高寒牧区环境智能调控型妊娠母羊舍结构设计

周齐新，田晓静，臧荣鑫，冯 哲

（西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030）

甘肃地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，境内山脉纵横交错，高低相差悬殊。全年平均气温0～14 ℃，自东南向西北降低，极端最低气温达到-32～-7 ℃，形成了典型的高寒牧区，出现了典型的“夏肥、秋壮、冬瘦、春亡”的畜禽养殖恶性循环，严重束缚了畜牧业的发展[1]。

妊娠母羊在其妊娠期需要适宜的环境条件，如温度、湿度、环境气体组分等。妊娠母羊饲养条件的好坏直接关乎胎儿的正常发育，也影响母羊产后的泌乳性能[2]。因此，为了获得较高的经济效益，妊娠母羊舍的结构设计尤为重要。

日光塑料暖棚已在各大高寒牧区大力推广应用，但在使用过程中仍然存在以下问题：日光暖棚未达到理想的保温效果[3]；由于冬春季大风频繁，塑料薄膜易被刮破，需每年更换，维修成本高[4]；采用人工监测环境参数的方法，舍内潮湿和有害气体无法实现24 h实时监控，不能及时排出，影响羊只的健康和生产力。近年来，随着传感器、计算机技术的迅速发展，国外涌现一大批畜牧信息智能化监测方法。Shao等[5]通过分析群养猪睡眠时的图像特征，判断猪舍内温度舒适度，实现实时调控养殖环境参数；Theurer等[6]运用CISs、GPSs、视觉监控等技术远程监测牛的行为，综合评估牛的健康状态，为饲养者提供可靠的参考依据。然而，智能调控型畜禽舍在国内应用却罕见报道。因此，本文针对高寒牧区畜牧业发展特性，拟设计一种新型环境智能调控型妊娠母羊舍，实现24 h实时监测羊舍内温度、湿度、环境气体组分等变化情况，对于提高母羊的生产性能、促进畜牧业发展有着重要意义。

1 羊舍舍址及类型选择

考虑到羊只喜干燥、厌潮湿的生活习性，舍址首先选择在通风干燥、背风向阳、水源充足、水质优良、排水通畅的地方，地势较高且地下水位低。其次，交通便利、易于防疫，远离村庄、主道路和河流500 m以上，建设在生活区的下风向。

羊舍类型主要分为单坡式、双坡式、敞开式、密闭式、半敞开式，其中双坡式最适合母羊生产饲养[7]。标准化双坡式羊舍克服了以前羊舍保温性能差、建设成本高、使用年限短、通风效果差、舍内湿度大、存栏数量少、清粪难度大、羔羊成活率低、养殖效益差等诸多不利因素，在防寒保暖、防震防压、防爆风以及经济实用、规模效益等方面取得了突破性进展[8]。因此，考虑到妊娠母羊饲养条件，选择双坡式羊舍结构。

2 总体结构设计

2.1 屋面角计算

羊舍窗朝南，冬季太阳高度角较小，可使更多斜光线进入室内，从而提高室内温度；而在夏季，太阳高度角增大，太阳从窗射入的光线相对较少，从而能保持室内有一定的凉意。棚面与太阳光射入的角度垂直时，所吸收的太阳辐射最强，因此，也就得到太阳辐射最大的热量。根据这一原理，以大寒当天12点的太阳高度和90°的入射角为依据[9]，计算兰州市榆中县羊舍的屋面角。

式中，n为当地中午12点太阳的高度角；θ为当地的地理纬度；δ为赤纬，赤纬在夏至时为23°27′，约为23.5°，冬至为-23°27′，约为-23.5°，春分为0°[10]。

经查阅资料得知，榆中县地处北纬36.35°，大寒当天赤纬为－20°18′，约为-20.3°。将以上数据代入公式，得出北纬36.35°的地区，在大寒当天12点时的太阳高度角为：n=90°－36.35°＋（-20.3°）=33.35°。

