早期监测与预警在奶牛繁殖中的应用

李明 谈为忠 刘家荣 陈志

摘要：奶牛的繁殖管理涉及众多方面，是影响奶牛产业经济效益的关键因素，并决定着奶牛能否提供持久的生产力和充足优质的后备力量。在国内奶牛养殖不断走向规模化和现代化的进程中，早期监测与预警在产业中扮演著至关重要的角色。尽早和及时地对奶牛繁殖进行监控和预测，能够指导所采取的预防和处理措施，提高收益和减少损失。目前，早期监测与预警在整个畜牧行业中得到了广泛应用和长足发展，综述了早期检测与预警在奶牛繁殖各个环节中最新的应用情况，旨在为其发展提供思路和参考。

关键词：早期监测;预警;奶牛;繁殖

奶牛养殖业对促进农业经济发展、带动农业产业结构、增加居民收入、提高国民营养水平具有重要意义。但目前，我国大多数奶牛场只能依靠传统的人工方法对奶牛的各种状态做出判断，这对于大型奶牛场来说需要复杂且大量的额外劳动，降低了牛场的生产效率。同时，传统方法的检测有时并不十分准确，漏检和错检的情况时有发生，这对奶牛繁殖率和产奶量的提高是非常不利的，直接影响奶牛养殖的经济效益。而自动化传感器数据的出现，在为这个新时代带来了许多挑战的同时，也为评估和最大限度地发挥奶牛的生产潜力带来了新机遇。因此，本文将重点阐述适合我国国情的奶牛自动化传感监测系统，以期为改善奶牛场的生产效率提供优质方案。

一、早期监测与预警在奶牛发情鉴定中的应用

在现代奶牛养殖中，有高达50%的发情排卵没有被发现，未能充分识别养殖动物的可育发情是现代生产动物系统（尤其是牛）长期存在的低生育率问题的主要原因。究其根源是由于奶牛发情行为减弱，而且缺乏高精度的发情检测方法。这大大降低了牛群的整体生产力，给奶牛业带来了沉重的经济负担。

目前，传统的鉴定方法是对奶牛定期进行人工目视发情检查。一些现代奶牛场则选用更复杂的方法包括测量奶牛黄体酮、热负荷检测器和活动监测器与目视观察相结合进行鉴定。然而，多份报告一致认为，即使组合使用这些方法，大约30%的发情奶牛仍可能无法被检测到。因此，人们对开发新的奶牛发情检测方法越来越重视。大量的实验发现发情期的奶牛生理体征方面会发生明显变化，如体温有显著升高、活动量增大和阴部红肿等，利用这些生理特征的变化可以对母牛进行监测。例如，针对活动量增大，一些公司利用该体征变化进行监测技术的开发，采用相应装置对奶牛腿部或颈部的活动进行数据收集，计算其活动量和躺卧时间等数据，将这些数据通过智能程序分析，以推测奶牛是否发情及预测其发情时间，通过对比发现其准确率明显高于传统的人工检测，这对牧场繁殖水平的提高提供了极大的帮助。

奶牛体温的变化也被应用到了实际生产中，徐晓慧等[1]开发设计了一个红外测温仪，利用红外技术通过S-BUS协议与微控制器进行通讯，并使微控制器驱动液晶显示屏显示。从而实现对奶牛体温进行非接触式测量，进而能够快速鉴别奶牛是否发情。冯涛等[2]在对牛的反刍时间进行统计时发现奶牛在发情和非发情时有显著差别，证明奶牛反刍时间的变化可成为发情鉴定的一个新指标。张宇等[3]基于该研究成果，将活动量和反刍时间进行结合，开发出可以有效提高检测概率，并提高发情检测精度的方法，对实际生产具有重要的指导意义。诸如其他特征也有许多研究报道，例如，可通过监测母牛阴道黏液电阻值变化来判断奶牛发情和输精时间。这也启示我们奶牛在发情时有大量的体征变化，对其体征进行的探索尚不能停止。

现如今，通过远程监控、传感器收集现代数据、快速数据传输以及通过物联网进行的海量数据存储已经为我们开启了先进的精准畜牧业时代。如王少华等[4]在收集大量数据后开发了人工智能软件，利用大数据对奶牛进行实时监测并对有可能的发情行为进行自动识别，通过测试发现该系统对奶牛发情行为的识别率接近100%。刘忠超[5]等对奶牛发情进行了多指标综合分析并开发了可使用的软件，该软件对提高奶牛发情鉴定的敏感性和准确性方面有很重要的作用。应用云端时代、大数据分析和物联网对奶牛养殖进行改善是一个跨学科的研究和推广项目，涉及多学科的科学家、奶农和行业专业人士。在未来，奶牛场还会接受传感器和机器人系统等大型和多样化的技术创新，并获得大量持续的数据流，以改善整个奶牛场的养殖水平与经济效益。

