夏季热应激条件下荷斯坦牛喘息时间规律及影响因素研究

余厚默，张海亮，杨明路,2，竹 磊,2，王 澳，罗汉鹏，王 炎，郭 刚，张 毅，王雅春*

（1.中国农业大学动物科学技术学院，北京 100193；2.新疆农业大学动物科学学院，新疆乌鲁木齐 830052；3.北京首农畜牧发展有限公司，北京 100176）

热应激（Heat Stress，HS）是奶牛对高温高湿环境产生的非特异性应答反应，严重的热应激会降低牛群的生产力和动物福利[1-4]。随着全球气候变暖，夏季奶牛热应激问题愈加严重。遗传选育是降低热应激对牛群性能影响的重要手段[5]。目前，评价奶牛热应激状态的主要指标包括牛舍的温湿度指数（Temperature-Humidity Index，THI）、呼吸频率和直肠温度等[6]。然而，通过THI 无法有效区分奶牛在个体水平对热应激的抗性差异，对呼吸频率和直肠温度的持续监测则需要投入额外的人力和物力资源[7-8]，以这些指标进行热应激抗性选育存在困难。因此，有必要筛选能够对奶牛热应激反应进行自动量化监测的指标。

喘息（Panting）是奶牛以呼吸喘促、腹肋煽动为主要特征的一类行为[9]。高温环境下奶牛为维持机体平衡而动用体温调节机制，导致热性喘息加快[10]。喘息的发生伴随着奶牛呼吸频率的提高，是呼吸频率变化的机体表征[11]。有研究指出通过自动化传感器可以量化热应激对奶牛喘息的影响[12]。利用SCR 公司研发的奶牛行为监测项圈能够对大规模牛群的喘息时间（Panting Time）进行个体级别记录。目前，针对牛群喘息行为的研究相对较少，我国尚无关于自动监测系统所获得的喘息时间相关的研究。

因此，本研究旨在利用项圈监测夏季泌乳奶牛的喘息时间，探究北京地区夏季热应激条件下奶牛喘息时间的群体特征及其影响因素，以期为筛选定义奶牛热应激抗性性状以及奶牛热应激抗性的遗传选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验群体 选择北京地区某规模化牧场的198 头健康的荷斯坦泌乳母牛，于2018 年5 月—2018 年9 月进行试验。试验牧场分为东、西两个场区，该场全群存栏约2 500 头，采用并列式奶厅挤奶。试验牛群饲养于半开放式牛舍，夏季牛舍采食区域与挤奶厅待挤区均提供喷淋和风扇。牛群每日挤奶3 次，分别在 07:00—10:00、14:00—17:00 和21:00—24:00 完成。

1.2 数据收集

1.2.1 喘息时间 试验期间，试验牛的喘息时间由HRLDn 项圈（Heat &Rumination-Long Distance，以色列SCR）连续测定，收集每头试验牛泌乳期内的喘息时间。每头试验牛每天（24 h）均会自动记录一条喘息时间数据，试验人员定期导出喘息时间记录和试验牛群的基本信息。

1.2.2 牛舍温湿度 试验牧场的环境温湿度由4 台温湿度自动记录仪（型号为Apresys Digital Data Track179-TH）自动测定，温湿度记录仪分别布置于牛舍内与牛舍外的背光处，安装高度约为2 m，温湿度自动记录仪每隔30 min 自动记录环境温度和湿度，试验人员定期导出温湿度记录。

1.2.3 奶牛生产性能 试验人员收集该牧场利拉伐阿波罗系统中的日产奶量记录，最终获得181 头试验牛的日产奶量记录。

1.3 数据整理 本研究共收集到试验群体的21 423 条喘息时间记录，剔除缺失记录，最终获得182 头泌乳牛的18 059 条有效的连续喘息时间数据，一胎74 头、二胎79 头和三胎及以上29 头。

根据4 个监测点的温湿度数据计算平均THI：THI=0.81T+（0.99T-14.3）RH+46.3[13]，T 为环境温度，RH 为相对湿度。

根据试验牛泌乳天数的分布，在尽可能保证数据均衡并反映奶牛不同泌乳阶段特征的基础上，将试验牛的泌乳期划分为6 个泌乳阶段，分别为阶段Ⅰ（1～30 d）、阶段Ⅱ（31～60 d）、阶段Ⅲ（61～90 d）、阶段Ⅳ（90～120 d）、阶段Ⅴ（120～200 d）和阶段Ⅵ（＞200 d）。

为分析牛群日产奶量在不同喘息时间水平上的变化，将喘息时间分为11 个水平，分别为水平Ⅰ（1～50 min/d）、水平Ⅱ（51～100 min/d）、水平Ⅲ（101～150 min/d）、水平Ⅳ（151～200 min/d）、水平Ⅴ（201～250 min/d）、水平Ⅵ（251～300 min/d）、水平Ⅶ（301～350 min/d）、水平Ⅷ（351～400 min/d）、水平Ⅸ（401～450 min/d）、水平Ⅹ（451～500 min/d）和水平Ⅺ（＞501 min/d）。分类后，将数据量小于30 的分组并入前一组。

