基于体表温度的肉鸡温湿指数模型研究

2021-03-25杨语嫣李耀文邢爽张敏红冯京海

中国农业科学 2021年6期

杨语嫣，李耀文，邢爽，张敏红，冯京海

基于体表温度的肉鸡温湿指数模型研究

杨语嫣，李耀文，邢爽，张敏红，冯京海

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所/动物营养学国家重点实验室，北京 100193

【】通过分析不同温度、湿度环境下肉鸡体表温度的变化，构建不同日龄肉鸡温湿指数（THI）模型。分别在28、35、42和49日龄时，选择30只AA肉公鸡，饲养于2个人工环境控制舱内。舱内相对温度分别设定为50%和80%，舱内温度均由18℃开始，每0.5h升高1℃，至33℃并维持0.5h。一共设定2个湿度和16个温度梯度。利用微型温度记录仪连续监测肉鸡体表温度、体核温度和环境温度，每2 min记录1次，同时每10 min检测一次环境湿度。在24—33℃的范围内，肉鸡体表温度随环境温度升高而线性升高，且受到环境湿度的影响，因此选择环境温度≥24℃后的数据进行分析。通过计算THI与肉鸡体表温度最大相关时干球和湿球温度的权重值，得到不同日龄肉鸡的THI模型，分别为THI28日龄=0.82×T干球+0.18×T湿球；THI35日龄=0.69×T干球+0.31×T湿球；THI42日龄=0.67×T干球+0.33×T湿球；THI49日龄=0.61×T干球+0.39×T湿球。根据干湿球温度的权重值计算出的THI与体表温度之间的线性相关系数达到0.96以上。经2个独立试验验证，THI计算值与体表温度仍存在较强的线性关系，线性相关系数达到0.94以上，且THI模型预测的体表温度与实际测定结果基本一致。本研究得出的THI模型与体表温度存在良好的线性关系，适用24—33℃范围内温热环境的评价；不同日龄肉鸡THI模型存在差异，随肉鸡日龄增加，湿球温度的权重逐渐增大。

连续升温；肉鸡；体表温度；温湿指数模型

0 引言

【研究意义】温热环境是影响肉鸡生产的主要环境因素之一。环境温度影响肉鸡的产热和散热平衡，过高时影响肉鸡的内分泌、免疫以及代谢等，导致肉鸡生长性能下降，死亡率升高，造成巨大的经济损失[1-4]。环境湿度同样影响肉鸡的产热和散热平衡，过高时加剧高温对肉鸡生产性能和健康的不利影响[5-7]。因此在实际生产中需要综合考虑环境温度和湿度的共同影响。温湿指数（temperature-humidity index, THI）是通过研究环境温度和湿度对家禽某一生理指标的共同影响规律，合理分配干球温度和湿球温度的权重，使THI与该指标的线性相关系数最大。因此THI指数综合反映了环境温度和湿度对肉鸡的影响。【前人研究进展】。EGBUNIKE[8]通过测定不同温度和湿度下蛋鸡直肠温度和呼吸频率的变化，建立了首个蛋鸡THI模型（以2个指标建立的THI模型基本一致）：THI蛋鸡=0.64×T干球+0.36×T湿球，其中THI与蛋鸡直肠温度和呼吸频率的线性相关系数为0.74和0.73。随后研究人员根据产热量[9]、直肠温度和蒸发散热量[10]的变化建立了火鸡的温湿指数模型。有关肉鸡温湿指数模型研究较少，TAO等[11]针对46日龄肉鸡，以体核温度升高值为指标建立了肉鸡THI模型。【本研究切入点】上述研究一般采用体核温度或产热量为观测指标，计算与观测指标最大相关时干球和湿球温度的权重值。在热中性区内家禽的体核温度和产热量基本保持不变，只有当环境温度超过家禽的热中性区后，体核温度和产热量才可能随环境温度的变化而线性变化。因此利用体核温度或产热量构建的温湿指数模型适用于较高的环境温度，如果扩大适用范围可能会导致THI与观测指标线性关系下降。家禽体表温度的变化反映了可感散热的变化，当环境温度超过家禽的热舒适区（仍处于热中性区内）时，体表温度就开始随环境温度的升高而线性升高[12-13]，因此利用体表温度构建温湿指数模型的适用范围更宽。另外，不同日龄肉鸡热舒适区的范围变化较大，雏鸡时需要维持33℃以上的高温，而生长后期的肉鸡，当环境温度超过27℃时就会出现明显的热应激反应[14-17]。因此需要针对不同日龄肉鸡，研究相应的且适用范围更广的温湿指数模型。【拟解决的关键问题】以肉鸡体表温度的变化为指标构建不同日龄肉鸡的温湿指数（THI）模型。

