利用呼吸频率比较不同温热指数在牛舍的应用

李璟辉，程琼仪，陈昭晖

(中国农业大学 动物科技学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193)

利用呼吸频率比较不同温热指数在牛舍的应用

李璟辉，程琼仪，陈昭晖*

(中国农业大学 动物科技学院，动物营养学国家重点实验室，北京 100193)

肉牛耐寒怕热，准确评估夏季肉牛舍的环境条件十分重要。为此，在过去的研究中，人们提出了一系列温热指数。为找出在肉牛舍中较为准确的温热指数，论文比较了温湿指数(Temperature-Humidity Index,THI)、黑球湿度指数(Black Globe-Humidity Index,BGHI)、温湿风指数(Temperature-Humidity-Velocity Index,THVI)和热负荷指数(Heat Load Index,HLI)与肉牛呼吸频率的相关程度。结果表明，4个指数与呼吸频率都存在极显著的正相关(P<0.0001)；HLI与呼吸频率的相关系数为0.76075，BGHI为0.69746，THVI为0.7374，THI为0.60381。HLI与呼吸频率的相关性最大，用HLI作为夏季肉牛舍的温热指数最准确。

夏季；肉牛舍；呼吸频率；温热指数

肉牛耐寒怕热，其适宜环境温度为5～15 ℃左右[1-2]。夏季肉牛舍温湿指数(Temperature-Humidity Index,THI)大于78时，肉牛出现热应激，采食量下降约0.4 kg[3]；THI大于84时，热应激严重，肉牛日采食量下降约1.7 kg，出现疾病甚至死亡[3]。要想避免热应激给生产带来的损失，首先应有一个科学的温热指数对牛舍环境进行评估，从而根据评价结果采取适宜的降温防暑措施。

影响畜舍温热条件环境因素有4个：干球温度，潜在的空气热含量(可以用湿度，湿球温度或露点温度等表示)，热辐射和空气流动[4]。这4个因素的综合作用影响了畜禽的辐射、对流、传导和蒸发散热，从而影响了畜禽与环境的热交换。

THI作为最经典的温热指数，存在一定的优越性[4]。THI最初在畜牧业上的应用是预估奶牛在热应激条件下产奶下降量，结果成功地与实际情况相符[5]。在很长的一段时间里，THI被认为是评价畜舍温热因素的最佳指标[4]。但是THI只考虑了温度和湿度两个因素，在不断的研究和发展中，其局限性也逐渐显露出来，从而发展出了一系列温热指数。Buffington等[6]提出了黑球湿度指数(Black Globe-Humidity Index,BGHI)；陶秀萍[7]提出了温湿风指数(Temperature-Humidity-Velocity Index,THVI)；Gaughan等[8]提出了热负荷指数(Heat Load Index,HLI)。本文选取了THI、BGHI、THVI和HLI这4个温热指数，通过相关性分析，比较这些指数与呼吸频率的相关性大小，旨在找到最适合于肉牛舍的温热指数，为今后的肉牛舍温热因素评价研究提供一定的基础。

1 材料与方法

1.1 试验牛舍及试验动物

试验于2013年7～8月进行。试验地点为国家肉牛体系亳州试验站，位于安徽省亳州市(33.55°N,115.39°E)。2栋试验牛舍皆为东西走向，牛舍长25 m，跨度10.8 m，檐高2.8 m，双坡钢屋架无吊顶石棉瓦屋面，牛舍南面为全开放式，北面每开间3.6 m，设1.5 m×1.5 m洞口，窗台高1.1 m。舍内牛床为单走道双列布置。

2栋牛舍各饲养30头体重500 kg、年龄2岁左右的未阉割西门塔尔公牛，拴系饲养，饲槽宽度为1 m/头，随机分配到牛舍的南侧或北侧牛床。每日05∶00和17∶00进行人工喂料、清粪，肉牛自由采食和饮水。从两个牛舍南北面分别随机挑选6头试验牛对其生理指标进行测量。试验阶段肉牛饲料配方、饲喂量和管理措施等不做任何改变。

