冀北不同建筑类型奶牛舍夏季环境质量研究

周英昊，武震钢，毛森，王亚男，冯曼，张彤，于滨，许翊冉，徐强，邱殿锐*

(1.承德市农林科学院，河北 承德 067000；2.隆化县农业农村局，河北 隆化 068150)

河北省地处黄金奶源带，区位优势明显，生鲜乳和乳制品生产加产业基础雄厚，近年来逐渐形成了石家庄、张家口、唐山、保定四大奶业优势区[1]。河北省北部寒区的张家口、承德地区，冬季严寒，夏季凉爽，昼夜温差大，多年来该地区奶牛舍设计主要围绕冬季的防寒保温，以全封闭有窗舍和半开放舍为主[2]，但奶牛本身耐寒怕热，热应激对奶牛的影响不容忽视。本研究通过测定河北省北部寒区3种建筑类型奶牛舍夏季舍内外温热因素(温度、相对湿度)及其他环境质量状况评价指标(风速、空气中PM2.5、PM10、细菌、CO2、NH3含量、光照、噪音强度)，为该地区奶牛舍设计改造及环境状况的改善提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验牛舍

选择位于河北省北部寒区承德和张家口地区的3个牧场为试验场，每个牧场选择1栋泌乳牛舍，分别编号为舍1、舍2、舍3，各试验舍建筑特点见表1。各试验舍饲养管理要点相近，饲养奶牛品种均为荷斯坦奶牛；卧床垫料均为沙子；每天早上、中午、晚上均各挤奶1次，挤奶期间，均用铲车清粪，TMR日粮搅拌车上料，奶牛自由采食、饮水。试验期内，各舍所有门窗(包括天窗)开启；舍1在温度超过25 ℃及试验测量时开启风机。各舍于每日18:00开灯，舍1和舍3每日24:00关灯；舍B次日早6:00关灯。

表1 试验牛舍的建筑特点

1.2 试验仪器

连续温湿度数据记录仪(型号为DT-172)、尘埃计数器(型号为DT-9881M)，购自深圳市华盛昌科技实业股份有限公司；手持式热式风速仪(型号为Model6006-2c)，购自上海迈哲电子科技有限公司；手持式氨气检测仪(型号为 AP-S-NH3)、手持式二氧化碳检测仪(型号为 AP-S-CO2)，购自深圳安帕尔科技有限公司；数字式噪音计(型号为TES-1350A)、照度计(型号为TES-1339)，购自上海双旭电子有限公司。

1.3 试验方法

根据天气预报选择夏季10 d稳定天气条件，各牛舍同步试验，具体试验日期为2019年7月24日至8月3日。

1.3.1 温热因素的测定

在试验舍内中央位置，于北卧、南卧、料道各选择一个承重柱，分别绑定1个连续温湿度数据记录仪、试验舍东西两侧外墙，各固定1个连续温湿度数据记录仪，高度均为距地面1.8 m，因该温湿度计具有良好的防水性能，未进行特殊防水处理。该温湿度计每0.5 h自动记录1次温湿度数据，试验结束时导出全部数据。每日24 h数据均值记为同一测量点当日温湿度，并按照以下公式计算温湿指数(THI)。

计算公式：THI=(1.8×T+32)-(0.55-0.005 5×H)×(1.8×T-26.8)[3]。式中，T为环境温度(℃)；H为相对湿度(%)。

1.3.2 环境质量评价指标测定

每日早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(19:00～21:00)测定各试验舍内外空气中PM2.5、PM10、NH3、CO2、细菌含量及风速、光照强度、噪音强度，舍内北卧、采食通道、南卧自西向东均匀布3个检测点，共9个检测点。舍外净道自南向北设3个检测点，检测高度均为距地面1.5 m。各指标在同一个检测点相同测量时段连续测定3次，取平均值。空气中细菌菌落总数采用自然沉降法测定[4]。试验期间，早上、中午测定自然光照强度，晚上舍内开灯后测定人工光照强度。

1.4 数据分析

利用Excel 2007整理10 d的试验数据，计算各试验指标的日平均值，选取其中天气晴朗无风、气温稳定的7 d数据，用SPSS17.0进行单因素ANOVA方差分析，用Duncan’s法进行多重比较，以P>0.05为差异不显著，P<0.05为差异显著，数据用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 试验舍内外温热环境

