自然通风奶牛舍地面系统NH3与CH4减排措施测试中VERA多农场方法的评估与进一步发展

《Journal of Cleaner Production》：Evaluation and further development of the VERA multi-farm approach to test emission mitigation measures for floor systems in naturally ventilated dairy barns

　　

VERA多农场方法（multi-farm approach）在实践条件下得到评估。所调查的牛舍表现出显著的牛舍效应（barn effects）。尽管建筑结构相似，不同牛舍的排放仍存在相当大的差异。采用4栋牛舍的多农场方法可能无法提供显著结果。

研究背景与问题。欧洲联盟拟减少影响环境和气候的排放。NH₃（氨）会造成水体富营养化、土壤酸化和生物多样性损失，并参与大气二次颗粒物形成；欧洲94%的NH₃排放来自农业，奶牛生产是重要来源。CH₄（甲烷）是温室气体，其全球增温潜势为CO₂（二氧化碳）的28倍；欧洲53%的CH₄来自农业，反刍动物消化及粪浆和有机肥管理占主要部分。为评价畜舍减排措施，VERA（畜舍排放测试协议）测试协议被建立。德国奶牛舍排放因子为14.6 kg NH₃ AP^?1 a^?1（12 kg NH₃-N AP^?1 a^?1），荷兰为13 kg NH₃ AP^?1 a^?1。理想病例对照设计（case-control）需要相同圈舍或相同牛舍，自然通风奶牛舍中难以实现；时间病例对照（case-control in time）不适用于新地板系统。因此VERA提出多农场方法（multi-farm approach），通过4栋牛舍补偿个体随机效应。此前KTBL（Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V.）对4栋牛舍的比较未发现不同舍饲系统年NH₃排放显著差异，但内部储粪板条地板CH₄排放显著较高。Groenestein等发现预期NH₃减排未总能实现，牛舍间变异大。新指南仍列多农场方法，最少4栋，若预期减排小于20%建议更多。该研究发表于《Journal of Cleaner Production》，由Diana Nett等开展，目标是评价VERA多农场方法对自然通风奶牛舍地板系统减排措施测试的适用性并进一步开发。

研究人员在德国南、北、中部选择4栋自然通风奶牛舍（A、B、C、D），安装沟槽橡胶插入件和缝隙密封盖板，配合喷水刮粪机器人，测定年NH₃和CH₄排放，并用线性混合效应模型识别重要影响因素。结论是四栋牛舍年平均NH₃排放为2.3–13.7 kg NH₃-N AP^?1 a^?1，CH₄为180.6–356.5 kg CH₄ AP^?1 a^?1；牛舍间差异显著，牛舍效应强。NH₃受储粪pH和舍内气温影响，CH₄受粪浆温度和板条下粪浆量影响。多农场方法对自然通风奶牛舍地板系统导致高变异和不确定结果，建议增加牛舍数或采用病例对照设计，并纳入伴随参数。意义在于为VERA方法改进和自然通风奶牛舍减排评估提供依据。

关键技术方法。研究以德国南、北、中部4栋自然通风奶牛舍（A、B、C、D）为对象，均为卧栏和板条地板，安装沟槽橡胶插入件、缝隙密封盖板及喷水刮粪机器人。2020年6月至2022年12月按VERA多农场方法设6个测量期（夏季、冬季、过渡期各2期），每期至少连续6天，每日纳入统计。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）同时测CO₂、NH₃和CH₄，沿舍长2.5 m高度布置采样线，每舍15–20个临界毛细管并设背景点；内外气象站记录风速、风向、温湿度和卷帘开度。用CO₂平衡法计算自然通风率与年排放；以牛舍为随机效应建立线性混合效应模型，分析温度、粪浆pH、粪浆温度、粪浆量等影响，并做统计功效和最小可检测效应分析。样本来源为德国4栋实际奶牛舍。

