周齊新，田曉靜，臧榮鑫，馮 哲

（西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

甘肅地處黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古高原三大高原的交匯地帶，境內(nèi)山脈縱橫交錯(cuò)，高低相差懸殊。全年平均氣溫0～14 ℃，自東南向西北降低，極端最低氣溫達(dá)到-32～-7 ℃，形成了典型的高寒牧區(qū)，出現(xiàn)了典型的“夏肥、秋壯、冬瘦、春亡”的畜禽養(yǎng)殖惡性循環(huán)，嚴(yán)重束縛了畜牧業(yè)的發(fā)展[1]。

妊娠母羊在其妊娠期需要適宜的環(huán)境條件，如溫度、濕度、環(huán)境氣體組分等。妊娠母羊飼養(yǎng)條件的好壞直接關(guān)乎胎兒的正常發(fā)育，也影響母羊產(chǎn)后的泌乳性能[2]。因此，為了獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，妊娠母羊舍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

日光塑料暖棚已在各大高寒牧區(qū)大力推廣應(yīng)用，但在使用過程中仍然存在以下問題：日光暖棚未達(dá)到理想的保溫效果[3]；由于冬春季大風(fēng)頻繁，塑料薄膜易被刮破，需每年更換，維修成本高[4]；采用人工監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的方法，舍內(nèi)潮濕和有害氣體無法實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能及時(shí)排出，影響羊只的健康和生產(chǎn)力。近年來，隨著傳感器、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)外涌現(xiàn)一大批畜牧信息智能化監(jiān)測(cè)方法。Shao等[5]通過分析群養(yǎng)豬睡眠時(shí)的圖像特征，判斷豬舍內(nèi)溫度舒適度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)；Theurer等[6]運(yùn)用CISs、GPSs、視覺監(jiān)控等技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)牛的行為，綜合評(píng)估牛的健康狀態(tài)，為飼養(yǎng)者提供可靠的參考依據(jù)。然而，智能調(diào)控型畜禽舍在國(guó)內(nèi)應(yīng)用卻罕見報(bào)道。因此，本文針對(duì)高寒牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展特性，擬設(shè)計(jì)一種新型環(huán)境智能調(diào)控型妊娠母羊舍，實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)羊舍內(nèi)溫度、濕度、環(huán)境氣體組分等變化情況，對(duì)于提高母羊的生產(chǎn)性能、促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展有著重要意義。

1 羊舍舍址及類型選擇

考慮到羊只喜干燥、厭潮濕的生活習(xí)性，舍址首先選擇在通風(fēng)干燥、背風(fēng)向陽、水源充足、水質(zhì)優(yōu)良、排水通暢的地方，地勢(shì)較高且地下水位低。其次，交通便利、易于防疫，遠(yuǎn)離村莊、主道路和河流500 m以上，建設(shè)在生活區(qū)的下風(fēng)向。

羊舍類型主要分為單坡式、雙坡式、敞開式、密閉式、半敞開式，其中雙坡式最適合母羊生產(chǎn)飼養(yǎng)[7]。標(biāo)準(zhǔn)化雙坡式羊舍克服了以前羊舍保溫性能差、建設(shè)成本高、使用年限短、通風(fēng)效果差、舍內(nèi)濕度大、存欄數(shù)量少、清糞難度大、羔羊成活率低、養(yǎng)殖效益差等諸多不利因素，在防寒保暖、防震防壓、防爆風(fēng)以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用、規(guī)模效益等方面取得了突破性進(jìn)展[8]。因此，考慮到妊娠母羊飼養(yǎng)條件，選擇雙坡式羊舍結(jié)構(gòu)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 屋面角計(jì)算

羊舍窗朝南，冬季太陽高度角較小，可使更多斜光線進(jìn)入室內(nèi)，從而提高室內(nèi)溫度；而在夏季，太陽高度角增大，太陽從窗射入的光線相對(duì)較少，從而能保持室內(nèi)有一定的涼意。棚面與太陽光射入的角度垂直時(shí)，所吸收的太陽輻射最強(qiáng)，因此，也就得到太陽輻射最大的熱量。根據(jù)這一原理，以大寒當(dāng)天12點(diǎn)的太陽高度和90°的入射角為依據(jù)[9]，計(jì)算蘭州市榆中縣羊舍的屋面角。

