奶牛发情周期为18~24 d[1]，如发情未被检出和及时配种，则需等到下一个情期才能再次发情配种，增加了非繁殖饲养成本[2]，发情检测是奶牛繁殖管理重要环节[3]。目前，奶牛场大都使用人工观察、尾根涂蜡等传统发情检测方法，需要投入大量人力，难以适应规模化养殖需求[4]。尽管同期发情定时输精技术正在推广应用，奶牛发情检测仍发挥着不可替代的作用[5]，并且向自动化发情检测方向发展[6-7]，而奶牛发情生理参数变化是自动化发情监测技术研发的重要基础。
发情过程伴随体温[8]、活动量[9]、阴道黏液电阻值[10]等参数改变，探索这些参数的发情周期变化规律，对自动发情检测技术研发与提高尤为重要。传感技术的发展，使这些参数的不间断自动检测成为可能，其中，基于加速度传感技术的自动发情检测技术正在奶牛养殖业中推广应用[11-12]。但是，该技术发情期活动量监测阈值标准不一，有的报道活动量升高4.2倍，持续9.7 h[13]，还有的升高2.9倍，持续13.8 h[14]，并且发情检出效果报道差别较大，最高达94.7%[15]，较低为85.6%[16]，笔者前期研究表明，发情检出率为88.24%[10]。为提高该技术检出率，笔者进行发情奶牛活动量变化规律研究。
本研究使用自行研发的奶牛自动化发情检测系统(基于活动量变化设计研发，专利号：CN201520109489.6)，对北京某奶牛场进行了发情母牛活动量检测，以探究发情奶牛的活动量变化规律。
1 材料与方法
1.1 试验动物及饲养管理
本研究于2016年7月-2017年7月在北京市房山区某荷斯坦奶牛场进行。随机选择该场150头产后健康泌乳牛和7头青年母牛进行试验。泌乳牛每天6:00、13:00、19:00各挤奶1次，每次挤奶结束后，颈夹固定采食TMR日粮30 min后，自由采食，并提供清洁饮水。采用散栏饲养，圈舍中设有卧床，圈舍面积1 750 m2(50 m×35 m)，每个圈舍约饲养36头奶牛，饲养密度48.6 m2·头-1，保证试验牛有足够的运动场地。
1.2 仪器设备及数据采集方法
采用本团队自行研发的奶牛发情自动监测系统(简称：系统)进行活动量数据采集，该系统包括活动量检测装置(计步器)、数据采集装置(收集计步器采集到的活动量数据，并将其传输到上位机系统)、上位机系统(接收、存储和分析数据，并通过软件显示)。试验期间计步器佩戴于牛后腿跖部，数据采集装置安放在试验牛棚中。计步器每检测到牛腿部产生1次加速度记为1，每0.5 h进行1次累计。采集器每2.0 h收集1次计步器检测到的活动量数据，并上传至上位机处理分析和显示，实现活动量实时监测和发情预报功能。当活动量超过前11 d(间情期)同一时间点平均值2.5倍以上，持续2.5 h以上时，系统预报该牛发情，活动量降至2.5倍以下，则发情结束。
1.3 试验处理
试验牛分为自然发情组和同期处理组，两组饲养方式相同，自然发情组不采用任何激素处理，试验牛从试验开始即进行活动量数据自动采集。同期处理组，对产后59 d未发情母牛，第60天颈部注射促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)，第67天颈部注射前列腺素F2α(prostaglandin F2α, PGF2α)，第69天再次颈部注射GnRH。
1.4 发情鉴定
系统自动进行发情母牛预报，所有系统预报发情母牛均由一位拥有8年从事奶牛繁殖工作经验的试验员进行直肠检查确认。本研究实际监测到128头发情牛的活动量变化，其中，春季监测出32头，夏季34头，秋季33头，冬季29头；青年牛检测出6头，1胎牛47头，2胎牛31头，≥3胎牛44头；根据发情类型，自然发情牛检测出113头，同期处理发情牛15头。
1.5 数据分析
首先使用Excel表格对活动量数据进行初步整理，然后，使用SAS8.1混合模型Glm过程(一种基于最小二乘法原理，对不同数量样本数据进行显著性检验的方差分析方法)，对不同胎次、不同季节和不同处理组母牛间发情活动量升高倍数和持续时间进行差异显著性检验。因为奶牛发情起始时间、结束时间不同，发情持续时间也不同，分析活动量变化规律时，分别将发情开始时间与发情结束时间定为0时，并分别向前后截取一段时间，进行活动量统计分析。
2 结果
2.1 奶牛发情时与发情前后活动量变化规律
2.1.1 发情当天与发情前后11 d活动量变化规律
将发情当天(第0天)活动量总和与发情前后11 d每天活动量总和作图(图 1)。图 1显示，荷斯坦奶牛每天的活动量在发情前11 d和发情后11 d差异不显著(P＞0.05)，均在20 000左右，且显著低于发情当天活动量(P＜0.05)，其中发情后第1天活动量最低(20 672±2 192)。发情当天活动量最高(53 841±11 016)，约为发情前后11 d每天活动量的2.69倍。
