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 农业

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(礼貌:Shutterstock / GLF媒体)
06 Apr 2021
从2021年4月起拍摄的 物理世界 。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

从牲畜的切割甲烷生产被认为对气候变化缓解至关重要,具有很多研究,重点是动物如何品种和喂养。但是,物理学家也通过开发方法来衡量牛的排放,使用如光谱分析和空中抽样等方法来玩他们的部分 迈克尔艾伦 discovers

几年前,大气 物理学家格兰兰 他的同事正在使用无人机来测量英格兰西北部兰开夏郡的一座浮渣场地的甲烷排放。但是隔壁的页岩气操作是一场奶牛场,研究人员想知道他们还可以测量奶牛生产的甲烷。因此,虽然动物在谷仓中被挤奶,但研究人员在外面的田地里飞行了他们的无人机系统。

“他们有大约150奶牛,一旦你把它们放在一个盒子里,就像一个谷仓一样,他们成为一个浓缩的系统,你可以作为一个点的排放来源,”艾伦说,英国曼彻斯特大学。然后可以测量用无人机逆风的甲烷的浓度。 “如果你知道风速和你的浓度测量,”艾伦继续,“你可以做一些聪明的数学来计算排放通量从群体中的每秒克的克,那么你可以获得平均每头牛排放。“

Grant Allen drone

牛负责大量的温室气体排放。全球牲畜行业占七大缩略龙(7×1012 kg) of CO2 每年,根据联合国。这是100%的人为排放 - 与汽车相似的比例。在商品基础上,来自奶牛的牛肉和牛奶负责这些排放的最高比例。七只数甘顿的近40%是通过反刍动物的胃中发酵产生的甲烷 - 主要是奶牛。

在一周的过程中,艾伦和他的同事的压裂网站正在监测4吨以上的甲烷 - 相当于142个跨大西洋航班的环境影响。但由于操作来清除2.3公里深的页岩气井,这与一个事件相关联。虽然甲烷的来源是零星的,但全年牛皮甲烷。 “如果你在几天内比较它,那么这个时期,压裂网站每单位时间发出更多的时间,”艾伦解释道。 “但如果剩下的时间里没有其他排放场所的排放,那么奶牛牛群的累积助推器全年都会更多。”

发酵植物,腌制甲烷

奶牛和其他反刍动物吃草,稻草和其他纤维植物,这些植物对大多数其他动物来说都是难以消化的。为了从复合碳水化合物中提取营养物 - 特别是纤维素 - 在这些植物中,将动物在称为瘤胃的特殊胃室中发酵它们。在这种无氧环境中,微生物(主要是细菌)分解着复杂的植物材料。但随着该过程发生,它产生了大量的氢。

随着氢气的增加,牛转向另一组被称为古代的细菌的微生物。这些虫子使用氢作为能量来源,但产生甲烷作为副产物,该方法称为甲烷化。随着这种天然气积聚,牛将其吹灭,这对母牛有好处,而不是这个星球,因为甲烷是有效的温室气体。据政府间气候变化委员会称,虽然它仅在大气中幸存了十年或两年,但在20年期间,它有超过80倍的全球热化二氧化碳的潜力。

Elias Kebreab

这使得甲烷为甲烷是一个很好的短期目标,用于解决气候变化,说动物科学家 加利福尼亚大学世界食品中心的主任Ermas Kebreab戴维斯。虽然减少二氧化碳需要是长期的重点,但我们需要一段时间,我们将需要一段时间,以便在大气中持续几个世纪以来的二氧化碳仍然存在。 “但在十年左右的十年左右,感觉到减速或减少甲烷的效果,”凯布雷解释道。并鉴于他们是 负责超过40%的人为甲烷排放,牲畜是一个好的开始。

提高生产力是减少排放的关键。根据凯布雷的说法,您可以使动物产生更多的蛋白质 - 牛奶或肉类,每千克饲料,结合遗传和良好的营养。例如,他解释说,低收入国家的奶牛每天生产大约4-5公斤的牛奶。但是,如果你要穿过荷斯坦 - 弗里斯奶牛的养殖 - 这是为了他们的高牛奶生产而闻名 - 你每天可以获得20公斤牛奶,同时保持当地品种的一些优势。确实, 在过去的五十年中,对育种和满足营养需求的关注将每升牛奶的甲烷排放量减少约50%。现在有比半个世纪前更少的乳制品奶牛,但它们各自产生更多的牛奶(图1)。

