With falling temperatures, the animals showed increased huddling. .... ofthe animals, such as eg. different feeding systems with a reduced animal-feeding place.
Diss. ETH No. 15289
Fattening pigs at low and high ambient temperatures: Interrelated effects on Iying behaviour, adrenocortical activity and vocalisation
A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of Doctor ofNatural Seiences
presented by
Edna Hillmann Dipl.-biol., FU Berlin bomJuly 17, 1973, Germany
accepted on the recommendation of Prof. Dr. Wolfgang Langhans, examiner Dr. Lars Schrader, coexaminer PD Dr. Beat Wechsler, coexaminer
Zurich 2003
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1 SUMMARY Extreme ambient temperatures can pose a significant problem for domestic pigs. On the one hand, they possess few sweat glands, which makes them susceptible to high ambient temperatures; on the other hand, they have no thick fur to protect them against the cold. For this reason, domestic pigs are dependent upon behavioural reactions for adapting to the prevailing ambient temperatures. In conventional housing conditions, however, this adaptation is only possible to a limited extent, if the animals are kept in pens where there is no functional structure conceming lying and dung areas, if they cannot freely choose their lying positions because of the limited space available, or if the lying area is not sufficiently insulated for want of straw or a resting kennel. The animals' adaptability, however, does not only depend directly on the conditions in which they are kept, but on other factors as weIl, such as air humidity and air movement in the pens, as weIl as on breed, weight, state of health and feed of the pigs. One ofthe aims ofthis thesis was to determine whether ethological and physiological parameters could be used to establish temperature ranges in which fattening pigs of different weight classes show no behavioural and adrenocortical reactions towards temperature in a dualsurface pen. The results should also provide guidelines with respect to temperature conditions that are optimal with regard to animal welfare. Such temperature ranges might be used for practical recommendations or even basic legal principles. A further main emphasis was the question of whether the animals' vocalisations, in addition to their lying behaviour and cortisol secretion (both parameters which are very difficult to measure in on-farm conditions), may also be used to make statements on their adaptive reactions. The use of vocalisation analysis would have the advantage of enabling automatic monitoring which could be used in on-farm conditions. The main study of the project is introduced in the fourth and fifth chapters. Here, the lying behaviour and vocalisation of fattening pigs in three weight classes were recorded at different ambient temperatures relevant to on-farm situations (2-29 Oe). The animals were kept in the experimental pig house ofthe Swiss Federal Research Station for Agricultural Economics and Engineering at Taenikon (FAT), in a closed house with a bedded, partiaIly slatted floor. Furthermore, saliva samples were taken from the animals on the days of the experiment and the concentrations of cortisol contained therein were determined. The animals' lying behav-
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iour was evaluated from a video recording. Their vocalisations were analysed with the aid of a sound analysis program based on a neuronal network. This system (STREMODO®) is programmed so that it can recognise call types with specific characteristics. Hence, it is able to record just those call types which the system was trained to pick up, whilst ignoring other call types and background noise. The program was trained for this project with calls that occur in the context of disturbed lying behaviour (eg. when one animal tries to lie on top of another). For the sake of simplicity, such sounds are described in this paper as high-jrequency vocalisation, although this constitutes a simplification of sound classification, since the latter is not
only based on the frequency characteristics ofthe calls (Chapter five). The data on lying behaviour, vocalisation, and the amount of cortisol in the saliva of the animals were evaluated with linear mixed-effect models taking account of the hierarchieal and partially unbalanced design of the experiment. Optimal temperature ranges were calculated separately for the different weight classes with the aid of logistic regressions. For this, the temperature onwards from which, according to the model, 20% of the animals show the behavioural patterns in question, was established as a critical boundary. At high ambient temperatures, there was an increase both in lying without physical contact with conspecifics and lying in the dung area. This behaviour allows the animals to increase heat dissipation to the environment, thereby cooling them down. Lying in the dung area, however, leads to a worsening of hygiene and air quality. Since in natural conditions pigs situate their dung area well away from their sleeping area, this behaviour also represents a clear deviation from their natural behaviour, which should be avoided if possible. With falling temperatures, the animals showed increased huddling. This behaviour serves to reduce heat loss to the environment. Huddling constitutes an extreme form of contact lying, in which the animals lie on top of each other. This leads to an altered resting behaviour, since as soon as one animal in the centre of such a huddle gets up, the resting behaviour of all the other animals is also disturbed. For this reason, huddling is also considered as a form of adaptation to the cold only indirectly corresponding to natural behaviour, as an increase in contact lying.