图 1(Figure 1)
Figure 1
*.与发情当天活动量比P＜0.05。下同
*. Compared with the activity on the day of estrus, P < 0.05. The same as below
图 1 50头母牛发情当天与发情前后11 d活动量数据
Figure 1
Activity of 50 cows on the day of estrus and 11 days before and after estrus
2.1.2 发情开始前后和发情结束前后活动量变化规律
将128头荷斯坦奶牛发情开始前3 h和发情开始后7 h每0.5 h活动量平均值，与发情前11 d(间情期)同一时间点活动量平均值作图(图 2)，图 2显示，奶牛处于间情期时，平均活动量较低，且很平稳，基本低于500。而发情期活动量显著升高(P＜0.05)，均高于1 500，其中发情开始后0.0~4.5 h时活动量呈上升趋势，至4.5 h时达最高(2 179±1 073)。将发情结束前7 h和发情结束后3 h每0.5 h活动量平均值与发情前11 d(间情期)同一时间点活动量平均值作图(图 3)，图 3显示，从发情结束前3 h开始，活动量整体呈下降趋势，直至恢复到间情期活动量为止。
图 2(Figure 2)
Figure 2
图 2 发情开始前后活动量变化规律
Figure 2
Activity variation before and after the onset of estrus
图 3(Figure 3)
Figure 3
图 3 发情结束前后活动量变化规律
Figure 3
Activity variation before and after the end of estrus
2.2 奶牛发情时活动量与胎次、季节、发情处理类型间的关系
2.2.1 胎次
表 1显示，奶牛发情时活动量升高倍数在青年牛、1胎牛和2胎牛间差异不显著(P＞0.05)，而前三者发情活动量升高倍数显著高于3胎及3胎以上牛(P＜0.05)(由于3胎以上各胎次牛数较少，故归纳在一起)。奶牛发情持续时间青年牛显著高于其他胎次牛(P＜0.05)，达(16.50±2.17) h，同时，随胎次增加，发情持续时间逐渐缩短，由1胎的(7.23±3.73) h缩减到3胎及3胎以上的(4.93±2.63) h。
表 1(Table 1)
表 1 胎次对奶牛发情活动量变化的影响
Table 1 Effect of parities on the activity of cow estrus
活动量变化The change of activity
青年牛(n=6)Primiparity
1胎(n=47)Parity 1
2胎(n=31)Parity 2
≥3胎(n=44)Parity 3+
活动量升高倍数Increased of activity
7.06±3.91a
7.10±4.31a
6.78±3.80a
5.53±3.21b
持续时间/h Duration
16.50±2.17a
7.23±3.73b
6.18±3.77bc
4.93±2.63c
同行数据后所标字母不同表示差异显著(P＜0.05)；所标字母相同表示差异不显著(P＞0.05)。下表同 Different letters within the same row means significant difference between the treatments(P < 0.05), same letter within the same row means not significant difference between treatments(P>0.05). The same as below
表 1 胎次对奶牛发情活动量变化的影响
Table 1 Effect of parities on the activity of cow estrus
2.2.2 季节
参考文献[17]，将3~5月定义为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季，12月~次年2月为冬季。对奶牛发情活动量的季节因素统计分析结果(表 2)表明，春、秋两季奶牛发情活动量平均升高6倍左右，差异不显著(P＞0.05)，但春(秋)、夏和冬3季节间差异显著(P＜0.05)，且活动量呈现随气温升高逐渐降低的趋势，其中冬季活动量升高倍数最大(8.10±4.64)，夏季最低(5.58±2.94)。发情持续时间在春、冬两季间差异不显著(P＞0.05)，夏、秋两季间差异也不显著(P＞0.05)，而春(冬)季与夏(秋)季间差异显著(P＜0.05)，分别持续约7、5 h，即呈现出随夏季到来持续时间逐渐缩短，而随秋季向冬季转化逐渐延长的趋势。
