机器人挤奶系统对奶牛行为、健康状况及生产性能影响的研究进展

马慧，丛慧敏，钟景田

（1.北京三元种业科技股份有限公司畜牧研究院，北京 100081；2.北京首农畜牧发展有限公司北京奶牛中心，北京 100192）

机器人挤奶系统对奶牛行为、健康状况及生产性能影响的研究进展

马慧1，丛慧敏2，钟景田1

（1.北京三元种业科技股份有限公司畜牧研究院，北京 100081；2.北京首农畜牧发展有限公司北京奶牛中心，北京 100192）

机器人挤奶系统（AMS）系根据仿生原理制成，在一些劳动力成本高的发达国家已广泛应用，但目前在国内应用较少。机器人挤奶系统在一定程度上代表了奶牛养殖业的发展水平。本文综述了机器人挤奶系统对奶牛行为、健康状况及生产性能的影响，为其能在我国广泛推广使用提供理论依据，以期促进我国奶牛养殖业逐步向自动化、智能化方向发展。

机器人挤奶系统；奶牛；行为；健康；生产性能

根据仿生原理研制而成的机器人挤奶系统（AMS），可以实现挤奶程序和奶牛管理自动化，与传统的牛场管理方式相比，该系统可大大解放劳动力[1]，其优势远远超出了普通的人工替代设备。机器人挤奶系统可以通过自动传感器记录每头牛的详细信息，实时监测奶牛乳房健康、产奶量、繁殖状况、采食量及体重变化等[2]，从而协助牛场管理人员综合考虑挤奶、牛奶品质、饲喂、奶牛行为和动物福利等方面因素[3]，有针对性地采取提高牛场管理水平的措施。与传统的挤奶方式相比，机器人挤奶系统可根据奶牛生产水平及泌乳期预先确定挤奶频率，在不额外增加劳动力成本的情况下，通过奶牛自身的意愿自主性地进入挤奶站完成挤奶过程，从而大大降低劳动力成本[4]。据报道，使用机器人挤奶系统可使泌乳期奶牛的平均产奶量提高12%，劳动力成本减少18%，且因其允许奶牛自主选择挤奶时间从而改善奶牛福利[4]。本文重点讨论机器人挤奶系统对奶牛行为、健康状况及生产性能的影响，为其能在中国养牛业推广应用提供理论依据。

1 机器人挤奶系统对奶牛行为的影响

1.1 奶牛交运

奶牛交运是指奶牛经过牛舍中设置的一系列门（或者通道）的流向。主要包括自由式奶牛流向、饲喂优先式奶牛流向及挤奶优先式奶牛流向。具体选择何种交运模式，主要需考虑以下几个方面。

1.1.1.饲喂策略

如果牧场设计的饲喂区的日粮中含有50%的精料，而另外50%的精料在机器人系统内提供，则奶牛的交运模式可采用自由流向或饲喂优先的方式。饲喂优先的交运方式不会限制奶牛的干物质采食量，奶牛的主要动力来源于挤奶站自动喂料系统内投放的颗粒料，奶牛活动比较积极，故无需过多的人为引导即可达到预期的挤奶频率。而选择自由流向的奶牛可随时摄入饲料，随时挤奶，会降低奶牛堵塞通道或识别门的风险。但自由流向的交运方式需要驱赶更多的奶牛，以实现定期的挤奶间隔，故对劳动力的需求较高。

从节省机器人系统内投放的颗粒料成本来讲，牧场可设计成在饲喂区的日粮中含有80%的精料，在机器人系统内提供20%的精料，而这种饲喂模式可采用挤奶优先的交运方式。在挤奶优先中，奶牛访问VMS的主要动力是部分混合日粮（PMR），而不是挤奶过程中投放的颗粒料，奶牛为了采食日粮，会自愿进入机器人挤奶系统并获得足够的挤奶次数。

1.1.2.节省人工的策略

从节省人工的策略来讲，最有效的奶牛交运方式是挤奶优先。在挤奶优先的交运方式中，奶牛的主要引诱源是日粮，奶牛需要前往挤奶站才能获取日粮，奶牛自愿挤奶的动力较大，故需要人为引导的低活跃性奶牛较少，可节省人力。据报道，采用挤奶优先的交运方式只需人工驱赶大约3%的牛只进入机器人挤奶系统挤奶；而如果选择自由交运，则约有15%的牛只需要人为引导进入机器人挤奶系统完成挤奶。对于中小型牧场而言，这种差异并不十分显著，但当挤奶牛头数达到1.000头时，差异就是30～150头牛。

