不同地面形式自然通风奶牛舍冬季温室气体和氨气排放量

赵婉莹 许立新 王朝元，3 施正香，3*

(1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083； 2.北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094； 3.北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083)

农业活动是温室气体的主要排放源之一，1994年我国农业温室气体的排放量占我国温室气体总排放量的17%，其中畜牧业分别占我国CH4和N2O排放量的32%和18%，主要来自于反刍动物的胃肠道发酵和粪便管理系统[1-2]。2015年反刍动物(牛、羊)占我国畜牧业温室气体排放量的72.44%[3]。预计到2030年，农业源的CH4和N2O排放量将比2005年分别增加60%和35%～60%[4]。因此，有必要结合国内奶牛场生产的实际情况，对奶牛舍内温室气体及NH3的浓度和排放量进行研究。

在进行牛舍气体排放量计算之前，要先了解牛舍的通风换气量，使用CO2平衡法[5]和气体示踪法[6-8]都可以评价自然通风牛舍通风换气量。其中，CO2平衡法可以根据动物的生产模型计算通风换气量[9]。牛舍内有害气体排放量与饲养方式[10]、饲料水平[11-12]、地板类型[13]、管理措施[14]、通风方式以及气候条件等有关。关于温室气体和NH3排放的影响因素较多，舍内风速、舍外温度和奶罐中的尿素含量可以显著影响NH3的排放量[15]。当舍内温度较低时，NH3排放较低，温度和NH3排放量之间的关系是指数函数[16]。Ngwabie等[17]监测了瑞典的1栋自然通风奶牛舍，结果表明CO2、CH4和N2O的排放量与动物活动和环境温度有关。NH3排放量随着季节的变化差异较大，而CH4排放量则没有较大的变化[18]，表明NH3排放量更易受到温度的影响。Vanderzaag等[19]研究了位于安大略湖东部的2栋奶牛舍，量化了CH4的排放量，并估算出肠道内CH4的排放量。

欧美等国家已在牛舍温室气体和氨排放量方面开展了一定的研究，但由于我国在气候、通风方式和日常管理措施等与国外有很大的差异，国外的研究结果虽然对我国有一定的参考价值，却无法真实地反映我国奶牛生产中有害气体排放的实际情况，自然通风牛舍的排放主要受到当地环境的影响[20]。本研究拟以带有放牧场的自然通风奶牛舍为研究对象，探讨我国带有放牧场的自然通风奶牛舍的气体排放量，以及温湿度和地板类型等影响因子对气体排放的影响规律，为降低奶牛舍有害气体排放方案的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验牛舍概况

试验地点在河南省郑州市中荷奶牛培训中心。试验牛舍2栋，分别为漏缝地板牛舍和实体地面牛舍，记为牛舍1和牛舍2。牛舍1建筑面积为1 227 m3，现有奶牛87头，每头牛占地面积为14 m2。该牛舍具有可供奶牛休息的牛床(5 cm厚的橡胶垫，床料为锯末)。牛栏除牛床外其余地面为漏缝地面，粪便和尿液可以通过漏缝地板进入粪窖。牛舍2建筑面积956 m3，现有奶牛68头，每头牛占地面积为14 m2。地面为实体地面加排尿沟，其他与牛舍1相同。

牛舍1和牛舍2均是散栏式饲养，日粮为全混合日粮，每天喂料时间为6:30和14:30。清粪方式为人工清粪，每天清粪时间为8:30。每天挤奶2次，时间为4:30和14:00。该牛场拥有配套放牧场，饲养方式为放牧和舍饲相结合。牛舍1奶牛每天放牧1次，时间为8:30—10:30。牛舍2每天放牧2次，时间为8:30—10:30和14:30—16:30。

1.2 试验指标及方法

1.2.1试验指标和时间

1)试验统计了牛舍中每头奶牛的体斜长、胸围、产奶量和繁殖状态，统计时间为1月8日—1月17日。

2)对舍内外的环境状况(温度、相对湿度、风速、CO2、NH3、CH4、N2O)进行了监测。牛舍1监测时间为1月8日—1月13日，牛舍2监测时间为1月15日—1月17日。

