文摘

在中国,奶牛管理集体饲养场贡献了约30%的牛奶生产和被认为是一个重要的贡献者国家甲烷排放。甲烷排放量集体奶牛饲养场华北平原(NCP)测定在冬天,春天,夏天,秋天季节与开路激光仪结合逆分散技术。甲烷排放量选中的奶牛饲养场的特点是一个明显的昼夜模式有三个峰对应的摄食活动日程。按人均计算,每日甲烷排放的这四个季节分别为0.28,0.32,0.33,和0.30公斤⁻¹d⁻¹,分别。总之,一年一度的甲烷排放速率为112.4公斤⁻¹年⁻¹与甲烷排放强度32.65 L CH₄l⁻¹牛奶和潜在甲烷转换因子Y_米6.66%的总能量摄入的成熟的奶牛在华北平原。

1。介绍

中国奶牛的数量从40000只增加到1325万只动物期间1949 - 2006。乳品生产已经成为最赚钱,增加产业在中国农业部门。例如,2008年,国内生产总值起源于中国乳制品行业¥1015亿,占大约10%的总动物生产和农业生产总量的3.0%左右1]。

取得了相当大的努力,估计肠道甲烷排放量奶牛在中国为了提高国家甲烷库存的准确性2- - - - - -4]。这些库存主要是基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)方法。然而,许多研究已经证明,对反刍动物甲烷排放等因素的强烈影响进食活动,饲料的成分和添加剂的使用,不包括在IPCC方法。在中国,管理实践经常是不同的从一个乳品设备到另一个;因此,大库存估计的不确定性的预期。

奶牛在中国被托管在不同类型的乳制品设施。基于动物的数量,这些设施都是分为密集、集体或家庭水平操作(5]。据马et al。6),约为45%,29.3%,25.9%的中国奶牛人口家庭举行集体,和密集的乳制品设施,分别和集体奶牛饲养场已经被认为是一个过渡阶段,从家庭链接转换为集约水平。例如,集体粪便管理系统类似于密集的设施,但饲料成分和喂养活动可能不同于笔,钢笔,因为它主要是由单独的所有者。因此,甲烷排放因素从奶牛集体设施应该不同于家庭或密集的设施由于不同的feed管理。因此,测量需要量化这些排放因素以提高目前甲烷库存的准确性以及评估缓解策略的有效性从乳制品行业减少甲烷排放。

之前的测量在华北进行发表了高et al。7]。然而,更需要实际测量结果,因为,首先,在这个研究中,甲烷排放量奶牛饲养场量化只在秋冬季节;其次,群体组成的乳制品操作只代表一个管理实践在中国北部。因此,为了充分描述甲烷排放在整个农场规模一整年,增进我们的了解群组成对甲烷排放的影响,在本研究中,我们使用类似的测量技术和策略高et al。7)量化甲烷排放量集体奶牛饲养场在保定,中国北方。本研究的目标是:(1)进一步证实甲烷排放的时间模式,(2)计算年度发射率,和(3)估计的潜在甲烷转换因子Y_米为奶牛管理集体乳制品操作在华北平原。

2。材料和方法

2.1。实验地点

集体奶牛饲养场在保定市华北平原被选为描述和量化甲烷排放在整个农场规模。四场活动在冬季(2009年12月1日至31日),春季(3月17日至2010年4月11日),夏季(6月13日至2010年7月17日),和秋天季节(2010年10月29日至11月16日)分别进行。在乳制品操作,没有其他重要的甲烷来源1公里内测量站点。

2.1.1。饲养场的描述

在这个奶制品操作,所有的奶牛挤奶的奶牛,包括母牛,母牛和小牛在8大钢笔如图1。饲养场的总面积为4.91公顷,总容量约为1800头。这个操作的乳制品人口四季变化从1204年到1519年期间平均1345头。群分布在夏季这八笔在桌子上1。平均密度范围从29.2到39.4米²头⁻¹。努力是由单独的小腿从成熟的奶牛,不到3个月,小腿通常被隔离在一个迷你笔(约3 * 3米²)接近住所在一个常规的笔在拐角处。

