冀北不同建筑類型奶牛舍冬季環境質量比較

周英昊，武震鋼，毛 森，王亞男,馮 曼,于 濱,許翊冉，吳 限，郭建軍，邱殿銳*

(1.承德市農林科學院，河北 承德 067000；2.隆化縣農業農村局，河北 隆化 068150)

河北省西北部壩上高原位于內蒙古高原東南緣，海拔高1 200～1 400 m，冬季嚴寒。近年來，冀北寒區奶牛養殖的規模化、集約化程度不斷提高。該地區奶牛舍以有窗密閉舍居多，舍內建筑結構和環境控制相關配套設施不盡相同，冬季舍內保溫差、濕度大、通風換氣效果差、牛舍設計不規范、環境控制不理想等問題依然存在[1-2]。養殖環境優化已成為該地區奶牛產業發展的重要問題。本研究選擇河北省北部寒區3種不同建筑類型的奶牛舍為研究對象，通過對冬季舍內外環境質量狀況評價指標的檢測和比較分析，評價冀北寒區冬季不同建筑類型奶牛舍的環境質量狀況，為該地區奶牛舍的設計和改造提供指導。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

選擇位于冀北寒區的3個牧場為試驗場，每個牧場選擇1棟泌乳牛舍為研究對象，分別編號為舍A、舍B、舍C，各奶牛舍建筑形式及結構如圖1所示，建筑特點見表1。根據天氣預報選擇冬季10 d穩定的低溫天氣條件，測定舍外溫濕度和和環境空氣質量指標，各牛舍同步進行試驗，具體試驗日期為2018年12月27日至12月31日；2019年1月14日至18日。

1.2 飼養管理

各舍飼養奶牛品種均為荷斯坦奶牛；臥床墊料均為沙子；試驗奶牛每天早上、中午、晚上各擠奶1次，共3次。擠奶期間，各舍用鏟車清糞，每日清糞3次，清糞同時用TMR日糧攪拌車上料，每日上料3次，奶牛自由采食、自由飲水。試驗期內，各舍處于封閉狀態，舍內所有門窗(包括天窗)關閉，奶牛不能自由出入舍內和運動場，僅東西墻用于運送飼料、清糞車通過的門，于每日上料、清糞、試驗時短暫開啟；各舍于每日18:00開燈，舍A和舍C每日24:00關燈；舍B次日早6:00關燈。

圖1 試驗牛舍建筑形式及結構Fig. 1 Architectural form and structure of experimental cowshed

表1 試驗牛舍的建筑特點Table 1 Architectural features of experimental cowshed

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 牛舍內外溫度、相對濕度測定 試驗牛舍內北臥、南臥、料道各布置1個、舍外凈道布置2個連續溫濕度記錄儀(華盛昌 DT-172)，測定高度距地面1.8 m，每0.5 h自動記錄1次溫濕度數據，取24 h數據均值為當日溫濕度。風寒溫度(WCT)計算[3]：WCT=13.12+0.6215Tair-11.37V0.16+0.3965TairV0.16，其中WCT表示風寒溫度(℃)；Tair代表溫度(℃)；V表示離地面10 m的風速(km/h)。

1.3.2 牛舍外圍結構內表面溫度測定 每日分別于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)檢測各舍東墻、西墻、南墻、北墻、地面、屋頂外圍結構的內表面溫度，采用均勻布點原則，共檢測牛舍的3個橫剖面和3個縱剖面，其中四周墻壁溫度自上而下均勻取4點進行測定，地面溫度選取北臥、南臥、料道地面各1點測定，屋頂溫度自南向北均勻取7點進行測定，測量儀器為手持紅外線測溫儀(希瑪AT-380)。各指標在同一個檢測點相同測量時段連續測定3次，取平均值。

1.3.3 牛舍內外環境質量指標測定 每日分別于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)檢測各舍內外空氣中PM2.5、PM10、NH3、CO2、細菌含量、光照強度、噪音強度、風速等，舍內北臥、料道、南臥自西向東各設3個檢測點，舍外凈道自南向北設3個檢測點，檢測高度為距地面1.5 m處。各指標在同一個檢測點相同測量時段連續測定3次，取平均值。

