郭冠華，張建春，董智豪，段晨瑩，趙羚均，呂麗華，王 棟

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，山西太谷 030801；3.烏蘭察布市農(nóng)林科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000；4.河南科技大學(xué)動物科技學(xué)院，河南洛陽 471203；5.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130118）

發(fā)情鑒定是繁殖管理關(guān)鍵環(huán)節(jié)，及時準(zhǔn)確的發(fā)情鑒定是奶牛養(yǎng)殖業(yè)高效發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)。夏季高溫環(huán)境會降低奶牛發(fā)情表現(xiàn)，同時，營養(yǎng)、疾病等因素也可影響奶牛發(fā)情表現(xiàn)。若發(fā)情鑒定不準(zhǔn)確，人工輸精時間不科學(xué)，會影響受胎效果，延長產(chǎn)犢間隔，降低泌乳高峰期比例，進而影響生產(chǎn)效益。肉眼觀察及直腸檢查是最早建立并最常應(yīng)用的發(fā)情鑒定方法，但隨著牧群規(guī)模的擴大，繁殖員面臨越來越大的發(fā)情鑒定工作壓力，8 h 以外的夜間發(fā)情難以進行人工觀察，導(dǎo)致大量發(fā)情漏檢。奶牛發(fā)情表現(xiàn)在持續(xù)時間和強度上存在個體差異。同時，發(fā)情類型、圈舍地面材料、圈舍養(yǎng)殖密度、環(huán)境溫度等因素也會影響發(fā)情鑒定效果。此外，產(chǎn)奶量等生產(chǎn)性狀與發(fā)情行為具有較大負(fù)相關(guān)，每增加1 個泌乳期和每增加1 kg產(chǎn)奶量，發(fā)情期活動量分別減少21.4% 和1.6%，發(fā)情表現(xiàn)減弱，增加了對發(fā)情行為識別的難度。而且，隨著奶牛場規(guī)模逐漸增大，不但勞動力成本和時間投入越來越大，還需要技術(shù)人員具有充足的知識儲備及豐富的技能和經(jīng)驗，才能獲得理想的發(fā)情檢測效率。

現(xiàn)階段基于機電、傳感等技術(shù)的奶牛發(fā)情自動識別技術(shù)發(fā)展迅速，并成為奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展趨勢，特別是基于加速度計傳感器的計步器已被廣泛用于奶牛發(fā)情鑒定，佩戴的部位也各不相同，檢測效果千差萬別。為此，本文綜述了前人利用奶牛身體不同部位活動量數(shù)據(jù)進行的發(fā)情鑒定結(jié)果，通過比較發(fā)情奶牛各部位活動量變化，推斷出奶牛發(fā)情指示效果最好的部位，以深入揭示奶?；顒恿孔兓?guī)律與發(fā)情的關(guān)系，提高母牛發(fā)情鑒定效果。

1 奶牛發(fā)情特征

牛發(fā)情是內(nèi)、外部各種因素綜合調(diào)控的結(jié)果，內(nèi)部因素主要是激素水平變化、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、個體遺傳因素及品種差異等，外部因素主要包括環(huán)境、飼養(yǎng)條件等。夏季高溫環(huán)境下，牛食欲、活動量顯著下降，發(fā)情表現(xiàn)降低。研究表明，春、秋、冬季母牛發(fā)情活動量較間情期約分別增加（6.84±4.12）、（6.49±4.12）、（8.10±4.64）倍，并且分別持續(xù)（7.72±3.71）、（5.75±3.85）、（7.07±3.76）h，而夏季母牛發(fā)情活動量較間情期增加（5.58±2.94）倍，持續(xù)（5.09±2.51）h，顯著低于春秋冬季。在生殖激素調(diào)控下，發(fā)情奶牛會產(chǎn)生生理、行為特征以及陰部體征變化。例如，奶牛間互相爬跨、活動量增加、尾根舉起并發(fā)出發(fā)情哞叫聲，這些外在的發(fā)情表現(xiàn)都是通過內(nèi)外部相關(guān)刺激綜合作用的結(jié)果，對這些行為變化的觀察和監(jiān)測是奶牛發(fā)情鑒定的基本依據(jù)，也是新技術(shù)新方法研發(fā)的重要基礎(chǔ)。

