Accuracy and precision of the techniques used to measure methane emissions from ruminant animals are critically important for the success of greenhouse gas mitigation efforts. This manuscript describes the principles and operation of an automated system to monitor methane and carbon dioxide mass fluxes from the breath of ruminant animals.
Idisslare (tama eller vilda) avger metan (CH4) genom enter jäsning i sin mag-tarmkanalen och från nedbrytning av gödsel under lagring. Dessa processer är de största källorna till utsläpp av växthusgaser (GHG) utsläpp från djurproduktionssystem. Tekniker för att mäta enter CH4 varierar från direkta mätningar (andningskammare, som är mycket exakt, men med begränsad tillämplighet) till olika indirekta metoder (sniffers, laserteknik, som är praktiskt, men med varierande noggrannhet). Den svavelhexafluorid (SF 6) spårgasmetod används ofta för att mäta enter CH4 produktion av djur forskare och mer nyligen, tillämpning av ett automatiserat Head-avdelningen System (AHCS) (GreenFeed, C-Lock, Inc., Rapid City, SD), vilket är i fokus för detta experiment, har ökat. AHCS är ett automatiserat system för att övervaka CH4 och koldioxid (CO 2) mass flöden frånfläkt av idisslare. I en typisk AHCS operation, är små mängder bete foder dispens enskilda djur för att locka dem till AHCS flera gånger dagligen. Som djuret besöker AHCS, drar ett fläktsystem luft förbi djurets nosparti i ett insugningsrör, och genom en luftsamlingsröret, där kontinuerliga luftflöden mäts. Ett delprov av luft pumpas ut ur röret till icke-spridningsinfraröda sensorer för kontinuerlig mätning av CH 4 och CO 2 koncentrationer. Fält jämförelser av AHCS till andningskammare eller SF 6 har visat att AHCS producerar repeterbara och korrekta resultat CH4 utsläpps, förutsatt att djurbesök AHCS är tillräcklig för utsläppsberäkningarna är representativa för dygnsrytm av våmmen gasproduktion. Här visar vi användning av AHCS att mäta CO2 och CH 4 flöden från mjölkkor ges en kontrolldiet eller en diet kompletterad med teknisk kvalitet cashewnötterskal vätska.
Animalieproduktionen utgör en betydande källa till utsläpp av växthusgaser (GHG) över hela världen, generera CH4 och lustgas antingen direkt (t.ex. från enterisk fermentering och gödselhantering) eller indirekt (t.ex. från inmatningsproduktionsverksamhet och omvandling av skog till betesmark eller åkermark). Uppskattningar för boskap bidrag till de globala utsläppen av växthusgaser varierar från cirka 1-18 juli% 2, beroende på gränserna för analys och metoder som används. I USA, företrätt boskap 3,1% av de totala utsläppen av växthusgaser år 2009 3.
Enteric CH4 är den största bidragsgivaren till utsläppen från boskap växthusgaser. Därför har djur forskarna fokuserat sin forskning på att upptäcka begränsnings teknik för att minska enter CH4 produktion från idisslare. I många fall är resultaten av tvivelaktigt vetenskapligt värde på grund av otillräcklig experimentell design or mättekniker 1. Således, noggrannhet och precision av mätmetoder finns kritiskt viktiga komponenter av växthusgaser lindring forskning. En stor mängd litteratur har publicerats om detta ämne under de senaste åren 4-7. Det finns flera etablerade metoder för att mäta enter CH4 produktion hos idisslare, inklusive andningskammare (mycket noggranna men med begränsad tillämplighet), spårgaser (svavelhexafluorid, SF 6), och huvudkammare. Även andningskammare anses vara de "gold standard" för att mäta våmmen gaser, är deras största nackdelen att antalet djur på rättegång vanligtvis begränsad på grund av det begränsade antalet kamrar finns på en särskild forskningsenhet. De mest praktiska och mest använda tekniker för att mäta enter CH4 produktion är 6 spårgasmetod SF och mer nyligen, en automatiserad Head-avdelningen System (AHCS, GreenFeed) som cen monitor CH4 och CO 2 massflöden från andan och rapningar gas av idisslare 8. Både SF 6 Teknik och AHCS möjliggöra utsläpp som skall analyseras på ett stort antal djur i fria betesförhållanden eller i fri- och slips-stall lador. SF 6 teknik utnyttjar SF 6 som spårgas, som kontinuerligt frisättes från en genomträngnings rör infört i våmmen hos djuret, insamling av ett prov av den utandade gaserna, och analys av gasen för SF 6: CH 4-förhållande. AHCS är en automatiserad, huvud-kammar typsystem som också grundar sig på användningen av en spårgas (propån). Jämfört med andningskammarmetoden, där djuren hålls instängda under onormala utfodring och beteendeförhållanden och med SF 6 spårgasmetod, som kräver särskild analytisk förmåga och utrustning (för insamling gas och SF 6 analys) plus omfattande hantering djur, är AHCS icke -intrusive och är billigareatt förvärva och driva. Stora brister i AHCS inkluderar representativ provtagning (i tillämpningar, såsom betessystem, där djuren måste frivilligt besöka enheten) och användning av bete foder, vilket kan utgöra upp till 5% av djurets torrsubstansintaget under en mätgas händelse. Nyligen jämförande experiment har dragit slutsatsen att AHCS producerar utsläppsnivåer som är jämförbara med dem som uppskattas med hjälp av andningskammare eller teknik 9,10 SF 6.
