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為緩解氣候變化，減少牲畜所排放的甲烷至關(guān)重要。對(duì)此，關(guān)于農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物的飼養(yǎng)與繁殖已有大量的研究。如今，物理學(xué)家也正在為解決這一全球問題出一份力——如 Michael Allen 所報(bào)道的，他們使用光譜分析和空中采樣等技術(shù)，開發(fā)測(cè)量畜牛甲烷排放的新方法。

撰文｜Michael Allen

翻譯｜browneyedsilvia

校譯｜于茗騫

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幾年前，在英格蘭西北部的蘭開夏郡，英國曼徹斯特大學(xué)的大氣物理學(xué)家 Grant Allen 與他的同事們?cè)褂脽o人機(jī)來測(cè)量一處水力壓裂作業(yè)點(diǎn)的甲烷排放。不過，緊鄰這個(gè)頁巖氣田的便是一處奶牛場(chǎng)，研究者們便好奇他們是否也能夠測(cè)量奶牛產(chǎn)生的甲烷。因此，當(dāng)畜棚中的奶牛正在被擠奶時(shí)，研究者們把他們的無人機(jī)飛到了附近的空地上。

“農(nóng)場(chǎng)中約有150頭奶牛，當(dāng)它們?nèi)勘患性谛笈锢?，就像是被裝進(jìn)了一個(gè)盒子，這樣一來，150頭奶牛就能夠被簡化為一個(gè)點(diǎn)狀的甲烷排放源來進(jìn)行建模，” 研究者Allen說?；谶@樣的假設(shè)，他們便能用無人機(jī)來測(cè)量畜棚下風(fēng)口的甲烷濃度?！叭缓?，如果你知道了風(fēng)速和甲烷濃度，” Allen接著說道，“就可以計(jì)算出牛群整體的排放量是每秒多少克，進(jìn)一步就能得出平均到每頭奶牛的排放量是多少?！?/span>

畜牛是溫室氣體的重要來源之一。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，每年，全球畜牧業(yè)的溫室氣體排放量等效于七十億噸二氧化碳，相當(dāng)于人為排放的15%，約等于機(jī)動(dòng)車尾氣排放所占的百分比。在這七十億噸的畜牧業(yè)總碳排放中，因?yàn)槟軌蛏a(chǎn)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?jiǎng)游镂覆堪l(fā)酵所產(chǎn)生的甲烷占了總量的約40%——其中又以牛為主。

在一周的時(shí)間內(nèi)，研究者Allen和同事所監(jiān)測(cè)的水力壓裂作業(yè)點(diǎn)排放出了至少4噸甲烷，相當(dāng)于142次橫跨大西洋的國際航班所造成的環(huán)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(yè)有關(guān)。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(shí)間內(nèi)，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(shí)間里，這個(gè)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?！?/span>

發(fā)酵植物，嗝出甲烷

牛與其它反芻動(dòng)物一樣，以牧草、干草等纖維含量豐富的植物為食。而對(duì)于大多數(shù)其他動(dòng)物來說，這些都是無法消化的。為了從植物所含的復(fù)雜的碳水化合物，尤其是纖維素之中獲取所需的營養(yǎng)，反芻動(dòng)物需要先在一個(gè)特殊的、富含微生物的胃袋里發(fā)酵吃下去的植物組織。這個(gè)胃叫做瘤胃，是牛等反芻動(dòng)物的第一個(gè)胃。在這一缺氧環(huán)境中，（以細(xì)菌為主的）各種微生物將植物分解、轉(zhuǎn)化，使其成為能夠?yàn)樽约核?、同時(shí)也能夠被宿主動(dòng)物吸收的營養(yǎng)成分。然而，與此同時(shí)，這個(gè)消化過程也產(chǎn)生出大量的氫氣。

當(dāng)氫氣在牛的消化道中積累，就輪到另一批微生物登臺(tái)。這些叫做古菌的微生物與細(xì)菌相似，但他們將氫氣作為能源物質(zhì)，而排出的副產(chǎn)品則是甲烷。這一過程被稱為甲烷生成反應(yīng)。當(dāng)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?yàn)榧淄槭且环N強(qiáng)大的溫室氣體。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的數(shù)據(jù)，雖然甲烷在大氣中最多能停留十至二十年，但是在長達(dá)二十年的時(shí)間內(nèi)，甲烷能夠制造的溫室效應(yīng)相當(dāng)于二氧化碳的80倍。

