奶牛熱應(yīng)激指數(shù)的研究現(xiàn)狀及問題分析

嚴(yán)格齊，李 浩,3，施正香,3，王朝元,3

奶牛熱應(yīng)激指數(shù)的研究現(xiàn)狀及問題分析

嚴(yán)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(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

熱應(yīng)激嚴(yán)重影響奶牛的生產(chǎn)力、繁殖力和福利。為降低奶牛熱應(yīng)激的風(fēng)險，國內(nèi)外學(xué)者一直在尋求預(yù)測和評估熱應(yīng)激的方法，在諸多方法中綜合多個環(huán)境因子的熱應(yīng)激指數(shù)模型目前最為常用。為避免在指數(shù)選擇上的盲目性，該文系統(tǒng)地梳理了溫濕指數(shù)、基于溫濕指數(shù)的修正指數(shù)和其他指數(shù)，對比分析了不同評價指數(shù)在奶牛熱應(yīng)激時表征指標(biāo)的差異，其中涉及指數(shù)閾值、環(huán)境因子及傳熱性質(zhì)、奶牛生理反應(yīng)與指數(shù)間的關(guān)系。目前奶牛熱應(yīng)激指數(shù)存在的問題有指數(shù)包含的環(huán)境參數(shù)不能反映奶牛與環(huán)境的換熱機(jī)理，以及環(huán)境條件不同導(dǎo)致評價結(jié)果差異較大等。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，多參數(shù)獲取技術(shù)得到了根本性改變，有必要提出更加精細(xì)的指數(shù)評價模型以滿足提高家畜生產(chǎn)力、實現(xiàn)福利化養(yǎng)殖的需要。作者對未來奶牛熱應(yīng)激指數(shù)發(fā)展方向上的建議是：1）應(yīng)涉及更多的環(huán)境參數(shù)，并且環(huán)境參數(shù)應(yīng)體現(xiàn)出一定的換熱機(jī)理；2）構(gòu)建特定氣候類型指數(shù)的同時，還應(yīng)適當(dāng)考慮指數(shù)在其他環(huán)境下的適應(yīng)性；3）指數(shù)要有適用信息和閾值，指數(shù)的閾值要能夠進(jìn)行動態(tài)調(diào)整以擴(kuò)大其適用范圍；4）指數(shù)的構(gòu)建應(yīng)綜合考慮動物因素和環(huán)境因素，可考慮與動物熱平衡原理相結(jié)合。

動物；環(huán)境調(diào)控；奶牛；環(huán)境參數(shù)；熱應(yīng)激指數(shù)；THI

0 引 言

熱應(yīng)激顯著降低畜牧業(yè)的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重危害畜禽健康和生產(chǎn)性能發(fā)揮。近十幾年來，隨著氣候變暖的加劇，即使是歐洲溫帶地區(qū)也出現(xiàn)了數(shù)次極端熱浪事件[1]，使得世界范圍內(nèi)畜牧業(yè)尤其是奶牛養(yǎng)殖業(yè)對熱應(yīng)激的關(guān)注度在不斷上升。據(jù)IPCC第五次評估報告（AR5），預(yù)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(jìn)一步增多，熱浪發(fā)生的概率和破壞性將會更大[2]。

熱應(yīng)激對奶牛生產(chǎn)力、繁殖力和福利影響的研究已有報導(dǎo)[3-5]，是奶牛產(chǎn)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(biāo)能在一定程度上反映奶牛的熱應(yīng)激，但因生理反應(yīng)表觀特征的滯后性以及檢測生理反應(yīng)的相關(guān)監(jiān)測設(shè)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(chǎn)中難以應(yīng)用。環(huán)境因子直接造成奶牛的熱應(yīng)激，其監(jiān)測技術(shù)完善、設(shè)備穩(wěn)定、操作方便，因此，綜合多個環(huán)境因子建立某種預(yù)測熱應(yīng)激的指數(shù)模型是當(dāng)前學(xué)科研究的熱點。這對于指導(dǎo)畜舍管理和環(huán)境調(diào)控策略，保障家畜健康生產(chǎn)和提高福利狀況具有重要的意義。家畜熱應(yīng)激指數(shù)中尤其以奶牛的熱應(yīng)激指數(shù)使用最廣，發(fā)展最快。近十幾年間，新的奶牛熱應(yīng)激指數(shù)不斷涌現(xiàn)，有必要對相關(guān)指數(shù)進(jìn)行梳理、比較和分析，一方面可以評價指數(shù)的準(zhǔn)確性和適用性，避免在指數(shù)選擇上的盲目性；另一方面深入完善相關(guān)指數(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步科學(xué)地建立中國氣候環(huán)境下奶牛熱應(yīng)激指數(shù)提供思路與借鑒。

