张克强，张嫚，2，李梦婷，杜连柱，牟美睿，刘鹤莹，2，翟中葳*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150036）

奶业是农业现代化的标志性产业，是衡量一个国家畜牧业发展水平的风向标。我国已成为世界第三大产奶国，规模化奶牛场是当前我国生鲜乳商品化生产的主体，这也极大提高了我国牛奶的整体质量水平。水是奶牛最重要的营养素，也是维持牛场正常运行的重要投入品，其贯穿于饲喂、清洁、防疫和动物福利等各环节。用量大、功能多、流程繁杂是奶牛场用水的突出特点。污水是奶牛养殖用水的最主要体现形式，存在产排量大、成分复杂、处理利用难等问题。

据统计，我国奶牛养殖粪污年产生量约1.8 亿t，规模化、集约化养殖方式，加剧了粪污处理利用难度，对生态环境构成严重威胁，同时制约了奶牛产业的健康发展。研究表明，源头减量是破解粪污处理利用难题最经济有效的措施。《畜禽规模养殖污染防治条例》（2014年1 月1 日）第十四条规定，从事畜禽养殖活动，应当采取科学的饲养方式和废弃物处理工艺等有效措施，减少畜禽养殖废弃物的产生量和向环境的排放量。对于奶牛养殖产业，科学合理地降低用水量是粪污减量的关键。本文针对奶牛养殖场粪污减量的实际需求，从奶牛养殖现状入手，在查阅文献的基础上系统总结分析养殖场用水特征、变化规律及影响因素，以期为后续粪污减量研究提供有益参考。

1 奶牛养殖用水特征

1.1 国外奶牛养殖用水特征

1.1.1 国外奶牛养殖特点

从世界范围来看，美国、新西兰、德国等发达国家奶业的发展，都经过了上百年的历史才走向了健康持续的轨道[1-2]。以奶牛饲喂方式和发展模式划分，奶牛养殖总体可分为3 种类型：一是以美国为代表的大规模工厂化奶牛养殖，养殖体量大、饲养管理水平高、资本和技术投入密集、产出效率高；二是以荷兰、德国和法国为代表的适度规模养殖，以家庭式饲养方式为主，牛群规模较小，存栏规模主要以50～100 头为主，采用舍饲和放牧结合的方式；三是以新西兰和澳大利亚为代表的现代草原畜牧业模式，以放牧为主，牛群规模一般控制在500头（泌乳牛）左右[3]。

1.1.2 国外奶牛养殖用水构成

奶牛养殖用水一般包括饮用水、喷淋水、清洁用水以及消毒牛舍和设备的相关用水，因气候、养殖规模、挤奶厅类型等不同，用水构成略有差异。以放牧为主的奶牛场夏季没有喷淋用水。常用的挤奶厅包括鱼骨形挤奶厅和自动挤奶厅（实现挤奶过程的自动化，减少劳动力消耗，使养殖场时间管理更加灵活），前者的清洁用水分布相对复杂，包括清洗牛奶罐和挤奶设备、清洁奶牛乳房、清洗地面等用水；自动挤奶厅主要包括自动挤奶单元用水（挤奶机器人、牛奶预冷、辅助热水）、清洗挤奶区域用水和其他用途用水[4-6]。

1.1.3 用水特征及影响因素

1.1.3.1 奶牛饮用水及饮水环节

奶牛场用水受其地理地域、养殖规模、牛群结构等诸多因素影响，但主要包括饮用水和清洁用水两大部分，尤以饮用水为主。研究表明，奶牛的日需水量为14.2～171.4 L，其中饮水约占83%，其余通过饲料和代谢水来满足[7-8]。饮用水摄入量主要受以下因素的影响[9]：（1）与奶牛相关的因素，即品种、年龄、性别、体质量和生产力；（2）环境因素，如环境温度、相对湿度、水温和季节变化；（3）饲料干物质、蛋白质含量和水质。在众多文献中，关于泌乳牛饮用水的研究最为丰富。Nagypál 等[10]根据粮农组织（Food and Agriculture Organization）2018的数据，计算了奶牛场不同生长阶段奶牛饮用水日均消耗量，分别为泌乳牛114 L、干奶牛42 L、育成牛25 L、犊牛7 L。不同养殖规模和泌乳牛比例对饮用水量也有明显影响，牛群规模为 320、1 400 头和 2 210 头的奶牛场，对应泌乳牛比例为92%、75%和59%，单头日均饮水量分别为90.6、67.1 L 和44.8 L。Michael 等[7]研究结果表明，挤奶厅类型对饮用水也具有明显影响。表1 显示，在自动挤奶厅方式下，平均饮用水量为（88.02±7.80）L·头-1·d-1，变异系数为0.09；鱼骨形挤奶厅中，平均饮用水量为（63.98±9.65）L·头-1·d-1，变异系数为0.15。前者的变异性较小，耗水量相对稳定，两种挤奶厅奶牛耗水量差异显著（P＜0.05）。

