Dorper公羊在绝热蒸发冷却系统（AECS）运行期间的生理响应、阴囊热动力学与精液品质：红外热成像与地统计学联合分析

《Small Ruminant Research》：Physiological responses, scrotal thermal dynamics, and semen quality of Dorper rams during adiabatic evaporative cooling: an infrared thermography and geostatistical approach

　　

该研究评估了2023年4月至6月监测的20只Dorper公羊的生理响应、阴囊热动力学和精液特征。研究包括22 d的AECS运行前（pre-AECS）间期，随后为43 d的绝热蒸发冷却系统（adiabatic evaporative cooling system，AECS）运行间期，并设置4个评估时间点（P₁–P₄）。在09:00、13:00和17:00 h获取生理和热成像测量值，每21 d采集一次精液。对生理变量、精液特征及直肠-阴囊表面温差（rectal-to-scrotal surface temperature differences）采用重复测量分析，而对阴囊表面温度采用描述性统计和地统计学（geostatistics）进行空间评价。呼吸频率（respiratory rate，RR）、直肠温度（rectal temperature，RT）、被毛温度（coat temperature，TCOA）和眼球温度（ocular globe temperature，TOG）在较晚评估时间点总体下降，其响应取决于一天中的时间。近端至远端阴囊热梯度保持一致，远端区域在AECS运行期间表现出最大的时间变化和较低的空间变异性。质膜完整性（plasma membrane integrity，PMI）从P₁–P₂约59%增加至P₃–P₄的74–75%，而精液量（semen volume）、总精子活力（total motility）和精子浓度（sperm concentration）保持不变。精子块状运动（mass motility）和精子活力（vigor）呈现时间波动。主成分分析（principal component analysis，PCA）表明PMI与生理和热变量之间存在多变量关联。总体而言，生理响应、阴囊热动力学和PMI在整个实验序列中发生变化；然而，同期气象变化限制了将这些响应完全归因于AECS运行。

研究背景与问题：巴西伯南布哥州羊养殖增长，但半干旱地区高温和强太阳辐射限制生产和繁殖。绵羊为恒温动物，需处于热中性区；温度低于下临界温度或超过上临界温度（upper critical temperature，UCT）会引起热应激。热应激影响呼吸频率、直肠温度、被毛温度、眼球温度等生理指标，并损害睾丸温度调节、精子发生和精液品质。阴囊表面温度与睾丸热调节密切相关，红外热成像（infrared thermography，IRT）可非侵入监测体表温度，地统计学可评价表面温度空间变异性；但Dorper公羊在AECS运行序列中的生理、阴囊热动力学、精液品质与IRT、地统计学及多变量分析的整合研究仍有限。因此，研究人员开展该研究，评估pre-AECS和AECS运行间期内生理响应、阴囊热动力学和精液特征的时间变化。研究人员于2023年4月至6月，在巴西伯南布哥州Garanhuns商业羊场，对20只Dorper公羊（18 ± 2月龄，70 ± 3 kg）进行22 d pre-AECS和43 d AECS运行观察，设置P₁–P₄，在09:00、13:00和17:00 h测量，每21 d采精。结论为：生理响应、阴囊热动力学和PMI随实验序列变化；阴囊近端至远端热梯度维持，AECS运行期间远端空间变异降低；PMI在P₃和P₄升高；但同期自然气象变化限制将变化完全归因于AECS。其意义在于提示远端阴囊是热响应敏感区，并强调在顺序实验设计中需考虑气象混杂，为绵羊热应激监测提供整合性框架。

关键技术方法（≤250字）：样本队列来源为20只Dorper公羊，18 ± 2月龄，体重70 ± 3 kg，2023年4月至6月来自巴西Pernambuco州Garanhuns商业羊场（08°49′12″ S, 36°29′11″ W；866 m above sea level）。实验序列为22 d pre-AECS加43 d AECS运行，设P₁–P₄。每日09:00、13:00和17:00 h测定RR、RT，并用FLIR? E60红外热像仪获取阴囊表面温度、TCOA和TOG；阴囊分为近端、中端和远端。每21 d用人工阴道采精，评估精液量、总精子活力、vigor、mass motility、精子浓度和PMI。统计方法包括重复测量方差分析（Greenhouse–Geisser校正、Holm校正）、描述性统计、地统计学半变异函数与克里金插值、PCA。空气温度和相对湿度连续监测。

