Influence of estrus on rumination, activity, feed and water intake of dairy cows

Abstract

The detection of estrus is one of the major factors affecting the reproductive performance of dairy cows, especially in farms using AI. Failure to detect estrous behaviors and false positive results leads to missed inseminations and, thus, economic losses. Technical methods providing detailed information and continuous monitoring of the individual cow have been developed to support herd managers in determining the onset of estrus. Whereas increased activity behavior is regarded as indicative of estrus, little to nothing is known about the effect of estrus on daily rumination or feed and water consumption. The overall objective of the studies presented in this thesis was to investigate whether these traits were associated with estrus in dairy cattle. To ensure true estrus, only estruses leading to conception after AI were included in the investigations. Values of the estrous day (d 0) were compared with the reference period defined as the mean of 3 days prior and 3 days post d 0. Recording of data in 2-h time intervals provided information on circadian rhythms. For measurement of individual RT, cows of five commercial farms were equipped with the HR-Tag monitoring system (SCR Engineers Ltd., Netanya, Israel) containing a microphone attached to the neck collar of each cow. In study 1, it was found for the first time that RT was - with large inter-individual variation - significantly influenced by cow s estrus as animals spent less time ruminating on d 0 relative to the base level during the reference period (374 versus 442 min). Rumination time decreased gradually starting two days before the onset of estrus. The minimum level was identified on d 0, after which RT returned to base level again. As RT is closely linked to feeding characteristics, these results predicted that further feeding characteristics may also be reduced at estrus. Hence, study 2 carried out on a research farm focused on cow s feed and water consumption which were automatically measured by troughs placed on an electronic floor scale. Indeed, with a decline of on average 14.6%, most cows (85%) consumed 70 significantly less dry matter of the forage ration - CI was not affected by estrus - during estrus in comparison to non-estrous days (20.4 versus 23.0 kg). Similarly, estrual cows drank less water. WI was reduced by 15.3% in 67% of all cows, with the lowest value determined on the day before estrus relative to the reference period. Consequently, BW recorded by a walk-through scale showed lower values in 69% of the animals at estrus, reflecting the decrease in rumen content caused by reduced DMI and WI. Simultaneous analysis of RT and activity behavior in study 3 verified our hypothesis of a direct relationship between the alterations in these traits. Monitoring of activity was performed by a collar-mounted system that continuously measures estrus-related accelerations resulting from upward movements of the head and neck during walking and mounting. With no difference between Holstein and Simmental cows activity enhanced on average by 38.7%. On d 1 activity declined to base level again, concomitant with the increase in RT. The percentage of estrual cows with increased activity was lower than of those with shorter RT (76.5 versus 86.2%). Both RT and activity behavior during estrus were correlated with parity as well as average daily milk yield. Changes during estrus were more pronounced in primiparous cows than in multiparous herd mates. Additionally, study 3 revealed that cows with a daily milk yield > 40 kg exhibited the greatest decline in time spent ruminating compared to those with a production ≤ 40 kg per day. A weak trend for a less pronounced activity increase was detected in high-yielding cows. The circadian rhythms of RT and activity behavior were bimodal. Activity behavior was found to be decreased in the afternoon and during nocturnal hours in the reference period when cows spent most time ruminating. Cows expressed highest activity and lowest RT between 0200 and 0800 and 0400 and 1000 h on the day of estrus. In conclusion, previously unknown as being indicative for estrus, rumination was found to be significantly reduced at the onset of cow s estrus. Furthermore, feed and water 71 consumption as well as BW were markedly decreased by estrus, whereas activity behavior measured by collar-mounted acceleration technology was significantly increased. Comprehensive knowledge of the behavioral characteristics of cow s estrus is essential to recognize cows in estrus. The results of the presented studies give rise to further research including the development of algorithms to determine how the analyzed traits may support herd managers in detecting estrual animals and, thus, to improve daily reproductive management. Die Brunsterkennung ist eine der Haupteinflussfaktoren fur die Fruchtbarkeitsleistung von Milchkuhen. Dies gilt insbesondere fur solche Betriebe, in denen die kunstliche/instrumentelle Besamung praktiziert wird. Ein Ubersehen der Brunst sowie falschpositive Ergebnisse bei der Trachtigkeitsuntersuchung resultieren