奶牛熱應激指數的研究現狀及問題分析

嚴格齊，李 浩,3，施正香,3，王朝元,3

奶牛熱應激指數的研究現狀及問題分析

嚴格齊1,2，李 浩1,2,3，施正香1,2,3※，王朝元1,2,3

（1.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083； 2. 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心，北京 100083）

熱應激嚴重影響奶牛的生產力、繁殖力和福利。為降低奶牛熱應激的風險，國內外學者一直在尋求預測和評估熱應激的方法，在諸多方法中綜合多個環境因子的熱應激指數模型目前最為常用。為避免在指數選擇上的盲目性，該文系統地梳理了溫濕指數、基于溫濕指數的修正指數和其他指數，對比分析了不同評價指數在奶牛熱應激時表征指標的差異，其中涉及指數閾值、環境因子及傳熱性質、奶牛生理反應與指數間的關系。目前奶牛熱應激指數存在的問題有指數包含的環境參數不能反映奶牛與環境的換熱機理，以及環境條件不同導致評價結果差異較大等。隨著數字化技術的應用，多參數獲取技術得到了根本性改變，有必要提出更加精細的指數評價模型以滿足提高家畜生產力、實現福利化養殖的需要。作者對未來奶牛熱應激指數發展方向上的建議是：1）應涉及更多的環境參數，并且環境參數應體現出一定的換熱機理；2）構建特定氣候類型指數的同時，還應適當考慮指數在其他環境下的適應性；3）指數要有適用信息和閾值，指數的閾值要能夠進行動態調整以擴大其適用范圍；4）指數的構建應綜合考慮動物因素和環境因素，可考慮與動物熱平衡原理相結合。

動物；環境調控；奶牛；環境參數；熱應激指數；THI

0 引 言

熱應激顯著降低畜牧業的生產效率，嚴重危害畜禽健康和生產性能發揮。近十幾年來，隨著氣候變暖的加劇，即使是歐洲溫帶地區也出現了數次極端熱浪事件[1]，使得世界范圍內畜牧業尤其是奶牛養殖業對熱應激的關注度在不斷上升。據IPCC第五次評估報告（AR5），預計到2035年全球地表平均溫度將升高0.3～0.7 ℃，2081－2100年將升高0.3～4.8 ℃，極端暖事件將進一步增多，熱浪發生的概率和破壞性將會更大[2]。

熱應激對奶牛生產力、繁殖力和福利影響的研究已有報導[3-5]，是奶牛產熱和散熱失衡所引起的。直腸溫度、表皮溫度、呼吸率等生理指標能在一定程度上反映奶牛的熱應激，但因生理反應表觀特征的滯后性以及檢測生理反應的相關監測設備成本高、操作不便等實際問題的存在，這一評價方法在實際生產中難以應用。環境因子直接造成奶牛的熱應激，其監測技術完善、設備穩定、操作方便，因此，綜合多個環境因子建立某種預測熱應激的指數模型是當前學科研究的熱點。這對于指導畜舍管理和環境調控策略，保障家畜健康生產和提高福利狀況具有重要的意義。家畜熱應激指數中尤其以奶牛的熱應激指數使用最廣，發展最快。近十幾年間，新的奶牛熱應激指數不斷涌現，有必要對相關指數進行梳理、比較和分析，一方面可以評價指數的準確性和適用性，避免在指數選擇上的盲目性；另一方面深入完善相關指數的發展，為進一步科學地建立中國氣候環境下奶牛熱應激指數提供思路與借鑒。

1 奶牛熱應激指數研究現狀

常見的用于評價奶牛熱應激的指數包括溫濕指數（temperature-humidity index，THI）、基于THI的修正指數以及其他指數[6]。

1.1 溫濕指數

溫濕指數（THI）是使用最廣的奶牛熱應激指數。Thom于1959年提出了THI的概念，之前是“不適指數”（discomfort index）概念[7]，用來表示干球溫度和濕球溫度綜合成的人體在某種環境下的熱感覺。THI只包含溫度和濕度參數，但溫度和濕度影響了動物與環境大部分熱交換過程，所以，用THI反映動物的熱應激在一定程度上是可以接受的。由于計算THI時無需監測其他氣象參數，甚至直接從公共氣象系統中獲取溫濕度數據即可，因此極大地拓展THI在實際生產中的應用。

