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第35卷 第11期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.11 2019年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2019 175 遮阳网对西北地区夏季围栏牛场环境和肉牛生理特征的影响 陈昭辉1,2，熊浩哲1,2，张霞霞1，刘继军1,2，林 梁3 （1. 中国农业大学动物营养学国家重点实验室，北京 100193； 2. 中国农业大学动物科技学院，北京 100193； 3. 张掖市祁连牧歌有限公司，张掖 734000） 摘 要：为了研究遮阳网在中国西北地区应用于围栏育肥牛场以缓解夏季肉牛热应激的效果，该试验对现场环境指标进行实测，同时对肉牛的皮肤温度、呼吸频率进行了记录，通过数据分析，对不同时段牛场的温热环境进行了评价。结果表明：遮阳网在各个时段都能改善肉牛生长环境，在午时可减少87%的太阳辐射，使温度降低3.95 ，黑球温度降低19.9%，从而将环境从严重热应激状态转变为中度热应激状态；中午肉牛的躺卧行为百分比从14.21%升高至59.9%（P0.05，下同。遮蔽区记为S，非遮蔽区记为NS，下同。 Note: During the same period of time, different capital letters indicate that there is a extremely significant difference in the values within the same line of data with, P0.05, Same as below. The shaded area is denoted as S and the non-shaded area as NS, Same below. 2.1.2 环境综合评价 试验期间围栏育肥牛场各环境综合指标值如表4所示。由表4可知，在各个时段，遮蔽区的各项环境评价指标均低于非遮蔽区；午时非遮蔽区的环境会给牛群造成巨大的热应激，其中THIadj、BGHI与HLI的平均值分别为86.24、92.98、93.89，均超过了各自的上临界值，因此可判读午时肉牛处于严重热应激状态；遮阳网能降低热应激程度，其中以午时HLI值的降低幅度最为明显。与非遮蔽区相比，遮蔽区HLI值降低了9.09，环境由严重热应激状态转变为中度热应激状态；在傍晚，由于太阳直射角度的改变，各项环境综合指标均在其下临界范围内，同时遮蔽区与非遮蔽区的各项环境指标之间无差异（P0.05）。说明此时环境适宜，且遮阳网对环境的影响程度小，不能改善环境的热应激程度。 表4 环境综合指标值 Table 4 Values of environmental composite parameters 早Morning 午Afternoon 晚Evening 参数Parameter NS S NS S NS S THI 75.95± 2.85A 68.87± 2.52B 79.63± 3.14A 76.31± 2.99B 73.83± 3.01a 73.79± 2.98a THIadj 78.50± 2.82a 73.25± 2.53b 86.24± 3.81A 79.13± 3.36B 77.96± 3.55a 77.72± 3.32a Tbg 32.71± 4.07A 27.42± 3.52B 43.38± 4.88A 36.18± 3.94B 34.12± 4.12a 33.81± 3.78a BGHI 82.86± 3.21A 75.75± 3.45B 92.98± 2.98A 85.06± 3.15B 83.58± 2.61a 83.22± 2.46a HLI 84.19± 2.71A 76.09± 2.56B 93.89± 4.46A 84.80± 3.58B 84.99± 3.98a 84.18± 3.71a 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 178 2.1.3 生理特征测定结果 试验期间牛场遮蔽区与非遮蔽区未隔开，肉牛可自由活动。各时段对肉牛皮温、呼吸频率的记录如表5所示。经测量，7:00、14:00、19:00肉牛各时段的皮温分别为（30.45±3.38）、（35.24±2.50）、（31.76±2.56），且三者之间存在显著差异（P0.05）；呼吸频率分别为（44.63±10.04）、（48.74±11.32）、（34.93±8.63）次/min，且三者之间存在显著差异（P0.05）。 表5 皮温及呼吸频率的测定结果 Table 5 Values of skin temperature and respiratory rate 时间 Time 皮温 Skin temperature/ 呼吸频率 Respiratory rate/(次min-1) 早Morning 30.45±3.38Ab 44.63±10.04Ab 午Afternoon 35.24±2.50B 48.74±11.32Ac 晚Evening 31.76±2.56Ac 34.93±8.63B 研究表明，在适宜的环境温度下，牛的呼吸频率为2040次/min，皮温为38.5 左右。热应激状态下肉牛通过增加呼吸频率来增加蒸发散热8，当产热量超过散热量时，动物的体温就会升高24。试验结果显示：各时段肉牛的皮温均在38.5 以下，但早晨肉牛的呼吸频率为44.63次/min，午时为48.74次/min。由此可以判断，牛群在早、午时段均处于热应激状态，且午时的热应激程度更高。