奶牛溫?zé)岘h(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

孫小琴 宋振華 周靜靜 侯 宇

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，楊凌 712100)

溫?zé)岘h(huán)境(thermal environment)是直接影響動(dòng)物體散熱過(guò)程并與代謝產(chǎn)熱及體溫調(diào)節(jié)過(guò)程密切相關(guān)的物理環(huán)境，包括溫度、相對(duì)濕度、氣流速度和太陽(yáng)輻射等環(huán)境因子。各環(huán)境因子相互影響，綜合形成奶牛周圍或炎熱寒冷，或溫暖涼爽的氣候環(huán)境。適宜的溫?zé)岘h(huán)境有利于奶牛保持良好的健康狀態(tài)，維持較高的泌乳性能，而不適應(yīng)的溫?zé)岘h(huán)境會(huì)引發(fā)奶牛冷應(yīng)激或熱應(yīng)激，不僅會(huì)導(dǎo)致奶牛生產(chǎn)性能下降、抗病能力降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)直接致病。因此，準(zhǔn)確評(píng)估溫?zé)岘h(huán)境對(duì)奶牛生產(chǎn)和健康的影響，確定奶牛生產(chǎn)的適宜溫?zé)岘h(huán)境需求，是奶牛生產(chǎn)中圈舍設(shè)計(jì)、設(shè)備配置及飼養(yǎng)管理方案制定的重要依據(jù)，也是牛舍環(huán)境控制措施啟動(dòng)的必要前提。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直致力于建立一個(gè)能夠快速、準(zhǔn)確地反映溫?zé)岘h(huán)境對(duì)動(dòng)物體熱交換過(guò)程影響及影響效應(yīng)的指數(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，學(xué)者們提出了各種環(huán)境指數(shù)，其中，適用于奶牛溫?zé)岘h(huán)境評(píng)估的環(huán)境指數(shù)約有11種，但不同環(huán)境指數(shù)的建立條件、適用氣候和評(píng)估準(zhǔn)確性不同，需要有針對(duì)性地選擇使用。同時(shí)，筆者還發(fā)現(xiàn)，奶牛環(huán)境相關(guān)文獻(xiàn)中還存在環(huán)境指數(shù)誤用和錯(cuò)用的情況，而全面認(rèn)識(shí)和了解各種環(huán)境指數(shù)是避免誤用的前提?；诖耍谙到y(tǒng)梳理文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，筆者將11種奶牛環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)的名稱、提出者、計(jì)算模型中所涉及的氣象參數(shù)、針對(duì)的目標(biāo)畜種和適用地區(qū)等信息匯進(jìn)行了匯總(表1)，并對(duì)這些環(huán)境指數(shù)的建立條件、計(jì)算公式、主要特點(diǎn)、應(yīng)用情況及局限性等進(jìn)行綜述，以方便我國(guó)奶牛環(huán)境評(píng)價(jià)和控制相關(guān)研究和應(yīng)用參考。

1 早期建立的環(huán)境指數(shù)及其應(yīng)用

動(dòng)物環(huán)境指數(shù)的建立開(kāi)始于20世紀(jì)40年代[12]。早期建立的環(huán)境指數(shù)主要有耐熱系數(shù)(heat tolerance coefficient，HTC)和適應(yīng)性指數(shù)(index of adaptability，IA)。

1.1 HTC

HTC被認(rèn)為是最早的動(dòng)物環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)，由巴西學(xué)者Rhoad[13]通過(guò)伊比利亞耐熱性試驗(yàn)(Iberian heat tolerance test)用肉牛建立，計(jì)算公式為：

HTC=100-[10×(RT-101.0)]。

式中：RT為試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的直腸溫度(℉)。HTC通過(guò)測(cè)定實(shí)際直腸溫度與正常直腸溫度(101.0 ℉)之差來(lái)評(píng)估耐熱性，溫差越小，HTC值越高，動(dòng)物的耐熱性越強(qiáng)，反之，耐熱性越低。后來(lái)，Bianca[14]提出了溫度單位為℃時(shí)的HTC計(jì)算公式：

HTC=100-[18×(RT-38.3)]。

HTC建立后，眾多研究用該指標(biāo)評(píng)價(jià)了不同品種牛的耐熱性[15-16]，或研究了不同溫度條件下牛HTC值的變化[14]。有研究認(rèn)為HTC并不是牛耐熱性篩選的有利工具，因?yàn)榛谏a(chǎn)力的選擇已“自動(dòng)包括了足夠且必要的耐熱性選擇”[17]，而適應(yīng)了當(dāng)?shù)貧夂驐l件的不同品種牛間的耐熱性差異極小，如非洲白富拉尼牛與荷斯坦奶牛的HTC分別為90.0和89.8[18]。目前，HTC仍廣泛用于牛的耐熱性評(píng)估[19-20]，但在純環(huán)境評(píng)估研究中應(yīng)用較少。

1.2 IA

IA是由Benezra[21]基于呼吸頻率和直腸溫度提出，主要用以評(píng)估牛對(duì)溫?zé)岘h(huán)境的適應(yīng)性，計(jì)算公式為：