1.2.2试验测点布置

试验期间，每个牛舍共布置6个采样点，其中5个采样点在舍内，测点距离地面1.5 m。在舍外布置另外1个采样点，测量舍外的环境状况。试验测点布置见图1。

①～⑤为舍内测点，⑥为舍外测点。
①-⑤ are the test points inside and ⑥ is the test point outside.
图1 环境监测试验测点布置
Fig.1 Arrangement of measuring points for environmental monitoring test

1.3 试验仪器

温湿度监测：Apresys197-TH型温湿度计(温度测量精度：±0.3 ℃；湿度测量精度：±3%)，采集频率为4次/h，间隔15 min,24 h连续采集。

风速监测：加野麦克斯智能型风速计(精度：读数值的3%±0.1 m/s)，采集频率为1 次/h，24 h连续采集。

气体浓度监测：系统由INNOVA1412多种气体分析仪、多通道气体采样控制系统、气体加热控制系统、气体压力监测系统组成，通过该系统对奶牛舍24 h连续监测(测试精度分别为：CO2， 3.34 mg/m3; N2O， 0.02 mg/m3; NH3， 0.05 mg/m3; CH4， 0.11 mg/m3)，采样分析频率为1 次/h。

1.4 数据分析

数据统计分析采用SPSS 17.0软件进行。

2 牛舍内通风换气量的计算方法

本研究对CO2平衡法进行改进，使用改进的CO2平衡法计算奶牛的通风换气量。在以往通过CO2平衡法进行自然通风牛舍的通风换气率时，往往因为工作量大，直接选取1个常量代替奶牛体重进行计算，忽略了由于奶牛妊娠产生的热量。试验期间统计了每头奶牛的体重和妊娠时间等，分析不同阶段的奶牛体重、产奶量和繁殖状态对通风换气量的影响，为今后更准确的运用CO2平衡法计算通风换气量提供了依据。

CO2平衡法计算牛舍通风换气量为：

(1)

式中：VR为牛舍的通风换气量，m3/h；GP为释放的示踪气体量或者舍内奶牛的CO2产量，m3/h；Gin和Gout分别为舍内外所测量的气体浓度，mg/m3;N为舍内动物数量。计算时，Gin采用舍内测点的平均值。

在计算GP时，首先要计算舍内奶牛总的产热量。在实际生产中，奶牛饲养头数、奶牛个体、生产性能等方面存在一定差异，为了避免这些差异对试验结果的影响，本研究采用产热单位HPU作为参数对相关数据进行分析和阐述。CIGR采用畜禽的热量损失定义牲畜单位，1个产热牲畜单位定义为：在环境温度为20 ℃时，能产生1 000 W热量的动物数量，即为1 HPU。

奶牛在20 ℃时的产热量主要与体重、产奶量和饲养水平有关。根据相关研究，奶牛总产热量的计算公式为：

Ht=ΔHm+ΔHn+ΔHp

(2)

式中：Ht为奶牛的总产热量，W；ΔHm为奶牛机体代谢热，W；ΔHn为奶牛产奶产生的热量，W；ΔHp为奶牛怀孕产生的热量，W。ΔHm，ΔHn和ΔHp计算公式为：

ΔHm=5.2x0.75

(3)

ΔHn=30m

(4)

ΔHp=1.6×10-5d3

(5)

式中：x为奶牛的活体重，kg；m为奶牛的日均产奶量，kg；d为奶牛的妊娠天数。

当环境温度不是20 ℃时，需要对HPU总数进行温度修正：

Htotal=Ht×(1+4×10-5(20-t)3)

(6)

式中：Ht和Htotal分别为进行温度修正前后的总产热量，W；t为环境温度，℃。

完成对舍内成年奶牛的估算后，便可以得到每个试验阶段舍内的HPU总数即Htotal,HPU：

Htotal,HPU=Htotal/1 000

(7)

舍内CO2平均产量(基于24 h的平均)与产热量的关系式为[9]：

GP=0.185×Htotal,HPU

(8)

