早期監測與預警在奶牛繁殖中的應用

李明 談為忠 劉家榮 陳志

摘要：奶牛的繁殖管理涉及眾多方面，是影響奶牛產業經濟效益的關鍵因素，并決定著奶牛能否提供持久的生產力和充足優質的后備力量。在國內奶牛養殖不斷走向規模化和現代化的進程中，早期監測與預警在產業中扮演著至關重要的角色。盡早和及時地對奶牛繁殖進行監控和預測，能夠指導所采取的預防和處理措施，提高收益和減少損失。目前，早期監測與預警在整個畜牧行業中得到了廣泛應用和長足發展，綜述了早期檢測與預警在奶牛繁殖各個環節中最新的應用情況，旨在為其發展提供思路和參考。

關鍵詞：早期監測;預警;奶牛;繁殖

奶牛養殖業對促進農業經濟發展、帶動農業產業結構、增加居民收入、提高國民營養水平具有重要意義。但目前，我國大多數奶牛場只能依靠傳統的人工方法對奶牛的各種狀態做出判斷，這對于大型奶牛場來說需要復雜且大量的額外勞動，降低了牛場的生產效率。同時，傳統方法的檢測有時并不十分準確，漏檢和錯檢的情況時有發生，這對奶牛繁殖率和產奶量的提高是非常不利的，直接影響奶牛養殖的經濟效益。而自動化傳感器數據的出現，在為這個新時代帶來了許多挑戰的同時，也為評估和最大限度地發揮奶牛的生產潛力帶來了新機遇。因此，本文將重點闡述適合我國國情的奶牛自動化傳感監測系統，以期為改善奶牛場的生產效率提供優質方案。

一、早期監測與預警在奶牛發情鑒定中的應用

在現代奶牛養殖中，有高達50%的發情排卵沒有被發現，未能充分識別養殖動物的可育發情是現代生產動物系統（尤其是牛）長期存在的低生育率問題的主要原因。究其根源是由于奶牛發情行為減弱，而且缺乏高精度的發情檢測方法。這大大降低了牛群的整體生產力，給奶牛業帶來了沉重的經濟負擔。

目前，傳統的鑒定方法是對奶牛定期進行人工目視發情檢查。一些現代奶牛場則選用更復雜的方法包括測量奶牛黃體酮、熱負荷檢測器和活動監測器與目視觀察相結合進行鑒定。然而，多份報告一致認為，即使組合使用這些方法，大約30%的發情奶牛仍可能無法被檢測到。因此，人們對開發新的奶牛發情檢測方法越來越重視。大量的實驗發現發情期的奶牛生理體征方面會發生明顯變化，如體溫有顯著升高、活動量增大和陰部紅腫等，利用這些生理特征的變化可以對母牛進行監測。例如，針對活動量增大，一些公司利用該體征變化進行監測技術的開發，采用相應裝置對奶牛腿部或頸部的活動進行數據收集，計算其活動量和躺臥時間等數據，將這些數據通過智能程序分析，以推測奶牛是否發情及預測其發情時間，通過對比發現其準確率明顯高于傳統的人工檢測，這對牧場繁殖水平的提高提供了極大的幫助。

奶牛體溫的變化也被應用到了實際生產中，徐曉慧等[1]開發設計了一個紅外測溫儀，利用紅外技術通過S-BUS協議與微控制器進行通訊，并使微控制器驅動液晶顯示屏顯示。從而實現對奶牛體溫進行非接觸式測量，進而能夠快速鑒別奶牛是否發情。馮濤等[2]在對牛的反芻時間進行統計時發現奶牛在發情和非發情時有顯著差別，證明奶牛反芻時間的變化可成為發情鑒定的一個新指標。張宇等[3]基于該研究成果，將活動量和反芻時間進行結合，開發出可以有效提高檢測概率，并提高發情檢測精度的方法，對實際生產具有重要的指導意義。諸如其他特征也有許多研究報道，例如，可通過監測母牛陰道黏液電阻值變化來判斷奶牛發情和輸精時間。這也啟示我們奶牛在發情時有大量的體征變化，對其體征進行的探索尚不能停止。