傍晚的呼吸频率在适宜范围内，说明此时牛场的环境较为舒适，动物无热应激反应。 2.2 热环境对肉牛的影响 2.2.1 热环境对肉牛生理特征的影响 在热应激条件下，机体交感神经兴奋导致体温升高，散热困难。机体通过加快肺通气量加快呼吸散热，此时表现为呼吸频率升高，机体易发生呼吸性碱中毒。严重时，会导致肺部、出血、呼吸功能衰竭等症状。故呼吸频率与环境温热条件存在极大的相关性。结合表4与表5可知，肉牛皮温与呼吸频率的变化特征与热应激程度变化相似：早晚皮温与呼吸频率较低，中午最高。现将各环境综合指标按照遮蔽区与非遮蔽区分类，与肉牛呼吸频率和皮温的线性相关关系如表6所示。 表6 环境综合指标与肉牛生理特征之间的相关系数 Table 6 Correlation coefficient between all comprehensive environmental parameters and physiological characteristics of beef cattle 区域 Area 环境综合指标Comprehensive environmental parameters 皮温 Skin temperature 呼吸频率 Respiratory rate NS Tbg THI THIadj BGHI HLI 0.53* 0.47* 0.48* 0.38* 0.48* 0.20* 0.14 ns 0.19 ns 0.15 ns 0.15 ns S Tbg THI THIadj BGHI HLI 0.44* 0.40* 0.42* 0.40* 0.45* 0.17* 0.14 ns 0.17 ns 0.15 ns 0.16 ns 注：*表中该环境综合指标和生理特征之间显著相关，P0.05，ns表示该环境综合指标和生理特征之间不显著相关，P0.05。 Note: * indicates there is a significant correlation between the environmental comprehensive parameters and physiological characteristics, P 0.05. 由表6可知，对于肉牛皮温而言，相关度最高的环境综合指标为非遮蔽区的黑球温度，相关系数为0.53，二者线性关系见图3。对于呼吸频率而言，各指标与呼吸频率的相关系数均偏低，相关关系不明显，其中相关系数最高的指标同样为非遮蔽区的黑球温度，二者相关系数为0.20，其次为遮蔽区的HLI，相关系数为0.17。 图3 皮温与非遮蔽区黑球温度线性关系 Fig.3 Linear relation between skin temperature and black-globe temperature in no shaded area 2.2.2 热应激对肉牛行为的影响 在试验期间观察到，随着热应激水平的增加，牛群更加倾向于在遮蔽区活动，且在中午躺卧行为多发生在遮蔽区。对于牛群站立、躺卧、采食、饮水行为的百分比在各个时段的分布如表7所示。结果表明在不同时段，肉牛的主要行为表现出一定的差异：从早晨到中午，肉牛的躺卧比例从14.21%升高至59.9%（P0.01），而站立的百分比从64.5%降低到29.7%（P0.01），说明遮蔽区牛群的热应激水平较低，肉牛无需维持站立姿势增加机体散热量；傍晚肉牛的行为与早晨相似，超过一半的肉牛表现为站立，采食与躺卧的百分比较为接近；各时段肉牛饮水的倾向不明显，均低于3%。根据上述结果，认为整体而言，肉牛的热应激程度不高。此外，牛场另饲有黑色被毛的安格斯牛，与被毛红白相间的西门塔尔牛相比，其趋向遮蔽区的行为更明显，躺卧的百分比也更高，如图4所示。 表7 不同时段牛群行为 Table 7 Beef cattle behavior during different times % 时间 Time 采食Eating 饮水Drinking 站立standing 躺卧Lying 早Morning 18.41 2.59 64.50 14.21 中Afternoon 9.91 0.97 29.70 59.90 晚Evening 25.94 2.28 52.74 20.01 图4 安格斯牛更倾向于在遮蔽区停留 Fig.4 Angus tend to stay at shaded area 第11期 陈昭辉等：遮阳网对西北地区夏季围栏牛场环境和肉牛生理特征的影响 179 3 讨 论 遮阳网可通过减少热辐射从而达到明显的降温效果。Schütz 等25研究发现，在试验期间，太阳辐射减少50%或99%的遮蔽区的环境温度始终保持在25 以下，且与同一时间的非遮蔽区相比，分别降低了日均温度2 和3.8 。Eigenberg等26研究发现，黑色塑料材质的遮阳网平均可减少60%的太阳辐射，同时可减少22%处于严重热应激状态的牛的数量。Brown-Brandl等7研究了不同遮蔽程度的遮阳网对环境的影响，结果表明与不采取任何遮蔽措施相比，任意程度的遮蔽都能降低黑球温度和太阳辐射，并且中午的遮蔽效果最明显：最多可使太阳辐射降低86.8%，黑球温度降低11.9%。本试验实测结果表明，遮阳网在午时最多可减少87%的太阳辐射，使温度降低3.95 ，黑球温度降低19.9%，同时将环境从严重热应激状态转变为中度热应激状态，其遮阳降温结果与上述试验结果相似。此外有研究表明，在炎热气候下，采取遮蔽措施会延长牛的采食时间和增加干物质摄入量，从而提高日增质量27-28。因此，可以认为试验期间采取的遮蔽措施对肉牛生产性能有积极影响。 通过肉牛行为，认为遮阳网可以改善夏季温热环境，降低热应激程度，提高动物福利。试验期间，观察到肉牛在中午使用遮阳网的频率高于早、晚时段。