1.4 统计分析 基于SAS 9.2 软件的Mixed 过程，利用线性混合模型分析胎次、泌乳阶段、场区、环境温湿度和个体随机效应对荷斯坦牛夏季喘息时间的影响，同时利用相同方法分析各效应对荷斯坦牛日产奶量的影响。采用Bonferroni t 检验进行多重比较，以P＜0.05 为差异显著，P＜0.01 为差异极显著。分析模型如下：

其中，Yijkl为喘息时间；μ为群体均值；PARITYi为胎次效应，共3 个水平（1 胎、2 胎、3 胎及以上）；STAGEj为泌乳阶段效应，共6 个水平（阶段Ⅰ-Ⅵ）；BARNk为场区效应，共2 个水平（东、西场区）；THI和THI2为协变量，分别代表THI 的一次项和二次项，b1和b2分别为上述协变量对应的回归系数；IDijkl为个体随机效应；εijkl为随机残差。

其中，Yijklmn为日产奶量；μ为群体均值；MONTHl为测定月效应，共5 个水平（5 -9 月）；PANTINGm为喘息时间水平效应，共11 个水平（水平Ⅰ-Ⅺ）；IDijklmn为个体随机效应；εijklmn为随机残差；PARITYi、STAGEj和BARNk代表的含义与模型1 相同。

2 结果与分析

2.1 喘息时间的描述性统计 由图1 可知，THI 的变化范围为59.88～85.24，平均THI 为73.56，其中日THI均值高于68 的时间达78%。6—8 月期间THI 均值较高，奶牛长时间处于热应激状态；5 月和9 月的平均THI 较低，牛群热应激反应尚不明显。

图1 北京某牛场5—9 月泌乳牛喘息时间均值与环境THI 变化趋势

喘息时间的变化与THI 呈现相同的趋势，最大值出现在7 月20 日，为338.41 min/d，与THI 峰值日期（7 月21 日）基本吻合。7 月喘息时间均值最高，为163.21 min/d；在THI 较低的5 月，喘息时间均值最低，为37.77 min/d，7 月和5 月的喘息时间相差125.4 min/d。5—9 月，喘息时间均值存在较大变化，变异系数为61.79%。

由表1 所示，试验牛群喘息时间均值为96.19 min/d。不同牛舍条件下的牛群喘息时间不同，西区牛群喘息时间为89.95 min/d，低于东区。两个场区中，喘息时间均随胎次的升高呈增加趋势。不同场区中，1 胎奶牛的喘息时间均为最短；西区的2 胎奶牛喘息时间最长，为93.36 min/d，东区的3 胎及以上奶牛喘息时间最长，为113.97 min/d。

表1 各胎次荷斯坦牛5 至9 月喘息时间描述性统计 min/d

2.2 各因素对喘息时间的影响 胎次、泌乳阶段、场区和THI 对喘息时间均有显著影响，各因素不同水平的最小二乘均值估计值及喘息时间与THI、THI2的回归系数如表2 所示。本研究中，喘息时间随奶牛胎次的升高而降低，3 胎及以上奶牛的喘息时间显著低于低胎次奶牛（1～2 胎），1 胎与3 胎及以上奶牛的喘息时间相差27.73 min/d。喘息时间总体上随泌乳阶段的推移呈逐渐增加的趋势。在第Ⅱ阶段（即泌乳高峰期），喘息时间出现第1 个峰值，为100.93 min/d；随后，喘息时间呈逐渐升高的趋势，在泌乳后期，牛群喘息时间出现最高值，为122.77 min/d；喘息时间在第Ⅲ阶段最低，为92.06 min/d。西区牛群的喘息时间极显著高于东区牛群，二者相差5.03 min/d。

表2 各因素对泌乳期荷斯坦牛喘息时间的影响 min/d

本研究中，喘息时间对THI 的一次项和二次项的回归极显著（P＜0.01），回归系数估计值分别为-66.82 min/d和0.52 min/d。在THI 低于64.25 时，喘息时间随THI的增加逐渐降低，THI 超过64.25 后，喘息时间随THI增加逐渐升高。

2.3 不同喘息时间水平下的牛群日产奶量变化 基于Mixed 过程对日产奶量进行影响因素分析，发现胎次、泌乳阶段、场区、月份和喘息时间对日产奶量均有显著影响。5—9 月不同喘息时间水平下日产奶量的最小二乘均值如图2 所示，不同月份间奶牛的日产奶量存在极显著差异，5 月最高，为43.37 kg，8 月最低，为39.44 kg，二者相差3.92 kg。除7 月外，奶牛日产奶量随喘息时间的增加均呈逐渐上升的趋势，不同月份的上升幅度存在差异，其中5 月和6 月的上升幅度较大，组内极差分别为3.94、3.72 kg，9 月的上升幅度最小，组内极差为1.70 kg。此外，高喘息时间的分组集中于7 月和8 月，在5 月和6 月并没有出现。