因?yàn)檫@些特點(diǎn)，甲烷成為了一個(gè)應(yīng)對(duì)氣候變化的短期治理對(duì)象，美國加州大學(xué)戴維斯分校世界糧食中心的主任、動(dòng)物科學(xué)家Ermias Kebreab說。盡管長期的工作重點(diǎn)仍應(yīng)放在減少二氧化碳排放上，但其成效尚需一些時(shí)日才能夠顯現(xiàn)出來，因?yàn)槎趸继€(wěn)定了，以至于它能夠在大氣中停留數(shù)百年的時(shí)間?！安贿^減緩或減少甲烷排放的成效在一二十年內(nèi)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(yè)是一個(gè)好的治理起點(diǎn)。

減少排放的關(guān)鍵在于提升生產(chǎn)效率。Kebreab表示，有了優(yōu)秀的基因和均衡的營養(yǎng)，畜牧動(dòng)物的生產(chǎn)效率——即每公斤飼料可產(chǎn)出的動(dòng)物蛋白（奶或肉）就可提高。Kebreab舉了一個(gè)例子：低收入國家的奶牛每頭每天產(chǎn)奶約4-5千克，但如果將它們與因高產(chǎn)奶量而聞名的荷斯坦奶牛雜交，便可以得到20千克的日產(chǎn)奶量，同時(shí)又能保留本地牛品種的一些其它優(yōu)勢(shì)。確實(shí)，在最近的五十年中，對(duì)于奶牛品種選育和飼料質(zhì)量的關(guān)注，使得在美國生產(chǎn)一升牛奶的甲烷排放量降低為之前的50%?，F(xiàn)在，奶牛的數(shù)量比半個(gè)世紀(jì)前的要少，但每一頭牛產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的牛奶總產(chǎn)量、每頭奶牛產(chǎn)奶量、奶?？倲?shù)，牛奶場(chǎng)以及生產(chǎn)每公斤牛奶的所產(chǎn)生的甲烷變化趨勢(shì)。

海藻補(bǔ)充劑

圖2 換個(gè)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(xué)戴維斯分校Ermias Kebreab（左圖）的一個(gè)研究項(xiàng)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(fā)為牲畜飼料的添加劑。他和同事們的研究發(fā)現(xiàn)，向牛飼料中添加不同種類的海藻能夠減少多達(dá)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(huì)進(jìn)行凍干處理，以使其中的有效成分保持穩(wěn)定。然后就把它們研磨成粉，再加入飼料之中?！?/span>

添加進(jìn)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(yīng)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(zhì)也被發(fā)現(xiàn)有相似的作用——瑞士的Mootral農(nóng)業(yè)技術(shù)公司表示，他們以大蒜為原料生產(chǎn)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(gè)叫做 “GreenFeed”（綠色飼料） 的系統(tǒng)來測(cè)量奶牛嗝出的甲烷量。這個(gè)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(jìn)食的時(shí)候分別監(jiān)測(cè)其吸入和嗝出的氣體成分。也有其它用來測(cè)量動(dòng)物個(gè)體氣體排放的裝置，例如能容納一頭實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的呼吸室和輕便的手持光譜儀。這些測(cè)量系統(tǒng)在準(zhǔn)確性上和GreenFeed不分彼此，但用來逐一測(cè)量大量動(dòng)物時(shí)，就使得過程變得十分耗時(shí)而昂貴。

為了解決這個(gè)問題，動(dòng)物科學(xué)家使用建模的方法，先分別測(cè)量不同飼料喂養(yǎng)狀態(tài)下的少量實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的排放數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)模擬出一個(gè)畜群的模型。不過，研究者們近來正在更多地探索能夠?qū)嶋H測(cè)量整個(gè)畜群排放的方法——畢竟奶牛個(gè)體之間的排放差異時(shí)有懸殊。況且，這樣的大尺度測(cè)量結(jié)果還能幫助修正那些根據(jù)少數(shù)動(dòng)物個(gè)體的排放數(shù)據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型。

圖3 無人機(jī)測(cè)量（圖源：Grant Allen）

曼徹斯特大學(xué)的Grant Allen使用的無人機(jī)通過管子與地面上的光譜儀相連。無人機(jī)完成了22次點(diǎn)排放源下風(fēng)口處的對(duì)照組測(cè)量，負(fù)責(zé)模擬點(diǎn)排放源的是一個(gè)人為控制的圓柱形裝置，帶有一臺(tái)流量計(jì)。

在英國，Allen的每架無人機(jī)都通過一根150米長的管子與地面相連。當(dāng)無人機(jī)在甲烷排放源的下風(fēng)口飛行時(shí)，它們會(huì)通過管子向地面上輸送空氣，這些空氣會(huì)通過一臺(tái)光譜儀，空氣的成分便能夠被儀器分析出來[1]?！皽y(cè)量在地面上進(jìn)行，但我們測(cè)量的空氣樣本是從無人機(jī)所在的高度傳送下來的，”Allen解釋說。

