噴淋水滴粒徑對(duì)緩解奶牛熱應(yīng)激的效果研究

文/朱春英

（北華航天工業(yè)學(xué)院）

一旦奶牛處于熱應(yīng)激狀態(tài)，其呼吸頻率和心跳頻率將會(huì)大幅度增加，表現(xiàn)出食欲不振，輕則產(chǎn)奶量降低，重則導(dǎo)致死亡，為牧場(chǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，牧場(chǎng)管理人員必須制定緩解奶牛熱應(yīng)激的相關(guān)方案。噴淋是緩解奶牛熱應(yīng)激最直接、最明顯的措施，本文針對(duì)不同噴淋水滴粒徑對(duì)緩解熱應(yīng)激的效果進(jìn)行闡述。

1 試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)對(duì)象及風(fēng)速測(cè)試方法

選取對(duì)稱(chēng)分布的一間泌乳牛舍作為研究區(qū)域，一側(cè)牛群作為參照對(duì)象，另一側(cè)牛群作為研究對(duì)象，將試驗(yàn)對(duì)象牛群區(qū)域的噴淋設(shè)備更換為先進(jìn)的9060、9080、90100型號(hào)的噴頭，在試驗(yàn)過(guò)程中，每噴淋2 min，間隔7 min，不斷循環(huán)。利用熱線式風(fēng)速儀測(cè)定區(qū)域風(fēng)速，每間隔5 s讀取數(shù)值1 次，1 個(gè)固定位置讀取10次，取平均值作為試驗(yàn)所測(cè)定的風(fēng)速值，并在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速值，確保風(fēng)速值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

1．2 奶牛生理指標(biāo)測(cè)試方法

測(cè)試不同噴淋水滴粒徑（分別為0．829 mm、0．947 mm、1．127 mm）及不同的噴淋時(shí)刻（噴淋前、中、后）對(duì)奶牛生理指標(biāo)的影響。生理指標(biāo)主要包括奶牛呼吸頻率、體表溫度及直腸溫度，并根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算出換熱量。為了保證數(shù)據(jù)的精確度和可靠性，利用秒表記錄奶牛腹部起伏次數(shù)，測(cè)定呼吸頻率；利用熱像儀獲取奶牛體表溫度紅外成像分布圖，獲取體表溫度信息；通過(guò)電子直腸溫度儀測(cè)量奶牛的直腸溫度。

1．3 環(huán)境指標(biāo)測(cè)試方法

為排除周邊環(huán)境對(duì)研究結(jié)果的影響，本試驗(yàn)借助精度較高的溫濕度記錄儀，測(cè)定了溫度和濕度等環(huán)境指標(biāo)。

2 計(jì)算方法

2．1 體表溫度測(cè)試

根據(jù)熱像儀獲取的奶牛體表溫度紅外成像分布圖顯示，奶牛體表各個(gè)區(qū)域?qū)囟茸兓拿舾谐潭却嬖陲@著差異。本試驗(yàn)主要研究奶牛脖頸區(qū)域和腹部區(qū)域的體表溫度。分別在脖頸區(qū)域和腹部區(qū)域選取6個(gè)和12 個(gè)點(diǎn)位，取各自區(qū)域點(diǎn)位的平均值，作為脖頸的溫度和腹部的溫度，并拍攝4 次相關(guān)區(qū)域的溫度變化情況，取其平均值作為最終溫度結(jié)果。

