量化高粱和玉米日粮下肉牛育肥系统的甲烷和氨排放

《Agricultural and Forest Meteorology》：Quantifying methane and ammonia emissions from beef cattle finishing systems under sorghum and corn diets

　　

全球动物产品需求的增长凸显了在肉牛育肥系统中多样化饲料谷物种类的同时减少畜牧业环境足迹的必要性。本研究的主要目的是量化和比较以高粱（grain sorghum）和玉米（corn）为基础的育肥日粮对育肥场不同牛群甲烷（CH₄）和氨（NH₃）排放的影响。研究在美国堪萨斯州芒德瓦利的堪萨斯州立大学东南研究推广中心进行，历时约六个月。本研究的牛群由黑色被毛的杂交周岁阉牛组成。研究人员利用开放路径双梳光谱（DCS）同时监测了五对阉牛队列的CH₄和NH₃排放，其中一组饲喂干碾压玉米日粮，另一组饲喂粉碎高粱日粮。利用DCS获得的线平均气体浓度，结合风统计数据和大气稳定度参数，输入逆扩散模型（IDM）以确定CH₄和NH₃通量。使用单一DCS系统消除了使用多个仪器测量浓度差异时可能出现的偏差。场地的主导风向和围栏的东西走向最大化了该场地的数据保留量。然而，研究人员的触地分析表明，仅使用风向筛选通量数据不足以防止来自育肥场其他邻近源区域的污染。本研究中NH₃通量的中位数小时值范围为14.4至212.3 μg m^-2 day^-1，CH₄通量的中位数小时值范围为144.9至513.4 g CH₄ head^-1 day^-1。相对于CH₄通量，NH₃通量表现出明显的日变化。总体而言，相对于玉米日粮，高粱日粮导致CH₄通量降低12%（95%置信区间(CI)：1%至21%）。高粱日粮下NH₃通量的中位数小时值通常较高，但统计分析未确认两种日粮之间的NH₃排放差异。

**研究背景与问题：**
动物农业是大气甲烷（CH₄，强效温室气体）和氨（NH₃，细颗粒物前体）的主要排放源。玉米（*Zea mays*）因其高能量密度主导美国肉牛育肥日粮，但奥加拉拉含水层地下水下降威胁其供应稳定性。高粱（*Sorghum bicolor* L.）需水量低且耐旱，是水受限地区的潜在替代饲料。然而，现有研究缺乏同时量化高粱与玉米日粮对CH₄和NH₃排放影响的现场尺度数据，且两种气体排放机制（CH₄主要源于瘤胃发酵，NH₃源于粪尿尿素水解）根本不同，需系统评估。因此，本研究旨在量化并比较高粱与玉米育肥日粮对育肥场不同阉牛组CH₄和NH₃排放的影响。论文发表在《Agricultural and Forest Meteorology》。

**研究开展与结论意义：**
研究人员在堪萨斯州立大学东南研究推广中心（美国堪萨斯州芒德瓦利）进行约6个月实验，使用5对阉牛队列（分别饲喂干碾压玉米或粉碎高粱日粮），利用开放路径双梳光谱（DCS）与逆扩散模型（IDM）同时监测CH₄和NH₃通量。结论：高粱日粮使CH₄通量较玉米日粮降低12%（95% CI: 1%–21%），但NH₃通量无显著差异。意义：高粱作为水受限地区饲料，可降低肉牛育肥系统温室气体排放，为可持续畜牧业提供依据。

**关键技术与方法（不超过250字）：**
1. **开放路径双梳光谱（DCS）**：使用单一DCS系统测量4条激光束路径的线平均CH₄和NH₃浓度，避免多仪器交叉校准偏差。
2. **逆扩散模型（IDM）**：结合DCS浓度数据、3D超声风速仪（CSAT3）获取的风统计（平均风速、方差、协方差）及大气稳定度参数（摩擦速度u*和奥布霍夫长度L），通过WindTrax软件计算15分钟通量。
3. **触地分析**：模拟流体粒子轨迹，统计邻近源区域触地分数（TD fraction），筛选污染数据（阈值：TD<0.05且目标TD>0.4）。
4. **广义加性模型（GAM）**：对15分钟通量数据拟合时间平滑样条，比较不同日粮的CH₄和NH₃通量差异。
样本队列来源：5对阉牛队列，来自同一饲养试验（Johnson, 2025），每对分别置于东西两个通量测量围栏块，各约28天。

