Chapitre 1. Revue des travaux antérieurs
1.5 Les indices thermiques
Les conditions externes pouvant causer un stress de chaleur chez la vache laitière sont souvent exprimées sous forme d’indices calculés regroupés sous l’appellation d’indices thermiques. Ces indices bioclimatiques sans unité sont largement adoptés dans la communauté scientifique puisqu’ils permettent, dans un premier temps, de juger rapidement si les conditions environnementales auxquelles une vache laitière est soumise peuvent potentiellement créer un stress de chaleur et, dans un deuxième temps, de la sévérité du stress subit. Au cours des dernières années, plusieurs indices thermiques ont été développés. Parmi ceux-ci, il y a principalement l’indice de température-humidité (ITH; Thom, 1959), l’indice de température-humidité ajusté (ITHaj; Mader et al., 2006), l’indice température de globe noir-humidité (IGNH; Buffington et al., 1981), l’indice de température équivalente (ITE; Baeta et al., 1987) ainsi que l’indice d’accumulation de chaleur (IAC; Gaughan et al., 2008).
1.5.1 Indice de température et d’humidité (ITH)
L’indice de température et d’humidité combine l’effet de la température ambiante et de l’humidité sur les animaux. Il est l’indice thermique calculé le plus utilisé en recherche pour juger du niveau de stress de chaleur des vaches laitières (Gálan et al., 2018; Herbut et al., 2018). Tel que mentionné par Wang et al. (2018) ceci s’explique principalement par trois raisons. Premièrement, l’indice est facilement et rapidement calculé puisqu’il nécessite seulement les données de température et d’humidité. Deuxièmement, il exprime précisément les conditions environnementales auxquelles les vaches sont exposées lorsqu’elles sont confinées à l’intérieur d’une étable où le mouvement de l’air est lent et les radiations solaires sont bloquées (Li et al., 2009). Troisièmement, plusieurs auteurs ont démontré que l’ITH est associé à diverses réponses physiologiques chez la vache dont la température rectale (Figure 1.5) (Ingraham et al., 1974; Gaughan et al., 2008; Dikmen et Hansen, 2009).
Figure 1.5 Relation entre la température rectale (°C) et l’indice de température-humidité (ITH) où les points
représentent des observations individuelles et la ligne représente la droite de régression et r représente le coefficient de corrélation
Adaptée de Dikmen et Hansen, 2009
Chez la vache laitière, la température rectale est fortement corrélée à la température corporelle (Burfeind et al., 2011). Ainsi, elle est un bon indicateur de la balance thermique de l’animal. Lorsque l’ITH s’élève au-delà d’un certain seuil, il est alors possible d’observer une augmentation parallèle de la température rectale. 1.5.1.1 Les équations de l’indice de température-humidité
Au fil des années, plusieurs équations permettant de calculer l’ITH ont été développées (Tableau 1.4). ITH T em péra tur e r ect al e ( °C )
Tableau 1.4 Formules et origines de différentes équations permettant de calculer l’indice de température et
d’humidité (ITH) chez la vache laitière.
Ta = Température ambiante, °C; Th = Température humide, °C; Tpr = Température du point de rosée, °C; Hr = Humidité relative, %.
L’ITH a d’abord été développé pour qualifier le niveau de confort thermique chez les humains pendant les mois d’été par Thom (1959) et revu par Bianca (1962) et par le NRC (1971). Ainsi, les ITH 1, 2 et 6 (Tableau 1.4) ont été développés chez l’Homme. Toutefois, les humains et les animaux ne réagissent pas aux conditions environnementales de la même manière alors que l’humain est en mesure de dissiper 190 % de sa chaleur métabolique par évaporation alors que la vache laitière est en mesure d’en dissiper 105 % (Bianca, 1962). À cet égard, les vaches laitières sont plus sensibles à l’humidité que les êtres humains ce qui a entraîné le besoin de développer des équations d’ITH adaptés aux animaux.