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海藻补充

为了进一步削减排放,Kebrab最近的工作旨在使用海藻作为饲料添加剂。 他和其他人表明,将各种海藻添加到牛的食物中可以将甲烷产量降低多达90%。 “这绝对疯狂,”Kebreab惊呼,补充说,在给予牛之前,海藻的处理很少。 “当它收集时,我们冻干它以确保活性成分是稳定的。在那之后,你只是把它粉碎成粉末,它被添加到饲料中,“他解释道。

海藻抑制了甲烷化。奶牛瘤胃中的古老使用酶来分解气体,但海藻中的各种化合物似乎干扰了一些这些酶。这意味着微生物不能完成该过程,产生更少的甲烷。还发现其他化合物具有类似的效果。这 瑞士农业科技公司Mootal 要求其大蒜基添加剂显示甲烷生产的40%。

在他的研究中,Kebrabb使用称为Greentfeed的系统测量由奶牛产生的甲烷。这种类似的机器含有诱使牛的食物,然后测量它们呼吸的气体并在吃东西时发出。还有其他装置用于测量单个动物的排放,例如呼吸室和手持式光谱装置。虽然这些系统准确,但使用它们测量大量动物是昂贵且耗时的。为了解决这个问题,动物科学家使用少量动物的测量来创造来自不同饲养系统的排放模式,这些系统可以应用于整个畜群。然而,越来越多的人正在探索衡量整个畜群的方法。这是有道理的,因为一个牛和另一头牛之间的排放的可变性可能是巨大的。这种大规模测量还可以基于来自个体动物的排放测量来帮助确认模型。

Cattle feed

在英国,Allen的无人机通过150米长的管束缚在地面上。当它们飞过甲烷源的顺风时,将空气向下泵送到光谱仪,其基于它们的光谱签名来识别不同的气体(atmos。测量。技术。 13 1467)。 “我们基本上衡量了地面,但我们正在衡量从无人机当时被带来的空气,”艾伦解释道。

为了测试他们的数学模型,准确测量甲烷势态,艾伦及其团队开发了一种涉及从场中的圆柱体控制释放甲烷的方法。为了确保没有作弊,决定飞过无人机的人分析数据并计算甲烷排放并不知道框中的甲烷是多少,或者它被释放的速率。结果是测量与已知甲烷释放之间的良好相关性。但是,实现准确的结果需要多个航班,最多增加几个小时的飞行时间。

整个牧群,或个体牛

诺丁汉大学动物科学负责人Phil Garnsworthy 在英国,正在研究遗传养牛,遗传倾向于产生更少的甲烷。他说,瘤胃的微生物从一头奶牛变化到另一头牛,并且似乎通过遗传来解决。 “你可以从一头牛中取出瘤胃内容并将其放入另一个牛身上,大约两到四周后,虫子的人口将回到之前的内容,”他解释道。

“牛对她的瘤胃微生物进行了控制。低甲烷的育种是在瘤胃中繁殖的特定微生物群。“ Garnsworthys表示,虽然呼吸室提供准确的数据,但它们对于大规模测量的大规模测量是不切实际的。这是因为当测量用于育种目的的甲烷排放时,奶牛需要在分庭中限于约3至7天以获得体面的数字。

在诺丁汉学习中,乳制品牛群被机器人挤奶了。奶牛,佩戴碎片以进行识别目的,每天都有三次,并在挤奶时喂食。为了提供来自个体动物的长期甲烷测量,Garnsworthy和他的同事决定尝试在进料托盘中安装气体分析仪 - 动物鼻孔附近的管连接到红外光谱仪。 “第一批牛陷入了脑海,我们突然在甲烷中突然每分钟看到这一大峰,”Garnsworthy说,“我们认为必须呼吸呼吸。然后我们意识到它比一分钟更频繁地呼吸,并且它是belching甲烷。“

研究人员发现,该技术的测量与呼吸室相当( 动物 10.3390/ani9100837)。 Garnsworthy表示,科学界的部门认为他的技术是“垃圾”,认为它与呼吸室这样的技术并不准确。但他认为,这些其他方法在正常商业条件下没有测量奶牛。

