The influence of heat load in dairy cows housed in naturally ventilated barns in different climate zones

Abstract

Due to their sensitivity to high temperatures, heat stress effects are prevalent in highyielding dairy cows. To reduce uncertainty in the influence of heat stress, detailed representative and individual animal measurements should be considered. Therefore, the overall objective of this study was to investigate the influence of heat load on the respiration rate (RR) of lactating dairy cows housed in naturally ventilated barns under different climatic conditions and management systems. In the first part of the study, the RR of lactating dairy cows in Germany was investigated hourly, with the aim of evaluating the effects of the temperature-humidity index (THI) on the cows’ responses considering the differences between standing and lying cows and daily milk yield as covariables in the analysis. The consideration of cow-related factors provided evidence for reducing the uncertainty in the heat stress assessment of dairy cows. In detail, with THI below 80, the RR in lying cows tended to be 8 bpm higher than that in standing cows, and the RR in high-yielding cows increased one bpm for each additional kilogram of milk produced per day. Although the first paper showed evidence of cow-related factors influencing RR in cows housed in naturally ventilated barns in a moderate climate, it remained unclear whether the same effect would be observed in high-yielding dairy cows housed under hot climate and high humidity conditions but supplied with cooling management systems for body stabilization. Therefore, in a second part of the study, the aim was to investigate the RR responses of high-yielding dairy cows cooled at two different frequencies per day (3 cooling sessions vs. 8 cooling sessions) and analyze the differences in the RR according to body posture (standing vs. lying), daily milk yield and coat color (black, mixed and white). As noted in the first part of the study, hourly RR measurements were also applied to the second study, which was conducted in Israel during the summer season. The results of this study demonstrated that heat-stressed cows receiving eight cooling sessions per day showed an average RR 14 bpm less than that of cows that received three cooling sessions. Additionally, the cows cooled eight times per day demonstrated a heat accumulation delay of approximately two hours in their RR response. Unlike the experiment in Germany, the Israeli experiment, which was conducted in a hot and humid climatic region, showed a RR 9 bpm higher in standing cows than in lying cows. Daily milk yield also appeared to be an influencing factor on the RR, whereby the cows tended to increase their RR by one bpm per every five kilograms of additional milk produced per day. In addition, the RR (in bpm) in early-lactation cows was 17% higher than that in late-lactation cows. Overall, this study demonstrated that hourly RR measurements improve the reliability of heat stress assessments in dairy cows. Future research should consider the efficiency of evaporative cooling in dairy husbandry considering energy consumption, labor expenditure, animal management and welfare. In addition, other cow-related factors should be evaluated in further research to verify influences on the physiological responses of lactating dairy cows under heat stress conditions and in different cooling strategies.

Aufgrund der Empfindlichkeit von Kühen gegenüber hoher Temperaturen sind Wärmebelastungseffekte bei Hochleistungsmilchkühen relevant. Um die Unsicherheit der Einflüsse dieser Auswirkungen zu verringern, sollten detailliertere repräsentative Messungen am Tier in Betracht gezogen werden. Deshalb war das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, den Einfluss der Wärmebelastung auf die Atmungsfrequenz (RR) bei laktierenden Milchkühen in frei gelüfteten Ställen in verschiedenen Klimazonen und Managementsystemen zu untersuchen. In der ersten Studie wurde die RR stündlich bei laktierenden Milchkühen in Deutschland mit dem Ziel untersucht, die Auswirkungen des Temperatur-Luftfeuchtigkeits-Index (THI) auf Reaktion der Kühe unter Berücksichtigung der Unterschiede zwischen stehenden und liegenden Kühen und der täglichen Milchleistung als Co-Variablen in der Analyse zu bewerten. Die Berücksichtigung kuhindividueller Faktoren in der Auswertung liefert Hinweise, dass sich dadurch die Unsicherheit der Beurteilung der Wärmebelastung von Milchkühen verringert. Bei einem THI unter 80 war die RR bei liegenden Kühen 8 Atemzüge pro Minute höher als bei stehenden Kühen. Bei Kühen mit hoher Milchleistung erhöhte sich die RR um einen Atemzug pro Minute für jedes zusätzliche Kilogramm Milch, das pro Tag erzeugt wurde. Die erste Veröffentlichung hat gezeigt, dass kuhindividuelle Faktoren die RR bei Kühen in frei gelüfteten Ställen in einem gemäßigten Klima beeinflussen. Ob derselbe Effekt jedoch auch bei Milchkühen mit hoher Milchleistung bei heißem Klima und hoher Luftfeuchtigkeit, und zusätzlichem Kühlungssysteme, welche die Verdunstung verbessern und damit der Erfrischung, beobachtet werden kann, blieb unklar. Daher bestand das Ziel der zweiten Studie zum einen darin, die RR-Reaktionen von Hochleistungsmilchkühen zu untersuchen, bei denen zwei unterschiedliche Kühlfrequenzen pro Tag (3 Abkühlungen pro Tag vs. 8 Abkühlungen pro Tag) angewandt wurden, und zum anderen darin, die Unterschiede in der RR hinsichtlich der Körperhaltung (stehend vs. liegend), der täglichen Milchleistung und der Fellfarbe (schwarz, gemischt und weiß) zu betrachten. Wie bereits in der ersten Studie, wurden auch in der zweiten Studie stündliche Atemfrequenzmessungen an den Kühen während des Sommers durchgeführt, dieses Mal in Israel. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass bei wärmebelasteten Kühen, die achtmal statt dreimal eine Kühlung pro Tag erhielten, die RR durchschnittlich 14 Atemzüge pro Minute geringer war. Zusätzlich zeigten die Kühe, die achtmal am Tag gekühlt wurden, in ihren RRReaktionen eine Wärmestauverzögerung von etwa zwei Stunden. Im Gegensatz zu der Untersuchung, die in Deutschland durchgeführt wurde, zeigte die Untersuchung in Israel unter heißen und feuchten Klimabedingungen, dass die RR bei stehenden Kühen im Vergleich zu liegenden Kühen neun Atemzüge pro Minute höher war. Die tägliche Milchleistung wirkte sich zusätzlich als Einflussfaktor auf die RR aus, wobei die Kühe tendenziell ihre RR um einen Atemzug pro Minute für je fünf Kilogramm mehr der durchschnittlichen Milchproduktion pro Tag erhöhten. Darüber hinaus war die RR bei frisch laktierenden Kühen um 17% höher als bei spätlaktierenden Kühen. Insgesamt zeigten diese zwei Studien, dass stündliche Atemfrequenzmessungen die Zuverlässigkeit von Wärmebelastungsbewertungen bei Milchkühen verbessern. Zukünftige Hitzestressuntersuchungen müssen die Effizienz der Verdunstungskühlung in der Milchviehhaltung an Hand von Energieverbrauch, Arbeitsaufwand, Tiermanagement und Tierwohl berücksichtigen. Zusätzlich könnten andere kuhindividuelle Faktoren in weiteren Forschungsarbeiten ausgewertet werden, um den Einfluss von Wärmebelastungsbedingungen und verschiedenen Kühlungsstrategien auf die physiologischen Reaktionen von laktierenden Milchkühen zu überprüfen.