1.1.3.简易性策略

饲喂优先的交运方式需要的智能门较多，安装维护费用会有所增加，另外当智能门出现故障时，会影响牛的交运，进而影响牛群的正常挤奶。挤奶优先中，不需要挤奶的奶牛也必须前往挤奶站，故降低了机器人系统的使用率。而选择自由流向的奶牛不需要安装分隔门和单向门，节省的资金还可用于支付额外的人工费用，故从简易性策略来讲，自由交运模式将是牧场最好的选择[5]。

1.2 采食及躺卧行为

奶牛摄食行为和采食量是机器人挤奶系统运行中需要考虑的重要方面。可通过提供最佳的饲喂空间和饲料供给量，尽可能地增加采食时间，以提高干物质采食量，改善奶牛流向，进而提高挤奶频率和产奶量。传统挤奶方式中，奶牛每天采食时间高达4.3h，而在机器人挤奶系统中，奶牛每天的采食时间为3.5～4.0h。奶牛每天花费14～28min在机器人处采食精饲料，该时间长短取决于每天的挤奶次数。

机器人挤奶系统会改变奶牛的群体一致性，尤其是在挤奶行为方面。在自由式奶牛流向和饲喂优先式奶牛流向的情况下，大多数奶牛会在提供新鲜饲料时前往采食区，这意味着需要为每头奶牛提供不低于60cm的饲槽空间，这是业界的标准。在欧洲存在一种情况，即粗饲料经采食区供应，其他饲料则由机器人自动喂料系统提供，这种情况下，即使饲槽尺寸略小也能满足奶牛的需求。对于每日饲喂2次部分混合日粮（PMR）、且推料4～6次的牧场，则建议使用空间较大的饲喂槽，以避免奶牛之间的竞争。尤其是等级较低的奶牛可能被挤走，不然会导致奶牛干物质摄入量降低和产奶量下降等问题。当采用挤奶优先式奶牛流向时，奶牛的独立性比较强，所需要的饲喂空间也比较小。饲喂和推料常常能够最大化地延长奶牛在饲喂槽进食的时间，这样可以增加奶牛产奶量和挤奶频率，降低驱赶率。研究表明，稳定的挤奶频率有利于保证奶牛挤奶后的站立时间，通常为0.5～2.5h，这段时间能够确保乳头孔已关闭，从而降低乳腺内感染的风险。因此，在饲喂通道里使用自动送料系统和橡胶垫对于机器人挤奶系统来说是非常好的选择[6]。

研究发现选择何种交运方式对奶牛的卧躺时间无显著影响[7]。但也有研究发现，与自由式奶牛流向相比，在饲喂优先的情况下，奶牛的总站立时间大大增加[8]。

1.3 挤奶频率及挤奶间隔

在机器人挤奶系统中，挤奶频率很大程度上取决于奶牛的交运系统、季节、奶牛个体、胎次及泌乳阶段。国外研究表明，在机器人挤奶系统中，奶牛的挤奶频率为每天1.9次至3.2次不等[9]。而初产奶牛自愿挤奶频率每天多高于3次[7]。另外，应用机器人挤奶系统的奶牛日产奶量随挤奶频率的增加而增加[10]。Melin等研究发现[11]，在机器人挤奶系统中，与每天挤奶2次的奶牛相比，每天挤奶3次的奶牛产奶量提高了9%。Erdman和Varner[12]报道，当初产奶牛的挤奶频率从每天2次增加至3次时，日产奶量可增加3.5kg。Kruip等提出[13]，应用机器人挤奶系统时，提高挤奶频率对提升奶牛生产性能具有积极作用，且不会影响其繁殖性能。但也有研究报道，机器人挤奶系统中挤奶频率的增加并未导致产奶量的提高[14]。

在不同挤奶频率的奶牛个体间，挤奶间隔会发生很大变化。Gygax等研究发现[15]，应用机器人挤奶系统时，67%的奶牛挤奶间隔为6～12h，11%的挤奶间隔小于6h，21.5%的挤奶间隔大于12h。最常见的挤奶间隔是7～8h[4]。Weiss等[16]发现，奶牛泌乳早期、中期和末期的平均挤奶间隔分别是8.2h、9.6h和11.1h。奶牛个体差异如初产奶牛的活动性、社会等级及机器人挤奶系统中精料投放量的差异均会导致奶牛的挤奶间隔发生变化。另外，挤奶间隔长短也会对个体奶牛的日产奶量产生不同程度的影响[7]。随着挤奶间隔变化加快，经产牛的产奶量呈线性下降，而头胎牛的产奶量仅在挤奶间隔的变化系数大于27%时出现下降[17]。这意味着管理人员可以不用基于泌乳天数和预期产奶量的通用公式来设置挤奶间隔，而可以使用机器人挤奶系统所采集的信息设置奶牛个体的最佳挤奶间隔，从而优化对机器人挤奶系统的利用[9]。