1 材料与方法

1.1 试验动物及管理

选择21日龄健康AA肉公鸡120只，饲养于动物营养学国家重点实验室环控舱内，使用单层平养笼具。日常饲养管理参照《AA肉鸡饲养管理手册，2009》进行。试验期间自由采食与饮水，采用玉米-豆粕型饲粮，参照NRC（1994）[18]营养需要配制。分别在26、33、40和47日龄时，各选择30只体重接近的肉公鸡饲养于2个环控舱内，适应2d后开始正式试验。

1.2 环控舱温度设置

适应期间（2d）2个环控舱内的温度设定为20℃，相对湿度设定为60%。试验当天将2个舱内的湿度分别设定为50%和80%。2个环控舱内的温度控制相同，均由18℃开始，每0.5 h升温1℃，直到33℃并维持0.5 h。一共设定2个湿度点和16个温度点。杨语嫣等[12]等研究发现，在18—33℃的范围内，可以观察到肉鸡体表温度和体核温度的恒定区和升高区，温湿指数模型采用体表温度开始升高后的数据进行分析建立。

1.3 环境温度、湿度及体表和体核温度的测定

使用微型温度记录仪（DS1 922L,Maxim,San Jose, CA, U.S.）测定环境、体表和体核温度。微型温度记录仪可以根据设定的时间间隔自动记录接触面的温度，待试验结束后，使用相应数据读取设备，读取温度记录仪内的温度数据。将温度记录仪放置于肉鸡相同高度，每2 min测定1次环控舱内的温度；将肉鸡背部局部羽毛剪出，将微型温度记录仪紧缚于肉鸡背部，使温度记录仪与肉鸡背部皮肤紧密接触，每2 min测定1次肉鸡体表温度；将微型温度记录仪经口腔投入到肉鸡的肌胃内，仔细捻揉肉鸡嗉囊，保证每个记录仪能够通过食道进入肌胃，记录仪的大小正好可以通过食道，却无法通过肌胃与腺胃的连接口，从而保证记录仪停留在肌胃内部，每2 min测定1次肉鸡的体核温度。将所有微型温度记录仪设定相同的起始时间和间隔时间，保证每隔2 min同时测定环境温度、体表和体核温度。具体测定参考杨语嫣等[12]的方法。将温湿度记录仪（174H，Testo，Germany）放置于肉鸡相同高度，每10 min测定1次，实时记录环控舱内湿度变化。

1.4 THI模型的建立

将0.5 h内的15个干球温度（每2 min测定1次，0.5 h共测定15次）和3个湿球温度值（每10 min测定1次，0.5 h共测定3次）分别进行平均，为该设定环境下的实测值；将0.5 h内的15个肉鸡体表温度值（每2 min测定1次，0.5 h共测定了15次）进行平均，然后再将同一日龄相同环境下的15只肉鸡的体表温度进行平均，为该环境下肉鸡体表温度测定值。使用干球温度≥24℃的数据进行分析。

参考TAO等[11]的方法构建肉鸡THI模型。肉鸡THI模型为：

THI = a×T干球+(1-a) ×T湿球；

其中干球温度（T干球）权重值（a）从0到1变化，湿球温度（T湿球）的权重值（1-a）随之从1到0变化，每次权重变化0.1。计算出不同权重值下的预期THI值，并与肉鸡体表温度进行线性相关分析，得到不同权重值下的预期THI值与体表温度的线性相关系数，建立权重值与相关系数之间的回归方程，计算出相关系数最大时的权重值，构建出不同日龄肉鸡的THI模型。