2．2 換熱量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算換熱量完成本試驗(yàn)對(duì)奶牛降溫效果的衡量及緩解熱應(yīng)激程度的分析。奶牛熱應(yīng)激緩解的實(shí)質(zhì)是導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱等共同作用的結(jié)果。通過(guò)固定的導(dǎo)熱方式，奶牛體內(nèi)的熱量會(huì)傳遞到表皮層，而在空氣和體表水分的對(duì)流交換中，這部分熱量又會(huì)傳遞到空氣中。迄今為止，有大量的研究學(xué)者對(duì)整個(gè)熱交換過(guò)程進(jìn)行了精準(zhǔn)分析，但是在對(duì)流換熱量和蒸發(fā)換熱量的數(shù)值計(jì)算方面還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。該問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因是計(jì)算公式中的換熱量和蒸發(fā)量受個(gè)體因素的影響比較明顯，所以迭代公式的計(jì)算不僅繁瑣，精準(zhǔn)性也會(huì)受到一定的限制。本試驗(yàn)主要采用了比較簡(jiǎn)略、能夠忽略各項(xiàng)因素對(duì)于物理量的影響、在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較大可行性的Merkel焓差計(jì)算公式，從能量焓的角度來(lái)思考并計(jì)算奶牛的換熱過(guò)程。但是在計(jì)算之前需掌握包括空氣與水表面的接觸散熱系數(shù)a、水體表面飽和空氣邊界層溫度t、以含適量差為基準(zhǔn)的空氣與水表面間的散質(zhì)系數(shù)b、飽和空氣邊界層水蒸氣質(zhì)量比xn、主體空氣層中的水蒸氣質(zhì)量比x、主體空氣干球溫度c、水的氣化潛熱γ以及空氣與水體的接觸面積dF等相關(guān)參考數(shù)據(jù)，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)水與空氣的顯熱交換量和潛熱交換量，最終對(duì)兩者求和，得出水和空氣的總換熱量。

單位時(shí)間內(nèi)水與空氣的顯熱交換量：dQ = a(t- c)dF；單位時(shí)間內(nèi)水與空氣的潛熱交換量：dQb= γb(xn-x)dF；水和空氣的總換熱量為：dQ = dQa + dQb = [a(tc)+γbx(x”- x)]dF。按照路易斯關(guān)系式，計(jì)算的顯熱交換系數(shù)和潛熱交換系數(shù)的比值是一個(gè)常數(shù)，因此，在計(jì)算過(guò)程中可引入主體空氣層空氣的焓值和水體表面包和空氣邊界層空氣的焓值等數(shù)值，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：dQ = b[(1．O1 +1．84x”)(t-c) + (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF = b(i”- i)dF（其中i”為水體表面飽和空氣邊界層空氣的焓；i為主體空氣層空氣的焓）。

3 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)對(duì)奶牛在不同噴淋水滴粒徑下的生理指標(biāo)和換熱量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和研究，計(jì)算不同個(gè)體之間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

3．1 奶牛體表溫度

通過(guò)熱像儀所呈現(xiàn)的奶牛體表溫度紅外成像分布圖顯示，圖像中的溫度代表點(diǎn)具有比較明顯的差異變化。具體來(lái)說(shuō)，在脖頸區(qū)域，3種不同噴淋水滴粒徑條件下，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，噴淋前奶牛體表溫度的平均值分別為35．4℃、36．1 ℃和35．5 ℃，而噴淋中的奶牛體表平均溫度則分別是35．0 ℃、35．1 ℃和34．5 ℃，噴淋后的溫度是35．3 ℃、35．6 ℃和34．8 ℃。而在奶牛的腹部區(qū)域，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，其噴淋中較噴淋前的溫度差異及噴淋后較噴淋中的溫度差異均不斷增加。同時(shí)，無(wú)論是在脖頸區(qū)域還是在腹部區(qū)域，奶牛體表溫度在噴淋中都會(huì)下降0．7～1．5 ℃；而當(dāng)噴淋結(jié)束一段時(shí)間后，奶牛體表的溫度會(huì)慢慢呈現(xiàn)出回升狀態(tài)，但是仍會(huì)低于噴淋前，說(shuō)明噴淋所帶來(lái)的降溫效果是持續(xù)性的，長(zhǎng)效降溫一般維持在0．1～0．6 ℃。本試驗(yàn)選取的研究對(duì)象全部為成年泌乳牛，每個(gè)試驗(yàn)個(gè)體的生理狀況相近，基本可以排除由于個(gè)體差異而導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比較可靠（表1）。

