奶牛繁殖管理是养殖生产中的重要环节之一, 及时准确地判断出发情奶牛并进行适时配种能有效提高奶牛受胎率、减少空怀期、优化种群结构、增加经济效益。错误的发情鉴定会导致奶牛产犊间隔延长、产奶量下降、饲养成本增加等一系列问题^[1]。传统的牧场管理大多采用人工观察法进行奶牛的发情鉴定^[2]。然而, 对于现代规模化牧场养殖来说, 人工观察法存在2个方面的缺陷:一是受到泌乳天数、泌乳次数、产奶量、跛行、营养等多因素影响^[3], 且观察费时费力, 容易出现因不能及时发现发情爬跨行为而错过最佳输精时间的现象; 二是高产奶牛常处于能量负平衡状态, 使其发情时间缩短, 发情不明显, 极大影响发情判断, 从而影响繁殖水平^[4]。近年来, 随着对奶牛发情期间行为表现的深入研究, 发现奶牛发情期间活动量提高^[5], 同时伴随有反刍减少^[6]、体温升高^[7]、采食下降^[8]等生理变化。据此研究, 国内外多家公司相继研发出通过电子传感器监测奶牛发情状态、行为规律的商业化精准监测系统。这些监测系统的作用原理大多是基于奶牛发情时活动量、反刍时间、躺卧时间、体温等相关数据的变化程度判定奶牛是否处于发情状态, 以此准确推算排卵时间并确定最佳输精时间, 充分发挥奶牛自身的繁殖潜力, 方便养殖人员更快捷明了地识别每头奶牛的发情状态。本文在对传统发情监测方法的局限性进行说明的基础上, 系统总结梳理了近年来研究推广较为广泛的发情监测系统的种类及其在奶牛管理中的应用进展。

1 传统发情监测方法

传统的奶牛发情监测方法主要是直肠触摸检测法, 该方法是通过兽医直接观察和触摸直肠, 判定奶牛发情与配种时间, 其准确性可高达95%以上^[9], 但对操作人员技术要求较高。对于规模化奶牛场, 该方法易出现发情观察不及时、不准确, 引起漏配现象。王凯^[2]从0点开始, 以每6 h为节点统计奶牛的发情比例, 分别为43%、22%、10%和25%, 即奶牛发情高峰期主要集中在夜间或傍晚, 即使安排夜间值班人员, 也很容易错过奶牛的最佳配种时间, 影响牛群受胎率。

传统的奶牛发情监测方法还有涂蜡笔法, 该方法是使用专用蜡笔每天上、下午对待配牛和配过未孕牛尾根部来回涂抹3~4次, 直到颜色鲜艳容易观察, 若奶牛接受爬跨, 尾根部的毛发会被压平, 涂抹的蜡笔颜料被擦淡, 个别奶牛还会沾染到爬跨奶牛腹部的粪便, 以此判断发情。Pennington等^[10]研究显示, 涂蜡笔法的发情检出率高达93.9%, 且成本较低, 适用于规模较小的牧场, 但对于中国逐渐形成的规模化养殖场来说, 这种方法可操作性差。

2 发情监测系统

近几年来, 发情监测系统在对奶牛发情、受孕、妊娠状态进行数字化监测方面取得了重要进展, 极大地提高了我国规模化奶牛场的数字化管理水平。监测牛只发情的数字化管理系统主要有:基于奶牛活动量和行为变化的计步器发情监测系统和加速度感应器发情监测系统^[11-12]; 基于发情期耳温、阴道温度变化设计的发情监测系统^[13]; 通过视频纪录结合数字化算法分析的自动视频分析技术及产品^[14]等。

2.1 计步器发情监测系统

计步器发情监测系统是目前研究成熟、应用广泛的一种发情监测方法。该系统的设计主要依据奶牛发情时体内雌激素含量显著上升, 表现出精神兴奋、爬跨、精神紧张, 同时奶牛活动量明显增加、躺卧时间则会明显减少, 当奶牛接受爬跨时, 发情强度达到顶点^[15]等特点。计步器发情监测系统通过在牛腿部安装计步器记录单位时间内的行走步数, 并通过在挤奶厅安装配套的信息接收装置, 于每次挤奶时上传一次数据, 根据个体奶牛活动量变化规律, 电脑端软件算法计算出奶牛加权活动量, 以此作为奶牛间情期和发情期判定的指标^[16], 当活动量达到预设的阈值时, 系统自动发出发情警报^[17]。除此以外, 计步器发情监测系统还可自动记录奶牛编号、运动量和反刍状况, 以方便技术人员及时准确地了解每头奶牛的繁殖状态。