Très peu d’information concernant le développement des différentes équations permettant de calculer l’ITH chez la vache laitière est présentement disponible dans la littérature. Bohmanova et al. (2007) indiquent que les ITH 3 et 8 ont été déterminés empiriquement chez des bovins exposés en chambres climatiques à des conditions environnementales susceptibles de causer un stress de chaleur. Pour sa part, l’ITH8 serait le seul ITH à avoir été développé spécifiquement pour les vaches laitières de race Holstein. Toutefois, Youssef (1985) fournit très peu d’information quant au développement de l’indice. Finalement, Bohmanova et al. (2007) ont révélé que l’ITH5 a d’abord été développé chez des bovins élevés à l’extérieur. Toutefois, Hahn et al. (2003) mentionnent que cette équation est largement utilisée avec succès dans la littérature, et ce, sans égard à l’environnement dans lequel la vache est élevée. D’ailleurs, une revue de littérature systématique des études portant sur le stress de chaleur chez la vache laitière effectuées pendant les quinze dernières années a indiqué que les équations ITH 4, 5 et 8 (Tableau 1.4) sont les plus fréquemment utilisées pour juger le niveau de stress de chaleur subi par les vaches laitières (Gálan et al., 2018).
Les équations utilisées pour calculer l’ITH se différencient, entre autres, par l’importance accordée aux
Équation Source ITH1 (0,4 × (𝑇𝑎× 𝑇ℎ) + 0,85 )1,8 + 32 + 15 Thom, 1959 ITH2 (0,15 × 𝑇𝑎+ 0,85 × 𝑇ℎ) × 1,8 + 32 Bianca, 1962 ITH3 (0,35 × 𝑇𝑎+ 0,65 × 𝑇ℎ) × 1,8 + 32 Bianca, 1962 ITH4 1,8 × 𝑇𝑎− (1 − 𝐻𝑟)(𝑇𝑎− 14,3) + 32 Kibler, 1964 ITH5 (1,8 × 𝑇𝑎+ 32) − ((0,55 − 0,0055 × 𝐻𝑟) × (1,8 × 𝑇𝑎− 26,8)) NRC, 1971 ITH6 (𝑇𝑎× 𝑇ℎ) × 0,72 + 40,6 NRC, 1971 ITH7 (0,55 × 𝑇𝑎+ 0,2 × 𝑇𝑝𝑟) × 1,8 + 32 + 17,5 NRC, 1971 ITH8 𝑇𝑎+ 0,36 × 𝑇𝑝𝑟+ 41,5 Youssef, 1985 ITH9 (0,8 × 𝑇ℎ) − (( 𝐻𝑟 100) × (𝑇𝑎− 14,4)) + 46,4 Mader et al., 2006
d’eau dans l’air (Bernabucci et al., 2010). Ainsi, certaines équations contiennent l’humidité relative (Hr, %), d’autres valorisent la température du point de rosée (Tpr, °C) alors que certaines priorisent la température humide (Th, °C). Selon le Centre de conservation du Québec (2019), l’Hr est représentée par une gamme de valeurs allant de 0 à 100 % et est définie comme étant le ratio entre la quantité de vapeur d’eau contenue dans un volume d’air donné et le maximum qu’il pourrait contenir à une température et pression données. Pour leur part, Bohmanova et al. (2007) définissent la Tpr comme étant la température minimale à laquelle une masse d’air peut être soumise sans qu’il y aille de liquéfaction. Finalement, ces mêmes auteurs définissent la Th comme étant la température d'équilibre d'une masse d'eau s'évaporant dans l'air enregistrée grâce à un thermomètre dont le bulbe est recouvert d’un tissu mouillé. De fait, la Th est toujours inférieure à la température ambiante (Ta, °C) sauf lorsque l’humidité relative est égale à 100 %; les deux températures sont alors égales.
Dans un effort de comparer les différentes équations permettant de calculer l’ITH, Dikmen et Hansen (2009) ont utilisé huit équations d’ITH (ITH 1 à 3, 5 à 9 ; Tableau 1.4) en plus d’un modèle de base afin de prédire la température rectale de vaches en lactation logées en climat subtropical. Les auteurs ont conclu que les équations testées incluant le modèle de base et les équations d’ITH prédisaient de manière similaire la température rectale des animaux avec des coefficients de détermination (R2) variant de 0,39 à 0,43.
1.5.1.2 Les seuils de l’indice de température-humidité pouvant créer un stress de chaleur Dans les années 50 et 60, les valeurs d’ITH étaient arbitrairement séparées en cinq catégories. La première fait référence aux ITH ne provoquant pas de stress alors que les quatre autres font respectivement référence aux catégories pouvant causer un stress léger, modéré, sévère et fatal (Armstrong, 1994). Plus récemment, plusieurs seuils d’ITH, c’est-à-dire la valeur d’ITH minimale à laquelle il est possible d’observer l’apparition de stress de chaleur chez la vache laitière, ont été identifiés et sont maintenant retrouvés dans la littérature (Tableau 1.5).
