Environment control and animal welfare in intensive milk production in closed "Compost Bedded Pack Barns" for the Brazilian constructive typology and climate

O Brasil é responsável por uma significativa parte da produção mundial de leite, sendo essa atividade uma das principais fontes econômicas do setor de produção de alimentos de origem animal do país. Dessa forma, a incessante busca por sistemas de criação que contribuam para o aumento da produtividade e qualidade do leite com o uso racional dos recursos, e que sejam compatíveis com o clima do país, constitui um dos principais desafios da pecuária moderna, em especial ao que diz respeito à adoção de sistemas de alojamento adequados ao bem-estar animal e aplicáveis a realidade climática brasileira. Nesse sentido, como uma das alternativas de acondicionar melhor as vacas em produção, o sistema Compost Barn (CB) corresponde a uma promissora alternativa para a criação de bovinos de leite. Tal sistema vem sendo adotado, há décadas e com sucesso, nos países de climas temperados e, mais recentemente, em países de climas tropicais e subtropicais, como é o caso do Brasil. Contudo, ainda carecem respostas quanto à aplicabilidade deste sistema para as condições de climas tropicais e subtropicais, sobretudo para as tipologias técnicas e construtivas de instalações CB mais recentemente praticadas nos diferentes países. Desta forma, o objetivo geral desta tese foi avaliar a distribuição espacial das variáveis térmico-ambientais, qualidade de cama e indicadores de bem-estar de vacas em lactação, alojadas em instalação Compost Barn Fechada (CBF), com sistema de ventilação negativa em túnel, associada a resfriamento adiabático evaporativo. A pesquisa foi conduzida durante o verão e inverno e para a situação do clima do Brasil, mais especificamente para a bacia leiteira da Zona da Mata, no Estado de Minas Gerais, maior estado produtor de leite do país. Foram levantadas e descritas as principais características e inovações praticadas em sistemas CB abertos e fechados, abordando os aspectos gerais construtivos, qualidade de cama, sistemas de ventilação e indicadores de bem- estar de vacas lactantes. A partir de tal levantamento, procedeu-se à avaliação, em campo, da distribuição espacial e temporal das condições térmico-ambientais, no interior de uma instalação CBF, com o uso da técnica geoestatística. Conforme tipologia construtiva praticada no Brasil a instalação CBF não tinha isolamento térmico nos fechamentos e possuía sistema de ventilação negativa em modo túnel, associado ao sistema de resfriamento adiabático evaporativo (SRAE, acionado para funcionamento a partir de 21°C), durante o verão e o inverno. Foi possível observar, pelos mapas de krigagem, que as condições mais críticas de habitação foram encontradas, principalmente, a partir da parte central da instalação CBF, em direção à face noroeste, próximo aos exaustores. Durante as tardes de verão, toda a região da instalação CBF apresentou-se em situação de desconforto. Durante o inverno, contudo, os dados ambientais mensurados permaneceram dentro da zona de conforto ao longo de toda instalação CBF. A distribuição da velocidade do ar ao longo de toda a área interior da instalação CBF permaneceu inferior ao recomendado pela literatura, indicando necessidade de se ajustar os isolamentos laterais e de cobertura, e de se promover maior intensificação do sistema de ventilação. O sistema de resfriamento adiabático evaporativo (SRAE) auxiliou na melhoria das condições térmicas internas da instalação CBF. Porém, provavelmente em razão da falta de isolamento térmico dos fechamentos, não possibilitou uniformidade térmica espacial e nem temporal para as duas estações avaliadas. Também, provavelmente em razão de necessidade de ajuste nos comandos de entrada e saída dos componentes ventilação e molhamento do material poroso, não foi eficiente em manter o ambiente na faixa de conforto de bovinos em lactação, durante o período crítico de verão . A instalação CBF também foi caracterizada para as principais variáveis da cama, indicadores de bem-estar animal e produção de leite, para as condições de inverno e verão. Pela análise geoestatística, foi possível verificar a não uniformidade da distribuição espacial das variáveis da cama. Os piores níveis de temperatura e teor de umidade da cama foram encontrados nas regiões próximas à placa de resfriamento evaporativo, na área circunvizinha ao corredor de alimentação e na região com menor área de cama por animal (7,8 m2 vaca -1 ). Durante o verão e inverno, os valores de temperatura e as características químicas da cama indicaram que o material esteve em níveis aquém dos desejáveis para a compostagem ideal; no entanto, a camada interna aerada da cama apresentou-se biologicamente ativa. A elevada densidade animal repercutiu expressivamente na piora do teor de umidade e temperatura interna na cama, sendo que o sistema demandou constante reposição de material. Em geral, as vacas leiteiras mostraram adequada pontuação para o escore de sujidade e locomoção, para as duas estações climáticas avaliadas, indicando boas condições de bem-estar relativo a estes quesitos. Durante o inverno, a produção média de leite foi de 28,1 ± 7,2 kg leite dia -1 e durante o verão foi de 26,9 ± 6,7 kg leite dia -1 . Conclui-se que a instalação CBF indicou potencial de uso, desde que seja feito um estudo criterioso do clima da região antes da implantação, sejam ajustados os fatores relativos a manejo do sistema de acondicionamento ambiente, garantia de melhor isolamento dos fechamentos e aumento da área de cama por