1.5 THI模型的验证试验

验证试验1选择10只23日龄健康AA肉公鸡，饲养于一个环控舱内，环控舱内的湿度设定为50%，温度设定同上，环境温度、湿度以及肉鸡体表温度的测定同上；验证试验2选择20只28日龄健康AA肉公鸡，分别饲养于2个环控舱内，相对湿度分别设置为50%RH和80%RH，温度设置同上。环境温度、湿度及肉鸡体表温度的测定同上。

1.6 肉鸡体表和体核温度拐点温度的估测及THI值的分区

参考杨语嫣等[12]的方法，采用spss 17.0统计软件中非线性分段回归分析（Nonliner regression），对连续升温下肉鸡体表和体核温度的数据进行分段回归分析。分段回归模型为：

当 T≥IPT 时：Y = C + Z × (AT- IPT)

当 T＜IPT 时：Y = C

其中Y是指肉鸡体表或体核温度；C为肉鸡的基础体表温度或体核温度；Z是指肉鸡体温升高的斜率；AT是指环境温度；IPT是指肉鸡体表温度或体核温度开始升高时的环境温度，即拐点温度。

通过非线性回归分析，可得出每只肉鸡的基础体温、拐点温度和升高时的斜率。将同一日龄、同一湿度下所测肉鸡的拐点温度进行平均，将所测肉鸡体核温度升高1.0℃时的环境温度进行平均，以体表温度、体核温度开始升高时的环境温度（拐点温度）和体核温度升高1.0℃时的环境温度为节点，计算3个节点对应的THI值，对不同日龄肉鸡的THI进行分区。

2 结果

2.1 连续升温环境下肉鸡体表和体核温度的变化

虽然设定了2个湿度和16个温度点，但舱内实际湿度和温度呈现一定的波动性（图1-a）。随着环境温度由18℃逐渐升高至33℃，肉鸡的体表温度和体核温度均呈现出明显的折线关系（图1-b、c）。通过非线性回归分析，可以得出肉鸡体表温度和体核温度开始升高时的环境温度，即体表和体核温度的拐点温度。在50%的相对湿度下，28日龄肉鸡体表温度的平均拐点温度为23.6℃（表1），也就是说，当环境温度低于23.6℃时，肉鸡体表温度基本维持恒定；当环境温度超过23.6℃时，肉鸡体表温度开始随环境温度升高呈线性升高。本研究以肉鸡体表温度的线性变化为依据建立肉鸡THI模型，因此选用干球温度超过肉鸡体表拐点温度的数据进行分析。高湿（80%）环境下，肉鸡体表温度的拐点温度进一步降低；随日龄增加，肉鸡的拐点温度也进一步降低（表1）。为了描述简便，我们统一使用24℃之后的数据建立THI模型，但该模型适用于拐点温度之上的环境温度范围。

由图2可见，当环境温度超过24℃后，肉鸡体表温度开始随环境温度升高呈线性升高。28日龄时，环境湿度对肉鸡体表温度的影响较小；35日龄之后，环境湿度对肉鸡体表温度影响明显。当环境温度超过肉鸡体核温度的拐点温度后，体核温度也随环境温度升高而线性升高。随日龄增加，肉鸡体核温度的拐点温度降低。28日龄时，环境湿度对肉鸡体核温度的影响较小；35日龄之后影响较大，但与体表温度相比，环境湿度对肉鸡体核温度的影响较小。

图1 环控舱内的温度和湿度（a）以及单只肉鸡体表温度（b）和体核温度（c）的实测值（28日龄）

环境湿度为设定值，非实测值；每个数据点对应的环境温度为30 min内15次测定的平均值；每个数据点对应的体表或体核温度为15只肉鸡30 min内15次测定的平均值

