冀北不同建筑类型奶牛舍冬季环境质量比较

周英昊，武震钢，毛 森，王亚男,冯 曼,于 滨,许翊冉，吴 限，郭建军，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)

河北省西北部坝上高原位于内蒙古高原东南缘，海拔高1 200～1 400 m，冬季严寒。近年来，冀北寒区奶牛养殖的规模化、集约化程度不断提高。该地区奶牛舍以有窗密闭舍居多，舍内建筑结构和环境控制相关配套设施不尽相同，冬季舍内保温差、湿度大、通风换气效果差、牛舍设计不规范、环境控制不理想等问题依然存在[1-2]。养殖环境优化已成为该地区奶牛产业发展的重要问题。本研究选择河北省北部寒区3种不同建筑类型的奶牛舍为研究对象，通过对冬季舍内外环境质量状况评价指标的检测和比较分析，评价冀北寒区冬季不同建筑类型奶牛舍的环境质量状况，为该地区奶牛舍的设计和改造提供指导。

1 材料和方法

1.1 试验设计

选择位于冀北寒区的3个牧场为试验场，每个牧场选择1栋泌乳牛舍为研究对象，分别编号为舍A、舍B、舍C，各奶牛舍建筑形式及结构如图1所示，建筑特点见表1。根据天气预报选择冬季10 d稳定的低温天气条件，测定舍外温湿度和和环境空气质量指标，各牛舍同步进行试验，具体试验日期为2018年12月27日至12月31日；2019年1月14日至18日。

1.2 饲养管理

各舍饲养奶牛品种均为荷斯坦奶牛；卧床垫料均为沙子；试验奶牛每天早上、中午、晚上各挤奶1次，共3次。挤奶期间，各舍用铲车清粪，每日清粪3次，清粪同时用TMR日粮搅拌车上料，每日上料3次，奶牛自由采食、自由饮水。试验期内，各舍处于封闭状态，舍内所有门窗(包括天窗)关闭，奶牛不能自由出入舍内和运动场，仅东西墙用于运送饲料、清粪车通过的门，于每日上料、清粪、试验时短暂开启；各舍于每日18:00开灯，舍A和舍C每日24:00关灯；舍B次日早6:00关灯。

图1 试验牛舍建筑形式及结构Fig. 1 Architectural form and structure of experimental cowshed

表1 试验牛舍的建筑特点Table 1 Architectural features of experimental cowshed

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 牛舍内外温度、相对湿度测定 试验牛舍内北卧、南卧、料道各布置1个、舍外净道布置2个连续温湿度记录仪(华盛昌 DT-172)，测定高度距地面1.8 m，每0.5 h自动记录1次温湿度数据，取24 h数据均值为当日温湿度。风寒温度(WCT)计算[3]：WCT=13.12+0.6215Tair-11.37V0.16+0.3965TairV0.16，其中WCT表示风寒温度(℃)；Tair代表温度(℃)；V表示离地面10 m的风速(km/h)。

1.3.2 牛舍外围结构内表面温度测定 每日分别于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)检测各舍东墙、西墙、南墙、北墙、地面、屋顶外围结构的内表面温度，采用均匀布点原则，共检测牛舍的3个横剖面和3个纵剖面，其中四周墙壁温度自上而下均匀取4点进行测定，地面温度选取北卧、南卧、料道地面各1点测定，屋顶温度自南向北均匀取7点进行测定，测量仪器为手持红外线测温仪(希玛AT-380)。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。

1.3.3 牛舍内外环境质量指标测定 每日分别于早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(18:00～20:00)检测各舍内外空气中PM2.5、PM10、NH3、CO2、细菌含量、光照强度、噪音强度、风速等，舍内北卧、料道、南卧自西向东各设3个检测点，舍外净道自南向北设3个检测点，检测高度为距地面1.5 m处。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。

风速的测定采用风速仪(KANOMAX Model6006-2c)；空气中细菌菌落总数的测定参照GB/T 18204.3-2013[4]中自然沉降法；空气中PM2.5、PM10含量的测定采用尘埃计数器(华盛昌DT-9881M)；NH3、CO2含量的检测分别采用手持式氨气检测仪(安帕尔AP-S-NH3)、手持式二氧化碳测定仪(安帕尔 AP-S-CO2)；噪音强度测定采用数字式噪音计(泰仕 TES-1350A)；光照强度的检测采用照度计(泰仕 TES-1339)，早上、中午测定舍内自然光照强度，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对10 d的试验数据进行整理，选取其中气温相对稳定的7 d数据，对各试验指标的日平均值用SPSS 17.0进行单因素ANOVA方差分析和方差齐性检验，并用 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 牛舍内外温热环境

如表2所示：试验期内，各舍外的平均温度、相对湿度和风速差异均不显著(P>0.05)。各试验舍舍内温热环境存在较大差异，其中，舍内平均温度和相对湿度均为舍A<舍C<舍B(P<0.05)；舍内风速为舍B<舍C<舍A(P<0.05)。舍A内相对湿度最低、风速最高，通风效果最优，但舍内温度最低，保温效果最差。舍B内温度最高，保温效果最优，但舍内湿度最大，风速最低，通风效果最差。舍C保温性能和通风效果介于舍A和舍B之间。