Den fristående AHCS systemet är uppbyggt runt en robust automatisk matare som är lätt att transportera för hand eller kan monteras på en släpvagn utrustad med solpaneler (eller andra strömkällor) för autonom fältoperation och långväga resor. Systemet innefattar ett djur Radio-Frequency Identification System (RFID), en bete-system, ett system för luftbehandling och mätning, en gas spårsystemet, elektronik och kommunikationssystem, och datahanteringssystem (<strong> Figur 1). Mer information kan hittas i den ursprungliga patentdokumentation 11.
Exemplet AHCS operation protokoll som beskrivs nedan är lakterande mjölkkor inrymt i ett tie-stall lada. Tillvägagångssättet är tillämpliga på andra kategorier av nötkreatur (icke-ammande mjölkkor, kvigor, eller köttdjur) inrymt i liknande anläggningar. Syftet med detta experiment är att visa de principer och drift av AHCS för mätning av CH4 och CO 2 -utsläpp från idisslare.
Det AHCS Systemet kombinerar element av en dynamisk hölje teknik, kammarsystem och spårteknik för massflödesmätningar av CH4 och CO2. Under dagarna samlar det flera prover från varje djur för att definiera de genomsnittliga totala dagliga gas massflöden. För att identifiera ett djur och leverera korrekt mängd bete, är en RFID-avläsare införlivas AHCS. RFID-taggen läses som djuret börjar att placera sitt huvud i mataren. När ett djur har identifierats, AHCS avgör om den är berättigad till ett bete belöning vid den specifika tiden på dagen (bete eller fri-stall lada tillämpningar). Start- och sluttid för varje djur besök (bestäms utifrån de infraröda sensorerna) automatiskt registreras. Betet avgivningssystem används för att locka djuren till AHCS jämna mellanrum under dagen. Typiskt bete foder pelletiseras och kan innehålla gräs, alfalfa, korn koncentrat melass, och vegetabilisk olja.Medan ett djur besök AHCS, drar en fläkt luft över huvudet (med en hastighet av ca 26 l / min), svepande utsända CH4 och CO 2 i en luftinsugningsröret. Luftflödeshastigheten mätes kontinuerligt med en varmfilm anemometer i mitten av luftsamlingsröret. En kontinuerlig under luftprov extraheras och dirigeras till en sekundär provfilter, sedan i två icke-dispersiv infraröd analysatorer, en sensor för CO2 och en för CH4. AHCS innehåller även ytterligare sensorer för lufttemperatur, luftfuktighet, bete fall, systemspänning, atmosfärstryck, propanflöde, och huvudets position. Betesmark och skylift versioner för betande system inkluderar en kopp vindmätare (lokal vindhastighet) och vindflöjeln (vindriktning). Alla sensordata lagras på en lokal datalogger och en dator, som gör det möjligt AHCS att fungera automatiskt och självständigt. Sensordata lagras också på en intern standard USB (Universal Serial Bus) USB-minne. AHCS uppgifternormalt överföres via en Internetlänk, en gång per timme, till en extern server där de är permanent loggas. Användare med Internet-anslutning kan fjärr logga in AHCS och styra enheten, ändra baiting scheman och granska historiska och realtidsdata samt granska och övervaka AHCS funktion.
Sammantaget experiment utförda vid Pennsylvania State University visade att AHCS systemet levererar tillförlitliga uppskattningar för CH4 och CO 2 -utsläpp från mjölkkor inrymt i tie-stall lador. Fördelarna med AHCS över andningskammare är att djuret inte är begränsad och är i sin naturliga miljö (dvs., På bete), eller kan röra sig fritt (i en fri-stall lada). AHCS är också billigare att bygga än en traditionell andning kammare. Denna relativt låga kostnader är viktigt, särskilt för CH4 begränsning forskning i utvecklingsländerna. Jämfört med SF 6 spårr metod är AHCS enklare att använda och kräver inte komplicerad och dyr analytisk utrustning. Det kanske mest uppenbara nackdelen med AHCS, jämfört med kamrarna och SF 6 metoder (speciellt vid användning i betes eller fritt stall lada miljöer), är att djuret har att frivilligt fram till apparaten och därför gasmätning händelser är beroende av djurbesök . Inom en dag, dessa djur besök kan eller kan inte vara representativ för dygnsrytm av CH4 produktion. Därför, i applikationer där djuret besöker AHCS frivilligt, samplingsperioden bör vara tillräckligt lång eller upprepad ett tillräckligt antal gånger. Tie-stall program som används vid Pennsylvania State University minskar detta problem genom att kontrollera antalet och tidsmässiga fördelningen av gasmätningar under en 24 hr matningscykel. Tillräcklig provtagning av rapningar gas under en matningscykel (som anges i ovanstående protokoll) är viktigt för representative uppskattning av CH4 produktion i våmmen hos nötkreatur. Mängden bete foder som ges till djuren under mätningar med AHCS måste beaktas i den övergripande analysen (dvs, måste läggas till den totala mängden foder som konsumeras av djuret), så utsläppsintensitet per enhet foder DMI kan vara exakt beräknat. Under normala utfodringsförhållanden, utgör betet foder mindre än 5% av den totala DMI av en mjölkkor och dess effekt på vommen jäsning och CH4 produktion är liten. Det noteras att AHCS (och andra liknande system) inte mäter CH 4 produktion i djurets hindgut. Hindgut jäsning, men bidrar endast cirka 3% av de totala CH 4 utsläpp i ett idisslande djur 7.
