3%坡度实心地面与集尿沟对散栏奶牛舍NH3排放的减排效果及全年排放估算

《Biosystems Engineering》：Reduction of ammonia emissions from dairy cubicle housing by sloped floors for rapid urine drainage

　　

奶牛舍地面快速排尿液可减少氨（NH3）的形成与释放。本研究在实际规模条件下，比较了带3%坡度、集尿沟并配清粪刮板的实心地面（"坡面实心地面"）与无坡度实心地面参照系统的NH3减排潜力。两个空间分隔的牛舍单元可在可比条件（如气候）下进行病例-对照测定。采用人工示踪气体的示踪剂比率法量化自然通风条件下的排放。跨三个季节的测定显示，在两种牛舍单元均考虑每日3次和12次清粪频率的情况下，坡面实心地面相较无坡度参照系统在夏季、过渡季节和冬季分别降低NH3排放17%、37%和21%。线性混合效应模型识别出以下影响NH3排放的变量：地面类型（p < 0.001）、室外空气温度（p < 0.001）、舍内风速（p < 0.01）和乳尿素含量（p < 0.001），以及清粪频率与地面类型的交互作用（p < 0.001）。利用基于更广泛瑞士数据库（温度、乳尿素含量）并按区域区分的模型化计算，获得两种地面类型在每日12次清粪下的年NH3排放值。坡面实心地面与无坡度实心地面散栏牛舍的每头动物年NH3排放量分别为8.2–9.5 kg和11.8–12.8 kg。

一、研究背景与问题

奶牛养殖中NH₃的形成与释放主要由尿液斑块污染驱动，尿素水解受粪便及被粪尿污染表面上的脲酶催化，其速率取决于温度、尿液尿素浓度和脲酶活性。NH₃形成在尿液接触粪污或脏污地面后迅速启动，通常在数小时内完成，因此尿液从具脲酶活性的地面快速排入覆盖式粪浆贮存设施对减排至关重要。瑞士散栏牛舍多为实心地面，这是使用稻草垫料的先决条件，因而需要能降低NH₃排放的实心地面类型。已有中试研究表明，坡度对排液时间和残留液量的影响强于地面表面设计；20世纪90年代荷兰机械通风小单元试验显示，3%单侧坡度配侧向集尿沟较参考漏缝地面减排约20%，而V形横向3%坡度配中央集尿沟减排约50%，但该试验牛舍为封闭机械通风、每头牛面积较小，结论难以外推至当今自然通风、较宽敞的牛舍系统。本研究旨在典型瑞士奶牛舍条件下、不同气候情境中评估3%横向坡度实心地面配集尿沟相对无坡度实心地面的NH₃减排潜力，并将清粪频率（每日3次与12次）作为子变量考察，同时记录被尿液污染的地面面积作为补充参数，并测定CH₄排放以完善舍级CH₄数据库；最终结合统计模型与瑞士温度、乳尿素含量（MUC）数据库计算年排放量。

二、研究开展与结论、意义

研究人员在瑞士东北部自然通风的实验奶牛舍开展测定，牛舍由两个相同且空间分隔的单元组成，每单元三排牛床、稻草垫料、20头泌乳牛，两单元在品种、泌乳天数、产奶量、胎次和体重上尽量平衡，饲养管理一致。结果表明，坡面实心地面在夏季、过渡季节、冬季分别降低NH₃排放17%、37%和21%，全季节平均降低约25%；模型识别出室外空气温度（OAT）、舍内风速（WS）、MUC、地面类型（FT）及FT与清粪频率（MRF）交互作用为显著影响因素；模型化年排放量为坡面地面8.2–9.5 kg animal^?1 year^?1、无坡度地面11.8–12.8 kg animal^?1 year^?1，减排约30%。该研究为国家和国际排放清单提供实测数据，为坡面地面的减排效益提供科学依据，并支持咨询机构、奶农、环境与农业主管部门及政策制定者实施结构性减排措施。