国外学者根据影响饮用水摄入量的诸多因素如产奶量、活体质量、饲料的干物质含量、干物质摄入量、一年中的产奶天数、降雨量、环境温度等建立了泌乳牛饮水用量的预测模型（表2）。由表2 可知，并非所有模型使用相同的变量来估计饮用水摄入量，而且有些变量是相互依赖的。例如，干物质摄入量取决于动物的活体质量，产奶量取决于干物质摄入量。Meyer 等[12]和Murphy 等[13]研究中还包括了一年的平均或最低温度。在众多因素中，产奶量影响最大，其次是摄入的干物质量、活体质量和环境温度，值得注意的是，利用模型来预估泌乳牛的摄水量，建立的预测都应被用作摄水量的近似值，而不是绝对值。

表1 自动挤奶厅和鱼骨形挤奶厅中奶牛消耗水量（L·头-1·d-1）Table 1 Water consumption by cows in automatic milking parlors and herringbone milking parlors（L·cow-1·d-1）

除摄入体内的饮用水外，奶牛饮水环节浪费和流失的水量也不容忽视。有研究表明：由于饮水槽浮球或浮子设置不合理，饮水槽中至少有10%的水被浪费，以3 000头母牛、64个饮水槽牛场为例，每年约有18.8～37.6 t 水流入蓄粪池，而饮水槽清洗或清空导致的损失量可达到饮水量的15%[16]。

1.1.3.2 清洁用水

挤奶厅清洁用水是牛场清洗水的主要组成部分，研究相对较深入。Michael等[7]对比了不同挤奶厅类型清洁用水量变化，结果表明自动挤奶厅需水量为（28.6±14.8）L·头-1·d-1，鱼骨形挤奶厅需水量达到（33.8±14.1）L·头-1·d-1，其中在鱼骨形挤奶厅的清洁用水中，清洗牛奶箱需100 L·d-1、清洗挤奶设备需700 L·d-1、奶牛乳房清洗用量为300 L·d-1，地面的清洁用水为 2 000 L·d-1；KTBL[17]估算鱼骨形挤奶厅的清洁用水量结果为2 L·m-2。Chapagain 等[18]估算奶牛场清洁用水量为22 L·头-1·d-1。Nagypál等[10]研究表明，养殖量为320头（A）、1 400头（B）和2 210 头（C）养殖场的清洁用水总量分别为900、7 700 L·d-1和1 450 L·d-1，其中清洗牛奶箱的用水量分别为500、1 200 L·d-1和370 L·d-1；奶牛场A和C清洗奶牛乳房的用水量分别为100 L·d-1和326 L·d-1；A 和B 清洗地面和挤奶设备的用水量分别为300 L·d-1和6 500 L·d-1。由此可见，牛场不同结构特别是挤奶厅类型、养殖规模对清洗水用量影响较大，同时还应关注挤奶厅不同设备清洗流程的影响。

表2 奶牛饮用水摄入量的预测回归方程Table 2 Regression equation for predicting drinking water intake of dairy cows

1.1.3.3 用水量与产奶量的关系

单位产奶量（1 kg）的耗水量是衡量奶牛场用水效率的重要指标。Eide[19]在一项生命周期评估研究中估算，挪威每千克牛奶的清洁用水量为0.3 L；Nagypál 等[10]研究表明，养殖量为320、1 400 头和2 210 头的奶牛场，每生产1 kg 牛奶所需的清洁用水分别为 0.13、0.38 L 和 0.071 L；Jensen[20]和Rasmussen 等[21]对自动挤奶厅用水进行了优化，其每千克牛奶清洁用水量为0.2～0.4 L；Michael 等[7]的研究表明，自动挤奶厅和鱼骨式挤奶厅清洁用水以每千克牛奶计分别为0.8 L 和1.3 L。Shortall 等[22]对 7 个奶牛场的调研结果显示，生产1 L 牛奶总用水量为3.7 L。近20 年来，大量研究集中在估测牛奶生产中的用水量，其结果为饮水量与产奶量之比约为2.8∶1，如将奶牛场所有用水计算在内则该比率接近4～5∶1[16]。虽然不同研究中单位产奶量的耗水量相差明显，且关注的环节不同，但该指标在用水分析中明显更科学、更具有代表性。