1.4 踢杯、排便、排尿及叫声

叫声、排便、排尿是奶牛急性应激的指示器[18]。聆听奶牛从传统奶厅向机器人挤奶系统转运时发出的叫声、观察其在挤奶过程中的排便和排尿情况后发现其在过渡2d后即可恢复到正常状态。

奶牛由于挪步和踢腿现象增多引起的运动量增加表明奶牛出现了躁动的迹象，可作为评估挤奶过程中奶牛的舒适度指标[19]。通过对比挤奶过程中的挪步和踢杯情况，发现机器人挤奶系统和传统挤奶厅之间没有任何差异[20]。而Hagen等[21]发现机器人挤奶系统减少了奶牛的挪步和踢杯。相反，奶牛在接近传统挤奶厅时，挪步和踢杯现象则有所增加[22]。这可能是由于挤奶厅中人为清洁和靠近时奶牛感到不适造成的。然而，也有研究发现应用机器人挤奶系统的奶牛在挤奶结束时踢杯的频率较高[4]，原因可能是机器人挤奶系统按照乳区进行挤奶，不同乳区的卸杯时间是不同的，而在挤奶厅中几乎所有的挤奶杯都同时取下。

2 对奶牛健康状况的影响

2.1 代谢及免疫功能

由于应用机器人挤奶系统时奶牛挤奶频率较高，可能对奶牛能量平衡和免疫功能产生重要影响，尤其是在泌乳早期。在研究挤奶频率对奶牛体况评分的影响时发现，泌乳前19周内，每日挤奶3.2次和2.1次对奶牛体况没有影响[23]。Hillerton等[24]调查了丹麦、荷兰和英国3个国家的15个农场，发现体况评分的差异多半是由于国别的差异所致，而并非由于向机器人挤奶系统过渡所致。Dearing等[25]也得出了类似的结论，他们发现在向机器人挤奶系统过渡的过程中和之后的体况评分无显著性差异。以上两项研究均指出，体况评分在畜群之间和国别之间变化较大，可能不受挤奶方式影响。

一些关于机器人挤奶和传统挤奶对奶牛新陈代谢的研究发现，两种挤奶方式对奶牛能量相关的代谢物，如甘油三酯、葡萄糖、羟丁酸、非酯化脂肪酸及尿素等水平没有显著影响[26]。但也有研究报道，与传统的挤奶方式相比，机器人挤奶系统中奶牛血浆胆固醇总量较低，而非酯化脂肪酸与总胆固醇的比例较高。通过测定等离子活性氧代谢产物和巯基氧化状态评估免疫功能，发现机器人挤奶系统对奶牛免疫功能没有影响[27]。

2.2 应激反应

Hopster等[20]研究了采用机器人挤奶系统和传统挤奶方式对初产奶牛行为和生理应激的影响，结果表明应用机器人挤奶系统时奶牛心率较低，血浆肾上腺素和去甲肾上腺素浓度均有所下降，说明应用机器人挤奶时奶牛应激降低。但也有研究表明，奶牛在进入机器人挤奶系统前，心率在数分钟之内迅速升高，这与传统挤奶厅奶牛开始挤奶前的情况相似。在机器人挤奶系统和传统挤奶系统中，挤奶过程中奶牛的心率均有所下降，在挤奶结束时两种挤奶方式达到相似水平[28]。Hagen等[21]发现机器人挤奶系统和传统挤奶系统中奶牛的心率没有差异。但当研究人员监测两个系统中躺卧状态的奶牛心率时，发现多个应激参数都存在很大差异，表明机器人挤奶系统的部分交运方式可能会导致奶牛发生慢性应激。

Gygax等[24]也发现机器人挤奶系统和传统挤奶系统中奶牛的心率存在差异，这表明挤奶系统的类型与应激增加相关。牛奶中高水平皮质醇反映了挤奶前牛奶合成期血浆皮质醇浓度，而通过机器人挤奶系统和传统奶厅挤出的牛奶中皮质醇浓度均有所升高[29]，反映出两种挤奶方式中奶牛的血浆皮质醇浓度亦有所升高，说明两种挤奶过程均造成了奶牛的慢性应激。

在研究奶牛从奶厅转向机器人挤奶系统的反应时，发现奶牛在第一次进入机器人挤奶系统时心率升高[25]。然而，在随后的训练和挤奶过程中，奶牛的心率与在传统奶厅时相似。机器人挤奶系统和传统奶厅挤奶相比，奶牛粪便中的类固醇含量没有显著变化[25]。

