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  • 提問:奶牛打嗝,排出多少甲烷? | Physics World 專欄

    2021/04/20
    導讀
    為了回答這個問題,科學家們操碎了心。

    pixabay.com


      導  讀  

    為緩解氣候變化,減少牲畜所排放的甲烷至關重要。對此,關于農場動物的飼養與繁殖已有大量的研究。如今,物理學家也正在為解決這一全球問題出一份力——如 Michael Allen 所報道的,他們使用光譜分析空中采樣等技術,開發測量畜牛甲烷排放的新方法


    撰文|Michael Allen

    翻譯|browneyedsilvia

    校譯|于茗騫

     

    ●               ●               


    幾年前,在英格蘭西北部的蘭開夏郡,英國曼徹斯特大學的大氣物理學家 Grant Allen 與他的同事們曾使用無人機來測量一處水力壓裂作業點的甲烷排放。不過,緊鄰這個頁巖氣田的便是一處奶牛場,研究者們便好奇他們是否也能夠測量奶牛產生的甲烷。因此,當畜棚中的奶牛正在被擠奶時,研究者們把他們的無人機飛到了附近的空地上。

     

    “農場中約有150頭奶牛,當它們全部被集中在畜棚里,就像是被裝進了一個盒子,這樣一來,150頭奶牛就能夠被簡化為一個點狀的甲烷排放源來進行建模,” 研究者Allen說。基于這樣的假設,他們便能用無人機來測量畜棚下風口的甲烷濃度。“然后,如果你知道了風速和甲烷濃度,” Allen接著說道,“就可以計算出牛群整體的排放量是每秒多少克,進一步就能得出平均到每頭奶牛的排放量是多少。”

     

    畜牛是溫室氣體的重要來源之一。根據聯合國的數據,每年,全球畜牧業的溫室氣體排放量等效于七十億噸二氧化碳,相當于人為排放的15%,約等于機動車尾氣排放所占的百分比。在這七十億噸的畜牧業總碳排放中,因為能夠生產作為商品的牛肉和牛奶,牛所帶來的排放量最大。并且,反芻類要動物胃部發酵所產生的甲烷占了總量的約40%——其中又以牛為主。

     

    在一周的時間內,研究者Allen和同事所監測的水力壓裂作業點排放出了至少4噸甲烷,相當于142次橫跨大西洋的國際航班所造成的環境影響,但這僅與一次2.3千米深的頁巖氣礦井的清理作業有關。類似的甲烷排放源零零散散,但牛一年365天都在打嗝,每一次打嗝都在向大氣中釋放甲烷氣體。“如果將牛打嗝與頁巖氣礦井相比,在幾天這樣的短時間內,后者的甲烷排放明顯是更多的,” Allen解釋道,“但是如果在一年的時間里,這個礦井只有這幾天在排放甲烷,那么還是150頭奶牛更勝一籌了。”

     

    發酵植物,嗝出甲烷


    牛與其它反芻動物一樣,以牧草、干草等纖維含量豐富的植物為食。而對于大多數其他動物來說,這些都是無法消化的。為了從植物所含的復雜的碳水化合物,尤其是纖維素之中獲取所需的營養,反芻動物需要先在一個特殊的、富含微生物的胃袋里發酵吃下去的植物組織。這個胃叫做瘤胃,是牛等反芻動物的第一個胃。在這一缺氧環境中,(以細菌為主的)各種微生物將植物分解、轉化,使其成為能夠為自己所利用、同時也能夠被宿主動物吸收的營養成分。然而,與此同時,這個消化過程也產生出大量的氫氣。

     

    當氫氣在牛的消化道中積累,就輪到另一批微生物登臺。這些叫做古菌的微生物與細菌相似,但他們將氫氣作為能源物質,而排出的副產品則是甲烷。這一過程被稱為甲烷生成反應。當甲烷逐漸增多,牛不得不打嗝來排出多余的氣體。這讓可憐的牛舒服了一些,卻使我們可憐的星球變得更加可憐,因為甲烷是一種強大的溫室氣體。


    根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)的數據,雖然甲烷在大氣中最多能停留十至二十年,但是在長達二十年的時間內,甲烷能夠制造的溫室效應相當于二氧化碳的80倍。

     

    因為這些特點,甲烷成為了一個應對氣候變化的短期治理對象,美國加州大學戴維斯分校世界糧食中心的主任、動物科學家Ermias Kebreab說。盡管長期的工作重點仍應放在減少二氧化碳排放上,但其成效尚需一些時日才能夠顯現出來,因為二氧化碳太穩定了,以至于它能夠在大氣中停留數百年的時間。“不過減緩或減少甲烷排放的成效在一二十年內就能夠看到,” Kebreab解釋說。再加上人為甲烷排放的40%都是來自牲畜,畜牧業是一個好的治理起點。