2.2 THI模型的建立

由图3可见，随干球温度权重值由0逐渐增加至1，预期THI与肉鸡体表温度之间的线性相关系数呈二次曲线性变化，由此可以建立干球温度权重值与线性相关系数之间的回归方程。28日龄肉鸡的回归方程为：=-0.492+0.80+0.63，回归决定系数为0.994，其中为干球温度的权重值，为预期THI与肉鸡体表温度之间的线性相关系数。各日龄的回归方程见图3。通过计算回归方程中线性相关系数最大时的干球温度权重，可以得出不同日龄肉鸡THI指数模型中最佳干、湿球温度权重值，最终得到不同日龄肉鸡的THI模型：

THI28日龄肉鸡=0.82×T干球+0.18×T湿球；

THI35日龄肉鸡=0.69×T干球+0.31×T湿球；

THI42日龄肉鸡=0.67×T干球+0.33×T湿球；

THI49日龄肉鸡=0.61×T干球+0.39×T湿球。

2.3 肉鸡THI模型的验证

根据肉鸡THI模型公式，计算出的THI与肉鸡体表温度之间存在良好的线性相关，相关系数均在0.96以上。为了验证模型的可靠性，又开展了2次验证试验，测定了不同温度和湿度下肉鸡的体表温度。根据28日龄肉鸡的THI模型公式，计算出的THI值与2次验证试验测定的体表温度之间存在良好的线性相关性，相关系数分别为0.97和0.94（图4）。根据THI与体表温度之间的线性相关方程，计算出的肉鸡体表温度预测值与验证试验实测值基本一致，验证试验1的实测值和预测值之间最大偏差为-0.81—0.89℃，验证试验2的实测值与预测值之间最大偏差为-0.51—0.08℃。验证试验1的偏差较大，可能是由于选用的是23日龄肉公鸡，与预测方程所用的28日龄存在差别。

图3 干球温度权重值影响预期THI与体表温度之间相关系数

图4 肉鸡THI模型的验证

2.4 肉鸡THI值的分区

在24—33℃的范围内，THI与肉鸡体表温度之间存在良好的线性相关关系，使用THI可以预测肉鸡的体表温度。当环境温度超过肉鸡体核温度的拐点温度后，肉鸡体表温度与体核温度之间存在显著的线性相关关系（图5）。但由于体表温度与肉鸡热应激指标和生产性能之间的相关性研究较少，仅仅根据肉鸡体表温度的变化很难进行THI值的分区。

图5 肉鸡体表温度与体核温度的相关性

随环境温度逐渐升高，肉鸡体表温度和体核温度呈现明显的折线关系（图1-b、c）。利用非线性回归分析，可以计算出肉鸡体表温度、体核温度开始升高时的环境温度（即拐点温度，表1）。根据肉鸡体表和体核温度的拐点温度以及体核温度升高1.0℃时的干球温度，结合相对应的湿球温度，可以计算出相应的THI值（表1），即肉鸡体表温度开始升高时的THI、肉鸡体核温度开始升高时的THI和肉鸡体核温度升高1.0℃时的THI。根据这3个节点THI值，将肉鸡的THI分为热舒适区、体温恒定区、警戒区和热应激区（图6）。以28日龄为例，当THI≤22.4℃时，肉鸡不需要调节可感散热即可维持体温恒定，因此处于热舒适区（下限值未测）；当THI在22.4—25.6℃之间时，肉鸡通过调节产热和散热，可以维持体温的恒定，因此处于体温恒定区；当THI超过25.6℃时，肉鸡体核温度开始升高，此时应引起生产人员的重视；当THI≥31.4℃时，肉鸡体核温度升高1.0℃以上，此时肉鸡表现出明显的热应激反应，对生产性能和健康危害很大，因此称为热应激区。其他日龄THI值的划分见图6。