1 奶牛熱應(yīng)激指數(shù)研究現(xiàn)狀

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

1.1 溫濕指數(shù)

溫濕指數(shù)（THI）是使用最廣的奶牛熱應(yīng)激指數(shù)。Thom于1959年提出了THI的概念，之前是“不適指數(shù)”（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(huán)境下的熱感覺。THI只包含溫度和濕度參數(shù)，但溫度和濕度影響了動物與環(huán)境大部分熱交換過程，所以，用THI反映動物的熱應(yīng)激在一定程度上是可以接受的。由于計算THI時無需監(jiān)測其他氣象參數(shù)，甚至直接從公共氣象系統(tǒng)中獲取溫濕度數(shù)據(jù)即可，因此極大地拓展THI在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

目前計算THI的方法較多（表1），但對于THI的發(fā)展以及溫濕度權(quán)重如何確定的信息還較少。從相關(guān)文獻(xiàn)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(shù)”的各種形式，并未針對奶牛進(jìn)行過修正。Thom在原文獻(xiàn)中并未記錄THI的建立過程，并且干球溫度和濕度溫度的權(quán)重相同。根據(jù)濕球溫度比干球溫度更容易造成人體不適感的現(xiàn)象，Bianca[8]探究了濕球溫度和干球溫度對引起牛熱應(yīng)激的相對重要程度，比較了2個不同溫濕權(quán)重的THI計算式，發(fā)現(xiàn)濕球溫度系數(shù)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(shù)的不同，各THI計算式間的溫濕度相對權(quán)重難以直接進(jìn)行比較。Bohmanova等[9]通過某種換算關(guān)系得出THI計算式中干濕球權(quán)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(quán)重不同導(dǎo)致THI在不同環(huán)境下對熱應(yīng)激的預(yù)測能力不同。Berman等[10]使用了1組溫濕度數(shù)據(jù)（氣溫20～42 ℃，相對濕度10%～70%）對各THI公式的研究表明溫濕度權(quán)重確實存在差異，露點溫度作為濕度參數(shù)的THI的濕度權(quán)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(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)濕度權(quán)重較大的THI公式更適用于氣候潮濕地區(qū)，濕度權(quán)重較小的THI公式更適用于干旱地區(qū)。目前尚未有文獻(xiàn)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(shù)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(shù)

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

針對THI未考慮輻射和風(fēng)速的缺點，有研究提出了相關(guān)的修正指數(shù)（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(shù)（black globe-humidity index，BGHI）。黑球溫度經(jīng)常用來反映周圍環(huán)境的輻射熱，黑球溫度受到風(fēng)速與氣流速度的影響，因此，BGHI在一定程度上能代表環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)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(yīng)激程度的方法，他們稱之為喘息得分（panting score）。喘息得分規(guī)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(fēng)速和太陽輻射與THI的修正關(guān)系，提出了調(diào)整溫濕指數(shù)[19]（adjusted THI, THIadj）

1.3 其他指數(shù)