IA=RT/38.33+RR/23。

式中：RT為直腸溫度(℃)；RR為呼吸頻率(bpm)；38.33為牛的正常體溫(℃)；23為牛在理想條件下的正常呼吸頻率(bpm)。依據(jù)該公式，IA值越低，動(dòng)物的環(huán)境適應(yīng)程度越高，IA≤2表示動(dòng)物對(duì)當(dāng)前環(huán)境高度適應(yīng)，>2則表示適應(yīng)程度較低。Bianca[14]發(fā)現(xiàn)用IA和HTC評(píng)估犢牛耐熱性的結(jié)果完全不同，認(rèn)為導(dǎo)致這種差異是由于IA公式中，數(shù)值變化較大的呼吸反應(yīng)完全掩蓋了數(shù)值變化較小的體溫反應(yīng)，指出IA本質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)物呼吸行為函數(shù)。盡管IA不足以反映犢牛的耐熱性[14]，但與一些生理指標(biāo)和環(huán)境指數(shù)一樣，IA常被用于熱帶地區(qū)牛尤其是水牛的熱舒適性評(píng)價(jià)[22-23]，這些研究多將IA稱為Benezra的熱舒適指數(shù)(Benezra’s thermal comfort index)，認(rèn)為IA>2意味著環(huán)境的熱舒適性降低，動(dòng)物需要啟動(dòng)散熱機(jī)制調(diào)節(jié)體溫。奶牛環(huán)境評(píng)價(jià)研究中，IA的應(yīng)用較為少見(jiàn)。

2 溫濕指數(shù)(temperature-humidity index，THI)及其應(yīng)用

2.1 THI的提出

THI是最常用也是應(yīng)用最廣泛的溫?zé)岘h(huán)境評(píng)估指數(shù)，尤其在動(dòng)物熱應(yīng)激評(píng)估方面。THI源自美國(guó)氣象局氣候?qū)W家Thom[1]提出的不適指數(shù)(discomfort index, DI)，用以評(píng)估人在夏季的不舒適程度，計(jì)算公式為：

DI=0.4×(Tdb+Twb)+15。

式中：Tdb、Twb分別為干球溫度和濕球溫度(℉)。DI的建立目的是為了指導(dǎo)建筑空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理，后來(lái)考慮到該名稱對(duì)其他行業(yè)有不利影響，加之其綜合了環(huán)境溫度和濕度的效應(yīng)，美國(guó)氣象學(xué)界將其改為THI。之后，THI的應(yīng)用范圍逐步由人拓展至奶牛和其他動(dòng)物。

2.2 THI在奶牛環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

THI在奶牛環(huán)境評(píng)價(jià)上的最早應(yīng)用來(lái)自美國(guó)密蘇里大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們?cè)诶萌斯夂蚴已芯坎煌瑴?、濕度環(huán)境對(duì)荷斯坦奶牛泌乳量、采食量和飲水量影響的基礎(chǔ)上，評(píng)估了THI與奶牛泌乳量下降[24]、能量消耗量和飲水量間的關(guān)系[25]，并得出了用THI估測(cè)泌乳量降低(Mdec)的公式[26]：

Mdec(kg/d)=1.075-1.736×M+0.024 74×M×THI。

式中：M是奶牛處于等熱區(qū)時(shí)的正常泌乳量(kg/d)。此后，大量研究以THI為基礎(chǔ)研究了溫?zé)岘h(huán)境尤其是熱應(yīng)激對(duì)奶牛生產(chǎn)和健康的影響。基于各種動(dòng)物上的研究結(jié)果，美國(guó)家畜保護(hù)協(xié)會(huì)于1970年以THI為基礎(chǔ)提出了家畜氣象安全指數(shù)(livestock weather safety index, LWSI)，該指數(shù)按不同的THI閾值將家畜的熱應(yīng)激分為4級(jí)：THI<74，正常；74≤THI<79，警惕；79≤THI<84，危險(xiǎn)；THI≥84，緊急。LWSI對(duì)集約化畜禽養(yǎng)殖和運(yùn)輸具有廣泛的指導(dǎo)作用，但不同種類家畜發(fā)生熱應(yīng)激的THI閾值不同，分類范圍也不同。

奶牛上的大量研究表明，以泌乳量變化為依據(jù)時(shí)，熱應(yīng)激發(fā)生的臨界THI閾值多在64～72，與生產(chǎn)水平有關(guān)。低產(chǎn)奶牛多在72以下[27-29]，而高產(chǎn)奶牛則多在68以下[30-32]。有研究認(rèn)為當(dāng)高產(chǎn)奶牛的環(huán)境THI達(dá)到65時(shí)，就應(yīng)啟動(dòng)熱應(yīng)激緩解措施[33]。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的2個(gè)奶牛熱應(yīng)激分類法分別基于72[27]和68[34]的THI臨界閾值，前者主要來(lái)自對(duì)20世紀(jì)60年代美國(guó)密蘇里大學(xué)研究結(jié)果的回顧分析，試驗(yàn)所用奶牛生產(chǎn)水平較低(平均泌乳量15.5 kg/d)，而后者主要根據(jù)美國(guó)亞利桑那大學(xué)對(duì)高產(chǎn)奶牛(泌乳量>35 kg/d)的研究結(jié)果制定。其中，Armstrong[27]的分類法為：THI<72，無(wú)應(yīng)激；72≤THI<79，輕度應(yīng)激；79≤THI<88，中度應(yīng)激；88≤THI<99，嚴(yán)重應(yīng)激；THI≥99，死亡。Renaudeau等[34]的分類法為：THI<68，無(wú)應(yīng)激；68≤THI<72，輕度應(yīng)激；72≤THI<80，中度應(yīng)激；80≤THI<90，嚴(yán)重應(yīng)激；90≤THI<99，緊急。我國(guó)農(nóng)業(yè)部2013頒布的“奶牛熱應(yīng)激評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(NY/T 2363—2013)”以72的THI為熱應(yīng)激發(fā)生閾值，并參考Armstrong[27]的方法將熱應(yīng)激劃分為無(wú)應(yīng)激、輕度應(yīng)激、中度應(yīng)激和高度應(yīng)激4個(gè)等級(jí)。長(zhǎng)期以來(lái)，盡管人們都知道THI存在沒(méi)有包含風(fēng)速和太陽(yáng)輻射效應(yīng)的缺陷，但因溫度和濕度對(duì)熱交換的影響最大，故通常認(rèn)為THI足以反映溫?zé)岘h(huán)境對(duì)動(dòng)物的總體影響。

