不同地面形式自然通風奶牛舍冬季溫室氣體和氨氣排放量

趙婉瑩 許立新 王朝元，3 施正香，3*

(1.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083； 2.北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094； 3.北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083)

農業(yè)活動是溫室氣體的主要排放源之一，1994年我國農業(yè)溫室氣體的排放量占我國溫室氣體總排放量的17%，其中畜牧業(yè)分別占我國CH4和N2O排放量的32%和18%，主要來自于反芻動物的胃腸道發(fā)酵和糞便管理系統(tǒng)[1-2]。2015年反芻動物(牛、羊)占我國畜牧業(yè)溫室氣體排放量的72.44%[3]。預計到2030年，農業(yè)源的CH4和N2O排放量將比2005年分別增加60%和35%～60%[4]。因此，有必要結合國內奶牛場生產的實際情況，對奶牛舍內溫室氣體及NH3的濃度和排放量進行研究。

在進行牛舍氣體排放量計算之前，要先了解牛舍的通風換氣量，使用CO2平衡法[5]和氣體示蹤法[6-8]都可以評價自然通風牛舍通風換氣量。其中，CO2平衡法可以根據動物的生產模型計算通風換氣量[9]。牛舍內有害氣體排放量與飼養(yǎng)方式[10]、飼料水平[11-12]、地板類型[13]、管理措施[14]、通風方式以及氣候條件等有關。關于溫室氣體和NH3排放的影響因素較多，舍內風速、舍外溫度和奶罐中的尿素含量可以顯著影響NH3的排放量[15]。當舍內溫度較低時，NH3排放較低，溫度和NH3排放量之間的關系是指數函數[16]。Ngwabie等[17]監(jiān)測了瑞典的1棟自然通風奶牛舍，結果表明CO2、CH4和N2O的排放量與動物活動和環(huán)境溫度有關。NH3排放量隨著季節(jié)的變化差異較大，而CH4排放量則沒有較大的變化[18]，表明NH3排放量更易受到溫度的影響。Vanderzaag等[19]研究了位于安大略湖東部的2棟奶牛舍，量化了CH4的排放量，并估算出腸道內CH4的排放量。

歐美等國家已在牛舍溫室氣體和氨排放量方面開展了一定的研究，但由于我國在氣候、通風方式和日常管理措施等與國外有很大的差異，國外的研究結果雖然對我國有一定的參考價值，卻無法真實地反映我國奶牛生產中有害氣體排放的實際情況，自然通風牛舍的排放主要受到當地環(huán)境的影響[20]。本研究擬以帶有放牧場的自然通風奶牛舍為研究對象，探討我國帶有放牧場的自然通風奶牛舍的氣體排放量，以及溫濕度和地板類型等影響因子對氣體排放的影響規(guī)律，為降低奶牛舍有害氣體排放方案的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍概況

試驗地點在河南省鄭州市中荷奶牛培訓中心。試驗牛舍2棟，分別為漏縫地板牛舍和實體地面牛舍，記為牛舍1和牛舍2。牛舍1建筑面積為1 227 m3，現有奶牛87頭，每頭牛占地面積為14 m2。該牛舍具有可供奶牛休息的牛床(5 cm厚的橡膠墊，床料為鋸末)。牛欄除牛床外其余地面為漏縫地面，糞便和尿液可以通過漏縫地板進入糞窖。牛舍2建筑面積956 m3，現有奶牛68頭，每頭牛占地面積為14 m2。地面為實體地面加排尿溝，其他與牛舍1相同。

牛舍1和牛舍2均是散欄式飼養(yǎng)，日糧為全混合日糧，每天喂料時間為6:30和14:30。清糞方式為人工清糞，每天清糞時間為8:30。每天擠奶2次，時間為4:30和14:00。該牛場擁有配套放牧場，飼養(yǎng)方式為放牧和舍飼相結合。牛舍1奶牛每天放牧1次，時間為8:30—10:30。牛舍2每天放牧2次，時間為8:30—10:30和14:30—16:30。

