2為南窗下椽光線透射到舍內(nèi)的b到南墻里皮的水平距離，m。

式中h為太陽(yáng)高度角，（°）；為南墻面法線與太陽(yáng)方位的夾角，（°）。

為防止牛損壞玻璃窗，一般要求牛舍窗臺(tái)高度不低于1.5 m，考慮到牦牛相對(duì)于奶牛和肉牛來(lái)說(shuō)體型較小，本設(shè)計(jì)擬采用窗臺(tái)高1.4 m，即2=1.4 m。根據(jù)公式（8）、（9），計(jì)算得出2=1.94 m。根據(jù)建筑模數(shù)要求并結(jié)合牛舍高度，將牛舍窗戶高度設(shè)計(jì)為1.5 m。

根據(jù)上述計(jì)算及牦牛特點(diǎn)，確定有窗牦牛舍南側(cè)為通長(zhǎng)窗戶，窗臺(tái)高度為1.4 m、窗戶寬度為2.0 m。由于牛舍所在地冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，北側(cè)窗戶處于迎風(fēng)側(cè)，因此減少北側(cè)窗戶面積，21扇窗戶寬度改為1.5 m，間隔布置。

3）屋頂采光帶的設(shè)計(jì)

根據(jù)牛舍所在地氣候劃分標(biāo)準(zhǔn)，紅原冬季的范圍為每年的10月26日至4月5日，共162 d。根據(jù)式（4）～式（7）得出，10月26日：=299，=-13.45°，=32.81°，=?35.35°；4月5日：=95，=5.60°，=51.02，=?52.28°。圖4為整個(gè)冬季牛舍內(nèi)的光照范圍，從圖3看，整個(gè)冬季牦牛活動(dòng)范圍都能很好的接受直射光，牛舍采光效果較好。

1.1.4 有窗牦牛舍通風(fēng)設(shè)計(jì)

牛舍內(nèi)的通風(fēng)換氣量可根據(jù)冬季的通風(fēng)換氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并以最大值確定最小通風(fēng)量[9]。

1）根據(jù)通風(fēng)參數(shù)計(jì)算

自然通風(fēng)以無(wú)風(fēng)設(shè)計(jì)、只以熱壓為動(dòng)力計(jì)算。參照肉牛舍設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，肉牛舍冬季的通風(fēng)換氣量是0.17 m3/(h·kg)，飼養(yǎng)80頭平均體質(zhì)量為240 kg的牦牛。通過(guò)公式（10）計(jì)算出最小通風(fēng)量=3 264 m3/h

(m3/h)=換氣量標(biāo)準(zhǔn)×家畜體質(zhì)量×數(shù)量 （10）

圖4 畜舍冬季采光范圍

2）通風(fēng)設(shè)計(jì)

由于紅原地區(qū)冬季溫度較低，為了達(dá)到較好的保溫效果，本設(shè)計(jì)牛舍要求門窗關(guān)閉，舍內(nèi)通風(fēng)主要由屋檐下面的通氣縫進(jìn)行。

計(jì)算如下：

進(jìn)=出=3 600（11）

式中進(jìn)、出為進(jìn)出口風(fēng)量，m3/h；為風(fēng)速，m/s；為排氣口面積，m2；為進(jìn)排氣口中心之間垂直距離，m；為排氣口流量系數(shù)，取0.5。

紅原冬季舍外通風(fēng)計(jì)算溫度t=-15.1 ℃，t=8 ℃，由式（10）～式（12）計(jì)算得到冬季最小通風(fēng)量為=3 264 m3/h，風(fēng)速=0.187 m/s，=4.85 m2。結(jié)合建筑要求及牛舍情況，設(shè)計(jì)屋檐下通氣縫寬度為0.16 m，長(zhǎng)度60 m，總面積9.6 m2。

1.2 開放牦牛舍的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)牦牛飼養(yǎng)密度，開放牦牛舍設(shè)計(jì)為門式鋼架結(jié)構(gòu)，朝向?yàn)槟掀珫|15°，牛舍長(zhǎng)度63 m、跨度為7.5 m、檐高為3.2 m，開間6 m，牛舍屋頂采用雙坡式、彩鋼夾芯板屋頂，其厚度為120 mm，屋頂坡度為1:4。牛舍西側(cè)設(shè)置寬度為3 m的飼料間。北側(cè)墻間隔布置1.5 m × 1.5 m塑鋼推拉窗，窗臺(tái)1.4 m。舍內(nèi)單列布置，飼喂走道設(shè)在北側(cè)，門為2.0 m × 2.9 m的推拉門，走道寬度為2.4 m，料槽寬度為0.6 m，南側(cè)開放，直通運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。