研究结果：
3.1 气温（Air temperature）：通过箱线图和连续监测，pre-AECS舍内平均气温为27.64 °C，7 d日均气温高于Dorper的UCT 28.40 °C，占该间期30.43%；AECS运行间期舍内平均气温为25.24 °C，比外环境低约1.24 °C，仅2 d日均气温高于UCT。但外部气温同期也下降，因此不能将舍内降温完全归因于AECS。
3.2 相对湿度（Relative humidity）：pre-AECS舍内平均相对湿度为60.08%，14 d低于低临界湿度（lower critical humidity，LCH）60%，占60.87%；AECS运行间期仅1 d日均相对湿度低于LCH，舍内平均相对湿度高于外环境。但研究期间降雨增加，自然气象亦使相对湿度升高，故AECS与自然气象影响不能完全分离。
3.3 生理变量（Physiological variables）：采用两因素重复测量分析。RR受评估时间点、日间时间及其交互影响（p < 0.001），13:00 h响应最强，P₁最高，P₂下降，P₃和P₄明显较低。RT受评估时间点和交互影响（p < 0.001），日间时间主效应不显著（p = 0.227），P₁的13:00 h最高，后续总体较低。TCOA和TOG也受评估时间点、日间时间及交互影响（p < 0.001），总体在后期降低。结论为生理热响应在较晚时间点减弱，但与自然气象变化同期。
3.4 阴囊温度（Scrotal temperature）：通过描述性统计，四个时间点均保持近端至远端表面温度递减，变异系数低于1%。P₄远端平均温度最低；从P₁至P₄，远端约下降1.10 °C，近端约0.34 °C，中端约0.45 °C，远端时间响应最大。VAR1、VAR2和VAR3分别显著受评估时间点影响（p = 0.007、p < 0.001、p < 0.001）；VAR2和VAR3在P₂最高，VAR3在P₃最低。结论为直肠-阴囊表面温差动态变化，梯度变化不能单独解释为繁殖改善。
3.5 克里金图（Kriging maps）：地统计学显示三个阴囊区域在pre-AECS和AECS运行间期均存在空间依赖，高斯模型最佳，R²为0.92–0.99，空间依赖强。AECS运行间期sill降低：近端0.11降至0.08，中端0.20降至0.11，远端0.32降至0.13，range缩短。克里金图显示AECS运行间期温度类别向低温移动，远端空间变化最大，范围由约30.48–31.48 °C变为30.08–30.68 °C，等值线间距更宽。近端至远端平均梯度在pre-AECS约1.27 °C，在AECS运行间期约1.80 °C。结论为AECS运行期间阴囊表面温度空间变异降低，远端最敏感，但梯度大小不等同于繁殖功能改善。
3.6 精液品质参数（Semen quality parameters）：通过重复测量分析，精液量无显著差异（p = 0.516，0.82–1.00 mL）；精子浓度无显著差异（p = 0.194，从4.20 × 10⁹ spermatozoa mL^?1增至约5.04 × 10⁹ spermatozoa mL^?1）；总精子活力无显著差异（p = 0.924，67.5–69.5%），低于CBRA推荐的75%。mass motility受评估时间点影响（p = 0.020），P₃最高（4.90 ± 0.31），高于P₁和P₄，但全程高于4。vigor受评估时间点影响（p = 0.007），P₁高于P₂，全程高于3。PMI响应最清晰（p < 0.001）：P₁为59.2 ± 5.06%，P₂为58.5 ± 3.98%，P₃为73.7 ± 4.31%，P₄为75.0 ± 5.84%，P₃和P₄显著高于P₁和P₂。结论为PMI在后期间持续升高，mass motility和vigor为非方向性波动，精液量、总活力和浓度未变，但PMI不能完全归因于AECS。
3.7 主成分分析（Principal Component Analysis）：PCA纳入生理变量、阴囊表面温度、VAR1–VAR3和精液特征。前两个主成分解释60.00%总方差，PC1解释33.90%，PC2解释26.10%，特征值分别为5.42和4.16。PC1主要由阴囊表面温度负载荷和VAR正载荷构成，生理指标位于负方向；PC2中RR、TCOA、RT、TOG和VAR为负载荷，PMI正载荷最强。得分分布显示AECS运行间期观测偏向PC2正方向，与PMI较高一致。结论为PMI与生理和热变量存在多变量关联，但非因果关系。

讨论部分总结：讨论将结果与McManus et al.、Lees et al.、Czekoski、Maurya et al.、Alves et al.、Moura et al.、Júnior et al.、Kahwage et al.、Kastelic et al.、Cambardella et al.、Lucio et al.、Amamou et al.、Garcia-Oliveros et al.、Pereira et al.和Yousef et al.等报道进行比较，强调环境热负荷、湿度阈值、生理指标、阴囊热梯度和精液特性对热条件的差异敏感性。关键限制是顺序实验设计：AECS运行与4月至6月自然气温下降、相对湿度升高和降雨增加同期，故不能完全分离AECS与自然气象的影响。阴囊远端在时间变化和空间变异上最敏感，近端至远端梯度维持及空间变异降低反映热调节组织变化，但不能独立解释为繁殖改善。PMI升高是精液特性中最持续的时间响应，但仍应解释为实验序列中的关联。21 d采样间隔仅覆盖部分精子发生过程，限制所有精液性状同步响应的预期。

研究结论翻译：生理响应在四个评估时间点间变化，RR、RT、TCOA和TOG在较晚评估时总体较低。这些变化与AECS运行同时发生，但也与实验期间气温自然下降和相对湿度自然升高同期出现。因此，生理响应不能完全归因于冷却系统。阴囊热成像一致显示近端至远端热梯度，而地统计学分析表明AECS运行间期阴囊表面温度空间方差降低，尤其是远端区域。远端还表现出最大的表面温度描述性时间变化，进一步支持其作为监测阴囊热动力学敏感区域的价值。然而，梯度大小的变化不应被独立解释为繁殖功能改善证据。在精液特征中，PMI表现出最清晰且最持续的时间响应，P₃和P₄高于P₁和P₂。mass sperm motility和vigor也随评估时间点变化，但未显示一致方向性模式，而精液量、总精子活力和精子浓度保持统计学不变。PCA表明PMI与生理和热响应之间存在多变量关联，支持对整个实验序列中热与精液变化进行整合解释。总体而言，该研究显示生理响应、阴囊热动力学和精子PMI存在协调的时间变化。然而，由于AECS运行按顺序发生并与自然气象进展同期，这些发现应解释为实验序列中观察到的关联，而非完全归因于冷却系统的效应。