1.2 試驗指標及方法

1.2.1試驗指標和時間

1)試驗統(tǒng)計了牛舍中每頭奶牛的體斜長、胸圍、產奶量和繁殖狀態(tài)，統(tǒng)計時間為1月8日—1月17日。

2)對舍內外的環(huán)境狀況(溫度、相對濕度、風速、CO2、NH3、CH4、N2O)進行了監(jiān)測。牛舍1監(jiān)測時間為1月8日—1月13日，牛舍2監(jiān)測時間為1月15日—1月17日。

1.2.2試驗測點布置

試驗期間，每個牛舍共布置6個采樣點，其中5個采樣點在舍內，測點距離地面1.5 m。在舍外布置另外1個采樣點，測量舍外的環(huán)境狀況。試驗測點布置見圖1。

①～⑤為舍內測點，⑥為舍外測點。
①-⑤ are the test points inside and ⑥ is the test point outside.
圖1 環(huán)境監(jiān)測試驗測點布置
Fig.1 Arrangement of measuring points for environmental monitoring test

1.3 試驗儀器

溫濕度監(jiān)測：Apresys197-TH型溫濕度計(溫度測量精度：±0.3 ℃；濕度測量精度：±3%)，采集頻率為4次/h，間隔15 min,24 h連續(xù)采集。

風速監(jiān)測：加野麥克斯智能型風速計(精度：讀數值的3%±0.1 m/s)，采集頻率為1 次/h，24 h連續(xù)采集。

氣體濃度監(jiān)測：系統(tǒng)由INNOVA1412多種氣體分析儀、多通道氣體采樣控制系統(tǒng)、氣體加熱控制系統(tǒng)、氣體壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成，通過該系統(tǒng)對奶牛舍24 h連續(xù)監(jiān)測(測試精度分別為：CO2， 3.34 mg/m3; N2O， 0.02 mg/m3; NH3， 0.05 mg/m3; CH4， 0.11 mg/m3)，采樣分析頻率為1 次/h。

1.4 數據分析

數據統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件進行。

2 牛舍內通風換氣量的計算方法

本研究對CO2平衡法進行改進，使用改進的CO2平衡法計算奶牛的通風換氣量。在以往通過CO2平衡法進行自然通風牛舍的通風換氣率時，往往因為工作量大，直接選取1個常量代替奶牛體重進行計算，忽略了由于奶牛妊娠產生的熱量。試驗期間統(tǒng)計了每頭奶牛的體重和妊娠時間等，分析不同階段的奶牛體重、產奶量和繁殖狀態(tài)對通風換氣量的影響，為今后更準確的運用CO2平衡法計算通風換氣量提供了依據。

CO2平衡法計算牛舍通風換氣量為：

(1)

式中：VR為牛舍的通風換氣量，m3/h；GP為釋放的示蹤氣體量或者舍內奶牛的CO2產量，m3/h；Gin和Gout分別為舍內外所測量的氣體濃度，mg/m3;N為舍內動物數量。計算時，Gin采用舍內測點的平均值。

在計算GP時，首先要計算舍內奶牛總的產熱量。在實際生產中，奶牛飼養(yǎng)頭數、奶牛個體、生產性能等方面存在一定差異，為了避免這些差異對試驗結果的影響，本研究采用產熱單位HPU作為參數對相關數據進行分析和闡述。CIGR采用畜禽的熱量損失定義牲畜單位，1個產熱牲畜單位定義為：在環(huán)境溫度為20 ℃時，能產生1 000 W熱量的動物數量，即為1 HPU。

奶牛在20 ℃時的產熱量主要與體重、產奶量和飼養(yǎng)水平有關。根據相關研究，奶?？偖a熱量的計算公式為：

Ht=ΔHm+ΔHn+ΔHp

(2)