2.2 加速度感应器发情监测系统

加速度感应器发情监测系统是一种通过佩戴颈环达到实时监测的系统, 通过系统内安装的加速度感应器实时测定奶牛头部及颈部的行为活动变化, 同时监测行走、躺卧、站立、吃料、奔跑等行为数据^[18], 数据经牛场中安装的无线设备接收上传到特定软件系统, 通过相应算法经软件分析, 所得运动指数超过软件规定正常阈值, 系统自动发出发情警报, 牧场主在手机端即可对奶牛发情情况进行监测。该系统能够准确鉴别和预测奶牛发情, 有效区分和发情相关的各项行为指标的变化(行走步数、反刍时间)。Aungier等^[19]以直肠触摸检测法进行验证, 证明加速度感应器发情监测系统对奶牛发情检出率可达90%以上。Schweinzer等^[20]给316头奶牛佩戴加速度发情监测设备, 证明检出发情的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值、准确性和错误率分别为97%、98%、96%、94%、96%和2%, 充分证明了加速度感应器发情监测系统具有良好的应用效果。Reith等^[11]的研究同样证明, 通过给奶牛颈部佩戴加速度感应项圈进行发情监测与配种时间预测, 配种成功率显著高于直接观察法。

2.3 基于体温变化的发情监测系统

研究表明, 奶牛发情前后体温呈现规律性变化^[7], 通过自动监测体温变化实现对奶牛发情状况的数字化监测成为重要的研发方向。Cavalieri等^[21]研究发现, 发情期奶牛由于卵巢的发育, 体内雌激素含量升高, 使得体内代谢加快, 从而表现出体温上升。基于体温变化的发情监测主要有2种方法:一是直肠温度监测法。杨章平等^[22]对30头中国荷斯坦奶牛发情前后2 d的直肠体温进行了监测, 结果显示, 奶牛发情时体温平均升高(0.53±0.29)℃, 而奶牛排卵时直肠温度平均下降(0.22±0.13)℃^[23]。利用同样的方法对47头日本黑牛进行检测, 发现45头母牛在发情阶段表现为体温升高, 发情检出率达95.7%^[24]。此方法的缺点是费时费力且容易对奶牛造成应激。二是通过接触式体温检测传感器监测奶牛体温。Randi等^[25]通过给奶牛佩戴电子耳标监测耳道温度预测奶牛发情, 由于奶牛耳部易与围栏或其他牛只发生摩擦接触, 温度测定作用效果不明显。蔡勇^[26]基于NRF51822型处理器设计了一套奶牛体表温度自动监测系统, 通过ADT7320接触式传感器实时监测奶牛脚腕皮肤温度变化来判断奶牛健康与发情状态。基于体温变化的发情监测系统的技术和产品有待于进一步的改进和提升。

2.4 视频发情监测系统

视频发情监测系统的应用主要依赖于摄像头的安装与软件视频算法的处理。刘忠超等^[14]使用YW7100HR09-SC62-TA12网络高清摄像机记录奶牛日常行为活动视频, 为了保证摄像机视野能够监控整个奶牛活动区, 将其安装在高度为3.3 m的牛棚支撑墙上, 保持向下约15.5°的倾角, 并应用卷积神经网处理方法构建奶牛视频发情监测系统, 经试验验证其具有实际可行性, 因其对奶牛发情的监测为非接触式, 监测方法便捷、准确且奶牛不产生应激, 近年来得到了广泛的研究与推广。

2.5 压力传感发情监测系统

压力传感发情监测系统是基于对发情奶牛被爬跨次数和时长的判断, 该系统由1个压力传感发射器和1个远端接收器组成。将压力感受器放置于奶牛尾根部骶骨区域, 当压力感受器监测出奶牛被爬跨持续时间大于2 s时, 通过无线电信号将牛号、日期、时间、强度等数据上传至计算机, 并由计算机上的管理软件进行记录。使用该系统可以检测到82.1%的排卵情况, 与直接观察法相比, 显著增加了发情奶牛的检出率^[27]。

