奶牛場用水特征及節水措施

張克強，張嫚，2，李夢婷，杜連柱，牟美睿，劉鶴瑩，2，翟中葳*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150036）

奶業是農業現代化的標志性產業，是衡量一個國家畜牧業發展水平的風向標。我國已成為世界第三大產奶國，規模化奶牛場是當前我國生鮮乳商品化生產的主體，這也極大提高了我國牛奶的整體質量水平。水是奶牛最重要的營養素，也是維持牛場正常運行的重要投入品，其貫穿于飼喂、清潔、防疫和動物福利等各環節。用量大、功能多、流程繁雜是奶牛場用水的突出特點。污水是奶牛養殖用水的最主要體現形式，存在產排量大、成分復雜、處理利用難等問題。

據統計，我國奶牛養殖糞污年產生量約1.8 億t，規模化、集約化養殖方式，加劇了糞污處理利用難度，對生態環境構成嚴重威脅，同時制約了奶牛產業的健康發展。研究表明，源頭減量是破解糞污處理利用難題最經濟有效的措施。《畜禽規模養殖污染防治條例》（2014年1 月1 日）第十四條規定，從事畜禽養殖活動，應當采取科學的飼養方式和廢棄物處理工藝等有效措施，減少畜禽養殖廢棄物的產生量和向環境的排放量。對于奶牛養殖產業，科學合理地降低用水量是糞污減量的關鍵。本文針對奶牛養殖場糞污減量的實際需求，從奶牛養殖現狀入手，在查閱文獻的基礎上系統總結分析養殖場用水特征、變化規律及影響因素，以期為后續糞污減量研究提供有益參考。

1 奶牛養殖用水特征

1.1 國外奶牛養殖用水特征

1.1.1 國外奶牛養殖特點

從世界范圍來看，美國、新西蘭、德國等發達國家奶業的發展，都經過了上百年的歷史才走向了健康持續的軌道[1-2]。以奶牛飼喂方式和發展模式劃分，奶牛養殖總體可分為3 種類型：一是以美國為代表的大規模工廠化奶牛養殖，養殖體量大、飼養管理水平高、資本和技術投入密集、產出效率高；二是以荷蘭、德國和法國為代表的適度規模養殖，以家庭式飼養方式為主，牛群規模較小，存欄規模主要以50～100 頭為主，采用舍飼和放牧結合的方式；三是以新西蘭和澳大利亞為代表的現代草原畜牧業模式，以放牧為主，牛群規模一般控制在500頭（泌乳牛）左右[3]。

1.1.2 國外奶牛養殖用水構成

奶牛養殖用水一般包括飲用水、噴淋水、清潔用水以及消毒牛舍和設備的相關用水，因氣候、養殖規模、擠奶廳類型等不同，用水構成略有差異。以放牧為主的奶牛場夏季沒有噴淋用水。常用的擠奶廳包括魚骨形擠奶廳和自動擠奶廳（實現擠奶過程的自動化，減少勞動力消耗，使養殖場時間管理更加靈活），前者的清潔用水分布相對復雜，包括清洗牛奶罐和擠奶設備、清潔奶牛乳房、清洗地面等用水；自動擠奶廳主要包括自動擠奶單元用水（擠奶機器人、牛奶預冷、輔助熱水）、清洗擠奶區域用水和其他用途用水[4-6]。

1.1.3 用水特征及影響因素

1.1.3.1 奶牛飲用水及飲水環節

奶牛場用水受其地理地域、養殖規模、牛群結構等諸多因素影響，但主要包括飲用水和清潔用水兩大部分，尤以飲用水為主。研究表明，奶牛的日需水量為14.2～171.4 L，其中飲水約占83%，其余通過飼料和代謝水來滿足[7-8]。飲用水攝入量主要受以下因素的影響[9]：（1）與奶牛相關的因素，即品種、年齡、性別、體質量和生產力；（2）環境因素，如環境溫度、相對濕度、水溫和季節變化；（3）飼料干物質、蛋白質含量和水質。在眾多文獻中，關于泌乳牛飲用水的研究最為豐富。Nagypál 等[10]根據糧農組織（Food and Agriculture Organization）2018的數據，計算了奶牛場不同生長階段奶牛飲用水日均消耗量，分別為泌乳牛114 L、干奶牛42 L、育成牛25 L、犢牛7 L。不同養殖規模和泌乳牛比例對飲用水量也有明顯影響，牛群規模為 320、1 400 頭和 2 210 頭的奶牛場，對應泌乳牛比例為92%、75%和59%，單頭日均飲水量分別為90.6、67.1 L 和44.8 L。Michael 等[7]研究結果表明，擠奶廳類型對飲用水也具有明顯影響。表1 顯示，在自動擠奶廳方式下，平均飲用水量為（88.02±7.80）L·頭-1·d-1，變異系數為0.09；魚骨形擠奶廳中，平均飲用水量為（63.98±9.65）L·頭-1·d-1，變異系數為0.15。前者的變異性較小，耗水量相對穩定，兩種擠奶廳奶牛耗水量差異顯著（P＜0.05）。

