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导 读

 

为缓解气候变化，减少牲畜所排放的甲烷至关重要。对此，关于农场动物的饲养与繁殖已有大量的研究。如今，物理学家也正在为解决这一全球问题出一份力——如 Michael Allen 所报道的，他们使用光谱分析和空中采样等技术，开发测量畜牛甲烷排放的新方法。

 

撰文｜Michael Allen

 

翻译｜browneyedsilvia

 

校译｜于茗骞

 

几年前，在英格兰西北部的兰开夏郡，英国曼彻斯特大学的大气物理学家 Grant Allen 与他的同事们曾使用无人机来测量一处水力压裂作业点的甲烷排放。不过，紧邻这个页岩气田的便是一处奶牛场，研究者们便好奇他们是否也能够测量奶牛产生的甲烷。因此，当畜棚中的奶牛正在被挤奶时，研究者们把他们的无人机飞到了附近的空地上。

 

“农场中约有150头奶牛，当它们全部被集中在畜棚里，就像是被装进了一个盒子，这样一来，150头奶牛就能够被简化为一个点状的甲烷排放源来进行建模，” 研究者Allen说。基于这样的假设，他们便能用无人机来测量畜棚下风口的甲烷浓度。“然后，如果你知道了风速和甲烷浓度，” Allen接着说道，“就可以计算出牛群整体的排放量是每秒多少克，进一步就能得出平均到每头奶牛的排放量是多少。”

 

畜牛是温室气体的重要来源之一。根据联合国的数据，每年，全球畜牧业的温室气体排放量等效于七十亿吨二氧化碳，相当于人为排放的15%，约等于机动车尾气排放所占的百分比。在这七十亿吨的畜牧业总碳排放中，因为能够生产作为商品的牛肉和牛奶，牛所带来的排放量最大。并且，反刍类要动物胃部发酵所产生的甲烷占了总量的约40%——其中又以牛为主。

 

在一周的时间内，研究者Allen和同事所监测的水力压裂作业点排放出了至少4吨甲烷，相当于142次横跨大西洋的国际航班所造成的环境影响，但这仅与一次2.3千米深的页岩气矿井的清理作业有关。类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气中释放甲烷气体。“如果将牛打嗝与页岩气矿井相比，在几天这样的短时间内，后者的甲烷排放明显是更多的，” Allen解释道，“但是如果在一年的时间里，这个矿井只有这几天在排放甲烷，那么还是150头奶牛更胜一筹了。”

 

发酵植物，嗝出甲烷

 

牛与其它反刍动物一样，以牧草、干草等纤维含量丰富的植物为食。而对于大多数其他动物来说，这些都是无法消化的。为了从植物所含的复杂的碳水化合物，尤其是纤维素之中获取所需的营养，反刍动物需要先在一个特殊的、富含微生物的胃袋里发酵吃下去的植物组织。这个胃叫做瘤胃，是牛等反刍动物的第一个胃。在这一缺氧环境中，（以细菌为主的）各种微生物将植物分解、转化，使其成为能够为自己所利用、同时也能够被宿主动物吸收的营养成分。然而，与此同时，这个消化过程也产生出大量的氢气。

 

当氢气在牛的消化道中积累，就轮到另一批微生物登台。这些叫做古菌的微生物与细菌相似，但他们将氢气作为能源物质，而排出的副产品则是甲烷。这一过程被称为甲烷生成反应。当甲烷逐渐增多，牛不得不打嗝来排出多余的气体。这让可怜的牛舒服了一些，却使我们可怜的星球变得更加可怜，因为甲烷是一种强大的温室气体。

 

根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的数据，虽然甲烷在大气中最多能停留十至二十年，但是在长达二十年的时间内，甲烷能够制造的温室效应相当于二氧化碳的80倍。

 

因为这些特点，甲烷成为了一个应对气候变化的短期治理对象，美国加州大学戴维斯分校世界粮食中心的主任、动物科学家Ermias Kebreab说。尽管长期的工作重点仍应放在减少二氧化碳排放上，但其成效尚需一些时日才能够显现出来，因为二氧化碳太稳定了，以至于它能够在大气中停留数百年的时间。“不过减缓或减少甲烷排放的成效在一二十年内就能够看到，” Kebreab解释说。再加上人为甲烷排放的40%都是来自牲畜，畜牧业是一个好的治理起点。