3．2 奶牛直腸溫度

奶牛屬于恒溫動(dòng)物，因此，在外界生長(zhǎng)環(huán)境和內(nèi)部生理狀況不發(fā)生劇烈變化的情況下，奶牛的直腸溫度不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。所以，本試驗(yàn)中奶牛的直腸溫度并未隨著噴淋水滴粒徑的變動(dòng)而有明顯差異，噴淋前后的奶牛直腸溫度基本都維持在37．5～39．5 ℃的正常區(qū)間內(nèi)，表明不同噴淋水滴粒徑對(duì)奶牛的直腸溫度無(wú)直接影響。

3．3 奶牛呼吸頻率

通過(guò)對(duì)奶牛平均呼吸頻率數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，奶牛的呼吸頻率隨噴淋水滴粒徑的變化而變化。在不同的噴淋水滴粒徑條件下，在噴淋中，每頭奶牛的呼吸頻率都會(huì)呈現(xiàn)出降低狀態(tài)，而噴淋后的呼吸頻率又會(huì)提升，但仍低于噴淋前。與此同時(shí)，隨著噴淋水滴粒徑的逐漸增加，奶牛的呼吸頻率會(huì)逐漸呈現(xiàn)出上升到一定峰值然后下降的規(guī)律，這需要牧場(chǎng)管理人員在開(kāi)展噴淋工作時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳水滴粒徑，提高噴淋效率。

3．4 奶牛換熱量

奶牛換熱量的計(jì)算公式為：dQ = b[(1．O1 + 1．84x”)(t-c)+ (2500 + 1．84c)(x” - x)]dF =b(i”- i)dF（推導(dǎo)見(jiàn)2．2），由于本試驗(yàn)主要借鑒了Merkel焓差理論，所以在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中將奶牛體表附近的空氣近似按照飽和空氣邊界層進(jìn)行計(jì)算，檢測(cè)區(qū)域和奶牛實(shí)際的體表溫度，按照水蒸氣飽和區(qū)域和飽和空氣溫度來(lái)計(jì)算。與此同時(shí)，借助溫濕度記錄儀采集試驗(yàn)區(qū)域的溫度和濕度，利用熱線風(fēng)速儀對(duì)奶牛周邊區(qū)域的風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)，并著重探測(cè)奶牛體表的分?jǐn)?shù)。除此以外，還要同時(shí)對(duì)奶牛脖頸處高度的平均風(fēng)速、奶牛表皮面積等進(jìn)行測(cè)量，對(duì)每種噴淋水滴粒徑下奶牛的平均換熱量進(jìn)行求值。奶牛的換熱過(guò)程主要涵蓋了導(dǎo)熱、對(duì)流以及熱質(zhì)交換3 個(gè)流程，主要是體表和空氣之間的換熱，因而是對(duì)顯熱換熱量和潛熱換熱量進(jìn)行求和，保證熱量守恒。通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，換熱量和噴淋水滴粒徑的值并不存在線性關(guān)系，但是可以看出存在最佳噴淋水滴粒徑，之所以會(huì)得出這種結(jié)果，主要是因?yàn)樽罴阉瘟叫纬傻乃ぴ阡佌归_(kāi)后能加大與奶牛體表的接觸面積，提高換熱效率。

表1 3 種不同噴淋粒徑條件下奶牛脖頸和腹部在噴淋前、中、后的體表溫度

4 小結(jié)

綜上所述，不同噴淋水滴粒徑對(duì)于奶牛直腸溫度無(wú)影響，對(duì)其體表溫度、呼吸頻率以及換熱量具有顯著影響。因此，為了盡可能緩解奶牛熱應(yīng)激，提高產(chǎn)奶量，牧場(chǎng)管理人員應(yīng)注重對(duì)噴淋粒徑的有效控制，為奶牛提供更適宜的生存環(huán)境。