我國部分地區(qū)奶牛甲烷排放模型的建立與應(yīng)用

我國部分地區(qū)奶牛甲烷排放模型的建立與應(yīng)用

飼料在反芻動物胃腸道中由微生物發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷（ch4），然后排出體外。牛的甲烷能量損失量較大,約占進食總能(GE)的6%或消化能(DE)的12%。以往對甲烷排放量的研究主要針對日糧消化代謝過程中的甲烷能量損失,為飼料能量價值評定和提高能量轉(zhuǎn)化效率提供依據(jù)。但甲烷是重要的溫室氣體來源,其排放量的增加致使全球氣溫升高。估計全世界家畜年排放甲烷量約8000萬t,其中牛的甲烷排放量約占73%(表1)?？梢?甲烷的最大生物源是來自反芻動物消化道發(fā)酵。因此,近年來反芻動物甲烷排放量的估測越來越被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。1甲烷排放量的測定牛甲烷排放量的測定主要采用呼吸測熱室持續(xù)完整地收集從消化道排出的甲烷,并測定其排放量;也可用頭罩法,但只能收集到從瘤胃排出的甲烷。對于放牧飼養(yǎng)的動物,甲烷排放量的測定則主要采用示蹤法,如同位素法、六氟化硫(SF6)法等。根據(jù)個體動物甲烷排放量的實測結(jié)果,運用統(tǒng)計方法建立甲烷排放量的估測模型。1.1日糧干物質(zhì)消化率測定早在1962年,英國Hannah研究所的Blaxter用呼吸測熱室測定牛和綿羊的甲烷排放量,得到以下模型:式中:D為動物維持能量水平下的日糧干物質(zhì)消化率;1kcal=4.184kJ。1.2合物與甲烷排放量的關(guān)系美國農(nóng)業(yè)部的Moe和Tyrrell用呼吸測熱室測定牛的甲烷排放量,得出日糧碳水化合物與甲烷排放量關(guān)系的模型:1.74HC+2.65C。式中:NFC為非纖維碳水化合物(kg/d);HC為半纖維素(kg/d);C為纖維素(kg/d);NFC根據(jù)公式NFC(%)=100-(粗蛋白質(zhì)+粗脂肪+灰分+中性洗滌纖維)計算而來。1.3moll模型美國加州大學(xué)Davis中心的Kebreab等提出了牛瘤胃甲烷排放量較復(fù)雜估測摸型,以氫平衡為基礎(chǔ),瘤胃發(fā)酵過剩的氫被用于形成甲烷。1.4甲烷排放量的估測方法法國農(nóng)科院(InstitutNationaldelaRechercheAgronomique,INRA)的Vermorel等提出的甲烷排放量估測方法是根據(jù)法國《反芻動物營養(yǎng)推薦量和飼料表》(Ruminantnutrition:recommendedallowancesandfeedtables,1989)所采用的凈能體系中的所需凈能量,推算出代謝能(ME)給量和代謝能的甲烷排放量模型:奶牛的甲烷能(MJ/d)=8.25+0.07(ME,MJ),1.5甲烷排放量的估測政府間氣候變化委員會(IntergovernmentalPanelforClimateChange,IPCC)的甲烷估測方法是將飼料在消化道內(nèi)發(fā)酵分成3個水平進行估測。用進食GE[MJ/(頭·d)]去估測甲烷的排放量。對中等生產(chǎn)水平的奶牛,甲烷排放量為GE的(6.5±1.0)%;對肥育肉牛,甲烷排放量為GE的(3.0±1.0)%。飼料進食量根據(jù)體重、產(chǎn)奶量、日增重確定。高產(chǎn)奶牛平均產(chǎn)奶量為8400kg/(頭·a),其甲烷排放量為121kg/(頭·a)。肥育肉牛甲烷排放量為53kg/(頭·a)。用進食量GE去評定甲烷排放量,會由于GE在消化道的消化率變異很大而造成誤差。1.6日糧和牛的甲烷排放量研究中國農(nóng)業(yè)大學(xué)(ChinaAgriculturalUniversity,CAU)以成年閹牛作為試驗動物,采用拉丁方試驗設(shè)計,用大型自控呼吸測熱室持續(xù)測定了不同日糧在全消化道內(nèi)甲烷排放量。