為了檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)確地測(cè)量甲烷排放的通量，Allen和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)照，即一個(gè)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(duì)負(fù)責(zé)操縱無人機(jī)、分析數(shù)據(jù)和計(jì)算甲烷排放量的團(tuán)隊(duì)成員嚴(yán)格保密。令人高興的是，對(duì)照組的測(cè)量結(jié)果與已知的甲烷排放數(shù)據(jù)有不錯(cuò)的相關(guān)度，不過要達(dá)到準(zhǔn)確的結(jié)果，仍然需要長達(dá)幾個(gè)小時(shí)的多次空中測(cè)量。

一群牛還是一頭牛

英國諾丁漢大學(xué)乳品科學(xué)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(gè)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(nèi)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(huì)恢復(fù)原狀，” Garnsworthy說。

“一頭奶牛能夠控制她瘤胃里的微生物。當(dāng)我們選育低甲烷排放的奶牛品種時(shí)，我們其實(shí)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(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，這種方式對(duì)于測(cè)量大尺度上的甲烷排放是不現(xiàn)實(shí)的，Garnsworthy說道。這是因?yàn)橐云贩N選育為目的進(jìn)行奶牛甲烷排放的測(cè)量時(shí)，被測(cè)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(cè)量結(jié)果。

在諾丁漢大學(xué)的這項(xiàng)研究中，給奶牛擠奶是由機(jī)器完成的。這些奶牛每頭都佩戴了有身份識(shí)別功能的芯片，每天被擠奶三次并同時(shí)被喂食飼料。為了獲取每頭實(shí)驗(yàn)?zāi)膛５拈L期甲烷排放數(shù)據(jù)，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(tái)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(gè)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(shí)奶牛每分鐘呼吸不止一次——原來它是在嗝出甲烷?！?/span>

研究者們發(fā)現(xiàn)這種測(cè)量方式獲得的數(shù)據(jù)與呼吸室的測(cè)量結(jié)果是有可比性的[2]。Garnsworthy提到，也有些領(lǐng)域同行覺得他的方法 “很垃圾”，說這并不像呼吸室之類的測(cè)量方法那樣準(zhǔn)確。不過他堅(jiān)持認(rèn)為這些其它的測(cè)量方法并不是在正常的商業(yè)化條件下對(duì)奶牛進(jìn)行測(cè)量的。

“有人說我們的測(cè)量技術(shù)太不穩(wěn)定，以至于對(duì)每頭奶牛來說，結(jié)果并不準(zhǔn)確。但我們可以做到進(jìn)行數(shù)千次的測(cè)量，從而獲得一個(gè)相當(dāng)精確的平均值，” 他解釋說。并且因?yàn)檫@個(gè)方法會(huì)測(cè)量到所有涉及的實(shí)驗(yàn)?zāi)膛?，個(gè)體的數(shù)值就能夠被合并成整個(gè)牛群的甲烷排放。這便于研究者比較來自不同農(nóng)場(chǎng)或牛群的排放數(shù)據(jù)，而無需逐一去測(cè)量每頭奶牛。

但是，Garnsworthy也謹(jǐn)慎地提醒道，若要以品種選育或進(jìn)行營養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)為目進(jìn)行測(cè)量時(shí)，仍應(yīng)以實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的個(gè)體作為觀察單位?！斑@都得看你要用測(cè)量數(shù)據(jù)做什么研究?！?/span>

在世界的其它地方，研究者們所關(guān)注的是能夠長時(shí)間，甚至持續(xù)監(jiān)測(cè)牛群甲烷排放的系統(tǒng)。一個(gè)選項(xiàng)是使用點(diǎn)光源的激光，在牧場(chǎng)上布下縱橫交錯(cuò)的激光陣來測(cè)量牛群的甲烷排放。2014年，美國農(nóng)業(yè)部的Richard Todd和他的同事們使用這種光譜分析技術(shù)和上文提到的GreenFeed呼吸氣體分析系統(tǒng)，測(cè)量了俄克拉荷馬州草原上26公頃牧場(chǎng)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(gè)牧場(chǎng)區(qū)域，而奶牛們也被一一配置了GPS項(xiàng)圈來追蹤它們的位置。

天氣狀況數(shù)據(jù)和同步的位置信息，使研究者們能夠準(zhǔn)確地測(cè)量上下風(fēng)口的甲烷氣體濃度，從而監(jiān)測(cè)每頭奶牛的排放狀況。他們發(fā)現(xiàn)激光陣的測(cè)量結(jié)果與GreenFeed系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是大致可比的，不過開路式激光探測(cè)器常常高估了排放量，而GreenFeed系統(tǒng)則傾向于低估了數(shù)據(jù)。