 

减少排放的关键在于提升生产效率。Kebreab表示，有了优秀的基因和均衡的营养，畜牧动物的生产效率——即每公斤饲料可产出的动物蛋白（奶或肉）就可提高。Kebreab举了一个例子：低收入国家的奶牛每头每天产奶约4-5千克，但如果将它们与因高产奶量而闻名的荷斯坦奶牛杂交，便可以得到20千克的日产奶量，同时又能保留本地牛品种的一些其它优势。确实，在最近的五十年中，对于奶牛品种选育和饲料质量的关注，使得在美国生产一升牛奶的甲烷排放量降低为之前的50%。现在，奶牛的数量比半个世纪前的要少，但每一头牛产奶量都更高（图1）。

图1 喂饱增长的人群 （来源：Ermias Kebreab）

自1950年以来，加州乳产业的牛奶总产量、每头奶牛产奶量、奶牛总数，牛奶场以及生产每公斤牛奶的所产生的甲烷变化趋势。

 

海藻补充剂

图2 换个口味

把少量的大型红藻（一种海藻）与糖浆混合，添加到奶牛饲料中（右图）——这是加州大学戴维斯分校Ermias Kebreab（左图）的一个研究项目。

 

为了更多地削减温室气体排放，Kebreab最近的工作重心是将海藻开发为牲畜饲料的添加剂。他和同事们的研究发现，向牛饲料中添加不同种类的海藻能够减少多达90%的甲烷排放。

 

“这真的很惊人，”Kebreab感叹道，接着解释了海藻在被添加到饲料里之前，甚至并不需要太多的加工， “海藻被采集上来之后，我们会进行冻干处理，以使其中的有效成分保持稳定。然后就把它们研磨成粉，再加入饲料之中。”

 

添加进饲料的海藻能够抑制消化道中的甲烷合成。奶牛瘤胃中的古菌通过酶来分解氢气等气体反应物，而海藻中的一些成分能够干扰这些酶的作用，从而使得古菌难以完成合成过程，也就不能制造大量的甲烷了。一些其它的物质也被发现有相似的作用——瑞士的Mootral农业技术公司表示，他们以大蒜为原料生产的饲料添加剂能够减少40%的甲烷生成。

 

在他的研究过程中，Kebreab使用一个叫做 “GreenFeed”（绿色饲料） 的系统来测量奶牛嗝出的甲烷量。这个像饲料槽一样的装置装有食物吸引奶牛上前靠近，然后在它们进食的时候分别监测其吸入和嗝出的气体成分。也有其它用来测量动物个体气体排放的装置，例如能容纳一头实验动物的呼吸室和轻便的手持光谱仪。这些测量系统在准确性上和GreenFeed不分彼此，但用来逐一测量大量动物时，就使得过程变得十分耗时而昂贵。

 

为了解决这个问题，动物科学家使用建模的方法，先分别测量不同饲料喂养状态下的少量实验动物的排放数据，再根据这些数据模拟出一个畜群的模型。不过，研究者们近来正在更多地探索能够实际测量整个畜群排放的方法——毕竟奶牛个体之间的排放差异时有悬殊。况且，这样的大尺度测量结果还能帮助修正那些根据少数动物个体的排放数据建立的数学模型。

图3 无人机测量（图源：Grant Allen）

曼彻斯特大学的Grant Allen使用的无人机通过管子与地面上的光谱仪相连。无人机完成了22次点排放源下风口处的对照组测量，负责模拟点排放源的是一个人为控制的圆柱形装置，带有一台流量计。

 

在英国，Allen的每架无人机都通过一根150米长的管子与地面相连。当无人机在甲烷排放源的下风口飞行时，它们会通过管子向地面上输送空气，这些空气会通过一台光谱仪，空气的成分便能够被仪器分析出来[1]。“测量在地面上进行，但我们测量的空气样本是从无人机所在的高度传送下来的，”Allen解释说。

 