2.3 THI閾值確定上的新變化

近年來(lái)，研究者開(kāi)始用泌乳量以外的指標(biāo)來(lái)確定奶牛的THI閾值。牧場(chǎng)大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，乳成分發(fā)生變化的THI閾值低于泌乳量開(kāi)始下降的閾值。例如，Bernabucci等[35]報(bào)道泌乳量和乳蛋白率開(kāi)始下降的THI分別為73～76和65～71，而Bertocchi等[36]發(fā)現(xiàn)乳脂率、乳蛋白率開(kāi)始下降的THI分別為50.2和65.2，而乳中的體細(xì)胞評(píng)分和細(xì)菌總數(shù)在THI分別為57.3和72.8時(shí)開(kāi)始增加。但也有試驗(yàn)報(bào)道體細(xì)胞數(shù)增加的THI閾值高于生產(chǎn)性能下降的閾值[37]，且過(guò)高和過(guò)低的THI都會(huì)導(dǎo)致乳中體細(xì)胞評(píng)分的增加。此外，不同泌乳階段和胎次奶牛發(fā)生熱應(yīng)激的閾值也不同，如泌乳后期奶牛乳脂校正乳產(chǎn)量在THI高于60就開(kāi)始下降[38]，而以泌乳量計(jì)，頭胎奶牛發(fā)生熱應(yīng)激的閾值高于經(jīng)產(chǎn)奶牛，但頭胎奶牛的乳蛋白率對(duì)熱應(yīng)激更為敏感[35]。此外，奶牛死亡率增加的THI臨界閾值為70[39]，受胎率降低的臨界閾值為72[40]或73[41]，反芻時(shí)間下降的THI閾值為52[42]或76[43]，而呼吸頻率、心率和直腸溫度增加的閾值分別70、72和70[33]。

除日平均THI外，人們也開(kāi)始探索用每天最高THI、最低THI及某一THI的持續(xù)時(shí)間來(lái)評(píng)估奶牛溫?zé)岘h(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，THI超過(guò)72或80的總時(shí)長(zhǎng)與泌乳量降低的相關(guān)程度最高[44]；對(duì)于泌乳量高于35 kg/d的泌乳牛，當(dāng)每天環(huán)境的最低THI≥65或平均THI≥68的時(shí)長(zhǎng)超過(guò)17 h時(shí)，就需要啟動(dòng)降溫措施[31]；而Herbut等[45]用1 d內(nèi)不同THI的持續(xù)時(shí)間來(lái)劃分奶牛的溫?zé)岘h(huán)境的舒適程度，以THI=68的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間達(dá)3 h為中性；THI>68的持續(xù)時(shí)間低于12 h為溫暖，THI>68的持續(xù)時(shí)間超過(guò)12 h為炎熱。

應(yīng)當(dāng)指出，奶牛機(jī)體的散熱速度和體熱平衡不僅受環(huán)境參數(shù)的影響，也受其他一些與奶牛和牛群管理相關(guān)因素如品種、健康狀態(tài)、活動(dòng)水平、有無(wú)遮陰、糞污管理[5]、被毛長(zhǎng)度[46]、地面狀況[47]和站臥姿勢(shì)[33,46,48]等的影響。這些因素會(huì)改變奶牛熱應(yīng)激發(fā)生的閾值和類別，故生產(chǎn)中有必要確定符合實(shí)際生產(chǎn)情況的THI閾值。此外，研究還認(rèn)為，THI也可用于奶牛冷應(yīng)激評(píng)估，且THI≤38是奶牛發(fā)生冷應(yīng)激的閾值[49]。

2.4 THI的計(jì)算公式

文獻(xiàn)中，THI的計(jì)算公式眾多，造成了很多應(yīng)用上的不便甚至錯(cuò)誤。為方便生產(chǎn)和相關(guān)研究參考，將THI的正確計(jì)算公式和一些文獻(xiàn)報(bào)道近似公式整理至表2。追根溯源，THI實(shí)質(zhì)上只有3個(gè)計(jì)算公式，即濕度分別以濕球溫度(Twb)、露點(diǎn)溫度(Tdp)和相對(duì)濕度(RH)表示時(shí)的計(jì)算公式，對(duì)應(yīng)表2中的公式1、2和3。其中，公式1即Thom[1]提出的DI計(jì)算公式，而公式2就筆者掌握的資料，最早見(jiàn)于Johnson等[24]，但文獻(xiàn)[52,56]顯示該公式是由Thom[51]提出后被美國(guó)氣象局采用，公式3的出處很少有文獻(xiàn)提及，但NRC(1971)[50]明確給出了上述3個(gè)公式，式中，Tdb和Twb的單位為℉。后來(lái)，因溫度單位多用℃表示，THI又因溫度單位的轉(zhuǎn)化而衍生出公式4、5和6 3個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化公式及其化簡(jiǎn)公式，式中℃轉(zhuǎn)化為℉的關(guān)系為“℃×1.8+32”。