國外學者根據影響飲用水攝入量的諸多因素如產奶量、活體質量、飼料的干物質含量、干物質攝入量、一年中的產奶天數、降雨量、環境溫度等建立了泌乳牛飲水用量的預測模型（表2）。由表2 可知，并非所有模型使用相同的變量來估計飲用水攝入量，而且有些變量是相互依賴的。例如，干物質攝入量取決于動物的活體質量，產奶量取決于干物質攝入量。Meyer 等[12]和Murphy 等[13]研究中還包括了一年的平均或最低溫度。在眾多因素中，產奶量影響最大，其次是攝入的干物質量、活體質量和環境溫度，值得注意的是，利用模型來預估泌乳牛的攝水量，建立的預測都應被用作攝水量的近似值，而不是絕對值。

表1 自動擠奶廳和魚骨形擠奶廳中奶牛消耗水量（L·頭-1·d-1）Table 1 Water consumption by cows in automatic milking parlors and herringbone milking parlors（L·cow-1·d-1）

除攝入體內的飲用水外，奶牛飲水環節浪費和流失的水量也不容忽視。有研究表明：由于飲水槽浮球或浮子設置不合理，飲水槽中至少有10%的水被浪費，以3 000頭母牛、64個飲水槽牛場為例，每年約有18.8～37.6 t 水流入蓄糞池，而飲水槽清洗或清空導致的損失量可達到飲水量的15%[16]。

1.1.3.2 清潔用水

擠奶廳清潔用水是牛場清洗水的主要組成部分，研究相對較深入。Michael等[7]對比了不同擠奶廳類型清潔用水量變化，結果表明自動擠奶廳需水量為（28.6±14.8）L·頭-1·d-1，魚骨形擠奶廳需水量達到（33.8±14.1）L·頭-1·d-1，其中在魚骨形擠奶廳的清潔用水中，清洗牛奶箱需100 L·d-1、清洗擠奶設備需700 L·d-1、奶牛乳房清洗用量為300 L·d-1，地面的清潔用水為 2 000 L·d-1；KTBL[17]估算魚骨形擠奶廳的清潔用水量結果為2 L·m-2。Chapagain 等[18]估算奶牛場清潔用水量為22 L·頭-1·d-1。Nagypál等[10]研究表明，養殖量為320頭（A）、1 400頭（B）和2 210 頭（C）養殖場的清潔用水總量分別為900、7 700 L·d-1和1 450 L·d-1，其中清洗牛奶箱的用水量分別為500、1 200 L·d-1和370 L·d-1；奶牛場A和C清洗奶牛乳房的用水量分別為100 L·d-1和326 L·d-1；A 和B 清洗地面和擠奶設備的用水量分別為300 L·d-1和6 500 L·d-1。由此可見，牛場不同結構特別是擠奶廳類型、養殖規模對清洗水用量影響較大，同時還應關注擠奶廳不同設備清洗流程的影響。

表2 奶牛飲用水攝入量的預測回歸方程Table 2 Regression equation for predicting drinking water intake of dairy cows

1.1.3.3 用水量與產奶量的關系

單位產奶量（1 kg）的耗水量是衡量奶牛場用水效率的重要指標。Eide[19]在一項生命周期評估研究中估算，挪威每千克牛奶的清潔用水量為0.3 L；Nagypál 等[10]研究表明，養殖量為320、1 400 頭和2 210 頭的奶牛場，每生產1 kg 牛奶所需的清潔用水分別為 0.13、0.38 L 和 0.071 L；Jensen[20]和Rasmussen 等[21]對自動擠奶廳用水進行了優化，其每千克牛奶清潔用水量為0.2～0.4 L；Michael 等[7]的研究表明，自動擠奶廳和魚骨式擠奶廳清潔用水以每千克牛奶計分別為0.8 L 和1.3 L。Shortall 等[22]對 7 個奶牛場的調研結果顯示，生產1 L 牛奶總用水量為3.7 L。近20 年來，大量研究集中在估測牛奶生產中的用水量，其結果為飲水量與產奶量之比約為2.8∶1，如將奶牛場所有用水計算在內則該比率接近4～5∶1[16]。雖然不同研究中單位產奶量的耗水量相差明顯，且關注的環節不同，但該指標在用水分析中明顯更科學、更具有代表性。