風速的測定采用風速儀(KANOMAX Model6006-2c)；空氣中細菌菌落總數的測定參照GB/T 18204.3-2013[4]中自然沉降法；空氣中PM2.5、PM10含量的測定采用塵埃計數器(華盛昌DT-9881M)；NH3、CO2含量的檢測分別采用手持式氨氣檢測儀(安帕爾AP-S-NH3)、手持式二氧化碳測定儀(安帕爾 AP-S-CO2)；噪音強度測定采用數字式噪音計(泰仕 TES-1350A)；光照強度的檢測采用照度計(泰仕 TES-1339)，早上、中午測定舍內自然光照強度，晚上舍內開燈后測定人工光照強度。

1.4 數據分析

利用Excel 2007對10 d的試驗數據進行整理，選取其中氣溫相對穩定的7 d數據，對各試驗指標的日平均值用SPSS 17.0進行單因素ANOVA方差分析和方差齊性檢驗，并用 Duncan's法進行多重比較，以P>0.05為差異不顯著，P<0.05為差異顯著，數據用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 牛舍內外溫熱環境

如表2所示：試驗期內，各舍外的平均溫度、相對濕度和風速差異均不顯著(P>0.05)。各試驗舍舍內溫熱環境存在較大差異，其中，舍內平均溫度和相對濕度均為舍A<舍C<舍B(P<0.05)；舍內風速為舍B<舍C<舍A(P<0.05)。舍A內相對濕度最低、風速最高，通風效果最優，但舍內溫度最低，保溫效果最差。舍B內溫度最高，保溫效果最優，但舍內濕度最大，風速最低，通風效果最差。舍C保溫性能和通風效果介于舍A和舍B之間。

2.2 牛舍圍護結構內表面溫度

如表3所示，試驗期內，各舍地面溫度、東墻、西墻、南墻、北墻的內表面溫度均為舍B顯著高于舍A和舍C(P<0.05)，舍A、C之間差異不顯著(P>0.05)；屋頂溫度為舍A

2.3 牛舍內外空氣質量

如表4所示：試驗期內，各舍外空氣中PM2.5、PM10、細菌含量差異均不顯著(P>0.05)；NH3含量為舍B<舍C<舍A(P<0.05)；CO2含量為舍A顯著高于舍B和舍C(P<0.05)，舍B、舍C之間差異不顯著(P>0.05)。舍內空氣中PM2.5、PM10、細菌、CO2、NH3含量均為舍A

2.4 牛舍內外噪音、光照強度

如表5所示，試驗期內，舍內自然光照強度為舍B最高(P<0.05)，舍A和舍C之間差異不顯著(P>0.05)。夜間人工光照強度舍C最低(P<0.05)，舍A和舍B之間差異不顯著(P>0.05)。各舍內外噪音強度相互之間差異不顯著(P>0.05)。結果顯示，舍B白天采光效果最優，夜間舍C補光效果最差，各舍內外噪音狀況相當。

表2 冬季牛舍內外溫熱環境Table 2 Thermal environment of indoor and outdoor in winter

表3 牛舍圍護結構內表面溫度Table 3 Inner surface temperature of cowshed building envelope ℃

表4 冬季牛舍內外空氣質量Table 4 Air quality of indoor and outdoor in winter

表5 冬季牛舍內外噪音、光照強度Table 5 Noise and light intensity of indoor and outdoor in winter