此外，一些與公式5和6簡(jiǎn)化式差別極小的近似公式(公式7～10)也被廣泛使用，但近似公式中一些細(xì)小差別的產(chǎn)生原因未知或令人困惑。例如，公式7最早見(jiàn)于Oliveira等[52]，該作者只是將Thom[51]的Tdp公式(公式2)進(jìn)行了溫度單位轉(zhuǎn)化，但不清楚為何其轉(zhuǎn)化式中的常數(shù)項(xiàng)由正確的41.5(公式5)變成了41.2，而該公式后來(lái)被眾多的研究性[8,54,57]和綜述性[47,55,58]文獻(xiàn)引用。表2中公式8～10都是含RH且溫度單位為℃的THI計(jì)算公式，與正確的轉(zhuǎn)化公式(公式6)相比，這些公式中RH的系數(shù)0.99被省略，且Tdb的系數(shù)有的是0.81(公式9)、有的是0.8(公式8和10)，2個(gè)常數(shù)有的是14.3和46.3(公式8)，有的是14.4和46.4(公式9、10)。公式8據(jù)稱[53,59]出自Kibler[60]，但筆者未能在Kibler[60]的文獻(xiàn)中追溯到該公式，故其最初出處未知。公式9最早見(jiàn)于Hahn[54]，作者省去公式6中RH系數(shù)并將常數(shù)項(xiàng)46.3改為46.4的原因不明，而公式10來(lái)自Thom[1]的說(shuō)法[55]錯(cuò)誤，故其原本出處和數(shù)據(jù)變化的原因同樣不明。這些近似公式是造成目前THI計(jì)算公式眾多的主要原因，鑒于其中相關(guān)數(shù)據(jù)改變的原因不明，建議在THI計(jì)算時(shí)，根據(jù)需要選擇公式4～公式6，避免使用表中所列的近似公式。

還需指出的是，文獻(xiàn)中THI計(jì)算公式表述錯(cuò)誤或不準(zhǔn)的情況較多，同一公式的不同化簡(jiǎn)式被當(dāng)成不同公式對(duì)待情況也時(shí)有發(fā)生。如Bohmanova等[57]在比較不同THI時(shí)，文中℃與℉轉(zhuǎn)換式的表述均有誤，且其所列的THI3與THI6、THI4與THI7其實(shí)是同一公式的不同化簡(jiǎn)形式。這種錯(cuò)誤在后來(lái)的一些研究性[8,30,61]和綜述[47,62]文獻(xiàn)也普遍存在，讀者在閱讀和引用時(shí)需特別注意。此外，在使用RH進(jìn)行THI計(jì)算時(shí)，將公式中RH的小數(shù)或百分?jǐn)?shù)形式標(biāo)錯(cuò)的情況也普遍存在，如Avendao-Reyes等[63]、Hahn等[58]和Ji等[30]。此外，一些文獻(xiàn)[30,47,57]將Bianca[64]用以評(píng)估Tdb和Twb權(quán)重值的公式當(dāng)做了THI計(jì)算公式，這一做法可能并不恰當(dāng)。因?yàn)橛晌墨I(xiàn)追溯可知，Bianca[64]只是將Tdb和Twb不同權(quán)重系數(shù)所得的加和值與犢牛的直腸溫度進(jìn)行了相關(guān)分析，文中沒(méi)有任何文字提及其所用的權(quán)重加和值算式是THI計(jì)算公式。這一點(diǎn)，在NRC(1971)[50]的文字闡述中也有體現(xiàn)。

表2 溫濕指數(shù)的常見(jiàn)計(jì)算公式及出處

2.5 THI的校正

除直接利用環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)計(jì)算THI外，在配備降溫系統(tǒng)的牛舍中，還可以根據(jù)降溫強(qiáng)度或降溫系統(tǒng)的配備情況對(duì)THI進(jìn)行校正[65]，利用表3中的公式計(jì)算出THI的校正值(△THI)后，可計(jì)算出采取不同降溫措施后的實(shí)際THI。

表3 奶牛場(chǎng)不同降溫強(qiáng)度下的溫濕指數(shù)校正值(△THI)計(jì)算

3 其他環(huán)境指數(shù)及其應(yīng)用

除THI外，其他適用于奶牛的環(huán)境指數(shù)及其計(jì)算公式、建模條件、參考生理參數(shù)和文獻(xiàn)出處見(jiàn)表4，上述環(huán)境指數(shù)的建立過(guò)程及應(yīng)用進(jìn)展分述如下。

3.1 黑球濕度指數(shù)(black globe humidity index，BGHI)