因此，棚面如果在大寒当天正午与太阳入射光线成垂直状态，那么棚面与地面的夹角应为：n=90°－33.35°=56.65°。

2.2 基本结构

本次设计的高寒牧区环境智能调控型妊娠母羊舍包括运动场和生产棚舍，朝向为坐北朝南。将运动场设置在生产棚舍的外围，主要包括基石和栅栏。生产棚舍包括地基、南墙、北墙、西墙、北屋顶、南屋顶、立柱。南墙上端开设采光窗，北墙底端开设通风窗。在南墙、北墙、立柱的上中下位置上均匀安装温度传感器、CO2、NH3、H2S空气监测器，见图1。在东墙上安装风机，见图2。在西墙上安装湿帘，见图3。生产棚舍内部设有羊床、栅栏、刮粪板、电热地暖板、饲喂通道、饲槽。

图1 环境智能调控型妊娠母羊舍的整体结构示意图

图2 环境智能调控型妊娠母羊舍的风机立面图

图3 环境智能调控型妊娠母羊舍的湿帘立面图

2.3 参数确定

2.3.1钢板 钢结构建筑特别是轻型钢结构建筑优点较多：工程周期短；每平方米建筑覆盖用材料轻；减少了施工的工序和施工工作量[11]。因此，南屋顶由上到下依次铺设0.5 mm厚的湖蓝色压型钢板、100 mm玻璃丝绵、桁架藤条、0.4 mm厚彩钢板（图1）。北屋顶的下层铺设宽1 800 mm的玻璃板，上方铺设80 mm厚的保温彩钢板。

2.3.2羊床、湿帘、风机、采光窗及通风窗 如图2、3所示，羊床宽6 000 mm，中间用栅栏隔开，共设6个羊床。栅栏所起作用为隔离产羔母羊和带羔母羊，便于母羊和羔羊的护理[12]。湿帘的尺寸大小为1 800×2 100 mm，离地300 mm，间距1 200 mm。风机的尺寸大小为1 400×1 400 mm，离地700 mm，间距1 900 mm。采光窗和通风窗的大小为300×300 mm。

2.3.3运动场 运动场总长30 000 mm，总宽12 000 mm，底部基石高500 mm，上层四周设有高1 000 mm网格栅栏。在集约化舍饲环境下，羊只的行为谱主要由采食、反刍、休息和运动4个变量构成[13]。因此，运动场地要宽广，防止羊因运动量不足而导致体质下降，易患各种疾病。以砂质壤土或砖地面为好，便于排水和保持干燥[14]。

2.3.4墙体 北墙总高1 600 mm，南墙总高2 400 mm，下面铺设高500 mm地基，立柱高3 000 mm。墙在羊舍保温方面起重要作用，砖墙最常见，墙越厚，其保温效果越好。

3 优越性能

3.1 解决羊只生产环境问题

采用新型高寒牧区环境智能调控型羊舍，能较好地解决高寒牧区冬春季饲养绵羊的生产问题。经计算确定了日光暖棚面倾斜角为56.65°，与当地大寒天气时太阳辐射的入射角垂直，能确保羊舍温度适宜，避免了严寒、风雪等灾害性天气对羊只的直接危害。崔绪奎等[15]研究表明，卷帘羊舍内CO2浓度比封闭式羊舍低21.19%，通风透光更好。本设计在南屋顶上设有卷帘，保证了羊舍内一定的通风量。此外，粪尿要及时清理，否则舍内湿度过大，有害气体急剧增加。舍内有害气体主要来源有羊排泄物分解产生的NH3、H2S、挥发性脂肪酸，这些气体易引起羊的眼炎和呼吸道炎症，使羊抵抗力下降[16]。本设计在粪池内部设有刮粪板，可定期清理羊排出的粪便。

3.2 一次性投入，降低成本

采用立体空间结构设置，南面采用玻璃板采光。塑料暖棚虽然采光好，但夏季舍内温度太高，冬季舍内与舍外温差太大，羊容易感冒。另外，夏季拿掉塑料膜后，不能为羊舍遮挡风雨和阳光[17]，冬季雪天塑料暖棚易被积雪压坏。玻璃板的使用克服了塑料暖棚每年需要更换塑料膜、维修成本高的弊端，一次性投入可经久使用。利用其良好的热辐射能力，可确保羊舍温度适宜，给仔羊提供舒适的生活环境。羊床设有电热地暖板，节能减排，可提高妊娠母羊腹部的温度，降低母羊感冒甚至死亡的风险，与羊床形成平整的、无缝的永久型一体化结构。

