科研进展
亮文解读丨温暖季节奶牛舍内氨气与温室气体分布研究
Sep 2024, Volume 11 Issue 3
· 第六篇 ·
▎论文ID
Ammonia and greenhouse gas distribution in a dairy barn during warm periods
温暖季节奶牛舍内氨气与温室气体分布研究
发表年份：2024年
第一作者：Provvidenza Rita D’URSO
通讯作者：Claudia ARCIDIACONO
作者单位：意大利卡塔尼亚大学农业、食品与环境系
Cite this article :
Provvidenza Rita D’URSO, Claudia ARCIDIACONO, Giovanni CASCONE. Ammonia and greenhouse gas distribution in a dairy barn during warm periods. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(3): 428‒441 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024542
· 文 章 摘 要 ·
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本研究在温暖季节对地中海气候区开放式奶牛舍内的NH3、CH4和CO2浓度进行了量化分析，并评估了气体排放的影响因素。结果显示，气体在牛舍内的分布呈现垂直和水平差异，中心区域浓度最高。NH3、CH4和CO2的浓度范围分别为1.7–7.4、7–18、560–724 μg·g–1。气体浓度受自然通风和冷却系统影响显著，且与空气流速、温湿度指数 (THI) 及奶牛行为模式密切相关。当空气流速低于0.5 m·s–1时，气体浓度最高。当THI在72–78时，NH3的浓度最高；而CH4和CO2的浓度在THI≥72时最高，在THI＜72时降低。当实施每天三次挤奶的管理模式时，NH3的浓度比每天两次挤奶时更高，而CH4和CO2的的浓度则与之相反。在清洁牛舍期间，NH3和CH4的排放量达到最高；相较之下，在奶牛进食或行走时，NH3的排放量最低。
· 文 章 亮 点 ·
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1. 乳制品业对环境的影响主要与氨和温室气体的排放有关。2. 在温暖季节，开放式奶牛舍中心区域的气体浓度最高。3. 气体分布呈现垂直和水平差异，不同气体之间也存在差异。4. 自然通风和冷却系统可降低气体浓度。5. 清洁、挤奶和冷却操作影响了奶牛的行为，进而改变了气体的日常排放模式。
· Graphical abstract ·
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· 研 究 内 容 ·
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▎引言
“下一代欧盟” (Next Generation EU) 计划下最新出台的“国家复苏和恢复力计划”的第二个任务是，根据《欧洲绿色协议(European Green Deal)》提出的减少温室气体排放的要求，通过发展可持续农业和减少环境污染，实现生态转型。畜牧业是环境污染的主要来源之一，其产生的温室气体和氨气对环境和人类健康有害。预计气候变化将增加奶牛的温室气体排放，特别是在地中海气候区域，热应激还会影响动物行为和产奶量。
欧洲奶牛通常饲养在自然通风的牛舍中，目前对牛舍排放的研究多集中在北欧地区。地中海地区的牛舍常采用开放式设计，并配备冷却系统以缓解高温对奶牛福利的影响。然而，目前对气体排放与环境因素之间关系的研究相对较少，特别是在温暖季节。
本研究在地中海气候区的开放式奶牛舍中，研究NH3、CH4和CO2的浓度及其影响因素。研究目标是分析气体在牛舍内的分布，评估气候条件、牛舍管理和动物行为对气体浓度的影响，并提供相关的统计数据，以期为改善奶牛舍环境和管理提供科学依据。
▎牛舍的特点
实验在意大利西西里岛拉古萨省的一座开放式牛舍中进行，该地区属于炎热夏季的地中海气候，特征为夏季最热月平均气温超过22 °C，最干燥月平均降水量少于30 mm。
牛舍设有三个隔间和64个牛栏，建筑面积约55.5 m × 20.8 m，采用开放式布局，设有休息区、喂食区和服务通道，屋顶高7 m，设有屋脊通风口(图1)。地面为混凝土结构，牛栏顶部铺有沙子。为提高通风效率，牛舍三面开放，西南侧为实墙并配有小开口。鉴于热应激的风险，牛舍配备了风扇和喷头组成的冷却系统，以增强喂食区和休息区的通风(图2)。风扇和喷头的具体布局和参数旨在优化空气流通，降低奶牛的热应激。
图1 (a) 牛舍的平面图；(b) 开放式牛舍的内视图。
图2 牛舍剖面图，其中采样点垂直分布。
▎研究结果