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Based on the analysis of the behavioural patterns lying without contact to penmates and huddling, temperature ranges were identified, that are suggested to be optimal with regard to animal welfare (Chapter 4): (a)
19-21 °C for pigs between 25 and 35 kg (lying area: 0.46 m2/animal)
(b)
10-17 "C for pigs between 50 and 70 kg (lying area: 0.67 m2/animal)
(c)
5-17 "C for pigs over 85 kg (lying area: 0.67 m2/animal).
In addition, the pigs in the highest weight dass showed an increased concentration of cortisol in saliva at high temperatures. This indicates that at summer temperatures, these animals showed a physiological stress reaction in addition to behavioural adaptations. From these results, it can be conc1udedthat the animals should be offered a means of cooling down (such as eg. a shower) when temperatures rise, and an insulating lying area when temperatures fall. In the second part of the project the suitability of vocalisation as an indicator for the adaptive reactions found in the first part was investigated. The proportion ofhigh-frequency vocalisation was positively correlated with the proportion of animals huddling. This correlation varied for the individual weight classes. In the case of lightweight animals, an increase in huddling did not lead directly to an increase in high-frequency vocalisation, whilst finishing pigs displayed high-frequency vocalisation, although they only huddled when the ambient temperature was 4-8 °C. With medium-weight animals, the increase in huddling and in highfrequency vocalisation ran approximately parallel courses within the temperature range 416°C. A direct correlation between high-frequency vocalisation and adrenocortical activity could not be proven. The results of the second part of the project show that huddling, at least in the case of fattening pigs over 50 kg, leads to the animals' disturbing each other's lying behaviour, and that this disturbance is accompanied by a change in vocalisation. Lighter animals appear to be less stressed by huddling. One possible explanation for this is that, as their weight increases, the animals become less tolerant of penmates lying on top of them. The analysis of highfrequency vocalisation therefore proved to be a highly suitable way of recording behavioural adaptations to the cold in pigs weighing over 50 kg. The experiment described in Chapter 6 tested whether more available space could reduce the animals' stress reactions to prolonged high temperatures. To this end, two groups of fattening pigs at a time were kept simultaneously in pens of different size. One of the pens corre-
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sponded to the minimum size stipulated in the Swiss Animal Protection Ordinance, whilst the surface area of the other pen was twice as big. We tested the hypothesis that the increased space enabled the animals to avoid physical contact with penmates when lying, and that the dung area was consequently used less for lying. In addition, it was expected that the animals in the small pen would show increased adrenocortical activity owing to the limited opportunity for behavioural adaptation. With rising temperatures, the pigs in the small pen showed a tendency to use the dung area for lying sooner than the animals in the large pen. The latter in turn were somewhat more likely to avoid physical contact with their penmates when lying.
These results indicate that the animals in the small pen reacted differently to the high temperatures. The animals in the large pen showed a higher basal cortisol concentration. In all groups, prolonged heat stress led to increased cortisol secretion. Based on the results of the behavioural observations, it may be possible to reduce lying in the dung area by making more space available. Establishing specific absolute temperature limits does not adequately take account of the multitude of possible influences on adaptation to temperature. We therefore suggest that the animals' adaptive reactions be recorded right there in their housing, and that it be deduced from this when additional management methods are needed in order to enable the animals to adapt to the ambient temperature. Such a method might be 'acoustic monitoring' , which has proven itself in this paper to be well suited to recording adaptive reactions to cold. With the help of an acoustic monitoring system, it would be possible to implement measures such as the switching on of heat or the making available in a targeted fashion of an insulating lying area or a larger quantity of straw. The use of this method, however, is also possible for additional applications, for example for the assessment of animal welfare in housing conditions which possibly influence the vocalisation ofthe animals, such as eg. different feeding systems with a reduced animal-feeding place ratio.