图6 不同周龄肉鸡THI值的分区（热舒适区下限和热应激区的上限未测定）

3 讨论

温湿指数综合反映了环境温度和湿度对动物的共同影响。通过研究不同环境温度和湿度组合对动物某些生理指标的影响规律，计算当THI与该指标的线性相关系数最大时，干球温度和湿球温度的权重值，研究人员建立了猪[19]、牛[20-22]和家禽[8-11]的THI模型。研究人员一般选用体核温度（直肠温度）、产热量、呼吸频率或蒸发散热量等为观测指标建立THI模型。这些指标首先是动物应对不同温湿环境的生理反应，而非受到环境温度的直接影响或干扰，其次在某一环境温度范围内应与环境温度存在线性关系，这是选择观测指标的基础。本研究以体表温度为指标建立了肉鸡THI模型。肉鸡体表温度一般高于鸡舍内的环境温度，可以通过辐射、对流、传导的方式向环境散热，这种散热方式称为可感散热。当环境温度升高时，体表与环境之间的温度差减小，导致可感散热减少，为维持正常的散热量，肉鸡通过增加皮肤血液流量的方式增加体表温度[23-24]，因此体表温度的变化代表了肉鸡可感散热的变化，是家禽根据环境温度变化进行自主调节的一种生理反应，而不是受到环境温度的直接影响。本研究将微型测温芯片紧缚在肉鸡背部，实时测定肉鸡的皮肤温度，避免环境设施和人为的干扰，因此与体核温度、产热量、呼吸频率等指标一样，可以作为建立THI模型的观测指标。

国际生理学联合会热委员会（IUPS）将热中性定义为：动物仅通过可感散热的调节，无需改变代谢产热或蒸发散热即可维持体温正常的环境温度范围[25]。根据这一定义，即使环境温度处于热中性区的范围内，动物体表温度即开始随环境温度的变化而变化[26-27]。研究人员通过比较3个环境温度下肉鸡体表温度的变化，发现在20—35℃范围内，随环境温度升高肉鸡体表温度呈线性升高[28-29]。杨语嫣等[12]利用连续升温模型发现，即使在热中性区内肉鸡体表温度就开始随环境温度升高而线性升高。而根据IUPS关于热中性区的定义，只有当环境温度超过家禽热中性区后，产热量和蒸发散热量才随环境温度升高而线性变化，因此以产热量和蒸发散热量为指标建立的THI适用于家禽热中性区以上的环境温度。如果环境温度进一步升高，家禽无法维持产热和散热的平衡，体核温度才开始随环境温度的升高而逐渐升高，因此以体核温度为指标建立的THI适用于更高的环境温度。如果扩大适用范围将导致构建的THI与体核温度之间的相关性降低。EGBUNIKE[8]以直肠温度为指标在22—33℃范围内建立了蛋鸡THI模型，结果THI与直肠温度之间的线性相关系数仅为0.74。而TAO 等[11]在35—41℃范围内，以体核温度增加值为指标建立的肉鸡THI模型，THI与体核温度增加值之间的线性相关系数高达0.90。由此可见，以体核温度（直肠温度）为指标建立的THI模型适用于高温范围，可以作为反映肉鸡热应激程度的监控指数，而以体表温度为指标建立的THI模型适用的环境温度范围更宽，可以用于反映肉鸡热舒适以及热应激的程度。本研究发现，在24—33℃的范围内，THI与体表温度的相关系数可达到0.96以上。验证试验也表明，THI与体表温度之间具有较高的线性相关性。由于本研究设定的最高温度为33℃，对于上市前肉鸡在急性高温环境（35℃以上）时还应参考Tao等[11]的THI模型。

本研究发现，不同日龄肉鸡的THI模型存在差异，其中湿球温度权重值随日龄增加逐渐增大。BROWN-BRANDL等[10]建立了不同周龄火鸡的THI模型，从10周龄开始，随周龄增加，THI模型中湿球温度的权重值显著增加。林海等[30]根据肉鸡平均体温的变化建立了肉鸡的实感温度模型，同样发现，6—7周龄肉鸡模型中相对湿度的权重显著高于3—4周龄。快大型肉鸡孵化后，在短短的40多天内体重增加近100倍。随着体重的迅速增加，肉鸡自身的代谢产热也迅速增加。高温环境下肉鸡主要通过热喘息增加蒸发散热[31]，当环境湿度过高时显著影响肉鸡蒸发散热的效率，因此随肉鸡体重增加，对于环境湿度的敏感性也越高。本研究发现，当肉鸡超过35日龄以后，湿球温度的权重值大于0.3，而TAO等[11]针对46日龄肉鸡建立的THI模型中湿球权重仅为0.18。导致这种差异的原因可能在于研究的温度范围以及选用的观测指标不同。