牦牛為散欄飼養(yǎng)模式，采用機(jī)械飼喂、人工清糞、自由飲水。

開放牦牛舍平面圖與剖面圖見圖5。

圖5 開放舍平面圖與剖面圖

2 牛舍應(yīng)用效果試驗(yàn)

2.1 材料與方法

2棟牛舍建成并投入運(yùn)行后，對(duì)舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)、肉牛生理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以此評(píng)價(jià)應(yīng)用效果。

2.1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)于2016年12月22日至2017年1月23日進(jìn)行，分別選取20頭年齡、體況相近的麥洼牦牛并飼養(yǎng)。飼養(yǎng)管理方式為每天上午08:00和下午16:00飼喂，早上8:30人工清糞，飼喂結(jié)束后飲水。試驗(yàn)期間有窗舍和開放舍飼喂使用的飼料成分和飼喂量一致，精粗質(zhì)量比為1:4，飼料經(jīng)測(cè)定，飼料各營(yíng)養(yǎng)成分含量見表1。

表1 飼料成分

2.1.2 試驗(yàn)方法

環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定：測(cè)定內(nèi)容包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度和氨氣濃度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。其中，溫濕度自動(dòng)記錄儀進(jìn)行全天自動(dòng)記錄，每5 min記錄1次數(shù)據(jù)；距離地面0.7 m（牛只臥下時(shí)的背部高度）和1.2 m（牛只站立時(shí)的背部高度）處手持測(cè)定溫濕度、風(fēng)速、氨氣濃度、二氧化碳濃度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，每日測(cè)3次，測(cè)定時(shí)間為每日08:00、14:00和20:00。各儀器平面測(cè)點(diǎn)布置如圖6，試驗(yàn)儀器如表2。其中，日平均溫度為溫濕度自動(dòng)記錄儀31d實(shí)測(cè)溫度的平均值，平均溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳濃度和氨氣濃度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值為各時(shí)刻舍內(nèi)整體測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。0.7和1.4 m高度處數(shù)據(jù)差異不顯著（>0.05），因此將2個(gè)高度的數(shù)據(jù)取平均進(jìn)行分析，且通過(guò)對(duì)各點(diǎn)同一時(shí)刻的溫濕度自動(dòng)記錄儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1 h內(nèi)數(shù)據(jù)差異不顯著，因此忽略測(cè)試時(shí)間對(duì)實(shí)測(cè)值的影響。

采食量的測(cè)定：在試驗(yàn)中期連續(xù)3 d進(jìn)行采食量測(cè)定。每日每頭牦牛飼喂飼料質(zhì)量相同，并保證飼喂量充足。每日人工飼喂2次，飼喂前記錄每頭飼喂質(zhì)量，次日稱量并記錄剩余飼料量，最后計(jì)算出每頭牦牛的日平均采食量。

圖6 有窗舍和開放舍環(huán)境指標(biāo)平面測(cè)點(diǎn)

表2 環(huán)境指標(biāo)測(cè)定儀器一覽表

體增質(zhì)量的測(cè)定：在正式試驗(yàn)開始（2016年12月23日）和結(jié)束（2017年1月22日）時(shí)，使用電子秤對(duì)清晨喂料前空腹?fàn)顟B(tài)的有窗舍20頭樣本牛及開放舍20頭樣本牛的體質(zhì)量進(jìn)行稱質(zhì)量，計(jì)算全期增質(zhì)量。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 溫?zé)岘h(huán)境指標(biāo)分析