目前計算THI的方法較多（表1），但對于THI的發展以及溫濕度權重如何確定的信息還較少。從相關文獻中的記錄可推斷，目前所使用的THI計算式幾乎都來自人居“不適指數”的各種形式，并未針對奶牛進行過修正。Thom在原文獻中并未記錄THI的建立過程，并且干球溫度和濕度溫度的權重相同。根據濕球溫度比干球溫度更容易造成人體不適感的現象，Bianca[8]探究了濕球溫度和干球溫度對引起牛熱應激的相對重要程度，比較了2個不同溫濕權重的THI計算式，發現濕球溫度系數較小的THI計算式反而與犢牛直腸溫度的擬合效果更好。由于所含濕度參數的不同，各THI計算式間的溫濕度相對權重難以直接進行比較。Bohmanova等[9]通過某種換算關系得出THI計算式中干濕球權重比在0.3～5.7，但對這一方法的論述還不夠充分。各THI公式間的溫濕權重不同導致THI在不同環境下對熱應激的預測能力不同。Berman等[10]使用了1組溫濕度數據（氣溫20～42 ℃，相對濕度10%～70%）對各THI公式的研究表明溫濕度權重確實存在差異，露點溫度作為濕度參數的THI的濕度權重最小。Bohmanova等[9]使用美國亞利桑那州和佐治亞州的2組公共氣象站數據進行了研究，發現濕度權重較大的THI公式更適用于氣候潮濕地區，濕度權重較小的THI公式更適用于干旱地區。目前尚未有文獻對THI公式的選擇作更深的解釋，但將相對濕度作為濕度變量的THI計算式最為常用[11-13]。

表1 溫濕指數THI計算公式

注：T為干球溫度，°F或°C；T為濕球溫度，°F或°C；T為露點溫度，°F或°C；RH為相對濕度，%。下同。

Note:Tis dry bulb temperature, °F or °C;Tis wet bulb temperature, °F or °C;Tis dew point temperature, °F or °C; RH is relative humidity, %. Same as below.

1.2 基于THI的修正指數

引起動物熱應激的環境因素并不只有溫度和濕度，其他環境因子如輻射和風速在動物與環境換熱過程中也起著重要的作用。舍外散養模式下，家畜吸收的太陽輻射可能是其自身代謝產熱量的數倍，輻射是引起熱應激的主因[20]。在舍飼條件下，加快舍內空氣流速是減弱家畜熱應激的主要方式。

針對THI未考慮輻射和風速的缺點，有研究提出了相關的修正指數（見表2）。Buffington等[17]建議用黑球溫度替換原THI公式中的干球溫度，由此提出了黑球濕度指數（black globe-humidity index，BGHI）。黑球溫度經常用來反映周圍環境的輻射熱，黑球溫度受到風速與氣流速度的影響，因此，BGHI在一定程度上能代表環境溫度、濕度、風速和輻射的綜合影響。

Mader和Davis還提出一種基于喘息行為來評估動物的熱應激程度的方法，他們稱之為喘息得分（panting score）。喘息得分規定，0分表示正常的呼吸行為，4分表示張嘴伸舌、用力吸氣、分泌過多唾液的急性呼吸行為[21]。2006年，Mader等將喘息得分作為因變量，建立了風速和太陽輻射與THI的修正關系，提出了調整溫濕指數[19]（adjusted THI, THIadj）

1.3 其他指數

不同于對已有THI概念的補充和修正，一些研究從建模方法、應用環境等不同方向提出了一些新的指數形態。Baeta等[22]在環控艙條件下綜合考慮了干球溫度、相對濕度和風速，提出了等效溫度指數（equivalent temperature index，ETI）。但ETI未考慮輻射的影響，理論上只適用于無輻射的環境，不過Da Silva等[23]認為ETI適用于評價熱帶地區舍外放養下奶牛的熱應激。Yamamoto等[24]也通過環控艙提出過類似人居熱舒適指標中的有效溫度（effective temperature，ET），不過初期只考慮了溫度和風速的影響，后來又通過移動犢牛舍遮陰板探討了有太陽輻射下情況，提出了另一種包含干球溫度和黑球溫度的有效溫度指數[25]。

進入21世紀后，奶牛熱應激指數的變化尤為迅速。呼吸率能夠較好地反映牛的熱應激程度，但不方便對群體進行呼吸率的觀察，Eigenberg等[26]提出預測呼吸率指數（respiratory rate index，RRI）。但RRI應用范圍比較有限，只適用于氣溫高于25 ℃且沒有蔭棚的舍外條件。牛的熱應激程度會隨著白天熱量的累積和夜間的消散而加重和減輕，但現有指數均未能考慮這一因素。因此，Gaughan等[27]提出了能夠反映牛只體內熱量周期性變化的熱負荷指數（heat load index，HLI）。HLI的評判標準為黑球溫度，當黑球溫度高于25 ℃時，HLI采用指數公式，低于25 ℃使用線性公式。多數指數只考慮了炎熱環境，未考慮過在低氣溫下的應用問題，Mader等[28]拓寬了指數的適用范圍，提出綜合氣候指數（comprehensive climate index，CCI）。公式中將濕度、風速、太陽輻射都轉化成相應的等效干球溫度值，CCI為各部分等效干球溫度與實際干球溫度之和。

大部分奶牛熱應激指數針對的是溫帶氣候環境，部分學者將研究重點轉向高溫、高濕、強太陽輻射的熱帶地區。Da Silva等[29]提出了適用于熱帶地區的奶牛熱應激指數（index of thermal stress for cows，ITSC）。2018年，Lees等[30]基于泌乳牛呼吸行為提出了用于熱帶和亞熱帶地區的奶牛熱負荷指數（dairy heat load index，DHLI）。Berman等[10]基于濕空氣的顯熱提出過一種顯熱基溫濕指數（sensible heat-based THI，THIs）。

