Влияние теплового стресса, определение температурно-влажностного индекса

В данный период наблюдается рост средней температуры планеты, из-за этого отмечено увеличение значения теплового стресса, который оказывает пагубное влияние на жизнь и здоровье. Один из способов борьбы с его последствиями — использование фармакологических средств.
Для точного определения дозировки средства необходимо определить степень влияния температурного стресса. Это достигается за счет определения температурно-влажностного индекса (THI).
При изменении температуры окружающей среды животные осуществляют процесс терморегуляции. Это процесс регулирования температуры организма за счет использования различных эфферентных вегетативных путей (например, изменение диаметра сосудов или изменение положения внешнего покрова животных).
Стресс — событие, которое провоцирует напряженное функционирование организма. К таковым относится изменение скорости метаболизма, механизмов терморегуляции и прочих процессов. Под тепловым стрессом подразумевается изменение температуры окружающей среды, провоцирующее мобилизацию внутренних средств организма для борьбы с ним.
Наиболее комфортный диапазон температур для крупного рогатого скота — от 0 до +22 ℃. При превышении верхней границы диапазона наблюдается нарушение гомеостаза. Это может приводить к различным нарушениям внутри организма и в конечном итоге к снижению продуктивных качеств. Указывается, что на возникновение теплового стресса влияет уровень относительной влажности. Так, при повышении значений влажности наблюдается затруднение теплоотдачи, что увеличивает негативное влияние теплового стресса.
Известно, что проявление влияния теплового стресса становится явным спустя 17 часов воздействия. Согласно одному из исследований, наступление теплового стресса определяется при температурно-влажностном индексе (THI), равном 68. Его проявление заключается в увеличении температуры организма животного, учащении частоты сердечных сокращений и одышки, снижении резистентности организма, процента оплодотворяемости и падения уровня продуктивности. В связи с этим становится понятна необходимость снижения влияния теплового стресса на организм животного.
При высоких показателях температурно-влажностного индекса наблюдается снижение удоев. Например, в исследованиях Jeon и др. наступление теплового стресса определяют со значения индекса 72. При увеличении THI (с 82 до 95) надои падали на 3 кг, или на 9,02%. Значения индекса 72–79 признаны такими, что вызывают умеренный стресс, при 80–89 возникает умеренный стресс со снижением продуктивных показателей.
В условиях теплового стресса наблюдается снижение удоев на 35–40%. При этом существует разделение на легкий, умеренный, средний, сильный, высокий и критичный. В зависимости от типа теплового стресса осуществляется разная степень влияния — от снижения метаболизма и усвоения питательных веществ до падения удоев или учащения частоты сердечных сокращений и летального исхода.
Помимо снижения продуктивности животных, тепловой стресс влияет и на репродуктивные функции крупного рогатого скота. Установлено, что при высоких значениях температуры наблюдается гипофункция яичников. До 40,6% пригодных к оплодотворению коров и телок могут обладать гипофункцией яичников в жаркий период.