1.2 國內奶牛養殖用水特征

1.2.1 我國奶牛養殖區域分布與養殖模式

與國外特別是歐洲奶牛養殖相比，我國奶牛養殖突出表現為規模化程度高、養殖體量更大等特點，主要采用拴欄和散欄的非放牧式集中飼養方式。據統計，2010—2018 年間，奶牛存欄量從1 037.7 萬頭增加到1 210.8 萬頭（圖1），規模化（存欄100 頭以上）養殖占比從30.6%提高至61.4%，到2019 年進一步提升至64.0%（圖2）。同時，奶牛優勢區域在全國奶業中的地位不斷攀升。2018 年，華北、西北、東北 3 大奶牛優勢產區的奶牛總存欄規模達到704.8 萬頭，占全國總量的67.9%，牛奶產量占全國總量的74.3%（圖3）。

1.2.2 奶牛養殖用水構成

我國奶牛養殖及區域分布特點決定了用水構成，這與國外有較明顯的區別。靳爽等[23]對華北地區99 家規模化奶牛場用水情況進行調研，分析表明：奶牛飲用水占比最高，達到60%以上，其次是擠奶廳用水約占20%，夏季噴淋降溫用水為季節性用水約占15%，消毒清潔用水約占5%（圖4）。王建等[24]調研了北京地區25 家規模化奶牛場，用水結構與靳爽等的調研結果一致，但所占比例差別明顯。總體上，國內奶牛場用水分4 類，用量最多的為飲用水、其次為擠奶廳用水和噴淋用水，消毒清潔用水占比較小。

1.2.3 奶牛場用水特征及影響因素

1.2.3.1 飲用水

奶牛飲用水用量受多因素影響[25-26]。其中牛齡對飲用水的影響最大，根據唐麗紅[27]的研究結果顯示，1～3個月的犢牛飲水量約10 L·頭-1·d-1，3～6個月的犢牛約15 L·頭-1·d-1，青年母牛約30 L·頭-1·d-1，泌乳牛為奶牛場飲用水消耗的主體，可高達 135 L·頭-1·d-1，日飲用水占不同牛齡飲用水總量的62.1%～66.7%[28]，而且奶牛場飲水用量與泌乳牛占牛群比例呈正相關。氣候和溫度是影響奶牛飲水量的另一個重要因素。夏季泌乳牛飲水量可達100～150 L·頭-1·d-1，冬季飲水量則降低為50～80 L·頭-1·d-1[26]。韋人等[29]的研究結果顯示，夏季高溫季節奶牛飲水量一般增加20%～50%，高產奶牛則增加80%以上。除以上兩個主要因素外，對于泌乳牛而言，產奶量是影響飲用水量變化的最直接因素，研究顯示，日產奶15 kg 的泌乳牛飲水量為 50 L·頭-1·d-1，日產奶30 kg 的泌乳牛飲水量則提升到90～110 L·頭-1·d-1[29]。

1.2.3.2 擠奶廳用水

擠奶廳是奶牛場的“心臟”，擠奶廳運行的好壞直接關系到泌乳牛的健康和奶牛場的經濟效益[30]。為保證擠奶廳的環境衛生，需在擠奶廳投入大量清水和清洗劑。牛群數量、擠奶廳類型和清洗流程是影響擠奶廳用水的主要因素。泌乳牛數量對擠奶模式、奶廳布局影響較大，目前魚骨式和并列式是最經濟的擠奶廳結構，比較適合我國目前精養的管理模式[31]，近年來，部分大型奶牛場逐漸轉向智能化程度更高的轉盤式擠奶器。在筆者調研的養殖場中，單位泌乳牛的擠奶廳用水量隨牛群數量增加呈下降趨勢，同時與奶牛場的管理水平密切相關。