式中：CO2平均产生量为0.185 m3/(h·HPU)[9]。

3 结果与分析

3.1 奶牛生产信息统计结果

表1示出试验期内牛舍1和牛舍2的155头奶牛的生产信息。本研究根据奶牛的不同生产阶段将试验期内的155头奶牛分为4类：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，因怀孕时间较短或没有进行配种，奶牛怀孕产生的热量只占到总产热量的0.004%、0.30%和1.00%。而干奶牛产热量中，高产奶牛占15.23%，所占比重相对较大。

表1 试验期间奶牛产热信息Table 1 Heat production and HPU information of dairy cattle

注：Ht为奶牛的总产热量；ΔHm为奶牛机体代谢热；ΔHn为奶牛产奶产生的热量；ΔHp为奶牛怀孕产生的热量。

①环境温度为20 ℃时，能产生1 000 W热量的动物数量，即为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 自然通风牛舍通风换气量的估算

使用奶牛体重及生产阶段的监测数据，采用改进的CO2平衡法对牛舍1和牛舍2的通风换气量进行估算；把奶牛体重以标准质量计算(荷斯坦奶牛为600 kg)时，使用CO2平衡法计算出牛舍1和牛舍2的通风换气量。2种方法得到的奶牛舍的通风换气量见表2。对牛舍1来说，2种方法得到的通风换气量没有显著差异(P>0.05)，而得到的牛舍2的通风换气量差异显著。主要原因是2栋牛舍内奶牛的生产阶段不同，牛舍1内主要是泌乳牛，妊娠产热量占总产热量的比重较低，忽略妊娠产热量对通风换气量的影响较小。而牛舍2内主要是干奶期奶牛，妊娠产热量占总产热量的比重较高，忽略妊娠产热量对通风换气量影响较大。因此，自然通风牛舍采用CO2平衡法计算奶牛舍的通风量时，需要考虑奶牛的生产阶段。在进行计算时，泌乳阶段的奶牛可以忽略妊娠产热量，干奶期奶牛则需要计算妊娠产热量。

表2 改进CO2平衡法和CO2平衡法得到的奶牛舍通风换气量Table 2 Ventilation rates of 2 dairy buildings of improved CO2 balance method and CO2 balance method m3/h

注：不同小写字母表示同一工况下同列数据差异显著(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 牛舍的环境状况

3.3.1试验期间牛舍气体质量浓度

试验期间，牛舍1舍内平均温度为-2～6 ℃，相对湿度为55%～80%；舍外平均温度为-6～6 ℃，相对湿度为50%～90%；牛舍2舍内平均温度为0～5 ℃，相对湿度为82%～95%，舍外平均温度为-3～4 ℃，相对湿度为82%～92%。试验期间奶牛舍内环境指标见表3。可见，牛舍1和牛舍2的温度没有显著差异(P>0.05)，牛舍1内CO2、N2O、NH3和CH4的质量浓度均显著高于牛舍2(P<0.05)。

表3 奶牛舍内气体质量浓度Table 3 Gas mass concentration of dairy buildings

3.3.2牛舍气体变化特性

虽然2栋牛舍的建筑形式、管理以及奶牛的头数和奶牛所处的生理阶段都存在很大的差异，但是奶牛舍内气体浓度都呈现出明显的昼夜变化规律(图2)。

试验期间，由于放牧，牛舍1和牛舍2在放牧时间均出现CO2浓度低谷。在2次挤奶后2栋牛舍奶牛出现采食高峰，活动频繁，均出现CO2浓度高峰。奶牛在牛舍期间时舍内CO2浓度均较高。由此可知，舍内CO2浓度与奶牛的活动量密切相关。

牛舍内N2O的浓度较低，并且波动变化不大，在试验期间2栋牛舍的N2O质量浓度变化值均为1.45～1.70 mg/m3。2栋牛舍NH3浓度差别不大，在4:00—8:00舍内浓度较低，存在白天温度较高时，NH3浓度较高的现象。在8:30—10:30放牧期间，NH3浓度持续上升，这与CO2和CH4正好相反，主要原因可能是由于奶牛舍内NH3的主要来源是粪便，在上午，温度逐渐上升，NH3释放量增加。