式中，n為當(dāng)?shù)刂形?2點(diǎn)太陽的高度角；θ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?；δ為赤緯，赤緯在夏至?xí)r為23°27′，約為23.5°，冬至為-23°27′，約為-23.5°，春分為0°[10]。

經(jīng)查閱資料得知，榆中縣地處北緯36.35°，大寒當(dāng)天赤緯為－20°18′，約為-20.3°。將以上數(shù)據(jù)代入公式，得出北緯36.35°的地區(qū)，在大寒當(dāng)天12點(diǎn)時(shí)的太陽高度角為：n=90°－36.35°＋（-20.3°）=33.35°。

因此，棚面如果在大寒當(dāng)天正午與太陽入射光線成垂直狀態(tài)，那么棚面與地面的夾角應(yīng)為：n=90°－33.35°=56.65°。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的高寒牧區(qū)環(huán)境智能調(diào)控型妊娠母羊舍包括運(yùn)動(dòng)場(chǎng)和生產(chǎn)棚舍，朝向?yàn)樽背?。將運(yùn)動(dòng)場(chǎng)設(shè)置在生產(chǎn)棚舍的外圍，主要包括基石和柵欄。生產(chǎn)棚舍包括地基、南墻、北墻、西墻、北屋頂、南屋頂、立柱。南墻上端開設(shè)采光窗，北墻底端開設(shè)通風(fēng)窗。在南墻、北墻、立柱的上中下位置上均勻安裝溫度傳感器、CO2、NH3、H2S空氣監(jiān)測(cè)器，見圖1。在東墻上安裝風(fēng)機(jī)，見圖2。在西墻上安裝濕簾，見圖3。生產(chǎn)棚舍內(nèi)部設(shè)有羊床、柵欄、刮糞板、電熱地暖板、飼喂通道、飼槽。

圖1 環(huán)境智能調(diào)控型妊娠母羊舍的整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 環(huán)境智能調(diào)控型妊娠母羊舍的風(fēng)機(jī)立面圖

圖3 環(huán)境智能調(diào)控型妊娠母羊舍的濕簾立面圖

2.3 參數(shù)確定

2.3.1鋼板 鋼結(jié)構(gòu)建筑特別是輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)點(diǎn)較多：工程周期短；每平方米建筑覆蓋用材料輕；減少了施工的工序和施工工作量[11]。因此，南屋頂由上到下依次鋪設(shè)0.5 mm厚的湖藍(lán)色壓型鋼板、100 mm玻璃絲綿、桁架藤條、0.4 mm厚彩鋼板（圖1）。北屋頂?shù)南聦愉佋O(shè)寬1 800 mm的玻璃板，上方鋪設(shè)80 mm厚的保溫彩鋼板。

2.3.2羊床、濕簾、風(fēng)機(jī)、采光窗及通風(fēng)窗 如圖2、3所示，羊床寬6 000 mm，中間用柵欄隔開，共設(shè)6個(gè)羊床。柵欄所起作用為隔離產(chǎn)羔母羊和帶羔母羊，便于母羊和羔羊的護(hù)理[12]。濕簾的尺寸大小為1 800×2 100 mm，離地300 mm，間距1 200 mm。風(fēng)機(jī)的尺寸大小為1 400×1 400 mm，離地700 mm，間距1 900 mm。采光窗和通風(fēng)窗的大小為300×300 mm。

2.3.3運(yùn)動(dòng)場(chǎng) 運(yùn)動(dòng)場(chǎng)總長(zhǎng)30 000 mm，總寬12 000 mm，底部基石高500 mm，上層四周設(shè)有高1 000 mm網(wǎng)格柵欄。在集約化舍飼環(huán)境下，羊只的行為譜主要由采食、反芻、休息和運(yùn)動(dòng)4個(gè)變量構(gòu)成[13]。因此，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地要寬廣，防止羊因運(yùn)動(dòng)量不足而導(dǎo)致體質(zhì)下降，易患各種疾病。以砂質(zhì)壤土或磚地面為好，便于排水和保持干燥[14]。

2.3.4墻體 北墻總高1 600 mm，南墻總高2 400 mm，下面鋪設(shè)高500 mm地基，立柱高3 000 mm。墻在羊舍保溫方面起重要作用，磚墻最常見，墻越厚，其保溫效果越好。