現如今，通過遠程監控、傳感器收集現代數據、快速數據傳輸以及通過物聯網進行的海量數據存儲已經為我們開啟了先進的精準畜牧業時代。如王少華等[4]在收集大量數據后開發了人工智能軟件，利用大數據對奶牛進行實時監測并對有可能的發情行為進行自動識別，通過測試發現該系統對奶牛發情行為的識別率接近100%。劉忠超[5]等對奶牛發情進行了多指標綜合分析并開發了可使用的軟件，該軟件對提高奶牛發情鑒定的敏感性和準確性方面有很重要的作用。應用云端時代、大數據分析和物聯網對奶牛養殖進行改善是一個跨學科的研究和推廣項目，涉及多學科的科學家、奶農和行業專業人士。在未來，奶牛場還會接受傳感器和機器人系統等大型和多樣化的技術創新，并獲得大量持續的數據流，以改善整個奶牛場的養殖水平與經濟效益。

二、早期監測與預警在奶牛妊娠鑒定中的應用

妊娠是影響奶牛場經濟效益的關鍵環節，因此，早期妊娠診斷對于縮短產犢間隔至關重要，能夠使奶牛場及時識別未妊娠的奶牛，以便盡早治療、發情管理和重新配種。通常建議在奶牛分娩后60d進行配種。在配種后奶農需要盡早識別未懷孕奶牛，以便在下一個可配期重新進行配種以提高經濟效益。根據長期的數據分析，牛的早期胚胎期在授精后持續約42d，包括一系列從受精開始直至著床的過程。在胚胎著床后，由于非感染性原因導致胚胎損失的概率極小，意味著這個時期的妊娠變得更加安全。針對妊娠相關糖蛋白（PAGs）、干擾素-Tau和早孕因子進行妊娠檢測，是臨床上檢測母牛妊娠常用的方法。

許多直接和間接的妊娠診斷方法正在奶牛繁殖中得到應用，如直腸檢查診斷法（通過觸摸妊娠子宮質地、胎兒和子宮動脈變化情況判斷），這是大型奶牛早期妊娠診斷使用最廣泛的方法之一。傳統上，為了在妊娠第30d左右確認妊娠，需要依靠觸診羊膜囊和拇指與食指之間的絨毛尿囊膜滑脫來確定。但是研究發現該方法僅從妊娠第45d開始使用比較準確，而且幾項研究表明，使用直腸檢查診斷法在母牛妊娠早期檢查會增加醫源性胚胎死亡的風險。通過直腸檢查診斷法只能在妊娠第45d后準確診斷妊娠，但超聲波檢查診斷法（利用超聲波診斷儀捕捉胎兒發育信號強度）可以在授精后第28d甚至更早進行檢測。目前，超聲波檢查診斷法已成為研究奶牛生殖生物學的既定研究工具，而且該方法可以最大限度地降低宮縮人流的發生率。直腸檢查診斷法和直腸超聲檢查是目前診斷妊娠的直接而準確的方法。但兩者都需要大量的技能和經驗，且需要高額的初始成本，在一定程度上限制了其實際實施。在間接法方面，孕酮、硫酸雌酮、干擾素-τ等都是常見的被檢測因子，因此，早期可視孕檢試劑盒診斷法也常在奶牛場和實驗中使用。但迄今為止，由于其固有的局限性或其他問題，均不符合理想的妊娠診斷方法。監測和傳感技術的飛速發展與應用使得通過生理指標對奶牛妊娠實時自動監控變成現實。研究發現，空懷母牛與妊娠母牛相比在授精后第一個發情周期活動量無明顯增加。同樣的，利用體溫的自動檢測技術在奶牛的發情鑒定中也有相應的應用，多篇報道稱成功受精的奶牛體溫在第5d到第12d明顯升高，而空懷牛無明顯變化。這為借助溫度傳感技術早期診斷奶牛妊娠提供了思路和應用前景。

隨著蛋白質組學的發展，其可以做到在單個實驗中同時分析來自各種體液中復雜蛋白質混合物的數千種蛋白質。這將有助于鑒定滿足妊娠診斷分子的特異性和敏感生物標志物。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樣本進行了蛋白質組學分析，檢測到白蛋白和IgG的妊娠特異性亞基或片段，以及攜帶差異表達的小蛋白，結果顯示，這些片段具有妊娠檢測的潛力。還有更多分子是與早期胚胎發育的生理學及其母體識別妊娠和持續存活的信號傳導一致所必需的，這些分子與復雜的母體代謝改變相關，這有待進一步研究，盡管這些技術在動物科學研究中還處于起步階段，但它們為解決家畜妊娠診斷方面的突破帶來了巨大希望。