擠奶廳清洗主要包括擠奶設備、貯運設備清洗和擠奶臺、待擠區沖洗等。其中擠奶臺和待擠區沖洗用水量較大，約6～12 L·頭-1·d-1。擠奶設備的清洗是擠奶廳清洗流程最關鍵的環節，一般用水量為6～10 L·頭-1·d-1。擠奶桶、盛奶桶、奶槽（缸）、運輸奶罐及其管道[32]等貯運設備每次使用后都需要清洗，流程一般為：溫水清洗-熱堿（或酸）水循環清洗消毒-清水沖洗，用水量一般為3～5 L·頭-1·d-1。

1.2.3.3 噴淋用水

熱應激反應是影響奶牛夏季產奶量的最重要原因。噴淋結合強制通風是緩解高溫條件下奶牛熱應激的有效手段。根據奶牛活動區域不同，噴淋又分為舍區噴淋和擠奶廳噴淋兩部分。影響舍區噴淋用水的最主要因素是氣候特點。我國南北方溫度、濕度差異較大，顏志輝[33]采用熱應激評價指標對全國范圍進行了應激分區，結果表明：南部地區、東部地區、中西部以及華北地區夏季熱應激情況比較突出，東北地區熱應激較弱。根據熱應激程度不同，不同地區應對的主要方式也有所不同，北方以噴淋+風扇[34]為主，通過溫濕度指數（THI）調控，噴淋系統噴淋水量為150～170 L·h-1[35]；南方地區濕度較高，濕簾+風扇的效果強于一般噴淋風扇模式[36-37]，通常采用溫度、濕度和風速指數（ET）調控。除牛舍外，擠奶廳的待擠區同樣是熱應激反應的高發區，尤其是高產奶牛對熱應激更加敏感[38]，而噴淋+強制通風可以有效減少待擠區的熱應激情況。

表3 紅外感應噴淋系統節水效果[42]Table 3 Water saving effect of infrared induction sprinkler system[42]

隨著養殖水平的不斷提高，噴淋設備及系統對噴淋水用量的影響越來越大。研究發現，在使用噴淋的奶牛場內，隨著噴嘴孔徑增大，水滴平均粒徑增大，噴淋流量增大，蒸發降溫時間加快，可以更好地解決奶牛熱應激現象[39]。近年來，基于 THI（ET）的自動控制系統得到廣泛應用，蘇衍箐[40]對比了自動噴淋[41]與傳統噴淋的降溫效果，結果表明，采用自動噴淋系統有效降低了噴淋用水量。薛玉蛟[42]在京津地區兩個牧場對夏季噴淋用水進行了跟蹤監測，對比分析了紅外感應噴淋系統與傳統噴淋系統對水量、產奶量等的影響，結果表明采用紅外感應噴淋系統使單個噴頭耗水量從630 L·d-1降低至315 L·d-1（表3）。

2 節水環節與節水措施

2.1 節水重點環節

綜合分析奶牛場用水特征，結合實際生產需要，飲用水、擠奶廳用水和噴淋用水應是奶牛養殖場重點節水環節。在保證足夠、及時、潔凈的飲用水供給前提下，提高飲水效率、減少過程損失是節約飲用水的重點。在筆者調研的奶牛場中，飲水器清洗直接排放的水量可占到飲水量的10%～20%，部分老舊飲水器可高達40%。多點布設飲水器、縮短飲水運動距離、改進飲水器清洗方式等具有很好的節水效果。擠奶廳用水在引入自動清洗系統后，較傳統擠奶方式實現了源頭控水，同時由于奶牛場管理水平逐漸提高，部分奶牛場實現了用水績效制，有效減少了擠奶廳用水。但擠奶廳清洗流程中溫水清洗-熱堿（或酸）水循環清洗消毒-清水沖洗的用水方式仍具有較大的節水回用空間。噴淋用水中舍內噴淋是節水的重點環節。近年來，基于THI（ET）的自動控制系統得到廣泛應用，在降低了噴淋用水量的同時保證了奶牛的正常生理狀況。但針對不同區域、不同飼喂模式下，提高控制精度和準度對進一步節省噴淋用水非常必要。因此，飲水器的改進、擠奶廳清洗流程的節水、回用和舍內噴淋的自動化與智能化是奶牛場節水的重點方向。

2.2 節水技術設備

飲水器的改進主要集中在槽體的改造和電加熱環節。楊光[43]申請了一種自潔式奶牛飲水碗發明方案，主要通過奶牛需要飲水時供水、飲完后及時排出剩余水的方式抑制水碗中微生物的生長，降低耗水量。李欣等[44]研究了寒冷地區利用太陽能和電熱水槽為奶牛提供熱水的聯合工程，在舍外氣溫-25.3 ℃、舍內氣溫-2～-3 ℃的條件下，太陽能熱水工程可提供14.6 ℃的飲用水，提高了奶牛的飲水量，減少了剩余水的排放。濮陽市天然林牧業科技開發有限公司[45]、安徽永牧機械集團有限公司[46]分別研究了帶自動過濾系統的奶牛飲水裝置和循環清洗式奶牛飲水槽裝置，從原位凈化再利用和節水清洗的角度增加了奶牛飲水器的效率。