黑球溫度(black globe temperature, Tbg)是一個(gè)評(píng)價(jià)太陽(yáng)輻射熱負(fù)荷的綜合指標(biāo)，可將環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射和風(fēng)的對(duì)流冷卻效應(yīng)綜合為一個(gè)溫度值。因此，使用Tbg相當(dāng)于間接納入了太陽(yáng)輻射和風(fēng)速效應(yīng)。為了校對(duì)THI中沒(méi)有納入太陽(yáng)輻射和風(fēng)速效應(yīng)的問(wèn)題，Buffington等[2]提出了BGHI，該指數(shù)用Tbg替代了THI計(jì)算公式中的Tdb(表4)，故BGHI與THI的差異在于測(cè)得的Tbg與Tdb是否相同。比較發(fā)現(xiàn)，牛場(chǎng)無(wú)遮蔭位置的BGHI顯著高于有遮蔭處，但在有遮蔭處，THI和BGHI無(wú)明顯差異。故Buffington等[2]指出，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大的環(huán)境中，BGHI更能準(zhǔn)確反映奶牛的舒適程度，而當(dāng)環(huán)境熱輻射程度較低或中等時(shí)，THI同樣能夠有效評(píng)估奶牛的舒適程度。后有研究認(rèn)為在有遮蔭棚的奶牛生產(chǎn)中，用BGHI替代THI并沒(méi)有優(yōu)越性[31]，故BGHI更適合于評(píng)價(jià)放牧環(huán)境對(duì)奶牛的影響。此外，有文獻(xiàn)將BGHI公式中的常數(shù)項(xiàng)由41.5誤寫為了41.2[52]，引用時(shí)應(yīng)予以注意，以免誤用。Tbg一般用一個(gè)有內(nèi)置溫度傳感器的啞光黑色銅球(直徑12.5～15.0 cm)測(cè)定，一些氣象站也會(huì)測(cè)定Tbg。當(dāng)Tbg不能直接測(cè)定時(shí)，還可以用氣溫和太陽(yáng)輻射進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)公式見(jiàn)表4。

3.2 等溫指數(shù)(equivalent temperature index，ETI)和校正溫濕指數(shù)(adjusted temperature-humidity index，THIadj)

ETI由Baeta等[3]提出，該指數(shù)在考慮環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的基礎(chǔ)上，綜合了氣流速度的效應(yīng)與奶牛產(chǎn)奶量和散熱率之間的關(guān)系。Baeta等[3]指出，ETI適用的環(huán)境溫度范圍為16～41 ℃，RH范圍為40%～90%，風(fēng)速范圍為0.5～6.5 m/s。ETI表明氣流速度對(duì)于改善高溫和高濕的不利影響非常重要，然而，研究認(rèn)為ETI并不能反映放牧或卷簾牛舍的實(shí)際情況[58]，而Da Silva等[66]發(fā)現(xiàn)該指數(shù)在溫帶氣候條件下的有效性也較差，故其應(yīng)用并不廣泛。

基于風(fēng)速和太陽(yáng)輻射對(duì)體熱平衡狀況的重要影響，Mader等[4]認(rèn)為盡管THI足以有效評(píng)定動(dòng)物的熱應(yīng)激，但用氣流速度和太陽(yáng)輻射對(duì)THI進(jìn)行調(diào)整，則可進(jìn)一步增強(qiáng)其實(shí)用性，故他們利用3個(gè)試驗(yàn)超過(guò)2 000頭肥育肉牛的數(shù)據(jù)，在評(píng)估了環(huán)境參數(shù)與肉牛喘息分?jǐn)?shù)間關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出THIadj及其計(jì)算公式。按THIadj計(jì)算，環(huán)境中的氣流速度每增加1 m/s，THI可降低1.992個(gè)單位，而太陽(yáng)輻射每降低100 W/m2，THI可降低0.68個(gè)單位。據(jù)報(bào)道，THIadj已被確定為預(yù)測(cè)放牧奶牛環(huán)境條件的指南，也適合評(píng)估牛舍小氣候環(huán)境中的熱應(yīng)激水平[67]，而其建立方法也被認(rèn)為值得未來(lái)建立更恰當(dāng)環(huán)境評(píng)估指數(shù)時(shí)參考[58]。比較認(rèn)為，THIadj是評(píng)估溫帶大陸性氣候條件下放牧奶牛熱應(yīng)激的最佳指數(shù)[37]，且熱應(yīng)激發(fā)生的THIadj閾值為64。

3.3 熱負(fù)荷指數(shù)(heat load index，HLI)

HLI是基于肉牛喘息分?jǐn)?shù)研究建立的[5]，指數(shù)中包括了相對(duì)濕度、風(fēng)速和Tbg的凈效應(yīng)，Tbg>25 ℃和<25 ℃的計(jì)算公式不同(表4)。Gaughan等[5]將肉牛發(fā)生熱應(yīng)激的閾值定為HLI≤70，并規(guī)定環(huán)境HLI在70.1～77.0時(shí)為溫暖，77.1～86.0為炎熱，>86.0為非常炎熱。同時(shí)，結(jié)合喘息分?jǐn)?shù)，建立了7個(gè)基因型肉牛的HLI閾值，并且建立了根據(jù)被毛色澤、健康狀態(tài)、遮蔭與否、飲水溫度和糞肥管理等因素的閾值調(diào)整模型和調(diào)整值。故Gaughan等[5]認(rèn)為HLI能夠比THI更好地預(yù)測(cè)肉牛的熱應(yīng)激，因?yàn)槠渲邪藲庀笞兞亢蜔峤粨Q機(jī)制間的互作效應(yīng)，并可以根據(jù)不同動(dòng)物因素和管理因素確定某一給定時(shí)間的HLI的閾值。在建立了HLI的基礎(chǔ)上，Gaughan等[5]還提出了熱負(fù)荷平衡的衡量指標(biāo)——累積熱負(fù)荷(the accumulated heat load, AHL)，該指標(biāo)由動(dòng)物暴露于高于某一HLI閾值環(huán)境的時(shí)間決定，即處于高HLI環(huán)境的時(shí)間越長(zhǎng)，AHL越大。AHL也與夜間降溫時(shí)段的恢復(fù)程度有關(guān)。因此，可以反映動(dòng)物的熱負(fù)荷總量。與某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的HLI相比，AHL是一個(gè)更好的熱應(yīng)激指標(biāo)，其計(jì)算式如下：