2.6 基于乳汁孕酮含量变化的发情监测系统

研究表明, 奶牛发情期行为体征受下丘脑[促性腺激素释放激素(GnRH)]、垂体前叶[卵泡生成素(FSH)和黄体生成素(LH)]、卵巢(孕酮、雌二醇和抑制素)和子宫[前列腺素F2α(PGF2α)]分泌的内分泌激素的调节^[28]。奶牛发情时, 雌二醇含量升高促进促性腺激素释放激素激增, 使孕酮含量达到最低, 引起发情行为变化和排卵^[29]。由于孕酮在血液中的含量与乳汁中的含量相近, 依据乳汁中孕酮含量的变化实现在线自动监测系统的开发, 在挤奶过程中对每头牛乳汁进行采集和检测, 并自动传输到连接的分析单元, 根据孕酮含量判断奶牛所处发情期阶段, 当孕酮含量 < 1 ng/mL时判定其为发情状态^[30], 并预测输精时间。据报道, 乳汁中孕酮含量检测法对奶牛发情的检出率可高达95%以上^[31]。

3 发情监测系统在奶牛养殖数字化管理中的应用

发情监测系统作为一种伴随信息技术发展逐步研发的数字化发情监测技术, 已经对我国奶业的健康发展起到了重要的支撑作用, 主要作用表现在3个方面:第一, 奶牛的发情监测根据发情期奶牛生理和行为的变化趋势, 预测奶牛的发情时间和阶段, 提供准确的配种时间, 提高奶牛受胎率; 第二, 提供奶牛早期妊娠诊断, 一般奶牛受胎后卵泡的变化至少要在25~30 d后才能通过直肠超声波检测出^[32], 大大增加未受孕奶牛的空怀期, 采用发情监测系统通过对其行为变化分析, 预测奶牛受胎状况, 对脱配奶牛及时进行二次输精, 减少损失; 第三, 可对奶牛的健康进行监测, 当奶牛患有消化道疾病、肢蹄病、乳房炎等疾病时, 各项行为体征将会发生变化, 以此变化为依据对牧场牛群进行实时监测, 可以为奶牛疾病的及早发现和治疗提供帮助。

3.1 发情监测

奶牛的发情周期一般为18~24 d, 发情持续的时间短则6 h, 最长也不过36 h, 若未能在奶牛发情时及时鉴定实施配种, 则需要等到下一个发情周期, 这对于牧场来说是极大的经济浪费, 而对于泌乳盛期(产后60~100 d)的荷斯坦奶牛而言, 由于每天大量的泌乳, 导致体重严重下降的同时出现能量负平衡, 使得在这期间奶牛发情表现不明显或发情时间缩短, 限制了直接观察法进行奶牛发情监测^[33]。据报道, 在脱配的奶牛中, 大约有60%是由错误的发情鉴定导致的^[34-35], 试验证明发情奶牛中只有70%在发情时出现站立不安、精神亢奋、爬跨、吊腺等现象^[36]。Kiddy等^[37]使用计步器对奶牛发情期的运动量变化进行跟踪发现, 在运动场中的奶牛发情期间活动量明显增加, 可以达到间情期活动量的4.00倍, 在牛舍饲养的发情奶牛活动量可以达到间情期活动量的2.75倍。Roelofs等^[38]研究也同样表明奶牛在发情期的运动量是间情期的170%, 躺卧时间减少24.6%, 与李蓝祁等^[39]的试验结果相近, 即泌乳奶牛发情期的活动量显著高于间情期, 且在发情4.5 h时运动量达到最高, 可以达到正常运动量的3倍以上; 此外, 通过计步器发情警报后进行直肠检测确认, 准确性可比人工每天观察4次的检出率高15%~35%。由此可见, 发情监测系统可以提高牛群整体的发情检出率, 并且对隐性发情奶牛的发情检出有明显提高。位于陕西省千阳县的八戒牛场为改善场里奶牛的繁殖水平, 引进安装了计步器发情监测系统, 相比直接观察法, 发情牛的检出率提高了50%, 奶牛受胎率提高了15个百分点, 年产犊增加96头, 大大增加了经济效益^[40]。一般牧场采用人工观察法进行检测后, 记录牛号, 若上午发现发情, 则下午进行配种。但奶牛排卵时间很短, 为4~6 h, 若错过最佳的受精时间会影响奶牛正常受孕, 给牧场带来极大的损失。Maatje等^[41]经研究发现, 奶牛的最佳配种时间是在步数增加后的6~17 h, 进一步研究证明最佳的受孕时间是运动量增加后的11.8 h。由此可见, 完全可以通过发情监测系统完成奶牛的发情鉴定与输精时间预测。