1）溫度與濕度

有窗舍、開放舍和舍外各個(gè)時(shí)刻的溫濕度水平如表3。牦牛的適宜環(huán)境溫度為10 ℃左右，而一般牛舍內(nèi)相對(duì)濕度不宜超過(guò)80%[17]。試驗(yàn)期間舍外環(huán)境溫度較低，舍外的日平均溫度為-5.32 ℃，最低溫度為-19.12 ℃，有窗舍日平均溫度為4.17 ℃，開放舍日平均溫度為-1.02 ℃。全天溫度變化情況具有一致性，呈現(xiàn)有窗舍>開放舍>舍外的規(guī)律。其中，早上08:00有窗舍和開放舍的溫差達(dá)到最大，為8.23 ℃；全天開放舍和舍外溫度差異不顯著（> 0.05），有窗舍溫度顯著高于開放舍（<0.05）。舍內(nèi)外相對(duì)濕度均比較小，舍外的日平均相對(duì)濕度為32.05%，有窗舍日平均相對(duì)濕度為43.25%，開放舍日平均相對(duì)濕度為30.94%。全天相對(duì)濕度變化情況具有一致性，呈現(xiàn)有窗舍>開放舍的規(guī)律。其中，早上08:00有窗舍和開放舍的相對(duì)濕度均比較高，分別為53.77%±7.22%和43.77%± 6.44%；晚上20:00有窗舍和開放舍的濕度差值達(dá)到最大，為15.40%；全天開放舍舍內(nèi)和舍外相對(duì)差異不顯著（> 0.05），有窗舍舍內(nèi)相對(duì)濕度顯著高于開放舍（<0.05）；但有窗舍和開放舍內(nèi)相對(duì)濕度均遠(yuǎn)低于牛舍內(nèi)相對(duì)濕度的上限標(biāo)準(zhǔn)。

表3 舍內(nèi)外各時(shí)刻平均溫度和相對(duì)濕度

注：不同小寫字母表示數(shù)據(jù)有顯著差異（<0.05)，不同大寫字母表示數(shù)據(jù)有極顯著差異（<0.01)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05). Different uppercase letters indicate very significant difference (<0.01), the same as below.

2）風(fēng)速

試驗(yàn)期間舍外風(fēng)速較高，舍外的日平均風(fēng)速為 0.86 m/s，有窗舍日平均風(fēng)速為0.06 m/s，開放舍日平均風(fēng)速為0.30 m/s（表4）。比較全天3個(gè)時(shí)間點(diǎn)有窗舍內(nèi)、開放舍內(nèi)以及舍外的風(fēng)速變化情況，呈現(xiàn)有窗舍<開放舍<舍外的規(guī)律。其中，早上08:00和晚上20:00有窗舍和開放舍的風(fēng)速差異不顯著（>0.05）；中午有窗牦牛舍和開放舍內(nèi)風(fēng)速分別為（0.06±0.03）和（0.46±0.13） m/s，差異最大(< 0.05)。從風(fēng)速變化差異來(lái)看，有窗舍內(nèi)風(fēng)速基本維持在0.06 m/s，說(shuō)明有窗牦牛舍內(nèi)部氣流波動(dòng)比較小，氣流分布均勻。

表4 舍內(nèi)外各時(shí)刻平均風(fēng)速

3）太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

有窗舍內(nèi)南北兩側(cè)08:00和14:00的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如圖7。其中，早上08:00有窗牦牛舍南北兩側(cè)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別為（14.18±7.70）和（12.34±6.41） W/m2，差異顯著（<0.05）；中午14:00南北兩側(cè)的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別為（49.77±25.30）和（41.20±19.36） W/m2，差異極顯著（<0.01）。該試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于屋頂采光帶的設(shè)計(jì)，有窗牦牛舍內(nèi)部南北兩側(cè)太陽(yáng)輻射具有顯著差異。

2.2.2 有害氣體濃度

有窗舍內(nèi)、開放舍內(nèi)和舍外各個(gè)時(shí)刻的平均CO-2和NH3濃度如表5。試驗(yàn)期間有窗舍內(nèi)、開放舍內(nèi)以及舍外環(huán)境有害氣體濃度均沒有超標(biāo)，即CO2質(zhì)量濃度不超過(guò) 1 500 mg/m3，NH3質(zhì)量濃度不超過(guò)20 mg/m3。其中有窗舍內(nèi)和開放舍內(nèi)NH3質(zhì)量濃度差異不顯著（>0.05）。有窗舍內(nèi)在夜間和清晨時(shí)CO2濃度稍高，中午時(shí)段偏低， CO2和NH3質(zhì)量濃度分別為1 313和0.55 mg/m3；開放舍的CO2和NH3平均質(zhì)量濃度分別為669和0.59 mg/m3。

圖7 舍內(nèi)外24 h太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

表5 舍內(nèi)外各時(shí)刻平均二氧化碳和氨氣相對(duì)濃度

2.2.3 生產(chǎn)性能指標(biāo)