此外,还有避难所为饲料存储笔1和2之间,3和4、5、6、7和8个(图1)。小巷(大约1.5宽-3.0米)挤奶的奶牛从乳制品笔之间的挤奶厅是笔2和3,4和5、6和7。饲养场地板被铺砖。肥料在饲养场被定期收集蘑菇或蔬菜种植。乳制品的人口,大约有54%的泌乳奶牛群,其余的干牛和小母牛在一年的年龄和小牛(6 - 12月)(表2)。

2.1.2。乳制品操作

奶牛喂养一天三次凌晨四点半,11点半,下午四点半,分别。每个喂养时期持续了约一个小时。如表所示2,定量主要包括发酵玉米青贮饲料和集中的饮食。只有少数农民喂玉米谷物和大豆饲养场。泌乳奶牛在挤奶4:30-6之间一天两次:30,4:30-6:30点。每产奶牛的牛奶产量约为14.5±1.7公斤⁻¹d⁻¹脂肪和蛋白质含量的3.4%和3.0%,分别。脂肪和蛋白质纠正(FPCM)牛奶产量为13.2±1.55公斤⁻¹d⁻¹(8]。

2.2。甲烷测量

一个大道激光系统(GasFinder MC,北方激光公司。埃德蒙顿,加拿大)被用来测量甲烷浓度。它作用于近红外(1653海里),由激光发射机的头和一个反射器。激光光束传输控制单元的发射机通过光纤电缆头在空中然后指向一个反光镜。攷虑校准显示的实际检测灵敏度大道激光系统2 - 3 ppm * m(相当于0.03 ppm_v路径长度为100米),也表明浓度测量被低估;因此,校正因子为1.06获得这个攷虑测试被用于所有的测量。激光传感器和反射镜安装在两个桅杆在饲养场。激光路径长度是123路径①和②124路径。laserpaths的高度是2.4米(图1)。甲烷背景浓度测定在北边的饲养场当风是向北在每个测量周期。甲烷浓度每秒钟记录和下半场平均存储。

2.3。Micrometeorological测量

吉尔三维声波风速计(英国吉尔仪器有限公司、莱),安装在桅杆饲养场的中心附近的高度离地面6米的表面,被用来描述micrometeorological饲养场(图的条件1)。测量高度确定的假设内部边界层的特点饲养场区域时可以测量声波传感器的比例高度获取比小于0.1。在我们的例子中,这个比例变化从0.04到0.05,风的方向。所有测量期间,风速度和温度测量10赫兹的频率。生风参数采样使用EdiSol和计算下半场间隔使用EdiRe软件包由爱丁堡大学。利用这些数据计算饲养场风参数用于劳工统计局分散技术等,Obukhov稳定长度(),粗糙长度(),风向(组件()和标准差的速度)。

2.4。计算的甲烷排放速率

软件WindTrax (http://www.thunderbeachscientific.com/)是用来计算甲烷排放(Q_{美国劳工统计局})。这个软件包是基于劳工统计局色散模型描述Flesch et al。9,10]。模型假设一个传热对数平均风速剖面和传统Monin-Obukhov相似理论(大多数)动荡的统计关系10]。通过假设一个理想的表层与静止大气,风与sonic-derived统计数据可以确定参数(,,,和)。该技术已成功用于量化排放在许多出版物,因为它是动物设施能够有效模拟数值轨迹和提供准确的排放估计。

此外,下半场micrometeorological平均参数的数据过滤标准建议的(10,11)使用,以满足风Trax的假设。因此,时间和参数不满足以下要求被拒绝:(1) m s⁻¹,(2) 米(消除非常稳定或不稳定的micrometeorological病例),(3) (在这种饲育场环境下,大于0.15米与错误的风速剖面),(4)着陆饲养场覆盖面积的百分比饲养场总面积大于20%。这个值会随发射源的大小从5% (11][40 - 50%12,13]。

2.5。总能量摄入

在每个测量周期,哺乳期的干物质摄入牛和牛和小母牛不会分泌乳汁(表测量2)。为每个类别,20动物选择和新鲜饲料包括青贮饲料和集中在农场和各自的加权样本进入实验室进行分析。每个类别的平均20动物饲料摄入量被用于能量摄入和甲烷转换因子的计算Y_米。