Tableau 1.5 Résumé des différents seuils de température-humidité (ITH) chez les vaches laitières
Holstein retrouvés dans la littérature
1ITH5 = (1,8 × Ta + 32) – ((0,55 − 0,0055× Hr) × (1,8 × Ta− 26,8)); NRC, 1971 2É.-U. = États-Unis
3Plusieurs = plus d’une équation a été testée
Adapté de Wang et al., 2018
Le seuil d’ITH 72 était historiquement reconnu pour marquer l’initiation de la diminution de production laitière observée pendant un stress de chaleur. Toutefois, plusieurs auteurs ont récemment revu à la baisse ce seuil. La différence entre les seuils publiés par les auteurs s’explique par le fait que la tolérance aux conditions environnementales des vaches est dépendante de facteurs intrinsèques à l’animal (âge, masse corporelle, stade de lactation, statut physiologique, production laitière, génétique), mais aussi à des facteurs extrinsèques (le climat dans lequel il est élevé). De plus, tel que mentionné par Polsky et von Keyserglingk (2017), les seuils d’ITH peuvent également différer en fonction de l’équation utilisée pour calculer l’ITH. Toutefois, il est intéressant d’observer que la majorité des seuils de stress de chaleur présentés ont été définis grâce à l’équation ITH5 (NRC, 1971; Tableau 1.4). Il est également possible d’observer que les seuils d’ITH varient en fonction de la réponse physiologique mesurée (Hammami et al., 2013; Bernabucci et al., 2014).
1.5.1.3 Les sources des données utilisés dans le calcul de l’indice de température-humidité Les données climatiques (température et humidité) utilisées dans les équations d’ITH peuvent soit provenir de l’étable via divers types de capteurs ou de stations météorologiques locales situés à des distances variables des étables étudiées. L’utilisation de ces dernières a gagné en popularité dans les dernières années puisqu’elles sont facilement et gratuitement accessibles (Shock et al., 2016). De plus, elles permettent d’inclure plus facilement un plus grand nombre de troupeaux dans les études (Ravagnolo et al., 2000).
Auteurs Seuil Paramètre étudié Location Équation ITH1
Igono et al., 1992 72 Production laitière Arizona, É.-U.2 ITH5
Ravagnolo et al., 2000 72 Production laitière
Production protéines Géorgie, É.-U. ITH5
Ravagnolo et Misztal, 2002 72
76 Production laitière É.-U. du Nord É.-U. du Sud ITH5
Bohmanova et al., 2007 72 Production laitière Géorgie, É.-U. Plusieurs3
Bohmanova et al., 2007 74 Production laitière Arizona, É.-U. Plusieurs
Dikmen et Hansen, 2009 78,2 Température rectale Floride, É.-U. Plusieurs
Zimbelmann et al., 2009 68 Production laitière Arizona, É.-U. ITH5
Brügemann et al., 2012 60 Production laitière Allemagne ITH5
Hammami et al., 2013 62 Production laitière
Production protéines Production gras Luxembourg ITH5 Bernabucci et al., 2014 73‒76 65‒71 72‒ 73 Production laitière Pourcentage gras Production protéines
Gremona, Italie ITH5
Schüller et al. (2013) dans une étude menée en Allemagne et Shock et al. (2016) dans une étude menée en Ontario au Canada ont comparé les conditions environnementales mesurées à l’intérieur des étables à ceux mesurées aux stations météorologiques les plus proches. L’objectif poursuivi était de vérifier si ces dernières sont un substitut valide aux conditions environnementales des étables dans les équations d’ITH. Dans les deux cas, les auteurs ont démontré que la température mesurée aux stations météorologiques locales était significativement plus élevée que celle mesurée grâce aux capteurs placés dans les étables. Au contraire, les auteurs mentionnent que l’humidité relative était significativement plus élevée à l’intérieur des étables. Toutefois, pour Shock et al. (2016), cette relation n’était pas constante pendant l’été alors que l’humidité relative mesurée à l’étable était significativement plus faible que celle mesurée à la station pendant les mois d’août et de septembre.
Somme toute, les auteurs concluent que l’ITH mesuré pendant l’été à l’étable est significativement plus élevé de 3 à 4 unités comparativement à celui mesuré à la station météorologique. Ainsi, ces résultats indiquent que pour juger adéquatement du niveau de stress de chaleur des vaches laitières les données incluses dans les calculs actuels de l’ITH doivent provenir de l’étable. Si cela n’est possible, les seuils d’ITH utilisés doivent alors être adaptés afin de juger adéquatement du niveau de stress de chaleur subi par l’animal (Wang et al., 2018).
Malgré qu’il soit l’indice thermique le plus couramment utilisé pour juger du niveau de stress de chaleur chez la vache laitière, l’usage de l’ITH présente plusieurs limites. Les principales limites de l’indice sont le fait qu’il s’agisse d’une représentation empirique, qu’il assume que tous les animaux réagissent de la même façon à l’environnement et qu’il ne prend pas en considération l’effet du vent et des radiations solaires (Hammami et al., 2013; Wang et al., 2018). Dans le but de surmonter les limites de l’utilisation de l’ITH, d’autres indices thermiques ont récemment été développés.
1.5.2 Indice de température-humidité ajusté (ITHaj)
Afin d’améliorer la valeur prédictive de l’ITH calculé selon équation ITH5 (NRC 1971; Tableau 1.4) pour les animaux élevés à l’extérieur, Mader et al. (2006) y ont ajouté l’effet linéaire de la vitesse du vent (v, m/s) et des radiations solaires (rs, W/m2). Ainsi deux nouvelles équations ont été élaborées (ITHaj-h et ITHaj-d) :
ITHaj-h = 𝐼𝑇𝐻5 − 1,922 × 𝑣 + 0,0068 × 𝑟𝑠 + 4,51 ITHah-d = 𝐼𝑇𝐻5 − 3,075 × 𝑣 + 0,0114 × 𝑟𝑠 + 6,80
L’ITHaj-h représente l’indice développé avec des donnés mesurées sur une base horaire alors que l’ITHaj-d a été développé avec des données mesurées sur une base quotidienne. En bref, les équations démontrent qu’une augmentation de la vitesse du vent est traitée comme un effet de refroidissement (diminution de l’indice) alors que l’augmentation de la radiation solaire est considérée comme un effet réchauffant (augmentation de l’indice). Li et al. (2009) ont d’ailleurs observé que chez la vache laitière, l’ITHaj est plus fortement corrélé au taux de respiration (r = 0,65) et à la température de la peau des vaches (r = 0,52) que l’ITH calculé selon l’équation ITH5 (taux de respiration r = 0,39; température de la peau : r = 0,40). De plus, Hammami et al. (2013) recommandent d’utiliser l’ITHaj afin de juger du niveau de stress de chaleur de vaches laitières en climat tempéré lorsque celles-ci sont élevées à l’extérieur.
1.5.3 Indice température de globe noir-humidité (IGNH)
Buffington et al. (1981) ont pour leur part développé un indice thermique basé sur l’équation ITH8 (Youssef, 1985; Tableau 1.4) en remplaçant la température ambiante (Ta, °C) par la température de globe noir (Tbg, °C) :
𝐼𝐺𝑁𝐻 = 𝑇𝑏𝑔+ 0,36 × 𝑇𝑃𝑟+ 41,5
La température de globe noir est une mesure combinant les effets de la vitesse de l’air et des radiations solaires (Dimiceli et al., 2013). Elle est mesurée grâce à un capteur de cuivre sphérique noir de 15 cm de diamètre fixé à 2,1 m du sol (Wang et al., 2018). Dans leur étude, Buffington et al. (1981) ont démontré que la corrélation entre la production laitière et l’IGNH (R2 = 0,355) était plus élevée que celle mesurée entre la production laitière et l’ITH calculé selon l’équation ITH8 (R2 = 0,263) lorsque les vaches sont élevées à l’extérieur. Toutefois, les corrélations étaient similaires lorsque les animaux n’étaient pas exposés aux radiations solaires. Ainsi, il est recommandé d’utiliser l’IGNH lorsque les vaches laitières sont exposées aux radiations solaires.