表 2(Table 2)
表 2 季节对奶牛发情活动量变化的影响
Table 2 Effect of season on the activity of cow estrus
活动量变化The change of activity
春(n=32)Spring
夏(n=34)Summer
秋(n=33)Autumn
冬(n=29)Winter
活动量升高倍数Increased of activity
6.84±4.12a
5.58±2.94b
6.49±4.12a
8.10±4.64c
持续时间/h Duration
7.72±3.71a
5.09±2.51b
5.75±3.85b
7.07±3.76a
表 2 季节对奶牛发情活动量变化的影响
Table 2 Effect of season on the activity of cow estrus
2.2.3 发情处理类型
对不同发情类型发情牛活动量数据的统计分析(表 3)表明，同期发情母牛发情活动量升高倍数(7.36±4.61)显著高于自然发情牛(6.70±4.00)(P＜0.05)，但发情持续时间差异不显著(P＞0.05)，均在6 h左右。
表 3(Table 3)
表 3 发情类型对奶牛发情活动量变化的影响
Table 3 Effect of types of estrus treatment on the activity of cow estrus
活动量变化The change of activity
自然发情(n=113)Natural estrus
同期发情(n=15)Synchronous estrus
活动量升高倍数Increased of activity
6.70±4.00a
7.36±4.61b
持续时间/h Duration
6.32±3.67a
5.97±2.63a
表 3 发情类型对奶牛发情活动量变化的影响
Table 3 Effect of types of estrus treatment on the activity of cow estrus
2.3 系统发情鉴定
2.3.1 系统鉴定结果的直检验证
系统鉴定为发情的母牛均通过直肠检查进行验证，对系统鉴定的阳性发情牛和假阳性发情牛活动量升高倍数和持续时间的比较分析结果(表 4)显示，阳性发情牛活动量升高倍数和持续时间均显著高于假阳性发情牛(P＜0.05)。
表 4(Table 4)
表 4 系统检出发情牛活动量的变化
Table 4 Activity variation of cows detected estrus by system
活动量变化The change of activity
阳性(n=128)Positive
假阳性(n=14)False positive
活动量升高倍数Increased of activity
6.72±4.10a
5.43±3.00b
持续时间/h Duration
6.27±3.54a
3.71±1.99b
表 4 系统检出发情牛活动量的变化
Table 4 Activity variation of cows detected estrus by system
2.3.2 发情鉴定效果
试验期间，共对121头自然发情泌乳牛、7头青年牛和29头同期处理泌乳牛进行了发情鉴定，直检验证结果(表 5)表明，本系统鉴定出107头自然发情牛(鉴定率88.43%)、15头同期发情牛(鉴定率51.72%)、6头青年牛(鉴定率85.71%)。
表 5(Table 5)
表 5 发情鉴定效果
Table 5 Estrus detected efficiency
母牛类别Type of cows
发情类型Types of estrus treatment
数量/头Amount
检出头数/头Detected heads
鉴定率/%Detection rate
泌乳牛Lactating cows
自然发情Natural estrus
121
107
88.43
同期发情Synchronous estrus
29
15
51.72
青年牛Primiparity
自然发情Natural estrus
7
6
85.71
表 5 发情鉴定效果