由于日糧主要在瘤胃發(fā)酵過程中產(chǎn)生甲烷,故瘤胃可發(fā)酵有機物質(zhì)(FOM)與甲烷排放量呈顯著相關(guān)性。此外,因瘤胃FOM是《奶牛營養(yǎng)需要和飼料成分》(2007)中列出的重要參數(shù),故能比較方便地用進食的FOM作為估測甲烷排放量的基礎(chǔ),但甲烷排放量受瘤胃可發(fā)酵中性洗滌纖維/可發(fā)酵有機物質(zhì)比值(FNDF/FOM)或中性洗滌纖維/有機物質(zhì)比值(NDF/OM)的影響,故得出以下模型:式中:日糧的FNDF/FOM覆蓋范圍為21.54%~91.06%,包括日糧的精粗料比值范圍(0∶100)~(75∶25)及粗飼料的不同加工細度;n為8種日糧,這8種日糧的甲烷平均排放量為(81.13±8.96)(L/FOM,kg)。在缺少FNDF/FOM參數(shù)時,亦可用以下模型去估測:因甲烷是在全消化道中由飼料消化產(chǎn)生的,不同日糧的呼吸測熱室測定甲烷能/DE平均值為(11.71±1.60)%。而DE是飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中常列的參數(shù),容易查閱。甲烷能/DE與FNDF/FOM或DE/GE呈線性相關(guān),得到以下模型:式中:DE/GE覆蓋范圍為49.03%~74.3%。牛對23種不同日糧的呼吸測熱室測定甲烷能/DE的平均值為(11.71±1.60)%。雖然個體牛的甲烷排放量能用呼吸測熱室持續(xù)測定,但對牛群體的甲烷排放量則只能用甲烷排放模型進行估測。為估測的方便和準(zhǔn)確起見,對排放模型的選擇可與飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)有參數(shù)相對應(yīng)。2高血壓病器放養(yǎng)據(jù)《中國畜牧業(yè)年鑒》(2010)統(tǒng)計,2009年我國存欄奶牛1260.3萬頭、肉牛5918.8萬頭、役牛2631.5萬頭、牦牛917.0萬頭。現(xiàn)用上述中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型分別對該4類牛的甲烷排放量進行估測。2.1牛烷排放量的估算因存欄奶牛包括成年奶牛和生長奶牛,本文對其甲烷排放量分別進行了估測。存欄奶牛年甲烷排放量總計為93.3314萬t。2.1.1奶凈能及甲烷排放量由于《奶牛營養(yǎng)需要和飼料成分》(2007)采用的是產(chǎn)奶凈能體系,而產(chǎn)奶凈能評定的基礎(chǔ)是消化能,飼料成分表中列有GE和DE,故對群體奶牛的甲烷排放量的估測選用上述中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型。2009年我國存欄奶牛1260.3萬頭,其中成年奶牛約占存欄數(shù)的60%,為756.2萬頭。成年奶牛平均年產(chǎn)奶量4804.6kg,日平均產(chǎn)奶量13.16kg。根據(jù)我國奶牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn),600kg體重奶牛維持需要43.10MJNEL(產(chǎn)奶凈能),NEL/DE按平均值0.56計算,則43.1/0.56=76.96MJDE;日產(chǎn)奶13.16kg需要38.56MJNEL,則38.56/0.56=68.86MJDE,那么總需要為145.82MJDE/(頭·d)。日糧中精料∶粗料=50∶50,則DE/GE平均值為67.36%,用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型式(4)計算,則甲烷能/DE=17.3437-0.1086×67.36%=10.03%;甲烷能=145.82MJDE/(頭·d)×0.1003=14.63MJ/(頭·d)。