以往的熱應激指數幾乎都是采用統計建模得出經驗公式，而近年有學者在指數建模方式上有所發展。Wang等[31]針對高產奶牛提出等效溫度指數（equivalent temperature index for cattle，ETIC）。ETIC是風速為0、相對濕度100%和無輻射的假想環境下的氣溫。相較于CCI，ETIC同樣將風速、濕度和太陽輻射的影響轉化成等效干球溫度。但CCI是統計模型，而ETIC在建模過程中一定程度上考慮了環境參數的換熱機理，因此，ETIC應為半經驗半理論模型。由于ETIC的建模和驗證過程均來自于同一個數據庫，并且該數據庫是由一組環控艙數據和另一組現場數據匯集而成，那么，ETIC的準確性和有效性還有待檢驗。

表2 除THI外其他熱應激指數

注：T、T分別為黑球溫度和平均輻射溫度，℃；為風速，m?s-1；SR為太陽輻射強度，W?m-2；ERHL為有效輻射熱負荷，W?m-2。

Note:TandTare black global temperature and mean radiant temperature respectively, ℃.is wind speed, m?s-1; SR is intensity of solar radiation, W?m-2; ERHL is effective radiation heat load, W?m-2.

2 不同評價指數在表征熱應激時的差異

2.1 指數閾值

依據家畜氣候安全指數（livestock weather safety index，LWSI）的記錄，引起泌乳牛產奶量下降的THI閾值為72[32]，也有一些文獻佐證了這一結論[33-35]。對THI閾值的評判依據大多是基于生產性能，一方面是因為奶牛的采食量和產奶量對氣候變化最為敏感；另一方面是因為生產性能最受關注。

然而目前對奶牛熱應激評判依據和THI閾值還存在爭議。在歐洲地區進行的相關研究中，有報導稱THI高于60則奶蛋白量將會下降[13]，高于62則產奶量、奶脂量會下降，高于66則牛奶中的體細胞數增加[12]。也有學者認為影響產奶量、奶蛋白率、奶蛋白量、奶脂量的THI閾值分別為73～76、65～71、72～73和71～72[11]。美國很早就開展了奶牛生產水平與熱應激的相關研究，各研究間的結果也有明顯差異。有學者在環控艙下的試驗表明造成產奶量和采食量下降的THI閾值為77[36]。在美國不同地區甚至同一個州進行的不同研究之間也存在不同的結論[9,35,37]。而其他地區進行過的研究中，例如墨西哥[38]、突尼斯[39]、中國[40]、泰國[41]，得出過的結論分別有70、69、70、80。

表3列出了指數在不同熱應激等級下的閾值。除了BGHI、ET、THIadj、THIs和DHLI沒有給出分級信息外，其余指數將熱應激分為4～6個等級，其中THI、RRI、HLI和ETIC的分級數為4個，ETI和ITSC為5個。CCI的分級最為細致，達到6個，可能是其試驗條件覆蓋了高溫環境和低溫環境。HLI的熱應激分級閾值可以根據動物因素和管理因素進行調整，其中動物因素有基因型、被毛顏色、健康程度和環境適應性，管理因素有蔭棚、飼養天數、糞便處理和飲水溫度。HLI的基礎閾值為86，基準動物是無遮陰下的安格斯肉牛。

表3 不同熱應激等級下的指數閾值

2.2 指數中涉及的環境因子及傳熱性質

動物通過導熱、對流、輻射以及蒸發的方式向環境釋放多余的熱量以維持動物體內熱平衡[42]，其中涉及的環境參數有氣溫、濕度、風速、太陽輻射強度、平均輻射溫度等。氣溫決定了動物體表面與環境的對流換熱溫差因而影響了對流換熱量。風速影響了對流換熱系數，風速越大，對流換熱量越大。動物蒸發散熱的途徑有表皮蒸發和呼吸道蒸發。濕度是表示空氣水蒸氣含量的參數，濕度越高，可通過蒸發帶走的熱量越少。風速也會影響動物體表面的水蒸氣擴散系數，氣流速度越大則會提高蒸發散熱量。除了THI、BGHI、ET1、ET2和DHLI只包含2個環境參數外，其余指數均包含不少于3個環境參數，尤其是ITSC涉及的環境參數多達6個。

Da Silva等[29]的計算結果表明，CCI與奶牛通過輻射得熱無顯著相關性，HLI與奶牛呼吸蒸發散熱無顯著相關性。除了CCI與呼吸蒸發的相關性（=0.408）最高外，ITSC與對流散熱、表皮蒸發和輻射得熱的相關性均為最高。Bjerg等[43]報導ETI、RRI、THIadj、CCI、ITSC和HLI都未能預測出動物體表溫度與氣溫溫差減小導致的風速降溫效果減弱的現象。Wang等[44]提出“等效氣溫變化法”評價了一些熱應激指數的傳熱特性。該評價方法可以理解為某一參數的變化使得氣溫為了維持原來的指數值而變化的量。氣溫和濕度升高分別使得對流換熱溫差和水汽壓差減小，會導致散熱減少，從而帶來升溫效果。Wang等[44]的結論認為絕大多數指數能反映這一現象。而風速升高所帶來的降溫效果在CCI中不能得到反映，只有ET1和CCI反映出風速升高所帶來的降溫效果會隨著風速升高而減弱。除了ITSC以外，其他含有太陽輻射變量的指數均能反映輻射增大所引起的升溫效果。

