奶牛臥床冷水管局部降溫系統應用效果分析

杜欣怡，仲玉婷，施正香，桂錦明

奶牛臥床冷水管局部降溫系統應用效果分析

杜欣怡1,2，仲玉婷1，施正香1,2※，桂錦明1,2

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083； 2. 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083）

為緩解奶牛熱應激，該研究基于奶牛胸頸部熱敏感區產熱及散熱理論，開發了一套臥床冷水管局部降溫系統。該研究在自然通風牛舍，通過水管壁溫與試驗組臥床表面溫度變化測試了系統性能，并通過試驗組與對照組奶牛核心體溫、呼吸頻率、產奶量及躺臥行為的差異分析了系統的應用效果。試驗期間，系統水管壁溫的變化范圍為18～22 ℃，進出水溫差1.7 ℃；試驗組臥床表面平均溫度維持在21～23 ℃，比對照組顯著降低2.1 ℃（<0.01）。結果表明，臥床冷水管局部降溫系統水管壁溫與距進水口的管道長度呈線性正相關關系。當溫濕指數（Temperature-Humidity Index, THI）達到72時，試驗組奶牛核心體溫比對照組降低0.3 ℃（<0.01），呼吸頻率降低9次/min（<0.01），證明臥床冷水管局部降溫系統可有效緩解奶牛熱應激。該研究為牛舍環境局部降溫及緩解奶牛熱應激提供了方法支撐。

溫度；動物；奶牛；熱應激；水冷式臥床；局部降溫

0 引 言

中國夏季多數地區普遍高溫，易引起奶牛熱應激。在熱應激狀態下，奶牛的生產性能、繁殖性能和免疫能力都會受到影響[1]。由于缺乏合理有效的管理手段，輕度和中度熱應激常被忽視[2]。隨著規模化養殖水平的提高，該問題已逐漸成為制約夏季奶牛健康生產的關鍵因素。

“可是，菊啊。”我問到，“在風和水以及陽光都不充足的情況下，你美麗的花朵日益縮小，因此我最開始以為你是越來越沒精神。可是仔細一看卻又不是這樣。花的外形雖然變小了，可是你的美麗卻越來越出眾。一片一片的花瓣像是被研磨出來的一樣閃爍著光澤。這是為什么啊？”

目前，規模化牧場泌乳牛舍多采用舍內散欄飼養模式，常用的降溫方式有風機、風管、噴淋、噴霧、濕簾負壓通風等。風機通過增強牛體周圍空氣對流帶走熱量，且有效改善舍內空氣環境[3]，但當環境溫度較高時則降溫效果不顯著。Wang等[4]研制出一種精準通風系統（Precision Air Supply System, PASS），將風管布置在一定高度，以正壓通風的方式對牛體進行局部降溫；結果表明，該系統可有效延長奶牛躺臥時間，緩解熱應激。程瓊儀等[5-7]也進行了類似的研究，但此種方式耗能較大，且僅在舍內空氣相對靜止時效果最佳。噴淋、噴霧及濕簾負壓通風系統在牛舍應用廣泛，且常與強制通風聯合使用[8-9]。但當濕度較大或牛舍未封閉時，降溫效果有限[10-11]。

針對夏季舍內的高溫高濕環境及風機高能耗問題，李保明等[12]利用地下水對豬舍地板局部降溫效果進行了研究，結果表明該系統在室外氣溫27～34 ℃時，可將躺臥區地板溫度維持在22～26 ℃，基本滿足豬只躺臥的需求。Bastian等[13]開創性提出將橡膠水床墊用作奶牛臥床的傳導降溫方式。模擬結果顯示，水床中的水為10 ℃時，可通過傳導消耗奶牛總產熱的25%。通過廣泛試驗及模擬研究證明，傳導降溫可成為緩解奶牛熱應激的有效機制[14-16]。但由于水床墊覆蓋整個臥床，對低溫冷源要求較高，因此在牛場的應用較少。

綜上可知，目前牛舍內降溫技術多受限于環境條件或存在高能耗的問題；局部降溫系統多針對整個臥床，所需低溫冷源成本較高。因此，本研究基于奶牛熱敏感區散熱模型及奶牛體形特點，設計了一套臥床冷水管局部降溫系統，以期改善臥床局部環境，緩解奶牛熱應激。研究通過現場試驗測試了該系統的降溫性能，并對舍內散欄飼養模式下奶牛生理指標和躺臥行為的變化進行分析，探究該系統的技術可行性，為優化臥床局部降溫系統設計，緩解奶牛熱應激提供理論依據和方法支撐。

設B層中與Aj相關的因素成對比較判斷矩陣經過了一致性檢驗，求得單排序一致性指標為CI(j)，(j=1，…，m)，相應的，平均隨機一致性指標為RI(j)，CI(j)、RI(j)已經在層次單排序時求得，那么B層總排序隨機一致性比例為：