擠奶廳清洗流程的節水與回用主要分為清洗系統分類回收利用、系統節水殺菌和末端處理回用3 種設備，這是奶牛場減污節水的重要措施。清洗系統分類回收由翟中葳、張克強等[47]通過消毒液分類收集系統將污水、堿性污水混合物、酸性污水混合物以及清水分別收集至不同的裝置中用于后續分步處理和利用，該系統可有效分離出可利用的清水并用于回用，達到源頭減量循環利用的目的。系統節水殺菌設備中，趙增友[48]利用臭氧水氣對擠奶廳集乳罐管道進行滅菌消毒，節約了集乳罐管道的清洗用水。趙潤[49]利用儲奶罐沖洗及高壓蒸汽殺菌系統節約了儲奶罐的殺菌用水。末端處理回用設備中，楊鵬[50]利用多級A/O-植物凈化的組合工藝實現了奶廳廢水低成本處理，出水用于奶廳的回用，增加了水資源的利用效率。

舍內噴淋的自動化與智能化是對老舊噴淋系統隨意噴、隨時噴的現代化改造，也是奶牛場用水減量的主要措施。山東農業大學[51]提出一種奶牛數字化精準養殖系統，通過多系統監控奶牛生理狀態和環境情況控制噴淋系統的運行。在此基礎上，舍內噴淋分別發展了以圖像采集設備（北京海益同展信息科技有限公司）[52]、光感設備（寧波新奧稱重設備有限公司）[53]、紅外熱像（北京市畜牧業環境監測站）[54]、牛群數量和呼吸率傳感器（中國農業大學）[55]和紅外感應（北京恒源信環境控制技術有限公司）[56]等一系列識別系統與噴淋控制系統的聯動設備，這些均從精確噴淋的角度實現了節水功能。天津嘉立荷牧業集團有限公司[57]突破固定式噴淋，提供了一種安裝在牛背上、實時監測實施噴淋的噴淋背包系統，進一步降低了噴淋用水。

3 結論與展望

節水是奶牛場糞污源頭減量的關鍵措施。飲用水、擠奶廳用水和噴淋用水是奶牛場節水的重要環節。奶牛飲用水方面，現階段技術設備主要集中在提升飲水效率、減少飲水環節浪費從而實現節水的目的；擠奶廳用水方面，更新換代擠奶設備，制定嚴格的節水管理制度，在此前提下，針對清洗環節用水的分類、處理、回收、再利用正逐步開展；噴淋用水中舍內噴淋是節水的重點，以精準養殖為核心的多種奶牛點位識別系統正逐漸取代以往的無節制噴淋。

圍繞奶牛場節水減排，后續應在用水特征與規律、節水技術設備及相關標準方面開展深入研究：（1）深入開展用水特征研究。規模化奶牛場用水貫穿養殖全過程，用水特征及規律受諸多因素影響。后續應統籌生產和污水減量、生態環保，圍繞養殖全過程深入開展不同規模、不同養殖方式等條件下的用水特征研究，揭示生產用水與糞污產出間的規律與內在聯系，建立函蓋多要素的預測與評估模型，為科學飼養和糞污減量提供科學支撐；（2）加強節水技術設備研發。在飲水器的改進方面，對于飲水器清洗廢水的回收再利用尚無人提及；擠奶廳清洗流程的節水與回用方面，酸堿液的復式利用、廢水分類系統與CIP 系統的有效銜接、高效清洗系統的研發仍需要更深的研究；舍內噴淋方面，低溫噴淋系統、奶牛體內降溫措施有待開發；（3）建立奶牛場用水及排放相關標準。規模化奶牛養殖是復雜的系統工程，節水涉及生產各環節，受多元素的制約和影響，與實際生產結合緊密。亟需編制相關技術規程，指導企業應用。因地制宜地制定和完善用水和廢水排放標準，為加強用水管理、嚴把排放關口提供依據，從而提高奶牛場用水效率，實現養殖過程污染源頭減量，為形成奶牛場污染防治整體解決方案提供科技支撐。