式中：Ht為奶牛的總產熱量，W；ΔHm為奶牛機體代謝熱，W；ΔHn為奶牛產奶產生的熱量，W；ΔHp為奶牛懷孕產生的熱量，W。ΔHm，ΔHn和ΔHp計算公式為：

ΔHm=5.2x0.75

(3)

ΔHn=30m

(4)

ΔHp=1.6×10-5d3

(5)

式中：x為奶牛的活體重，kg；m為奶牛的日均產奶量，kg；d為奶牛的妊娠天數。

當環(huán)境溫度不是20 ℃時，需要對HPU總數進行溫度修正：

Htotal=Ht×(1+4×10-5(20-t)3)

(6)

式中：Ht和Htotal分別為進行溫度修正前后的總產熱量，W；t為環(huán)境溫度，℃。

完成對舍內成年奶牛的估算后，便可以得到每個試驗階段舍內的HPU總數即Htotal,HPU：

Htotal,HPU=Htotal/1 000

(7)

舍內CO2平均產量(基于24 h的平均)與產熱量的關系式為[9]：

GP=0.185×Htotal,HPU

(8)

式中：CO2平均產生量為0.185 m3/(h·HPU)[9]。

3 結果與分析

3.1 奶牛生產信息統(tǒng)計結果

表1示出試驗期內牛舍1和牛舍2的155頭奶牛的生產信息。本研究根據奶牛的不同生產階段將試驗期內的155頭奶牛分為4類：泌乳盛期(自分娩后16天至第100天)；泌乳中期(自分娩后第101天至第200天)；泌乳后期(自分娩后第201天至停奶前一天)；干奶期(自停奶日期至分娩日期之前)。

泌乳盛期、泌乳中期和泌乳后期奶牛，因懷孕時間較短或沒有進行配種，奶牛懷孕產生的熱量只占到總產熱量的0.004%、0.30%和1.00%。而干奶牛產熱量中，高產奶牛占15.23%，所占比重相對較大。

表1 試驗期間奶牛產熱信息Table 1 Heat production and HPU information of dairy cattle

注：Ht為奶牛的總產熱量；ΔHm為奶牛機體代謝熱；ΔHn為奶牛產奶產生的熱量；ΔHp為奶牛懷孕產生的熱量。

①環(huán)境溫度為20 ℃時，能產生1 000 W熱量的動物數量，即為1 HPU。

Note:Htis the total heat production of dairy; ΔHmis metabolic heat of dairy; ΔHnis the heat production of milk of dairy; ΔHpis the heat production of pregnancy of dairy.

① 1 HPU is the quantity of animal producing 1 000 W in total heat at 20 ℃.

3.2 自然通風牛舍通風換氣量的估算

使用奶牛體重及生產階段的監(jiān)測數據，采用改進的CO2平衡法對牛舍1和牛舍2的通風換氣量進行估算；把奶牛體重以標準質量計算(荷斯坦奶牛為600 kg)時，使用CO2平衡法計算出牛舍1和牛舍2的通風換氣量。2種方法得到的奶牛舍的通風換氣量見表2。對牛舍1來說，2種方法得到的通風換氣量沒有顯著差異(P>0.05)，而得到的牛舍2的通風換氣量差異顯著。主要原因是2棟牛舍內奶牛的生產階段不同，牛舍1內主要是泌乳牛，妊娠產熱量占總產熱量的比重較低，忽略妊娠產熱量對通風換氣量的影響較小。而牛舍2內主要是干奶期奶牛，妊娠產熱量占總產熱量的比重較高，忽略妊娠產熱量對通風換氣量影響較大。因此，自然通風牛舍采用CO2平衡法計算奶牛舍的通風量時，需要考慮奶牛的生產階段。在進行計算時，泌乳階段的奶?？梢院雎匀焉锂a熱量，干奶期奶牛則需要計算妊娠產熱量。

表2 改進CO2平衡法和CO2平衡法得到的奶牛舍通風換氣量Table 2 Ventilation rates of 2 dairy buildings of improved CO2 balance method and CO2 balance method m3/h

注：不同小寫字母表示同一工況下同列數據差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercases indicate significant differences within the same columns under the same condition at 0.05 level. The same below.