1.2 国内奶牛养殖用水特征

1.2.1 我国奶牛养殖区域分布与养殖模式

与国外特别是欧洲奶牛养殖相比，我国奶牛养殖突出表现为规模化程度高、养殖体量更大等特点，主要采用拴栏和散栏的非放牧式集中饲养方式。据统计，2010—2018 年间，奶牛存栏量从1 037.7 万头增加到1 210.8 万头（图1），规模化（存栏100 头以上）养殖占比从30.6%提高至61.4%，到2019 年进一步提升至64.0%（图2）。同时，奶牛优势区域在全国奶业中的地位不断攀升。2018 年，华北、西北、东北 3 大奶牛优势产区的奶牛总存栏规模达到704.8 万头，占全国总量的67.9%，牛奶产量占全国总量的74.3%（图3）。

1.2.2 奶牛养殖用水构成

我国奶牛养殖及区域分布特点决定了用水构成，这与国外有较明显的区别。靳爽等[23]对华北地区99 家规模化奶牛场用水情况进行调研，分析表明：奶牛饮用水占比最高，达到60%以上，其次是挤奶厅用水约占20%，夏季喷淋降温用水为季节性用水约占15%，消毒清洁用水约占5%（图4）。王建等[24]调研了北京地区25 家规模化奶牛场，用水结构与靳爽等的调研结果一致，但所占比例差别明显。总体上，国内奶牛场用水分4 类，用量最多的为饮用水、其次为挤奶厅用水和喷淋用水，消毒清洁用水占比较小。

1.2.3 奶牛场用水特征及影响因素

1.2.3.1 饮用水

奶牛饮用水用量受多因素影响[25-26]。其中牛龄对饮用水的影响最大，根据唐丽红[27]的研究结果显示，1～3个月的犊牛饮水量约10 L·头-1·d-1，3～6个月的犊牛约15 L·头-1·d-1，青年母牛约30 L·头-1·d-1，泌乳牛为奶牛场饮用水消耗的主体，可高达 135 L·头-1·d-1，日饮用水占不同牛龄饮用水总量的62.1%～66.7%[28]，而且奶牛场饮水用量与泌乳牛占牛群比例呈正相关。气候和温度是影响奶牛饮水量的另一个重要因素。夏季泌乳牛饮水量可达100～150 L·头-1·d-1，冬季饮水量则降低为50～80 L·头-1·d-1[26]。韦人等[29]的研究结果显示，夏季高温季节奶牛饮水量一般增加20%～50%，高产奶牛则增加80%以上。除以上两个主要因素外，对于泌乳牛而言，产奶量是影响饮用水量变化的最直接因素，研究显示，日产奶15 kg 的泌乳牛饮水量为 50 L·头-1·d-1，日产奶30 kg 的泌乳牛饮水量则提升到90～110 L·头-1·d-1[29]。

1.2.3.2 挤奶厅用水

挤奶厅是奶牛场的“心脏”，挤奶厅运行的好坏直接关系到泌乳牛的健康和奶牛场的经济效益[30]。为保证挤奶厅的环境卫生，需在挤奶厅投入大量清水和清洗剂。牛群数量、挤奶厅类型和清洗流程是影响挤奶厅用水的主要因素。泌乳牛数量对挤奶模式、奶厅布局影响较大，目前鱼骨式和并列式是最经济的挤奶厅结构，比较适合我国目前精养的管理模式[31]，近年来，部分大型奶牛场逐渐转向智能化程度更高的转盘式挤奶器。在笔者调研的养殖场中，单位泌乳牛的挤奶厅用水量随牛群数量增加呈下降趋势，同时与奶牛场的管理水平密切相关。