3所示。结果与讨论

3.1。甲烷浓度的变化

测量在饲养场表明甲烷浓度从1.82到的背景。每小时平均甲烷浓度在饲养场在每个测量周期如图2。这些变化从大约2.05 ppm_v约为7.34 ppm_v。因此,最小的甲烷浓度上升的背景是关于0.1 - -0.2 ppm_v的决议,这是大大超过大道0.03 ppm的激光系统_v。

3.2。周日的甲烷排放模式

在应用中给出的数据过滤标准部分2。4排放估计,计算使用WindTrax包。在四个测量时间,风向变化从0到359度,这表明整个排放饲养场的观察。为了获得无偏排放估计为每个测量周期,也就是说,不超载的朝着一个特定的时间,每小时平均发射率计算使用可用的统计平均值下半场估计每小时测量在每个季节期间(12,14,15]。所有情况下,至少11估计为每小时提供了可能。

通过使用上述策略,每小时的甲烷排放速率对人均冬天,春天,夏天,秋天季节呈现在图3。每小时人均排放量变化从6.8到23.1 g人力资源⁻¹(冬天),7.0到21.6 g人力资源⁻¹(春天),9.9到22.6 g人力资源⁻¹(夏天),2.1到30.1 g人力资源⁻¹分别(下降)。测量冬天和春天的季节,三甲烷排放高峰期间一天观察,大约下午5点开始,11点半和下午4点,7点峰值点,12点,下午6点,持续约2 - 5 4。然而,这种模式在夏秋季节明显不如冬天和夏天的季节。这些山峰似乎对应喂养活动(11,16]。类似的模式已经被亲戚之前报道等。17和高et al。7]。此外,测量在牛肉饲养场也显示出类似的模式与喂食时间(14]。

3.3。季节性的甲烷排放模式

当一个动物的基础上计算甲烷排放速率,小牛的贡献不到三个月是被忽视的18,19]。基于这个过程,排放速率在每个动物的基础上分别为0.28,0.32,0.33,和0.30公斤⁻¹d⁻¹分别与一个错误的0.04,0.05,0.05,和0.04公斤⁻¹d⁻¹(这个错误是劳工统计局的估计有15%的误差模型提出了哈珀et al。11)在冬天,春天,夏天,秋天。在这项研究中,大约21%的差异观察夏季和冬季之间。这种明显的差异可能部分归因于内部的相对较低的甲烷排放量肥料饲养场由于冬季低温时期(20.,21]。甲烷排放速率在夏季和春季非常相似但明显大于冬季。

为了了解甲烷排放速率和温度之间的关系,进行了进一步的分析。每小时每小时的平均气温在每个测量计算,平均每日气温在冬天,春天,夏天,秋天季节−3.2,9.5,27.3,和8.3°C,分别。平均每日甲烷排放速率和相应的气温是绘制在图4。可以看出,甲烷排放速度似乎与空气温度增加,这在一定程度上证实了温度对甲烷排放的影响报道(22]亚等。23]。但这种temperature-derived影响仍然是有争议的大约15%的由于一个错误逆弥散技术用于这项研究[12,24),和更多的测量需要检查这个问题。

3.4。从这个乳制品经营年度甲烷排放速率

一年一度的甲烷排放在每个动物的基础上从这个集体奶牛饲养场被平均四个测量发射率的计算。给定的误差15%的逆扩散技术,计算甲烷排放速率为112.4±16.9公斤的动物⁻¹年⁻¹包括肠排放量哺乳期,牛不会分泌乳汁,小母牛和小牛(3 - 12个月)排放肥料在饲养场。这个值是非常相似的与先前的研究相比高et al。7还在保定。如果我们假设肥料的甲烷排放速度是大约10公斤的动物⁻¹年⁻¹(21),进一步计算可以得到统计平均值肠发射奶牛包括哺乳期,牛不会分泌乳汁,小母牛和小牛(3 - 12个月),,这是102.4公斤CH₄动物⁻¹年⁻¹。