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍布局和降溫系統設計

本文對參加“2018年江蘇省定向錦標賽暨江蘇定向邀請賽”中南京普通高校的部分學生進行隨機問卷調查，共發放150份調查問卷，回收150份調查問卷，刪除無效問卷25份后，有效問卷為125份。

根據奶牛熱敏感區散熱模型及奶牛體型特點[17]，在試驗臥床兩列的擋胸板位置前后分別鋪設DN40鍍鋅水管。冷水管上方覆蓋墊料層厚約3 cm，滿足奶牛安全性與舒適性的需求，下方鋪設0.6 m寬地暖輻射膜，起到保溫隔熱的作用，降低系統的冷量損耗。由于臥床為較窄的長方形，水管采用單蛇形盤管排布，前端于奶牛口鼻處鋪設2根，后端于奶牛胸腹部接觸位置鋪設4根，排管間距60 mm。從奶廳接入200 m深地下水作為冷源，流經臥床降溫后回流至奶廳儲水罐作沖洗使用，管內水流速度為0.3 m/s。

獨立的教育實踐是教師專業能力形成的核心，是體現其專業性的重要標志。秉承這一理念，在課程體系中加大實踐教學課程比重，從教、學兩個方面優化課程教學，把教、學、做結合起來，變教為啟，變學為做，學生在實踐中學習，主動發展。課程設置遵循學生職業能力培養的要求，依據小學教師工作職責、任務，明確勝任其崗位所需的知識、技能、素養等，從而構建最適宜的課程體系。

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗隨機選用76頭健康的荷斯坦泌乳牛，分為試驗組和對照組，每組38頭，中間用臨時隔欄隔開。試驗組奶牛飼養在臥床下安裝有冷水管的區域，其余飼喂及管理措施均保持一致。在試驗組和對照組中各選取5頭2～3胎次、泌乳時間在28～42 d、平均產奶量在38.12～54.83 kg/d之間的高產奶牛，用于核心體溫及產奶量數據的測量。試驗于2019年7－8月進行，由于試驗人員安排及天氣原因，試驗分為2個階段。第1階段為7月20－26日，測試奶牛生理指標及躺臥行為；第2階段為8月3－9日，測試臥床降溫效果。

1.3 測定指標與方法

1）溫濕度指標的測量

環境指標的測量選取試驗組和對照組南北方向上等間距的4個截面，每個截面于臥床上方2.5 m處各選取1個測點，舍外布置2個測點，高度2 m，共布置6個測點。采用HOBO溫濕度傳感器（型號U23-001，美國Onset公司）對數據進行自動采集與記錄，溫度和相對濕度的測試精度分別為±0.2℃和±2.5%，采樣間隔10 min。

在試驗組和對照組兩側等間距選取5個臥床，通過紅外溫度儀（型號希瑪AT380，測量精度±0.2 ℃）測量其表面溫度，每個臥床取9個測點，每測點測量3次，取平均值作為該點的測量值，記錄時間為每天10:00、12:00、14:00、16:00、18:00。臥床水管的進出水溫度采用手持式電子溫度計（型號PX-08，分辨率±0.1 ℃）測量，測量時間為每天11:00、15:00。進水口處分別安裝水表，記錄流量。

2）生理指標測定

本試驗在國家奶牛產業技術體系山西省大同市某試驗站奶牛場進行。試驗牛舍為東西走向，東西兩側為山墻，南北兩側矮墻高2 m，矮墻上方均設置充氣膜保溫墻。舍內采用自然通風，屋脊設有通風窗。夏季南北兩側的充氣膜保溫墻全部打開，整舍形成半開放系統。牛舍長234 m，寬29.64 m，其中飼喂通道和擠奶通道將牛舍劃分為4個區域。試驗區域位于西南方向，共有3組對頭式散欄臥床，每組臥床數為52個，單個雙列式對頭臥欄尺寸為1.2 m×2.5 m，臥床兩端設有飲水槽，如圖1所示。臥欄及頸枷上方均安裝風機，風機氣流方向為自西向東，舍內無噴淋系統。

本研究測定的生理指標包括奶牛核心體溫和呼吸頻率。奶牛核心體溫采用紐扣溫度計（型號DS1922L，精度±0.5 ℃）固定在陰道栓（喜達）上后，置于奶牛陰道內進行連續測量，采樣間隔為5 min。隨機選取試驗組和對照組躺臥狀態的奶牛各3～6頭測量呼吸頻率，采用秒表計數奶牛腹部或胸部在1 min內的起伏次數，每次測量記錄3次取均值，每日測量時間為10:00、12:00、14:00、16:00、18:00。

前人研究認為，THI達到72時奶牛處于輕度熱應激，目前生產中大多以68作為奶牛熱應激的閾值，輕度熱應激68≤THI<72；中度熱應激72≤THI<80；重度熱應激THI≥80[19]。