不同于對已有THI概念的補(bǔ)充和修正，一些研究從建模方法、應(yīng)用環(huán)境等不同方向提出了一些新的指數(shù)形態(tài)。Baeta等[22]在環(huán)控艙條件下綜合考慮了干球溫度、相對濕度和風(fēng)速，提出了等效溫度指數(shù)（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(huán)境，不過Da Silva等[23]認(rèn)為ETI適用于評價熱帶地區(qū)舍外放養(yǎng)下奶牛的熱應(yīng)激。Yamamoto等[24]也通過環(huán)控艙提出過類似人居熱舒適指標(biāo)中的有效溫度（effective temperature，ET），不過初期只考慮了溫度和風(fēng)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(shù)[25]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，奶牛熱應(yīng)激指數(shù)的變化尤為迅速。呼吸率能夠較好地反映牛的熱應(yīng)激程度，但不方便對群體進(jìn)行呼吸率的觀察，Eigenberg等[26]提出預(yù)測呼吸率指數(shù)（respiratory rate index，RRI）。但RRI應(yīng)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(yīng)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(xiàn)有指數(shù)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(nèi)熱量周期性變化的熱負(fù)荷指數(shù)（heat load index，HLI）。HLI的評判標(biāo)準(zhǔn)為黑球溫度，當(dāng)黑球溫度高于25 ℃時，HLI采用指數(shù)公式，低于25 ℃使用線性公式。多數(shù)指數(shù)只考慮了炎熱環(huán)境，未考慮過在低氣溫下的應(yīng)用問題，Mader等[28]拓寬了指數(shù)的適用范圍，提出綜合氣候指數(shù)（comprehensive climate index，CCI）。公式中將濕度、風(fēng)速、太陽輻射都轉(zhuǎn)化成相應(yīng)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(yīng)激指數(shù)針對的是溫帶氣候環(huán)境，部分學(xué)者將研究重點轉(zhuǎn)向高溫、高濕、強(qiáng)太陽輻射的熱帶地區(qū)。Da Silva等[29]提出了適用于熱帶地區(qū)的奶牛熱應(yīng)激指數(shù)（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(qū)的奶牛熱負(fù)荷指數(shù)（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(shù)（sensible heat-based THI，THIs）。

以往的熱應(yīng)激指數(shù)幾乎都是采用統(tǒng)計建模得出經(jīng)驗公式，而近年有學(xué)者在指數(shù)建模方式上有所發(fā)展。Wang等[31]針對高產(chǎn)奶牛提出等效溫度指數(shù)（equivalent temperature index for cattle，ETIC）。ETIC是風(fēng)速為0、相對濕度100%和無輻射的假想環(huán)境下的氣溫。相較于CCI，ETIC同樣將風(fēng)速、濕度和太陽輻射的影響轉(zhuǎn)化成等效干球溫度。但CCI是統(tǒng)計模型，而ETIC在建模過程中一定程度上考慮了環(huán)境參數(shù)的換熱機(jī)理，因此，ETIC應(yīng)為半經(jīng)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(shù)據(jù)庫，并且該數(shù)據(jù)庫是由一組環(huán)控艙數(shù)據(jù)和另一組現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集而成，那么，ETIC的準(zhǔn)確性和有效性還有待檢驗。

表2 除THI外其他熱應(yīng)激指數(shù)

注：T、T分別為黑球溫度和平均輻射溫度，℃；為風(fēng)速，m?s-1；SR為太陽輻射強(qiáng)度，W?m-2；ERHL為有效輻射熱負(fù)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(shù)在表征熱應(yīng)激時的差異

2.1 指數(shù)閾值

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

然而目前對奶牛熱應(yīng)激評判依據(jù)和THI閾值還存在爭議。在歐洲地區(qū)進(jìn)行的相關(guān)研究中，有報導(dǎo)稱THI高于60則奶蛋白量將會下降[13]，高于62則產(chǎn)奶量、奶脂量會下降，高于66則牛奶中的體細(xì)胞數(shù)增加[12]。也有學(xué)者認(rèn)為影響產(chǎn)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(chǎn)水平與熱應(yīng)激的相關(guān)研究，各研究間的結(jié)果也有明顯差異。有學(xué)者在環(huán)控艙下的試驗表明造成產(chǎn)奶量和采食量下降的THI閾值為77[36]。在美國不同地區(qū)甚至同一個州進(jìn)行的不同研究之間也存在不同的結(jié)論[9,35,37]。而其他地區(qū)進(jìn)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(jié)論分別有70、69、70、80。

表3列出了指數(shù)在不同熱應(yīng)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(shù)將熱應(yīng)激分為4～6個等級，其中THI、RRI、HLI和ETIC的分級數(shù)為4個，ETI和ITSC為5個。CCI的分級最為細(xì)致，達(dá)到6個，可能是其試驗條件覆蓋了高溫環(huán)境和低溫環(huán)境。HLI的熱應(yīng)激分級閾值可以根據(jù)動物因素和管理因素進(jìn)行調(diào)整，其中動物因素有基因型、被毛顏色、健康程度和環(huán)境適應(yīng)性，管理因素有蔭棚、飼養(yǎng)天數(shù)、糞便處理和飲水溫度。HLI的基礎(chǔ)閾值為86，基準(zhǔn)動物是無遮陰下的安格斯肉牛。