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2 ZUSAMMENFASSUNG Extreme Umgebungstemperaturen können für Hausschweine ein schwerwiegendes Problem darstellen. Zum einen besitzen sie nur wenige Schweißdrüsen, was sie anfällig gegen hohe Temperaturen macht, zum anderen verfügen sie nicht über ein dichtes Fell, das sie gegen Kälte schützen würde. Aus diesen Gründen sind Hausschweine darauf angewiesen, sich über Verhaltensreaktionen an die herrschenden Umgebungstemperaturen anpassen zu können. Dies ist unter konventionellen Haltungsbedingungen jedoch nur bedingt möglich. Schweine können sich nur schlecht an hohe Umgebungstemperaturen anpassen, wenn sie in Buchten gehalten werden, in denen es keine funktionelle Strukturierung in Liege- und Kotbereich gibt, und sie aufgrund des limitierten Platzangebotes ihre Liegepositionen nicht frei wählen können. Bei Kälte kann ihre Anpassungsfähigkeit beeinträchtigt sein, wenn die Liegefläche mangels Stroh oder Liegekiste kein ausreichend warmes Mikroklima bietet. Die Anpassungsfähigkeit der Tiere hängt aber nicht nur direkt von den Haltungsbedingungen ab, sondern zusätzlich noch von anderen Faktoren, wie Luftfeuchtigkeit und Luftbewegung im Stall, Rasse, Gewicht, Gesundheitszustand oder Fütterung. Ein Hauptziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob ethologische und physiologische Parameter dazu genutzt werden können, Temperaturbereiche festzulegen, in denen Mastschweine verschiedener Gewichtsklassen in einer Zweiflächenbucht in ihrer physiologischen und verhaltensmässigen Anpassung nicht überfordert werden. Die Ergebnisse sollten Richtwerte für unter dem Gesichtspunkt des Tierschutzes akzeptable Temperaturbedingungen liefern, die in Empfehlungen an die Praxis oder in auch gesetzliche Grundlagen einfließen können. Im Folgenden werden solche Temperaturbedingungen als für Mastschweine optimale Temperaturen bezeichnet. Einen weiteren Schwerpunkt bildete die Frage, ob neben dem Liegeverhalten und der Cortisolausschüttung (beides Parameter, die unter Praxisbedingungen nur mit sehr großem Aufwand erfassbar sind) auch die Vokalisation von Mastschweinen als Indikator herangezogen werden kann, um Aussagen über deren Anpassungsreaktionen an Umgebungstemperaturen zu machen. Dieser Indikator hätte den Vorteil, dass er automatisiert erfasst und ausgewertet werden könnte, so dass er unter Praxisbedingungen gut anwendbar wäre. Zu Beginn (Kapitel vier und fünf) wird die Hauptstudie des Projektes vorgestellt, in der das Liegeverhalten und die Vokalisation von Mastschweinen in drei Gewichtsklassen bei unterschiedlichen, praxisrelevanten Umgebungstemperaturen (2 - 29°C) erfasst wurden. Bei den
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Versuchstieren handelte es sich um insgesamt 12 Gruppen
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Mastschweine der Rasse
"Schweizer Edelschwein". Die Tiere wurden im Versuchsstall der Forschungsanstalt für Agrarwirtschaft und Landtechnik (FAT) in einem geschlossenen Stall mit eingestreutem Teilspaltenboden gehalten. Das Liegeverhalten der Tiere wurde ab Video ausgewertet. Die Vokalisation der Tiere wurde kontinuierlich aufgezeichnet und mit Hilfe eines Lautanalyseprogramms analysiert, das auf einem neuronalen Netz basiert. Dieses System (STREMODO®) kann Lauttypen mit bestimmten Eigenschaften erkennen. Es ist es in der Lage, nur solche Laute zu protokollieren, auf die es trainiert wurde, andere Laute und Hintergrundlärm jedoch zu ignorieren. Das Programm wurde für dieses Projekt mit Lauten angelernt, die im Zusammenhang mit sozialen Interaktionen beim Liegeverhalten auftreten (z.B. wenn ein Tier versucht, sich auf ein anderes zu legen). Solche Laute werden in dieser Arbeit der Einfachheit halber als "hochfrequente Vokalisation" bezeichnet, obwohl dies eine Vereinfachung der Lautklassifizierung darstellt, da diese