軀體不同部位活動量表征母牛發情的研究進展

郭冠華，張建春，董智豪，段晨瑩，趙羚均，呂麗華，王 棟

（1.中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193；2.山西農業大學動物科學學院，山西太谷 030801；3.烏蘭察布市農林科學研究所，內蒙古烏蘭察布 012000；4.河南科技大學動物科技學院，河南洛陽 471203；5.吉林農業大學動物科學技術學院，吉林長春 130118）

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

現階段基于機電、傳感等技術的奶牛發情自動識別技術發展迅速，并成為奶牛養殖業發展趨勢，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據進行的發情鑒定結果，通過比較發情奶牛各部位活動量變化，推斷出奶牛發情指示效果最好的部位，以深入揭示奶?；顒恿孔兓幝膳c發情的關系，提高母牛發情鑒定效果。

1 奶牛發情特征

牛發情是內、外部各種因素綜合調控的結果，內部因素主要是激素水平變化、神經系統調節、個體遺傳因素及品種差異等，外部因素主要包括環境、飼養條件等。夏季高溫環境下，牛食欲、活動量顯著下降，發情表現降低。研究表明，春、秋、冬季母牛發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（7.72±3.71）、（5.75±3.85）、（7.07±3.76）h，而夏季母牛發情活動量較間情期增加（5.58±2.94）倍，持續（5.09±2.51）h，顯著低于春秋冬季。在生殖激素調控下，發情奶牛會產生生理、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、尾根舉起并發出發情哞叫聲，這些外在的發情表現都是通過內外部相關刺激綜合作用的結果，對這些行為變化的觀察和監測是奶牛發情鑒定的基本依據，也是新技術新方法研發的重要基礎。

1.1 生理特征 體溫是哺乳動物最重要的生理及健康指標之一。作為恒溫動物，奶牛在正常情況下體溫不會因環境影響發生太大變化。研究表明，當環境溫度低于20℃或溫濕度指數THI（Temperature-Humidity Index）低于68 時，奶牛間情期體溫僅圍繞 38.3℃發生較小波動，然而，隨著環境溫度、THI 升高，母牛體溫顯著升高，而當奶牛發情時，體溫會伴隨發情狀態呈一定規律變化。Piccione 等指出，奶牛正常體溫在（38.3±1.3）℃，發情期間體溫表現出21 d 節律性，反映了發情周期持續時間，發情期間體溫升高到（39.0±0.5）℃，并持續一段時間。李藍祁利用自主研發的溫度檢測系統每0.5 h 檢測一次陰道溫度，分析發現母牛發情時陰道溫度升高（0.52±0.21）℃，達到（39.13±0.51）℃，比Suthar 等的研究結果更精細。對奶牛體溫進行實時監控，可以掌握奶牛是否發情和奶牛健康狀況，及時進行人工輸精和疾病治療，避免養殖場產生經濟損失。

母牛發情期間的激素水平也會發生顯著變化。卵泡發育、排卵及卵泡顆粒細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節。卵泡發育過程中，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情行為開始前一天內迅速升高，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情期間無法檢測到，解除了雌激素對下丘腦的負反饋抑制作用，促進了促性腺激素釋放激素（Gonadotropin-Releasing Hormone，GnRH）的合成和分泌，GnRH 通過促進卵泡發育和雌激素合成與分泌，發揮了對母畜發情行為的調節作用，是調控發情行為的關鍵因素，并且GnRH 峰誘導了LH（Luteotropic hormone，黃體生成素）峰，促進了排卵。王亮等研究發現，發情當天母牛孕酮水平最低，為（0.37±0.97）ng/mL，并持續到發情后第3 天(均<1 ng/mL)，而雌二醇水平在母牛發情當天達到最大值（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相關，且在奶牛發情期間變化明顯。因此，雌二醇與孕酮濃度檢測為監測奶牛發情提供了激素檢測研發思路。