animal. Contudo, da forma que o sistema CBF estudado foi concebido e operado, este não foi eficiente em manter as variáveis microclimáticas e qualidade de cama dentro do ideal recomendado pela literatura. Palavras-chave: Bem-estar animal. Bovinos de leite. Geoestatística. Resfriamento evaporativo. Ventilação em túnel.Brazil is responsible for a significant part of the world's milk production, which is one of the main economic sources of the country's animal production sector. Thus, the incessant search for breeding systems that contribute to increasing milk productivity and quality with the rational use of resources and that are compatible with the country's climate constitutes one of the main challenges of modern livestock, especially as to the adoption of housing systems suitable for animal welfare and applicable to the Brazilian climate. In this sense, as one of the alternatives of better conditioning the cows in production, the compost-bedded pack barn (CBP) is a promising alternative for dairy cattle's breeding. This system has been successfully adopted for decades in countries with temperate climates and, more recently, in countries with tropical and subtropical climates, such as Brazil. However, answers still lack in this system's applicability to the tropical and subtropical climate conditions, especially for the technical and CBP constructive typologies most recently practiced in different countries. In this way, the general objective of this thesis was to evaluate the spatial distribution of the thermal- environmental variables, bed quality, and welfare indicators of lactating cows housed in a closed CBP, with a negative ventilation system in a tunnel, associated with adiabatic evaporative cooling. The research was performed during Brazilian summer and winter in the dairy basin of the "Zona da Mata" in Minas Gerais, its largest milk-producing state. The main characteristics and innovations practiced in the open and closed CBP were raised and described, addressing the general constructive aspects, bed quality, ventilation systems, and welfare indicators of lactating cows. Based on this survey, the spatial and temporal distribution of thermal-environmental conditions was assessed in the field, inside a CBP, with the use of geostatistical technique. According to Brazil's constructive typology, the closed CBF had no thermal insulation in the closings and had a negative ventilation system in tunnel mode, associated with the adiabatic evaporative cooling system (AECS, activated for operation from 21 °C), during summer and winter. The kriging map highlighted that the most critical housing conditions were mainly in the central part of the closed CBP, towards thenorthwest face, close to the exhaust fans. During the summer afternoons, the entire region of the CBP was in discomfort. During the winter, however, the environmental data measured remained within the comfort zone throughout the CBP. The airspeed distribution over the entire interior area of the CBP remained lower than recommended by the literature, indicating the need to adjust the side and roof insulation and intensify the ventilation system. The AECS helped to improve the internal thermal conditions of the CBP. However, probably due to the closures' lack of thermal insulation, it did not allow spatial or temporal thermal uniformity for the two stations evaluated. Also, probably due to the need to adjust the input and output controls of the ventilation and wetting components of the porous material, it was not efficient in maintaining the environment in the comfort range for lactating cattle during the critical summer period. The CBP was also characterized for the bed's main variables, indicators of animal welfare and milk production, for winter and summer conditions. By geostatistical analysis, it was possible to verify the non-uniformity of the spatial distribution of bed variables. The worst levels of temperature and moisture content of the bed were found in the regions close to the evaporative pad cooling, surrounding the feeding alley, and in the region with the least space per animal (7.8 m2 vaca -1 ). During the summer and winter, the temperature values and the bed's chemical characteristics pointed out that the material was below desirable levels for the ideal composting; however, the bed's aerated inner layer was biologically active. The high cow stocking density reflected significantly in the moisture worsening of the bed's content and internal temperature, demanding the constant material replacement. In general, dairy cows showed an adequate score for the dirt and locomotion scores during the two climatic seasons evaluated, indicating good welfare conditions concerning these requirements. During winter, the average milk production was 28.1 ± 7.2 kg milk day -1 . During summer, it was 26.9 ± 6.7 kg milk day -1 . The study can conclude that the closed CBP has potential use but requires a careful study of the region's climate before implantation to adjust the factors related to the ambient conditioning system's handling, guarantee better insulation of the closures, and increase the animals' bedding area. However, the way the studied closed CBP was designed and operated was inefficient in preserving the microclimate variables and bed quality within the ideal recommended by the literature. Keywords: Animal welfare. Dairy cattle. Geostatistics. Evaporative cooling. Tunnel ventilation.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPQ)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo á Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG