Influence of heat stress on the reproductive performance of dairy cows in the moderate climate of the temperate latitude

Abstract

The overall objective of this study was to determine the incidence of heat stress in dairy livestock in the moderate climate and to examine the impact of heat stress on the reproductive performance of dairy cows. The first study investigated if the climate data obtained from a meteorological station located in the vicinity of the experimental barn can be used to consider heat stress inside dairy livestock. Climate conditions in all barns differed significantly from the climate recorded at the corresponding meteorological stations. The ambient temperature and THI were significantly higher in all barns compared to the corresponding meteorological stations. Furthermore, the number of days with heat stress (THI ≥ 72) was higher in all experimental barns. The results of this study indicated that inside dairy barns microclimates are generated that differ significantly from the climate conditions at the meteorological station. Therefore, heat stress is underestimated in its magnitude and duration when climate data is obtained from a meteorological station in the vicinity of the study site. Especially the holding pen is a location of intensive heat stress that requires effective heat abatement strategies. The first study provided evidence that heat stress occurs in dairy livestock in the moderate climate, however, the effect of heat stress on the reproductive performance remained unclear. Therefore, a second study was conducted 1) to investigate the impact of heat stress on the conception rate of dairy cows, 2) to determine a threshold for the impact of heat stress on the conception rate of dairy cows and 3) to detect the period around the day of breeding in which the conception rate of dairy cows is most sensitive to heat stress. The results of this study demonstrated that heat stress has a major impact on the conception rate of dairy cows in the moderate climate. The THI of 73 was determined as threshold for the influence of heat stress on conception rate in dairy cows. Negative effects of heat stress were apparent already at lower levels of THI, and 1 h of mean THI ≥ 73 at the day of breeding decreased the conception rate significantly. In the current study, cows exposed to a high but constant level of heatstress showed lower decrease in conception rate than cows exposed to a lower but fluctuating level of heat stress. Thus, heat abatement strategies should maintain low and constant THI to avoid a major decrease in the conception rate during the summer. The conception rate of lactating dairy cows was negatively affected by heat stress both before and after the day of breeding. The period from d 21 to d 1 before the day of breeding was most sensitive to heat stress. Thus, heat abatement strategies should maintain low and constant THI to avoid fluctuations in heat stress over a period of at least 3 weeks before to 3 weeks after the day of service. To avoid a depressed reproductive performance during summer months, the use of timed artificial insemination programs has become popular because of their predictability and the elimination of estrus detection. Therefore, the objectives of the third study were 1) to examine the effects of heat stress on the conception rate of dairy cows under natural and artificial insemination breeding programs and 2) to determine the effects of short and long term heat stress on the conception rate under different breeding programs. The results of this study indicate that even under short and long term heat stress, breeding at natural estrus was the most effective breeding program compared to an Ovsynch or modified Ovsynch program. These findings provide evidence that breeding by timed artificial insemination after Ovsynch programs lead to a decrease in the conception rate in addition to heat stress. Breeding by timed artificial insemination after Ovsynch programs cannot be recommended in general to compensate poor reproductive performance during periods of heat stress. Especially under short and long term heat stress, breeding at natural estrus can be an approach to avoid a major decrease in the conception rate in the summer months. Overall, the 3 studies clearly demonstrated that heat stress in dairy cows plays a great role in the moderate climates of the temperate latitude. The location of climate data collection in dairy livestock is an important factor to determine heat stress appropriately, and therefore, heat stress is underestimated in its duration and magnitude. Heat stress significantly depresses the reproductive performance of dairy cows in the moderate climate, and already low duration and magnitude of heat stress can significantly decrease the conception rate of dairy cows. The use of timed AI programs is not a general solution to compensate low summer fertility. Therefore, further research is necessary to investigate in approaches to avoid a major decrease in conception rates during periods of heat stress in the moderate climate.