2.2 牛舍围护结构内表面温度

如表3所示，试验期内，各舍地面温度、东墙、西墙、南墙、北墙的内表面温度均为舍B显著高于舍A和舍C(P<0.05)，舍A、C之间差异不显著(P>0.05)；屋顶温度为舍A

2.3 牛舍内外空气质量

如表4所示：试验期内，各舍外空气中PM2.5、PM10、细菌含量差异均不显著(P>0.05)；NH3含量为舍B<舍C<舍A(P<0.05)；CO2含量为舍A显著高于舍B和舍C(P<0.05)，舍B、舍C之间差异不显著(P>0.05)。舍内空气中PM2.5、PM10、细菌、CO2、NH3含量均为舍A

2.4 牛舍内外噪音、光照强度

如表5所示，试验期内，舍内自然光照强度为舍B最高(P<0.05)，舍A和舍C之间差异不显著(P>0.05)。夜间人工光照强度舍C最低(P<0.05)，舍A和舍B之间差异不显著(P>0.05)。各舍内外噪音强度相互之间差异不显著(P>0.05)。结果显示，舍B白天采光效果最优，夜间舍C补光效果最差，各舍内外噪音状况相当。

表2 冬季牛舍内外温热环境Table 2 Thermal environment of indoor and outdoor in winter

表3 牛舍围护结构内表面温度Table 3 Inner surface temperature of cowshed building envelope ℃

表4 冬季牛舍内外空气质量Table 4 Air quality of indoor and outdoor in winter

表5 冬季牛舍内外噪音、光照强度Table 5 Noise and light intensity of indoor and outdoor in winter

3 讨 论

3.1 牛舍内外温热环境

3.1.1 牛舍内外温度及围护结构内表面温度 试验期内，各舍外温热环境状况无显著差异，但舍内小气候可能因牛舍建筑形式、结构、管理水平等因素的不同有很大差别。本研究发现，舍B的平均温度、各墙壁、屋顶、地面温度在试验舍中均为最高，该舍冬季保温性能最好。舍B墙体为370 mm厚的砖混结构，南北两侧窗户数量较少，南侧8扇，北侧6扇，窗户尺寸较小(1.5 m×1.0 m)，窗户总面积仅占南北两侧建筑总面积的7 %左右，举架较其他舍低，封闭程度较高，且南侧屋顶加设透明采光带，可大幅增加屋顶隔热系数与舍内采光，舍内温度较高，昼夜温差较小，保温效果明显。舍A和舍C墙体1.5 m以下部分为370 mm厚的砖混结构，以上部分主要材料为10 cm厚的聚苯乙烯泡沫复合彩钢板，南北两侧窗户数量多，窗户总面积约占南北两侧建筑总面积的40%左右，窗户封闭性一般，易漏风，墙壁保温性能均不如舍B，需加强保温。另外，舍A屋顶共有4个圆形通气孔，天窗上方开约15 cm宽通气缝，开敞面积较大，未做到严格封闭，屋顶温度和舍内温度在试验舍中最低可能与此有关。各舍在东西墙均设有用于运送饲料、清粪车的门，每日开启关闭可能影响牛舍的保温效果，舍A在西墙一侧设置南面开敞的门斗，西墙保温性能与舍C相当，能很好缓解冷空气直接侵入牛舍并促进舍内外气体交换。

3.1.2 牛舍内外风速及风寒温度 牛舍内的气流速度能反映试验牛舍的换气程度，进一步反映其封闭程度。本研究发现，各舍内风速均低于舍外，舍B内风速最低，封闭性最好。舍A因为西墙门斗结构的存在，西侧开敞，且天窗上开通气缝、屋顶开通气孔，风速较其他舍高，通风情况最优。此次，舍A举架最高，且屋顶坡度大，可能也有利于通风。

风寒温度(WCT)作为评价奶牛冷应激程度的可靠指标，其与风速和环境温度密切相关。WCT与奶牛产奶性能之间存在强相关关系，根据WCT数值可将冷应激程度划分为：轻度冷应激：-25 ℃ < WCT≤-10 ℃；中度冷应激：-45 ℃

3.1.3 牛舍内外相对湿度 相对湿度是评价牛舍环境的重要指标，牛舍内湿度过高时，粉尘易漂浮在空气中，易引发奶牛关节炎、皮肤炎症以及消化道、呼吸道等疾病。本研究发现，各舍相对湿度均高于80%，其中舍B相对湿度高达93.9%，远超国家相关标准规定的80%[10]，应引起重视。牛舍内湿度受奶牛的呼吸、潮湿地面、粪尿和垫料水份蒸发的影响，舍B湿度最高可能是由于其封闭严密，温度相对较高，但舍内近乎处于无风状态，造成舍内通风不良，粪尿等水分易挥发但不易排出造成的。有报道称，冬季通过增加牛舍密闭性、减少通风量等方式进行保温，可能使舍内长期处于高湿状态，严重破坏奶牛的热调节[11-12]。各舍每日应当选择适当时间通风，排出舍内多余水汽，预防奶牛疾病发生。