表3 不同熱應(yīng)激等級下的指數(shù)閾值

2.2 指數(shù)中涉及的環(huán)境因子及傳熱性質(zhì)

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

Da Silva等[29]的計算結(jié)果表明，CCI與奶牛通過輻射得熱無顯著相關(guān)性，HLI與奶牛呼吸蒸發(fā)散熱無顯著相關(guān)性。除了CCI與呼吸蒸發(fā)的相關(guān)性（=0.408）最高外，ITSC與對流散熱、表皮蒸發(fā)和輻射得熱的相關(guān)性均為最高。Bjerg等[43]報導(dǎo)ETI、RRI、THIadj、CCI、ITSC和HLI都未能預(yù)測出動物體表溫度與氣溫溫差減小導(dǎo)致的風(fēng)速降溫效果減弱的現(xiàn)象。Wang等[44]提出“等效氣溫變化法”評價了一些熱應(yīng)激指數(shù)的傳熱特性。該評價方法可以理解為某一參數(shù)的變化使得氣溫為了維持原來的指數(shù)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(dǎo)致散熱減少，從而帶來升溫效果。Wang等[44]的結(jié)論認(rèn)為絕大多數(shù)指數(shù)能反映這一現(xiàn)象。而風(fēng)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(fēng)速升高所帶來的降溫效果會隨著風(fēng)速升高而減弱。除了ITSC以外，其他含有太陽輻射變量的指數(shù)均能反映輻射增大所引起的升溫效果。

2.3 奶牛生理反應(yīng)與各指數(shù)的關(guān)系

熱應(yīng)激指數(shù)只能作為一種客觀地評價方法，必須與奶牛在熱應(yīng)激下的生理反應(yīng)結(jié)合，才能構(gòu)成較為完整的評價體系。Li等[45]使用2組數(shù)據(jù)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(guān)性。第1組數(shù)據(jù)來自商業(yè)化牛場的奶牛和肉牛。結(jié)果顯示，上述指數(shù)都與表皮溫度顯著相關(guān)，ETI與呼吸率相關(guān)性最高，HLI與牛的出汗率相關(guān)性最高。第2組數(shù)據(jù)來自環(huán)控艙，試驗對象為12頭泌乳荷斯坦奶牛，結(jié)果顯示除了THI與表皮溫度不相關(guān)以外，其余指數(shù)均與表皮溫度和呼吸率顯著相關(guān)。此外，THIadj、ETI和HLI與出汗率不相關(guān)。

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(jìn)行了相關(guān)分析。其結(jié)果表明，THI、BGHI與直腸溫度無顯著相關(guān)性，ETI與呼吸率和直腸溫度的相關(guān)性分別為0.293和0.520，HLI分別為0.286和0.542。在熱帶環(huán)境下，使用ETI和HLI比THI、BGHI能夠更好預(yù)測奶牛熱應(yīng)激。此外，由于ETI所涉及的環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度和風(fēng)速）更少，ETI可能是更好的熱應(yīng)激指數(shù)。Da Silva等將后期建立的ITSC與CCI、HLI、BGHI對比，其結(jié)果顯示指數(shù)均與直腸溫度和呼吸率顯著相關(guān)，并且CCI在2個生理指標(biāo)中均表現(xiàn)出最高的相關(guān)性，其次是ITSC[29]。

3 存在問題分析

3.1 選擇的環(huán)境參數(shù)無法反映奶牛與環(huán)境的換熱機(jī)理

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

理論上，奶牛熱應(yīng)激指數(shù)所涉及的環(huán)境參數(shù)越多，則能夠解釋動物體與環(huán)境的熱交換過程也越多，那么指數(shù)對熱應(yīng)激的預(yù)測效果也應(yīng)該越好。THI的缺點是只包括溫度和濕度，未考慮風(fēng)速和太陽輻射的影響使其不太能適用于有風(fēng)的舍內(nèi)和強(qiáng)日照的舍外環(huán)境。而后來發(fā)展的指數(shù)同樣也存在環(huán)境參數(shù)考慮不全的問題。BGHI、ET、DHLI等指數(shù)采用黑球溫度來表示風(fēng)速、輻射和干球溫度對奶牛與環(huán)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(jié)果。由于不同奶牛個體在體型、被毛及其生理性質(zhì)上的差異，黑球溫度不應(yīng)該被視為奶牛與環(huán)境熱交換的通用模型。