2.3 奶牛生理反應與各指數的關系

熱應激指數只能作為一種客觀地評價方法，必須與奶牛在熱應激下的生理反應結合，才能構成較為完整的評價體系。Li等[45]使用2組數據分析了THI、THIadj、BGHI、ETI、HLI、RRI與牛的表皮溫度、呼吸率以及出汗率之間的相關性。第1組數據來自商業化牛場的奶牛和肉牛。結果顯示，上述指數都與表皮溫度顯著相關，ETI與呼吸率相關性最高，HLI與牛的出汗率相關性最高。第2組數據來自環控艙，試驗對象為12頭泌乳荷斯坦奶牛，結果顯示除了THI與表皮溫度不相關以外，其余指數均與表皮溫度和呼吸率顯著相關。此外，THIadj、ETI和HLI與出汗率不相關。

Da Silva等[23]在早期的研究中將THI、BGHI、ETI、RRI和HLI分別與奶牛的直腸溫度和呼吸率進行了相關分析。其結果表明，THI、BGHI與直腸溫度無顯著相關性，ETI與呼吸率和直腸溫度的相關性分別為0.293和0.520，HLI分別為0.286和0.542。在熱帶環境下，使用ETI和HLI比THI、BGHI能夠更好預測奶牛熱應激。此外，由于ETI所涉及的環境參數（溫度、濕度和風速）更少，ETI可能是更好的熱應激指數。Da Silva等將后期建立的ITSC與CCI、HLI、BGHI對比，其結果顯示指數均與直腸溫度和呼吸率顯著相關，并且CCI在2個生理指標中均表現出最高的相關性，其次是ITSC[29]。

3 存在問題分析

3.1 選擇的環境參數無法反映奶牛與環境的換熱機理

THI提出至今已有60 a，但迄今仍是使用最廣的熱應激指數，有學者甚至認為THI是家畜生產和運輸環節的熱環境分類的實際標準[6]。雖然THI中只含有溫度和濕度2個環境參數，但原文獻對干球溫度和濕球溫度的相對權重沒有給出解釋，而研究結果已表明各種THI指數在干球溫度和濕度的權重上存在差異，并且都低估了濕度對奶牛熱應激的影響。值得一提的是，目前已有的THI公式都來自人居環境的指數，該指數是基于人的熱感覺和熱舒適提出的，將THI用于畜舍環境其實忽視了人與家畜在生活環境、生理特性和散熱能力方面的巨大差異。

理論上，奶牛熱應激指數所涉及的環境參數越多，則能夠解釋動物體與環境的熱交換過程也越多，那么指數對熱應激的預測效果也應該越好。THI的缺點是只包括溫度和濕度，未考慮風速和太陽輻射的影響使其不太能適用于有風的舍內和強日照的舍外環境。而后來發展的指數同樣也存在環境參數考慮不全的問題。BGHI、ET、DHLI等指數采用黑球溫度來表示風速、輻射和干球溫度對奶牛與環境換熱過程中的綜合影響，但黑球溫度是特定尺寸和特定材料的球體在一定空間點上對流換熱和輻射換熱的結果。由于不同奶牛個體在體型、被毛及其生理性質上的差異，黑球溫度不應該被視為奶牛與環境熱交換的通用模型。

奶牛熱應激指數中所確定的參數應該能體現其涉及的換熱機理。目前的指數大多是只能通過統計方式將環境參數與奶牛生理反應或行為反應之間建立相關關系，但不能體現環境參數在動物與環境換熱過程中的物理作用，仍然是經驗模型。環境參數通常不止涉及一個熱交換過程，環境參數之間具有耦合性。一些熱應激指數中環境參數與指數值是線性關系，沒有考慮環境參數間的交互作用。

3.2 研究結果因研究條件不同存在較大差異

奶牛熱應激指數的背景差異首先表現在地域上。在綜述指數中，大多數指數的提出是來自于美國和澳大利亞，例如THI、BGHI、ETI、RRI、THIadj、CCI，ETIC產生于丹麥（數據來自美國），HLI和DHLI產生于澳大利亞，ET產生于日本，THIs產生于以色列，ITSC產生于巴西。地區的差異導致氣候環境的差異，而指數的提出者在建模時通常只考慮了所在地區的氣候條件。除了THIs和ITSC分別產生于地中海氣候和熱帶氣候以外，絕大部分指數產生于溫帶氣候，這使得一些指數在非溫帶氣候氣候下使用會產生很大偏差。