當(dāng)HLIACC(HLIACC-HLILower Threshold)/M；當(dāng)HLIACC>HLIUpper Threshold，AHL=
(HLIACC-HLIUpper Threshold)/M。

式中：HLIACC是某一時(shí)間點(diǎn)的實(shí)際HLI值；HLILower Threshold是HLI的下限臨界值，低于該值時(shí)動(dòng)物處于體熱散失狀態(tài)；HLIUpper Threshold是HLI的上限臨界值，高于該HLI閾值，動(dòng)物處于體熱蓄積狀態(tài)；M是每小時(shí)的測(cè)量次數(shù)(若每10 min采集1次數(shù)據(jù)，則M=6)。

HLI和AHL已被美國(guó)和澳大利亞廣泛應(yīng)用肉牛環(huán)境評(píng)估實(shí)踐，這2個(gè)指數(shù)也已被整合到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)肉牛熱負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)模型中(https://katestone.global/weather-forecasting)，該預(yù)報(bào)模型可以根據(jù)牛場(chǎng)實(shí)際信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，還可根據(jù)用戶反饋信息進(jìn)行修訂。HLI在奶牛環(huán)境評(píng)估研究中也有應(yīng)用[37,68]，結(jié)果表明奶牛發(fā)生熱應(yīng)激的HLI閾值為80，80～88為中度應(yīng)激，89～92為嚴(yán)重應(yīng)激[37]，但比較發(fā)現(xiàn)該指數(shù)會(huì)嚴(yán)重低估舍飼奶牛的熱應(yīng)激程度[69]。由于HLI在閾值確定中納入了眾多動(dòng)物和環(huán)境管理相關(guān)因素，這一做法對(duì)于建立動(dòng)態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)具有重要參考價(jià)值。同時(shí)，HLI也是后續(xù)奶牛熱負(fù)荷指數(shù)(dairy heat load index，DHLI)的形成基礎(chǔ)。

表4 除THI外的奶牛常用環(huán)境指數(shù)及其計(jì)算公式、建模條件、參考的生理參數(shù)及文獻(xiàn)

續(xù)表4指數(shù) Indexes計(jì)算公式/模型Calculation equation/model建模條件Development condition參數(shù)Parameters文獻(xiàn) References奶牛熱應(yīng)激指數(shù)ITSCITSC=77.174 7+4.832 7×Tdb-34.818 9×WS+1.111×WS2+118.698 1×Pv-14.795 6×Pv2-0.105 9×ERHL牛場(chǎng)7個(gè)月>1 000頭奶牛的數(shù)據(jù)呼吸頻率、直腸溫度、體表溫度Da Silva等[7]基于可感熱的溫濕指數(shù)THIsTHIs=3.43+1.058×Tdb-0.293×RH+0.016 4×Tdb ×RH+35.7(式中RH為百分?jǐn)?shù)形式)溫度21～42 ℃、濕度10%～70%,20頭奶牛陰道溫度Berman等[8]奶牛熱負(fù)荷指數(shù)DHLIDHLI=[1.681 813(1+e-(-8.507 49+0.206 159×Tbg+4.088 399×RH))-0.000 21.681 2-0.000 2]×100放牧牛場(chǎng)160～190頭奶牛喘息分?jǐn)?shù)Lees等[9]牛等溫指數(shù)ETICETIC=Tdb-0.003 8×Tdb ×(100-RH)-0.117 3× WS0.707×(39.20-Tdb)+1.86×10-4×Tdb×SR(式中RH為百分?jǐn)?shù)形式)環(huán)控倉(cāng)12頭+牛場(chǎng)18頭高產(chǎn)奶牛皮膚溫度、陰道溫度、呼吸頻率Wang等[10]

3.4 綜合氣候指數(shù)(comprehensive climatic index，CCI)

針對(duì)動(dòng)物環(huán)境指數(shù)上還沒(méi)有一個(gè)既包含有主要的環(huán)境因子又能覆蓋從炎熱到寒冷氣候條件的指數(shù)，Mader等[6]提出了CCI及計(jì)算模型。CCI是基于HLI和風(fēng)冷指數(shù)(wind chill index，WCI)形成，適用的溫度范圍在-30～45 ℃，因而既可以評(píng)估熱應(yīng)激，也可以評(píng)估冷應(yīng)激。Mader等[6]同時(shí)提出了基于CCI的熱應(yīng)激和冷應(yīng)激分類閾值(表5)。CCI的計(jì)算涉及根據(jù)相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射對(duì)環(huán)境溫度的調(diào)整，因而可以確定奶牛所處實(shí)際環(huán)境的溫度。Mader等[6]指出，由于CCI模型中的變量和校正計(jì)算都比較復(fù)雜，若牧場(chǎng)詳細(xì)的管理和圈舍條件缺失，CCI的應(yīng)用效果可能會(huì)出現(xiàn)不確定性。應(yīng)用結(jié)果也確實(shí)如此，有研究認(rèn)為CCI在奶牛熱應(yīng)激評(píng)估方面優(yōu)于THI[70]或是舍飼奶牛適宜的熱應(yīng)激評(píng)估指數(shù)[69]，也有研究認(rèn)為CCI公式可能不準(zhǔn)確[30]。

3.5 奶牛熱應(yīng)激指數(shù)(index of thermal stress for cows，ITSC)和基于可感熱的溫濕指數(shù)(sensible heat-based THI, THIs)