本研究基于体表温度的变化，在24—33℃范围内建立了肉鸡的THI模型，并根据肉鸡体表温度、体核温度开始升高时的THI，以及体核温度升高1.0℃时的THI，将肉鸡的THI分为热舒适区、体温恒定区、警戒区和热应激区，这一模型适用于肉鸡正常生产中温热环境的评价和预警。TAO 等[11]在35—41℃范围内，以体核温度增加值为指标建立了肉鸡THI模型，并将体核温度升高1.0—2.5℃、2.5—4.0℃和超过4.0℃时的THI定为警戒区、危险区和紧急情况区，该模型更适用于上市前肉鸡在急性高温环境（35℃以上）下危险程度的评价。

4 结论

本研究根据肉鸡体表温度的变化建立了不同日龄肉鸡温湿指数模型，其中28、35、42和49日龄肉鸡温湿指数模型中干球温度的权重分别为0.82、0.69、0.67和0.61，湿球温度权重分别为0.18、0.31、0.33和0.39。在24—33℃范围内，温湿指数与体表温度之间的相关系数大于0.96，验证试验也表明，在该温湿指数模型与体表温度之间具有较高的线性相关性。根据肉鸡体表温度、体核温度开始升高时的温湿指数，以及体核温度升高1.0℃时的温湿指数，将肉鸡的温湿指数划分为热舒适区、体温恒定区、警戒区和热应激区。

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The Temperature-Humidity Index Estimated by the Changes of Surface Temperature of Broilers at Different Ages

YANG YuYan, LI YaoWen, XING Shuang, ZHANG MinHong, FENG JingHai

State Key Laboratory of Animal Nutrition/Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100193

【】The present study was conducted to estimate the temperature-humidity index (THI) based on the variations of surface temperature (ST) of broilers raised at different relative humidity (RH) levels and increasing ambient temperature (AT). 【】At day of 28, 35, 42 and 49, thirty AA broilers were raised in two controlled climate chambers. The RH of two chambers was set at 50% and 80%, respectively, and the AT in two chambers was set at a same procedure with increasing gradually by one degree per 0.5 h from 18 ℃ to 33 ℃. The ST of broilers, as well as the AT in two chambers was recorded at 2 min intervals using mini temperature data loggers. The wet-bulb temperature of two chambers was recorded at 10 min intervals. The THI model as as follow: THI = a*Tdry-bulb+ (1-a)* Twet-bulb, the ‘a’ was weighting coefficient of Tdry-bulb, which was calculated when the coefficient of correlation between THI and ST reach to the maximum.【】When the AT exceeded 24 ℃, the ST of broilers increased linearly with the AT and was affected by the RH. The present study estimated the THI for broilers at different ages by using the data when AT exceeded 24 ℃. The THI models for broilers at different age were as follow: THId28=0.82Tdb+0.18Twb; THId35=0.69Tdb+0.31Twb;THId42=0.67Tdb+0.33Twb; THId49=0.61 Tdb+0.39Twb. The linear correlation coefficients between THI and ST reached more than 0.96. In two independent experiments, it was verified again that there was a linear relationship between THI and ST, and the predicted ST by THI model was basically consistent with the actual measured results. 【】The present results indicated that THI model had a good linear relationship with ST and was suitable for the evaluation of warm environment when the AT exceeded 24℃. The THI models for broilers at different ages were different, and the weighting coefficient of wet bulb temperature in THI models were increasing with the increase of broiler age.

increasing ambient temperature; broilers chicken; surface temperature; temperature-humidity index