为了检验数学模型和准确地测量甲烷排放的通量，Allen和他的团队设计了一个对照，即一个露天放置的圆柱形甲烷释放装置，能够在人为控制下定量定速地排放甲烷气体。在此之上，为了保证没有人为偏倚，装置所释放的甲烷量和速率对负责操纵无人机、分析数据和计算甲烷排放量的团队成员严格保密。令人高兴的是，对照组的测量结果与已知的甲烷排放数据有不错的相关度，不过要达到准确的结果，仍然需要长达几个小时的多次空中测量。

 

一群牛还是一头牛

 

英国诺丁汉大学乳品科学教授 Phil Garnsworthy 研究奶牛的育种，致力于选育出生来就能嗝出更少甲烷的奶牛品种。他提到，奶牛瘤胃中的微生物群落因个体而异，并且是由奶牛的遗传背景所决定的。

 

“如果把一头奶牛富含微生物的瘤胃内容物接种到另一头的瘤胃中，二至四周之后，被接种奶牛的瘤胃微生物群落又会恢复原状，” Garnsworthy说。

 

“一头奶牛能够控制她瘤胃里的微生物。当我们选育低甲烷排放的奶牛品种时，我们其实是在选育特定的牛瘤胃微生物群落组成。” 尽管呼吸室能够提供准确的测量数据，这种方式对于测量大尺度上的甲烷排放是不现实的，Garnsworthy说道。这是因为以品种选育为目的进行奶牛甲烷排放的测量时，被测的奶牛需要在呼吸室中停留三至七天才能够得到较好的测量结果。

 

在诺丁汉大学的这项研究中，给奶牛挤奶是由机器完成的。这些奶牛每头都佩戴了有身份识别功能的芯片，每天被挤奶三次并同时被喂食饲料。为了获取每头实验奶牛的长期甲烷排放数据，Garnsworthy和他的同事决定尝试给饲料槽加上气体分析装置，即用一根靠近奶牛鼻孔的管道连接上一台红外光谱仪。

 

“第一头被试奶牛把头埋了下去，紧接着我们就看到了这个高耸的甲烷浓度峰，大概每分钟一次，” Garnsworthy回忆说，“我们以为这一定是那头奶牛在呼吸的缘故，但其实奶牛每分钟呼吸不止一次——原来它是在嗝出甲烷。”

 

研究者们发现这种测量方式获得的数据与呼吸室的测量结果是有可比性的[2]。Garnsworthy提到，也有些领域同行觉得他的方法 “很垃圾”，说这并不像呼吸室之类的测量方法那样准确。不过他坚持认为这些其它的测量方法并不是在正常的商业化条件下对奶牛进行测量的。

 

“有人说我们的测量技术太不稳定，以至于对每头奶牛来说，结果并不准确。但我们可以做到进行数千次的测量，从而获得一个相当精确的平均值，” 他解释说。并且因为这个方法会测量到所有涉及的实验奶牛，个体的数值就能够被合并成整个牛群的甲烷排放。这便于研究者比较来自不同农场或牛群的排放数据，而无需逐一去测量每头奶牛。

 

但是，Garnsworthy也谨慎地提醒道，若要以品种选育或进行营养学实验为目进行测量时，仍应以实验动物的个体作为观察单位。“这都得看你要用测量数据做什么研究。”

 

在世界的其它地方，研究者们所关注的是能够长时间，甚至持续监测牛群甲烷排放的系统。一个选项是使用点光源的激光，在牧场上布下纵横交错的激光阵来测量牛群的甲烷排放。2014年，美国农业部的Richard Todd和他的同事们使用这种光谱分析技术和上文提到的GreenFeed呼吸气体分析系统，测量了俄克拉荷马州草原上26公顷牧场中的50头奶牛的甲烷排放。三道激光按照16条路径扫描了整个牧场区域，而奶牛们也被一一配置了GPS项圈来追踪它们的位置。

 

天气状况数据和同步的位置信息，使研究者们能够准确地测量上下风口的甲烷气体浓度，从而监测每头奶牛的排放状况。他们发现激光阵的测量结果与GreenFeed系统的测量结果是大致可比的，不过开路式激光探测器常常高估了排放量，而GreenFeed系统则倾向于低估了数据。

 

灵敏的测量装置

 