3 討 論

3.1 牛舍內外溫熱環境

3.1.1 牛舍內外溫度及圍護結構內表面溫度 試驗期內，各舍外溫熱環境狀況無顯著差異，但舍內小氣候可能因牛舍建筑形式、結構、管理水平等因素的不同有很大差別。本研究發現，舍B的平均溫度、各墻壁、屋頂、地面溫度在試驗舍中均為最高，該舍冬季保溫性能最好。舍B墻體為370 mm厚的磚混結構，南北兩側窗戶數量較少，南側8扇，北側6扇，窗戶尺寸較小(1.5 m×1.0 m)，窗戶總面積僅占南北兩側建筑總面積的7 %左右，舉架較其他舍低，封閉程度較高，且南側屋頂加設透明采光帶，可大幅增加屋頂隔熱系數與舍內采光，舍內溫度較高，晝夜溫差較小，保溫效果明顯。舍A和舍C墻體1.5 m以下部分為370 mm厚的磚混結構，以上部分主要材料為10 cm厚的聚苯乙烯泡沫復合彩鋼板，南北兩側窗戶數量多，窗戶總面積約占南北兩側建筑總面積的40%左右，窗戶封閉性一般，易漏風，墻壁保溫性能均不如舍B，需加強保溫。另外，舍A屋頂共有4個圓形通氣孔，天窗上方開約15 cm寬通氣縫，開敞面積較大，未做到嚴格封閉，屋頂溫度和舍內溫度在試驗舍中最低可能與此有關。各舍在東西墻均設有用于運送飼料、清糞車的門，每日開啟關閉可能影響牛舍的保溫效果，舍A在西墻一側設置南面開敞的門斗，西墻保溫性能與舍C相當，能很好緩解冷空氣直接侵入牛舍并促進舍內外氣體交換。

3.1.2 牛舍內外風速及風寒溫度 牛舍內的氣流速度能反映試驗牛舍的換氣程度，進一步反映其封閉程度。本研究發現，各舍內風速均低于舍外，舍B內風速最低，封閉性最好。舍A因為西墻門斗結構的存在，西側開敞，且天窗上開通氣縫、屋頂開通氣孔，風速較其他舍高，通風情況最優。此次，舍A舉架最高，且屋頂坡度大，可能也有利于通風。

風寒溫度(WCT)作為評價奶牛冷應激程度的可靠指標，其與風速和環境溫度密切相關。WCT與奶牛產奶性能之間存在強相關關系，根據WCT數值可將冷應激程度劃分為：輕度冷應激：-25 ℃ < WCT≤-10 ℃；中度冷應激：-45 ℃

3.1.3 牛舍內外相對濕度 相對濕度是評價牛舍環境的重要指標，牛舍內濕度過高時，粉塵易漂浮在空氣中，易引發奶牛關節炎、皮膚炎癥以及消化道、呼吸道等疾病。本研究發現，各舍相對濕度均高于80%，其中舍B相對濕度高達93.9%，遠超國家相關標準規定的80%[10]，應引起重視。牛舍內濕度受奶牛的呼吸、潮濕地面、糞尿和墊料水份蒸發的影響，舍B濕度最高可能是由于其封閉嚴密，溫度相對較高，但舍內近乎處于無風狀態，造成舍內通風不良，糞尿等水分易揮發但不易排出造成的。有報道稱，冬季通過增加牛舍密閉性、減少通風量等方式進行保溫，可能使舍內長期處于高濕狀態，嚴重破壞奶牛的熱調節[11-12]。各舍每日應當選擇適當時間通風，排出舍內多余水汽，預防奶牛疾病發生。

3.2 牛舍內外空氣質量

空氣中可吸入顆粒物(PM10、PM2.5)、有毒有害氣體(NH3、CO2)和細菌含量都是評價牛舍空氣質量狀況的重要指標。PM10和PM2.5可通過呼吸道、皮膚等途徑進入奶牛體內，影響奶牛健康和生產性能。NH3無色、有刺激性氣味，主要由厭氣菌分解糞便、飼料與墊料中含氮的有機物產生[13]，奶牛如吸入過量NH3，可破壞血液的運氧功能，引起上呼吸道粘膜充血，嚴重可導致肺出血[14]。CO2無色、無毒、略帶酸味，當濃度達到一定程度時，會造成奶牛缺氧，引起慢性毒害。空氣中細菌含量的增加可導致動物機體免疫力和生產性能降低，增加奶牛患病風險。牛舍內空氣質量可能因牛舍建筑類型、通風結構、飼養密度以及清糞、分發飼料、清掃地面等飼養管理的不同有很大差異。