3.2 牛舍内外空气质量

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。PM10和PM2.5可通过呼吸道、皮肤等途径进入奶牛体内，影响奶牛健康和生产性能。NH3无色、有刺激性气味，主要由厌气菌分解粪便、饲料与垫料中含氮的有机物产生[13]，奶牛如吸入过量NH3，可破坏血液的运氧功能，引起上呼吸道粘膜充血，严重可导致肺出血[14]。CO2无色、无毒、略带酸味，当浓度达到一定程度时，会造成奶牛缺氧，引起慢性毒害。空气中细菌含量的增加可导致动物机体免疫力和生产性能降低，增加奶牛患病风险。牛舍内空气质量可能因牛舍建筑类型、通风结构、饲养密度以及清粪、分发饲料、清扫地面等饲养管理的不同有很大差异。

本研究发现，舍内空气中PM10、PM2.5、细菌、NH3、CO2含量受牛舍通风情况影响明显，可能与牛舍建筑结构有直接关系。舍A纵跨大、举架高，且有通气孔、通气缝、门斗等结构，利于通风，因此舍内空气中PM10、PM2.5、细菌、NH3、CO2含量均最低，舍内空气质量最优；其舍外NH3和CO2含量相对较高，进一步说明舍A建筑结构更利于牛舍内外进行气体交换，可有效促进有害气体排出舍外，降低可吸入颗粒物和气载细菌的聚集，有效减轻对牛群的危害。舍B和舍C内空气中PM10、PM2.5、细菌、NH3、CO2含量相对较高，舍外NH3、CO2含量较低，进一步说明有害气体在舍内滞留，不易排出，可吸入颗粒物和气载细菌在舍内大量聚集，牛舍换气效果及空气质量不如舍A。舍B饲养密度最低，但空气中PM10、PM2.5、细菌、NH3、CO2含量却均为最高，进一步说明了其封闭严密，舍内外气体交换困难。NH3含量达到10～15 mg/m3时，就会降低动物对感染的抵抗能力[15]，各舍NH3含量虽未达到该浓度范围，但应当引起注意。舍B和舍C内CO2含量均超过国家标准中规定的1 500 mg/m3[10]，舍内通风不良、氧气含量下降、其他有害气体含量增高，奶牛如长期处此环境中，可能会出现精神萎靡，食欲减退，体质下降，生产能力降低，易患病等症状，应当引起注意。本研究还发现，环境湿度与气载细菌、粉尘微粒含量之间可能存在正相关关系，有待进一步研究确定。舍内高浓度的细菌对奶牛和饲养员的健康存在潜在威胁，建议牛场应当重视细菌疾病的预防。

3.3 牛舍内外光照与噪音

光照可通过视觉器官影响奶牛的生理机能和生产性能，是奶牛保持良好生产必不可少的条件之一。李云甫等[16]研究证明，补充光照使产奶期奶牛每天的光照时间达到15 h能够增加奶牛的产奶量和采食量，提高奶牛养殖的经济效益。本研究发现，各舍内白天自然光照强度均高于50 lx，符合国家标准中牛舍内日平均照度不低于50 lx的规定[10]，但各舍采光效果差异较大，屋顶向阳面如能合理设置采光带，可增强牛舍采光，同时促进牛舍升温。各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，需要加强夜间照明，同时确保舍内照度均匀。应注意的是，泌乳牛一般需要6 h的连续黑暗时间，在制定挤奶班次和时间及制定补光措施时需要综合考虑。本研究中牛舍内外噪音均未超过国家标准中牛舍内噪音不超过75 dB的规定[10]，但是过强、过长的噪音可能使奶牛的生产性能下降，应该合理选择和安排机械设备，降低牛舍噪音。

4 结 论

奶牛舍环境质量状况可能与牛舍的建筑类型和舍内结构直接相关。冀北寒区高举架、纵跨大、封闭性差的全封闭有窗牛舍冬季通风换气效果好，舍内空气质量优，但保温效果差，可能对奶牛健康及生产性能产生不利影响，可考虑安装屋顶采光带、加强外墙和屋顶保温、合理开关门窗等措施提高牛舍温度；低举架、纵跨小、封闭性好的全封闭有窗牛舍冬季保温效果好，但通风难以保证，舍内湿度大，粉尘微粒、有毒有害气体浓度、空气微生物含量高，势必影响奶牛健康，可考虑增加屋顶排风系统、檐下通风孔、门斗结构等通风设施，促进舍内外气交换。冀北寒区奶牛舍的设计改造应注意考虑冬季牛舍保温和通风换气，并加强冬季防寒和通风管理，达到改善牛舍环境质量目的。