1.1 生理特征 體溫是哺乳動物最重要的生理及健康指標(biāo)之一。作為恒溫動物，奶牛在正常情況下體溫不會因環(huán)境影響發(fā)生太大變化。研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃或溫濕度指數(shù)THI（Temperature-Humidity Index）低于68 時，奶牛間情期體溫僅圍繞 38.3℃發(fā)生較小波動，然而，隨著環(huán)境溫度、THI 升高，母牛體溫顯著升高，而當(dāng)奶牛發(fā)情時，體溫會伴隨發(fā)情狀態(tài)呈一定規(guī)律變化。Piccione 等指出，奶牛正常體溫在（38.3±1.3）℃，發(fā)情期間體溫表現(xiàn)出21 d 節(jié)律性，反映了發(fā)情周期持續(xù)時間，發(fā)情期間體溫升高到（39.0±0.5）℃，并持續(xù)一段時間。李藍(lán)祁利用自主研發(fā)的溫度檢測系統(tǒng)每0.5 h 檢測一次陰道溫度，分析發(fā)現(xiàn)母牛發(fā)情時陰道溫度升高（0.52±0.21）℃，達到（39.13±0.51）℃，比Suthar 等的研究結(jié)果更精細(xì)。對奶牛體溫進行實時監(jiān)控，可以掌握奶牛是否發(fā)情和奶牛健康狀況，及時進行人工輸精和疾病治療，避免養(yǎng)殖場產(chǎn)生經(jīng)濟損失。

母牛發(fā)情期間的激素水平也會發(fā)生顯著變化。卵泡發(fā)育、排卵及卵泡顆粒細(xì)胞黃體化和黃體溶解等卵巢功能，都受下丘腦、垂體、卵巢及子宮分泌激素的調(diào)節(jié)。卵泡發(fā)育過程中，雌激素分泌逐漸增加，孕激素水平逐漸降低，雌二醇濃度一般在發(fā)情行為開始前一天內(nèi)迅速升高，待排卵前卵泡達到最大，其分泌的雌二醇濃度達到最高水平，而下丘腦中的型雌二醇受體在發(fā)情期間無法檢測到，解除了雌激素對下丘腦的負(fù)反饋抑制作用，促進了促性腺激素釋放激素（Gonadotropin-Releasing Hormone，GnRH）的合成和分泌，GnRH 通過促進卵泡發(fā)育和雌激素合成與分泌，發(fā)揮了對母畜發(fā)情行為的調(diào)節(jié)作用，是調(diào)控發(fā)情行為的關(guān)鍵因素，并且GnRH 峰誘導(dǎo)了LH（Luteotropic hormone，黃體生成素）峰，促進了排卵。王亮等研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)情當(dāng)天母牛孕酮水平最低，為（0.37±0.97）ng/mL，并持續(xù)到發(fā)情后第3 天(均<1 ng/mL)，而雌二醇水平在母牛發(fā)情當(dāng)天達到最大值（6.23±0.85 ）pg/mL，之后迅速下降，第3 天下降為最小值（3.5±0.01）pg/mL，雌二醇與孕酮水平負(fù)相關(guān)，且在奶牛發(fā)情期間變化明顯。因此，雌二醇與孕酮濃度檢測為監(jiān)測奶牛發(fā)情提供了激素檢測研發(fā)思路。

1.2 陰道表現(xiàn) 奶牛發(fā)情期間，在神經(jīng)系統(tǒng)和生殖激素調(diào)控下，母牛陰部逐漸紅腫瘙癢，帶動尾巴不斷搖晃，吸引公牛進行交配。隨著發(fā)情進程，母牛陰部腫脹程度加大，充分張開，陰道黏膜潮紅并且富有光澤，并伴隨大量黏液流出。陰道黏液電阻值也逐漸降低，由間情期的（300±12）Ω，在發(fā)情開始前4 h 迅速下降，到發(fā)情開始后8～12 h 降至最低，降為（220±27）Ω，顯著低于間情期電阻值，可作為奶牛發(fā)情鑒定重要手段，并可達到84.2% 的發(fā)情檢測率。陰道溫度也可作為奶牛發(fā)情重要體征，對 47 頭黑牛陰道溫度統(tǒng)計結(jié)果表明，夏季發(fā)情母牛陰道溫度為（38.80±0.07）℃，間情期（38.47±0.04）℃，溫度差為（0.33±0.03）℃，冬季發(fā)情母牛期陰道溫度為（38.73±0.09）℃，間情期（38.43±0.05）℃，溫度差為（0.30±0.06）℃，發(fā)情鑒定率95.7%。本團隊對20 頭奶牛的研究表明，夏季、秋季和冬季發(fā)情母牛陰道平均溫度分別為（39.14±0.47）、（38.70±0.20）℃和（38.73±0.22）℃，較奶牛正常體溫38.3℃約高0.50℃，比間情期體溫約高0.3℃以上。但是陰道溫度自動采集技術(shù)還需要進行深入研究，無損、精準(zhǔn)檢測技術(shù)的突破將會推動高效發(fā)情鑒定自動化技術(shù)研發(fā)。