Отмечается, что тепловой стресс оказывает неодинаковое влияние на разные породы крупного рогатого скота. Так, скот породы Сахивал имеет особенное морфологическое строение кожного покрова, которые позволяют осуществлять отток тепла. В связи с этим некоторые породы имеют повышенную толерантность к тепловому стрессу (например, Оригинальный Браунвиех, Голштинская, Херенс и др.). Уровень толерантности определяется предельным значением температурно-влажностного индекса, при котором не наблюдается снижения продуктивности.
Отмечается, что при повышении значения THI изменяются поведенческие признаки крупного рогатого скота. Наблюдаются снижение времени питья, количества пережевываний в минуту, потеря аппетита. Это приводит к неудовлетворению в плане энергетических потребностей, что особенно сильно отражается на высокопродуктивных коровах — приводит к снижению удоя.
Своевременное определение теплового индекса необходимо для выявления нарушений, связанных с содержанием скота и предполагаемых снижениях количества товарной продукции. Термин «индекс тепла» имеет название «температурно-влажностный индекс (THI). Использование индекса позволяет осуществлять корректную регулировку микроклиматических показателей внутри помещения. Это позволяет увеличивать срок хозяйственного использования скота и продуктивные показатели.
На появление и изменение теплового стресса влияют высокие значения температуры и уровня относительной влажности. В зависимости от значений THI определяются тип теплового стресса и разное влияние. На основе определенных значений становится понятно, какую мощность оборудования стоит использовать для снижения пагубного влияния.
С ростом значения индекса наблюдается увеличение пагубного влияния. Так, производство молока при увеличении THI на 4–9 снижается на 6,7–11,8%. Следовательно, необходимо точно проводить определение индекса для последующего изменения значений показателей микроклимата.
Цель исследования — уточнить диапазон значений теплового стресса, оказывающий негативное влияние на продуктивность скота при увеличении температурно-влажностного индекса на основе модернизации формулы определения последнего.
Материалы и методы исследования
Аналитическое исследование выполняли на базе лаборатории цифровых систем мониторинга для животноводства в Федеральном научном аграрном центре ВИМ в 2023–2024 годах, оно включало совокупность определенных сведений, имеющих отношение к тепловому стрессу КРС.
Поиск исследований проводили по базе данных eLibrary, MDPI, Elsevier, Web Of Science, в Google Scholar.
В расширенном поиске рассматривались источники до 14 лет, и приведены основные источники информации до 5–6 лет. В частности, изучали опубликованные описания к охраняемым документам, опубликованные заявки на изобретение; российские (советские) издания, депонированные рукописи статей, обзоров, монографий и других материалов; отчеты и научно-исследовательские работы, пояснительные записки к опытно-конструкторским работам и другую конструкторскую, технологическую и проектную документацию, находящуюся в органах научно-технической информации, с момента поступления в эти органы; материалы диссертаций и авторефератов, изданные на правах рукописи, с момента поступления в библиотеку; сведения о техническом средстве, ставшие известными в результате его использования в производственном процессе, в изготовляемой или эксплуатируемой продукции, либо при ином введении в хозяйственный оборот.
Одной из наиболее распространенных формул определения температурно-влажностного индекса является (1). Для ее вычисления используется уровень относительной влажности и температуру (в °С):