**研究结果：**
**3.1 气象条件**：通过气象观测，研究人员发现主导风向为南风，其次为北-西北风；东-西走向的通量测量围栏布局最大化数据保留。日均气温从3月到7月逐渐升高，总降水量571.1 mm，主要集中在4月底至6月中旬。
**3.2 邻近源区域对通量测量的影响**：通过WindTrax触地模拟，研究人员发现仅用风向筛选无法排除邻近围栏的污染。设定触地分数阈值（TD<0.05且目标TD>0.4）后，数据污染率均值为1.24%（中位数0.24%，第95百分位数6.09%），有效控制污染。
**3.3 CH₄和NH₃通量时间序列**：通过15分钟通量数据，研究人员发现CH₄通量呈日变化，最低在清晨，最高在傍晚；NH₃通量日变化更显著，中午达峰值。高粱日粮组的NH₃通量中位数通常高于玉米组。
**3.4 不同动物组和日粮的CH₄和NH₃通量比较**：通过GAM分析，研究人员发现高粱日粮使CH₄通量降低12%（95% CI: 1%–21%）。NH₃通量比值的95% CI为62%–124%，表明无统计差异。平均CH₄通量：玉米340.2 g head^-1 d^-1，高粱298.7 g head^-1 d^-1；按干物质采食量（DMI）归一化后分别为32.5和27.2 g CH₄ kg^-1 DMI。平均NH₃通量：玉米106.5 μg m^-2 s^-1，高粱100.1 μg m^-2 s^-1。

**讨论总结与结论翻译：**
讨论部分总结：单一DCS系统消除了多仪器偏差，触地分析对数据质量至关重要。CH₄通量高于先前使用蒸汽压片玉米（SFC）的研究，归因于本研究的干碾压玉米加工方式、温暖潮湿条件（总降水571 mm，高于其他研究）以及动物在湿条件下聚集于混凝土区域导致IDM高估。NH₃通量日变化受温度和湍流驱动，但日粮间差异不显著，可能因高变异性和降水事件掩盖。高粱日粮的CH₄减排效果超出能量差异预期，提示存在日粮级缓解机制。
结论部分翻译：在本研究中，研究人员将DCS浓度测量与IDM相结合，估算了饲喂高粱和玉米育肥日粮的两组阉牛围栏块的CH₄和NH₃排放。使用单一仪器进行这些测量，通过消除使用多个仪器测量浓度增强时可能出现的偏差，提高了通量精度。场地的主导风向和围栏的东西走向最大化了数据保留。然而，研究人员的触地分析表明，仅使用风向筛选通量数据不足以防止来自育肥场其他邻近源区域的浓度测量污染。需要使用邻近围栏的触地分数来估计邻近源区域对浓度测量的污染。第4阉牛配对组对应的时期（最温暖多雨）观测到最高CH₄和NH₃通量，这些条件可能增强了地面粪便来源的CH₄通量，并影响了围栏内牛只分布，导致异常值出现。尽管高粱日粮围栏中NH₃通量的中位数小时值较高，但GAM分析未显示日粮间NH₃排放差异。总体而言，相对于玉米日粮，高粱日粮使CH₄通量降低12%（95% CI: 1%–21%）。值得注意的是，CH₄通量的平均降低幅度超过了仅基于两种日粮净能量含量差异的预期，表明存在超越能量驱动饲料转化变化的日粮级缓解效应。这些结果突显了高粱日粮的缓解潜力，但对其在牛肉生产中系统级影响的全面评估仍需额外研究，包括整合动物性能和农艺影响的生命周期分析。