除了氣候上的差異，指數間的背景差異還存在于試驗環境方面。ETI、BGHI、ET1、ETIC等的試驗是在環控艙內進行的，其他指數的試驗則是在商業化牛場或者試驗牛場中開展的。環控艙內氣候條件存在一定的特殊性，試驗動物的行為反應和生理反應在環控艙環境下與開放環境下具有明顯的環境條件差異。環控艙模擬的氣候條件例如氣流組織、輻射方向等也往往與真實環境迥異。環境因素與動物因素的雙重偏差使得通過環控艙試驗得到的指數難以準確評價開放環境下奶牛的熱應激水平。

動物熱應激受自身生理因素的影響，已有的指數與對應激的預測也是建立在指數值與動物生理、行為反應的對應關系上。各指數在測試動物上的差異存在于試驗動物數量（十幾到數千頭）、品種（純種、雜種奶牛，純種、雜種肉牛）、產奶水平（高產、中產、低產、干奶）等方面的不同。

熱應激指數在構建時的背景差異是導致其適用性較差的主要原因。但要求指數在不同環境下都具有普適性也是不現實的。因此，指數的提出者應當對指數的適用環境以及其他的必要條件進行說明，以便于指數的選擇和運用，從而提高指數對奶牛熱應激評估和預測的效果。然而，例如BGHI、CCI、ITSC、ETIC等的大部分熱應激指數沒有給出適用條件，讀者僅能從文獻中記錄其試驗條件而推測出部分信息，這造成了指數選用上的難度。BGHI、THIs等指數甚至沒有給出引起熱應激的指數閾值，這使得熱應激的產生與否以及程度如何無從判斷。

4 未來研究熱點展望

熱應激顯著降低奶牛的生產水平和繁殖力。全球氣候變暖以及奶牛耐熱性的降低加劇了奶牛的熱應激。隨著高效生產的要求以及對動物福利理念的不斷認識，如何減小奶牛熱應激，創造福利型畜舍環境成為學術熱點。但怎樣的環境會使得奶牛產生熱應激？對于這一問題尚未有明確和統一的答案。熱應激一方面是取決于動物自身，一方面取決于環境條件包括氣溫、濕度、風速和太陽輻射等因素的綜合影響。在過去的半個多世紀里，相繼有學者提出了多種奶牛熱應激指數評價方法，希望通過綜合多個環境參數，建立綜合評價指數以有效評估和預測奶牛產生熱應激的環境條件。THI的廣泛應用證明了熱應激指數評價方法的可行性。盡管THI只包含溫度和濕度，但在缺乏其他環境數據的情況下也能夠利用公共氣象服務系統的溫濕度的實測參數來計算THI，實現對熱應激的監測和預警。THI公式多種多樣，而各個THI公式中的干球溫度和濕度的相對權重不一樣，且目前尚未有文獻對THI公式的選用做出解釋。更大的問題是，THI公式都是基于人的熱舒適和熱感覺提出的，而人與牛在生活環境、生理特性和散熱能力方面差異極大。因此，學界內的一些學者也意識到THI未考慮風速和輻射等顯著影響熱應激程度的環境參數，提出了基于THI的修正指數和一些針對其他氣候環境的熱應激指數。這些指數依然存在著環境參數不全、環境參數考慮不全的問題，這些問題制約著奶牛熱應激指數在實際生產中的應用。

在過去的幾十年，奶牛熱應激指數還是朝著將環境參數與奶牛生理、行為參數建立對應關系的經驗模型的方式發展。甚至有學者認為由于THI在家畜生產中的使用非常成功，建議未來指數的發展仍需要往THI中加入新的環境參數并不斷優化。不得不承認，THI在過去環境參數和動物生理、行為參數不易獲取的一段時間里發揮過重要的作用。但目前牛舍建筑結構形式以及環境調控設備為滿足減緩熱應激的發生進行了諸多改進[46]，在遮陽降溫、強制通風降溫、蒸發降溫以及針對牛脖頸部局部送風等多種降溫方式的聯動下，THI以及其他的簡單指數很難再滿足未來奶牛養殖業生產的需要。隨著環境和動物的監測設備和方法不斷取得長足進步的條件下，有必要建立更加精準的評價指數，以滿足提高家畜生產力、實現福利化養殖的需要。那么，未來該如何發展奶牛或者家畜熱應激指數?或許，人居環境熱舒適指數的發展過程可以提供一些值得借鑒的思路。隨著動物熱平衡理論的發展和完善，未來可以發展類似標準有效溫度（standard effective temperature，SET）[47]、通用氣候指數（universal thermal climate index，UTCI）[48]等基于熱平衡模型的奶牛熱應激指數。由于熱應激是由動物因素和環境因素共同決定的，綜合動物因素與環境因素并且基于熱平衡建立的“理論指數”模型應當要比單依靠環境參數擬合的“簡單指數”模型能更加真實地描述奶牛的綜合感覺。因此，對于未來奶牛熱應激指數的研究方向，筆者提出如下建議：