研究结果。3.1 Emissions（排放）：通过六个测量期计算年排放。3.1.1 NH₃ - Ammonia（氨）：所有牛舍平均年NH₃排放为9.5 ± 5.1 kg NH₃-N AP^?1 a^?1；夏季10.7 ± 6.3、冬季7.5 ± 3.8、过渡期10.4 ± 5.0 kg NH₃-N AP^?1 a^?1。冬季标准差较低，过渡期和夏季分散较大。A最低（2.3 ± 1.2），C最高（13.7 ± 3.0），B为11.4 ± 2.5，D为10.3 ± 3.7；A显著低于其他牛舍（p < 0.01）。以牛舍为随机效应，舍内气温显著影响NH₃（p < 0.01，r = 0.6），粪浆pH相关较弱（r = 0.4），季节影响显著（p = 0.02）。3.1.2 CH₄ - Methane（甲烷）：平均年CH₄排放为272.5 ± 98.5 kg CH₄ AP^?1 a^?1；夏季311.0 ± 136.1、冬季252.1 ± 73.7、过渡期257.3 ± 74.0 kg CH₄ AP^?1 a^?1。A最低（180.6 ± 3.9），C为203.6 ± 14.2，B为349.0 ± 51.3，D为356.5 ± 97.0；A和C显著低于B和D（p < 0.01），A与C无显著差异。CH₄与粪浆温度（r = 0.5，p < 0.05）和地板温度（r = 0.4，p < 0.05）相关，舍内气温（r = 0.5，p = 0.02）和季节（p = 0.05）影响显著。3.2 Supplementary parameters（补充参数）：舍内温度范围与牛舍附近公共气象站年平均室外温度相当；未观察到异常天气，因此未额外温度校正。粪浆通道填充水平虽变化，但季节间无显著差异；A因重力流通道年填充水平最低。3.3 Assessment of the test design（试验设计评估）：NH₃线性混合效应模型以舍内气温和储粪pH为固定效应（边际R² = 0.15）、牛舍为随机效应，条件R² = 0.90；牛舍间方差1.00、残差方差0.14，ICC（组内相关系数，intraclass correlation coefficient）为0.88。CH₄模型以粪浆温度和粪浆量为固定效应（边际R² = 0.16）、牛舍为随机效应，条件R² = 0.73；牛舍间方差0.70、残差方差0.33，ICC为0.68。两模型显示牛舍随机效应影响明显。统计功效分析表明，在d = 0.49、α = 0.05、目标功效0.8下约需34栋独立牛舍；本研究中要达显著需减少10.71 kg NH₃-N AP^?1 a^?1（89%）。4栋牛舍下功效和最小可检测效应估计不确定，敏感性分析显示所需牛舍数取决于效应量。

讨论部分总结。4.1.1 NH₃：文献范围为2.7–44.6 kg NH₃-N AP^?1 a^?1。A低排放与重力流通道牛舍结果相似，可能真实。A显著低；模型提示pH和气温影响NH₃，与形成途径一致，粪浆储存影响为25%–50%。A表面积每动物最小、粪浆通道填充和面积最低；但其他未测牛舍特征也可能影响。4.1.2 CH₄：A与外部储粪牛舍文献值106.9–168.6 kg CH₄ AP^?1 a^?1相当；其他牛舍接近内部储粪平均值308 kg CH₄ AP^?1 a^?1。A、C显著低于B、D。模型显示粪浆温度和粪浆量影响显著，>5°C和粪浆体积增加提高CH₄。因饲喂信息不完整，饲喂参数未纳入模型。4.2 Assessment of the test design：VERA的4栋牛舍重复测量不能补偿独立牛舍少，高变异和强牛舍效应阻碍明确评估，KTBL和Groenestein等有类似结果。Groenestein等以至少90栋牛舍获得较低方差和稳健结论。增加牛舍数有益，34栋应作为规划值。新指南要求与这些发现一致。牛舍效应超过固定效应，地板系统评估不确定；ICC数值来自4栋牛舍，不应视为精确总体估计。管理、饲喂、粪污处理和气候等异质因素导致大量组合，难以获得显著结果。研究支持多农场方法有改进空间，建议增加牛舍数、纳入粪浆pH和温度等参数，并采用病例对照设计；自然通风奶牛舍通风率计算方法也可导致排放差异。

5. Conclusions（结论）翻译：四栋分析奶牛舍年平均NH₃排放为2.3–13.7 kg NH₃-N AP^?1 a^?1，年平均CH₄排放为180.6–356.5 kg CH₄ AP^?1 a^?1。本研究揭示牛舍间NH₃和CH₄排放存在显著差异，并用线性混合效应模型进一步分析。线性混合效应模型识别出所研究舍饲系统中影响排放的因素：NH₃排放受储粪pH和舍内气温影响，CH₄排放受粪浆温度和板条下储粪量影响。两个模型均显示牛舍效应增强。多农场方法在自然通风奶牛舍地板系统中导致高变异和不确定结果。通过纳入更多牛舍或检查伴随参数扩大数据集，可增强多农场方法评估地板系统的适用性。对于自然通风奶牛舍，可推荐使用病例对照设计。