喷淋水滴粒径对缓解奶牛热应激的效果研究

文/朱春英

（北华航天工业学院）

一旦奶牛处于热应激状态，其呼吸频率和心跳频率将会大幅度增加，表现出食欲不振，轻则产奶量降低，重则导致死亡，为牧场带来严重的经济损失。因此，牧场管理人员必须制定缓解奶牛热应激的相关方案。喷淋是缓解奶牛热应激最直接、最明显的措施，本文针对不同喷淋水滴粒径对缓解热应激的效果进行阐述。

1 试验方法

1．1 试验对象及风速测试方法

选取对称分布的一间泌乳牛舍作为研究区域，一侧牛群作为参照对象，另一侧牛群作为研究对象，将试验对象牛群区域的喷淋设备更换为先进的9060、9080、90100型号的喷头，在试验过程中，每喷淋2 min，间隔7 min，不断循环。利用热线式风速仪测定区域风速，每间隔5 s读取数值1 次，1 个固定位置读取10次，取平均值作为试验所测定的风速值，并在试验中实时监测风速值，确保风速值稳定在一定范围内。

1．2 奶牛生理指标测试方法

测试不同喷淋水滴粒径（分别为0．829 mm、0．947 mm、1．127 mm）及不同的喷淋时刻（喷淋前、中、后）对奶牛生理指标的影响。生理指标主要包括奶牛呼吸频率、体表温度及直肠温度，并根据上述数据计算出换热量。为了保证数据的精确度和可靠性，利用秒表记录奶牛腹部起伏次数，测定呼吸频率；利用热像仪获取奶牛体表温度红外成像分布图，获取体表温度信息；通过电子直肠温度仪测量奶牛的直肠温度。

1．3 环境指标测试方法

为排除周边环境对研究结果的影响，本试验借助精度较高的温湿度记录仪，测定了温度和湿度等环境指标。

2 计算方法

2．1 体表温度测试

根据热像仪获取的奶牛体表温度红外成像分布图显示，奶牛体表各个区域对温度变化的敏感程度存在显著差异。本试验主要研究奶牛脖颈区域和腹部区域的体表温度。分别在脖颈区域和腹部区域选取6个和12 个点位，取各自区域点位的平均值，作为脖颈的温度和腹部的温度，并拍摄4 次相关区域的温度变化情况，取其平均值作为最终温度结果。

2．2 换热量计算

通过计算换热量完成本试验对奶牛降温效果的衡量及缓解热应激程度的分析。奶牛热应激缓解的实质是导热、对流传热等共同作用的结果。通过固定的导热方式，奶牛体内的热量会传递到表皮层，而在空气和体表水分的对流交换中，这部分热量又会传递到空气中。迄今为止，有大量的研究学者对整个热交换过程进行了精准分析，但是在对流换热量和蒸发换热量的数值计算方面还没有形成统一的标准。该问题产生的主要原因是计算公式中的换热量和蒸发量受个体因素的影响比较明显，所以迭代公式的计算不仅繁琐，精准性也会受到一定的限制。本试验主要采用了比较简略、能够忽略各项因素对于物理量的影响、在实际应用过程中具有较大可行性的Merkel焓差计算公式，从能量焓的角度来思考并计算奶牛的换热过程。但是在计算之前需掌握包括空气与水表面的接触散热系数a、水体表面饱和空气边界层温度t、以含适量差为基准的空气与水表面间的散质系数b、饱和空气边界层水蒸气质量比xn、主体空气层中的水蒸气质量比x、主体空气干球温度c、水的气化潜热γ以及空气与水体的接触面积dF等相关参考数据，计算单位时间内水与空气的显热交换量和潜热交换量，最终对两者求和，得出水和空气的总换热量。

单位时间内水与空气的显热交换量：dQ = a(t- c)dF；单位时间内水与空气的潜热交换量：dQb= γb(xn-x)dF；水和空气的总换热量为：dQ = dQa + dQb = [a(tc)+γbx(x”- x)]dF。按照路易斯关系式，计算的显热交换系数和潜热交换系数的比值是一个常数，因此，在计算过程中可引入主体空气层空气的焓值和水体表面包和空气边界层空气的焓值等数值，对相应数据进行计算：dQ = b[(1．O1 +1．84x”)(t-c) + (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF = b(i”- i)dF（其中i”为水体表面饱和空气边界层空气的焓；i为主体空气层空气的焓）。