本研究發現，舍內空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量受牛舍通風情況影響明顯，可能與牛舍建筑結構有直接關系。舍A縱跨大、舉架高，且有通氣孔、通氣縫、門斗等結構，利于通風，因此舍內空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量均最低，舍內空氣質量最優；其舍外NH3和CO2含量相對較高，進一步說明舍A建筑結構更利于牛舍內外進行氣體交換，可有效促進有害氣體排出舍外，降低可吸入顆粒物和氣載細菌的聚集，有效減輕對牛群的危害。舍B和舍C內空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量相對較高，舍外NH3、CO2含量較低，進一步說明有害氣體在舍內滯留，不易排出，可吸入顆粒物和氣載細菌在舍內大量聚集，牛舍換氣效果及空氣質量不如舍A。舍B飼養密度最低，但空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量卻均為最高，進一步說明了其封閉嚴密，舍內外氣體交換困難。NH3含量達到10～15 mg/m3時，就會降低動物對感染的抵抗能力[15]，各舍NH3含量雖未達到該濃度范圍，但應當引起注意。舍B和舍C內CO2含量均超過國家標準中規定的1 500 mg/m3[10]，舍內通風不良、氧氣含量下降、其他有害氣體含量增高，奶牛如長期處此環境中，可能會出現精神萎靡，食欲減退，體質下降，生產能力降低，易患病等癥狀，應當引起注意。本研究還發現，環境濕度與氣載細菌、粉塵微粒含量之間可能存在正相關關系，有待進一步研究確定。舍內高濃度的細菌對奶牛和飼養員的健康存在潛在威脅，建議牛場應當重視細菌疾病的預防。

3.3 牛舍內外光照與噪音

光照可通過視覺器官影響奶牛的生理機能和生產性能，是奶牛保持良好生產必不可少的條件之一。李云甫等[16]研究證明，補充光照使產奶期奶牛每天的光照時間達到15 h能夠增加奶牛的產奶量和采食量，提高奶牛養殖的經濟效益。本研究發現，各舍內白天自然光照強度均高于50 lx，符合國家標準中牛舍內日平均照度不低于50 lx的規定[10]，但各舍采光效果差異較大，屋頂向陽面如能合理設置采光帶，可增強牛舍采光，同時促進牛舍升溫。各舍夜間人工光照強度均低于50 lx，未達到光照最低標準要求，需要加強夜間照明，同時確保舍內照度均勻。應注意的是，泌乳牛一般需要6 h的連續黑暗時間，在制定擠奶班次和時間及制定補光措施時需要綜合考慮。本研究中牛舍內外噪音均未超過國家標準中牛舍內噪音不超過75 dB的規定[10]，但是過強、過長的噪音可能使奶牛的生產性能下降，應該合理選擇和安排機械設備，降低牛舍噪音。

4 結 論

奶牛舍環境質量狀況可能與牛舍的建筑類型和舍內結構直接相關。冀北寒區高舉架、縱跨大、封閉性差的全封閉有窗牛舍冬季通風換氣效果好，舍內空氣質量優，但保溫效果差，可能對奶牛健康及生產性能產生不利影響，可考慮安裝屋頂采光帶、加強外墻和屋頂保溫、合理開關門窗等措施提高牛舍溫度；低舉架、縱跨小、封閉性好的全封閉有窗牛舍冬季保溫效果好，但通風難以保證，舍內濕度大，粉塵微粒、有毒有害氣體濃度、空氣微生物含量高，勢必影響奶牛健康，可考慮增加屋頂排風系統、檐下通風孔、門斗結構等通風設施，促進舍內外氣交換。冀北寒區奶牛舍的設計改造應注意考慮冬季牛舍保溫和通風換氣，并加強冬季防寒和通風管理，達到改善牛舍環境質量目的。