挤奶厅清洗主要包括挤奶设备、贮运设备清洗和挤奶台、待挤区冲洗等。其中挤奶台和待挤区冲洗用水量较大，约6～12 L·头-1·d-1。挤奶设备的清洗是挤奶厅清洗流程最关键的环节，一般用水量为6～10 L·头-1·d-1。挤奶桶、盛奶桶、奶槽（缸）、运输奶罐及其管道[32]等贮运设备每次使用后都需要清洗，流程一般为：温水清洗-热碱（或酸）水循环清洗消毒-清水冲洗，用水量一般为3～5 L·头-1·d-1。

1.2.3.3 喷淋用水

热应激反应是影响奶牛夏季产奶量的最重要原因。喷淋结合强制通风是缓解高温条件下奶牛热应激的有效手段。根据奶牛活动区域不同，喷淋又分为舍区喷淋和挤奶厅喷淋两部分。影响舍区喷淋用水的最主要因素是气候特点。我国南北方温度、湿度差异较大，颜志辉[33]采用热应激评价指标对全国范围进行了应激分区，结果表明：南部地区、东部地区、中西部以及华北地区夏季热应激情况比较突出，东北地区热应激较弱。根据热应激程度不同，不同地区应对的主要方式也有所不同，北方以喷淋+风扇[34]为主，通过温湿度指数（THI）调控，喷淋系统喷淋水量为150～170 L·h-1[35]；南方地区湿度较高，湿帘+风扇的效果强于一般喷淋风扇模式[36-37]，通常采用温度、湿度和风速指数（ET）调控。除牛舍外，挤奶厅的待挤区同样是热应激反应的高发区，尤其是高产奶牛对热应激更加敏感[38]，而喷淋+强制通风可以有效减少待挤区的热应激情况。

表3 红外感应喷淋系统节水效果[42]Table 3 Water saving effect of infrared induction sprinkler system[42]

随着养殖水平的不断提高，喷淋设备及系统对喷淋水用量的影响越来越大。研究发现，在使用喷淋的奶牛场内，随着喷嘴孔径增大，水滴平均粒径增大，喷淋流量增大，蒸发降温时间加快，可以更好地解决奶牛热应激现象[39]。近年来，基于 THI（ET）的自动控制系统得到广泛应用，苏衍箐[40]对比了自动喷淋[41]与传统喷淋的降温效果，结果表明，采用自动喷淋系统有效降低了喷淋用水量。薛玉蛟[42]在京津地区两个牧场对夏季喷淋用水进行了跟踪监测，对比分析了红外感应喷淋系统与传统喷淋系统对水量、产奶量等的影响，结果表明采用红外感应喷淋系统使单个喷头耗水量从630 L·d-1降低至315 L·d-1（表3）。

2 节水环节与节水措施

2.1 节水重点环节

综合分析奶牛场用水特征，结合实际生产需要，饮用水、挤奶厅用水和喷淋用水应是奶牛养殖场重点节水环节。在保证足够、及时、洁净的饮用水供给前提下，提高饮水效率、减少过程损失是节约饮用水的重点。在笔者调研的奶牛场中，饮水器清洗直接排放的水量可占到饮水量的10%～20%，部分老旧饮水器可高达40%。多点布设饮水器、缩短饮水运动距离、改进饮水器清洗方式等具有很好的节水效果。挤奶厅用水在引入自动清洗系统后，较传统挤奶方式实现了源头控水，同时由于奶牛场管理水平逐渐提高，部分奶牛场实现了用水绩效制，有效减少了挤奶厅用水。但挤奶厅清洗流程中温水清洗-热碱（或酸）水循环清洗消毒-清水冲洗的用水方式仍具有较大的节水回用空间。喷淋用水中舍内喷淋是节水的重点环节。近年来，基于THI（ET）的自动控制系统得到广泛应用，在降低了喷淋用水量的同时保证了奶牛的正常生理状况。但针对不同区域、不同饲喂模式下，提高控制精度和准度对进一步节省喷淋用水非常必要。因此，饮水器的改进、挤奶厅清洗流程的节水、回用和舍内喷淋的自动化与智能化是奶牛场节水的重点方向。

2.2 节水技术设备

饮水器的改进主要集中在槽体的改造和电加热环节。杨光[43]申请了一种自洁式奶牛饮水碗发明方案，主要通过奶牛需要饮水时供水、饮完后及时排出剩余水的方式抑制水碗中微生物的生长，降低耗水量。李欣等[44]研究了寒冷地区利用太阳能和电热水槽为奶牛提供热水的联合工程，在舍外气温-25.3 ℃、舍内气温-2～-3 ℃的条件下，太阳能热水工程可提供14.6 ℃的饮用水，提高了奶牛的饮水量，减少了剩余水的排放。濮阳市天然林牧业科技开发有限公司[45]、安徽永牧机械集团有限公司[46]分别研究了带自动过滤系统的奶牛饮水装置和循环清洗式奶牛饮水槽装置，从原位净化再利用和节水清洗的角度增加了奶牛饮水器的效率。