3 结果与分析

本试验对奶牛在不同喷淋水滴粒径下的生理指标和换热量进行数据分析和研究，计算不同个体之间的平均值和标准差。

3．1 奶牛体表温度

通过热像仪所呈现的奶牛体表温度红外成像分布图显示，图像中的温度代表点具有比较明显的差异变化。具体来说，在脖颈区域，3种不同喷淋水滴粒径条件下，随着喷淋水滴粒径的逐渐增加，喷淋前奶牛体表温度的平均值分别为35．4℃、36．1 ℃和35．5 ℃，而喷淋中的奶牛体表平均温度则分别是35．0 ℃、35．1 ℃和34．5 ℃，喷淋后的温度是35．3 ℃、35．6 ℃和34．8 ℃。而在奶牛的腹部区域，随着喷淋水滴粒径的逐渐增加，其喷淋中较喷淋前的温度差异及喷淋后较喷淋中的温度差异均不断增加。同时，无论是在脖颈区域还是在腹部区域，奶牛体表温度在喷淋中都会下降0．7～1．5 ℃；而当喷淋结束一段时间后，奶牛体表的温度会慢慢呈现出回升状态，但是仍会低于喷淋前，说明喷淋所带来的降温效果是持续性的，长效降温一般维持在0．1～0．6 ℃。本试验选取的研究对象全部为成年泌乳牛，每个试验个体的生理状况相近，基本可以排除由于个体差异而导致的试验误差，试验结果相对比较可靠（表1）。

3．2 奶牛直肠温度

奶牛属于恒温动物，因此，在外界生长环境和内部生理状况不发生剧烈变化的情况下，奶牛的直肠温度不会产生较大波动。所以，本试验中奶牛的直肠温度并未随着喷淋水滴粒径的变动而有明显差异，喷淋前后的奶牛直肠温度基本都维持在37．5～39．5 ℃的正常区间内，表明不同喷淋水滴粒径对奶牛的直肠温度无直接影响。

3．3 奶牛呼吸频率

通过对奶牛平均呼吸频率数据分析发现，奶牛的呼吸频率随喷淋水滴粒径的变化而变化。在不同的喷淋水滴粒径条件下，在喷淋中，每头奶牛的呼吸频率都会呈现出降低状态，而喷淋后的呼吸频率又会提升，但仍低于喷淋前。与此同时，随着喷淋水滴粒径的逐渐增加，奶牛的呼吸频率会逐渐呈现出上升到一定峰值然后下降的规律，这需要牧场管理人员在开展喷淋工作时根据实际情况选择最佳水滴粒径，提高喷淋效率。

3．4 奶牛换热量

奶牛换热量的计算公式为：dQ = b[(1．O1 + 1．84x”)(t-c)+ (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF =b(i”- i)dF（推导见2．2），由于本试验主要借鉴了Merkel焓差理论，所以在实际计算过程中将奶牛体表附近的空气近似按照饱和空气边界层进行计算，检测区域和奶牛实际的体表温度，按照水蒸气饱和区域和饱和空气温度来计算。与此同时，借助温湿度记录仪采集试验区域的温度和湿度，利用热线风速仪对奶牛周边区域的风速进行检测，并着重探测奶牛体表的分数。除此以外，还要同时对奶牛脖颈处高度的平均风速、奶牛表皮面积等进行测量，对每种喷淋水滴粒径下奶牛的平均换热量进行求值。奶牛的换热过程主要涵盖了导热、对流以及热质交换3 个流程，主要是体表和空气之间的换热，因而是对显热换热量和潜热换热量进行求和，保证热量守恒。通过计算数据可以看出，换热量和喷淋水滴粒径的值并不存在线性关系，但是可以看出存在最佳喷淋水滴粒径，之所以会得出这种结果，主要是因为最佳水滴粒径形成的水膜在铺展开后能加大与奶牛体表的接触面积，提高换热效率。

表1 3 种不同喷淋粒径条件下奶牛脖颈和腹部在喷淋前、中、后的体表温度

4 小结

综上所述，不同喷淋水滴粒径对于奶牛直肠温度无影响，对其体表温度、呼吸频率以及换热量具有显著影响。因此，为了尽可能缓解奶牛热应激，提高产奶量，牧场管理人员应注重对喷淋粒径的有效控制，为奶牛提供更适宜的生存环境。