где: T — температура окружающей среды, ℃; RH — относительная влажность, выраженная в пропорции 75% = 0,75.
Согласно исследованиям Rosemarie и др., для определения данного индекса возможно использовать формулу (2) из исследований Buffington и др.:

где: Tdb — температура, °F; RH — относительная влажность, %.
В других исследованиях используется формула (3), которая принята согласно национальному исследовательскому совету (NRC):

где: T — среднесуточная температура, ℃; H — среднее значение относительной влажности, %.
В зарубежных исследованиях можно встретить формулы определения температурно-влажностного индекса (4) и эквивалентного температурного индекса для молочного скотоводства (5):

Для обработки полученных данных был использован пакет программ Microsoft Office, в частности Microsoft Excel (США).
В исследованиях Eunjeong и др. приведен график связи значения теплового стресса и молочного удоя у корейских голштинских коров (рис. 1).

Исходя из данных ранее проведенных исследований, установлено, что в большинстве случаев при использовании стандартного метода вычисления температурно-влажностного индекса границы значений, при которых фиксируется уровень теплового стресса, имеют явные отличия (рис. 2).

Результаты и обсуждение
Исходя из данных, представленных в исследованиях Jeon и др., установлено, что значения THI, при которых наступает тепловой стресс, вызывающий негативные последствия в виде снижения удоев, — 30 ℃ и 70% относительной влажности. Но на протяжении увеличения индекса наблюдались колебания уровня удоев.
Установлено, что на территории Южной Кореи индекс теплового стресса, при котором наблюдается снижение продуктивных показателей, значительно отличается от значений в иных исследованиях. Это обусловлено формулой, использующейся для определения индекса, породной принадлежностью скота и климатическими условиями данного региона.
Основываясь на данных аналитических и экспериментальных исследований, проведенных ранее, установлены значения, при которых наблюдается тепловой стресс.
На основе наиболее распространенной формулы определения температурно-влажностного (теплового) индекса была модернизирована формула для более точного определения теплового индекса:

где: T — температура окружающей среды, ℃; RH — относительная влажность, выраженная в пропорции 50% = 0,50; K — поправочный коэффициент влияния влажности кормов (находится в диапазоне 0,95–1,05 в зависимости от вида корма: 0,95 — молотое зерно; 1,00 — гранулированные комбикорма; 1,05 — сочные корма с высоким содержанием влажности).
Модернизация наиболее часто используемой формулы определения THI позволит получать более точные значения за счет учитывания такого фактора, как корма, которые находятся на кормовом столе.
В зависимости от типа корма и его состояния может наблюдаться как поглощение влаги в помещении, так и его выработка. В числовых значениях это занимает незначительную часть — около 5%, но при больших количествах значения могут изменяться.
Изменение индекса теплового стресса в зависимости от значений температуры и уровня относительной влажности в помещении для содержания крупного рогатого скота представлено на рисунках 3, 4. На рисунке 4 приведена легенда изменения цвета в зависимости от уровня теплового стресса крупного рогатого скота.


На рисунке 5 приведено цветовое разделение по уровню теплового стресса для крупного рогатого скота.

Исходя из данных, представленных на рисунках 3, 4, установлено, что легкий тепловой стресс наступает при 21,5 ℃ и 75% относительной влажности, умеренный — при 23 ℃ и 65% относительной влажности, средний — при 25 ℃ и 55% относительной влажности, сильный — при 27,5 ℃ и 60% относительной влажности, критичный — при 30 ℃ и 60% относительной влажности.
Следует отметить, что по мере изменения значений температуры и уровня относительной влажности затруднительно определить четкие границы того или иного уровня теплового стресса. Данное наблюдение свидетельствует о том, что в отсутствие мониторинга и своевременной идентификации индекса THI возможно допущение ситуации, когда животные будут испытывать тепловой стресс.
Например, было установлено, что у коров голштинской породы в Волгоградской области снижается уровень оплодотворяемости при THI с значением 73. Данные исследования подтверждают необходимость использования современных способов точного определения значения температурно-влажностного индекса для своевременного принятия мер по снижению температурного стресса.
На основе данных, полученных в проведенных ранее исследованиях и представленных на рисунке 2, было выявлено, что легкий тепловой стресс наступает при 22,5 ℃ и 55% относительной влажности, умеренный — при 25 ℃ и 65% относительной влажности, средний — при 25 ℃ и 75% относительной влажности, сильный — при 27,5 ℃ и 75% относительной влажности, критичный — при 30 ℃ и 80% относительной влажности. При этом важно отметить, что, исходя из данных других исследований, такие значения температуры и уровня относительной влажности оказывают сильное влияние на организм животного и явно не совпадают с установленным уровнем.
Выводы
В результате исследования введен поправочный коэффициент влияния влажности кормов, который варьируется от 0,95 до 1,05 (в зависимости от кормовой смеси для животных).
Уточнен диапазон значений теплового стресса при увеличении THI на 4–9 единиц от значений теплового стресса, оказывающий негативное влияние, продуктивность скота снижается на 6,7–11,8%.
Об авторах
Игорь Мамедяревич Довлатов; кандидат технических наук, старший научный сотрудник
dovlatovim@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-3058-2446
Илья Владимирович Комков; специалист
ilyakomkov10@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2407-4584
Савр Олегович Базаев; кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
sbazaeff@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-3028-5081
Федор Евгеньевич Владимиров; научный сотрудник
fvladimirov21@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-2480-5754
Артем Рустамович Хакимов; младший научный сотрудник
arty.hv@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-4332-9274
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия
УДК 631.9 631/635
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-387-10-171-176