1.2 陰道表現 奶牛發情期間，在神經系統和生殖激素調控下，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，在發情開始前4 h 迅速下降，到發情開始后8～12 h 降至最低，降為（220±27）Ω，顯著低于間情期電阻值，可作為奶牛發情鑒定重要手段，并可達到84.2% 的發情檢測率。陰道溫度也可作為奶牛發情重要體征，對 47 頭黑牛陰道溫度統計結果表明，夏季發情母牛陰道溫度為（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還需要進行深入研究，無損、精準檢測技術的突破將會推動高效發情鑒定自動化技術研發。

1.3 行為特征 發情母牛受到生殖激素及神經調節會產生很多特殊的行為表現。其中，被爬跨時站立不動是最重要的發情表現，發情牛也很喜歡爬跨其他牛，經常會看到很多母?；ハ嗯揽?。發情母牛興奮性升高，表現躁動不安和頻繁大聲哞叫，有些發情牛即便相隔較遠，也可聽到其發情哞叫聲。發情牛對周圍環境變化特別敏感，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，發情盛期時接受其他牛爬跨。在這些可觀察到的現象中，接受爬跨是最準確的發情檢測手段，發情準確率在50%～90%。同時，發情母?；顒恿勘劝l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 下降到發情期的358.1 min/d，約下降15.55%。產奶量減少也是發情的一個重要表現，產奶量較多母牛的返情持續時間（6.2±0.5）h 和發情持續時間（6.3±0.4）h 都比產奶量較少母牛（10.9±0.7 h；8.8±0.6h）短，隨著產奶量持續增加，母牛發情行為減弱，并且安靜發情概率增加，發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情鑒定效果的影響

目前，根據鑒定的方法和效果，母牛發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、經驗和人情感影響，還受工作時間限制，隨著養殖規模的增加，鑒定工作量越來越大，鑒定效果也越來越差，甚至蠶食了養殖經濟效益。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情鑒定技術應運而生。目前應用最多的自動化發情鑒定主要是基于加速度傳感器建立的活動量監測技術，為準確反映發情母牛的活動量變化規律，有研究專門就頸部、耳部、尾部和四肢進行相應的活動量變化檢測分析，以更精準地揭示母牛發情。