3 優(yōu)越性能

3.1 解決羊只生產(chǎn)環(huán)境問題

采用新型高寒牧區(qū)環(huán)境智能調(diào)控型羊舍，能較好地解決高寒牧區(qū)冬春季飼養(yǎng)綿羊的生產(chǎn)問題。經(jīng)計(jì)算確定了日光暖棚面傾斜角為56.65°，與當(dāng)?shù)卮蠛鞖鈺r(shí)太陽輻射的入射角垂直，能確保羊舍溫度適宜，避免了嚴(yán)寒、風(fēng)雪等災(zāi)害性天氣對(duì)羊只的直接危害。崔緒奎等[15]研究表明，卷簾羊舍內(nèi)CO2濃度比封閉式羊舍低21.19%，通風(fēng)透光更好。本設(shè)計(jì)在南屋頂上設(shè)有卷簾，保證了羊舍內(nèi)一定的通風(fēng)量。此外，糞尿要及時(shí)清理，否則舍內(nèi)濕度過大，有害氣體急劇增加。舍內(nèi)有害氣體主要來源有羊排泄物分解產(chǎn)生的NH3、H2S、揮發(fā)性脂肪酸，這些氣體易引起羊的眼炎和呼吸道炎癥，使羊抵抗力下降[16]。本設(shè)計(jì)在糞池內(nèi)部設(shè)有刮糞板，可定期清理羊排出的糞便。

3.2 一次性投入，降低成本

采用立體空間結(jié)構(gòu)設(shè)置，南面采用玻璃板采光。塑料暖棚雖然采光好，但夏季舍內(nèi)溫度太高，冬季舍內(nèi)與舍外溫差太大，羊容易感冒。另外，夏季拿掉塑料膜后，不能為羊舍遮擋風(fēng)雨和陽光[17]，冬季雪天塑料暖棚易被積雪壓壞。玻璃板的使用克服了塑料暖棚每年需要更換塑料膜、維修成本高的弊端，一次性投入可經(jīng)久使用。利用其良好的熱輻射能力，可確保羊舍溫度適宜，給仔羊提供舒適的生活環(huán)境。羊床設(shè)有電熱地暖板，節(jié)能減排，可提高妊娠母羊腹部的溫度，降低母羊感冒甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)，與羊床形成平整的、無縫的永久型一體化結(jié)構(gòu)。

3.3 實(shí)現(xiàn)智能化環(huán)境控制

冬季產(chǎn)羊羔季節(jié)，圈舍密度大，羔羊與母羊代謝快，糞便中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多，若不及時(shí)清理，導(dǎo)致發(fā)酵容易產(chǎn)生NH3。圈舍門窗緊閉NH3無法排出，濃度升高，羊只因此免疫力低下，易患各種疾病[18]。本設(shè)計(jì)通過總線將從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，養(yǎng)殖人員只需在控制界面上設(shè)定羊舍環(huán)境參數(shù)，控制軟件自行分析數(shù)據(jù)并調(diào)整羊舍環(huán)境，能避免有線方式傳輸數(shù)據(jù)導(dǎo)致數(shù)據(jù)大量布線而帶來的繁瑣。當(dāng)羊舍溫度低于設(shè)定值時(shí)，主機(jī)控制打開電熱地暖板實(shí)現(xiàn)增溫；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，主機(jī)控制打開風(fēng)機(jī)和濕簾送入冷風(fēng)，達(dá)到降溫效果；當(dāng)有害氣體含量超過預(yù)設(shè)值時(shí)，主機(jī)控制打開風(fēng)機(jī)和濕簾實(shí)現(xiàn)通風(fēng)及有害氣體排出，實(shí)現(xiàn)24 h監(jiān)控。自動(dòng)控制設(shè)備啟停，及時(shí)有效地消除舍內(nèi)CO2、NH3、H2S等有害氣體，實(shí)現(xiàn)智能化環(huán)境控制，達(dá)到環(huán)保、衛(wèi)生、健康養(yǎng)殖。