奶牛熱應(yīng)激指數(shù)中所確定的參數(shù)應(yīng)該能體現(xiàn)其涉及的換熱機(jī)理。目前的指數(shù)大多是只能通過統(tǒng)計方式將環(huán)境參數(shù)與奶牛生理反應(yīng)或行為反應(yīng)之間建立相關(guān)關(guān)系，但不能體現(xiàn)環(huán)境參數(shù)在動物與環(huán)境換熱過程中的物理作用，仍然是經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。環(huán)境參數(shù)通常不止涉及一個熱交換過程，環(huán)境參數(shù)之間具有耦合性。一些熱應(yīng)激指數(shù)中環(huán)境參數(shù)與指數(shù)值是線性關(guān)系，沒有考慮環(huán)境參數(shù)間的交互作用。

3.2 研究結(jié)果因研究條件不同存在較大差異

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

除了氣候上的差異，指數(shù)間的背景差異還存在于試驗環(huán)境方面。ETI、BGHI、ET1、ETIC等的試驗是在環(huán)控艙內(nèi)進(jìn)行的，其他指數(shù)的試驗則是在商業(yè)化牛場或者試驗牛場中開展的。環(huán)控艙內(nèi)氣候條件存在一定的特殊性，試驗動物的行為反應(yīng)和生理反應(yīng)在環(huán)控艙環(huán)境下與開放環(huán)境下具有明顯的環(huán)境條件差異。環(huán)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(huán)境迥異。環(huán)境因素與動物因素的雙重偏差使得通過環(huán)控艙試驗得到的指數(shù)難以準(zhǔn)確評價開放環(huán)境下奶牛的熱應(yīng)激水平。

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

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

4 未來研究熱點展望

熱應(yīng)激顯著降低奶牛的生產(chǎn)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(yīng)激。隨著高效生產(chǎn)的要求以及對動物福利理念的不斷認(rèn)識，如何減小奶牛熱應(yīng)激，創(chuàng)造福利型畜舍環(huán)境成為學(xué)術(shù)熱點。但怎樣的環(huán)境會使得奶牛產(chǎn)生熱應(yīng)激？對于這一問題尚未有明確和統(tǒng)一的答案。熱應(yīng)激一方面是取決于動物自身，一方面取決于環(huán)境條件包括氣溫、濕度、風(fēng)速和太陽輻射等因素的綜合影響。在過去的半個多世紀(jì)里，相繼有學(xué)者提出了多種奶牛熱應(yīng)激指數(shù)評價方法，希望通過綜合多個環(huán)境參數(shù)，建立綜合評價指數(shù)以有效評估和預(yù)測奶牛產(chǎn)生熱應(yīng)激的環(huán)境條件。THI的廣泛應(yīng)用證明了熱應(yīng)激指數(shù)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(huán)境數(shù)據(jù)的情況下也能夠利用公共氣象服務(wù)系統(tǒng)的溫濕度的實測參數(shù)來計算THI，實現(xiàn)對熱應(yīng)激的監(jiān)測和預(yù)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(quán)重不一樣，且目前尚未有文獻(xiàn)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(huán)境、生理特性和散熱能力方面差異極大。因此，學(xué)界內(nèi)的一些學(xué)者也意識到THI未考慮風(fēng)速和輻射等顯著影響熱應(yīng)激程度的環(huán)境參數(shù)，提出了基于THI的修正指數(shù)和一些針對其他氣候環(huán)境的熱應(yīng)激指數(shù)。這些指數(shù)依然存在著環(huán)境參數(shù)不全、環(huán)境參數(shù)考慮不全的問題，這些問題制約著奶牛熱應(yīng)激指數(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