1.5.4 Indice de température équivalente (ITE)
Baeta et al. (1987) ont aussi proposé un indice permettant d’évaluer le stress de chaleur chez les vaches laitières logées à l’intérieur. L’équation développée est basée sur une expérience menée en chambre climatique incluant cinq vaches laitières Holstein :
𝐼𝑇𝐸 = 27,88 − 0,456 × 𝑇𝑎+ 0,010754 × 𝑇𝑎2− 0,4905 × 𝐻𝑟+ 0,00088 × 𝐻𝑟2+ 1,15 × 𝑣 − 0,12𝑔44 × 𝑣2+ 0,019876 × 𝑇
L’indice de température équivalente est basé sur une Hr à 40 % et une vitesse de l’air (v; m/s) à 0,5 m/s. Ainsi, une augmentation de la vitesse au-dessus de cette valeur se traduit par un ITE négatif qui indique une sensation de refroidissement au niveau des animaux. Cet effet de refroidissement est exacerbé lorsque la température ambiante (Ta, °C) s’élève. Finalement, l’ITE assume qu’à température constante, l’effet de refroidissement perçu par un animal, lorsque la vitesse de l’air augmente, diminue lorsque l’Hr s’élève. L’indice de température équivalent est peu utilisé dans la littérature. Sa faible adoption s’explique par le fait que l’indice est dérivé d’observations effectuées sur une période de trois jours. Ainsi, les résultats mesurés ne peuvent pas nécessairement reflétés les effets à long terme des conditions climatiques (Hahn et al., 2009).
1.5.5 Indice d’accumulation de chaleur (IAC)
Gaughan et al. (2008) ont développé un indice comprenant la Tbg (°C), l’Hr (%) et la v (m/s) pour prédire le niveau de stress de chaleur chez les bovins. Deux équations ont été développées :
𝐼𝐴𝐶𝑇𝑏𝑔< 25 = 10,66 + 0,28 × 𝐻𝑟+ 1,3 × 𝑇𝑏𝑔− 𝑣 𝐼𝐴𝐶𝑇𝑏𝑔> 25 = 8,62 + 0,38 × 𝐻𝑟+ 1,55 × 𝑇𝑏𝑔− 0,5 × 𝑣 + 𝑒2,14−𝑣
Ainsi, les équations utilisées pour calculer l’IAC indiquent qu’une élévation de l’Hr (%) provoque un réchauffement lorsque la Tbg est supérieur à 25 °C. De plus, une augmentation des radiations solaires indique un réchauffement de l’animal alors qu’une augmentation de la vitesse du vent se traduit par un effet de refroidissement. Finalement, les différents coefficients inclus dans les équations indiquent que moins d’importance est accordée à l’Hr lorsque la Tbg est supérieure à 25 °C. da Silva et al. (2015) ont comparé les performances de prédiction de plusieurs indices thermiques basées sur plusieurs traits physiologiques mesurés chez des vaches élevées à l’extérieur dans un climat tropical. Leur analyse a démontré que l’IAC était l’indice le plus fortement corrélé à la température rectale (r = 0,374) et aux taux de respiration (r = 0,365).
1.5.6 Le sommaire de l’utilisation des indices thermiques
Les indices thermiques présentés se distinguent par la race utilisée pour développer l’indice, la réponse physiologique étudiée, le climat dans lequel l’expérience a eu lieu, etc. De plus, ils se distinguent par les paramètres environnementaux inclus dans les équations. Tout changement au niveau de ces paramètres (augmentation ou diminution) peut se traduire par un effet de réchauffement ou de refroidissement au niveau des animaux (Tableau 1.6). Les interactions entre les différents paramètres sont soit traitées différemment ou tout simplement omises dans les différentes équations présentées.
Tableau 1.6 Synthèse des caractéristiques du transfert de chaleur reflété dans indices thermiques
1Ta= Température ambiante, °C 2H= Humidité,
3rs= radiation solaire, W/m2 4v= vitesse de l’air, m/s
5ITH= Indice de température-humidité
6ITHadj= Indice de température-humidité ajusté 7 IGNH= Indice température de globe noir-humidité 8 ITE= Indice de température équivalente
9 IAC= Indice d’accumulation de chaleur
Adapté de Wang et al., 2018
En règle générale, les travaux effectués dans le but de comparer les différents indices démontrent que l’ajout de paramètres environnementaux permet d’augmenter la performance des indices à juger du niveau de stress de chaleur chez les animaux (Wang et al., 2018). Ainsi, le THIaj, l’IGNH, l’ITE et l’IAC performent mieux que l’ITH pour prédire la réponse physiologique des vaches, et ce, principalement lorsqu’elles sont élevées à l’extérieur. Toutefois, l’ITH se démarque des autres indices par sa simplicité et par le fait que la plupart des seuils de stress de chaleur ont été développés avec cet indice (Bernabucci et al., 2010). Enfin, puisqu’il ne prend pas en considération la vitesse de l’air et les radiations, l’usage de l’ITH est limité aux animaux élevés à l’intérieur (Li et al., 2009).