ITSC是專門針對(duì)巴西熱帶高太陽(yáng)輻射環(huán)境建立的[7]，ITSC考慮了絕大多數(shù)與暴露于太陽(yáng)輻射有關(guān)的因素，但其應(yīng)用報(bào)道較少。針對(duì)THI中溫度效應(yīng)權(quán)重較大(0.82～0.88)，在高濕環(huán)境下敏感性較低的問(wèn)題，Berman等[8]提出了一個(gè)THIs，該指數(shù)基于空氣-蒸汽的總可感熱量，并在公式中納入了溫度和濕度互作效應(yīng)，建立的環(huán)境的溫度為21～42 ℃，RH為10%～70%。與THI相比，THIs將濕度的相對(duì)權(quán)重提高到了0.23～0.25，顯著擴(kuò)大了濕度的影響，故THIs被認(rèn)為特別適合于評(píng)估高溫高濕環(huán)境條件下的奶牛熱應(yīng)激。Berman等[57]的評(píng)估結(jié)果也表明，在環(huán)境濕度較低的情況下，THI與THIs間的差異很小，但在高溫高濕情況下，二者評(píng)估熱應(yīng)激的差異非常明顯。但還未見(jiàn)到該指數(shù)在奶牛環(huán)境評(píng)估中的應(yīng)用報(bào)道。

3.6 DHLI和牛等溫指數(shù)(equivalent temperature index for cattle，ETIC)

DHLI是針對(duì)奶牛沒(méi)有專門的熱負(fù)荷模型及THI沒(méi)有包括太陽(yáng)輻射和風(fēng)速、也沒(méi)有結(jié)合動(dòng)物生理指標(biāo)等問(wèn)題提出的[9]。該指數(shù)的實(shí)質(zhì)是用Tbg和相對(duì)濕度建立的奶牛群體平均喘息分?jǐn)?shù)的非線性回歸預(yù)測(cè)模型，計(jì)算公式如下：

DHLI=1.681 813/[1+e-(-8.507 49+0.206 159×Tbg+4.088 399×RH)。

式中：Tbg為黑球溫度(℃)；RH為相對(duì)濕度，小數(shù)形式。

建模時(shí)，試驗(yàn)?zāi)膛?shí)際喘息分?jǐn)?shù)的觀測(cè)、群體平均喘息分?jǐn)?shù)的計(jì)算及基于群體平均喘息分?jǐn)?shù)的應(yīng)激類別劃分采用了Gaughan等[5]在肉牛上提出的方法。DHLI可用于奶牛的熱負(fù)荷水平評(píng)估。為了簡(jiǎn)化模型，以便生產(chǎn)中的應(yīng)用，作者利用試驗(yàn)環(huán)境條件所預(yù)測(cè)到的最小(0.000 2)和最大(1.681 2)群體平均喘息分?jǐn)?shù)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)化(表4)。轉(zhuǎn)化后的DHIL為比例形式，又被稱為重喘息率，范圍在0～100。當(dāng)DHLI為0時(shí)，表示牛群沒(méi)有重喘息現(xiàn)象，所有牛的呼吸評(píng)分都是0，而當(dāng)DHLI為100時(shí)，所有牛的喘息分?jǐn)?shù)都為4.5。作者同時(shí)給出了Tbg在-2.5～60.0 ℃，RH在0～100%所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化DHLI數(shù)據(jù)表。DHIL的建立主要是基于澳大利亞以放牧和半放牧為主的奶牛生產(chǎn)體系，盡管作者認(rèn)為DHIL與THI相比有可能成為一種更好的奶牛熱應(yīng)激預(yù)測(cè)模型，但澳大利亞的一個(gè)最新的比較研究發(fā)現(xiàn)DHIL相對(duì)于THI的并沒(méi)有優(yōu)越性[30]。

ETIC是針對(duì)現(xiàn)有環(huán)境指數(shù)或者沒(méi)有考慮所有環(huán)境參數(shù)，或者只考慮了環(huán)境參數(shù)的主要效益而沒(méi)有考慮互作效應(yīng)問(wèn)題而提出的[10]。ETIC基于高產(chǎn)奶牛的生理參數(shù)，包括了氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射及其互作效應(yīng)，是一個(gè)單位為℃的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合了氣溫及相對(duì)濕度、氣流速和太陽(yáng)輻射的等效溫度得出。經(jīng)驗(yàn)證，ETIC模型預(yù)測(cè)皮溫、呼吸頻率和核心體溫的效果優(yōu)于THIadj、HLI、CCI和DHLI，因此其被認(rèn)為是評(píng)估溫?zé)岘h(huán)境以確保動(dòng)物舒適度的有力工具。Wang等[10]還給出了不同熱應(yīng)激等級(jí)所對(duì)應(yīng)的ETIC閾值(表5)。

4 WCI

奶牛冷應(yīng)激評(píng)估指數(shù)較少，除前述的CCI和THI外，WCI是另一個(gè)冷應(yīng)激評(píng)估指數(shù)。WCI可以表示由溫度和風(fēng)共同作用而產(chǎn)生的寒冷感覺(jué)，最早由Siple等[71]建立，被認(rèn)為可以有效反映人類的寒冷體驗(yàn)和面部的凍傷風(fēng)險(xiǎn)，但評(píng)估認(rèn)為其并不適用于牛羊的寒冷環(huán)境評(píng)估[72]。到20世紀(jì)70年代，在北美大部分地方，WCI被風(fēng)冷等效溫度或WCT所替代[73]。WCT是計(jì)算所得的無(wú)風(fēng)時(shí)的氣溫，其值與根據(jù)實(shí)際干球溫度和風(fēng)速計(jì)算得到的WCI值相同，但WCT有溫度單位℃或℉，而WCI為類溫度數(shù)據(jù)，沒(méi)有單位。早期，WCT計(jì)算是先計(jì)算出風(fēng)冷卻力(H)，再換算為無(wú)風(fēng)時(shí)的WCT，計(jì)算公式如下：