三、早期監測與預警在奶牛分娩中的應用

盡管獸醫產科學取得了非常快速的進展，但難產和受損新生兒的出生仍然是奶牛繁殖中的主要問題。不僅給奶牛場造成經濟損失，還需要從動物倫理、動物福利和動物情感等方面進行考慮，這些都要求我們在預測母牛分娩時間時提高準確率，以提高母牛及其后代的存活率。在計算分娩日期時，如果分娩日期未知或不清楚，經常采用胎兒形態測量以評估胎兒發育、估計孕周和預測分娩。但在妊娠晚期，由于胎兒的大小及其在母體中的位置不同，使得確定孕周變得更加困難。可以根據臨床癥狀來預測分娩，例如，妊娠母牛的骨盆韌帶松弛被認為是臨產的最佳個體征兆，數據顯示，骨盆韌帶在產犢前一天達到最大值，與硫酸雌酮濃度的增加相對應。但與發情不同，如果使用兩個以上的臨床參數預測產犢不僅不會提高準確性，反而增加了錯誤率，不利于精確度。從一定意義上來說，最準確的預測是“12小時內不產犢”，這一預測在99%的奶牛身上都是正確的。總的來看，不同奶牛的妊娠情況受品種、胎次等因素的影響可能存在較大差異。有時即將分娩的臨床體征雖然已經很明顯，但仍難以準確預測產犢時間。對于產犢時間的監測與預警方法和技術仍需進一步的探索。

四、早期監測與預警在奶牛繁殖疾病中的應用

母牛的產科疾病同樣會給繁殖工作帶來諸多影響和一定經濟損失，現如今“防大于治”已成為牛場養殖管理中的重要原則。以分娩為界，研究發現，很多圍產期奶牛在產后會患病，這個現象目前是具有群發性和亞臨床性特點的，這對于疾病的診斷和治療是個難題，為克服這個難題，可以在產前對易患牛進行提前監測與預警，以減少產后患病的可能性。

隨著研究的不斷深入，疾病預警系統（Disease Alerting System，DAS）被開發出來，其可在疾病發生之前發出健康警報，使得牛場能夠及時采取針對性預防措施，將疾病可能造成的損失降到最低限度。早期預警的工作原理主要是通過對血液指標水平進行受試者工作曲線（ROC曲線）分析來建立系統和實現預測的。因為ROC曲線的精準性，該系統可以用于為獸醫提供最佳的診斷界限值[7]，判定疾病發病的界限值[8]，以及對兩種或兩種以上不同疾病同時進行監測。如王艷輝等[9]通過ROC曲線分析發現在產后奶牛繁殖障礙性疾病中，能量代謝指標的對比有顯著變化，具有提前預警的作用，因此，開發了專門針對該指標的軟件并進行商業化使用。白云龍等[10]在ROC曲線的基礎上研究并建立了ITIH3和ApoA4對卵巢靜止單一和聯合的預警體系。疾病預警系統的出現為牛場管理繁殖疾病及群發性疾病的防控帶來了新的手段。研究顯示，奶牛場中使用該系統進行自動化健康監測可以提供早期和成功的防范與治療。但另一方面，Tim[11]報道，在丹麥地區，因為使用預警系統反而增加了可引起流產傳染病的發生率，其原因是該預警體系無法預測絕大多數流產，更無法起到預防作用。

五、總結與展望

生產繁殖工作作為奶牛養殖持續發展的中心和關鍵環節，需不斷地優化管理和與時俱進，隨著奶牛場中不斷涌現的新技術以及物聯網系統的發展，利用現代科學技術的原理和方法來管理畜牧業生產，“精準、精確”在未來的奶牛業不只是理想化，而應該是即將達成的現實。同時，高新的技術可能意味著高額的成本，如何選擇最佳的方法和技術是奶牛場需要面臨的實際問題。

參考文獻：

[1]徐曉慧，趙平.基于紅外輻射原理實現非接觸式奶牛測溫研究[J].農村經濟與科技，2020，31（03）：75-76.

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[3]張宇，尹艷玲，張心翩，等.一種基于反芻時間與活動量的奶牛發情監測方法：中國，CN106993546A[P].2017-08-01.

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[5]劉忠超.奶牛發情體征及行為智能檢測技術研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2019.

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[9]王艷輝，錢偉東，夏成，等.能量代謝指標對產后奶牛繁殖障礙性疾病的預警作用研究[C]//中國畜牧獸醫學會，中國畜牧獸醫學會動物繁殖學分會.中國畜牧獸醫學會動物繁殖學分會第十八屆學術研討會暨中日韓第四屆動物繁殖學術交流會論文集，2016：1.

[10]白云龍，趙暢，舒適，等.奶牛卵巢靜止發生的風險預警體系建立[J].中國獸醫學報，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.

作者簡介：李明（1984-），男，江蘇徐州人，獸醫師，研究方向：獸醫。

（責任編輯馮會利）