热浪对巴西亚马逊东部不同管理系统中绵羊生理及环境响应的影响：基于红外热成像（Infrared Thermography, IRT）的评估

《Small Ruminant Research》：Effects of heat wave on physiological and environmental responses of sheep managed in different systems in Eastern Amazon assessed by infrared thermography

　　

红外热成像是一种非侵入性工具，广泛用于检测热带条件下农场动物的热应激状态。研究人员旨在利用红外热成像技术评估巴西亚马逊东部传统系统（Traditional System, TS）和林牧系统（Silvopastoral System, SP）管理下绵羊的生理及环境响应。该研究在187天内进行，涵盖少雨期和过渡期。研究人员每月在06:00、12:00、18:00和00:00对20只10–18月龄、体重37.19 ± 6.17 kg的雌性Santa Inês绵羊进行生理、环境和热成像测量，并随机分为两组：传统系统（TS，n = 10）和林牧系统（SP，n = 10）。两组拥有相同的牧草，并可自由获取水和矿物盐（ad libitum）。研究人员使用科学级热成像相机进行测量，数据在Statistical Analysis System（SAS）软件中以5%显著性水平进行分析。动物身体不同评估热窗口（Thermal Window）之间存在差异：头部（TS – 38.7 °C 和 SP – 37.8 °C）、腋窝（TS – 38.9 °C 和 SP – 38 °C）、背部（TS – 39.5 °C 和 SP – 38 °C）、侧腹（TS – 38.6 °C 和 SP – 38.1 °C）和臀部（TS – 39.2 °C 和 SP – 37.6 °C）（p < 0.0001）。在TS内观察到土壤温度（55.7 °C）与牧草温度（39.1 °C）之间的差异（p < 0.0001）。相反，在SP中注意到树干（35.8 °C）、树冠（33.5 °C）和土壤（39.1 °C）区域存在差异（p < 0.0001）。结论是，与TS相比，SP促进了较低的机体和环境温度，表明SP管理的绵羊热舒适度有所改善。

论文解读：热浪下不同管理系统对巴西亚马逊东部绵羊生理及环境响应的红外热成像评估

研究背景与意义

在湿润热带地区如巴西亚马逊，高气温（Air Temperature, AT）、高相对湿度（Relative Humidity, RH）和强烈的太阳辐射等环境挑战往往超过绵羊的适应能力，增加热应激（Heat Stress）风险，进而损害动物福利（Animal Welfare, AW）。特别是在基础设施和热缓解策略有限的情况下，生理负担会加剧，影响动物舒适度。因此，理解环境因素如何与生产系统相互作用，对于制定减轻热应激、改善热带条件下绵羊AW的管理实践至关重要。气候还通过影响牧草生长、质量和资源可得性来影响生产系统，而温度、太阳辐射、RH和风等环境变量直接作用于动物，间接影响饲料消化率、采食量及疾病和体外寄生虫的发生。热应激可导致采食量降低、体重减轻以及瘤胃功能和蛋白质合成的改变，常见的生理反应包括直肠温度（Rectal Temperature, RT）升高、出汗和呼吸急促（Tachypnea），长期暴露可能导致代谢紊乱、生殖障碍和死亡率增加。在此背景下，检测和监督热应激的可靠方法至关重要。红外热成像（Infrared Thermography, IRT）作为一种非侵入性技术，能够在不约束动物的情况下评估体表温度（Body Surface Temperature, BST），从而支持AW。该技术基于动物BST发出的红外辐射估计温度，将其转换为热图像，允许空间分析热分布。尽管IRT在动物生产中的应用日益增加，但其在复杂且高度可变的环境条件下的表现仍未得到充分探索。大多数使用IRT的研究是在相对稳定和受控的条件下进行的，可能无法充分代表湿润热带地区遇到的热挑战。特别是，缺乏在结合高熟负荷与气候变异性的条件下，整合热成像、生理和环境响应并同时评估多个解剖区域的研究。这限制了理解热成像测量如何反映真实生产条件下生理响应的能力，尤其是在巴西亚马逊东部等地区。因此，研究人员开展了本研究，旨在评估IRT作为补充性非侵入性工具在湿润热带条件下评估绵羊热应激的适用性，比较传统系统（Traditional System, TS）和林牧系统（Silvopastoral System, SP）下的生理响应（RT和呼吸频率（Respiratory Rate, RR））和BST，评估一天中的时间和季节变化对热响应的影响，并分析不同热成像热窗口（Thermal Window）相对于环境条件的行为。该研究通过整合在高热负荷和巴西亚马逊东部气候变异性条件下获得的热成像、生理和环境数据，推进了当前的知识体系。与以往常关注孤立指标或有限解剖区域的研究不同，本研究采用了多区域热成像方法，同时评估多个热窗口并将其与不同生产系统中的生理响应联系起来。这种综合框架有助于更全面地理解湿润热带条件下绵羊的热应激动态，并支持IRT在现实生产系统中的应用。论文发表在《Small Ruminant Research》。