Ziel dieser Arbeit war es, das Vorkommen von Hitzestress in Milchviehställen der gemäßigten Klimazone in seiner Dauer und Intensität zu identifizieren und den Einfluss auf die Fruchtbarkeit von Milchkühen zu bestimmen. In der ersten Studie wurde untersucht, ob von den Klimadaten der nächstgelegenen Wetterstation auf das Vorkommen von Hitzestress innerhalb eines Milchviehstalles geschlossen werden kann. Die Klimadaten aus allen Ställen unterschieden sich signifikant von den Klimadaten der jeweils nächstgelegenen Wetterstation. Die Luft-Temperatur und der THI waren in allen Ställen signifikant höher als an der jeweils nächstgelegenen Wetterstation. Auch die Anzahl an Tagen mit Hitzestress (THI ≥ 72) war in allen Ställen signifikant höher als an der jeweils nächstgelegenen Wetterstation. Die Ergebnisse der ersten Studie zeigen deutlich, dass sich innerhalb eines Stalles Mikroklimata ausbilden, welche sich signifikant von den Klimabedingungen an der nächstgelegenen Wetterstation unterscheiden. Hitzestress innerhalb eines Milchviehstalles wird daher in seiner Dauer und Intensität unterschätzt, wenn Klimadaten ausschließlich an einer Wetterstation erhoben werden. Innerhalb des Stalles ist besonders der Vorwartebereich für das Auftreten von Hitzestress gefährdet, weswegen hier ein effektives Klima-Management gefordert ist. Die Ergebnisse der ersten Studie zeigten deutlich, dass Hitzestress auch in Milchviehställen der gemäßigten Klimazone von Bedeutung ist, wobei der Einfluss auf die Fruchtbarkeit von Milchkühen bisher nicht bekannt war. Das Ziel der zweiten Studie war es daher, 1) den Einfluss von Hitzestress auf die Konzeptionsrate von Milchkühen im gemäßigten Klima zu untersuchen, 2) einen Grenzwert für diesen Einfluss fest zu legen und 3) den Zeitraum um den Tag der Besamung zu bestimmen an dem Hitzestress den größten Einfluss auf die Konzeptionsrate hat. Insgesamt machen die Ergebnisse dieser Studie deutlich, dass Hitzestress die Konzeptionsrate von Milchkühen in der gemäßigten Klimazone drastisch beeinflussen kann. Der THI von 73 wurde als Grenzwert für den Einfluss von Hitzestress auf die Konzeptionsrate von Milchkühen berechnet. Allerdings kann ein negativer Einfluss von Hitzestress auf die Konzeptionsrate von Milchkühen bereits ab einem THI von 56 beobachtet werden und schon eine Stunde Hitzestress am Tag der Besamung kann die Konzeptionsrate signifikant senken. In der vorliegenden Studie zeigten Kühe, die einem hohen aber konstanten Hitzestress-Level ausgesetzt waren, einen geringeren Abfall der Konzeptionsrate als Kühe, die einem niedrigen und schwankenden THI ausgesetzt waren. Die Konzeptionsrate von Milchkühen wurde sowohl in dem Zeitraum vor, wie auch in dem Zeitraum nach der Besamung negativ beeinflusst. Der Zeitraum von Tag 21 bis Tag 1 vor der Besamung war am sensibelsten für den Einfluss von Hitzestress. Strategien im Klima-Management sollten daher einen niedrigen und konstanten THI im Stall über den gesamten Zeitraum von 3 Wochen vor bis 3 Wochen nach der Besamung gewährleisten, um einen starken Abfall der Konzeptionsrate in den Sommermonaten zu vermeiden. Um einen Abfall der Fruchtbarkeit in Hitzestressperioden zu vermeiden, werden terminierte Besamungsprogramme aufgrund ihrer Vorhersagbarkeit und des Wegfalls der Brunstbeobachtung vermehrt eingesetzt. Das Ziel der dritten Studie war es daher 1) den Einfluss von Hitzestress auf die Konzeptionsrate von Milchkühen unter Einsatz natürlicher und terminierter Besamungsprogramme zu bestimmen, sowie 2) den Einfluss von Kurzzeit- und Langzeit-Hitzestress auf die Konzeptionsrate unter verschiedenen Besamungsprogrammen zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Besamung zur natürlichen Brunst im Vergleich zur terminierten Besamung nach Einsatz von Ovsynch-Programmen das effektivste Besamungsprogramm unter Kurzzeit- sowie unter Langzeit-Hitzestress ist. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen, dass der Einsatz von terminierter Besamung nach Ovsynch-Programmen zu einem zusätzlichen Abfall der Konzeptionsrate unter Hitzestress führt. Die terminierte Besamung nach Einsatz von Ovsynch-Programmen stellt daher keinen generellen Lösungsansatz dar, um eine verminderte Fruchtbarkeit unter Hitzestress zu kompensieren. Die Besamung zur natürlichen Brunst kann allerdings eine Möglichkeit darstellen um einen Abfall der Fruchtbarkeit unter Kurzzeit- sowie unter Langzeit-Hitzestress zu begrenzen. Die vorliegenden Studien verdeutlichen, dass Hitzestress bei Milchkühen im gemäßigten Klima der mittleren Breiten eine große Rolle spielt. Die Erhebung der Klimadaten in Milchviehställen ist ein entscheidender Faktor um Hitzestress angemessen beurteilen zu können, weswegen Hitzestress bei Milchkühen in seiner Dauer und Intensität bisher deutlich unterschätzt wurde. Hitzestress im gemäßigten Klima wirkt sich negativ auf die Fruchtbarkeit von Milchkühen aus und schon geringe Intensitäten und kurze Phasen von Hitzestress führen zu einem signifikanten Abfall der Konzeptionsrate. Der Einsatz von terminierten Besamungsprogrammen stellt dabei keinen generellen Lösungsansatz dar, um dem Abfall der Konzeptionsrate unter Hitzestress entgegen zu wirken. Die Erforschung weiterer Lösungsansätze ist notwendig, um den Abfall der Konzeptionsrate bei Milchkühen unter Hitzestress zu reduzieren.