試驗人員每天9:00－15:00人工記錄試驗組和對照組奶牛的躺臥次數和躺臥時間。采用攝像頭（螢石云）記錄奶牛全天的躺臥情況。

試驗牛舍不受太陽輻射的影響，故選取溫濕指數（Temperature-Humidity Index, THI）作為舍內奶牛熱應激的評價指標。THI的計算公式如下[18]：

第2階段舍內9:00－18:00間溫度變化范圍為21.8～27.8 ℃，相對濕度變化范圍為63.7%～80.6%。早上8:00開始，舍內THI達到68，奶牛處于輕度熱應激狀態；10:20－18:20期間THI達72以上，中午13:00左右THI最高為74.8。奶牛全天37.5%的時間中處于輕度熱應激狀態，31.9%的時間處于中度熱應激狀態。

茅臺圍繞著“酒”進行了許多高質量的研究，并且都取得了可喜成績。從太空誘變育種，到茅臺酒香氣香味特征及功能組分研究；從全面深入探尋對茅臺酒風格特征有主要貢獻的風味物質，到開發大曲風味物質定性分析方法；從開發陶壇容量速測軟件，到建立白酒中三萜物質角鯊烯的定量方法。茅臺逐步建成了食品安全預警、研發、評估、監控四大平臺聯動的食品安全特色管理體系。

1.4 熱應激評價指標選取

4）產奶量記錄

THI=(0.8×T)+((Rh/100)×(T?14.4))+46.4

式中T為干球溫度，℃；Rh為相對濕度，%。

3）行為參數測量

1.5 數據處理

采用SPSS25.0統計軟件對數據進行處理分析，并以平均值±標準差（M±SD）表示處理結果。對照組和試驗組系統水管壁溫變化采用線性回歸方法，分別分析其與距進水口管道長度的相關性；通過單因素方差分析奶牛不同階段產奶量的變化；臥床表面溫度和奶牛的核心體溫、呼吸頻率、產奶量及躺臥行為數據差異顯著性分析采用兩獨立樣本檢驗，<0.05為顯著，<0.01為極顯著。

2 結果與分析

2.1 舍內環境變化分析

本研究測試系統的降溫性能與奶牛的熱應激反應，故試驗于THI較高的7－8月進行。試驗期間，試驗組與對照組環境溫濕度測點均值均無顯著性差異（>0.05），故不區分試驗組與對照組，對整舍環境變化進行分析。

第1階段舍內環境溫度最高為31.6 ℃，最低為17.8 ℃，白天溫度變化范圍為24.1～31.6 ℃，相對濕度變化范圍為34.4%～67.8%。舍內臥床及頸枷處風機全部開啟，且舍內無噴淋裝置。早上7:10開始，舍內THI達到68，奶牛處于輕度熱應激狀態；每日9:00－21:10期間THI均處于72以上，最高時達76.3。奶牛全天50.7%的時間中處于中度熱應激狀態，17.4%的時間中處于輕度熱應激狀態。

我們在地理學習內化過程中，對相關內容主動進行比較、對照和鑒別，不但開闊了眼界、活躍了思維，同時使認識不斷趨于充分趨于深刻。 教學中會遇到許多同構異行或是同行異構的知識內容，在對要素教學和鞏固中，明顯的是有比較才有鑒別。不照本宣科，不本本主義，在相同與相異中辯證剖析，寓意深遠。

牧場采用利拉伐80位轉盤式擠奶系統，每天5:00、13:00、21:00擠奶3次，自動記錄每日產奶量、泌乳頭數、泌乳牛號等情況。

2.2 臥床冷水管局部降溫系統性能測試

本研究依據Gebremedhin文中的熱流傳導模型[20]，通過模擬設定冷水管降溫系統中不同流速與流量，計算得出牛體至臥床的熱通量變化范圍在200～230 W/m2之間。冷水管中流速越高，水泵耗能越大；水溫越低，系統對低溫冷源的要求越高。從經濟性角度考慮，供水溫度15 ℃時，設定系統的流速為0.3 m/s，流量為0.38 kg/s，可使系統的降溫性能滿足要求，此時牛體到臥床的熱通量可維持在200 W/m2以上。本研究通過測量臥床冷水管局部降溫系統水管壁溫及臥床的表面溫度對其降溫性能進行測試與分析。

2.2.1 水管壁溫變化

試驗通過手持溫度計測量管壁溫度，以此來反映管道內水溫的變化情況。第2階段試驗期間，上午11:00舍內平均溫度24.1 ℃，下午15:00舍內平均溫度24.4 ℃，如圖2所示，當環境溫度上升時，水管壁溫上升速率加快。

數據分析發現，在管內流速0.3 m/s的條件下，水管壁溫的變化范圍在18～22 ℃之間，進出水溫差1.7 ℃，且水管壁溫與距進水口的管道長度呈線性正相關關系（<0.01）。