1.3 行為特征 發(fā)情母牛受到生殖激素及神經(jīng)調(diào)節(jié)會產(chǎn)生很多特殊的行為表現(xiàn)。其中，被爬跨時站立不動是最重要的發(fā)情表現(xiàn)，發(fā)情牛也很喜歡爬跨其他牛，經(jīng)常會看到很多母?；ハ嗯揽纭０l(fā)情母牛興奮性升高，表現(xiàn)躁動不安和頻繁大聲哞叫，有些發(fā)情牛即便相隔較遠(yuǎn)，也可聽到其發(fā)情哞叫聲。發(fā)情牛對周圍環(huán)境變化特別敏感，并且雙眼充血，食欲不振，尾部常高高翹起，喜歡聞嗅其他奶牛陰部，并追逐或者爬跨其他母牛，發(fā)情盛期時接受其他牛爬跨。在這些可觀察到的現(xiàn)象中，接受爬跨是最準(zhǔn)確的發(fā)情檢測手段，發(fā)情準(zhǔn)確率在50%～90%。同時，發(fā)情母牛活動量比發(fā)情前增加170%或更高；反芻行為減少，反芻時間從間情期的423.0 min/d 下降到發(fā)情期的358.1 min/d，約下降15.55%。產(chǎn)奶量減少也是發(fā)情的一個重要表現(xiàn)，產(chǎn)奶量較多母牛的返情持續(xù)時間（6.2±0.5）h 和發(fā)情持續(xù)時間（6.3±0.4）h 都比產(chǎn)奶量較少母牛（10.9±0.7 h；8.8±0.6h）短，隨著產(chǎn)奶量持續(xù)增加，母牛發(fā)情行為減弱，并且安靜發(fā)情概率增加，發(fā)情鑒定難度不斷加大。

2 軀體不同部位活動量變化對母牛發(fā)情鑒定效果的影響

目前，根據(jù)鑒定的方法和效果，母牛發(fā)情鑒定方法可分為人工法和自動化兩類。肉眼識別和直腸檢查是最常用的人工鑒定法，但此方法耗時耗力，不但受鑒定技術(shù)、經(jīng)驗和人情感影響，還受工作時間限制，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的增加，鑒定工作量越來越大，鑒定效果也越來越差，甚至蠶食了養(yǎng)殖經(jīng)濟效益。所以，自動化鑒定就顯得越來越重要。于是，基于活動量變化的自動化發(fā)情鑒定技術(shù)應(yīng)運而生。目前應(yīng)用最多的自動化發(fā)情鑒定主要是基于加速度傳感器建立的活動量監(jiān)測技術(shù)，為準(zhǔn)確反映發(fā)情母牛的活動量變化規(guī)律，有研究專門就頸部、耳部、尾部和四肢進行相應(yīng)的活動量變化檢測分析，以更精準(zhǔn)地揭示母牛發(fā)情。

