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用于评估深床畜粪排放臭气与气体浓度的实验室规模模型

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DOI：

10.3791/57332

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2018年7月19日

1USDA ARS U.S. Meat Animal Research Center

本文内容

摘要

已开发出一种用于测量实验室规模垫料式粪便堆中气体、气味和营养成分的方案，该方案可用于研究如何利用深垫料式粪便堆改善商业养牛场的空气质量。

摘要

开发了一种实验室规模的模拟层状垫料模型，用于研究牛舍单坡面设施中深层垫料的空气质量与养分组成。该方案已被有效用于评估多种不同垫料材料、环境变量（温度、湿度）以及可能改善商业化深层垫料单坡面设施空气质量的潜在缓解措施。该模型具有动态性，使研究人员能够方便地从垫料中采集多种化学和物理参数。在六至七周内进行的每周测量，足以观察垫料成熟过程中空气质量指标随时间发生的变化。从模拟垫料中获得的数据浓度范围与先前在商业化深层垫料单坡面设施中测得的结果一致。以往研究表明，每种处理设置8至10个实验单元足以检测模拟垫料之间的统计学差异。垫料维护简便，每周每个垫料单元添加尿液、粪便和垫料所需人工不到10分钟。使用气体采样系统进行样品采集时，每个垫料单元需20至30分钟，具体时间取决于所采集的测量项目。采用实验室规模的垫料模型，研究人员可控制温度、湿度和垫料来源等变量，而这些变量在实际科研或商业设施中往往难以甚至无法控制。尽管该模型并非对"真实世界"条件的完美模拟，但模拟垫料仍为研究人员提供了一个良好的模型，可用于考察不同垫料处理间的差异。可在开展大规模科研或商业化设施试验前，先通过多项实验室规模研究筛选排除无效处理方案。

引言

在中西部和上大平原地区，肉牛集约化饲养设施是一种受欢迎的畜舍选择。由于该地区年降水量较高，会产生更多的 feedlot 径流，需要加以控制，因此集约化饲养设施在此区域比在南部大平原更为普遍。许多生产者选择建造单坡式牛舍用于饲养肉牛。生产者选择单坡式牛舍的主要原因包括能够灵活安排劳动力和清粪时间，以及相比开放式 feedlot 具有更优的生产性能1。使用单坡式牛舍的大多数肉牛生产者（72.2%）会为一批或更多批次的牛维持垫料层，采用深垫料管理系统来管理垫料和粪便废弃物1。最常用的垫料材料是玉米秸秆，尽管生产者也报告使用大豆残茬、小麦秸秆、玉米穗轴和锯末作为垫料1。由于该地区对玉米秸秆垫料的需求较高，许多生产者对可用于单坡式牛舍的替代性垫料材料表现出兴趣。除了经济成本和动物舒适度外，生产者还关注垫料材料对畜舍环境的影响，包括恶臭气体的产生、最终粪便/垫料混合物的养分组成以及病原微生物的存在情况。

关于不同畜禽舍垫料材料对空气质量影响的研究较少，且大多数研究仅关注氨气。以往大多数空气质量评估均采用田间数据收集方法，每次分析每个处理组仅使用一个或两个试验单元2,3,4,5。由于试验单元数量有限，研究需重复多次，从而引入了额外的变量，如天气条件、动物的年龄或生产阶段，以及可能来自不同生长季节的垫料材料。

由于目前尚无可用于研究影响肉牛深床单坡面设施中粪便/垫料混合物空气质量及养分组成的因素的实验室规模模型，研究人员最初尝试利用采用深床系统的商业牛场设施6,7,8。在为期18个月的时间内，使用静态通量箱法测量了单坡面深床牛舍表面的NH3浓度6。每栋牛舍中的两个栏位被用于测量。 chopped corn stalks 是首选的垫料材料，但在项目短暂期间也使用了小麦秸秆和大豆秸秆作为垫料。垫料使用量为每头动物每天1.95–3.37 kg，栏位密度为每头动物3.22–6.13 m2。后续研究测定了牛舍排放的氨和硫化氢7，以及牛舍外部的颗粒物浓度8。这些研究在两年内于两到四个牛舍地点进行。田间数据采集的主要挑战在于研究者对系统缺乏控制。生产者会改变牛只饲料、在栏间转移动物、使用不同来源的垫料材料，并根据其生产和劳动力情况清理和重新铺设垫料，从而导致多个变量混杂。田间研究还涉及差旅费用以及大量实验处理材料（如垫料材料）。本项目的目标是开发一种可用于研究影响牛只深床单坡面设施空气质量与养分管理因素的实验室规模模型。