Baserat på erfarenheter, det finns flera viktiga komponenter för att mäta enter vommen gasproduktion använder AHCS: (1) djuret måste vara vana vid att hetsen foder (och AHCS) och har to liknande den för att närma sig och använda AHCS feeder, (2) djurets huvud måste införas ända in mataren för att samla in tillförlitliga uppgifter utsläppsgaser (3) AHCS kalibreringen måste följas noga (4) har tillräckligt med tid för att samla in bakgrunds CH 4 och CO 2-data mellan provtagning enskilda djur är viktigt, särskilt i Tieto eller fritt stall lador, och (5) är det viktigt att tillräckligt med data samlas i en provtagningscykel ( täcker en 24 timmarsperiod) så utsläppsdata som genereras av AHCS är representativa för den faktiska dygns CH 4 eller CO 2 -utsläpp av djuret.
Jämförande test med AHCS vs. etablerade CH4 mättekniker stöder ovanstående slutsatser. Till exempel, en studie med växande mjölkkvigor slutsatsen att AHCS kunde uppskatta CH 4 utsläpp från boskap och utsläppsberäkningar genereras av AHCS var jämförbaratill värden som erhålls genom respirations kamrarna 9. Dessa författare påpekade att utplaceringen av AHCS enheterna och replikering måste övervägas noga för att säkerställa ett tillräckligt antal mätningar erhålls. Baserat på erfarenheter, 8 provtagningstillfällena, fördelas under en 3-dagars period för att täcka en 24 hr matningscykel (se protokollet ovan) är tillräckliga för att få noggranna mätningar av gasformiga utsläpp och relativt låg variation i data (dvs acceptabel precision). I en studie med ammande mjölkkor, drogs slutsatsen att CH 4 utsläpp som mäts av AHCS liknade litteraturvärden som erhållits från andningskammare och mellan djur variabilitet (CV 11 till 12%, repeterbarhet på 0,64 till 0,81) var också inom intervall rapporterats för andningskammare 10. I en nyligen publicerad studie med lakterande kor, producerade AHCS en mindre CV än SF 6 metoden (14,1-22,4% jämfört med 16,0 till 111% för SF 6) 13 </sup>. I en 12-veckors experiment som utfördes vid Pennsylvania State University med 48 lakterande mjölkkor, där Rumen CH4 produktion hämmades med 30% (P <0,001), drog vi slutsatsen att AHCS och SF 6 metoden gav liknande CH 4 utsläppsresultaten : 319 till 481 g / ko per dag (medelvärde = 374 g / d; SEM = 15,9; CV = 13%) och 345 till 485 g / ko per dag (medelvärde = 396 g / d; SEM = 29,8; CV = 23 %) för AHCS och SF 6, respektive 14.
Sammanfattningsvis, exakt, men praktiska tekniker för att mäta CH4 produktion i våmmen är av avgörande betydelse för framgången av växthusgaser begränsningsåtgärder. AHCS är ett automatiserat system gasmätning som har visat sig ge tillförlitliga och korrekta bedömningar av enter CH 4 och CO 2 -utsläpp från nötkött och mjölkkor.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank the staff of the Department of Animal Science’s Dairy Center for their conscientious care of the experimental cows used to generate data for this study.
AHCS | 1 | C-Lock, Inc. | |
Zero, 100 N2 | 1 | Air Liquide | 4 m3 sized tanks filled with 13,790 kPa |
Span, 0.15% CH4 and 1% CO2 | 1 | Air Liquide | 4 m3 sized tanks filled with 13,790 kPa |
Gas sampling bag | 2 | SKC, Inc. | FlexFoil® PLUS Breath-gas analysis bags |
Gas regulator | 2 | Scott Gasses | |
CO2 cylinder | 6 | JT | 90 g CO2 tanks |
Mass scale | 1 | A&D EJ6100 | > 4 kg, with 0.1 g resolution |
Propane cylinder 485 mL | 1 | Coleman | |
ISO 11784/11785 button ear tag | 40 | Allflex USA | One tag per animal |
Alleyway (for free-stalls, tie-stalls) | 2 | Behlen Country | One alleyway per unit |
30 m AC extension cord | 1 | HDX | |
A container with warm water (37-43°C) | 1 | N/A | |
Stopwatch (sec) | 1 | N/A |