有窗牦牛舍和開放牦牛舍內(nèi)牦牛采食量和增質(zhì)量情況如表6。有窗舍和開放舍采食量分別為4.04和3.96 kg/(頭·d)，差異不顯著（>0.05）。有窗牛舍的全期增質(zhì)量為（8.86±1.79） kg/頭，開放舍的全期增質(zhì)量為（-1.72± 2.88） kg/頭，有窗牛舍的增質(zhì)量極顯著高于開放舍的增質(zhì)量（<0.01），相差10.58 kg/頭，即有窗牛舍的牛平均每日增加的體質(zhì)量極顯著高于開放舍（<0.01），相差0.35 kg/ (頭·d)。可見，采用有窗舍飼養(yǎng)牦牛可以有效提高牦牛的日增質(zhì)量，縮短育肥周期，實(shí)現(xiàn)提高牧民的經(jīng)濟(jì)效益的目的。

表6 全期平均采食量和增質(zhì)量情況

2.2.4 經(jīng)濟(jì)效益

冷季舍飼費(fèi)用=人工費(fèi)+補(bǔ)飼飼料費(fèi)+建筑折舊費(fèi)。2016年紅原牦牛試驗(yàn)站飼養(yǎng)人員雇傭費(fèi)1 800 元/（人·月），管理100頭左右牦牛，冷季牦牛每天每頭平均補(bǔ)飼人工費(fèi)0.6元，冷季210 d人工費(fèi)126元。根據(jù)采食量計(jì)算，冷季每頭牦牛每天補(bǔ)飼飼料費(fèi)用分別為有窗舍9.15元、開放舍9.04元（飼料價(jià)格按2016年市場(chǎng)價(jià)格統(tǒng)計(jì)），冷季7個(gè)月每頭牦牛補(bǔ)飼費(fèi)分別為有窗舍1 921.5元和開放舍1 898.4元。有窗舍造價(jià)為800元/m2，開放舍造價(jià)為500元/m2，按照使用年限20 a折舊，滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，每頭牦牛1 a建筑折舊費(fèi)用分別為有窗舍283.50元和147.67元。

對(duì)不同飼養(yǎng)模式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，結(jié)果如表7。表中放牧模式數(shù)據(jù)來(lái)源于官久強(qiáng)等先前完成的牦牛適時(shí)出欄研究結(jié)果[18]，利潤(rùn)差分別為有窗舍舍飼模式、開放舍舍飼模式利潤(rùn)減去放牧模式所得。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)有窗舍舍飼模式獲得的利潤(rùn)最高，相對(duì)于傳統(tǒng)放牧模式而言，整個(gè)冷季每頭牦牛每月可以產(chǎn)生190.60元的生產(chǎn)效益。

表7 冷季經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析表

3 討 論

3.1 牦牛舍環(huán)境分析

根據(jù)牦牛舍環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夜間舍外環(huán)境溫度較低，舍外環(huán)境溫度對(duì)畜舍內(nèi)部溫度的影響起主導(dǎo)作用。由于有窗舍采用了防寒保溫設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能較好，因此基本維持在0 ℃以上，但開放舍內(nèi)環(huán)境溫度和舍外溫度環(huán)境相近，受舍外環(huán)境影響的程度比有窗舍大，有窗舍和開放舍的溫度差基本維持在9 ℃左右。歐陽(yáng)金龍等對(duì)紅原縣暖棚牦牛舍內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，暖棚具有一定的增溫作用，棚內(nèi)溫度高于棚外5 ℃左右，但夜間棚內(nèi)溫度基本在0 ℃以下[19]。其結(jié)果與本試驗(yàn)基本一致，但是有窗舍的保溫效果要優(yōu)于暖棚。梁育林等對(duì)甘肅天祝地區(qū)暖棚牦牛舍研究發(fā)現(xiàn)，棚內(nèi)最高溫度為9.9 ℃，最低溫度為5.8 ℃，溫度范圍在5.8～9.9 ℃之間[20]，舍內(nèi)小氣候穩(wěn)定，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。有窗舍采用的通風(fēng)設(shè)計(jì)基本滿足冬季牦牛的需求，舍內(nèi)濕度維持在較低的水平，平均為43.25%。謝榮清等對(duì)紅原縣暖棚牦牛舍內(nèi)相對(duì)濕度研究發(fā)現(xiàn)，棚舍內(nèi)日平均濕度為73%[21]，遠(yuǎn)高于本試驗(yàn)中牦牛舍相對(duì)濕度，說(shuō)明試驗(yàn)牛舍通風(fēng)效果良好。

