噴淋水滴粒徑對緩解奶牛熱應激的效果研究

文/朱春英

（北華航天工業學院）

一旦奶牛處于熱應激狀態，其呼吸頻率和心跳頻率將會大幅度增加，表現出食欲不振，輕則產奶量降低，重則導致死亡，為牧場帶來嚴重的經濟損失。因此，牧場管理人員必須制定緩解奶牛熱應激的相關方案。噴淋是緩解奶牛熱應激最直接、最明顯的措施，本文針對不同噴淋水滴粒徑對緩解熱應激的效果進行闡述。

1 試驗方法

1．1 試驗對象及風速測試方法

選取對稱分布的一間泌乳牛舍作為研究區域，一側牛群作為參照對象，另一側牛群作為研究對象，將試驗對象牛群區域的噴淋設備更換為先進的9060、9080、90100型號的噴頭，在試驗過程中，每噴淋2 min，間隔7 min，不斷循環。利用熱線式風速儀測定區域風速，每間隔5 s讀取數值1 次，1 個固定位置讀取10次，取平均值作為試驗所測定的風速值，并在試驗中實時監測風速值，確保風速值穩定在一定范圍內。

1．2 奶牛生理指標測試方法

測試不同噴淋水滴粒徑（分別為0．829 mm、0．947 mm、1．127 mm）及不同的噴淋時刻（噴淋前、中、后）對奶牛生理指標的影響。生理指標主要包括奶牛呼吸頻率、體表溫度及直腸溫度，并根據上述數據計算出換熱量。為了保證數據的精確度和可靠性，利用秒表記錄奶牛腹部起伏次數，測定呼吸頻率；利用熱像儀獲取奶牛體表溫度紅外成像分布圖，獲取體表溫度信息；通過電子直腸溫度儀測量奶牛的直腸溫度。

1．3 環境指標測試方法

為排除周邊環境對研究結果的影響，本試驗借助精度較高的溫濕度記錄儀，測定了溫度和濕度等環境指標。

2 計算方法

2．1 體表溫度測試

根據熱像儀獲取的奶牛體表溫度紅外成像分布圖顯示，奶牛體表各個區域對溫度變化的敏感程度存在顯著差異。本試驗主要研究奶牛脖頸區域和腹部區域的體表溫度。分別在脖頸區域和腹部區域選取6個和12 個點位，取各自區域點位的平均值，作為脖頸的溫度和腹部的溫度，并拍攝4 次相關區域的溫度變化情況，取其平均值作為最終溫度結果。

2．2 換熱量計算

通過計算換熱量完成本試驗對奶牛降溫效果的衡量及緩解熱應激程度的分析。奶牛熱應激緩解的實質是導熱、對流傳熱等共同作用的結果。通過固定的導熱方式，奶牛體內的熱量會傳遞到表皮層，而在空氣和體表水分的對流交換中，這部分熱量又會傳遞到空氣中。迄今為止，有大量的研究學者對整個熱交換過程進行了精準分析，但是在對流換熱量和蒸發換熱量的數值計算方面還沒有形成統一的標準。該問題產生的主要原因是計算公式中的換熱量和蒸發量受個體因素的影響比較明顯，所以迭代公式的計算不僅繁瑣，精準性也會受到一定的限制。本試驗主要采用了比較簡略、能夠忽略各項因素對于物理量的影響、在實際應用過程中具有較大可行性的Merkel焓差計算公式，從能量焓的角度來思考并計算奶牛的換熱過程。但是在計算之前需掌握包括空氣與水表面的接觸散熱系數a、水體表面飽和空氣邊界層溫度t、以含適量差為基準的空氣與水表面間的散質系數b、飽和空氣邊界層水蒸氣質量比xn、主體空氣層中的水蒸氣質量比x、主體空氣干球溫度c、水的氣化潛熱γ以及空氣與水體的接觸面積dF等相關參考數據，計算單位時間內水與空氣的顯熱交換量和潛熱交換量，最終對兩者求和，得出水和空氣的總換熱量。

單位時間內水與空氣的顯熱交換量：dQ = a(t- c)dF；單位時間內水與空氣的潛熱交換量：dQb= γb(xn-x)dF；水和空氣的總換熱量為：dQ = dQa + dQb = [a(tc)+γbx(x”- x)]dF。按照路易斯關系式，計算的顯熱交換系數和潛熱交換系數的比值是一個常數，因此，在計算過程中可引入主體空氣層空氣的焓值和水體表面包和空氣邊界層空氣的焓值等數值，對相應數據進行計算：dQ = b[(1．O1 +1．84x”)(t-c) + (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF = b(i”- i)dF（其中i”為水體表面飽和空氣邊界層空氣的焓；i為主體空氣層空氣的焓）。