2.1 頸部 頸部活動量監測是進行奶牛實時發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情鑒定，實驗牛同步發情處理后，有89 頭母牛卵泡直徑>10 mm 或注射PGF2后48 h 內功能性黃體溶解，這89 頭母牛中71%的個體通過加速度計檢測到發情，并且95% 的發情牛在PGF2后7 d 內排卵。而Wang 等對12 頭荷斯坦母牛持續采集12 d 頸部活動量數據，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組數據，采用KNN、BPNN、LDA 和CART4 種機器學習算法對數據進行奶牛發情識別訓練，以構建發情奶牛自動識別技術，結果BPNN 算法檢測效果最可靠，發情鑒定準確率為72.73%～95.36%。Sauls 等利用頸部加速度計對154 頭奶牛進行發情檢測，得到70% 發情檢出率。Chanvallon 等對63 頭荷斯坦奶牛頸部、腿部安裝發情檢測裝置，統計分析了179 個發情事件，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，關于頸部、腿部、耳部活動量比較的另一項研究表明，發情牛頸部活動量增加低于耳部、腿部等部位，而Mayo 等采用頸部發情檢測裝置，對91 頭奶牛進行發情檢測，發情檢出率僅為36.3%。頸部發情鑒定方法的數據監測結果表明，基于頸部活動量數據進行發情鑒定，其檢出率和準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中進行奶牛發情實時監測。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及反芻時間與進食時間等數據自動監測，結果顯示，發情期間，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%的奶牛發情揭發率。而Mayo 等基于加速計技術收集奶牛左耳活動量，在65 頭牛中檢測出51 頭發情，檢出率為78.5%。Schweinzer 等利用加速度計進行耳朵運動數據收集，在316 頭母牛中共監測到306 頭發情牛，發情持續時間在（16.9±4.9）h，檢出率達96.8%，遠高于頸部加速度計對自由放養經產荷斯坦奶牛的監測結果。而Schilkowsky 等對216 頭泌乳奶牛進行耳部活動數據監測，共檢測到182 頭奶牛發情，經直腸超聲證實有180 頭發情排卵，發情檢測率83.4%，發情持續時間為（13.5±3.8）h。對耳部數據檢測結果相差較大，利用耳部數據進行發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測母牛發情。曹學浩等利用腿部計步器進行3 組奶牛發情鑒定，平均每組檢測出250 頭發情牛，其中平均237 頭確認發情，發情檢出率94.8%，并監控了247頭奶牛配后活動量，發現105 頭第1 情期活動量無明顯變化，為懷孕狀態，而71 頭配后30 d 內活動量明顯增加，說明已返情，但該研究沒有說明是檢測多少個情期的結果，該研究特別強調，對安靜發情的檢出率低于70%。蔣曉新等利用腿部計步器對860 頭荷斯坦奶牛進行發情監測，共檢測到604 頭次真實發情，發情檢測率70.23%，雖然比人工觀察發情提高了24.01%的檢出率，但是仍有30% 發情牛未被檢出，同時，該結果也遠低于曹學浩等的檢測結果。李藍祁等使用腿部計步器進行牛發情自動監測，并進行直腸檢查確認，對121 頭自然發情泌乳牛、7 頭青年牛和29 頭同期處理泌乳牛監測，共鑒定出107 頭自然發情牛（鑒定率88.43%）、15 頭同期發情牛（鑒定率51.72%）、6 頭青年牛（鑒定率85.71%）。說明計步器發情鑒定較適合自然發情牛，而對于定時輸精處理牛的監測效果較差。Mayo 等在奶牛四肢上分別綁定上計步器進行發情監測，結果顯示，右前腿檢測到35 頭發情，右后腿檢測到76 頭發情，左前腿檢測到72 頭發情，左后腿檢測到45 頭發情，檢出率分別為32.1%、69.7%、66.1%、41.3%，表明四肢的發情監測效果是有差異的，右后腿檢出率最高，與蔣曉新的檢測結果相似，右前腿檢出率最低，低于已有報道結果。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、下肢的運動數量、質量等規律明顯不同。因此，母牛各腿的運動習慣和使用程度也可能存在較大差異，并對發情鑒定結果有很大影響，有必要對母牛軀體各部位的運動習性進行深入研究，以提高發情檢出率。通過以上實驗證明，通過計步器測量腿部活動量已經被廣泛用于奶牛發情鑒定，還有些用計步器實現了超早期妊娠診斷，但關于腿部活動量的規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。對母牛發情觀察結果表明，受到陰道水腫、生殖道節律性變化和陰道粘液性狀及分泌數量等刺激后，母牛頻頻舉尾，基于這一現象，周正義等利用自主研發的尾部活動量采集設備，對青年牛、經產牛各10 頭進行了尾部活動量變化規律研究，結果表明，間情期時期母牛尾部活動量較低且較穩定，基本低于500次/h，發情開始后尾部活動量逐漸增加，至發情2 h 時達最大（3 284±1 009）次/h，且極顯著高于間情期活動量，經產牛發情時尾部活動量顯著高于青年牛，發情持續時間約為8.5 h。利用尾部活動量變化為發情鑒定技術研發提供了新思路，然而，關于尾部活動量規律的研究還不夠系統深入，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研究會為基于尾部活動量數據開發高效發情鑒定技術提供數據支撐。

3 小結

從奶牛身體不同部位檢測到的活動量數據差異很大，據此得到的奶牛發情監測結果同樣差異很大，甚至來自四肢的活動量監測結果都存在巨大差異。不同部位對奶牛發情指示作用的差異，從行為改變的原因來看，發情表現既有生殖系統變化導致的行為變化，也包含由此引發的神經征狀。因為，各個器官的行為表現既受器官本身功能狀態的支配，也不同程度地受到神經、體液的調節。同時，軀體不同部位與生殖器官的相互影響關系也有差異，軀體不同部位的運動習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出一定的差異性，相應地也會使發情鑒定效果表現出檢測部位差異性。因此，深入開展軀體不同部位活動量變化規律研究，以及不同部位活動量與奶牛發情行為相關性研究，將可能為獲得更高效的自動化發情鑒定效果提供重要技術支撐。