試驗(yàn)期間，有窗舍和開放舍內(nèi)部有害氣體濃度均符合畜舍環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由于有窗牦牛舍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性較好，因此舍內(nèi)風(fēng)速較小，基本符合NY/T388-1999規(guī)定的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，即不超過(guò)0.3 m/s[17]。郭宏等對(duì)中國(guó)北方地區(qū)暖棚牛舍研究發(fā)現(xiàn)，舍內(nèi)空氣流速基本維持在0.05～0.06 m/s，舍內(nèi)CO2平均質(zhì)量濃度為2401 mg/m3，NH3平均質(zhì)量濃度為4.05 mg/m3[16]；欒冬梅等對(duì)中國(guó)寒區(qū)犢牛舍研究發(fā)現(xiàn)，舍內(nèi)CO2質(zhì)量濃度平均為2 441 mg/m3[22]，均遠(yuǎn)大于本試驗(yàn)舍內(nèi)CO2和NH3氣體含量。

由于屋頂采光帶的設(shè)計(jì)，有窗牦牛舍內(nèi)部南北兩側(cè)太陽(yáng)輻射具有顯著差異。刁小南等發(fā)現(xiàn)，采光帶的設(shè)計(jì)可以有效改善牛舍內(nèi)部太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，有助于提高生產(chǎn)性能，減少能量消耗[23]，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3.2 牦牛生長(zhǎng)性能分析

低溫環(huán)境下，動(dòng)物用來(lái)維持體溫的能量消耗變大，需要增加飼料采食量來(lái)增加產(chǎn)熱[24]。低溫環(huán)境會(huì)使牛采食量增加，飼料攝入量的增加在一定程度上可緩解其生產(chǎn)水平的下降，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致飼料的利用率降低，料肉比增大[25]。有研究表明，補(bǔ)飼可以減少冷季牦牛體質(zhì)量的損失，提高牦牛生長(zhǎng)性能和繁殖性能[26]。根據(jù)采食量測(cè)定結(jié)果，有窗舍牦牛和開放舍牦牛采食量差異不顯著，但是增質(zhì)量效果差異顯著這是由于有窗舍可為牦牛抵御嚴(yán)寒，減少能量損耗，沉積的營(yíng)養(yǎng)可以最大限度地用以增加體質(zhì)量；而開放舍溫度較低，攝入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足維持需要，導(dǎo)致體質(zhì)量持續(xù)下降。但二者飼養(yǎng)效果均好于傳統(tǒng)放牧模式。有窗牦牛舍飼料轉(zhuǎn)化效率比開放牦牛舍高，與Young等結(jié)果部分一致[27]。

另外，結(jié)合紅原牦牛試驗(yàn)站官久強(qiáng)等先前完成的牦牛適時(shí)出欄研究結(jié)果，在傳統(tǒng)放牧模式下冷季每頭牦牛消耗干草1 715.29 kg，牧草市價(jià)為0.6元/kg，放牧模式下每頭牦牛冷季消耗飼草費(fèi)用為1 029.17元[18]。麥洼牦牛的相對(duì)生長(zhǎng)和絕對(duì)生長(zhǎng)主要集中在3歲前，3歲后生長(zhǎng)速度減慢[28]，根據(jù)官久強(qiáng)[18]、謝榮清[29]、趙曉東[30]等的研究結(jié)果，牦牛暖棚舍飼的飼養(yǎng)模式條件下3.5歲活體質(zhì)量為273 kg，比傳統(tǒng)放牧方式增加近50 kg左右。在傳統(tǒng)放牧中，牦牛一般5～6歲、體質(zhì)量271 kg時(shí)出欄，采用暖棚舍飼可以提前兩年出欄，平均每頭增收1 000元以上，能夠大幅度提高牦牛養(yǎng)殖牧民的經(jīng)濟(jì)收入，與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

1）有窗牦牛舍設(shè)計(jì)合理，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能較好，舍內(nèi)通風(fēng)量達(dá)6 463 m3/h，中午南側(cè)輻射強(qiáng)度為（49.77±25.30） W/m2，符合冬季牦牛舍通風(fēng)、采光、防寒以及飼養(yǎng)管理要求。另外，舍內(nèi)平均溫度4.17 ℃，平均相對(duì)濕度43.25%，CO2和NH3質(zhì)量濃度分別為1 313和0.55 mg/m3，風(fēng)速0.30 m/s，保證了良好的牛舍環(huán)境，進(jìn)而提升牦牛舒適度。