不過，盡管短周期存在周期及基數壓力，空調依然是最為穩固的家電細分板塊，格力美的的雙寡頭地位穩固，維持市場大體穩定，也讓行業均價處于緩慢提升通道。不過從競爭格局來看，二線品牌還能保持一定市場空間，但其它雜牌生存空間則日益狹小。

2.2.2 臥床表面溫度變化

本文根據2017年第四季度證監會行業分類，選取了2010年第一季度至2017年第四季度在證券市場中上市的生產性服務業行業，具體包括交通運輸業、研發技術服務業、信息技術服務業、租賃和商務服務業。“營改增”前后企業稅負及盈利能力變化情況體現“營改增”對企業的影響，選取在2012年之前上市的公司，在200多家家符合條件的公司中，又剔除了ST、*ST的上市公司、數據缺失與連續虧損的企業后，最后僅剩99家企業。本文所用的數據來自于樣本上市公司季度報表以及國泰安數據庫。

有牛體的臥床表面溫度顯著高于空載，奶牛躺臥部分接觸面溫度可達28 ℃，未接觸部分由于牛體輻射散熱，較環境溫度也有所升高。為避免牛體散發的熱量對結果產生干擾，本研究選取空載時的數據分析臥床表面溫度變化。數據顯示，試驗組臥床表面的日平均溫度為(22.1±1.4)℃，對照組為(24.3±1.4)℃，兩者差異極顯著（<0.01）。試驗組臥床表面平均溫度維持在21～23 ℃，與對照組相比降低約2.1 ℃。對試驗組和對照組臥床表面平均溫度的日變化趨勢進行分析，結果如圖3所示。當臥床上無牛體時，對照組臥床表面溫度與舍內環境溫度相近，試驗組與對照組臥床表面溫度變化趨勢與環境溫度變化基本一致。

當奶牛離開臥床后，試驗組臥床表面溫度下降較快，其速率顯著高于對照組（<0.05）。這可能是由于對照組臥床通過空氣及牛糞墊料傳導熱量降溫，散熱性較差，而試驗組可通過降溫系統中的低溫水流帶走多余熱量，迅速降溫繼而實現對臥床表面溫度的控制。

因此，臥床冷水管局部降溫系統不僅可以降低臥床表面溫度，還可對臥床局部環境進行持續調控。臥床上有牛體時，系統通過傳導降溫緩解奶牛熱應激；牛體離開后，系統內低溫水流加速熱交換，使臥床迅速降溫從而保持在相對較低的溫度，一定程度上改善了臥床局部環境。

流坑村內建筑大部分為磚木結構，既有外砌馬頭墻、內懸楹聯匾額的民居邸宅，共墻連體、規模龐大的建筑群，也有登臨遠眺、防衛御敵的門樓，造型別致、雕梁畫棟的宗廟牌樓，這些都反映悠久的歷史和輝煌，也是集歷史文化、建筑藝術、民俗風情為一體的古文化博物館[1]。

2.3 臥床冷水管局部降溫系統應用效果

核心體溫與呼吸頻率都是奶牛熱應激生理反應的敏感指標，其在正常情況下均處于相對穩定的狀態。荷斯坦奶牛核心體溫變化范圍一般為38～39.3 ℃[22]。核心體溫每變化1 ℃，都會對奶牛產生很大的影響[23]。當環境溫度上升時，出于散熱的需要，奶牛呼吸頻率逐漸升高。若呼吸頻率超過60次/min，此時奶牛所處的熱應激狀態已達到能夠影響自身產奶量和繁殖能力的程度[14]。本研究通過測量奶牛核心體溫、呼吸頻率、產奶量以及躺臥時間及頻次的變化來評價臥床冷水管局部降溫系統對緩解奶牛熱應激的應用效果。

沒過一會兒，只聽到噼噼啪啪的一陣聲響，嘎絨跑了出來，他雙手捂著頭，悻悻然離開了，嘴里狠狠地嘀咕著：又不是金屁股！又不是銀屁股！

2.3.1 降溫系統對奶牛核心體溫的影響

為消除奶牛個體間的差異，先對試驗組和對照組奶牛核心體溫值分別做組內正態性檢驗和方差齊性檢驗。試驗組和對照組奶牛全天核心體溫平均值分別為(39.0±0.3)和(39.3±0.6)℃，均滿足正態分布，且組間差異不顯著（>0.05）。

第1階段試驗期間，試驗組和對照組奶牛核心體溫均值日變化趨勢基本一致，試驗組奶牛核心體溫平均值比對照組低0.3 ℃，兩者差異極顯著（<0.01）。早晨7:00之后，兩者差異逐漸增大，并在中午12:00左右達到最大差值，下午16:00左右，奶牛核心體溫達到最低值。試驗牛舍奶牛每天15:00左右到奶廳擠奶，奶廳環境溫度較低，對奶牛生理狀態產生影響。由于核心體溫變化稍滯后于環境變化，16:00之前處于中度熱應激的奶牛從奶廳返回后，核心體溫會有較大幅度的下降，之后又有所回升。凌晨1:00－4:00，由于夜間冷水管降溫系統停止運行，水溫逐漸上升至與環境溫度相近，降溫效果不明顯，故此時段內試驗組與對照組奶牛核心體溫相差不大（圖4）。