主要关键技术方法

研究人员在巴西亚马逊帕拉州Santarém的Tabocal社区的绵羊场进行了187天的实验，涵盖少雨期和过渡期，每月采样一次，在06:00、12:00、18:00和00:00进行测量。使用20只10–18月龄、体重37.19 ± 6.17 kg的雌性Santa Inês绵羊，随机分为TS组（n = 10，无树荫的围场）和SP组（n = 10，相同大小的围场，但有37%的muruci树（Byrsonima crassifolia (L.) Rich）遮荫），两组均自由获取水和矿物盐，并在相同牧草（Panicum maximum cv. Mombasa）上实行轮牧管理（20天占用，20天休牧）。环境监视使用便携式气象站每15分钟测量气温（AT）、RH、风速和露点温度（Dew Point Temperature, DPT），并计算温湿指数（Temperature and Humidity Index, THI）和Benezra热舒适指数（Benezra Thermal Comfort Index, BTCI）。生理测量包括RR（计数胸腹运动一分钟）和RT（使用兽医临床温度计经直肠测量）。BST使用科学级红外热成像相机（FLIR T650sc）在12:00至15:00之间获取，发射率设为0.95，评估的热窗口包括头部、腋窝、背部、侧腹和臀部。数据分析采用线性混合效应模型（Linear Mixed-Effects Models），使用SAS 9.4软件，动物作为随机效应，系统、时间和交互作为固定效应，显著性水平设为α = 0.05。