因1L甲烷=39.75kJ=0.71682g,故甲烷排放量=14.63[MJ/(頭·d)]/0.03975MJ=368L/(頭·d);甲烷排放量=368L/(頭·d)×0.00071682kg=0.2638kg/(頭·d);甲烷排放量=0.2638kg/(頭·d)×365d=96.29kg/(頭·a);成年奶?？傤^數(shù)甲烷排放量=0.09629t/(頭·a)×756.2萬頭=72.8145萬t/a。2.1.2de/gede生長奶牛頭數(shù)按存欄奶牛1260.3萬頭的40%估算,則有504.1萬頭。由于難以統(tǒng)計出不同體重的頭數(shù),故按平均體重250kg、平均日增重700g估算,日需產(chǎn)奶凈能34.56MJ,或61.71MJDE,精料∶粗料=50∶50,則DE/GE平均值為67.36%,用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型式(4)計算:甲烷能/DE為10.03%;甲烷能=61.71MJDE×0.1003=6.19MJ/(頭·d);甲烷排放量=156L/(頭·d)=0.1116kg/(頭·d)=40.73kg/(頭·a);生長奶牛總頭數(shù)甲烷排放量=0.0407t/(頭·a)×504.1萬頭=20.5169萬t/a。2.2適繁試驗牛和生長肥育牛2009年存欄肉牛5918.8萬頭,其中適繁母牛和生長肥育牛各按50%估算,均為2959.4萬頭。肉?？傤^數(shù)甲烷排放量估測為283.9877萬t/a。2.2.1a甲烷排放量平均體重按450kg,維持需要34.73MJNEL/(頭·d)或62.02MJDE/(頭·d),哺乳需7.85MJ/(頭·d)或14.02MJDE/(頭·d),總共需要42.58MJNEL/(頭·d),這相當(dāng)于76.04MJDE/(頭·d)。由于粗飼料的質(zhì)量較差且占日糧的比例較高,故DE/GE平均值為57%。用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型式(4)計算,維持的甲烷排放量為:甲烷能/DE=17.3437-0.1086×57%=11.15%;甲烷能=62.02MJDE/(頭·d)×0.1115=6.9152MJ/(頭·d);甲烷排放量=174L/(頭·d)=0.1247kg/(頭·d)=45.52kg/(頭·a)。泌乳母牛的甲烷排放量為0.1527kg/(頭·d),頭數(shù)按適繁母牛的70%計算,即2071.6萬頭,其總頭數(shù)甲烷排放量為115.4617萬t/a;非泌乳母牛約為887.82萬頭,其甲烷排放量為45.52kg/(頭·a),總頭數(shù)甲烷排放量為40.4136萬t/a。那么,適繁母牛總頭數(shù)甲烷排放量=115.4617萬t/a+40.4136萬t/a=155.8753萬t/a。2.2.2日糧de/ge運營模型生長肥育牛按平均體重250kg、日增重600g,需綜合凈能26.44MJ/(頭·d),肉牛飼料消化能對維持和增重的綜合效率(Kmf)平均為0.45。DE=26.44MJ/(頭·d)/0.45=58.76MJ/(頭·d),日糧DE/GE平均值為57%,用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型(4)計算:甲烷能/DE為11.19%;甲烷能=58.76MJ/(頭·d)×0.1119=6.57MJ/(頭·d);甲烷排放量=165.57L/(頭·d)=0.1186kg/(頭·d)=43.29kg/(頭·a)=0.04329t/(頭·a);生長肥育牛約占總?cè)馀５?0%,為2959.4萬頭,其總頭數(shù)甲烷排放量為128.1124萬t/a。