meist in Fehlbesamungen und somit in okonomischen Verlusten. Technische Hilfsmittel, die zur Unterstutzung des Herdenmanagers bei der Bestimmung des Brunstbeginns entwickelt wurden, liefern detaillierte Informationen und eine kontinuierliche Kontrolle des Einzeltieres. Wahrend ein gesteigertes Aktivitatsverhalten charakteristisch fur das Vorliegen einer Brunst ist, war bisher wenig bis nichts uber die Effekte der Brunst auf die tagliche Wiederkauzeit sowie Futter- und Wasseraufnahme bekannt. Das ubergeordnete Ziel der in dieser Dissertation vorgestellten Studien war es zu untersuchen, ob es einen Zusammenhang zwischen der Brunst und diesen Zielgrosen bei Milchkuhen gibt. Um sicherzugehen, dass es sich um eine echte Brunst handelte, wurden ausschlieslich Zyklen, die zur Konzeption nach KB gefuhrt haben, in die Untersuchungen einbezogen. Die Werte am Tag der Brunst (Tag 0) wurden mit der Referenzperiode, dem Mittel der 3 Tage vor und 3 Tage nach dem Tag 0, verglichen. Die Erfassung der Daten in 2-Stunden-Intervallen ermoglichte die Darstellung von Tagesrhythmen. Fur die Messung der Wiederkauaktivitat waren die Kuhe von 5 Betrieben mit dem HR-Tag-System (SCR Engineers Ltd., Netanya, Israel) ausgestattet, dessen integriertes Mikrofon am Halsband der Kuh befestigt war. In Studie 1 wurde erstmals nachgewiesen, dass die tagliche Wiederkaudauer - mit einer grosen inter-individuellen Variabilitat - signifikant durch die Brunst der Kuhe beeinflusst wird; die Tiere ruminierten am Tag 0 wesentlich weniger im Vergleich zum 73 Referenzzeitraum (374 versus 442 min). Wahrend der graduelle Ruckgang der Wiederkauzeit bereits zwei Tage vor Brunstbeginn startete, wurde das Minimum am Tag 0 identifiziert. Da die tagliche Wiederkauaktivitat eng im Zusammenhang mit dem Futteraufnahmeverhalten steht, fuhrten diese Ergebnisse zu der Vermutung, dass auch die Futteraufnahme wahrend der Brunst verandert ist. Demzufolge wurde in Studie 2 der Fokus auf die Futter- und Wasseraufnahme, die automatisch per Wiegetrog gemessen wurden, gelegt. Tatsachlich konsumierten die meisten Kuhe (85 %) mit einer Abnahme von im Mittel 14,6 % signifikant weniger Trockenmasse der Grobfutterration am Tag des Ostrus - die Kraftfutteraufnahme wurde nicht durch die Brunst beeinflusst - im Vergleich zu den diostrischen Tagen (20,4 versus 23,0 kg). Gleichermasen tranken die Tiere weniger. Bei 67 % aller Kuhe war die Wasseraufnahme um 15,3 % reduziert mit dem niedrigsten Wert am Tag vor der Brunst. Die Lebendmasse, die mittels einer Durchtreibewaage erfasst wurde, war bei 69 % aller brunstigen Tiere am Tag 0 verringert, was auf den geringeren Panseninhalt bzw. die Depression des Futter- und Wasserkonsums zuruckzufuhren ist. Die simultane Auswertung des Ruminations- und Aktivitatsverhaltens in Studie 3 verifizierte die Hypothese, dass es eine direkte Beziehung zwischen den Veranderungen dieser beiden Faktoren gibt. Das Aktivitatsmonitoring erfolgte uber ein Halsband-System (HR-Tag), das kontinuierlich brunstbedingte Kopf- und Halsbewegungen wahrend des Gehens und Aufspringens aufzeichnete. Die Aktivitatssteigerung betrug im Mittel 38,7 %, wobei es keine Unterschiede zwischen Holstein- und Fleckviehkuhen gab. Am Tag nach dem Ostrus fiel die Aktivitat, einhergehend mit einer Zunahme der Wiederkaudauer, wieder auf den Basalwert ab. Der Anteil an brunstigen Kuhen mit verkurzter Wiederkauaktivitat war hoher als jener mit einer erhohten Aktivitat (86, 2 versus 76,5 %). Sowohl die Wiederkaudauer als auch das Aktivitatsverhalten standen im Zusammenhang mit der Paritat und mit der mittleren taglichen Milchleistung. Die brunstbedingten Veranderungen waren bei primiparen Kuhen starker ausgepragt als bei 74 multiparen Herdenmitgliedern. Zudem zeigte Studie 3, dass die Kuhe mit einer Tagesproduktion > 40 kg die starkste Abnahme in der Wiederkauzeit aufzeigten, verglichen mit den Kuhen mit einer Leistung von ≤ 40 kg pro Tag. Hingegen war der Aktivitatsanstieg bei Hochleistungskuhen tendenziell weniger stark ausgepragt im Gegensatz zu den niederleistenden Kuhen. Fur die Rumination und das Aktivitatsverhalten konnte jeweils ein bimodaler taglicher Rhythmus festgestellt werden. Wahrend in der Referenzperiode die Aktivitat nachmittags und in den Nachtstunden herabgesetzt und die Wiederkauzeit erhoht war, zeigten die Kuhe am Tag der Brunst die hochste Aktivitat und die kurzeste Wiederkauzeit zwischen 02:00 und 08:00 Uhr bzw. 04:00 und 10:00 Uhr. Schlussfolgernd ist festzuhalten, dass die Wiederkauzeit, die bisher als Indikator fur die Brunst unbekannt war, zum Brunstbeginn der Kuhe signifikant verringert ist. Zudem sind die Futter- und Wasseraufnahme sowie die Lebendmasse deutlich reduziert, wohingegen das Aktivitatsverhalten signifikant erhoht ist. Umfangreiche Kenntnisse uber die verhaltensbezogenen Merkmale der Brunst sind fur die Erkennung brunstiger Kuhe essentiell. Die Ergebnisse der vorgestellten Studien geben Anlass zu weiterer Forschung, in der mit Hilfe von Algorithmen bestimmt werden kann, wie die analysierten Faktoren den Herdenmanager bei der Detektion brunstiger Kuhe unterstutzen und somit das tagliche Reproduktionsmanagement verbessern konnen.