三、关键技术方法

采用双示踪剂比率法（dual tracer-ratio method），向两单元分别持续释放SF₆与SF₅CF₃，结合临界毛细管与聚四氟乙烯（PTFE）管路进行积分式空气采样，以光腔衰荡光谱（CRDS）测定NH₃与CH₄、气相色谱-电子捕获检测（GC-ECD）测定示踪气体；采用病例-对照（case-control）设计在两分隔单元同步测定；以线性混合效应模型（含一阶自相关、测定日为随机效应）分析排放影响因素；并基于模型与MeteoSwiss 42个气象站（2013–2017年）温度数据及瑞士育种协会月度乳检MUC数据进行年排放模型化计算。样本来源为瑞士东北部实验牛舍两个单元各20头泌乳牛，测定于2015年夏季、过渡季节和冬季进行。

四、研究结果

3.1 气候数据、CH₄排放、动物与饲料参数：测定期OAT夏季均值为16.1°C、过渡季节8.3°C、冬季2.3°C，与基于多年温度测定预设的温度水平吻合良好；两单元气温过程高度相似，舍内WS差异很小，但季节间差异显著，与幕帘位置调控有关，夏季两侧全开时WS最高（两单元分别为0.53和0.64 m s^?1），过渡季节单侧关闭时为0.21和0.22 m s^?1，冬季全闭时均为0.13 m s^?1。夏季因背景浓度技术问题无法计算CH₄排放，过渡季节和冬季单位干物质采食量（DMI）的CH₄排放处于同一牛舍其他测定范围内。各季节两牛群活重、能量校正乳（ECM）和DMI相近，部分混合日粮相同，饲料成分几乎无差异；夏季和过渡季节尿氮排泄差异可能源于 spot sampling 与总尿量估算的方法学不确定性。据此可认为各季节内两单元在动物参数和气候方面可比，满足有意义的病例-对照测定条件。

3.2 NH₃排放及其解释变量：包含两种清粪变异的日平均NH₃排放为18.4–43.4 g LU^?1 d^?1，与瑞士六家商业牧场实心地面牛舍、葡萄牙三家牧场及荟萃分析结果一致。两单元排放均呈夏季最高、冬季最低的季节变化，无坡度变体的季节梯度较坡面变体平缓。显著影响因素为OAT（p < 0.001）、舍内WS（p < 0.01）、MUC（p < 0.001）和FT（p < 0.001）；MRF单独不显著（p = 0.41），但MRF与FT交互作用显著（p < 0.001）。温度可加速脲酶活性、解离平衡及液相向气相转移等过程；WS增大湍流强度、减薄气液界面边界层从而降低挥发阻力；MUC与尿氮排泄密切相关，可反映NH₃形成潜力。坡面地面相较无坡度参照地面在夏季、过渡季节、冬季平均分别减排17%、37%、21%，全季节平均约25%；MRF两变异间无显著差异可能与测定期较短及采用时间上的病例-对照设计导致统计功效降低有关。地面污染评分显示，无坡度地面在每日3次刮粪时总污染量在各季节均最高，坡面地面配每日12次清粪时最低；对NH₃形成最相关的"尿液"和"湿粪尿混合物"类别在相同MRF下坡面地面明显更低，冬季尤为明显，说明坡度使相当量尿液从地面排走。

3.3 年NH₃排放模型预测：无坡度地面、每日12次清粪的模型化年均排放为24.7–26.8 g LU^?1 d^?1（平原与山区、不同WS），略高于基于瑞士六家商业牧场的排放因子（21.8–24.5 g LU^?1 d^?1）；平原区因温度较高略高于山区；WS效应亦体现在年排放中。最强效应来自地面类型：每日12次清粪时坡面地面减排29%–32%，而每日3次清粪时减排效应很弱，仅3%。与文献比较，本研究坡面地面牛舍排放处于文献较低范围；丹麦和荷兰多牧场研究未显示漏缝地面与实心排液地面间如此清晰的差异，牧场效应可能掩盖其他效应，而病例-对照方法可将此类干扰降至最低。