2.3甲烷能2009年我國有役牛2631.5萬頭。平均體重按300kg,役量294kg/km。進食量ME52.93MJ/d,相當(dāng)于64.55DEMJ。用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)模型(4)計算:甲烷能/DE為11.19%;甲烷能=64.55DEMJ×0.1119=7.22MJ/(頭·d);甲烷排放量=182L/(頭·d)=0.1365kg/(頭·d)=49.82kg/(頭·a);其總頭數(shù)甲烷排放量為131.1079萬t/a。2.4飼養(yǎng)時的牛種2009年我國有牦牛917.0萬頭。據(jù)青海省統(tǒng)計,適齡母牛占34%,生長牛占32%,公閹牛占34%。飼養(yǎng)方式以放牧為主。其總頭數(shù)甲烷排放量為33.3811萬t/a。2.4.1甲烷排放量計算適繁母牦牛有311.8萬頭,平均體重256kg,日進食牧草干物質(zhì)5kg,牧草干物質(zhì)的消化能為10MJ/kg,則:日進食DE=5kg×10MJ/kg=50MJ;甲烷能/DE為11.19%,則:甲烷排放量=50MJ×0.1119=5.60MJ/(頭·d)=140.88L/(頭·d)=0.101kg/(頭·d)=36.865kg/(頭·a);其總頭數(shù)甲烷排放量=0.03686t/(頭·a)×311.8萬頭=11.4929萬t/a。2.4.2甲烷排放量計算成年公閹牦牛有311.8萬頭,平均體重408kg,日進食牧草干物質(zhì)6kg,牧草干物質(zhì)的DE為10MJ/kg,則:日進食DE=6kg×10MJ/kg=60MJ;甲烷能/DE=11.19%,則:甲烷排放量=60MJ×0.1119=6.714MJ/(頭·d)=168.91L/(頭·d)=0.121kg/(頭·d)=44.165kg/(頭·a);成年公閹牦?？傤^數(shù)甲烷排放量=0.04417t/(頭·a)×311.8萬頭=13.7722萬t/a。2.4.3甲烷排放量和能/de生長牦牛有293.4萬頭,按平均體重145kg,日進食牧草干物質(zhì)2.7kg,牧草干物質(zhì)的DE為10MJ/kg,則:日進食DE=2.7kg×10MJ/kg=27MJ/頭;甲烷能/DE=11.19%,則:甲烷排放量=27MJ/頭×0.1119=4.1403MJ/(頭·d)=104.16L/(頭·d)=0.0747kg/(頭·d)=27.2655kg/(頭·a);生長牦?？傤^數(shù)甲烷排放量=0.02766t/(頭·a)×293.44萬頭=8.116萬t/a。2.5中國?；撬徕c產(chǎn)量的評價總結(jié)對我國2009年牛甲烷排放量的估測進行匯總,見表2。3日糧的甲烷排放量法國是歐洲的養(yǎng)牛大國,據(jù)法國農(nóng)科院統(tǒng)計,2007年法國牛存欄2051.4萬頭(不包括犢牛肉生產(chǎn)),其中成年奶牛有379.9萬頭,占20.2%,而我國成年奶牛頭數(shù)僅占?？傤^數(shù)的7%。法國的肉用母牛和生長肥育牛占牛總頭數(shù)的78.5%,而我國肉牛占?？傤^數(shù)的55.2%。因此,法國牛進食的ME或DE較高,從而導(dǎo)致法國農(nóng)科院估測的總存欄牛甲烷平均排放量為68.1kg/(頭·a),高于我國估測的50.5kg/(頭·a)(表3)。由于我國產(chǎn)奶牛的平均產(chǎn)奶量較低,故日糧進食DE低于法國牛的日糧進食量DE,使甲烷排放量較低。但我國產(chǎn)奶量為20kg/(頭·d)的奶牛,按日進食有機物質(zhì)13.5kg,瘤胃發(fā)酵率40%估算,則FOM為5.4kg/(頭·d)。