二、早期监测与预警在奶牛妊娠鉴定中的应用

妊娠是影响奶牛场经济效益的关键环节，因此，早期妊娠诊断对于缩短产犊间隔至关重要，能够使奶牛场及时识别未妊娠的奶牛，以便尽早治疗、发情管理和重新配种。通常建议在奶牛分娩后60d进行配种。在配种后奶农需要尽早识别未怀孕奶牛，以便在下一个可配期重新进行配种以提高经济效益。根据长期的数据分析，牛的早期胚胎期在授精后持续约42d，包括一系列从受精开始直至着床的过程。在胚胎着床后，由于非感染性原因导致胚胎损失的概率极小，意味着这个时期的妊娠变得更加安全。针对妊娠相关糖蛋白（PAGs）、干扰素-Tau和早孕因子进行妊娠检测，是临床上检测母牛妊娠常用的方法。

许多直接和间接的妊娠诊断方法正在奶牛繁殖中得到应用，如直肠检查诊断法（通过触摸妊娠子宫质地、胎儿和子宫动脉变化情况判断），这是大型奶牛早期妊娠诊断使用最广泛的方法之一。传统上，为了在妊娠第30d左右确认妊娠，需要依靠触诊羊膜囊和拇指与食指之间的绒毛尿囊膜滑脱来确定。但是研究发现该方法仅从妊娠第45d开始使用比较准确，而且几项研究表明，使用直肠检查诊断法在母牛妊娠早期检查会增加医源性胚胎死亡的风险。通过直肠检查诊断法只能在妊娠第45d后准确诊断妊娠，但超声波检查诊断法（利用超声波诊断仪捕捉胎儿发育信号强度）可以在授精后第28d甚至更早进行检测。目前，超声波检查诊断法已成为研究奶牛生殖生物学的既定研究工具，而且该方法可以最大限度地降低宫缩人流的发生率。直肠检查诊断法和直肠超声检查是目前诊断妊娠的直接而准确的方法。但两者都需要大量的技能和经验，且需要高额的初始成本，在一定程度上限制了其实际实施。在间接法方面，孕酮、硫酸雌酮、干扰素-τ等都是常见的被检测因子，因此，早期可视孕检试剂盒诊断法也常在奶牛场和实验中使用。但迄今为止，由于其固有的局限性或其他问题，均不符合理想的妊娠诊断方法。监测和传感技术的飞速发展与应用使得通过生理指标对奶牛妊娠实时自动监控变成现实。研究发现，空怀母牛与妊娠母牛相比在授精后第一个发情周期活动量无明显增加。同样的，利用体温的自动检测技术在奶牛的发情鉴定中也有相应的应用，多篇报道称成功受精的奶牛体温在第5d到第12d明显升高，而空怀牛无明显变化。这为借助温度传感技术早期诊断奶牛妊娠提供了思路和应用前景。

随着蛋白质组学的发展，其可以做到在单个实验中同时分析来自各种体液中复杂蛋白质混合物的数千种蛋白质。这将有助于鉴定满足妊娠诊断分子的特异性和敏感生物标志物。例如，Jin[6]等在人工授精后21d和35d使用妊娠和非妊娠荷斯坦奶牛的血清样本进行了蛋白质组学分析，检测到白蛋白和IgG的妊娠特异性亚基或片段，以及携带差异表达的小蛋白，结果显示，这些片段具有妊娠检测的潜力。还有更多分子是与早期胚胎发育的生理学及其母体识别妊娠和持续存活的信号传导一致所必需的，这些分子与复杂的母体代谢改变相关，这有待进一步研究，尽管这些技术在动物科学研究中还处于起步阶段，但它们为解决家畜妊娠诊断方面的突破带来了巨大希望。

三、早期监测与预警在奶牛分娩中的应用

尽管兽医产科学取得了非常快速的进展，但难产和受损新生儿的出生仍然是奶牛繁殖中的主要问题。不仅给奶牛场造成经济损失，还需要从动物伦理、动物福利和动物情感等方面进行考虑，这些都要求我们在预测母牛分娩时间时提高准确率，以提高母牛及其后代的存活率。在计算分娩日期时，如果分娩日期未知或不清楚，经常采用胎儿形态测量以评估胎儿发育、估计孕周和预测分娩。但在妊娠晚期，由于胎儿的大小及其在母体中的位置不同，使得确定孕周变得更加困难。可以根据临床症状来预测分娩，例如，妊娠母牛的骨盆韧带松弛被认为是临产的最佳个体征兆，数据显示，骨盆韧带在产犊前一天达到最大值，与硫酸雌酮浓度的增加相对应。但与发情不同，如果使用两个以上的临床参数预测产犊不仅不会提高准确性，反而增加了错误率，不利于精确度。从一定意义上来说，最准确的预测是“12小时内不产犊”，这一预测在99%的奶牛身上都是正确的。总的来看，不同奶牛的妊娠情况受品种、胎次等因素的影响可能存在较大差异。有时即将分娩的临床体征虽然已经很明显，但仍难以准确预测产犊时间。对于产犊时间的监测与预警方法和技术仍需进一步的探索。