3.3 实现智能化环境控制

冬季产羊羔季节，圈舍密度大，羔羊与母羊代谢快，粪便中营养物质多，若不及时清理，导致发酵容易产生NH3。圈舍门窗紧闭NH3无法排出，浓度升高，羊只因此免疫力低下，易患各种疾病[18]。本设计通过总线将从机采集到的数据传输到主机，主机接收到数据后，养殖人员只需在控制界面上设定羊舍环境参数，控制软件自行分析数据并调整羊舍环境，能避免有线方式传输数据导致数据大量布线而带来的繁琐。当羊舍温度低于设定值时，主机控制打开电热地暖板实现增温；当温度高于设定值时，主机控制打开风机和湿帘送入冷风，达到降温效果；当有害气体含量超过预设值时，主机控制打开风机和湿帘实现通风及有害气体排出，实现24 h监控。自动控制设备启停，及时有效地消除舍内CO2、NH3、H2S等有害气体，实现智能化环境控制，达到环保、卫生、健康养殖。

3.4 保护环境，促进农牧业共同发展

只有不断优化舍饲环境，才能真正解决放牧问题。过去的草原放牧模式，已极度破坏草原生态环境，导致草原退化。草原退化是植被和土壤的双重退化过程，而家畜采食和践踏严重影响了草原植被及土壤，致使畜牧草业矛盾日益突显，阻碍了畜牧业的发展。近年来，许多地区过度放牧、长期超载、滥垦、乱挖和各种自然灾害等使天然草地退化、沙化、盐化[19]，因此，改放牧为舍饲的任务迫在眉睫。本次设计的智能型羊舍已基本满足饲养所需的环境要求，且集约化饲养能更好地观察家畜生长状况。在冬季，自然放牧只能供给家畜枯草，营养价值不高。相比之下，舍饲不仅能提供充足的饲草饲料，还能确保家畜在智能环境监测系统下健康生长。

4 管理要求

4.1 保持清洁

经常擦拭玻璃板上的水珠，以免影响室内采光。加强消毒灭源工作，严禁外来人员进入。运动场应每天清扫1遍，每周用消毒液消毒1次。一般选择的消毒剂品种有碘酊、聚维铜碘、来苏儿、氢氧化钠、酒精、石灰乳等。注意饲槽内是否干净，羊爱干净，一旦饲料沾上粪便，羊不再食用。刮粪板不能自动清除羊粪，养殖人员需按时清扫。定期对羊群做驱虫保健，一般在春秋两季各进行1次。需要注意的是，妊娠母羊怀孕两个月以上不能再进行药浴，以免发生流产。

4.2 注意保温

冬天羊舍温度应在0 ℃以上。当温度降低至-1 1～-5 ℃时，羊呼吸加深，体内热量流失，导致体重下降，无法储存脂肪。安装有卷帘的羊舍冬季保温效果较差，可能出现水管冻结、自动清粪设施不能正常运行的情况。为保证羊群饮水充足，需要人为供给羊群饮水、人工除粪。电热地暖板虽然能很好地增加羊群腹部温度，但其在使用期间也有易潮缺点，必要时可以在电热地暖板上铺一层干草。陈林等[20]在西北地区冬季肉牛舍环境指标测定与评价一文指出，舍饲地面加垫草既可提高舍内温度，又能保证地面温度在0 ℃以上，同时可以降低相对湿度，是改善舍饲环境条件的有效措施。此外，垫草可以吸收有害气体。利用垫草以改善羊舍内小气候，是寒冷地区常用的一种简便易行的防寒措施。

4.3 定期检查

由于无线传感器节点受到电源供给限制，通常携带能量有限的电池，在使用一段时间后，需换上新的电池。此外，无线传感器可能出现网络故障，为避免此情况发生，相关维修人员应定期进行网络节点调试。为了保证网络安全，还需要在通信节点建立共享密钥。由于屋面跨度大，时间久了造成彩钢板中间积水，中部重力加大，雨水次数越多变形越严重，引起渗漏。维修人员应加大检修力度，防止出现渗漏造成不必要的损失。

5 结论

本次设计的新型智能调控型妊娠母羊舍，在传统母羊舍的构造基础之上，更加智能化地控制有害气体的排放，有效避免了母羊春乏死亡、减轻了草场载畜压力、缩短了饲养周期并创造了动物福利，为高寒牧区畜牧业羊舍的建造提供了科学依据和参考基础。