Tucker等5在研究夏季奶牛行为与热应激的试验中发现，在太阳辐射值较高的日子里，为应对增加的热负荷，奶牛在遮蔽区停留的时间会延长，当环境温度超过25 时，牛群使用遮阳网的次数会增加；且在一天内，在太阳辐射值最高的时候，遮阳网的使用率达到峰值，这与本试验观察到的现象相吻合。研究表明，动物采取站立的姿势可以最大限度地增加暴露在环境中的表面积，以增加身体周围的空气流动24。Zahner 等29-30的研究发现，在炎热的夏季，牛群会通过减少躺卧和采食行为来对热负荷做出反应。本试验发现在达到严重热应激条件的中午，肉牛更倾向于在遮蔽区停留，且躺卧行为的百分比较其他行为更高，可以认为由于遮阳网下的小气候环境较为舒适，所以牛群不必采取站立姿势来应对热负荷。Schütz 等31也同样发现遮蔽区牛群的躺卧比例高于非遮蔽区。现有研究表明，深色被毛的牛比浅色被毛的牛对热应激更加敏感32。被毛白色的比利时蓝牛比黑色的安格斯牛的HLI上限高出3个单位，红色安格斯牛比黑色安格斯牛的HLI上限高1个单位18。根据上述结论可以解释试验期间观察到的黑色安格斯牛更偏好于使用遮阳网的现象。 各环境综合指标对肉牛生理特征的影响表明在本试验中，太阳辐射是影响肉牛生理特征的主要因素。研究表明，由于肉牛品种、被毛颜色、生长环境以及测量方法等的不同，各环境综合指标与生理特征之间的相关程度也不尽相同。牛的皮肤温度与其品种和被毛颜色相关，浅色被毛牛的皮温往往偏低，与体温之间相差约3.3 33。同时Kendall等34发现牛群的体温、呼吸频率与气温、THI和HLI之间呈正相关关系。李璟辉等15研究了4个环境综合指标：BGHI、THVI、THI和HLI与西门塔尔肉牛呼吸频率之间的相关性，结果表明HLI与呼吸频率的相关性最大，相关系数为 0.603 81。而在研究综合环境指数（comprehensive climate index, CCI）、HLI、BGHI、奶牛热应激指数（index of thermal stress for cows, ITSC） 4指标与奶牛生理特征的相关性时，发现CCI与荷斯坦奶牛的呼吸频率相关性最大，相关系数为0.36535。此外，Atkins36等利用探测器监测肉牛每日连续变化的生理特征与环境参数时发现，牛的呼吸频率、体温与THI的变化趋势高度一致。而在本试验中，非遮蔽区的黑球温度与皮温的相关性较高，二者的相关系数为0.53；各指标与呼吸频率的相关性较低，最大相关系数仅为0.20，其原因可能是观测的牛的数量较少，导致观测值的标准差较大，造成相关系数偏小。黑球温度主要受太阳辐射的影响，根据其与牛群生理特征的相关性可以推断，太阳辐射对肉牛的生理特征的影响占据主导地位，而遮阳网能通过降低太阳辐射。达到改善肉牛的生长环境，缓解热应激的目的。 4 结 论 本研究对设有黑色塑料材质，针数为4针，透光率约为40%的遮阳网围栏育肥牛场进行了现场环境指标实测，并通过数据分析，最终得出以下结论： 1）现场环境实测结果表明，遮阳网在各个时段都能改善肉牛的生长环境，且午时的效果最为明显：可减少87%的太阳辐射，使温度降低3.95 ，黑球温度降低19.9%，将环境从严重热应激状态转变为中度热应激。 2）肉牛行为的统计结果表明，随着热应激程度的升高，肉牛更倾向于在遮蔽区躺卧，且躺卧比例由14.21%升高至59.9%，站立比例由64.5%降低至29.7%。说明遮阳网下的小气候环境较舒适，能为肉牛提供适宜的饲养环境，提高动物福利。 3）分析各环境综合指标与肉牛生理特性的相关性，结果表明，非遮蔽区的黑球温度与肉牛皮温和呼吸频率的相关性最高，相关系数分别为0.53与0.20，进一步说明了遮阳网能通过降低太阳辐射来达到缓解肉牛热应激水平的目的。 综上，本试验通过环境指标的对比和对牛群生理特性的分析，阐明了遮阳网在中国西北地区围栏育肥牛场中的遮阳降温效果，可为缓解该形式肉牛场的夏季热应激提供参考。 参 考 文 献 1 刘玉凤，杨春，王明利. 中国肉牛产业发展现状及前景展望J. 农业展望，2014(4)：3642. 2 Armstrong D V. Heat stress interaction with shade and coolingJ. Journal of Dairy Science, 1994, 77(7): 20442050. 3 覃智斌，左福元. 肉牛热应激研究进展J. 现代畜牧兽医，2007(9)：5254. 4 Hahn G. L. Dynamic responses of cattle to thermal heat loadsJ. Animal Science, 1999(77): 1020. 农业工程学报（http:/www.tcsae.org） 2019年 180 5 Tucker C B, Rogers A R, Schtz K E. Effect of solar radiation on dairy cattle behaviour, use of shade and body temperature in a pasture-based systemJ. Applied Animal Behaviour Science, 2008, 109(2/3/4): 141154. 6 董晓林，张性雄. 奶牛舍遮阳技术的应用及其要求J. 福建农机，2007(3)：4546. 7 Brown-Brandl T M, Chitko-McKown C G, Eigenberg R A, et al. Physiological responses of feedlot heifers provided access to different levels of shadeJ. Animal, 2017, 11(8): 13441353. 