2.1 頸部 頸部活動量監(jiān)測是進行奶牛實時發(fā)情檢測的重要形式之一。對112 頭荷斯坦奶牛頸部安裝加速度計進行自動化發(fā)情鑒定，實驗牛同步發(fā)情處理后，有89 頭母牛卵泡直徑>10 mm 或注射PGF2后48 h 內(nèi)功能性黃體溶解，這89 頭母牛中71%的個體通過加速度計檢測到發(fā)情，并且95% 的發(fā)情牛在PGF2后7 d 內(nèi)排卵。而Wang 等對12 頭荷斯坦母牛持續(xù)采集12 d 頸部活動量數(shù)據(jù)，針對性嗅反射、站立不安、聞嗅其他奶牛、依靠牛背、爬跨其他奶牛等性狀采集到264組數(shù)據(jù)，采用KNN、BPNN、LDA 和CART4 種機器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進行奶牛發(fā)情識別訓(xùn)練，以構(gòu)建發(fā)情奶牛自動識別技術(shù)，結(jié)果BPNN 算法檢測效果最可靠，發(fā)情鑒定準(zhǔn)確率為72.73%～95.36%。Sauls 等利用頸部加速度計對154 頭奶牛進行發(fā)情檢測，得到70% 發(fā)情檢出率。Chanvallon 等對63 頭荷斯坦奶牛頸部、腿部安裝發(fā)情檢測裝置，統(tǒng)計分析了179 個發(fā)情事件，腿部計步器真陽性檢出率71%，頸部真陽性檢出率為84%，頸部檢測效率高于腿部。然而，關(guān)于頸部、腿部、耳部活動量比較的另一項研究表明，發(fā)情牛頸部活動量增加低于耳部、腿部等部位，而Mayo 等采用頸部發(fā)情檢測裝置，對91 頭奶牛進行發(fā)情檢測，發(fā)情檢出率僅為36.3%。頸部發(fā)情鑒定方法的數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果表明，基于頸部活動量數(shù)據(jù)進行發(fā)情鑒定，其檢出率和準(zhǔn)確率還有待進一步驗證。

2.2 耳部 加速度計還被集成在耳標(biāo)中進行奶牛發(fā)情實時監(jiān)測。Dolecheck 等將加速度計分別安裝在耳部、頸部、腿部，進行母?；顒恿?、躺臥時間與躺臥次數(shù)及反芻時間與進食時間等數(shù)據(jù)自動監(jiān)測，結(jié)果顯示，發(fā)情期間，母牛頸部、腿部、耳朵的活動量分別增加約1.2、2.6、3.1 倍，耳部的活動量增加幅度高于其他部位，但綜合個部位活動量信息，該研究僅獲得了65.6%的奶牛發(fā)情揭發(fā)率。而Mayo 等基于加速計技術(shù)收集奶牛左耳活動量，在65 頭牛中檢測出51 頭發(fā)情，檢出率為78.5%。Schweinzer 等利用加速度計進行耳朵運動數(shù)據(jù)收集，在316 頭母牛中共監(jiān)測到306 頭發(fā)情牛，發(fā)情持續(xù)時間在（16.9±4.9）h，檢出率達96.8%，遠(yuǎn)高于頸部加速度計對自由放養(yǎng)經(jīng)產(chǎn)荷斯坦奶牛的監(jiān)測結(jié)果。而Schilkowsky 等對216 頭泌乳奶牛進行耳部活動數(shù)據(jù)監(jiān)測，共檢測到182 頭奶牛發(fā)情，經(jīng)直腸超聲證實有180 頭發(fā)情排卵，發(fā)情檢測率83.4%，發(fā)情持續(xù)時間為（13.5±3.8）h。對耳部數(shù)據(jù)檢測結(jié)果相差較大，利用耳部數(shù)據(jù)進行發(fā)情鑒定的效果還有待進一步實驗驗證。