研究结果

1. 1.
   Introduction（引言）
   研究人员指出，绵羊的动物福利评估与其对环境、营养和管理条件的生理适应性密切相关，尤其在粗放生产系统中。在巴西亚马逊等湿润热带地区，高AT、高RH和强烈太阳辐射可能超过绵羊适应能力，增加热应激风险。理解环境因素与生产系统的相互作用对于制定减轻热应激的策略至关重要。IRT作为一种非侵入性工具，可用于评估BST，但其在此类复杂环境中的表现需进一步研究。现有研究多集中于稳定或受控条件，缺乏对高热负荷和多解剖区域同时评估的整合研究。因此，本研究旨在填补这一空白，综合评估TS和SP系统下绵羊的热应激情况。
2. 2.
   Material and methods（材料与方法）
   研究人员详细描述了实验的伦理审批（协议号UNAMA-CEUA-2025-0004-08-WS）、地理位置与气候（Santarém，热湿润气候Am4，年均AT 25.6 °C，RH 84–86%）、实验设计（20只雌性Santa Inês绵羊，分为TS和SP组）、环境监视（便携式气象站测量AT、RH、风速、DPT，计算THI和BTCI）、生理测量（RR和RT）以及热成像程序（FLIR T650sc相机，发射率0.95，评估头部、腋窝、背部、侧腹、臀部等热窗口）。统计方法采用线性混合效应模型和重复测量的方差分析，使用SAS软件，动物为随机效应，系统、采样时间和交互为固定效应。
3. 3.
   Results（结果）
   研究人员发现，年份时期和采样时间对THI有影响（p < 0.0001），且存在年份时期与采样时间的交互（p < 0.0004）。少雨期过渡期之间存在差异，下午少雨期的THI值更高。BTCI在年份时期、采样时间和处理间存在差异（p < 0.0001），12:00时TS的BTCI值高于SP。RR因季节、时间和处理而异（p < 0.0001），12:00时TS的RR高于SP（p < 0.0002）。RT在季节（p < 0.0001）、时间（p < 0.0001）和处理（p = 0.0148）间不同，少雨期12:00和18:00 RT达到峰值，00:00时TS的RT高于SP（p < 0.0001）。RR和RT的平行增加表明在中午存在涉及中枢和外周机制的协调体温调节响应。RR与RT的相关性因时间和系统而异；SP中06:00呈中等正相关（r = 0.397, p = 0.0017），TS中12:00和18:00无显著关联。环境热窗口方面，TS内土壤温度（55.7 °C）与牧草温度（39.1 °C）不同（p < 0.0001）；SP内树干（35.8 °C）、树冠（33.5 °C）和土壤（39.1 °C）不同（p < 0.0001），SP与TS土壤温度相差16.6 °C（p < 0.0001）。动物热窗口方面，所有评估区域（头部、腋窝、背部、侧腹、臀部）在TS的BST均高于SP（p < 0.0001）。BST在解剖区域间的相关系数在两组均为0.79至1.00，TS中头部、背部、侧腹、臀部间相关性高，腋窝较低（0.79–0.86）；SP中背部与侧腹为0.79，背部与臀部为0.89。
4. 4.
   Discussion（讨论）
   研究人员表示，季节变异显著影响了热环境和生理响应，气候是湿润热带地区热应激的主要驱动因素。过渡期因云量和高RH减轻了热负荷，而少雨期下午的高太阳辐射、高AT和低RH增加了热负荷，挑战了动物的散热能力。SP管理减轻了热应变，但正午太阳入射仍是限制因素。结果与以往研究一致，热应激通过改变RR和RT影响热带条件下的绵羊，本研究还整合了多区域热成像测量以评估空间热消散模式。SP中较低的热响应与遮荫减少热负荷的报告一致，遮荫有助于在解剖区域和时间内提供更稳定的热环境。呼吸调节是应对热挑战的主要短期响应，遮荫减少了呼吸负担并促进蒸发散热；而RR持续升高表明代谢需求增加和潜在的生理失衡。RR与RT的关系揭示了重要的体温调节动态：在较冷时期（尤其是TS）耦合较强，表明呼吸活动与核心温度间的协调调节；而在中午则功能解耦，可能由于外周血管扩张和行为调整等多机制激活，此时RR单独不能很好代表核心温度。RT反映了累积热负荷，夜间恢复在TS中受损，而遮荫环境促进了更稳定的内部温度。BST与外周血流调整和热交换过程相关，不同热窗口的差异反映了解剖和血管变异性。环境调节进一步影响了热消散模式，遮荫区域减少了辐射热并稳定了微气候，造林减少了热振幅。BST的空间结构表明热消散是一个整合过程，解剖区域间具有高相关性；但SP中相关性降低表明微气候异质性更大，促进了局部热消散，而TS因均匀太阳辐射暴露导致表面温度模式高度同步。因此，SP不仅通过减少热负荷，还通过调节空间热交换来缓解热应激。RR–RT耦合较弱和BST异质性较大表明更灵活的体温调节策略，可能增强热带条件下的热舒适度。不同时期和时间的生理和热成像模式一致性支持了结果的稳健性，中午应力峰值，较冷时期响应降低。研究人员也指出，热成像测量集中在峰值热负荷，而生理数据全天收集，这限制了直接时间比较。总体而言，湿润热带环境中的热应激受季节性、日变化和管理的多因素影响，SP通过减少环境热负荷和稳定生理响应，降低了对补偿机制的依赖，支持了改进的热舒适和效率。SP代表了一种一致且机械学上支持的策略，可改善热带环境下绵羊生产的热条件。研究的现场设计增强了外部有效性和对商业系统的适用性。未来研究应扩大空间和时间范围，包括不同地区、系统和完整季节周期，以加强关于适应性、一致性和长期适用性的结论。
5. 5.
   Conclusion（结论）
   所分析的参数受年份时期、一天中的时间和管理系统的影响，在少雨季节和太阳入射较强的时间观察到关键的热不适期。这些条件反映在RR、RT和BST的增加上，表明动物热负荷较高。SP与更有利的微气候条件相关，导致比TS更低的生理和表面温度响应。IRT被证明是一种有用的补充性非侵入性工具，用于检测BST变化，特别是当与RT和RR等生理指标一起解释时。评估特定热窗口（头部、腋窝、背部、侧腹、臀部）有助于识别不同环境条件下的热消散空间模式。从实践角度来看，这些发现支持将IRT作为精准畜牧业工具应用，实现对田间条件下绵羊热应激的实时、非侵入性监测。识别与生理响应相关的特定热窗口允许更有针对性和高效的监测策略，可协助生产者早期检测热应激并实施缓解措施（如提供遮荫、调整放牧管理和优化动物福利）。总体而言，在所评估的条件下，热成像和生理测量的整合提供了的一致证据，支持其作为巴西亚马逊湿润热带环境下绵羊热应力评估的场内监测方法的适用性。然而，本研究存在样本量（n = 20）、单一地理区域（巴西亚马逊东部）和特定气候条件等限制，可能限制结果外推至其他情境。建议进一步研究纳入行为和内分沁参数等其他指标，以及更广泛的空间和时间评估，以扩展对动物热应激响应的理解，并加强IRT在不同环境情景下的应用。