1.2 试验方法

1.2.1 环境参数测定 图1为测定布点平面图。测定温度、湿度、黑球温度和风速。分别采用精密型温湿度仪(型号testo 625，精度±0.5 ℃)，热敏式风速仪(型号MODEL6004，沈阳加野科学仪器有限公司，精度为±(5 %+0.1) m/s)。测量高度为距地面0.7 m(肉牛躺卧背部高度)和1.3 m(肉牛站立背部高度)，在牛站立区域测3个点，分别为牛头中部、牛背与牛尾部，具体测点如图中■所示。黑球辐射温度测试仪(型号JTR04，精度为±0.5℃)测量高度为1.0 m，具体测点如图中▲所示。测定时间为2013年8月6日～8日、10日～11日、13日～14日，每天8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00测定。

图1 环境参数测点平面布置图1.走道；2.饲槽；3.牛床；4.转牛通道；■为环境温湿度、风速测点；▲为黑球温度测点Fig.1 Arrangement of environmental parameters measuring points1.Aisle；2.Manger ；3.Fiber duct ；4.Beef transport path；■：measuring points of temperature,humidity,wind speed；▲：measuring point of black global temperature

1.2.2 试验牛生理指标测定 测定呼吸频率采用人工秒表连续3 min 计数侧腹起伏次数[9-10]，对两个牛舍共12头试验牛进行测定。与环境测定同时进行。

1.2.3 数据分析 试验最终获得125组有效的环境参数和生理指标。试验数据采用SAS统计软件对温热条件评定指标与牛呼吸频率进行相关分析。

1.3 试验所用的温热指数

1.3.1 温湿指数 Thom[11]在人类舒适度的基础上，利用干球温度和相对湿度这两个因素提出了THI：

THI=0.8Td+ RH(0.99 Td-14.3) + 46.3

式中：Td为干球温度(℃)；RH为相对湿度(%)。虽然THI最初用于人的活动区域环境评价，但在评价畜舍温热条件上取得了巨大成功[4]，人们总结出了THI在各种畜禽舍中的上下限。Mayer等[12]认为奶牛舍THI的上下临界值分别为78和72。而在肉牛舍中，Amundson等[13]总结出0～60日龄犊牛舍的最佳THI为68，妊娠母牛舍的THI不应超过72.9。Brown-Brandl等[3]总结出育肥牛舍中THI上下限分别为84和74。

1.3.2 黑球湿度指数 虽然THI应用广泛，但是忽略了热辐射和风速这两个环境因素。Brown等[3]发现，热辐射是影响肉牛生产重要因素，夏季时暴露在太阳辐射下的肉牛明显比遮阳处理的肉牛采食量少、增重缓慢、热应激严重。1981年，Buffington等[12]对奶牛进行了大量试验，提出了BGHI：

BGHI= tbg+0.36 tdp+41.5

(1)

式中:tbg为黑球温度(℃)；tdp为露点温度(℃)。该指数利用黑球温度和露点温度对环境进行综合评价，实际上考虑了温度，湿度和热辐射这3个环境因素。

1.3.3 温湿风指数 陶秀萍[7]通过肉鸡试验提出THVI，其计算公式为：

THVI= (0.15×DBT+0.85×WBT)× V-0.058

(2)

式中:DBT为干球温度(℃)；WBT为湿球温度(℃)；V为风速(m/s)。THVI考虑了温度、湿度、空气流动3个环境因素。THVI在应用于肉牛舍时，计算公式进行了校正[14]：

THVI= (0.35×DBT+0.65×WBT)× V-0.058

(3)

1.3.4 热负荷指数 BGHI和THVI都考虑了3个环境因素，但都不全面，BGHI没有考虑空气流动，THVI没有考虑热辐射。2008年Gaughan等[8]提出HLI ，考虑了温度、湿度、空气流动及太阳辐射4因素，计算公式如下：