Table 5 Estrus detected efficiency
3 讨论
奶牛发情时大多呈现精神亢奋状态，表现坐立不安、嗅闻其他牛只阴户、爬跨或被其他牛只爬跨等现象，导致发情母牛运动量(活动量)升高[18]。该规律为自动化发情鉴定技术研发奠定了基础。研究表明，间情期时，母牛活动量变化不明显, 而发情时活动量可达间情期活动量的400%[19]。利用计步器每2 h记录一次活动量，共监测了57头奶牛发情活动量变化情况，发现发情时活动量比间情期增加(290±160)%[14]。还有研究发现，发情时比未发情时活动量约升高6倍[20]。本研究发现，奶牛发情前后11 d中，每天活动量差异不显著(P＞0.05)，均在20 000左右，而发情当天活动量(53 841)约为间情期的2.69倍。本研究发现，发情开始前和发情结束后母牛活动量与间情期平均活动量差异也不显著(P＞0.05)，均在500以下，而发情时活动量则可达间情期活动量的3.6~6.8倍，结果与Brehme等[20]研究结果相似，但略高于Kiddy[19]的研究结果。
奶牛活动量可能受季节、发情方式、产奶量、胎次和品种等因素影响[6]。有研究指出，经产母牛(≥1胎)发情活动量低于初产母牛[21]，除第1、2胎母牛发情期运动量差异不显著外(P>0.05)，其他各胎次间差异极显著(P < 0.01)，且随胎次增加，运动量逐渐减少[22]。另有研究表明，初产牛和经产牛发情持续时间无明显变化[23]。本研究表明，青年牛、1胎和2胎奶牛发情活动量升高倍数差异不显著(P＞0.05)，而3胎及以上胎次奶牛发情活动量升高倍数显著低于青年牛~2胎奶牛(P＜0.05)，与孙保贵等[22]研究结果相似，而与Lopez等[23]不同。同时，发情持续时间也随胎次增加而逐渐缩短，且初产牛((16.50±2.17) h)显著高于经产牛(1胎：(7.23±3.73)h)(P＜0.05)。可能是因为牛奶产量增高降低了血液循环中的雌激素水平[23]，导致奶牛发情表现减弱。国外关于环境温度的研究表明，炎热季节发情活动量升高2.70倍，显著低于寒冷季节(2.90倍)，而持续时间差异不大，均在8.5 h左右[24]；另有研究指出，夏季奶牛发情活动量升高2.33倍，显著低于冬季(3.55倍)，夏季发情持续时间((15.2±0.2) h)也显著低于冬季((17.3±0.9) h)[25]。本研究表明，夏季发情牛活动量和持续时间均显著低于冬季(P＜0.05)，与Sakatani等[25]报道的变化趋势相似，但活动量变化倍数均高于Ismael等[24]的结果；而持续时间却低于两人的研究结果。Sakatani等[25]研究还表明进行自然发情牛((16.8±0.9) h)与使用同期发情处理牛((14.1±1.2) h)发情持续时间差异不大，与本研究结果类似，但Sakatani等[25]报道的发情持续时间比本研究的发情持续时间(6.32±3.67) h和(5.97±2.63) h长，该差异可能由于他们的试验牛(日本黑牛)为不同于奶牛的肉牛品种。本研究还发现，系统预报发情阳性牛活动量升高倍数(6.72±4.10)和持续时间((6.27±3.54)h)均显著高于假阳性牛(P＜0.05)，假阳性预报结果，可能源于发情牛爬跨其他未发情牛或牛只调圈等造成的活动量突然升高。
国外有些计步器产品多在挤奶时上传数据，可能会造成预报滞后，影响及时配种，比如19：00挤完奶后，需到第2天6：00才挤奶，则第2天早上采集到的数据将是前1 d上传数据11 h后的数据，数据采集滞后可能使有些牛错过最佳配种时间[26]。同时，33%泌乳牛发情无明显行为变化，这些安静发情牛[27]，对于计步器发情预报提出了更高要求，与其他研究相比，本研究每0.5 h累计一次活动量，可更细致、准确地分析奶牛发情开始与结束时间，每2 h上传一次活动量数据，可使繁殖员及时了解牛只发情情况，提早做准备，避免错过最佳输精时间。
本研究探究了荷斯坦奶牛发情时活动量变化规律，确定了活动量高于前11 d同一时间点活动量2.5倍，且持续2.5 h的自动预报阈值，该阈值从活动量增加倍数和持续时间两方面，兼顾了高度选育荷斯坦奶牛活动量增加较少、持续时间较短的品种特点，其对自然发情牛的检出率达到88.43%，假阳性率为9.86%，具有较高的检出率和较低的假阳性率，但还需进一步进行改进，使检出率更高，假阳性率更低。
4 结论
本研究系统揭示了母牛发情活动量变化受胎次、季节和发情处理类型等的显著影响，确定活动量自动发情检测阈值时应兼顾上述因素，同时还要考虑到品种的影响，各个养殖企业应综合考虑上述因素后，根据本场具体情况设定一个与本场相适合的预报阈值。