     

    減少排放的關鍵在于提升生產效率。Kebreab表示,有了優秀的基因和均衡的營養,畜牧動物的生產效率——即每公斤飼料可產出的動物蛋白(奶或肉)就可提高。Kebreab舉了一個例子:低收入國家的奶牛每頭每天產奶約4-5千克,但如果將它們與因高產奶量而聞名的荷斯坦奶牛雜交,便可以得到20千克的日產奶量,同時又能保留本地牛品種的一些其它優勢。確實,在最近的五十年中,對于奶牛品種選育和飼料質量的關注,使得在美國生產一升牛奶的甲烷排放量降低為之前的50%。現在,奶牛的數量比半個世紀前的要少,但每一頭牛產奶量都更高(圖1)


    圖1 喂飽增長的人群 (來源:Ermias Kebreab)

    自1950年以來,加州乳產業的牛奶總產量、每頭奶牛產奶量、奶牛總數,牛奶場以及生產每公斤牛奶的所產生的甲烷變化趨勢。


    海藻補充劑


    圖2 換個口味

    把少量的大型紅藻(一種海藻)與糖漿混合,添加到奶牛飼料中(右圖)——這是加州大學戴維斯分校Ermias Kebreab(左圖)的一個研究項目。

     

    為了更多地削減溫室氣體排放,Kebreab最近的工作重心是將海藻開發為牲畜飼料的添加劑。他和同事們的研究發現,向牛飼料中添加不同種類的海藻能夠減少多達90%的甲烷排放。


    “這真的很驚人,”Kebreab感嘆道,接著解釋了海藻在被添加到飼料里之前,甚至并不需要太多的加工, “海藻被采集上來之后,我們會進行凍干處理,以使其中的有效成分保持穩定。然后就把它們研磨成粉,再加入飼料之中。”

     

    添加進飼料的海藻能夠抑制消化道中的甲烷合成。奶牛瘤胃中的古菌通過酶來分解氫氣等氣體反應物,而海藻中的一些成分能夠干擾這些酶的作用,從而使得古菌難以完成合成過程,也就不能制造大量的甲烷了。一些其它的物質也被發現有相似的作用——瑞士的Mootral農業技術公司表示,他們以大蒜為原料生產的飼料添加劑能夠減少40%的甲烷生成。

     

    在他的研究過程中,Kebreab使用一個叫做 “GreenFeed(綠色飼料) 的系統來測量奶牛嗝出的甲烷量。這個像飼料槽一樣的裝置裝有食物吸引奶牛上前靠近,然后在它們進食的時候分別監測其吸入和嗝出的氣體成分。也有其它用來測量動物個體氣體排放的裝置,例如能容納一頭實驗動物的呼吸室和輕便的手持光譜儀。這些測量系統在準確性上和GreenFeed不分彼此,但用來逐一測量大量動物時,就使得過程變得十分耗時而昂貴。


    為了解決這個問題,動物科學家使用建模的方法,先分別測量不同飼料喂養狀態下的少量實驗動物的排放數據,再根據這些數據模擬出一個畜群的模型。不過,研究者們近來正在更多地探索能夠實際測量整個畜群排放的方法——畢竟奶牛個體之間的排放差異時有懸殊。況且,這樣的大尺度測量結果還能幫助修正那些根據少數動物個體的排放數據建立的數學模型。

     

    圖3 無人機測量(圖源:Grant Allen)

    曼徹斯特大學的Grant Allen使用的無人機通過管子與地面上的光譜儀相連。無人機完成了22次點排放源下風口處的對照組測量,負責模擬點排放源的是一個人為控制的圓柱形裝置,帶有一臺流量計。

     

    在英國,Allen的每架無人機都通過一根150米長的管子與地面相連。當無人機在甲烷排放源的下風口飛行時,它們會通過管子向地面上輸送空氣,這些空氣會通過一臺光譜儀,空氣的成分便能夠被儀器分析出來[1]。“測量在地面上進行,但我們測量的空氣樣本是從無人機所在的高度傳送下來的,”Allen解釋說。

     

    為了檢驗數學模型和準確地測量甲烷排放的通量,Allen和他的團隊設計了一個對照,即一個露天放置的圓柱形甲烷釋放裝置,能夠在人為控制下定量定速地排放甲烷氣體。在此之上,為了保證沒有人為偏倚,裝置所釋放的甲烷量和速率對負責操縱無人機、分析數據和計算甲烷排放量的團隊成員嚴格保密。令人高興的是,對照組的測量結果與已知的甲烷排放數據有不錯的相關度,不過要達到準確的結果,仍然需要長達幾個小時的多次空中測量。