1）奶牛熱應激指數應涉及較多的環境參數，并且環境參數應體現出一定的換熱機理。

2）除了構建特定環境條件下的指數模型，還應適當考慮指數在其他環境下的適應性。

3）奶牛熱應激指數的提出者應盡可能詳細地給出指數的適用信息和閾值，指數的閾值要能夠滿足動態調整，以擴大其適用范圍。

4）應考慮結合動物生理參數和環境參數，并基于動物熱平衡理論建立新的奶牛熱應激指數形式。

5 結 論

綜合多個環境因子的指數模型是當前預測和評價奶牛熱應激的主要方法。其中，溫濕指數作為判斷奶牛熱應激的標準被廣泛應用。在溫濕指數的基礎上，后續研究從建模方法、應用環境等方面不同方向提出了一些參數上的優化，以覆蓋更多的環境因子，提高熱應激指數的預測和評價性能。這些指數在閾值信息、指數中涉及的環境因子及傳熱性質、奶牛生理反應與指數間的關系等有明顯的差異。目前奶牛熱應激指數存在的問題主要在于指數包含的環境參數不能反映奶牛與環境的換熱機理，以及環境條件不同而導致的評價結果差異。為避免上述問題，可以考慮從產生熱應激的物理機制入手發展家畜熱應激指數，并借鑒一些基于人體熱平衡的人居熱舒適指數的研究思路，通過建立更加精細的指數評價模型以滿足提高家畜生產力、實現福利化養殖的需要。

[1] Fischer E M, Seneviratne S I, Lüthi D, et al. Contribution of land-atmosphere coupling to recent European summer heat waves[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(6): 125－141.

[2] 秦大河，Thomas Stocker. IPCC第五次評估報告第一工作組報告的亮點結論[J]. 氣候變化研究進展，2014，10(1)：1－6.

Qin Dahe, Thomas Stocker. Highlights of the IPCC working group I fifth assessment report[J]. Advances in Climate Change Research，2014，10(1)：1－6. (in Chinese with English abstract)

[3] Polsky L, Marina A G. Invited review: Effects of heat stress on dairy cattle welfare[J/OL]. Journal of Dairy Science, 2017, 100(11): S1330047310.

[4] West J W. Effects of heat-stress on production in dairy cattle[J]. Journal of Dairy Science, 2003, 86(6): 2131－2144.

[5] Jordan E R. Effects of heat stress on reproduction[J]. Journal of Dairy Science, 2003, 86(3): E104－E114.

[6] Hahn Le Roy, Gaughan John B, Mader Terry L, et al. Thermal indices and their applications for livestock environments[J]. Livestock Energetics & Thermal EnvironmentalManagement, 2009, 21(2): 113－130.

[7] Thom E C. The discomfort index[J]. Weatherwise, 1959, 12(2): 57－61.

[8] Bianca W. Relative importance of dry- and wet-bulb temperatures in causing heat stress in cattle[J]. Nature, 1962, 195: 251－252.

[9] Bohmanova J, Misztal I, Cole J B. Temperature-humidity indices as indicators of milk production losses due to heat stress[J]. Journal of Dairy Science, 2007, 90(4): 1947－1956.

[10] Berman A, Talia H, Kaim M, et al. A comparison of THI indices leads to a sensible heat-based heat stress index for shaded cattle that aligns temperature and humidity stress[J]. International Journal of Biometeorology, 2016, 60(10): 1453－1462.

[11] Bernabucci U, Biffani S, Buggiotti L, et al. The effects of heat stress in Italian Holstein dairy cattle[J]. Journal of Dairy Science, 2014, 97(1): 471－486.

[12] Hammami H, Bormann J, M'Hamdi N, et al. Evaluation of heat stress effects on production traits and somatic cell score of Holsteins in a temperate environment[J]. Journal of Dairy Science, 2013, 96(3): 1844－1855.

[13] Brügemann K, Gernand E, von Borstel U U, et al. Genetic analyses of protein yield in dairy cows applying random regression models with time-dependent and temperature × humidity-dependent covariates[J]. Journal of Dairy Science, 2011, 94(8): 4129－4139.

[14] Cargill F, Stewart B. Effect of humidity on total heat and total vapor dissipation of holstein cows[J]. Transactions of the ASAE, 1966, 9: 702－706.

[15] Maust L E, Mcdowell R E, Hooven N W. Effect of summer weather on performance of holstein cows in three stages of lactation[J]. Journal of Dairy Science, 1972, 55(8): 1133－1139.

[16] Ingraham R H, Stanley R W, Wagner W C. Relationship of temperature and humidity to conception rate of Holstein cows in Hawaii[J]. Journal of Dairy Science, 1974, 57(4): 476－481.

[17] Buffington D E, Collazo-Arocho A, Canton G H, et al. Black globe-humidity index (BGHI) as comfort equation for dairy cows[J]. Transactions of the ASAE, 1981, 24(3): 711－714.

[18] Mayer D G, Davison T M, McGowan M R, et al. Extent and economic effect of heat loads on dairy cattle production in Australia[J]. Aust Vet J, 1999, 77(12): 804－808.

[19] Mader T L, Davis M S, Brown-Brandl T. Environmental factors influencing heat stress in feedlot cattle[J]. J Anim Sci, 2006, 84(3): 712－719.

