Thermal environment and social hierarchy influence the location and behavior of dairy cows in a silvopastoral system

Abstract

Resumo: O conhecimento das estratégias comportamentais de vacas leiteiras dentro de um sistema silvipastoril pode nos ajudar compreender a termodinâmica das vacas. Portanto, neste estudo, avaliamos a influência do microclima, indicadores de conforto térmico e hierarquia social nos comportamentos diurnos e localização (sombra ou sol) de vacas leiteiras criadas em um sistema silvipastoril de clima subtropical. Para alcançar esse objetivo, a tese foi dividida em V capítulos. No capítulo I, realizamos uma revisão sistemática da literatura científica sobre os efeitos do sistema silvipastoril no ambiente físico, indicadores de conforto térmico, comportamento e respostas fisiológicas de bovinos leiteiros. Nossa revisão destacou que os comportamentos (por exemplo: ócio e ruminação) associados a postura deitado e o comportamento social e têm sido pouco explorados nos estudos. Assim, na tentativa de preencher a lacuna do comportamento social, no capítulo II avaliamos quais características fenotípicas de vacas leiterias determinam sua posição social no contexto de rebanho misto (vacas com e sem chifres) e a influência da posição social no tempo em que as vacas permanecem no cocho de alimentação. Para isso, foram calculados os valores de dominância para cada animal e o rebanho foi dividido em três categorias sociais: dominante (D), intermediário (I) e subordinado (S). Encontramos que posição social das vacas foi influenciada pela idade, massa corporal e comprimento do corpo; além da posição social influencia o tempo que cada categoria permaneceu no cocho de alimentação. Para que pudéssemos avaliar o microclima e indicadores de conforto térmico do sistema silvipastoril, no capítulo III desenvolvemos e validamos um registrador de dados autônomo (denominado ADEF) para medir variáveis ambientais. O desempenho do ADEF foi satisfatório, demonstrando que é válido como uma ferramenta de baixo custo para medir a variabilidade microclimática na área de interesse. Para que seja possível avançar no conhecimento da termodinâmica das vacas, é necessário transformar dados coletados em informações úteis; assim, no capítulo IV, aplicamos a técnica de mineração de dados para classificar fatores ambientais com potencial de motivar vacas leiteiras a acessarem sombra natural. Através da mineração de dados, encontramos que a radiação solar foi o fator ambiental com maior potencial para classificar a decisão da vaca leiteira de acessar áreas sombreadas. Pelo padrão encontrado em nosso estudo, sugerimos que trabalhos futuros utilizem indicadores de conforto térmico que considerem a radiação solar (ex. Índice de Globo Negro e Umidade - ITGU) para avaliar o conforto térmico de vacas leiteiras criadas em áreas de pastagem. Por fim, associando os conhecimentos do comportamento social (capítulo II) e conforto térmico (capítulos III e IV), no capítulo V, avaliamos a relação entre conforto térmico, hierarquia social, localização das vacas (sombra ou sol) e seus comportamentos diurnos em um sistema silvipastoril. A localização das vacas foi influenciada pelo ITGU e hierarquia social; além desses fatores, o comportamento de deitar foi influenciado pela temperatura superficial do solo. Vacas dominantes foram mais propensas a utilizar as áreas sombreadas para ócio e ruminação deitadas do que vacas subordinadas e intermediárias; ou seja, vacas dominantes eram mais propensas a expressar seus comportamentos de conforto em áreas sombreadas. Em conclusão, através da interdisciplinaridade deste estudo foi possível avançar no conhecimento da termodinâmica de vacas leiteiras criadas em sistema silvipastoril; o qual foi possível através da integração do conhecimento do comportamento diurno e social das vacas, ferramenta de mineração de dados e o uso de sensores precisos e de baixo custo. Palavras-chave: Abatimento de calor. Bem-estar animal. Biometeorologia. Etologia aplicada. Hierarquia social. Microcontrolador. Mineração de dados. Padrão comportamental. Probabilidade. Áreas sombreadas. Valor de dominância. Zootecnia de precisão

Abstract: The knowledge of the behavioral strategies of dairy cows within a silvopastoral system (SPS) can help us to understand the cows' thermodynamics. Therefore, in this study, we evaluate the influence of microclimate, thermal comfort indicators, and social hierarchy, on cows' location (shade or sun) and their diurnal behaviors in a silvopastoral system of a subtropical climate. To achieve this aim, the thesis was divided into V chapters. In chapter I, we carried out a systematic review of the scientific literature of the effects of silvopastoral systems on the physical environment, thermal comfort indicators, behavior, and physiological responses of dairy cattle. Our review highlighted that the behaviors (e.g., idle, and rumination) associated with lying down posture and social behavior has been low explored in the studies. Thus, to fill the gap of social behavior, in chapter II, we evaluated which animals' phenotypic characteristics determine the social position in the context of a mixed herd (horned and non-horned cows) and determine the influence of cows' social position on time spent at the feeder. For this, dominance values were calculated for each animal and the herd was divided into three social categories: dominant (D), intermediate (I), and subordinate (S). We found that cows' social position was influenced by age, body mass, and body length; further, the social position influenced the time that each category remained at the feeder. So that we could evaluate the microclimate and thermal comfort indicators of the SPS, in chapter III, we developed and validated an autonomous data logger (named ADEF) to measure environmental variables. The performance of ADEF was satisfactory, demonstrating that it is valid as a low-cost tool to measure microclimatic variability in the area of interest. To advance in the knowledge of the thermodynamics of cows, it is necessary to transform measured data into useful information; so, in chapter IV, we applied the data mining technique to classify environmental factors with the potential to motivate dairy cows to access natural shade. Through data mining, we found that solar radiation was the environmental factor with the greatest potential to classify the dairy cow's decision to access shaded areas. Based on the pattern found in our study, we suggest that future studies use thermal comfort indicators that consider solar radiation (e.g., Black-globe humidity index - BGHI) to assess the thermal comfort of dairy cows raised on pasture areas. Finally, associating the knowledge of social behavior (chapter II) and thermal comfort (chapters III and IV), in chapter V, we evaluated the relationship between thermal comfort indicators, social hierarchy, location of cows (shade or sun) and their diurnal behavior in a silvopastoral system. The cows' location was influenced by BGHI and social hierarchy; further to these factors, the lying behaviors was influenced by the soil surface temperature. Dominant cows were more likely to use shaded areas for idling and rumination lying down than subordinate and intermediate cows; i.e., dominant cows were more likely to performed comfort behaviors in shaded areas. In conclusion, through the interdisciplinarity of this study, it was possible to advance on the knowledge of the thermodynamics of dairy cows raised in a silvopastoral system; which was made possible through the integration of knowledge of the diurnal and social behavior of cows, data mining tool and the use of accurate and low-cost sensors. Keywords: Animal welfare. Applied ethology. Behavioral pattern. Biometeorology. Data mining. Dominance value. Heat abatement. Microcontroller. Precision livestock farming. Probability. Shaded areas. Social hierarchy.