3 結果與分析

本試驗對奶牛在不同噴淋水滴粒徑下的生理指標和換熱量進行數據分析和研究，計算不同個體之間的平均值和標準差。

3．1 奶牛體表溫度

通過熱像儀所呈現的奶牛體表溫度紅外成像分布圖顯示，圖像中的溫度代表點具有比較明顯的差異變化。具體來說，在脖頸區域，3種不同噴淋水滴粒徑條件下，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，噴淋前奶牛體表溫度的平均值分別為35．4℃、36．1 ℃和35．5 ℃，而噴淋中的奶牛體表平均溫度則分別是35．0 ℃、35．1 ℃和34．5 ℃，噴淋后的溫度是35．3 ℃、35．6 ℃和34．8 ℃。而在奶牛的腹部區域，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，其噴淋中較噴淋前的溫度差異及噴淋后較噴淋中的溫度差異均不斷增加。同時，無論是在脖頸區域還是在腹部區域，奶牛體表溫度在噴淋中都會下降0．7～1．5 ℃；而當噴淋結束一段時間后，奶牛體表的溫度會慢慢呈現出回升狀態，但是仍會低于噴淋前，說明噴淋所帶來的降溫效果是持續性的，長效降溫一般維持在0．1～0．6 ℃。本試驗選取的研究對象全部為成年泌乳牛，每個試驗個體的生理狀況相近，基本可以排除由于個體差異而導致的試驗誤差，試驗結果相對比較可靠（表1）。

3．2 奶牛直腸溫度

奶牛屬于恒溫動物，因此，在外界生長環境和內部生理狀況不發生劇烈變化的情況下，奶牛的直腸溫度不會產生較大波動。所以，本試驗中奶牛的直腸溫度并未隨著噴淋水滴粒徑的變動而有明顯差異，噴淋前后的奶牛直腸溫度基本都維持在37．5～39．5 ℃的正常區間內，表明不同噴淋水滴粒徑對奶牛的直腸溫度無直接影響。

3．3 奶牛呼吸頻率

通過對奶牛平均呼吸頻率數據分析發現，奶牛的呼吸頻率隨噴淋水滴粒徑的變化而變化。在不同的噴淋水滴粒徑條件下，在噴淋中，每頭奶牛的呼吸頻率都會呈現出降低狀態，而噴淋后的呼吸頻率又會提升，但仍低于噴淋前。與此同時，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，奶牛的呼吸頻率會逐漸呈現出上升到一定峰值然后下降的規律，這需要牧場管理人員在開展噴淋工作時根據實際情況選擇最佳水滴粒徑，提高噴淋效率。

3．4 奶牛換熱量

奶牛換熱量的計算公式為：dQ = b[(1．O1 + 1．84x”)(t-c)+ (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF =b(i”- i)dF（推導見2．2），由于本試驗主要借鑒了Merkel焓差理論，所以在實際計算過程中將奶牛體表附近的空氣近似按照飽和空氣邊界層進行計算，檢測區域和奶牛實際的體表溫度，按照水蒸氣飽和區域和飽和空氣溫度來計算。與此同時，借助溫濕度記錄儀采集試驗區域的溫度和濕度，利用熱線風速儀對奶牛周邊區域的風速進行檢測，并著重探測奶牛體表的分數。除此以外，還要同時對奶牛脖頸處高度的平均風速、奶牛表皮面積等進行測量，對每種噴淋水滴粒徑下奶牛的平均換熱量進行求值。奶牛的換熱過程主要涵蓋了導熱、對流以及熱質交換3 個流程，主要是體表和空氣之間的換熱，因而是對顯熱換熱量和潛熱換熱量進行求和，保證熱量守恒。通過計算數據可以看出，換熱量和噴淋水滴粒徑的值并不存在線性關系，但是可以看出存在最佳噴淋水滴粒徑，之所以會得出這種結果，主要是因為最佳水滴粒徑形成的水膜在鋪展開后能加大與奶牛體表的接觸面積，提高換熱效率。

表1 3 種不同噴淋粒徑條件下奶牛脖頸和腹部在噴淋前、中、后的體表溫度

4 小結

綜上所述，不同噴淋水滴粒徑對于奶牛直腸溫度無影響，對其體表溫度、呼吸頻率以及換熱量具有顯著影響。因此，為了盡可能緩解奶牛熱應激，提高產奶量，牧場管理人員應注重對噴淋粒徑的有效控制，為奶牛提供更適宜的生存環境。