WCT=33-H/92.324。

式中：H為風(fēng)冷卻力[KJ/(m3·h)]；WS為風(fēng)速(m/s)；Tdb為氣溫(℃)；WCT為風(fēng)冷指數(shù)(℃)。

表5 基于不同環(huán)境指數(shù)的奶牛熱應(yīng)激和冷應(yīng)激閾值及類別

有報(bào)道認(rèn)為，當(dāng)WCT低于-6.8 ℃時(shí)，歐洲牛產(chǎn)生冷應(yīng)激。

長(zhǎng)期以來(lái)，很多人質(zhì)疑WCI/WCT的準(zhǔn)確性，尤其認(rèn)為早期的WCI/WCT算法低估了降溫時(shí)間、高估了風(fēng)的冷卻作用?；诖?，美國(guó)和加拿大氣象部門于2000年聯(lián)合對(duì)WCI/WCT進(jìn)行了修訂升級(jí)，并于2001冬季提出了新WCI/WCT指數(shù)和分類圖。新指數(shù)基于暴露皮膚的熱量損失，并結(jié)合了人體測(cè)試結(jié)果，被認(rèn)為能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算出冷空氣在人體皮膚上的感覺(jué)。美國(guó)國(guó)家氣象局(National Weather Services)將新指數(shù)稱為WCT指數(shù)，而加拿大環(huán)境部(Environment Canada)則將其稱為加拿大WCI(Canada’s wind chill index)。美國(guó)WCT攝氏度形式的計(jì)算公式如下：

WCT=13.12+0.621 5×Tdb-11.37×WS0.16+
0.396 5×Tdb×WS0.16。

式中：WCT為風(fēng)冷溫度(℃)；Tdb為氣溫(℃)；WS為風(fēng)速(km/h)。

Mader等[6]報(bào)道新的WCI/WCT指數(shù)同樣也適用于家畜，其所提出的CCI也參考了新WCT。而Tucker等[11]報(bào)道了一個(gè)基于加拿大WCI的修訂公式，可用于評(píng)估奶牛冷應(yīng)激評(píng)估，其計(jì)算公式如下：

WCT=13.12+0.621 5×Tdb-13.17×WS0.16+
0.396 5×Tdb×Maximum (1,WS)0.16。

式中：WCT為風(fēng)冷溫度(℃)；Tdb為氣溫(℃)；WS為風(fēng)速(km/h)。

一些研究應(yīng)用該公式進(jìn)行了奶牛冷應(yīng)激的評(píng)估研究[74-75]，并給出了不同環(huán)境溫度和風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的奶牛WCT表[75]，見(jiàn)表6。加拿大按WCI將人的寒冷環(huán)境分為5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(表5)，但就筆者掌握的資料，目前牛上還沒(méi)有基于WCI/WCT的冷應(yīng)激等級(jí)，國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)提到的等級(jí)分類因無(wú)法追溯到原始文獻(xiàn)，可靠性有待考證?；贑CI和THI的奶牛冷應(yīng)激分類及閾值見(jiàn)表5。研究認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，寒冷天氣溫度評(píng)估的計(jì)算公式可能還需要改進(jìn)，而增加相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射可能會(huì)使寒冷環(huán)境的評(píng)估更加準(zhǔn)確[75]。

5 小 結(jié)

環(huán)境指數(shù)多是用2個(gè)或2個(gè)以上的氣象參數(shù)按一定公式計(jì)算得到的一個(gè)數(shù)值，然后結(jié)合動(dòng)物在不同數(shù)值范圍內(nèi)的生產(chǎn)和生理指標(biāo)變化來(lái)設(shè)定閾值，或依據(jù)動(dòng)物相關(guān)指標(biāo)在不同數(shù)值范圍的變化程度，對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)環(huán)境影響評(píng)價(jià)。與動(dòng)物相關(guān)指標(biāo)相比，環(huán)境指數(shù)的連續(xù)測(cè)定或監(jiān)測(cè)更為容易，而綜合了多個(gè)氣象參數(shù)的環(huán)境指數(shù)也避免單一氣象參數(shù)在環(huán)境評(píng)價(jià)中的局限性。全面了解每個(gè)環(huán)境指數(shù)，是避免其誤用的前提。應(yīng)用時(shí)，要結(jié)合各指數(shù)的特定假設(shè)、可評(píng)估的環(huán)境類型及涉及參數(shù)等信息選擇使用。本文綜述的11種環(huán)境指數(shù)中，THI依然最為方便和有效，但需要結(jié)合奶牛生產(chǎn)水平和牧場(chǎng)關(guān)注目標(biāo)確定適宜的THI閾值，并注意使用正確的計(jì)算公式?；诓煌鋺?yīng)激指數(shù)的奶牛冷應(yīng)激類別及其閾值評(píng)估，還有賴于未來(lái)更多的研究。同時(shí)，如何更加方便、準(zhǔn)確地獲取大規(guī)模牛群生產(chǎn)和生理相關(guān)的連續(xù)數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步修訂和提高現(xiàn)有環(huán)境指數(shù)的準(zhǔn)確性，或建立新的評(píng)估指數(shù)，是奶牛溫?zé)岘h(huán)境評(píng)估指數(shù)未來(lái)重要的發(fā)展方向。

表6 不同環(huán)境溫度和風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的風(fēng)冷溫度