HLIBG>25=8.62+ 0.38RH+1.55BG-0.5V+e(2.4-V)

(4)

HLIBG<25=10.66+0.28RH+1.3BG-V

(5)

式中:BG为黑球温度(℃)；RH为相对湿度(%)；V为风速(m/s)。Gaughan[8]还给出了HLI的上、下限临界值，HLI 高于下限临界值时，肉牛开始动用物理和化学调节，出现热应激；大于上限临界值时，肉牛体热调节失衡，出现热积聚，体温升高。HLI的初始临界值是以未遮阳、黑色普通牛的喘息评分建立的，其上、下限临界值分别为86和77，根据牛的品种及实际饲养情况可进行校正[8]。借助于上下限临界值，生产者可以根据实际生产情况更容易地判断牛是否处于热应激，并采取相关措施进行生产调整。本次的试验对象为生理健康、舍饲130 d以上、被毛黄白相间的西门塔尔肉牛，遮阳面积5.3 m2/头，饮用15～20℃的地下水，粪便清扫及时。根据此肉牛品种、生理状况及饲养条件校正临界值，其上、下限临界值分别为96.0和87.0。

2 结果与分析

高温高湿条件下，肉牛非蒸发散热减弱，通过增大呼吸频率来加大蒸发散热[15]，故呼吸频率与环境温热条件存在极大相关性。试验期间8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00试验平均呼吸频率分别为(59±9)、(65±12)、(78±14)、(83±13)、(82±18)、(81±17)次/min。由表1可知，与呼吸频率都存在极显著的正相关(P<0.0001)，说明用呼吸频率分别对其进行评估切实可行。

表1 各指数与呼吸频率的相关关系Table 1 Correlation of each index and respiration rate

2.1 温湿指数

测定期间，试验舍各个时刻平均THI分别为(83.56±1.57)、(85.50±1.55)、(87.14±1.30)、(87.95±1.07)、(87.46±1.28)、(87.40±1.41)。THI与呼吸频率的回归关系结果如图2。呼吸频率与THI的相关系数r=0.60381。

2.2 黑球湿度指数

测定期间，试验舍各个时刻平均BGHI分别为BGHI(82.61±1.79)、(85.02±1.80)、(87.00±1.68)、(88.20±1.63)、(87.47±1.76)、(86.13±1.62)，BGHI与呼吸频率的回归关系结果如图3。呼吸频率与THI的相关系数r=0.69746。

图2 呼吸频率与THI的线性关系图Fig.2 Linear relation between respiration rate and THI

图3 呼吸频率与BGHI的线性关系图Fig.3 Linear relation between respiration rate and BGHI

2.3 温湿风指数

测定期间，试验舍各个时刻平均THVI分别为(30.06±1.79)、(31.11±1.79)、(32.00±1.51)、(32.65±1.60)、(32.37±1.78)、(32.57±1.80)，THVI与呼吸频率的回归关系结果如图4，呼吸频率与THVI的相关系数r=0.7374。

2.4 热负荷指数

测定期间，试验舍各个时刻平均HLI(试验时黑球温度均大于25 ℃，采用公式①计算)分别为(64.19±4.32)、(67.30±4.10)、(69.83±3.98)、(71.68±4.30)、(70.67±4.49)、(68.43±4.62)，HLI与呼吸频率的回归关系结果如图5，呼吸频率与HLI的相关系数r=0.69746。

2.5 4个温热指数的比较

HLI与呼吸频率的相关系数最大，为0.76075，其次THVI为0.7374，BGHI为0.69746，THI与呼吸频率的相关系数最小为0.60381。说明在本次试验中HLI与呼吸频率的相关性最大，用HLI作为肉牛舍的环境综合评价指数最准确。