nicht nur auf den Frequenzeigenschaften von Lauten basiert (Kapitel fünf). Zusätzlich zur Erfassung von Liegeverhalten und Vokalisation wurden an den Versuchstagen von den Schweinen Speichelproben genommen und die darin enthaltene Konzentration an Cortisol bestimmt. Die Daten zu Liegeverhalten, Vokalisation und Cortisolkonzentration im Speichel der Tiere wurden mit linearen gemischten Modellen ausgewertet, die das hierarchische und zum Teil unbalancierte Versuchsdesign berücksichtigten. Bereiche von optimalen Temperaturen wurden mit Hilfe logistischer Regressionen für die unterschiedlichen Gewichtsklassen getrennt berechnet. Hierzu wurde als kritische Grenze diejenige Temperatur festgelegt, ab der gemäß Modell 20% der Schweine temperaturinduzierte Verhaltensänderungen (Liegen im Kotbereich, Liegen ohne Körperkontakt, Haufenlage) zeigten. Bei hohen Umgebungstemperaturen nahmen das Liegen ohne Körperkontakt und das Liegen im Kotbereich zu. Mit diesen Verhaltensweisen können die Tiere die Wärmeabgabe an die Umgebung erhöhen und sich dadurch abkühlen. Liegen im Kotbereich, dessen Boden den Tieren verstärkt Wärme entzieht, führt jedoch zu einer Verschlechterung von Hygiene und Luftqualität. Bei sinkender Temperatur zeigten die Schweine vermehrt Haufenlage. Dieses Verhalten dient der Reduzierung des Wärmeverlustes an die Umgebung. Die Haufenlage stellt eine ausgeprägte Form des Kontaktliegens dar, bei der sich die Tiere übereinander legen, um den Kon-
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takt mit dem Boden zu vermindern und sich an Buchtengenossen zu wärmen. Dies führt zu Störungen des Liegeverhaltens, denn wenn ein Tier aus der Mitte eines solchen Haufens aufsteht, können auch die Ruhephasen der übrigen Tiere gestört werden. Basierend auf der Analyse der Verhaltensmuster Liegen ohne Körperkontakt und Haufenlage ergaben sich folgende Temperaturbereiche, die aus Sicht des Tierschutzes als optimal bezeichnet werden können (Kapitel 4): (a)
19-21 "C für Schweine zwischen 25 und 35 kg (bei emer Liegefläche von 0.46 m2/Tier)
(b)
10-17 e
für Schweine zwischen 50 und 70 kg (bei emer Liegefläche von
0.67 m 2/Tier) (c)
5-17 "C für Schweine über 85 kg (bei einer Liegefläche von 0.67 m 2/Tier).
Betrachtet man anstelle des Verhaltensmusters Liegen ohne Körperkontakt das Liegen im Kotbereich, so verschieben sich die oberen Temperaturgrenzen in allen Gewichtsklassen um 5-6 "C nach oben. Schweine der höchsten Gewichtsklasse wiesen bei hohen Temperaturen eine erhöhte eortisolkonzentration im Speichel auf. Die Tiere zeigten somit bei Sommertemperaturen zusätzlich zu den Verhaltensanpassungen auch eine physiologische Belastungsreaktion. Aus den Ergebnissen dieses Projektteiles wird gefolgert, dass Schweinen bei steigenden Umgebungstemperaturen eine Abkühlungsmöglichkeit (wie z.B. eine Dusche) und bei sinkenden Temperaturen eine isolierende Liegefläche angeboten werden sollte. Im zweiten Teil des Projektes wurde die Eignung der Vokalisation als Indikator für die im ersten Teil gefundenen Anpassungsreaktionen untersucht. Der Anteil hochfrequenter Vokalisation an allen erfassten Signalen war mit dem Anteil der Schweine einer Gruppe, die Haufenlage zeigten, positiv korreliert. Dieser Zusammenhang war für die einzelnen Gewichtsklassen jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt. Bei den leichten Tieren führte ein Anstieg der Haufenlage erst im Temperaturbereich von 4-8 "C zu einer Erhöhung der hochfrequenten Vokalisation. Demgegenüber zeigten Schweine in der Endmast schon im Bereich von 9-12 "C vermehrt hochfrequente Vokalisation, obwohl sie erst dann im Haufen lagen, wenn die Umgebungstemperatur 4 - 8 "C betrug. Bei mittelschweren Tieren verliefen der Anstieg der Haufenlage und der des Anteils an hochfrequenter Vokalisation über den Temperaturbereich 416 "C parallel. Bei hohen Umgebungstemperaturen (>21°C) trat bei keiner Gewichtsklasse