2.3.2 降溫系統對奶牛呼吸頻率的影響

第1階段試驗期間，舍內THI最高達76.3，奶牛在7:10－21:10均處于熱應激狀態。試驗組奶牛呼吸頻率為(60±13)次/min，對照組為(63±11)次/min。表1中，根據環境溫度變化分析發現，9:00－12:00試驗組和對照組奶牛呼吸頻率差異不顯著（>0.05），12:00－15:00呼吸頻率差異極顯著（<0.01），15:00－18:00呼吸頻率差異顯著（<0.05）。其中，12:00－15:00試驗組呼吸頻率比對照組低9次/min，差異最大。

表1 局部降溫系統對奶牛呼吸頻率的影響

注：不同小寫字母表示試驗組和對照組差異顯著（<0.05），不同大寫字母表示試驗組和對照組差異極顯著（<0.01）。

Note: There are significant difference between treated and control groups with different lowercase (<0.05), and remarkable difference with different uppercase (<0.01).

本研究中，奶牛呼吸頻率與核心體溫的變化呈現一致性。白天舍內環境溫度隨外部溫度逐漸上升，系統水管中通入冷水后能夠通過傳導和輻射的方式降溫，改善臥床局部環境，最終穩定奶牛核心體溫，緩解奶牛熱應激。

結果表明，當舍內溫度上升至28 ℃左右時，臥床冷水管局部降溫系統可顯著降低奶牛呼吸頻率。但當溫度繼續上升時，系統降溫效果減弱，推測是由于低溫冷源距離較遠，臥床水管內水流溫度有所上升所致。此外，本研究中臥床冷水管局部降溫系統作為一種局部降溫措施，對于整舍環境調控作用有限。在奶牛輕度及中度熱應激時，本系統可作為緩解奶牛熱應激的重要手段；當奶牛產生嚴重熱應激時，本系統亦可進行輔助降溫。

（三）施肥。幼苗期少量追肥促苗早發，以腐熟有機肥為宜。幼苗定植40～50天后，每畝施腐熟有機肥1000千克，施氮、磷、鉀復合肥25千克。進入采筍期，增加追肥次數和追肥量促使營養生長。

李偉等[21]在以地下水作為冷源的豬床冷水管降溫研究中發現，進水溫度與外界環境的溫差越大，則換熱效率越高。本研究中，由于試驗牛場僅有一個位于奶廳的取水口，故使用奶廳地下水作為冷源，與牛舍距離較遠，導致進水溫度有所上升。如果直接使用舍內地下水作為冷源，預計可以取得更好的降溫效果。此外，若管道過長，當管壁溫度逐漸接近舍內環境溫度時，系統降溫性能顯著降低，因此管壁溫度與管道長度的線性關系可為設計適宜的管道安裝長度提供參考。

2.3.3 降溫系統對奶牛產奶量的影響

根據本研究的試驗周期，將產奶量的數據分析劃分為臥床冷水管局部降溫系統運行前、運行中及停止后3個階段。系統運行前，試驗組奶牛平均產奶量為（40.9±7.0）kg/d，對照組為（46.3±6.8）kg/d，兩者差異極顯著（<0.01）。系統運行15 d后，試驗組平均產奶量為（42.6±5.4）kg/d，對照組為（45.7±8.8）kg/d，兩者無顯著性差異（>0.05）。系統停止運行15 d后，試驗組平均產奶量為（41.7±5.6）kg/d，對照組為（41.7±12.4）kg/d，兩者無顯著性差異（>0.05）（圖5）。

熱應激狀態下，奶牛核心體溫上升，干物質攝入減少，同時體細胞數上升，從而導致產奶量降低[24]。因此，熱應激對產奶量的影響具有一定的延時性和持續性。Ominski等[25]認為經歷短期熱應激的奶牛，平均產奶量降低1.7 kg/(頭·d)；熱應激恢復階段，平均產奶量降低1.2 kg/(頭·d)。在試驗開始前，本研究中試驗組和對照組奶牛的產奶量存在顯著差異。隨著試驗的進行，對照組奶牛在系統運行中與結束后2個階段的平均產奶量持續降低，試驗組奶牛平均產奶量與對照組的差距不斷縮小。在系統停止運行后，與對照組相比，試驗組奶牛平均產奶量未出現明顯下降，推測是因為運行期間降溫系統能夠維持試驗組奶牛核心體溫相對穩定，緩解了奶牛的熱應激狀況。

在課程教學改革中，引入創業工作坊教學模式代替傳統教學。以學生工作坊為單位組成創業團隊，有相同愛好、相同興趣，又有不同崗位分工、崗位職責。在課堂中參與小組討論、頭腦風暴、分析問題、解決問題，培養了團隊意識，團隊協作能力，以及跨學科學習專業知識并綜合運用的能力。