图4 呼吸频率与THVI的线性关系图Fig.4 Linear relation between respiration rate and THVI

图5 呼吸频率与HLI的线性关系图Fig.5 Linear relation between respiration rate and HLI

3 讨 论

THI只考虑了温度、湿度两个环境因素，故其与呼吸频率相关性相对最小；而HLI全面考虑了温度、湿度、热辐射和空气流动四个因素，故其与呼吸频率相关性最大，相对也最为准确。BGHI和THVI都考虑了三个环境因素，与呼吸频率的相关性介于THI和HLI之间。

4个环境综合评价指数中，BGHI和THVI没有明确在肉牛舍中的上下限，故在生产中不易根据实际情况进行调整；THI和HLI给出了在肉牛舍中的上下限值，但HLI可以根据实际生产情况对上下限值进行校正，其实用性高于THI。本文只罗列了极有限的部分环境综合条件评价指数，下一步工作应该对更多评价指数进行比较。如2002年，Mader和Davis[16]在前人的基础上通过肉牛试验对THI进行校正，提出了校正温湿指数(THIadj)：

THIadj=4.51+THI-1.992 WS+0.0068 SR

式中：WS为风速(m/s)；SR为太阳辐射(W/m2)。THIadj和HLI一样，也综合考虑了温度、湿度、热辐射和空气流动这4要素。受试验条件限制，本次试验未能测量热辐射，因此无法计算THIadj。任何环境综合评价指数都是在大量数据的基础上构建模型，从而建立等式。但是，数据再多，建立的等式也只能反映总体至多约56%的变异情况[17]，所以任何指数都有其局限性。如本文认为最准确的温热指数HLI是通过肉牛试验得出的，在其他畜舍的准确度还有待验证。因此在利用指数对畜舍环境进行综合评价时，一定要考虑实际情况，科学地选取最佳指数。

4 结 论

THI、BGHI、THVI和HLI与肉牛呼吸频率都存在极显著的正相关(P<0.0001)，用于评定肉牛舍温热条件都有一定合理性。HLI与呼吸频率的相关系数最大为0.76075，THVI为0.7374，BGHI为0.69746，THI为0.60381。在此次试验中，HLI与呼吸频率的相关性最大，用HLI作为肉牛舍环境综合评价指数最准确，并且HLI给出的上、下限指数能根据实际生产情况进行校正，更具实用性。

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ComparingDifferentThermalIndiceswithRespirationRateApplicationanditsinBeefCattleBarn

LI Jing-hui,CHENG Qiong-yi,CHEN Zhao-hui*

(StateKeyLaboratoryofAnimalNutrition，CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgricultureUniversity,Beijing100193,China)

Beef cattle are cold-resistant but sensitive heat.It is important to assess environmental conditions of beef barn accurately in summer.Therefore,a series of thermal indices were developed in former research.In order to find out a more accurate index for beef barn,this paper compares the correlation of Temperature-Humidity Index (THI),Black Globe-Humidity Index (BGHI),Temperature-Humidity-Velocity Index (THVI),Heat Load Index (HLI) with respiration rate of beef cattle.The results showed that 4 indices are all significantly positively correlated to respiration rate(P<0.0001).The correlation coefficient of HLI and respiration rate is 0.76075,while that of BGHI is 0.69746 and THVI is 0.7374 and THI is 0.60381.HLI is relevant to respiration rate most,so it is concluded as the most accurate index for beef barn thermal conditions assessment in this study.

summer; beef cattle barn; respiration rate; thermal indices

2014-03-16，

2014-04-25

南方地区草食家畜舍饲小气候调控技术研究(201303145)；国家肉牛牦牛产业技术体系(CARS-38)

李璟辉(1992-)，男，江苏苏州人，本科，研究方向：畜舍环境控制。E-mail：Lgreyhui@126.com

*[通讯作者]陈昭晖(1981-)，男，浙江乐清人，博士，讲师，研究方向：畜牧环境工程。E-mail：chenzhaohui@cau.edu.cn

S811.6

A

1005-5228(2014)07-0032-05