[20] Maia A S C, Dasilva R G, Loureiro C M Battiston. Sensible and latent heat loss from the body surface of Holstein cows in a tropical environment[J]. International Journal of Biometeorology, 2005, 50(1): 17－22.

[21] Mader T L, Davis M S. Wind speed and solar radiation corrections for the temperature-humidity index[C]. 15th Conference on Biometeorology and Aerobiology, Kansas City, MO, 2002.

[22] Baeta F C, Meador N F, Shanklin M D, et al. Equivalent temperature index at temperatures above the thermoneutral for lactating dairy cows[C]. ASAE Summer Meeting, Baltimore, Maryland, 1987.

[23] Da Silva R G, Morais D A E F, Guilhermino M M. Evaluation of thermal stress indexes for dairy cows in tropical regions[J]. Rev Bras Zootec, 2007, 36(4): 1192－1198.

[24] Yamamoto A, Yamamoto S, Yamagishi N, et al. Effects of environmental temperature and air movement on thermoregulatory responses of lactating cows: An assessment of air movement in terms of effective temperature[J]. Japanese Journal of Zootechnical Science, 1989, 60(8): 728－733.

[25] Yamamoto S, Young B, Purwanto B. Effect of solar radiation on the heat load of dairy heifers[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1994, 45(8): 1741.

[26] Eigenberg R A, Brown-Brandl T M, Nienaber J A, et al. Dynamic response indicators of heat stress in shaded and non-shaded feedlot cattle, Part 2: Predictive relationships[J]. Biosystems Engineering, 2005, 91(1): 111－118.

[27] Gaughan J B, Mader T L, Holt S M, et al. A new heat load index for feedlot cattle[J]. J Anim Sci, 2008, 86(1): 226－234.

[28] Mader T L, Johnson L J, Gaughan J B. A comprehensive index for assessing environmental stress in animals[J]. Journal of Animal Science, 2010, 88(6): 2153－2165.

[29] Da Silva Roberto Gomes, Maia Alex Sandro C, de Macedo Costa Leonardo Lelis. Index of thermal stress for cows (ITSC) under high solar radiation in tropical environments[J]. International Journal of Biometeorology, 2015, 59(5): 551－559.

[30] Lees J C, Lees A M, Gaughan J B. Developing a heat load index for lactating dairy cows[J/OL]. Animal Production Science, 2018, 58(8): 1387.

[31] Wang X, Gao H, Gebremedhin K G, et al. A Predictive model of equivalent temperature index for dairy cattle (ETIC)[J]. J Therm Biol, 2018, 76: 165－170.

[32] Preez J H Du, Hattingh P J, Giesecke W H, et al. Heat stress in dairy cattle and other livestock under Southern African conditions. III. Monthly temperature-humidity index mean values and their significance in the performance of dairy cattle[J]. Onderstepoort Journal of Veterinary Research, 1990, 57(4): 243.

[33] Igono M O, Bjotvedt G, Sanford-Crane H T. Environmental profile and critical temperature effects on milk production of Holstein cows in desert climate[J]. International Journal of Biometeorology, 1992, 36(2): 77－87.

[34] Ravagnolo O, Misztal I, Hoogenboom G. Genetic component of heat stress in dairy cattle, development of heat index function[J]. Journal of Dairy Science, 2000, 83(9): 2120－2125.

[35] Ravagnolo O, Misztal I. Studies on genetics of heat tolerance in dairy cattle with reduced weather information via cluster analysis[J]. Journal of Dairy Science, 2002, 85(6): 1586－1589.

[36] Johnson H D, Ragsdale A C, Berry I L, et al. Environmental physiology and shelter engineering with special reference to domestic animals. LXVI, Temperature-humidity effects including influence of acclimation in feed and water consumption of Holstein cattle[J]. Research Bulletin Missouri Agricultural Experiment Station, 1963, 29: 696.

[37] Dikmen S, Hansen P J. Is the temperature-humidity index the best indicator of heat stress in lactating dairy cows in a subtropical environment?[J]. Journal of Dairy Science, 2009, 92(1): 109－116.

[38] Ingraham R H, Stanley R W, Wagner W C. Seasonal effects of tropical climate on shaded and nonshaded cows as measured by rectal temperature, adrenal cortex hormones, thyroid hormone, and milk production[J]. American Journal of Veterinary Research, 1979, 40(12): 1792－1797.

[39] Bouraoui R, Lahmar M, Majdoub A. The relationship of temperature-humidity index with milk production of dairy cows in a Mediterranean climate[J]. Animal Research, 2002, 51(6): 479－491.

[40] 薛白，王之盛，李勝利，等. 溫濕度指數與奶牛生產性能的關系[J]. 中國畜牧獸醫，2010，37(3)：153－157.

Xue Bai, Wang Zhisheng, Li Shengli, et al. Temperature-humidity index on performance of cows[J]. China Animal Husbandry & Veterinary Medicine, 2010, 37(3): 153－157. (in Chinese with English abstract)

[41] Boonkum W, Misztal I, Duangjinda M, et al. Genetic effects of heat stress on milk yield of Thai Holstein crossbreds[J]. Journal of Dairy Science, 2011, 94(1): 487－492.