在2016至2022年的观察期内，牛舍内空气温度、相对湿度和风速的平均值变化范围分别为16.8–28.8 °C、35.1%–86.5%和0.22–2.09 m·s–1。单因素方差分析揭示了牛舍内NH3、CH4和CO2浓度在水平和垂直方向上的不均匀分布。研究发现，气体浓度随采样点位置变化有显著差异，尤其在牛舍中心与周边，以及风扇和喂食架上杠附近。NH3浓度在牛舍中心地面最高，并随高度上升而降低；CH4浓度在风扇附近最高；而CO2浓度则在喂食架上杠处最高。这些趋势与图3和图4所示的日常气体浓度变化一致。
图3 不同水平位置的气体浓度变化趋势。蓝线：中心区域 (SL_H1)；红线：周边区域 (SL_H2)；绿线：角落区域 (SL_H3)。
图4 不同垂直位置的气体浓度变化趋势。蓝线：距离地面0.40 m (SL_V1)；红线：距离地面1.55 m (SL_V2)；绿线：距离地面2.70 m (SL_V3)。
气体浓度和排放受到多种因素的影响，其中包括气候条件、牛舍管理、动物福利和动物行为。在所有研究结果中，p值均低于0.05，显示出统计学上的显著性。具体来说，NH3、CH4和CO2的浓度显著受到不同风速的影响，在风速低于0.5 m·s–1时气体浓度最高，风速超过0.5 m·s–1时浓度最低。此外，牛舍冷却系统管理方式的差异也导致了甲烷浓度的显著差异，关闭喂食通道的喷淋系统时，CH4浓度低于激活喷淋系统时的浓度。每日挤奶次数对所有气体的浓度产生了显著影响，每天三次挤奶时，NH3的浓度高于每天两次挤奶的情况，而CH4和CO2的浓度则相反。考虑到风速对气体浓度的显著影响，研究了风速≤0.5 m·s–1时动物福利和行为数据的群体，以减少这些参数对气体浓度的影响。
分析显示，THI显著影响牛舍内NH3、CO2和CH4的浓度，其中NH3在THI为72至78时浓度最高，而CO2和CH4浓度在THI≥72时最高。奶牛的活动与躺卧行为也会影响气体浓度，尤其是牛舍清洁时NH3浓度最高。气体排放方面，风速是关键因素，风速低于0.5 m·s–1时NH3和CH4排放量增加。牛舍冷却系统的喷淋操作也会影响排放，关闭喷淋系统时CH4排放减少，而NH3排放则增加。THI的不同区间对NH3和CH4排放有显著影响，其中THI≤72时排放量最高，THI在78至84之间时排放量最低。
▎讨论
本研究采用的CO2质量平衡方法，是评估自然通风奶牛舍气体排放的常用技术。气体浓度作为关键参数，其变化对排放估算精度有显著影响，室内外NH3、CH4和CO2的浓度差异比率是评估排放增减的关键指标。本研究增进了对温暖季节开放式牛舍内气体浓度变化的理解，特别是在地中海气候区，牛舍的开放式设计和特定的管理措施对气体分布和排放有显著影响。本研究结果与文献相符，开放式牛舍内气体浓度分布不均，主要受牛舍结构、通风设计和朝向的影响。缺少周边墙、建筑的自然通风朝向以及温暖季节风扇的使用，均有助于降低气体浓度。牛舍管理，如冷却系统操作和挤奶频率，也会影响气体浓度，尤其是增加动物活动时。风扇的设置和喷淋系统的激活进一步影响了气体的垂直分布，减少了NH3的浓度。这些发现与以往研究一致，指出开放式牛舍中NH3浓度随高度增加而降低，而CO2和CH4的分布则有所不同。牛舍管理，如冷却系统使用和挤奶频率，通过改变奶牛行为影响气体浓度和排放。特别是，牛舍清洁和奶牛活动高峰期间，NH3的浓度和排放量最高，这是由于尿素和粪便混合增多。增加挤奶次数也会提高NH3浓度，因为奶牛在挤奶前后更频繁地在食槽进食。日间热应激增强导致CH4和CO2排放量增加，奶牛通过调整站立和躺卧时间来散热。牛舍的冷却系统通过增加奶牛躺卧时间来缓解热应激。NH3和CH4的日排放波动受风扇和喷淋系统管理的影响，喷淋系统关闭时NH3排放增加，而冷却系统管理改变了奶牛行为，减少了CH4排放。
· 结 论 ·
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本研究通过对温暖季节开放式奶牛舍内气体浓度的监测和排放估算进行统计分析，确认了多种因素对气体浓度和排放量的影响。研究揭示了环境条件、动物行为与福利，以及特定的管理操作（如挤奶频率、牛舍清洁频率、喷淋系统使用和风扇通风）对减少环境影响和提升动物健康福利的重要性。研究结果指出了牛舍内气体浓度较高的关键区域，这些区域应成为气体监测的重点，以便验证排放阈值并评估减排措施的效果。此外，研究发现这种牛舍结构因其独特设计，导致气体分布与其他类型牛舍不同，强调了对现有管理协议适用性进行再评估的必要性。为进一步扩展该领域的知识，建议对此类牛舍在不同季节下的气体浓度、排放因子及其影响因素进行深入研究。探究本研究未涉及的其他因素（如昼夜节律）可能会提供更深入的见解。积累更多关于此类牛舍结构的知识，有助于优化减排策略，发挥其设计优势，提高减排效果。
https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2024542
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