2.3 腿部 在計步器常被綁在腿部進行活動量測定以監(jiān)測母牛發(fā)情。曹學(xué)浩等利用腿部計步器進行3 組奶牛發(fā)情鑒定，平均每組檢測出250 頭發(fā)情牛，其中平均237 頭確認(rèn)發(fā)情，發(fā)情檢出率94.8%，并監(jiān)控了247頭奶牛配后活動量，發(fā)現(xiàn)105 頭第1 情期活動量無明顯變化，為懷孕狀態(tài)，而71 頭配后30 d 內(nèi)活動量明顯增加，說明已返情，但該研究沒有說明是檢測多少個情期的結(jié)果，該研究特別強調(diào)，對安靜發(fā)情的檢出率低于70%。蔣曉新等利用腿部計步器對860 頭荷斯坦奶牛進行發(fā)情監(jiān)測，共檢測到604 頭次真實發(fā)情，發(fā)情檢測率70.23%，雖然比人工觀察發(fā)情提高了24.01%的檢出率，但是仍有30% 發(fā)情牛未被檢出，同時，該結(jié)果也遠(yuǎn)低于曹學(xué)浩等的檢測結(jié)果。李藍(lán)祁等使用腿部計步器進行牛發(fā)情自動監(jiān)測，并進行直腸檢查確認(rèn)，對121 頭自然發(fā)情泌乳牛、7 頭青年牛和29 頭同期處理泌乳牛監(jiān)測，共鑒定出107 頭自然發(fā)情牛（鑒定率88.43%）、15 頭同期發(fā)情牛（鑒定率51.72%）、6 頭青年牛（鑒定率85.71%）。說明計步器發(fā)情鑒定較適合自然發(fā)情牛，而對于定時輸精處理牛的監(jiān)測效果較差。Mayo 等在奶牛四肢上分別綁定上計步器進行發(fā)情監(jiān)測，結(jié)果顯示，右前腿檢測到35 頭發(fā)情，右后腿檢測到76 頭發(fā)情，左前腿檢測到72 頭發(fā)情，左后腿檢測到45 頭發(fā)情，檢出率分別為32.1%、69.7%、66.1%、41.3%，表明四肢的發(fā)情監(jiān)測效果是有差異的，右后腿檢出率最高，與蔣曉新的檢測結(jié)果相似，右前腿檢出率最低，低于已有報道結(jié)果。人的行為中也可以找到這種差異的類似例證，很多人左右手活動習(xí)慣和使用程度不同。例如，左撇子可能更喜歡用左手，而且，人上、下肢的運動數(shù)量、質(zhì)量等規(guī)律明顯不同。因此，母牛各腿的運動習(xí)慣和使用程度也可能存在較大差異，并對發(fā)情鑒定結(jié)果有很大影響，有必要對母牛軀體各部位的運動習(xí)性進行深入研究，以提高發(fā)情檢出率。通過以上實驗證明，通過計步器測量腿部活動量已經(jīng)被廣泛用于奶牛發(fā)情鑒定，還有些用計步器實現(xiàn)了超早期妊娠診斷，但關(guān)于腿部活動量的規(guī)律的深入研究或許還能促進腿部計步器檢出效率進一步提升。

2.4 尾部 尾部距離生殖道較近，更能直接感受到母牛發(fā)情期陰道水腫及黏液分泌的刺激，而且尾部活動的自由度較大。對母牛發(fā)情觀察結(jié)果表明，受到陰道水腫、生殖道節(jié)律性變化和陰道粘液性狀及分泌數(shù)量等刺激后，母牛頻頻舉尾，基于這一現(xiàn)象，周正義等利用自主研發(fā)的尾部活動量采集設(shè)備，對青年牛、經(jīng)產(chǎn)牛各10 頭進行了尾部活動量變化規(guī)律研究，結(jié)果表明，間情期時期母牛尾部活動量較低且較穩(wěn)定，基本低于500次/h，發(fā)情開始后尾部活動量逐漸增加，至發(fā)情2 h 時達最大（3 284±1 009）次/h，且極顯著高于間情期活動量，經(jīng)產(chǎn)牛發(fā)情時尾部活動量顯著高于青年牛，發(fā)情持續(xù)時間約為8.5 h。利用尾部活動量變化為發(fā)情鑒定技術(shù)研發(fā)提供了新思路，然而，關(guān)于尾部活動量規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)深入，尾部活動的影響因素都有哪些也不很清楚，可能未來更多深入的科學(xué)研究會為基于尾部活動量數(shù)據(jù)開發(fā)高效發(fā)情鑒定技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 小結(jié)

從奶牛身體不同部位檢測到的活動量數(shù)據(jù)差異很大，據(jù)此得到的奶牛發(fā)情監(jiān)測結(jié)果同樣差異很大，甚至來自四肢的活動量監(jiān)測結(jié)果都存在巨大差異。不同部位對奶牛發(fā)情指示作用的差異，從行為改變的原因來看，發(fā)情表現(xiàn)既有生殖系統(tǒng)變化導(dǎo)致的行為變化，也包含由此引發(fā)的神經(jīng)征狀。因為，各個器官的行為表現(xiàn)既受器官本身功能狀態(tài)的支配，也不同程度地受到神經(jīng)、體液的調(diào)節(jié)。同時，軀體不同部位與生殖器官的相互影響關(guān)系也有差異，軀體不同部位的運動習(xí)慣和使用程度也可能存在較大差異，所以，各器官、部位的活動量變化可能會表現(xiàn)出一定的差異性，相應(yīng)地也會使發(fā)情鑒定效果表現(xiàn)出檢測部位差異性。因此，深入開展軀體不同部位活動量變化規(guī)律研究，以及不同部位活動量與奶牛發(fā)情行為相關(guān)性研究，將可能為獲得更高效的自動化發(fā)情鑒定效果提供重要技術(shù)支撐。