相关研究表明，奶牛舍内CH4的主要来源是奶牛的瘤胃发酵，因此奶牛舍内的CH4浓度主要与奶牛的代谢活动相关。牛舍1内，在8:30—10:30舍内CH4浓度出现最低点，在白天10:00—20:00舍内的CH4浓度较高，在奶牛活动较少的夜晚CH4浓度较低。牛舍2基本呈现与牛舍1相似的规律，在奶牛放牧期间，CH4浓度最低。

通过上述分析可知，牛舍内CO2和CH4的浓度均与奶牛的活动有关，为进一步了解CO2和CH4之间的关系，对这两者的浓度进行回归分析结果见图3：舍内CO2浓度与CH4浓度之间存在一定的正相关关系(R2=0.37～0.65)。

图2 牛舍1和牛舍2内CO2(a)、N2O (b)、NH3(c)和CH4(d)质量浓度昼夜变化
Fig.2 Diurnal variations of CO2(a), N2O (b), NH3(c) and CH4(d) mass concentrations in dairy building 1 and 2

图3 牛舍1 (a) 和牛舍2 (b) 内CO2和CH4质量浓度之间的关系
Fig.3 Correlations between the mass concentration of CO2and CH4in dairy building 1 (a) and dairy building 2 (b)

3.4 有害气体排放量

3.4.1冬季牛舍NH3、CH4以及N2O排放量

牛舍内气体排放量采用式(9)进行估算：

Eg.HPU=8.64×104VR(Gin-Gout)ρg/Htotal

(9)

式中：Eg,HPU为每HPU气体排放量，g/(HPU·d)；ρg为气体质量浓度，g/m3；Htotal为奶牛舍内奶牛所产生的总热量。

根据测量所得气体浓度和计算所得的通风换气量，计算了牛舍24 h的温室气体和NH3的排放量，见表4。牛舍1的NH3和CH4排放量显著高于牛舍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不存在显著差异(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排放量变化

对奶牛舍进行气体排放量计算，得到牛舍1和牛舍2在冬季试验期间NH3、CH4和N2O昼夜排放量变化(图4)。可以看出，牛舍NH3排放量的高

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

峰一般出现在白天，因为白天奶牛舍温度升高和风速增大，舍内空气流通性增加，奶牛舍NH3浓度增加，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栋牛舍均在上午8:30开始清粪，在清粪过程中使得原本未暴露在空气中的粪便暴露在空气中，增加了NH3排放。而在晚上奶牛的活动量较少，排泄量较小，因此奶牛舍NH3浓度降低。牛舍1和牛舍2的NH3排放量明显不同。牛舍1白天都会出现2个NH3排放速率高峰，峰值一般出现在奶牛采食活动的高峰期，即8:00清粪开始以及16:00挤奶结束后。牛舍2 NH3排放量在20:00—8:00最低，白天排放高峰时间与牛舍1相同。

2栋奶牛舍的CH4的排放量在1天中都有着明显的变化，牛舍1的CH4排放量在10:00放牧结束后一直处于较高的水平，从14:00开始排放量下降，直到20:00才降至于牛舍2相近的水平。牛舍2的CH4排放量显著低于牛舍1，但是在 10:00 和18:00放牧结束之后，牛舍2的CH4排放量出现高峰。牛舍内N2O的排放量较小，且规律不明显。

3.4.3温度对NH3排放量的影响

温度对粪便的发酵具有较大的影响，温度升高，粪便内脲酶的活性增强，粪便发酵速度增加，氨气产生量增加，从而增大氨气的排放量。以牛舍1为例，对舍内温度对NH3排放量的影响进行回归分析，结果见图5：牛舍温度升高会使牛舍NH3排放量增加，牛舍温度与NH3的排放量呈现正相关关系(R2=0.76)。