2.3.4 降溫系統對奶牛躺臥行為的影響

血清CysC與RBP4聯合檢測對糖尿病早期腎損害的診斷價值較高，任意一個陽性可以避免漏診，雙陽性可以避免誤診，聯合診斷效用高于單獨診斷。

本研究選取每天9:00－15:00的數據分析發現，試驗組和對照組奶牛平均單次躺臥持續時間分別為（52.6±10.5）與（55.8±4.5）min，兩者無顯著性差異（>0.05）。試驗組奶牛躺臥頻次為（2.5±0.4）次，對照組為（3.0±0.6）次，無顯著差異（>0.05）。在第1階段試驗期間，試驗組與對照組奶牛躺臥時間增加，站立時間減少，變化趨勢一致。

Tucker等[26]研究發現奶牛每日平均躺臥時間9.4～14.7 h，平均每天的起臥次數為8.2～14.1次，平均單次躺臥持續時間0.9～1.4 h，本研究中奶牛躺臥行為的數據分析結果符合此規律。試驗組奶牛在試驗前期單次躺臥時間波動較大，試驗后期逐漸接近于對照組，這可能與奶牛對環境改造后的適應期有關。隨著熱應激程度的升高，奶牛通過站立增大散熱面積，躺臥時間減少，站立時間增加，且躺臥時間隨THI的上升顯著降低[1]。此外，臥床舒適度也對奶牛躺臥頻次與時間產生直接影響。系統在安裝時考慮到奶牛胸部到鼻子的距離[17]，在擋胸板位置后開始安裝，保證奶牛躺臥后，乳房的位置不受擠壓。但由于鍍鋅水管材質偏硬，且墊料常被牛蹄剖開，這會對臥床的舒適性產生一定影響，導致在試驗組臥床局部環境顯著優于對照組的情況下，兩組躺臥時間無顯著差異。

3 結 論

本文對奶牛臥床冷水管局部降溫系統進行了應用測試，得出以下結論：

1）在系統內水流速度0.3 m/s的條件下，管壁溫度的變化范圍在18～22 ℃，且與距進水口的管道長度呈線性正相關關系（<0.01）。與對照組相比，試驗組空載臥床表面溫度降低約2.1 ℃（<0.01）。

2）測試奶牛生理指標及躺臥行為試驗期間，試驗組奶牛核心體溫比對照組低0.3 ℃（<0.01）；試驗組奶牛呼吸頻率比對照組最多低9次/min。降溫系統對試驗組奶牛的階段性平均產奶量產生了一定程度的正面影響。

3）研究結果表明，臥床冷水管局部降溫系統可一定程度上改善臥床局部環境，緩解奶牛輕度及中度熱應激。當環境溫度上升至28 ℃以上時，可進行輔助降溫。

本研究中，系統取水口與牛舍距離較遠，導致進水溫度有所上升。若直接使用舍內地下水作為冷源，預計可以取得更好的降溫效果。此外，系統中鍍鋅水管材質偏硬，且墊料常被牛蹄剖開，之后可嘗試改良系統中水管的材質或覆蓋材料，提升系統舒適性。本研究在選取試驗材料時，為避免對牛群和生產產生影響，在試驗組和對照組中僅隨機選取5頭胎次與泌乳天數相近的奶牛，用于核心體溫及產奶量數據的測量與分析。以后的研究中，可擴大樣本量以保證試驗材料處于相近的初始狀態，進一步驗證降溫系統對產奶量的影響。

[1] West J W. Effects of heat stress on production in dairy cattle[J]. Journal of Dairy Science, 2003, 86(6): 2131-2144.

[2] 魯煜建，王朝元，趙浩翔，等. 東北地區奶牛夏季熱應激對其行為和產奶量的影響[J]. 農業工程學報，2018，343(16)：233-239.

Lu Yujian, Wang Chaoyuan, Zhao Haoxiang, et al. Effect of heat stress of dairy cow on its behavior and milk yield in Northeastern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 343(16): 233-239. (in Chinese with English abstract)

[3] Zhao W, Choi C, Li D, et al. Effects of airspeed on the respiratory rate, rectal temperature, and immunity parameters of dairy calves housed individually in an axial-fan-ventilated barn[J]. Animals, 2021, 11(2): 354.

[4] Wang X S, Zhang G Q, Choi C Y. Evaluation of a precision air-supply system in naturally ventilated freestall dairy barns[J]. Biosystems Engineering, 2018, 175: 1-15.

[5] 程瓊儀，劉繼軍，靳薇，等. 冷風機-風管對南方開放式牛舍的降溫效果[J]. 農業工程學報，2014，30(8)：126-134.