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gehäuft hochfrequente Vokalisation auf. Ein direkter Zusammenhang zwischen hochfrequenter Vokalisation und Cortisolkonzentration im Speichel konnte nicht nachgewiesen werden. Die Ergebnisse des zweiten Teils des Projekts belegen, dass der Anteil hochfrequenter Vokalisation ein gut geeigneter Indikator ist, um bei Schweinen über 50 kg auf Verhaltensanpassungen im Liegeverhalten (Haufenlage) an Kälte schließen zu können. Leichtere Schweine scheinen durch die Haufenlage weniger gestört zu werden. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass die Tiere mit zunehmendem Gewicht immer weniger tolerieren, dass sich Buchtengenossen auf sie legen. Anpassungen im Liegeverhalten an hohe Umgebungstemperaturen können mit dem Indikator "hochfrequente Vokalisation" nicht erfasst werden. In dem in Kapitel 6 beschriebenen Experiment wurde zusätzlich geprüft, ob ein größeres Platzangebot Belastungsreaktionen von Mastschweinen auf lang anhaltend hohe Umgebungstemperaturen reduzieren kann. Hierzu wurden je zwei Gruppen von 9 Mastschweinen zeitgleich in zwei verschieden großen Buchten mit Teilspaltenboden gehalten. Eine der Buchten hatte eine Liegefläche von 0.67 m2 pro Tier und eine perforierte Kotfläche von 0.35 m2 pro Tier (Mindestmass gemäß Schweizer Tierschutzverordnung: 0.65 m2 Gesamtfläche pro Tier), während diese Flächen in der anderen Bucht doppelt so groß waren. Es wurde die Hypothese getestet, dass das vergrößerte Platzangebot es den Tieren bei hohen Temperaturen ermöglicht, auch bei gleichzeitigem Liegen auf der Liegefläche Körperkontakt zu vermeiden und dass sie somit zum Liegen weniger auf den Kotbereich ausweichen. Zusätzlich wurde erwartet, dass die Tiere in der kleinen Bucht durch die eingeschränkte Möglichkeit der Verhaltensanpassung eine erhöhte Cortisolkonzentration im Speichel aufweisen. Die Schweine in der kleinen Bucht nutzten den Kotbereich tendenziell schon bei tieferen Temperaturen zum Liegen als die Tiere in der großen Bucht. Diese wiederum vermieden beim Liegen tendenziell häufiger den Körperkontakt zu Buchtengenossen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Platzangebot die Anpassungsreaktionen der Schweine beeinflusste. Die Langzeitbelastung durch Hitze führte bei allen Gruppen zu einer erhöhten Cortisolausschüttung, allerdings wiesen die Tiere in der großen Bucht eine höhere Basalkonzentration an Cortisol auf. Ausgehend von den Ergebnissen der Verhaltensbeobachtungen scheint es jedoch möglich, die Anpassungsreaktionen durch ein vergrößertes Platzangebot dahingehend zu reduzieren, dass sie erst bei höheren Umgebungstemperaturen auftreten.
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Ein Festlegen absoluter Temperaturgrenzen wird der Vielzahl möglicher Einflüsse auf die Temperaturanpassung unter Praxisbedingungen möglicherweise nicht ausreichend gerecht. Aus diesem Grund wird angeregt, die Anpassungsreaktionen der Tiere im Stall direkt zu erfassen, und davon abzuleiten, wann zusätzliche Managementmaßnahmen notwendig sind, um den Tieren eine Anpassung an die Umgebungstemperatur zu ermöglichen. Eine solche Methode könnte ein "akustisches Monitoring" sein, das sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen hat, um Anpassungsreaktionen an Kälte zu erfassen. Mit Hilfe eines akustischen Überwachungssystems wäre es möglich, Massnahmen wie das Einschalten einer Heizung, das Anbieten einer isolierenden Liegefläche oder einer grösseren Menge Stroh gezielt einzusetzen. Ein Einsatz dieser Methode ist aber auch für weitere Fragestellungen denkbar, zum Beispiel für die Beurteilung der Tiergerechtheit von anderen Haltungsbedingungen, die die Lautgebung von Tieren beeinflussen können, wie zum Beispiel Fütterungssysteme mit eingeschränktem Tier-Fressplatzverhältnis für Schweine.