挤奶厅清洗流程的节水与回用主要分为清洗系统分类回收利用、系统节水杀菌和末端处理回用3 种设备，这是奶牛场减污节水的重要措施。清洗系统分类回收由翟中葳、张克强等[47]通过消毒液分类收集系统将污水、碱性污水混合物、酸性污水混合物以及清水分别收集至不同的装置中用于后续分步处理和利用，该系统可有效分离出可利用的清水并用于回用，达到源头减量循环利用的目的。系统节水杀菌设备中，赵增友[48]利用臭氧水气对挤奶厅集乳罐管道进行灭菌消毒，节约了集乳罐管道的清洗用水。赵润[49]利用储奶罐冲洗及高压蒸汽杀菌系统节约了储奶罐的杀菌用水。末端处理回用设备中，杨鹏[50]利用多级A/O-植物净化的组合工艺实现了奶厅废水低成本处理，出水用于奶厅的回用，增加了水资源的利用效率。

舍内喷淋的自动化与智能化是对老旧喷淋系统随意喷、随时喷的现代化改造，也是奶牛场用水减量的主要措施。山东农业大学[51]提出一种奶牛数字化精准养殖系统，通过多系统监控奶牛生理状态和环境情况控制喷淋系统的运行。在此基础上，舍内喷淋分别发展了以图像采集设备（北京海益同展信息科技有限公司）[52]、光感设备（宁波新奥称重设备有限公司）[53]、红外热像（北京市畜牧业环境监测站）[54]、牛群数量和呼吸率传感器（中国农业大学）[55]和红外感应（北京恒源信环境控制技术有限公司）[56]等一系列识别系统与喷淋控制系统的联动设备，这些均从精确喷淋的角度实现了节水功能。天津嘉立荷牧业集团有限公司[57]突破固定式喷淋，提供了一种安装在牛背上、实时监测实施喷淋的喷淋背包系统，进一步降低了喷淋用水。

3 结论与展望

节水是奶牛场粪污源头减量的关键措施。饮用水、挤奶厅用水和喷淋用水是奶牛场节水的重要环节。奶牛饮用水方面，现阶段技术设备主要集中在提升饮水效率、减少饮水环节浪费从而实现节水的目的；挤奶厅用水方面，更新换代挤奶设备，制定严格的节水管理制度，在此前提下，针对清洗环节用水的分类、处理、回收、再利用正逐步开展；喷淋用水中舍内喷淋是节水的重点，以精准养殖为核心的多种奶牛点位识别系统正逐渐取代以往的无节制喷淋。

围绕奶牛场节水减排，后续应在用水特征与规律、节水技术设备及相关标准方面开展深入研究：（1）深入开展用水特征研究。规模化奶牛场用水贯穿养殖全过程，用水特征及规律受诸多因素影响。后续应统筹生产和污水减量、生态环保，围绕养殖全过程深入开展不同规模、不同养殖方式等条件下的用水特征研究，揭示生产用水与粪污产出间的规律与内在联系，建立函盖多要素的预测与评估模型，为科学饲养和粪污减量提供科学支撑；（2）加强节水技术设备研发。在饮水器的改进方面，对于饮水器清洗废水的回收再利用尚无人提及；挤奶厅清洗流程的节水与回用方面，酸碱液的复式利用、废水分类系统与CIP 系统的有效衔接、高效清洗系统的研发仍需要更深的研究；舍内喷淋方面，低温喷淋系统、奶牛体内降温措施有待开发；（3）建立奶牛场用水及排放相关标准。规模化奶牛养殖是复杂的系统工程，节水涉及生产各环节，受多元素的制约和影响，与实际生产结合紧密。亟需编制相关技术规程，指导企业应用。因地制宜地制定和完善用水和废水排放标准，为加强用水管理、严把排放关口提供依据，从而提高奶牛场用水效率，实现养殖过程污染源头减量，为形成奶牛场污染防治整体解决方案提供科技支撑。