在過去的幾十年，奶牛熱應(yīng)激指數(shù)還是朝著將環(huán)境參數(shù)與奶牛生理、行為參數(shù)建立對應(yīng)關(guān)系的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷姆绞桨l(fā)展。甚至有學(xué)者認(rèn)為由于THI在家畜生產(chǎn)中的使用非常成功，建議未來指數(shù)的發(fā)展仍需要往THI中加入新的環(huán)境參數(shù)并不斷優(yōu)化。不得不承認(rèn)，THI在過去環(huán)境參數(shù)和動物生理、行為參數(shù)不易獲取的一段時間里發(fā)揮過重要的作用。但目前牛舍建筑結(jié)構(gòu)形式以及環(huán)境調(diào)控設(shè)備為滿足減緩熱應(yīng)激的發(fā)生進(jìn)行了諸多改進(jìn)[46]，在遮陽降溫、強(qiáng)制通風(fēng)降溫、蒸發(fā)降溫以及針對牛脖頸部局部送風(fēng)等多種降溫方式的聯(lián)動下，THI以及其他的簡單指數(shù)很難再滿足未來奶牛養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的需要。隨著環(huán)境和動物的監(jiān)測設(shè)備和方法不斷取得長足進(jìn)步的條件下，有必要建立更加精準(zhǔn)的評價指數(shù)，以滿足提高家畜生產(chǎn)力、實現(xiàn)福利化養(yǎng)殖的需要。那么，未來該如何發(fā)展奶?；蛘呒倚鬅釕?yīng)激指數(shù)?或許，人居環(huán)境熱舒適指數(shù)的發(fā)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(fā)展和完善，未來可以發(fā)展類似標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（standard effective temperature，SET）[47]、通用氣候指數(shù)（universal thermal climate index，UTCI）[48]等基于熱平衡模型的奶牛熱應(yīng)激指數(shù)。由于熱應(yīng)激是由動物因素和環(huán)境因素共同決定的，綜合動物因素與環(huán)境因素并且基于熱平衡建立的“理論指數(shù)”模型應(yīng)當(dāng)要比單依靠環(huán)境參數(shù)擬合的“簡單指數(shù)”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(yīng)激指數(shù)的研究方向，筆者提出如下建議：

1）奶牛熱應(yīng)激指數(shù)應(yīng)涉及較多的環(huán)境參數(shù)，并且環(huán)境參數(shù)應(yīng)體現(xiàn)出一定的換熱機(jī)理。

2）除了構(gòu)建特定環(huán)境條件下的指數(shù)模型，還應(yīng)適當(dāng)考慮指數(shù)在其他環(huán)境下的適應(yīng)性。

3）奶牛熱應(yīng)激指數(shù)的提出者應(yīng)盡可能詳細(xì)地給出指數(shù)的適用信息和閾值，指數(shù)的閾值要能夠滿足動態(tài)調(diào)整，以擴(kuò)大其適用范圍。

4）應(yīng)考慮結(jié)合動物生理參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，并基于動物熱平衡理論建立新的奶牛熱應(yīng)激指數(shù)形式。

5 結(jié) 論

綜合多個環(huán)境因子的指數(shù)模型是當(dāng)前預(yù)測和評價奶牛熱應(yīng)激的主要方法。其中，溫濕指數(shù)作為判斷奶牛熱應(yīng)激的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用。在溫濕指數(shù)的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究從建模方法、應(yīng)用環(huán)境等方面不同方向提出了一些參數(shù)上的優(yōu)化，以覆蓋更多的環(huán)境因子，提高熱應(yīng)激指數(shù)的預(yù)測和評價性能。這些指數(shù)在閾值信息、指數(shù)中涉及的環(huán)境因子及傳熱性質(zhì)、奶牛生理反應(yīng)與指數(shù)間的關(guān)系等有明顯的差異。目前奶牛熱應(yīng)激指數(shù)存在的問題主要在于指數(shù)包含的環(huán)境參數(shù)不能反映奶牛與環(huán)境的換熱機(jī)理，以及環(huán)境條件不同而導(dǎo)致的評價結(jié)果差異。為避免上述問題，可以考慮從產(chǎn)生熱應(yīng)激的物理機(jī)制入手發(fā)展家畜熱應(yīng)激指數(shù)，并借鑒一些基于人體熱平衡的人居熱舒適指數(shù)的研究思路，通過建立更加精細(xì)的指數(shù)評價模型以滿足提高家畜生產(chǎn)力、實現(xiàn)福利化養(yǎng)殖的需要。

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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(yán)格齊，李 浩，施正香，王朝元. 奶牛熱應(yīng)激指數(shù)的研究現(xiàn)狀及問題分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系—奶牛（CARS-36）

嚴(yán)格齊，博士生，主要從事畜禽養(yǎng)殖工藝與環(huán)境研究。Email：yangeqi@cau.edu.cn

施正香，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜禽養(yǎng)殖工藝與環(huán)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