2.1.1 试验舍内外环境温度的昼夜连续变化

夏季试验牛舍内外温度的日变化规律基本一致，均表现为中午高、早晚低的规律。各舍外温度的昼夜变化范围分别为13.3 ℃～33.8 ℃(舍1外)、13.4 ℃～34.4 ℃(舍2外)、13.1 ℃～33.6 ℃(舍3外)，各舍内温度的昼夜变化范围分别为17.6 ℃～26.2 ℃(舍1)、18.7 ℃～25.8 ℃(舍2)、18.4 ℃～25.5 ℃(舍3)。试验期内，各舍内日平均温度、舍外日平均温度均无显著差异(P>0.05)。结果如图1和表2所示。

图1 夏季试验牛舍内外环境温度的昼夜连续变化

2.1.2 试验舍内外环境相对湿度的昼夜连续变化

夏季试验牛舍内外相对湿度的日变化规律基本一致，均表现为中午低、早晚高的规律。舍外相对湿度的昼夜变化范围分别为35.2%～94.6%(舍1外)、40.3%～95.2%(舍2外)、39.0%～94.9%(舍3外)，各舍外日平均湿度无显著差异(P>0.05)；舍内相对湿度的昼夜变化范围分别为41.6%～86.2%(舍1)、69.2%～93.0%(舍2)、63.2%～82.0%(舍3)，舍内日平均湿度舍2>舍3>舍1(P<0.05)；舍1和舍3每日约3:00～7：00相对湿度超过80%，舍2仅在10:00～19:00相对湿度低于80%，其中舍1日平均湿度及昼夜变化曲线更接近舍外。结果如图2和表2所示。

图2 夏季试验牛舍内外环境相对湿度的昼夜连续变化

2.1.3 试验舍内外环境THI的昼夜连续变化

夏季试验牛舍内外THI的日变化趋势基本一致。舍外THI昼夜变化范围为56.0～81.5(舍1外)、56.2～82.8(舍2外)、56.4～82.7(舍3外)，各舍外日平均THI无显著差异(P>0.05)；舍内THI昼夜变化范围为63.3～73.0(舍1)、65.6～75.5(舍2)、63.3～74.0(舍3)，各舍内日平均THI为舍B最高(P<0.05)，舍1和舍3之间差异不显著(P>0.05)。从变化曲线也能看出，各舍外THI约7:00～19:00在72以上；舍1、舍2、舍3的THI分别在11:00～16:00、9:00～19:00、11:00～18:00超过72。结果如图3和表2所示。

图3 夏季试验牛舍内外环境THI的昼夜连续变化

表2 夏季试验牛舍内外温热环境

上述结果表明：试验期内，各舍外温度、相对湿度、THI状况相当。各舍内温度日变化状况相近，舍1日平均湿度最低，每日高湿(相对湿度>80%)、高THI(THI>72)持续时间最短，温热环境状况最优。舍2日平均湿度、日平均THI最高，每日高湿、高THI持续时间最长，温热环境状况最差。舍3日平均湿度较高，每日高湿、高THI持续时间、日平均THI与舍1接近，温热环境状况居中。

2.2 试验舍内外环境质量状况

试验期内，各试验舍外环境质量状况相当，各舍外风速、空气PM2.5、PM10、CO2、细菌含量、噪音强度相互之间差异均不显著(P>0.05)；舍外仅NH3含量存在一定差异，为舍1<舍3<舍2(P<0.05)。各试验舍内环境质量状况存在很大差异，舍内风速舍1>舍3>舍2(P<0.05)；PM2.5、CO2含量、自然光照强度均为舍2最高(P<0.05)，舍1和舍3之间差异不显著(P>0.05)；PM10、NH3、细菌含量均为舍2>舍3>舍1(P<0.05)；噪音强度舍1最高(P<0.05)，舍2和舍3之间差异不显著(P>0.05)；人工光照强度舍3最低(P<0.05)，舍1和舍2之间差异不显著(P>0.05)。结果见表3。

表3 夏季试验牛舍内外环境质量状况

综合各试验指标，舍1内风速最高，PM2.5、PM10、NH3、CO2、细菌含量在各试验舍中最低或相对较低，舍内环境质量状况最优，但该舍噪音较大；舍2风速最低，PM2.5、PM10、NH3、CO2、细菌含量在试验舍中均为最高，环境质量状况最差，但该舍采光最好；舍3环境质量状况居中，夜间存在照明不足的问题。

3 讨论

3.1 试验舍内外温热环境评价

温度是影响家畜健康及生产性能的首要温热因素，牛体产热、太阳辐射、牛舍通风换气、降温保温设备等综合决定了牛舍温度。本研究中，各试验舍外环境温度昼夜连续变化曲线基本重合，各舍外最高温度之间、最低温度之间相差均在1℃以内，平均温度之间无显著差异，说明各舍外界环境温度状况基本一致。本研究发现，各舍在通风结构、通风设备上存在较大差异，但6:00～17:00温度变化趋势基本一致，说明白天舍内温度可能受建筑结构及风机影响较小。舍A在采食通道及卧床上方共安装30台风机，但仅靠风机降温效果并不明显。舍3在6:00～13:00温度较舍1和舍2低且升高慢，该舍屋顶材料为酚醛泡沫夹心彩钢板，其具有均匀的闭孔结构，导热系数低，绝热性可能优于舍1和舍2的聚苯乙烯泡沫夹心彩钢板，对白天舍内温度变化产生一定影响。此外，白天相同时间段各舍内温度均低于舍外，舍内外最高温差可在8 ℃以上，各舍内均没有空调、喷淋等降温设备，舍内外温差可能与屋顶保温隔热以及牛舍建筑结构有关，需进一步研究确定。刘海林等[5]研究发现，喷淋+风扇的降温措施可使奶牛日产奶量和4%标准乳分别提高2.66 kg/d和2.81 kg/d。该地区牛场可结合自身实际，合理安装风、喷淋、空调等降温系统，配合使用。

本研究还发现，夜间舍内温度可能受建筑结构和屋顶材料影响较大。舍1通风结构较多，开敞面积相对较大，夜间冷空气更易进入舍内，17:00～次日6:00温度均低于其他舍。舍2通风结构最少，窗地面积比很低，封闭性较高，因此舍内夜间温度较高。舍3封闭性不如舍2，但二者夜间温度接近，进一步说明酚醛泡沫板绝热性能好，能减少热量损失。

牛舍的空气湿度主要来自于牛的呼吸、粪尿、潮湿地面及垫料等[6]。本研究中，各试验舍外环境相对湿度昼夜连续变化曲线基本重合，平均湿度之间无显著差异，说明各舍外界环境湿度状况基本一致。本研究发现，各舍奶牛饲养密度相近，卧床垫料均为沙子，粪尿沟均设在卧栏和清粪通道之间，沟宽、沟深、坡度无明显区别，但牛舍湿度变化规律差异较大，说明夏季牛舍内湿度可能受牛舍通风结构及设备影响明显。舍2窗户数量少(仅南侧8扇，北侧6扇)、窗户尺寸小(1.5 m×1.0 m)、举架低、无通风设备，舍内外气体交换不充分、通风不畅，水分即使挥发仍会存留在舍内，因此该舍日平均湿度最高，每日有15 h湿度在80%以上，要引起高度重视。舍1和舍3纵向跨度大，南北两侧窗户总面积均约占墙壁总面积40%，举架相对较高，屋顶南侧开天窗，通风顺畅，水分挥发之后易被及时带走分散，舍内各个时间段的相对湿度可能因此明显低于舍2。此外，舍1屋顶共有4个圆形通气孔，天窗上方开约15 cm宽通气缝，且采食通道及卧床上方装有一定数量的风机，白天舍内温度超过25 ℃风机开启，与舍外换气效果最好，7:00～21:00舍内湿度、日平均湿度均为最低，且相对湿度日变化规律与舍外接近。舍1和舍3每日湿度大于80%时间均在5 h以下，日平均湿度低于80%，符合国家相关标准规定[7]。

因奶牛受环境温度和湿度综合效应的影响，可用THI来评价牛舍内温热环境状况。当环境温度超过25℃或THI超过72就会打破奶牛体内热平衡，引起奶牛热应激[8]。本研究中试验牛舍位于河北省北部寒区，冬季寒冷，夏季高温天气持续时间短，长期以来该地区奶牛养殖场多考虑冬季牛舍防寒保温，对夏季防暑的问题没有引起足够的重视。本研究发现，试验期内，各舍外THI约7:00～19:00在72以上，奶牛如长期处于舍外运动场可能遭受热应激。舍2的日平均THI和9:00～19:00期间THI均大于72，奶牛在舍内同样可能遭受热应激；舍1、舍3的日平均THI虽低于72，但分别在11:00～16:00、11:00～18:00期间奶牛仍处于热应激状态，该地区奶牛舍夏季采取相应的防暑措施十分必要，应当给予重视。

3.2 试验舍内外环境质量状况评价

风速对降低热应激对奶牛的影响至关重要。增加牛舍风速可加大奶牛体表对流及蒸发散热量，降低奶牛的体感温度，调节奶牛体内平衡，缓解奶牛热应激[9]。有研究表明，夏季过牛体风速值范围在1～2 m/s之间可满足降温要求，当舍内温度过高且空气停滞时，奶牛福利会遭到威胁[10-11]。本研究中，舍1风速在1 m/s以上，可基本满足奶牛需求，但舍2和舍3风速相对较低，不利于奶牛健康。

空气中可吸入颗粒物PM10、PM2.5、有毒有害气体NH3、CO2和细菌含量都是评价牛舍空气质量状况的重要指标。过量PM10、PM2.5、NH3、CO2通过呼吸道等途径进入奶牛体内、空气中细菌含量的增加等均可影响奶牛健康和生产性能，增加奶牛患病风险[12-13]。本研究中，各牛舍内PM2.5、PM10、NH3、CO2浓度均符合畜禽场的环境质量标准[7]，并未达到有害水平，可满足奶牛健康生产需要。舍2和舍3细菌含量相对较高，对奶牛和饲养员健康存在潜在威胁，应当引起注意。

本研究还发现，虽然3个试验牛舍环境状况均能满足奶牛生产需要，但各舍空气质量受牛舍通风情况影响显著，可能与牛舍建筑结构和通风设备有直接关系。各舍奶牛饲养密度和管理情况相近，舍1纵向跨度较大、举架最高，且有天窗、通气孔、通气缝、门斗、风机等通风结构及设备，有效通风面积占建筑面积比例最高，舍内风速最高，通风效果明显，舍内空气中PM10、PM2.5、细菌、NH3、CO2含量相对较低或最低，因而空气质量最优。舍2举架最低，纵跨最小，有效通风面积占比最低，开放程度最低，且无通风设备，有害气体在舍内存在一定的滞留，可吸入颗粒物和气载细菌在舍内聚集，换气效果及空气质量最差。舍3举架高度、通风面积占比居中，但无通风设施设备，通风效果和空气质量居中。

3.3 试验舍内外光照与噪音

李云甫等[14]研究证明，人工增加光照使产奶期奶牛每天的光照时间达到 15 h，可提高奶牛产奶量约8%～10%，增加粗饲料采食量约10%～16%。葛旭升等[15]认为，光照强度需160 lx方能满足泌乳牛需求，在200 lx以上可提升奶牛生产性能。本研究发现，各舍内白天自然光照强度均在500 lx以上，可满足奶牛的生产需要。本研究中，舍2窗地面积比明显低于舍1和舍2，但该舍自然光照强度最高，采光效果最佳，可能与其南侧屋顶加设透明采光带，舍内有效采光面积明显增加有关，且安装透明采光带并未明显提高夏季舍内温度。因此，牛舍屋顶向阳面如能合理设置采光带可明显增强舍内采光。

试验牛舍夜间人工光照强度均低于50 lx，未达到光照最低标准要求[7]，需要加强夜间照明，并确保舍内照度均匀。要特别注意的是，泌乳牛光照管理15～18 h，黑暗管理6～9 h才能充分发挥生产性能[15]，在制定挤奶班次和时间及制定补光措施时需要给予考虑。本研究中牛舍内外噪音均未超过国家现行标准[7]中牛舍内噪音不超过75 dB的规定，但是舍1由于风机开启的影响，噪音较高，应该合理选择和安装机械设备，尽量避免噪音过大对奶牛健康产生不利影响。

4 结论

冀北寒区奶牛舍夏季舍内温热环境及环境质量受牛舍建筑结构、建筑材料、设施设备等因素影响。该地区奶牛舍设计和改造时，应对夏季舍内通风、降温、采光、噪音等问题引起足够的重视。只有合理选择牛舍结构、牛舍高度、窗户比例、屋顶隔热材料、通风降温方式等，夏季舍内通风降温效果才能得以保障。该地区牛舍可采取高举架、大纵跨的有窗结构，同时增加天窗、屋顶排风系统、檐下通风孔、门斗、通气缝、风机等通风结构和设备加强通风，改善舍内空气质量；屋顶材料选择酚醛泡沫板保温隔热效果更好；为有效降低舍内温度，可根据实际情况安装空调、喷淋和风机，配合使用；合理安装屋顶透明采光带以增强夏季采光；合理选择机械设备，降低舍内噪音。