8 Eigenberg R A, Brown-Brandl T M, Nienaber J A, et al. Dynamic Response Indicators of Heat Stress in Shaded and Non-shaded Feedlot Cattle, Part 2: Predictive RelationshipsJ. Biosystems Engineering, 2005, 91(1): 111118. 9 邵燕华. 中国南方地区夏季猪舍降温效果的实验研究D. 杭州：浙江大学，2002. Shao Yanhua. Studies on Cooling Effect of Pig House in Summer in Southern ChinaD. Hangzhou: Zhejiang University, 2002. (in Chinese with English abstract) 10 Silanikove Nissim. Effects of heat stress on the welfare of extensively managed domestic ruminantsJ. Livestock Production Science, 2000, 67(1): 118. 11 Collier R J, Collier J L, Rhoads R P, et al. Invited Review: Genes involved in the bovine heat stress responseJ. Journal of Dairy Science, 2008, 91(2): 445454. 12 蒲启建，王之盛，彭全辉，等. 热应激对不同品种（系）青年肉牛生产性能、营养物质表观消化率及血液生化指标的影响J. 动物营养学报，2017(9)：31203131. Pu Qijian, Wang Zhisheng, Peng Quanhui, et al. Effects of heat stress on performance, nutrient apparent digestibility and blood biochemical indices of different breeds of young beef cattleJ. Chinese Journal of Animal Nutrition, 2017(9): 31203131. (in Chinese with English abstract) 13 鲁煜建，王朝元，赵浩翔，等. 东北地区奶牛夏季热应激对其行为和产奶量的影响J. 农业工程学报，2018，34(16)：225231. Lu Yujian, Wang Chaoyuan, Zhao Haoxiang, et al. Effect of heat stress of dairy cow on its behavior and milk yield in Northeastern ChinaJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 225231. (in Chinese with English abstract) 14 张良，李耀辉，王胜，等. 张掖国家气候观象台常规气象资料检验分析J. 干旱气象，2010(1)：4953. Zhang Liang, Li Yaohui, Wang Sheng, et al. Examination and analysis of meteorological data from Zhangye national climate observatoryJ. Journal of Arid Meteorology, 2010, 28(1): 4953. (in Chinese with English abstract) 15 李璟辉，程琼仪，陈昭晖. 利用呼吸频率比较不同温热指数在牛舍的应用J. 家畜生态学报，2014(7)：3236. Li Jinghui, Cheng Qiongyi, Chen Zhaohui. Comparing different thermal indices with respiration rate application and its in beef cattle barnJ. ACTA Ecological Animals domastic, 2014(7): 3236. (in Chinese with English abstract) 16 Mader T L, Davis M S, Brown-Brandl T. Environmental factors influencing heat stress in feedlot cattleJ. Journal of Animal Science, 2006, 84(3): 712719. 17 Wang Xiaoshuai, Bjerg Bjarne Schmidt, Choi Christopher Y, et al. A review and quantitative assessment of cattle-related thermal indicesJ. Journal of Thermal Biology, 2018, 77: 2437. 18 Gaughan J B, Mader T L, Holt S M, et al. A new heat load index for feedlot cattleJ. Journal of Animal Science, 2008, 86(1): 226. 