3.3 牛舍的環(huán)境狀況

3.3.1試驗期間牛舍氣體質量濃度

試驗期間，牛舍1舍內平均溫度為-2～6 ℃，相對濕度為55%～80%；舍外平均溫度為-6～6 ℃，相對濕度為50%～90%；牛舍2舍內平均溫度為0～5 ℃，相對濕度為82%～95%，舍外平均溫度為-3～4 ℃，相對濕度為82%～92%。試驗期間奶牛舍內環(huán)境指標見表3?？梢?，牛舍1和牛舍2的溫度沒有顯著差異(P>0.05)，牛舍1內CO2、N2O、NH3和CH4的質量濃度均顯著高于牛舍2(P<0.05)。

表3 奶牛舍內氣體質量濃度Table 3 Gas mass concentration of dairy buildings

3.3.2牛舍氣體變化特性

雖然2棟牛舍的建筑形式、管理以及奶牛的頭數和奶牛所處的生理階段都存在很大的差異，但是奶牛舍內氣體濃度都呈現出明顯的晝夜變化規(guī)律(圖2)。

試驗期間，由于放牧，牛舍1和牛舍2在放牧時間均出現CO2濃度低谷。在2次擠奶后2棟牛舍奶牛出現采食高峰，活動頻繁，均出現CO2濃度高峰。奶牛在牛舍期間時舍內CO2濃度均較高。由此可知，舍內CO2濃度與奶牛的活動量密切相關。

牛舍內N2O的濃度較低，并且波動變化不大，在試驗期間2棟牛舍的N2O質量濃度變化值均為1.45～1.70 mg/m3。2棟牛舍NH3濃度差別不大，在4:00—8:00舍內濃度較低，存在白天溫度較高時，NH3濃度較高的現象。在8:30—10:30放牧期間，NH3濃度持續(xù)上升，這與CO2和CH4正好相反，主要原因可能是由于奶牛舍內NH3的主要來源是糞便，在上午，溫度逐漸上升，NH3釋放量增加。

相關研究表明，奶牛舍內CH4的主要來源是奶牛的瘤胃發(fā)酵，因此奶牛舍內的CH4濃度主要與奶牛的代謝活動相關。牛舍1內，在8:30—10:30舍內CH4濃度出現最低點，在白天10:00—20:00舍內的CH4濃度較高，在奶?；顒虞^少的夜晚CH4濃度較低。牛舍2基本呈現與牛舍1相似的規(guī)律，在奶牛放牧期間，CH4濃度最低。

通過上述分析可知，牛舍內CO2和CH4的濃度均與奶牛的活動有關，為進一步了解CO2和CH4之間的關系，對這兩者的濃度進行回歸分析結果見圖3：舍內CO2濃度與CH4濃度之間存在一定的正相關關系(R2=0.37～0.65)。

圖2 牛舍1和牛舍2內CO2(a)、N2O (b)、NH3(c)和CH4(d)質量濃度晝夜變化
Fig.2 Diurnal variations of CO2(a), N2O (b), NH3(c) and CH4(d) mass concentrations in dairy building 1 and 2

圖3 牛舍1 (a) 和牛舍2 (b) 內CO2和CH4質量濃度之間的關系
Fig.3 Correlations between the mass concentration of CO2and CH4in dairy building 1 (a) and dairy building 2 (b)

3.4 有害氣體排放量

3.4.1冬季牛舍NH3、CH4以及N2O排放量

牛舍內氣體排放量采用式(9)進行估算：

Eg.HPU=8.64×104VR(Gin-Gout)ρg/Htotal

(9)