Cheng Qiongyi, Liu Jijun, Jin Wei, et al. Effects of cooling fan-duct on cooling performance in open-sided beef barn in Southern China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 126-134. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉統帥，劉繼軍，王美芝，等. 牛舍冷風機-風管上置置換通風系統設計及降溫效果[J]. 農業工程學報，2014，30(19)：240-249.

Liu Tongshuai, Liu Jijun, Wang Meizhi, et al. Design and cooling effect of cooling fan-duct displacement ventilation system with up-fixing diffusers in beef cattle barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(19): 240-249. (in Chinese with English abstract)

[7] Xie L N, Wang C Y, Ding L Y, et al. Heat stress alleviation for dairy cows housed in an open-sided barn by cooling fan and perforated air ducting (PAD) system[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2017, 10(6): 1-10.

[8] Shiao T F, Chen J C, Yang D W, et al. Feasibility assessment of a tunnel-ventilated, water-padded barn on alleviation of heat stress for lactating Holstein cows in a humid area[J]. Journal of Dairy Science, 2011, 94(11): 5393-5404.

[9] 陳昭輝，劉媛媛，吳中紅，等. 噴霧與縱向負壓通風相結合的封閉牛舍降溫效果[J]. 農業工程學報，2016，32(19)：211-218.

Chen Zhaohui, Liu Yuanyuan, Wu Zhonghong, et al. Cooling effects of spraying combined with tunnel negative pressure ventilation in enclosed feedlot barn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 211-218. (in Chinese with English abstract)

[10] Berman A. Predicted limits for evaporative cooling in heat stress relief of cattle in warm conditions[J]. Journal of Animal Science, 2009, 87(10): 3413-3417.

[11] Arbel A, Barak M, Lidor G, et al. Integrated high pressure fogging system with air ventilation and circulation systems for dairy barns cooling[J]. Scandinavian Journal of Work Environment & Health, 2012, 24(2): 130-137.

[12] 李保明，施正香，張曉穎，等. 利用地下水對豬舍地板局部降溫效果研究[J]. 農業工程學報，2004, 20(1)：255-258.

Li Baoming, Shi Zhengxiang, Zhang Xiaoying, et al. Effects of cooling floor for pig house using underground water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 255-258. (in Chinese with English abstract)

[13] Bastian K R, Gebremedhin K G, Scott N R. A finite difference model to determine conduction heat loss to a water-filled mattress for dairy cows[J]. Transactions of the ASABE, 2003, 46(3): 773-780.

[14] Mondaca M, Rojano F, Choi C Y. A conjugate heat and mass transfer model to evaluate the efficiency of conductive cooling for dairy cattle[J]. Transactions of the ASABE, 2013, 56(6): 1471-1482.

[15] Perano K M, Joseph G U, Largus T. Production and physiological responses of heat-stressed lactating dairy cattle to conductive cooling[J]. Journal of Dairy Science. 2015, 98(8): 5252-5261.

[16] Ortiz X A, Smith J F, Villar F, et al. A comparison of 2 evaporative cooling systems on a commercial dairy farm in Saudi Arabia[J]. Journal of Dairy Science. 2015, 98(12): 8710-8722.

[17] 安欣. 基于奶牛體表熱敏感區的局部降溫效果研究[D]. 北京：中國農業大學，2018.

An Xin. A Study Of Partial Cooling Effect Based on the Heat Sensitive Body Surface of Dairy Cows[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[18] Mader T L, Davis M S, Brown-Brandl T. Environmental factors influencing heat stress in feedlot cattle[J]. Journal of Dairy Science. 2006, 84(3): 712-719.

[19] Gaughan J B, Mader T L, Holt S M, et al. A new heat load index for feedlot cattle[J]. Journal of Animal Science, 2008, 86(1): 226-234.

[20] Gebremedhin K G, Wu B X, Perano K. Modeling conductive cooling for thermally stressed dairy cows[J]. Journal of Thermal Biology, 2016, 56(1): 91-99.

[21] 李偉，李保明，施正香，等. 夏季水冷式豬床的降溫效果及其對母豬躺臥行為的影響[J]. 農業工程學報，2011，27(11)：242-246.

Li Wei, Li Baoming, Shi Zhengxiang, et al. Cooling effect of water-cooled cover on lying behavior of sows in summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 242-246. (in Chinese with English abstract)

[22] Silanikove N. Effects of heat stress on the welfare of extensively managed domestic ruminants[J]. Livestock Production Science, 2000, 67(1): 1-18.

[23] Zimbelman R, Collier R. Feeding strategies for high-producing dairy cows during periods of elevated heat and humidity[C]//Proceedings of the 20th Annual Tri-State Dairy Nutrition Conference. Grand Wayne Center, Fort Wayne, Indiana, USA, Ohio State University, 2011: 111-126.

[24] Choi W T, Jalil G N, Moon J O, et al. Dietary supplementation of acetate-conjugated tryptophan alters feed intake, milk yield and composition, blood profile, physiological variables, and heat shock protein gene expression in heat-stressed dairy cows[J]. Journal of Thermal Biology, 2021, 98(1): 1-11.