[42] Mcarthur A J. Thermal interaction between animal and microclimate: A comprehensive model[J]. Journal of Theoretical Biology, 1987, 126(2): 203－238.

[43] Bjerg Bjarne, Wang Xiaoshuai, Zhang Guoqiang. The effect of air velocity on heat stress at increased air temperature[C]. Cigr-ageng, 2016.

[44] Wang Xiaoshuai, Bjerg Bjarne Schmidt, Choi Christopher Y, et al. A review and quantitative assessment of cattle-related thermal indices[J/OL]. Journal of Thermal Biology, 2018, 77: S2011796654.

[45] Li Shuhai, Gebremedhin Kifle G, Lee Chin N, et al. Evaluation of thermal stress indices for cattle[C]// ASABE Annual Meeting, 2009.

[46] 施正香，王朝元，許云麗，等. 奶牛夏季熱環境控制技術研究與應用進展[J]. 中國畜牧雜志，2011，47(10)：41－46.

Shi Zhengxiang, Wang Chaoyuan, Xu Yunli, et al. Chinese Journal of Animal Science, 2011, 47(10): 41－46. (in Chinese with English abstract)

[47] Gonzalez R R, Nishi Y, Gagge A P. Experimental evaluation of standard effective temperature: A new biometeorological index of man’s thermal discomfort[J]. International Journal of Biometeorology, 1974, 18(1): 1－15.

[48] Jendritzky Gerd, de Dear Richard, Havenith George. UTCI-Why another thermal index?[J]. International Journal of Biometeorology, 2012, 56(3): 421－428.

Research status and existing problems in establishing cow heat stress indices

Yan Geqi1,2, Li Hao1,2,3, Shi Zhengxiang1,2,3※, Wang Chaoyuan1,2,3

(1.,,100083,; 2.,,100083,; 3.100083,)

Heat stress seriously affects the productivity, fertility and welfare of dairy cows. It is to be expected that, in the course of the next few decades, climate conditions for raising cattle will deteriorate. In order to reduce the risks of heat stress in dairy cows, researchers have been trying to seek a reliable method to predict or evaluate heat stress, and it has been become to a hot topic in this research field to obtain an index model by combining multiple environmental factors. To avoid blindness in selecting these environmental factors, this paper systematically analyzed the temperature-humidity index, and its modified indices based on THI combined with other factors, and compared the differences among these indices in characterizing the heat stress of dairy cows. These differences relate to the thresholds of indices, environmental factors involved and heat exchanging properties, and the relationships between physiological responses of dairy cows and indices. In this paper, the problems of heat stress index of dairy cows are also discussed. The most widely used temperature-humidity index is based on thermal sensation and thermal comfort of human, but had not been actually related to cow’s living environments. Most indices linking environmental parameters to the physiological or behavioral responses of cows were established through the statistical correlation analysis process, but it did not reflect the real physical significance of the effects of environmental parameters on the process of heat exchange between animals and its environmental factors. In addition, the indices could only be well applied to the situation where they were established properly with the sufficient information for their use. We believed that THI had played an important role in the past when environmental parameters, physiology indicators and behavior responses were hard to be obtained, but the problem of THI had been existing in its application, so other direct parameters such as heat tolerance of high-yielding cows, the change of building structure and the linkage of various cooling modes should be considered when a new THI is being designed. Otherwise, the current THI will be not to meet the future production requirements of the dairy farming industry. With the application of digital technology, multi-parameter acquisition technology has been fundamentally changed, so it is necessary to develop a more reliable index of evaluating heat stress for cows to meet the needs of increasing livestock productivity and achieving welfare. Our suggestions to achieve this goal are as follows: 1) The index should be developed to incorporate more environmental parameters reflecting heat transfer mechanism. 2) The index can be applied not only in some specific climatic conditions, but also in other climatic conditions. 3) The index is to have applicable conditions and thresholds, and the thresholds of the index should be able to be dynamically adjusted to extend the scope of its application. 4) The index should be linked to animal physiological parameters and environmental factors, and consideration could be given to constructing a new index by meeting the theory of animal thermal balance.

animals; environmental control; dairy cow; environmental parameters; heat stress index; THI

嚴格齊，李 浩，施正香，王朝元. 奶牛熱應激指數的研究現狀及問題分析[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：226－233.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.028 http://www.tcsae.org

Yan Geqi, Li Hao, Shi Zhengxiang, Wang Chaoyuan. Research status and existing problems in establishing cow heat stress indices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 226－233. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.028 http://www.tcsae.org

2019-05-21

2019-10-25

現代農業產業技術體系—奶牛（CARS-36）

嚴格齊，博士生，主要從事畜禽養殖工藝與環境研究。Email：yangeqi@cau.edu.cn

施正香，教授，博士生導師，主要從事畜禽養殖工藝與環境研究。Email：shizhx@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.028

S81-05

A

1002-6819(2019)-23-0226-08