式中：Eg,HPU為每HPU氣體排放量，g/(HPU·d)；ρg為氣體質量濃度，g/m3；Htotal為奶牛舍內奶牛所產生的總熱量。

根據測量所得氣體濃度和計算所得的通風換氣量，計算了牛舍24 h的溫室氣體和NH3的排放量，見表4。牛舍1的NH3和CH4排放量顯著高于牛舍2(P<0.05)，且牛舍1的NH3排放量比牛舍2高73.19%，牛舍1的CH4排放量比牛舍2高2.59倍；在N2O方面，牛舍1和牛舍2不存在顯著差異(P>0.05)。

表4 冬季牛舍NH3、CH4和N2O排放量Table 4 Emission rates of NH3, CH4 and N2O from these buildings in winter g/(HPU·d)

3.4.2NH3、CH4和N2O排放量變化

對奶牛舍進行氣體排放量計算，得到牛舍1和牛舍2在冬季試驗期間NH3、CH4和N2O晝夜排放量變化(圖4)。可以看出，牛舍NH3排放量的高

圖4 2棟牛舍NH3(a)、CH4(b)和N2O (c)晝夜排放量
Fig.4 Diurnal emission rates of NH3(a), CH4(b) and N2O (c) in 2 dairy buildings

峰一般出現在白天，因為白天奶牛舍溫度升高和風速增大，舍內空氣流通性增加，奶牛舍NH3濃度增加，排放量增加。牛舍1和牛舍2 NH3排放量均在8:00—9:00大幅上升，主要是由于2棟牛舍均在上午8:30開始清糞，在清糞過程中使得原本未暴露在空氣中的糞便暴露在空氣中，增加了NH3排放。而在晚上奶牛的活動量較少，排泄量較小，因此奶牛舍NH3濃度降低。牛舍1和牛舍2的NH3排放量明顯不同。牛舍1白天都會出現2個NH3排放速率高峰，峰值一般出現在奶牛采食活動的高峰期，即8:00清糞開始以及16:00擠奶結束后。牛舍2 NH3排放量在20:00—8:00最低，白天排放高峰時間與牛舍1相同。

2棟奶牛舍的CH4的排放量在1天中都有著明顯的變化，牛舍1的CH4排放量在10:00放牧結束后一直處于較高的水平，從14:00開始排放量下降，直到20:00才降至于牛舍2相近的水平。牛舍2的CH4排放量顯著低于牛舍1，但是在 10:00 和18:00放牧結束之后，牛舍2的CH4排放量出現高峰。牛舍內N2O的排放量較小，且規(guī)律不明顯。

3.4.3溫度對NH3排放量的影響

溫度對糞便的發(fā)酵具有較大的影響，溫度升高，糞便內脲酶的活性增強，糞便發(fā)酵速度增加，氨氣產生量增加，從而增大氨氣的排放量。以牛舍1為例，對舍內溫度對NH3排放量的影響進行回歸分析，結果見圖5：牛舍溫度升高會使牛舍NH3排放量增加，牛舍溫度與NH3的排放量呈現正相關關系(R2=0.76)。

圖5 舍內溫度對NH3排放量的影響
Fig.5 Effect of temperature on NH3emissions rate

4 討 論

4.1 牛舍溫室氣體和NH3濃度

NH3主要來源于糞便，其揮發(fā)量與糞便中NH4+的濃度、糞便表面的風速、糞便的溫濕度和攪動程度有關[21]。CO2主要來源于動物呼吸。牛舍1中CO2和CH4濃度均顯著高于牛舍2，主要是由于牛舍1的放牧次數比牛舍2少，導致牛舍1的奶牛在畜舍的時間要長，從而導致舍內產生更多的CO2和CH4。而牛舍1內N2O和NH3的濃度顯著高于牛舍2，主要是由于牛舍1的漏縫地板下貯存著更多的糞便和尿液，在存貯過程中在持續(xù)釋放著N2O和NH3。試驗得到牛舍內NH3平均質量濃度為2.10～3.23 mg/m3，與文獻[22]中奶牛舍NH3質量濃度一般保持在0.03～6.50 mg/m3相符合。試驗監(jiān)測得到的牛舍1和牛舍2的N2O濃度均較低，平均值為1.51～1.57 mg/m3，該結果與已有研究結果[23]相似。本研究結果表明CH4和CO2存在一定的相關關系(R2=0.37～0.65)，與已有研究結果[24]相符，該研究表明CH4和CO2之比是可以通過測量舍內CO2濃度來預測CH4濃度的變化趨勢。也有研究[25]提出了CH4和CO2存在著一定的強相關性(R=0.67～0.74)。