[25] Ominski K H, Kennedy A D, Wittenberg K M, Moshtaghi S A. Physiological and production responses to feeding schedule in lactating dairy cows exposed to short-term moderate heat stress[J]. Journal of Dairy Science, 2002, 85(4): 730-737.

[26] Tucker C B, Weary D M, Rushen J, Marie A. Designing better environments for dairy cattle to rest[C]//Western Canadian Dairy Seminar. Canada: Advances in Dairy Technology, 2004: 39-53.

Local cooling performance and application effect of cow bed with cooling water pipe

Du Xinyi1,2, Zhong Yuting1, Shi Zhengxiang1,2※, Gui Jinming1,2

(1.,,100083,; 2.,,100083,)

High surface temperature can easily cause heat stress in dairy cows in most tropic areas of China in summer. Heat stress can negatively affect the production and reproductive performance, as well as the immune capacity of cows. Mild and moderate heat stress has also gradually become a key factor constraining the healthy production of dairy cows in recent years, with the improvement of large-scale breeding. However, the current cowshed cooling technology is limited by environmental conditions or high energy consumption. It is highly demanding for the local cooling system in the whole bed suitable for a low-temperature cooling source. In this study, a local cooling system of water pipes was designed to improve the bed environment and alleviate heat stress of dairy cows, according to the heat dissipation of thermal sensitive areas. The experiment was carried out in Datong Experimental Station of the National Dairy Industry Technology System. DN40 galvanized water pipes were laid in front of and behind the breastplate positions of two-bed rows in a naturally ventilated cowshed. The water pipes were covered with a cushion layer about 3 cm thick to meet the safety and comfort needs of cows. A floor heating radiation film of 0.6 m wide was laid below to reduce cooling loss of the system, particularly for heat preservation and insulation. Water pipes were arranged in a single serpentine coil suitable for the narrow rectangle bed, with 2 tubes at the height of mouth and nose of cow, while 4 tubes at the contact position of chest and abdomen of cow, where the space between tubes was 60 mm. The cooling water of the system was first from 200 m deep groundwater in the milking hall, and then flowed through the treated beds in the cowshed to cool down, finally back to the storage tank in the milking hall for washing. The flow rate was 0.3 m/s in pipes. Performance indexes were selected to evaluate the system operation, such as the temperature of the water pipe wall and bed surface. The results showed that the pipe wall temperature varied between 18oC and 22oC under the pipe flow of 0.38 kg/s and flow rate of 0.3 m/s, indicating a positive linear correlation between the pipe wall temperature and the distance of water inlet (<0.01). The surface temperature of the no-load bed decreased by 2.1oC in the treated group, compared with the control. Besides, the application of the system was tested in different core body temperatures, respiration rates, milk yields, and lying behaviors of cows. Specifically, the cows were detected in the moderate heat stress for 50.7% of the day, while the mild heat stress for 17.4% during phase one. The average core body temperature in the treated group was 0.3oC lower than that in the control group, indicating an extremely significant difference (<0.01). The respiratory rate in the treated group was at most 9times/min lower than that in the control group. There was no significant decrease in the milk yield of cows in the treated group. Correspondingly, a similar trend was achieved in the daily changes of core body temperature and respiratory rate of cows for the treated and control groups. Specifically, the cooling system performed better, as the temperature increased. Furthermore, there was no significant difference in the lying-down time between the two groups, even though the local bed environment in the treated group was significantly better than that of the control group. More importantly, a 3 cm thick pad was laid on water pipes to improve the bed comfort, which was installed after the chest plate position to ensure that the region of the udder was not squeezed when cows laid down. Nevertheless, there was an inevitable impact on the bedrest comfort, where the single lying time fluctuated greatly in the initial operation of the system, because the galvanized water pipe was made of hard material, while the cushion was often opened by hooves. The lying time in the treated group gradually approached that in the control group, as the experiment went on. Anyway, the water-cooled bed system can widely be expected to effectively improve the local bed environment in the cowshed, further alleviating the heat stress of cows.

temperature; animal; dairy cow; heat stress; water-cooled bed; local cooling

杜欣怡，仲玉婷，施正香，等. 奶牛臥床冷水管局部降溫系統應用效果分析[J]. 農業工程學報，2021，37(15)：197-203.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.024 http://www.tcsae.org

Du Xinyi, Zhong Yuting, Shi Zhengxiang, et al. Local cooling performance and application effect of cow bed with cooling water pipe[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 197-203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.024 http://www.tcsae.org

2021-06-06

2021-07-19

財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系資助。

杜欣怡，博士生，研究方向為農業物聯網，畜禽養殖環境控制與能源利用。Email：duxinyi2018@163.com

施正香，教授，研究方向為畜禽養殖工藝與環境。Email：shizhx@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.024

S8

A

1002-6819(2021)-15-0197-07