19 Van Laer E, Moons C P H, Ampe B, et al. Effect of summer conditions and shade on behavioural indicators of thermal discomfort in Holstein dairy and Belgian Blue beef cattle on pastureJ. Animal, 2015, 9(9): 15361546. 20 娄玉杰，周海柱. 肉牛场环境质量及其评价J. 现代畜牧兽医，2010(2)：2627. 21 Hahn G L, Chen Y R, Nienaber J A, et al. Characterizing animal stress through fractal analysis of thermoregulatory responsesJ. Journal of Thermal Biology, 1992, 17(2): 115120. 22 中华人民共和国农业部.NY/T388-1999：畜禽场环境质量标准S. 北京：中国标准出版社，1999 23 刘继军，贾永全. 畜牧场规划设计M. 北京：中国农业大学出版社，2008. 24 St-Pierre N R, Cobanov B, Schnitkey G. Economic losses from heat stress by US livestock industries 1J. Journal of Dairy Science, 2003, 86(5): E52E77. 25 Schütz K E, Cox N R, Tucker C B. A field study of the behavioral and physiological effects of varying amounts of shade for lactating cows at pastureJ. Journal of Dairy Science, 2014, 97(6): 35993605. 26 Eigenberg R A, Brown-Brandl T M, Nienaber J A. Shade material evaluation using a cattle response model and meteorological instrumentationJ. International Journal of Biometeorology, 2010, 54(5): 509515. 27 Gaughan J B, Bonner S, Loxton I, et al. Effect of shade on body temperature and performance of feedlot steersJ. Journal of Animal Science, 2010, 88(12): 40564067. 28 Mitl Hner F M, Morrow J L, Dailey J W, et al. Shade and water misting effects on behavior, physiology, performance, and carcass traits of heat-stressed feedlot cattleJ. Journal of Animal Science, 2001, 79(9): 2327. 29 Zahner M, Schrader L, Hauser R, et al. The influence of climatic conditions on physiological and behavioural parameters in dairy cows kept in open stablesJ. Animal Science, 2004, 78: 139147. 30 Overton M W, Sischo W M, Temple G D, et al. Using time-lapse video photography to assess dairy cattle lying behavior in a free-stall barnJ. Journal of Dairy Science, 2002, 85(9): 24072413. 31 Schütz Karin E, Rogers Andrea R, Cox Neil R, et al. Dairy cows prefer shade that offers greater protection against solar radiation in summer: Shade use, behaviour, and body temperatureJ. Applied Animal Behaviour Science, 2009, 116(1): 2834. 32 Nienaber J A, Eigenberg R A, Mader T L. Comparison of heat tolerance of feedlot heifers of different breedsJ. Livestock Science, 2006, 105(1): 1926. 33 Allen J D, Hall L W, Collier R J, et al. Effect of core body 第11期 陈昭辉等：遮阳网对西北地区夏季围栏牛场环境和肉牛生理特征的影响 181 temperature, time of day, and climate conditions on behavioral patterns of lactating dairy cows experiencing mild to moderate heat stressJ. Journal of Dairy Science, 2015, 98(1): 118127. 