4.2 牛舍溫室氣體和NH3排放量

本研究中，牛舍1中NH3排放量顯著高于牛舍2(P<0.05)，主要可能是受到清糞次數的影響。牛舍1地面為漏縫地板，牛舍2地面為實體地面，牛舍1內糞便2～3周清除1次，而牛舍2每天都會進行清糞工作。實體地面牛舍的NH3排放量顯著低于漏縫地板牛舍[26]。牛舍1和牛舍2的NH3排放量為8.14～28.28 g/(HPU·d)，CH4排放量為0.19～439.20 g/(HPU·d)，這與其他研究結果相近。Wu等[27]對自然通風奶牛舍的NH3和CH4的濃度和排放量等進行了研究，結果顯示NH3的排放水平為18～77 g/(HPU·d)，CH4的排放水平為290～230 g/(HPU·d)，CH4和NH3的濃度和排放量在1天內呈現出一定的變化規(guī)律。Zhang等[26]研究表明當環(huán)境溫度在2～20 ℃時，NH3的排放量為10～30 g/(HPU·d)。試驗結果表明，NH3的排放量與溫度呈現正相關關系(R2=0.76)，但同時也受到地面類型和日常管理的影響。NH3的排放和舍內溫度存在顯著正相關線性關系[28](R2=0.29～0.51)。有研究模擬了奶牛舍NH3的排放過程，認為通過使用恰當的飼喂方式、清糞方式、地板類型等可以將奶牛舍的NH3排放量降低50%[29]。

4.3 地面類型選擇

由本研究可知，實體地面似乎是更符合環(huán)境要求的地面類型，但是在實際生產中，選擇地面類型時，除了需要考慮環(huán)境問題外，還需要考慮動物的健康和福利、清糞方式和造價等。與實體地面相比，漏縫地板可以保持地面的清潔[30]，但同時也會導致奶牛蹄病的增加[31]，而且價格相對更高。而實體地面則需要更加頻繁的清除地面的糞尿來保持舍內適宜濕度和地面的清潔。因此，從動物健康的角度來說，可能實體地面比漏縫地板更加適合奶牛的生長。

5 結 論

本研究選取河南省鄭州市中荷奶牛培訓中心的2個典型的帶有放牧場自然通風奶牛舍，對舍內溫室氣體和NH3濃度及其排放量進行了監(jiān)測和計算，主要結論如下：

1)改進的CO2平衡法估算的通風換氣量表明通風量與奶牛的生產階段有關。

2)漏縫地板牛舍的NH3和CH4濃度均顯著高于實體地面牛舍(P<0.05)，2棟牛舍N2O濃度均較低，且差異不顯著(P>0.05)。奶牛舍內CO2和CH4的濃度存在一定的正相關關系(R2=0.37～0.65)。

3)溫度可以顯著影響舍內NH3排放量，舍內溫度與氨氣的排放量呈正相關關系(R2=0.76)。

4)不同的地面類型對奶牛舍內NH3、CH4的濃度和排放水平有顯著影響。漏縫地板牛舍比實體地面牛舍NH3的質量濃度和排放量分別高53.81%和73.19%，漏縫地板牛舍比實體地面牛舍CH4的濃度和排放量分別高1.80倍和2.59倍。在實際生產中，要根據實際需求來選擇地面類型。