许多研究量化甲烷排放量奶牛使用各种方法。例如,作者et al。25)使用相同的测量技术群哺乳期和牛不会分泌乳汁,小母牛,不到一年小牛获得略大的排放。从全球来看,一个相对广泛的排放因素获得了泌乳奶牛:CH 142 - 146公斤₄动物⁻¹年⁻¹通过亲戚et al。17),146公斤的动物⁻¹年⁻¹由Laubach Kelliher [26),和118 - 121公斤的动物¹年⁻¹由格兰杰et al。27]。看来这个排放因子接近区间的低端的文学,这可能是由于相对较低的甲烷排放的小母牛。为了更好的比较成熟的奶牛的发射率(即。,lactating and nonlactating cows) in this study to literatures, further calculations for only lactating and nonlactating cows were made with the assumption that the methane emission rates of heifers and calves (3–12 months) were 40 kg animal⁻¹年⁻¹(28)和62公斤的动物⁻¹年⁻¹(29日),分别。通过考虑群结构显示在表2,整体年度甲烷排放速率为132.5±19.9公斤的动物⁻¹年⁻¹成熟的牛的哺乳期和牛了,不会分泌乳汁落入中间发射率范围在文献中。

甲烷排放强度基于牛奶产量的基础上计算了甲烷排放速率和牛奶产量的基础上牛奶脂肪含量为4.0%,蛋白质含量为3.3% (8]。这表明,在我们的研究中,甲烷排放0.023公斤±0.003 CH强度₄公斤⁻¹d⁻¹牛奶(即。,32。65± 4.78 L CH₄牛奶/ L)。这个值是类似于32.2 L CH₄先前的研究/ L的牛奶;高et al。7),但高于其他文献,如24.9 L CH₄公斤⁻¹牛奶的边缘等。30.),21.4 L CH₄公斤⁻¹的奶萨奥尔et al。31日)和20.6 L CH₄公斤⁻¹牛奶的亲戚等。17),这似乎证实在中国牛奶产量相对较低(7]。

3.5。计算甲烷的转换因子(Y_米)

它已经在文献中报道,甲烷转化因素(Y_米)反刍家畜范围从4.0%到10% (32]。为了估计Y_米对于成熟的母牛,在我们的研究中,几个假设是基于之前的研究(7]。如上所述,肠内发酵的甲烷排放速度我们的成熟的奶牛被估计为132.5±19.9公斤的动物⁻¹年⁻¹。总能量摄入总量的计算,每天干物质摄入的玉米青贮饲料和集中使用成熟的奶牛被加权计算的动物数量和每日干物质摄入动物类别;饲料的消化能量对应于每个组件从李(33和王34),总能量摄入量的估计价值成熟的奶牛(GE)为303.28 MJ的动物⁻¹d⁻¹总数的36%和64%,提供的是玉米青贮饲料和集中注意力,分别。此外,哺乳期和牛不会分泌乳汁被认为可以有相同的Y_米。上面的假设,通过政府间气候变化专门委员会(21第二层的方法,实际的在这个设施成熟的奶牛被计算为6.66%,同意与政府间气候变化专门委员会建议的价值6.5%的奶牛。然而,这个Y_米值小于7.3%的价值高et al。(以前的研究7),7.3%和7.1%的结果;分别由约翰逊et al。35)和Boadi威滕伯格(36]forage-fed成熟的牛。但它的价值远远高于2 - 3%为高浓缩饲料或4 - 5%的价值高度消化纤维饲料(37,38]。

4所示。结论

本文结合逆分散技术和大道激光被用来量化昼夜和季节模式的甲烷排放量集体奶牛饲养场在中国北方冬天,春天,夏天,秋天。正如预期的那样,每日甲烷排放与昼夜模式特征峰对应于喂养时间表。我们还发现,系综平均甲烷排放速率在冬天,春天,夏天和秋天是0.28,0.32,0.33,和0.30公斤⁻¹d⁻¹。总的来说,甲烷排放年率集体奶牛场的奶牛饲养场为112.4±16.9公斤⁻¹年⁻¹与甲烷的排放强度有关L CH₄l⁻¹牛奶和甲烷的转换因子为成熟的奶牛能量摄入(gdp)的6.66%。

确认

来自中国国家自然科学基金会的资金支持(国家自然科学基金委:41075105),BMBF (KFZ: 0330847 a - b)和农业部、中国(恐鸟:201103003)。作者也感谢大道激光系统的贷款从加拿大(AAFC)和加拿大农业及农业食品部匿名评论者的宝贵的建议和意见。