四、早期监测与预警在奶牛繁殖疾病中的应用

母牛的产科疾病同样会给繁殖工作带来诸多影响和一定经济损失，现如今“防大于治”已成为牛场养殖管理中的重要原则。以分娩为界，研究发现，很多围产期奶牛在产后会患病，这个现象目前是具有群发性和亚临床性特点的，这对于疾病的诊断和治疗是个难题，为克服这个难题，可以在产前对易患牛进行提前监测与预警，以减少产后患病的可能性。

随着研究的不断深入，疾病预警系统（Disease Alerting System，DAS）被开发出来，其可在疾病发生之前发出健康警报，使得牛场能够及时采取针对性预防措施，将疾病可能造成的损失降到最低限度。早期预警的工作原理主要是通过对血液指标水平进行受试者工作曲线（ROC曲线）分析来建立系统和实现预测的。因为ROC曲线的精准性，该系统可以用于为兽医提供最佳的诊断界限值[7]，判定疾病发病的界限值[8]，以及对两种或两种以上不同疾病同时进行监测。如王艳辉等[9]通过ROC曲线分析发现在产后奶牛繁殖障碍性疾病中，能量代谢指标的对比有显著变化，具有提前预警的作用，因此，开发了专门针对该指标的软件并进行商业化使用。白云龙等[10]在ROC曲线的基础上研究并建立了ITIH3和ApoA4对卵巢静止单一和联合的预警体系。疾病预警系统的出现为牛场管理繁殖疾病及群发性疾病的防控带来了新的手段。研究显示，奶牛场中使用该系统进行自动化健康监测可以提供早期和成功的防范与治疗。但另一方面，Tim[11]报道，在丹麦地区，因为使用预警系统反而增加了可引起流产传染病的发生率，其原因是该预警体系无法预测绝大多数流产，更无法起到预防作用。

五、总结与展望

生产繁殖工作作为奶牛养殖持续发展的中心和关键环节，需不断地优化管理和与时俱进，随着奶牛场中不断涌现的新技术以及物联网系统的发展，利用现代科学技术的原理和方法来管理畜牧业生产，“精准、精确”在未来的奶牛业不只是理想化，而应该是即将达成的现实。同时，高新的技术可能意味着高额的成本，如何选择最佳的方法和技术是奶牛场需要面临的实际问题。

参考文献：

[1]徐晓慧，赵平.基于红外辐射原理实现非接触式奶牛测温研究[J].农村经济与科技，2020，31（03）：75-76.

[2]冯涛，郭勇，白佳桦，等.一种基于奶牛反刍时间的发情鉴定新技术[J].中国畜牧兽医，2013，40（07）：198-200.

[3]张宇，尹艳玲，张心翩，等.一种基于反刍时间与活动量的奶牛发情监测方法：中国，CN106993546A[P].2017-08-01.

[4]王少华，何东健，刘冬.基于机器视觉的奶牛发情行为自动识别方法[J].农业机械学报，2020，51（04）：241-249.

[5]刘忠超.奶牛发情体征及行为智能检测技术研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2019.

[6]Jin DI，Lee HR，Kim HR，et al.Proteomics Analysis of Pregnancy-Specif­ic Serum Proteins in Bovine[J]. Reproduction，Fertility and Developm­ent，2006，18（1-2）：183.

[7]Ospina PA，Nydam DV，Stokol T，et al.Evaluation of Nonesterified Fatty Acids and Beta-Hydroxy Butyrate in Transition Dairy Cattle in theNortheastern United States：Critical thresholds for prediction of clinical diseases[J]J Dairy Sci，2010，93（2）：546-54.

[8]喬彦杰，李红欢，张保军，等.奶牛产后子宫炎早期预警指标确立与评估[J].中国畜牧杂志，2020，56（06）：78-81.

[9]王艳辉，钱伟东，夏成，等.能量代谢指标对产后奶牛繁殖障碍性疾病的预警作用研究[C]//中国畜牧兽医学会，中国畜牧兽医学会动物繁殖学分会.中国畜牧兽医学会动物繁殖学分会第十八届学术研讨会暨中日韩第四届动物繁殖学术交流会论文集，2016：1.

[10]白云龙，赵畅，舒适，等.奶牛卵巢静止发生的风险预警体系建立[J].中国兽医学报，2019，39（12）：2472-2477.

[11]Carpenter TE，Chrièl M，Greiner M.An Analysis of an Early- warning System to Reduce Abortions in Dairy Cattle in Denmark Incorporating both Financial and Epidemiologic Aspects[J].Preventive Veterinary Meolicine，2007，78（1）：1-11.

作者简介：李明（1984-），男，江苏徐州人，兽医师，研究方向：兽医。

（责任编辑冯会利）