靈敏的測(cè)量裝置

其他科學(xué)家正著眼于更加精密的測(cè)量技術(shù)。2019年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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(cè)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(fā)生器能夠發(fā)射出一道超短且密集的光脈沖，且光頻橫跨數(shù)百萬個(gè)頻率峰。因?yàn)槊}沖的頻率固定而短促，每個(gè)頻率峰看起來就像是一個(gè)梳齒，頻率梳因此得名。這些激光脈沖起到標(biāo)記的作用，使接收器能夠記錄到激光所通過的任何物質(zhì)的光譜特征，并且極其精確。雙頻率梳即是將兩個(gè)梳齒距離稍有不同的的頻率梳一起使用，相當(dāng)于數(shù)十萬個(gè)激光光譜儀同時(shí)工作，這樣就有了一個(gè)更加靈敏的測(cè)量裝置。

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

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的Daniel Herman與研究者們使用了一個(gè)可移動(dòng)的雙頻率梳激光光譜儀來測(cè)量奶牛的氣體排放。光譜儀被放置在一個(gè)由回射鏡面排成的圓形的圓心處，光譜儀發(fā)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(cè)量所得的數(shù)據(jù)被用來鑒定泄露的微量氣體（包括甲烷），泄露地點(diǎn)和速率。

2018年，由物理學(xué)家Ian Coddington領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的團(tuán)隊(duì)早已證實(shí)，便攜的雙頻率梳能夠用來檢測(cè)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(yàn)中，Coddington的團(tuán)隊(duì)能夠在距排放源一公里處檢測(cè)出每分鐘1.6克的甲烷排放（圖2）。Herman和同事們?cè)谝惶幦τ屑s400頭奶牛的飼養(yǎng)場(chǎng)的兩側(cè)使用了兩個(gè)雙頻率梳，分別設(shè)置在上風(fēng)口和下風(fēng)口處，來測(cè)量流入和流出畜欄的空氣中的氣體成分。下風(fēng)口處的測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)和無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)其實(shí)各有利弊。雖然固定不動(dòng)的裝置能夠持續(xù)地監(jiān)測(cè)排放狀況，但它們往往要求測(cè)量環(huán)境中的風(fēng)向固定，所以當(dāng)無風(fēng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很多無法準(zhǔn)確記錄排放數(shù)據(jù)的時(shí)間盲區(qū)。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(huì)錯(cuò)過這些甲烷，但無人機(jī)就能覆蓋到這些垂直方向上的氣體擴(kuò)散，并能根據(jù)風(fēng)向靈活調(diào)整測(cè)量位置，卻有價(jià)格昂貴、需要人為調(diào)控和單次起飛的監(jiān)測(cè)時(shí)間短的缺點(diǎn)。

不過，飛機(jī)也能夠用來測(cè)量甲烷排放——這是加拿大農(nóng)業(yè)與食品學(xué)會(huì)的大氣科學(xué)家 Ray Desjardins 過去數(shù)十年的研究方向。他解釋說，飛機(jī)上搭載的設(shè)備每二十秒鐘可測(cè)量空氣中不同氣體成分的含量，以及空氣的垂直移動(dòng)狀況。

“如果在上升和下降的空氣中出現(xiàn)某種氣體含量的不同，就能夠以此計(jì)算出這種氣體的排放量，” 他說。但是，基于飛機(jī)的測(cè)量方法可能無法精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)一個(gè)特定的排放源。Desjardins最近的工作成果顯示，農(nóng)業(yè)活動(dòng)，尤其是畜牧業(yè)的甲烷排放，其測(cè)量結(jié)果在測(cè)量地區(qū)的濕地面積少于10%時(shí)會(huì)準(zhǔn)確得多 [5]。

Desjardins說，飛機(jī)常被用于檢查農(nóng)場(chǎng)的溫室氣體排放清單是否準(zhǔn)確無誤?！澳壳盀橹?，這是這種測(cè)量技術(shù)的主要用途?！?不過他表示，最終這種技術(shù)有可能會(huì)發(fā)展成為一種表彰機(jī)制，用來獎(jiǎng)勵(lì)采取了緩解溫室氣體排放的經(jīng)營措施的農(nóng)戶。“它可以用來核實(shí)農(nóng)戶們是不是說到做到了，還是在說一套做一套?！?/span>

Kebreab也認(rèn)為獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制能夠激勵(lì)農(nóng)戶去削減農(nóng)場(chǎng)的甲烷排放，因?yàn)闇p排措施可能會(huì)相當(dāng)昂貴，使農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)狀況雪上加霜。

“建立一些機(jī)制來幫助他們收回花在減排技術(shù)上的費(fèi)用將是非常有益的，” 他總結(jié)道，“如果這些技術(shù)能夠激發(fā)大家提高產(chǎn)能，那就會(huì)是一個(gè)雙贏的局面?！?nbsp;

原文鏈接：

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

▲ 本文為Physics World 專欄的第40篇文章。