3.4 实用性与进一步研究需求：其他研究考察了3%坡面实心地面在滑倒行为等动物福利方面、工艺工程方面及农户经验，并量化了残留污染质量，表明3%坡度配集尿沟的地面已在实践中证明有效，可用于新建牛舍，并可通过适当改造（如使用集成3%坡度的橡胶垫）用于翻新。为防止形成涂抹层导致动物滑倒，建议在温暖月份系统湿润地面表面；为保证清洁质量，需使刮粪工具与地面表面最佳适配。今后需开发其他实现快速排尿的措施（如优化的打孔地面），在病例-对照研究中量化其减排潜力并考察实用性，同时研究放牧和运动场使用对NH₃排放的影响。

3.5 方法学方面：病例-对照方法可最小化牧场管理、牛群组成、饲喂及气象等牧场效应，从而分离出减排措施的效果，是多牧场采样难以实现或需更高投入与不确定性的；由于尿素排泄和MUC作为次要参数对NH₃排放有显著影响，须确保两单元牛群组成与饲喂尽可能可比。线性混合效应模型可同时考虑固定与随机效应，以测定日为随机效应可校正发情牛只或不同饲养员等日间变异。基于模型的年排放推导在插值与代表性方面优于仅用实测统计模型，本研究利用全国温度与MUC数据库推导特定牛舍之外情境的排放，对由单场或少数牧场外推尤为重要，并可通过特定输入数据外推至其他地区或国家；若未来具备代表性牛舍风数据，可更好表征实际气象情境。但排放输入数据来自单一地点，牛群组成、产奶量、管理、日粮等变异较小，不同牧场条件下排放绝对水平与减排潜力均可能变化。

五、讨论与结论

讨论部分指出，病例-对照设计配合两单元平行测定、管理饲喂气候与牛群组成几乎一致，可有效量化结构性措施相对参照系统的NH₃减排潜力，即使测定期较短也能获得一致结果；外部示踪剂比率法稳健，适用于自然通风条件下区分两种地面类型。与荷兰早期研究相比，本研究全季节平均约25%的减排高于3%单侧坡度配侧向集尿沟相对漏缝地面的20%，但低于V形横向3%坡度配中央集尿沟相对打孔地面的50%。MRF单独无显著效应可能与测定期短及时间上的病例-对照设计有关，而MRF与FT交互作用显著，提示频繁刮粪可通过清除阻碍排尿的粪便和疏通集尿沟来支持坡面地面的快速排尿。模型化年排放显示区域差异源于气候条件与饲料氮供给，坡面地面减排约30%。

研究结论译文：采用两单元平行测定、管理、饲喂、气候条件和牛群组成几乎一致的病例-对照方法，被证明能有效量化结构性措施相对参照系统的NH₃减排潜力，即使测定期较短也能获得一致结果。外部示踪剂比率法稳健，适用于自然通风牛舍条件下区分两种地面类型。测定结果表明，带集尿沟的3%坡度实心地面相较无坡度实心地面在夏季降低NH₃排放17%、过渡期37%、冬季21%。线性混合效应模型识别出气候条件（即OAT和WS）以及FT和MUC为NH₃排放的显著影响因素；在此背景下，MUC是尿液氮排泄的指标。运动场污染评估显示，对NH₃形成最相关的类别"尿液"和"湿粪尿混合物"在坡面实心地面上明显低于无坡度地面。尽管MRF单独对NH₃排放无显著影响，但FT与MRF的交互作用显著，提示频繁清粪可改善坡面地面的尿液排出。利用统计模型和全国空气温度与MUC数据库对两种地面类型、两个区域（平原和山区）奶牛养殖年NH₃排放的计算，显示气候条件和饲料氮供给导致的区域差异。模型化年NH₃排放值为：带3%坡度实心地面的散栏牛舍8.2–9.5 kg animal^?1 year^?1，无坡度实心地面11.8–12.8 kg animal^?1 year^?1，均为每日12次清粪，相当于坡面地面相较无坡度地面减排约30%。为大幅降低奶牛养殖NH₃排放，必须在新建牛舍中持续落实带集尿沟的3%坡度实心地面，并在可能情况下用于翻新改造；除确保坡度精确安装外，还须频繁清粪（每日至少12次）并使刮粪工具与地面表面适配。