3.4 保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)共同發(fā)展

只有不斷優(yōu)化舍飼環(huán)境，才能真正解決放牧問題。過去的草原放牧模式，已極度破壞草原生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致草原退化。草原退化是植被和土壤的雙重退化過程，而家畜采食和踐踏嚴(yán)重影響了草原植被及土壤，致使畜牧草業(yè)矛盾日益突顯，阻礙了畜牧業(yè)的發(fā)展。近年來，許多地區(qū)過度放牧、長(zhǎng)期超載、濫墾、亂挖和各種自然災(zāi)害等使天然草地退化、沙化、鹽化[19]，因此，改放牧為舍飼的任務(wù)迫在眉睫。本次設(shè)計(jì)的智能型羊舍已基本滿足飼養(yǎng)所需的環(huán)境要求，且集約化飼養(yǎng)能更好地觀察家畜生長(zhǎng)狀況。在冬季，自然放牧只能供給家畜枯草，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不高。相比之下，舍飼不僅能提供充足的飼草飼料，還能確保家畜在智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下健康生長(zhǎng)。

4 管理要求

4.1 保持清潔

經(jīng)常擦拭玻璃板上的水珠，以免影響室內(nèi)采光。加強(qiáng)消毒滅源工作，嚴(yán)禁外來人員進(jìn)入。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)應(yīng)每天清掃1遍，每周用消毒液消毒1次。一般選擇的消毒劑品種有碘酊、聚維銅碘、來蘇兒、氫氧化鈉、酒精、石灰乳等。注意飼槽內(nèi)是否干凈，羊愛干凈，一旦飼料沾上糞便，羊不再食用。刮糞板不能自動(dòng)清除羊糞，養(yǎng)殖人員需按時(shí)清掃。定期對(duì)羊群做驅(qū)蟲保健，一般在春秋兩季各進(jìn)行1次。需要注意的是，妊娠母羊懷孕兩個(gè)月以上不能再進(jìn)行藥浴，以免發(fā)生流產(chǎn)。

4.2 注意保溫

冬天羊舍溫度應(yīng)在0 ℃以上。當(dāng)溫度降低至-1 1～-5 ℃時(shí)，羊呼吸加深，體內(nèi)熱量流失，導(dǎo)致體重下降，無法儲(chǔ)存脂肪。安裝有卷簾的羊舍冬季保溫效果較差，可能出現(xiàn)水管凍結(jié)、自動(dòng)清糞設(shè)施不能正常運(yùn)行的情況。為保證羊群飲水充足，需要人為供給羊群飲水、人工除糞。電熱地暖板雖然能很好地增加羊群腹部溫度，但其在使用期間也有易潮缺點(diǎn)，必要時(shí)可以在電熱地暖板上鋪一層干草。陳林等[20]在西北地區(qū)冬季肉牛舍環(huán)境指標(biāo)測(cè)定與評(píng)價(jià)一文指出，舍飼地面加墊草既可提高舍內(nèi)溫度，又能保證地面溫度在0 ℃以上，同時(shí)可以降低相對(duì)濕度，是改善舍飼環(huán)境條件的有效措施。此外，墊草可以吸收有害氣體。利用墊草以改善羊舍內(nèi)小氣候，是寒冷地區(qū)常用的一種簡(jiǎn)便易行的防寒措施。

4.3 定期檢查

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)受到電源供給限制，通常攜帶能量有限的電池，在使用一段時(shí)間后，需換上新的電池。此外，無線傳感器可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，為避免此情況發(fā)生，相關(guān)維修人員應(yīng)定期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)試。為了保證網(wǎng)絡(luò)安全，還需要在通信節(jié)點(diǎn)建立共享密鑰。由于屋面跨度大，時(shí)間久了造成彩鋼板中間積水，中部重力加大，雨水次數(shù)越多變形越嚴(yán)重，引起滲漏。維修人員應(yīng)加大檢修力度，防止出現(xiàn)滲漏造成不必要的損失。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的新型智能調(diào)控型妊娠母羊舍，在傳統(tǒng)母羊舍的構(gòu)造基礎(chǔ)之上，更加智能化地控制有害氣體的排放，有效避免了母羊春乏死亡、減輕了草場(chǎng)載畜壓力、縮短了飼養(yǎng)周期并創(chuàng)造了動(dòng)物福利，為高寒牧區(qū)畜牧業(yè)羊舍的建造提供了科學(xué)依據(jù)和參考基礎(chǔ)。