34 Kendall P E, Verkerk G A, Webster J R, et al. Sprinklers and shade cool cows and reduce insect-avoidance behavior in pasture-based dairy systemsJ. Journal of Dairy Science, 2007, 90(8): 36713680. 35 Roberto Gomes D S, Alex Sandro C M, Macedo Costa L L. Index of thermal stress for cows (ITSC) under high solar radiation in tropical environmentsJ. International Journal of Biometeorology, 2015, 59(5): 551559. 36 Atkins I K, Cook N B, Mondaca Mario R, et al. Continuous respiration rate measurement of heat-stressed dairy cows and relation to environment, body temperature, and lying timeJ. Transactions of the ASABE, 2018, 61(5): 14751485. Effects of sunshade net on environment of fenced feed lot and physiological characteristics of beef cattle in northwest China in summer Chen Zhaohui1,2, Xiong Haozhe1,2, Zhang Xiaxia1, Liu Jijun1,2, Lin Liang3 (1. State Key Laboratory of Animal Nutrition, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. College of Animal Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 3. Gansu Qilian Pastoral Industry Co., Ltd. Zhangye 734000, China) Abstract: In order to study the effects of sunshade net applied in fenced feed lot in northwest China to alleviate heat stress of beef cattle in summer, this paper was conducted to measure environmental parameters, and recorded the physiological characteristics of beef cattle to evaluate the environment of fenced feed lot in different periods. This test was in Zhangye city, Gansu province (38.55 °N, 100.26 °E). The experiment was conducted from June 2018 to July of the same year. The fence feed lot was 198 m long and 100 m wide. There were 4 rows of cattle pens in the feed lot, each row had 11 columns. The length of each pen was 18 m and the width of 18 m. 2 black plastic shading nets were installed along the diagonal of the second row of cattle hurdles, with a light transmittance of about 40%, providing a shading area of 5.4 m2 for each cattle. Each stall was provided with a drinking tank for beef cattle to drink freely, and the feeding method was manual feeding at 8:00 and 17:00. 12 Simmental crossbred beef cattle with red and white coats were kept in each stall. Measurement parameters included temperature, relative humidity, wind speed, solar radiation intensity, skin temperature of b