2.3 乳房健康

早期的研究表明，与传统挤奶方式相比，应用机器人挤奶系统会影响奶牛乳头和乳房健康[27,29]。Ipema和.Benders[27]认为乳房健康变差与乳头孔条件恶化有关。然而，有报道指出机器人挤奶系统没有造成乳头条件的改变，有的甚至表明其可明显改善乳头条件[30～34]。这也许归因于早期具有代表性的自动挤奶模型与乳头的接触时间更长，因而导致早期的研究报道中出现了奶牛乳房健康水平下降的情况。乳头外伤可以通过过度挤奶而扩大[21]。因此，从理论上讲，通过机器人挤奶系统挤奶可减少过度挤奶的可能性。

3 对产奶性能的影响

3.1 产奶量

国外多项研究报道，与传统挤奶方式（每日2次挤奶）相比，机器人挤奶系统中每天挤奶超过2次的奶牛产奶量可增加2%～12%[31]。相反，也有研究表明，与传统的挤奶方式相比，机器人挤奶系统对奶牛的产奶量无显著影响，但机器人挤奶组产奶量略高于传统挤奶厅挤奶组产奶量[31]。

3.2 乳成分

牛奶中蛋白质、脂肪、乳糖以及尿素含量不会受到不同挤奶系统的影响[32]。相反，挤奶间隔的长短和每次挤奶量的变化对于乳脂肪含量的影响似乎更为关键[33]。

有研究表明，从装有机器人挤奶系统的农场收集的牛奶中游离脂肪酸水平较高[34]，而牛奶中的游离脂肪酸含量较高会导致该牛奶加工后的乳制品容易出现腐臭的味道。分析机器人挤奶导致游离脂肪酸增加的原因，可能是机器人挤奶系统增加了挤奶的频率，缩短了挤奶间隔，故导致牛奶中游离脂肪酸含量增加[34]。游离脂肪酸提高的部分原因也可能是产奶间隔缩短导致的产奶量降低造成的。然而，自动挤奶农场和传统挤奶厅农场之间处理牛奶的技术差异也可能引起牛奶中的游离脂肪酸增加[34]。

Helgren和Reinemann[35]发现，12个美国农场在其从挤奶厅过渡到机器人挤奶系统后的三年内，未发现乳中SCC和细菌总数的变化与使用自动挤奶系统存在相关性；实际上，牛场使用机器人挤奶系统时间越长，牛奶中SCC和细菌总数越有所下降[35]。在一些研究中，比较了相同农场处于相同管理系统中的机器人挤奶与传统挤奶厅挤奶对奶牛乳房的影响，没有发现机器人挤奶系统对乳房健康产生任何影响，包括乳成分和SCC[26]。

4 小结

机器人挤奶系统作为一种先进的、智能的高科技管理系统，在奶牛养殖业中具有显著优势。但因其使用要求较高，前期投资较大等因素，都影响和限制了机器人挤奶系统的推广及使用。由于在应用机器人挤奶系统时对牧场条件以及牛群管理人员的知识水平和管理技能要求较高，所以在应用该技术的同时，管理人员必须对该系统在自身奶牛场的应用情况进行详细研究，以确定最佳的管理模式，最大限度地提高机器人挤奶系统的利用率，更大程度地提高生产水平和动物福利，逐步建立起适合自身牛场的机器人挤奶技术及管理方案，以利于机器人挤奶系统的推广和应用。

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Research Progress on the Effect of Automatic Milking System on Behavior, Health Status and Performance of Dairy Cows

MA Hui1, CONG Hui-min2, ZHONG Jing-tian1
(1. Animal Husbandry Research Institute, Beijing Sanyuan Breeding Technology Co., Ltd, Beijing 100081; 2. Beijing Dairy Cattle Center, Bejing Sunlon Livestock Develoment Co, Beijing 100081)

The automatic milking system (AMS) is made according to the bionic principle. It has been widely used in some developed countries with high labor cost, but it is seldom used in China at present. AMS represents the development level of the dairy industry, to a certain extent. This article has reviewed the effect of AMS on behavior, health status and performance of dairy cows to provide the theoretical basis for future utilization of AMS in our country and to promote the dairy industry towards the direction of automation and intelligent development.

Automatic milking system; Dairy cows; Behavior; Health; Performance

TS252.2+1

A

1004-4264（2017）06-0059-05

10.19305/j.cnki.11-3009/s.2017.06.014

2017-01-11

北京三元种业科技股份有限公司2014年度自立课题（SYZYZ20140002）。

马慧（1981-），女，黑龙江人，高级畜牧师，博士，从事反刍动物营养与饲料方面的研究。

马慧。