     

    一群牛還是一頭牛


    英國諾丁漢大學乳品科學教授 Phil Garnsworthy 研究奶牛的育種,致力于選育出生來就能嗝出更少甲烷的奶牛品種。他提到,奶牛瘤胃中的微生物群落因個體而異,并且是由奶牛的遺傳背景所決定的。


    “如果把一頭奶牛富含微生物的瘤胃內容物接種到另一頭的瘤胃中,二至四周之后,被接種奶牛的瘤胃微生物群落又會恢復原狀,” Garnsworthy說。

     

    “一頭奶牛能夠控制她瘤胃里的微生物。當我們選育低甲烷排放的奶牛品種時,我們其實是在選育特定的牛瘤胃微生物群落組成。” 盡管呼吸室能夠提供準確的測量數據,這種方式對于測量大尺度上的甲烷排放是不現實的,Garnsworthy說道。這是因為以品種選育為目的進行奶牛甲烷排放的測量時,被測的奶牛需要在呼吸室中停留三至七天才能夠得到較好的測量結果。

     

    在諾丁漢大學的這項研究中,給奶牛擠奶是由機器完成的。這些奶牛每頭都佩戴了有身份識別功能的芯片,每天被擠奶三次并同時被喂食飼料。為了獲取每頭實驗奶牛的長期甲烷排放數據,Garnsworthy和他的同事決定嘗試給飼料槽加上氣體分析裝置,即用一根靠近奶牛鼻孔的管道連接上一臺紅外光譜儀。


    “第一頭被試奶牛把頭埋了下去,緊接著我們就看到了這個高聳的甲烷濃度峰,大概每分鐘一次,” Garnsworthy回憶說,“我們以為這一定是那頭奶牛在呼吸的緣故,但其實奶牛每分鐘呼吸不止一次——原來它是在嗝出甲烷。”

     

    研究者們發現這種測量方式獲得的數據與呼吸室的測量結果是有可比性的[2]。Garnsworthy提到,也有些領域同行覺得他的方法 “很垃圾”,說這并不像呼吸室之類的測量方法那樣準確。不過他堅持認為這些其它的測量方法并不是在正常的商業化條件下對奶牛進行測量的。

     

    “有人說我們的測量技術太不穩定,以至于對每頭奶牛來說,結果并不準確。但我們可以做到進行數千次的測量,從而獲得一個相當精確的平均值,” 他解釋說。并且因為這個方法會測量到所有涉及的實驗奶牛,個體的數值就能夠被合并成整個牛群的甲烷排放。這便于研究者比較來自不同農場或牛群的排放數據,而無需逐一去測量每頭奶牛。


    但是,Garnsworthy也謹慎地提醒道,若要以品種選育或進行營養學實驗為目進行測量時,仍應以實驗動物的個體作為觀察單位。“這都得看你要用測量數據做什么研究。”

     

    在世界的其它地方,研究者們所關注的是能夠長時間,甚至持續監測牛群甲烷排放的系統。一個選項是使用點光源的激光,在牧場上布下縱橫交錯的激光陣來測量牛群的甲烷排放。2014年,美國農業部的Richard Todd和他的同事們使用這種光譜分析技術和上文提到的GreenFeed呼吸氣體分析系統,測量了俄克拉荷馬州草原上26公頃牧場中的50頭奶牛的甲烷排放。三道激光按照16條路徑掃描了整個牧場區域,而奶牛們也被一一配置了GPS項圈來追蹤它們的位置。

     

    天氣狀況數據和同步的位置信息,使研究者們能夠準確地測量上下風口的甲烷氣體濃度,從而監測每頭奶牛的排放狀況。他們發現激光陣的測量結果與GreenFeed系統的測量結果是大致可比的,不過開路式激光探測器常常高估了排放量,而GreenFeed系統則傾向于低估了數據。

     

    靈敏的測量裝置


    其他科學家正著眼于更加精密的測量技術。2019年,美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的 Daniel Herman 的成果表明,雙頻率梳能夠測量牛群的甲烷排放 [3]


    頻率梳是一種非常精確的光譜分析儀器,其中的激光發生器能夠發射出一道超短且密集的光脈沖,且光頻橫跨數百萬個頻率峰。因為脈沖的頻率固定而短促,每個頻率峰看起來就像是一個梳齒,頻率梳因此得名。這些激光脈沖起到標記的作用,使接收器能夠記錄到激光所通過的任何物質的光譜特征,并且極其精確。雙頻率梳即是將兩個梳齒距離稍有不同的的頻率梳一起使用,相當于數十萬個激光光譜儀同時工作,這樣就有了一個更加靈敏的測量裝置。