按中國農(nóng)業(yè)大學(xué)用瘺管牛呼吸測熱室的平均測定結(jié)果81.13(L/FOM,kg)計算:甲烷的排放量=5.4kg/(頭·d)×81.13(L/FOM,kg)=438L/(頭·d)=0.314kg/(頭·d)=114.6kg/(頭·a)。該估測結(jié)果與法國農(nóng)學(xué)院的估測結(jié)果117.7kg/(頭·a)相似。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)估測的生長肥育牛甲烷排放量與法國農(nóng)學(xué)院估測的相似,分別為43.3和43.0kg/(頭·a)。加拿大農(nóng)業(yè)和食品研究中心的Beauchemin等對16頭產(chǎn)奶牛用呼吸室進行了4種日糧的甲烷排放量測定試驗,在牛平均體重為(619.0±2.9)kg、產(chǎn)奶量(23.70±0.39)kg/(頭·d)、日糧干物質(zhì)進食量(18.30±0.54)kg、日糧有機物質(zhì)消化率64.3%~52.0%的條件下,甲烷排放量為293~241g/(頭·d),與表3中中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和法國農(nóng)學(xué)院估測的甲烷排放量相似。對產(chǎn)奶量為14.5kg/(頭·d)、體重為590kg、日干物質(zhì)進食量為16.8kg的美國奶牛甲烷排放量估測,結(jié)果為278g/(頭·d),亦與表3的結(jié)果相似。4影響牛烷產(chǎn)量的因素4.1瘤胃發(fā)酵vfa和丙酮酸比例甲烷由碳水化合物在瘤胃中被微生物發(fā)酵產(chǎn)生的CO2和H2所合成。碳水化合物在瘤胃中發(fā)酵產(chǎn)生丙酮酸,繼而由丙酮酸產(chǎn)生各種揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、H2及CO2,反應(yīng)式如下:2丙酮酸+2H2O→乙酸+2CO2+2H2+2ATP;2丙酮酸+8[H]→2丙酸+2H2O+2ATP;2丙酮酸+4[H]→丁酸+2H2+2CO2+ATP;可根據(jù)瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的VFA去估測甲烷產(chǎn)生量,但這種估算方法的主要缺點是僅根據(jù)己糖的發(fā)酵計算產(chǎn)生量,而未對戊糖的發(fā)酵進行計算。此外,假定發(fā)酵產(chǎn)生的氫全部被轉(zhuǎn)化為甲烷,而忽略瘤胃中氫化不飽和脂肪酸所消耗的氫和其他途徑消耗的氫,那么將高估甲烷的產(chǎn)生量。從上述反應(yīng)式可見,當(dāng)發(fā)酵產(chǎn)生的VFA中乙酸比例較高時,相應(yīng)的氫量亦較高,從而使甲烷的產(chǎn)生量相應(yīng)增加。因此,丙酸與乙酸的比例是影響甲烷產(chǎn)生量的重要因素。飼料的NDF在瘤胃發(fā)酵會產(chǎn)生較高的乙酸與丙酸的比例,故導(dǎo)致產(chǎn)生較多的甲烷。因此,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)用呼吸測熱室法測定牛的甲烷排放量,試驗結(jié)果得出了FNDF/FOM和甲烷(L/FOM)高度相關(guān)(R=0.9842)的線性模型式(1)。4.2工細度和長草的ch4/fom粉碎或顆粒的粗飼料會降低甲烷產(chǎn)生量,但當(dāng)限量飼喂時,這種降低效果則不明顯。據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究結(jié)果表明,在維持飼養(yǎng)條件下,羊草的工細度(分別為7.5、15.0和35.0mm)和長草的CH4/FOM相同(分別為88.93、86.90、88.14和88.03L/kg)。由于高淀粉精飼料的瘤胃發(fā)酵率很高,雖然其FOM的甲烷