其他科学家正着眼于更加精密的测量技术。2019年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的 Daniel Herman 的成果表明，双频率梳能够测量牛群的甲烷排放 [3]。

 

频率梳是一种非常精确的光谱分析仪器，其中的激光发生器能够发射出一道超短且密集的光脉冲，且光频横跨数百万个频率峰。因为脉冲的频率固定而短促，每个频率峰看起来就像是一个梳齿，频率梳因此得名。这些激光脉冲起到标记的作用，使接收器能够记录到激光所通过的任何物质的光谱特征，并且极其精确。双频率梳即是将两个梳齿距离稍有不同的的频率梳一起使用，相当于数十万个激光光谱仪同时工作，这样就有了一个更加灵敏的测量装置。

图4 检测甲烷泄露（图源：Stephanie Sizemore and Ian Coddington/NIST）

美国国家标准与技术研究院的Daniel Herman与研究者们使用了一个可移动的双频率梳激光光谱仪来测量奶牛的气体排放。光谱仪被放置在一个由回射镜面排成的圆形的圆心处，光谱仪发出的激光光线（黄线）通过一片气体云，并被镜面反射回到光谱仪处。测量所得的数据被用来鉴定泄露的微量气体（包括甲烷），泄露地点和速率。

 

2018年，由物理学家Ian Coddington领导的另一个美国国家标准与技术研究院的团队早已证实，便携的双频率梳能够用来检测甲烷及其它气体的室外排放，且有效范围广而精度极高（Optica 5 320）[4]。

 

在模拟油气开采排放的田野试验中，Coddington的团队能够在距排放源一公里处检测出每分钟1.6克的甲烷排放（图2）。Herman和同事们在一处圈有约400头奶牛的饲养场的两侧使用了两个双频率梳，分别设置在上风口和下风口处，来测量流入和流出畜栏的空气中的气体成分。下风口处的测量系统检测到，流出畜栏的空气中，甲烷、二氧化碳和氨气浓度有所上升。

 

Allen表示，基于固定激光的测量系统和无人机测量系统其实各有利弊。虽然固定不动的装置能够持续地监测排放状况，但它们往往要求测量环境中的风向固定，所以当无风时就会产生很多无法准确记录排放数据的时间盲区。而且，甲烷气体的密度小、浮力大，很容易在空气中快速上升。地表的激光阵可能会错过这些甲烷，但无人机就能覆盖到这些垂直方向上的气体扩散，并能根据风向灵活调整测量位置，却有价格昂贵、需要人为调控和单次起飞的监测时间短的缺点。

 

不过，飞机也能够用来测量甲烷排放——这是加拿大农业与食品学会的大气科学家 Ray Desjardins 过去数十年的研究方向。他解释说，飞机上搭载的设备每二十秒钟可测量空气中不同气体成分的含量，以及空气的垂直移动状况。

 

“如果在上升和下降的空气中出现某种气体含量的不同，就能够以此计算出这种气体的排放量，” 他说。但是，基于飞机的测量方法可能无法精准地监测一个特定的排放源。Desjardins最近的工作成果显示，农业活动，尤其是畜牧业的甲烷排放，其测量结果在测量地区的湿地面积少于10%时会准确得多 [5]。

 

Desjardins说，飞机常被用于检查农场的温室气体排放清单是否准确无误。“目前为止，这是这种测量技术的主要用途。” 不过他表示，最终这种技术有可能会发展成为一种表彰机制，用来奖励采取了缓解温室气体排放的经营措施的农户。“它可以用来核实农户们是不是说到做到了，还是在说一套做一套。”

 

Kebreab也认为奖励机制能够激励农户去削减农场的甲烷排放，因为减排措施可能会相当昂贵，使农户的经济状况雪上加霜。

 

“建立一些机制来帮助他们收回花在减排技术上的费用将是非常有益的，” 他总结道，“如果这些技术能够激发大家提高产能，那就会是一个双赢的局面。”

 

原文链接：

 

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

 

参考资料：

 

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

 

▲ 本文为Physics World 专栏的第40篇文章。

 

版权声明

 

原文标题 “Battling bovine belching”，首发于2021年4月出版的 Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。本译文有删节，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。

 

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