“他们说我们的技术是如此的变量,对单个奶牛来说不够准确,但我们能做的是衡量数千次,然后得到一个非常精确的平均水平,”他解释道。并且随着这种方法涉及测量所有动物,可以组合各个测量以为整个群体提供甲烷排放。这很好,因为研究人员可以比较农场或牛群的排放而无需衡量个体动物。但是,作为Garnsworthy的注意事项,如果您有兴趣将动物与育种目的进行比较或进行营养实验,则观察单位需要成为个体动物。 “它只是取决于你想要的数据。”

在其他地方,研究人员一直在寻找能够监测牛群的系统,甚至不断地监测牛群。一个选择是使用克里斯 - 横穿现场来测量牛群排放的点源激光器。 2014年 理查德托德 美国农业部的同事利用这种光谱技术以及绿色呼吸分析系统 测量从牧草的50次养牛的排放26公顷的俄克拉荷马草原。三个激光器扫描了大草原上的16个路径,而牛队伍配有GPS项圈,以跟踪他们的位置。

天气状况和数据上的母牛位置的数据允许研究人员测量挤压和向下气体浓度,以跟踪牛的甲烷排放。他们发现甲烷排放的激光结果与绿色综合系统相当,结论是开放式激光器倾向于高估排放,而绿色综合方法往往低估它们。

敏感扫描

其他科学家正在寻求更敏感的技术。 2019年 国家标准与技术研究所的Daniel Herman (NIST)展示了双频梳子可以测量牛群的排放量(激光和电光会议 10.1364 / cleo_at.2020.aw4k.1.)。频率梳是一种非常精确的光谱仪器,其中激光器发出连续的火车的光覆盖数百万不同的频率峰值。单个峰值看起来像梳子的牙齿 - 给工具它的名字。这些激光脉冲充当标记,允许检测器测量它们通过其通过的任何材料的光谱特征,具有令人难以置信的精度。双频梳子使用两个梳子,齿间距略有不同。这产生了一种更敏感的设备,它起到数十万个激光光谱仪的起作用。

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2018年,由物理学家领导的另一个NIST团队 Ian Coddington. ,已经证明了便携式双频梳可用于检测甲烷和户外其他排放,具有极端精度和大面积( 光学 5 320)。在旨在模拟石油和天然气生产排放的现场测试中,Coddington的团队能够从一公里的公里距离每分钟1.6克的甲烷排放量(图2)。赫尔曼和同事使用了含有约400牛的饲料的两侧的两个双频梳子。一只梳子在笔和另一个逆风的逆风中,以测量气体浓度,因为空气流入和从笔出来。下行系统检测到甲烷,二氧化碳和氨的增加。

据艾伦介绍,基于固定激光器的系统和无人机都存在优势和缺点。虽然固定系统可以连续监测排放,但它们通常依靠风吹在某个方向上,因此可能会有很多死亡时间而被遗漏的排放。此外,甲烷浮气,可以相当迅速上升。地面激光器可以错过这些羽毛,而无人机可以覆盖垂直尺寸并定位以考虑风向。但是,无人机昂贵;要求有人飞行;并且只能一次监控短时间。

然而,也可以使用飞机测量甲烷排放。这是什么 Ray Desjardins,农业和Agri-Food Canada的大气科学家,几十年的工作。他解释说,每20名二秒钟,飞机上的设备都测量空气中不同气体的浓度,以及空气的垂直运动。 “基本上,如果空气之间的浓度有所不同,你可以很容易地计算气体的排放,”他说。但基于飞机的测量可以努力测量甲烷的特定来源。 Desjardins的最新工作发现,当被调查的地区少于10%湿地时,农业甲烷排放量,特别是畜牧业的测量更准确( 农业和森林气象学 10.1016 / J.AGROMOMET.2017.09.003 )。

Desjardins表示,飞机技术用于检查农场的温室气体库存是否准确。 “这就是我们在这一点上主要用它的东西。”他说,他说,它可能是一种奖励农民的方法,并为他们提供使用某些温室气体缓解技术的学分。 “这可能是一种方法来验证他们所说的是他们正在做的事情,他们正在做,”他解释道。

Kebrabb还认为,有益的农民可能是激励他们切割甲烷排放的好方法。缓解可能是昂贵的,并且已经紧张的财务增加了成本。 “有协议可以帮助他们收回他们将要支付购买的钱购买,无论是如何获得的任何技术都非常非常乐于助人,”他得出结论。 “如果技术实际上允许他们提高他们的生产力,那么这是一个双赢的情况。”

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