图2 北京地区某牛场泌乳牛喘息时间对日产奶量的影响

3 讨 论

3.1 环境THI 与喘息时间 北京地区5—9 月处于持续高温阶段[14]，本研究中，试验场7 —8 月的日均THI为78.23，奶牛遭受严重的热应激。Gernand 等[1]、屈军梅等[3]研究表明，奶牛遭受热应激后其生产性能大幅下降。本试验中，牛群的喘息时间在5—7 月呈现逐渐增加的趋势，在7 月之后逐渐下降，这与THI 的变化有很大关系。Osei-Amponsah 等[15]研究指出，在高THI 条件下泌乳牛群的呼吸频率显著加快，喘息时间增加，并伴随有体表温度升高与产奶量下降。可见，喘息时间可以反映牛群遭受的热应激程度。同一群体中，高THI 环境下牛群的喘息时间明显高于低THI 环境牛群。

本研究发现，当牛群处于热应激环境时，日THI均值与喘息时间呈二次曲线关系。同样，Islam 等[12]在澳大利亚东北部牛群中发现，每小时的平均THI 与喘息时间均值也呈二次曲线关系，当THI 高于55 时，喘息时间随THI 的升高而升高。目前普遍认为，奶牛受到热应激影响是从THI 超过68 开始，表现为产奶量下降[16]；也有研究指出，仅通过THI 和产奶量下降评价热应激会低估热应激对荷斯坦牛的影响[17-18]。本研究中，喘息时间随THI 上升的转折点出现64.25 时，低于68 这一常用阈值[16]，喘息行为更加灵敏地反映了奶牛的热应激状况。此外，随着牛群产奶量的大幅提升，高产奶牛对热应激的耐受能力逐步变弱[19]，这使得热应激的环境阈值已经发生了变化。

3.2 喘息时间的影响因素 本试验中，相同环境下，不同胎次奶牛的喘息时间存在极显著差异，其中1 胎牛的喘息时间最长，3 胎及以上奶牛喘息时间最短。与经产牛相比，头胎牛可能对泌乳应激带来的疼痛与挤奶厅的陌生环境有所不适[20]，另外头胎牛还受到泌乳和生长带来的巨大能量消耗[21]，因此受到更大的热应激压力，都可能导致喘息时间延长。

在澳大利亚南部的荷斯坦牛中，Osei-Amponsah 等[15]研究发现，夏季不同泌乳时期的奶牛呼吸频率不同，其中泌乳中期（121～240 d）最低，为97.8 次/min，泌乳后期（240 d 以上）最高，为104.6 次/min，这与本研究中喘息时间随泌乳阶段的变化趋势基本一致。泌乳早期，由于产奶所造成的能量负平衡导致体脂动员[22]，使得奶牛喘息时间增加。泌乳高峰期后的泌乳中期，伴随着奶牛产奶量的缓慢下降，喘息时间有所下降。泌乳后期奶牛遭受着妊娠与泌乳的双重应激[23]，还需调动自身的生理机能抵御热应激[24]，故喘息时间可能进一步提高。

牛群的喘息时间还受到牛舍条件的影响。本研究中，西区牛群喘息时间显著低于东区，这可能与本试验中东西场区不同的牛舍结构有关。安代志[10]的研究表明不同结构的牛舍对奶牛呼吸频率有显著差异，这支持了本研究的结果。

3.3 日产奶量与喘息 本研究中，5 月平均THI 为68.27，该月缺乏高喘息时间的牛群，牛群热应激反应不明显[25]，此阶段奶牛日产奶量随喘息时间延长有较大的变化。这可能由于受到热应激的奶牛会调动生理和生化过程加强散热，以抵抗热应激并维持热平衡，从而降低了热应激对日产奶量造成的负面影响[26]。Gaughan 等[27]研究指出喘息是家畜向环境散热的重要的调节机制之一，本研究也印证了这一点。7 月的平均THI 为78.03，奶牛遭受严重热应激，喘息加重，出现张嘴、流涎、伸舌和身体摆动等动作，不同喘息时间水平下的牛群日产奶量没有显著变化。此时奶牛仅依靠喘息难以继续维持自身的热平衡稳态，还需降低代谢产热以抵抗热应激，导致日产奶量降低。综上所述，轻微热应激状态下奶牛可通过增加喘息时间来加快蒸发散热，调节体温，维持正常生理状态，但随着THI 升高，其调节作用逐渐下降。

Luo 等[28]研究发现，不同胎次中国荷斯坦牛的呼吸评分与产奶量之间的近似遗传相关在0.22～0.29，均为正相关，夏季呼吸评分越高的奶牛产奶量更高，这与本研究结果相互印证。

4 结 论

本实验中，在夏季，北京地区荷斯坦牛的喘息行为持续发生，胎次、泌乳阶段、场区和温湿度指数对喘息时间有显著或极显著的影响，喘息时间对奶牛日产奶量有极显著的影响。在群体水平，喘息时间可以评价奶牛遭受热应激的严重程度；在个体水平，喘息时间可以区分奶牛抵抗热应激能力的差异。喘息时间发生变化的环境温湿度阈值为64.25，低于一般认为的轻度热应激阈值，能够更加敏感地反映奶牛遭受热应激的状态。本研究为喘息时间的遗传分析建模奠定了基础,为牧场利用喘息时间管理牛群的夏季热应激提供了理论基础。