2）應(yīng)用效果表明，有窗牛舍能夠顯著提高舍內(nèi)溫度，提供適宜的風(fēng)速與環(huán)境質(zhì)量，屋頂采光帶的設(shè)計(jì)可以有效提高舍內(nèi)太陽(yáng)輻射，且牦牛增質(zhì)量效果顯著好于開放舍與傳統(tǒng)放牧形式，整個(gè)冷季每頭牦牛每月可以多產(chǎn)生190.60元的生產(chǎn)效益。

從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盡管開放舍起防風(fēng)、防雪的作用，并且可以緩解冬季牦牛掉膘，但是相對(duì)于放牧模式，利潤(rùn)差呈現(xiàn)負(fù)值。

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Design and application effect of yak barn with window and insulated barn in alpine region

Chen Zhaohui1,2, Chen Zepeng1,2, Zhang Libin3, Luo Xiaolin4, Liu Jijun1,2※, Guan Jiuqiang4

(1.100193,; 2.100193,; 3.100094,; 4.611731,)

In order to solve the problems of low productivity of yaks and degradation of pasture quality caused by traditional grazing methods in alpine pasturing areas, the study draws on the feeding technology of common beef cattle, combined with the actual conditions of high-cold pastoral areas, a barn with windows and a uninsulated barn in Hongyuan County, Sichuan Province were designed, which were put into production to compare the effect in practice after completing construction. Barn with windows had been built in double slope style with light steel structure, the size of the barn with windows was 63 m × 9 m × 3.2 m, and the breadth of this barn were 6 m. Barn located at 15°east of south. In order to increase the indoor solar area in the whole winter, roof solar belts and long windows with 1.5 m high were set up on the south, according to the sun sunshine. The north side had set up 21 windows with 1.5 m × 1.5 m to reduce the cold air infiltration, which is conducive to yak breeding. Besides, in order to meet the yak ventilation requirements, ventilation chain was set with height of 0.16 m under the eaves. The yaks in the barn with windows were feed with free stall mode, mechanical feeding, mechanical and manual cleaning combined, drinking warm water with drink sink. The size of the uninsulated barn was 63 m × 7.5 m × 3.2 m, and the style was same with the barn with windows, except there were no roof solar belts and no walls on the south, the yarks could walk to the playground. The yaks in the uninsulated barn were feed with free stall mode, manual feeding, manual cleaning, drinking water with by themselves. After the completion of the cattle house, the yak was raised according to the test requirements, and the environment and production index of the two types of yak houses were measured. The results showed that, the temperature of the two barns were 4.17 and ?1.02 ℃, the maximum temperature difference was 8.23 ℃, the relative humidity of the two barns were 43.25% and 30.94%, and the CO2of the two barns were 1313 and 669 mg/m3, which meant that the difference was significant (<0.05). The content of NH3in two barns were 0.55 and 0.59 mg/m3, and the wind speed in two barns were 0.30 and 0.06 m/s, but the difference was not significant (>0.05). The two barns’ weight gain were 0.30 and-0.06 kg/(day×head), and the difference was very significant (<0.01). The feed intake were 4.04 and 3.96 kg/(day×head), the difference was not significant. The profits of each yark in barn with windows exceed that of uninsulated barn about 190.60 yuan per month on average. The temperature of insulated barn was higher than that of uninsulated barn, and the weight gain was faster, so barn with windows is more applicable than uninsulated one when considering of economic feasibility, and the environment is more comfortable.

alpine region, housing design, yaks, environment evaluation, production performance

陳昭輝，陳澤鵬，張利斌，羅曉琳，劉繼軍，官久強(qiáng). 高寒地區(qū)有窗式和開放式牦牛舍設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：200－208. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.026 http://www.tcsae.org

Chen Zhaohui, Chen Zepeng, Zhang Libin, Luo Xiaolin, Liu Jijun, Guan Jiuqiang. Design and application effect of yak barn with window and insulated barn in alpine region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 200－208. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.026 http://www.tcsae.org

2017-11-21

2018-02-28

國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-38）

陳昭輝，副教授，研究方向?yàn)樾竽镰h(huán)境工程。 Email：chenzhaohui@cau.edu.cn。

劉繼軍，教授，研究方向?yàn)樾竽镰h(huán)境工程。 Email：liujijun@cau.edu.cn。

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.026

S823.9+5

A

1002-6819(2018)-07-0200-09