     

    圖4 檢測甲烷泄露(圖源:Stephanie Sizemore and Ian Coddington/NIST)

    美國國家標準與技術研究院的Daniel Herman與研究者們使用了一個可移動的雙頻率梳激光光譜儀來測量奶牛的氣體排放。光譜儀被放置在一個由回射鏡面排成的圓形的圓心處,光譜儀發出的激光光線(黃線)通過一片氣體云,并被鏡面反射回到光譜儀處。測量所得的數據被用來鑒定泄露的微量氣體(包括甲烷),泄露地點和速率。

     

    2018年,由物理學家Ian Coddington領導的另一個美國國家標準與技術研究院的團隊早已證實,便攜的雙頻率梳能夠用來檢測甲烷及其它氣體的室外排放,且有效范圍廣而精度極高(Optica 5 320)[4]


    在模擬油氣開采排放的田野試驗中,Coddington的團隊能夠在距排放源一公里處檢測出每分鐘1.6克的甲烷排放(圖2)。Herman和同事們在一處圈有約400頭奶牛的飼養場的兩側使用了兩個雙頻率梳,分別設置在上風口和下風口處,來測量流入和流出畜欄的空氣中的氣體成分。下風口處的測量系統檢測到,流出畜欄的空氣中,甲烷、二氧化碳和氨氣濃度有所上升。

     

    Allen表示,基于固定激光的測量系統和無人機測量系統其實各有利弊。雖然固定不動的裝置能夠持續地監測排放狀況,但它們往往要求測量環境中的風向固定,所以當無風時就會產生很多無法準確記錄排放數據的時間盲區。而且,甲烷氣體的密度小、浮力大,很容易在空氣中快速上升。地表的激光陣可能會錯過這些甲烷,但無人機就能覆蓋到這些垂直方向上的氣體擴散,并能根據風向靈活調整測量位置,卻有價格昂貴、需要人為調控和單次起飛的監測時間短的缺點。

     

    不過,飛機也能夠用來測量甲烷排放——這是加拿大農業與食品學會的大氣科學家 Ray Desjardins 過去數十年的研究方向。他解釋說,飛機上搭載的設備每二十秒鐘可測量空氣中不同氣體成分的含量,以及空氣的垂直移動狀況。


    “如果在上升和下降的空氣中出現某種氣體含量的不同,就能夠以此計算出這種氣體的排放量,” 他說。但是,基于飛機的測量方法可能無法精準地監測一個特定的排放源。Desjardins最近的工作成果顯示,農業活動,尤其是畜牧業的甲烷排放,其測量結果在測量地區的濕地面積少于10%時會準確得多 [5]

     

    Desjardins說,飛機常被用于檢查農場的溫室氣體排放清單是否準確無誤。“目前為止,這是這種測量技術的主要用途。” 不過他表示,最終這種技術有可能會發展成為一種表彰機制,用來獎勵采取了緩解溫室氣體排放的經營措施的農戶。“它可以用來核實農戶們是不是說到做到了,還是在說一套做一套。”

     

    Kebreab也認為獎勵機制能夠激勵農戶去削減農場的甲烷排放,因為減排措施可能會相當昂貴,使農戶的經濟狀況雪上加霜。


    “建立一些機制來幫助他們收回花在減排技術上的費用將是非常有益的,” 他總結道,“如果這些技術能夠激發大家提高產能,那就會是一個雙贏的局面。” 

     

    原文鏈接:

    https://physicsworld.com/a/battling-bovine-belching-measuring-methane-emissions-from-cows/

     參考資料:(可上下滑動瀏覽)

    1. Atmos. Meas. Tech. 13 1467

    2.Animals 10.3390/ani9100837

    3. Conference on Lasers and Electro-Optics 10.1364/CLEO_AT.2020. AW4K.1)

    4. Optica 5 320: https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-5-4-320&id=383923

    5. Agricultural and Forest Meteorology 10.1016/ j.agrformet.2017.09.003


     本文為Physics World 專欄的第40篇文章。


    版權聲明

    原文標題 “Battling bovine belching”,首發于2021年4月出版的 Physics World,英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。本譯文有刪節,中文內容僅供參考,一切內容以英文原版為準。未經授權的翻譯是侵權行為,版權方將保留追究法律責任的權利。

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    制版編輯 盧卡斯



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