发情监测系统不仅减少了牧场员工的工作量和工作难度, 也提高了发情奶牛的检出率和受胎率, 降低了牧场在奶牛空怀期间的损失。根据产值总损失=3.29×(空怀天数-85)×母牛平均产奶量×母牛头数×乳脂率4%牛奶市场收购价, 可计算出每次发情监测失误或输精后未受胎会给牧场带来360美元的损失^[1]。此外, 奶牛繁殖率的提高能够快速增加犊牛的产出率, 陕西省千阳县某牛场应用奶牛活动量发情监测系统后发情检出率明显提升, 相比上年产犊增加126头, 以当地平均奶犊牛售价计算, 预计增加收益近10万元^[42]。

3.2 妊娠早期诊断

奶牛妊娠早期诊断在奶牛生产中同样有着非常重要的意义, 及时准确地对妊娠奶牛作出妊娠早期诊断, 能够有效提高母畜的繁殖力。对妊娠奶牛作出妊娠早期诊断后, 可对妊娠母牛进行分群饲养, 保证奶牛所需环境和饲料营养条件, 对于未妊娠奶牛及时找出脱配原因并进行第2次配种。通常的孕检要在配种后35 d进行, 直肠触诊法和B超检测法^[43]是目前应用最为广泛的2种方法, 前者操作简单但对奶牛应激较大, 并且容易影响胚胎的发育; 后者鉴定结果准确但需要B超检测相关仪器, 相对成本较高, 对胚胎辐射危害较大。

使用发情监测系统进行早期妊娠诊断可以很大程度上提高检测的效率和准确度。某牧场引进监测设备, 仅3年时间, 牧场奶牛妊娠率提高了28%, 产犊间隔减少了30 d^[40]。除此之外, 通过运动量的监测可以及时检测出患生殖疾病奶牛和流产奶牛。若奶牛出现卵巢囊肿, 则奶牛活动量在1个发情周期内表现为上下波动, 出现不规律发情。若奶牛卵巢静止, 则表现为很长时间内运动量处于平均水平。另外, 妊娠奶牛由于妊娠黄体的存在, 抑制卵泡生成素的分泌, 从而抑制卵泡发育, 奶牛表现不发情, 当计步器监测到妊娠奶牛出现活动量增高等发情症状时, 很可能说明这头奶牛存在流产现象^[44]。由此可见, 发情监测系统能够更直观地显示出奶牛的妊娠状态, 有效地帮助牧场判断奶牛的妊娠情况, 便于及时准确的对病牛和流产牛进行治疗或再配种, 减少奶牛空怀期以及药物的浪费, 为牧场带来可观的效益。

3.3 健康监测

发情监测系统能够依据监测的生理状态指标推算出奶牛个体的生活规律, 反映奶牛的健康状况。通常情况下, 奶牛每天躺卧反刍的时间为8~10 h, 当监测到的躺卧时间高于或低于这个范围时, 说明奶牛的健康状态存在异常^[45]。另有研究表明, 奶牛佩戴计步器可以有效地监测奶牛蹄病的发生, 尽早的发现并积极治疗使得牧场蹄病治愈率从71.59%提升至91.18%^[4]。若奶牛出现如乳房炎、产后瘫痪、真胃移位等疾病时, 运动量会明显减少。通过系统的监测可以做到尽早发现奶牛饲养疾病方面的问题, 及时治疗, 降低病牛的淘汰率, 增加病牛的治愈率。

4 发情监测系统目前存在的问题

发情监测系统大大提高了规模化牧场的发情检出率, 将传统的饲养模式与现代数字化养殖相结合, 但便捷的同时也存在一些技术问题:1)对于同样存在爬跨、活动量增加的假性发情牛和隐形发情牛来说效果不明显, 在技术上可以结合奶牛个体的生理指标、生产性能以及环境因素进行改进; 2)暂时不能完全代替人工观察法, 监测结果仍需要结合直肠检测进行进一步验证; 3)目前国内较多的大型牧场都采用价格昂贵的进口监测系统, 国内独立自主研发的监测系统还不是很成熟, 需要进一步完善; 4)在实际使用过程中, 由于牧场人员对监测系统使用方法掌握不到位, 使得监测系统没有最大限度的发挥其功能。

5 小结和展望

奶牛的繁殖性能是决定牧场经济效益的主要因素之一。发情监测系统已成为现代牧场养殖中的重要技术之一, 该系统的应用大大减少了人工观察法引起的漏配现象, 可以有效提高奶牛发情检出率、受胎率以及妊娠率, 从根本上降低由于空怀所导致的经济损失。但由于发情监测系统在我国起步较晚, 产品和技术的应用不够完善, 需要进一步加强奶牛发情前后活动量、体温等生理状态的阈值研究, 以不断改进和完善该体系。