图5 舍内温度对NH3排放量的影响
Fig.5 Effect of temperature on NH3emissions rate

4 讨 论

4.1 牛舍温室气体和NH3浓度

NH3主要来源于粪便，其挥发量与粪便中NH4+的浓度、粪便表面的风速、粪便的温湿度和搅动程度有关[21]。CO2主要来源于动物呼吸。牛舍1中CO2和CH4浓度均显著高于牛舍2，主要是由于牛舍1的放牧次数比牛舍2少，导致牛舍1的奶牛在畜舍的时间要长，从而导致舍内产生更多的CO2和CH4。而牛舍1内N2O和NH3的浓度显著高于牛舍2，主要是由于牛舍1的漏缝地板下贮存着更多的粪便和尿液，在存贮过程中在持续释放着N2O和NH3。试验得到牛舍内NH3平均质量浓度为2.10～3.23 mg/m3，与文献[22]中奶牛舍NH3质量浓度一般保持在0.03～6.50 mg/m3相符合。试验监测得到的牛舍1和牛舍2的N2O浓度均较低，平均值为1.51～1.57 mg/m3，该结果与已有研究结果[23]相似。本研究结果表明CH4和CO2存在一定的相关关系(R2=0.37～0.65)，与已有研究结果[24]相符，该研究表明CH4和CO2之比是可以通过测量舍内CO2浓度来预测CH4浓度的变化趋势。也有研究[25]提出了CH4和CO2存在着一定的强相关性(R=0.67～0.74)。

4.2 牛舍温室气体和NH3排放量

本研究中，牛舍1中NH3排放量显著高于牛舍2(P<0.05)，主要可能是受到清粪次数的影响。牛舍1地面为漏缝地板，牛舍2地面为实体地面，牛舍1内粪便2～3周清除1次，而牛舍2每天都会进行清粪工作。实体地面牛舍的NH3排放量显著低于漏缝地板牛舍[26]。牛舍1和牛舍2的NH3排放量为8.14～28.28 g/(HPU·d)，CH4排放量为0.19～439.20 g/(HPU·d)，这与其他研究结果相近。Wu等[27]对自然通风奶牛舍的NH3和CH4的浓度和排放量等进行了研究，结果显示NH3的排放水平为18～77 g/(HPU·d)，CH4的排放水平为290～230 g/(HPU·d)，CH4和NH3的浓度和排放量在1天内呈现出一定的变化规律。Zhang等[26]研究表明当环境温度在2～20 ℃时，NH3的排放量为10～30 g/(HPU·d)。试验结果表明，NH3的排放量与温度呈现正相关关系(R2=0.76)，但同时也受到地面类型和日常管理的影响。NH3的排放和舍内温度存在显著正相关线性关系[28](R2=0.29～0.51)。有研究模拟了奶牛舍NH3的排放过程，认为通过使用恰当的饲喂方式、清粪方式、地板类型等可以将奶牛舍的NH3排放量降低50%[29]。

4.3 地面类型选择

由本研究可知，实体地面似乎是更符合环境要求的地面类型，但是在实际生产中，选择地面类型时，除了需要考虑环境问题外，还需要考虑动物的健康和福利、清粪方式和造价等。与实体地面相比，漏缝地板可以保持地面的清洁[30]，但同时也会导致奶牛蹄病的增加[31]，而且价格相对更高。而实体地面则需要更加频繁的清除地面的粪尿来保持舍内适宜湿度和地面的清洁。因此，从动物健康的角度来说，可能实体地面比漏缝地板更加适合奶牛的生长。

5 结 论

本研究选取河南省郑州市中荷奶牛培训中心的2个典型的带有放牧场自然通风奶牛舍，对舍内温室气体和NH3浓度及其排放量进行了监测和计算，主要结论如下：

1)改进的CO2平衡法估算的通风换气量表明通风量与奶牛的生产阶段有关。

2)漏缝地板牛舍的NH3和CH4浓度均显著高于实体地面牛舍(P<0.05)，2栋牛舍N2O浓度均较低，且差异不显著(P>0.05)。奶牛舍内CO2和CH4的浓度存在一定的正相关关系(R2=0.37～0.65)。

3)温度可以显著影响舍内NH3排放量，舍内温度与氨气的排放量呈正相关关系(R2=0.76)。

4)不同的地面类型对奶牛舍内NH3、CH4的浓度和排放水平有显著影响。漏缝地板牛舍比实体地面牛舍NH3的质量浓度和排放量分别高53.81%和73.19%，漏缝地板牛舍比实体地面牛舍CH4的浓度和排放量分别高1.80倍和2.59倍。在实际生产中，要根据实际需求来选择地面类型。