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方案

本研究设计为期42天，每周进行一次数据采集。所有动物实验程序均经美国肉类动物研究中心机构动物照护与使用委员会审查并批准。

1. 构建模拟卧床垫料

  1. 使用高 0.42 m、直径 0.38 m 的塑料圆柱形容器。
    注意：本研究中使用了一种特定的 10 加仑商用垃圾桶（见材料表），但其他尺寸相似的塑料容器也可适用。
  2. 在每个塑料容器顶部下方约 5 cm 处，沿容器周长均匀钻出六个直径为 1 cm 的孔。清除容器内残留的塑料碎屑。
  3. 将塑料容器去皮并记录其质量于容器侧壁。使用天平称取 320 g 所选垫料放入称量盘中，并将垫料加入塑料容器中。
    注意：任何被认为适用于畜禽设施的垫料均可使用9,10,11,12,13,14,15。在上大平原地区模拟深床式牛舍时，玉米秸秆被认为是最常见的垫料1，但大豆秸秆、小麦秸秆和木屑也已被使用1。若使用该系统模拟深床式猪舍或奶牛舍，小麦秸秆、大麦秸秆、燕麦秸秆、干草、木刨花、木屑、锯末、报纸、玉米芯、大豆残茬、稻壳或沙子可能更为合适16,17,18。
  4. 使用天平在塑料平板上称取 320 g 新鲜牛粪，并加入塑料容器中。
    注意：尿液和粪便的采集与保存方法如前所述11。
  5. 用 1000 mL 量筒量取 320 mL 新鲜牛尿，倒入塑料容器中。使用搅拌棒（周长 5.08 cm）轻轻搅拌垫料混合物 30 秒。
    注意：本实验中使用的是末端带塑料包覆的空心钢棒，但也可使用其他类型的搅拌棒。
  6. 每次处理不同垫料堆后，使用一次性消毒湿巾清洁搅拌棒末端，以防止微生物交叉污染。
    注意：也可使用一桶温肥皂水清洗搅拌棒。此外，可用橡皮筋将塑料三明治袋固定在搅拌棒末端，并在每次处理后更换，以防止交叉污染。
  7. 称量并记录垫料混合物的最终质量。将塑料容器置于环境舱19中，设定环境温度为 18 - 20 °C，露点为 12 °C。

2. 维持模拟卧床垫料

  1. 在添加粪便和尿液前 48 小时，将冷冻的粪便和尿液从冰箱中取出，在室温（20 - 25 °C）下自然解冻。
  2. 在将尿液加入垫料堆前不到一小时内，测定尿液的 pH 值。
  3. 穿戴处理 6 M NaOH 所需的适当个人防护装备（手套、护目镜）。
  4. 将 25 mL 的 6 M 氢氧化钠（NaOH）倒入量筒中。搅拌混合物，然后使用 pH 探针检测 pH 值。重复此操作，直至尿液 pH 值达到生理 pH 值 7.420。
  5. 调整尿液 pH 值后，若暂时不使用，应盖紧尿液容器盖子，以防止尿液中的氮挥发。
  6. 称量并记录垫料堆的质量。若当天需添加新鲜垫料，则使用天平称取 320 g 所选垫料材料至铝盘中，并将垫料材料加入相应的垫料堆中。若当天不添加垫料，则继续进行步骤 2.7。
  7. 使用天平在塑料板上称取 320 g 解冻后的牛粪，并加入垫料堆中。
    注意：第 21 天应使用新鲜粪便，而非解冻粪便。
  8. 使用 1000 mL 量筒量取 320 mL 解冻后的牛尿，倒入垫料堆中。
    注意：第 21 天应使用新鲜尿液，而非解冻尿液。
  9. 使用搅拌棒将垫料混合物轻轻搅拌 30 秒。每次在不同垫料堆之间操作时，需清洁搅拌棒的塑料端部，以防止微生物交叉污染。称量并记录垫料混合物的最终质量。
  10. 将塑料容器放回环境舱中。
  11. 每周一、周三和周五重复步骤 2.1 - 2.10，每周三添加垫料材料（步骤 2.6）并采集空气样品。

3. 从模拟卧床垫料中采集样品

注意：在添加粪便、尿液和新鲜垫料之前，每周从模拟卧床垫料中采集一次样品。

  1. 准备采集每个模拟垫料床顶部空间的空气样本。
    1. 打开所有空气采样设备，并根据制造商说明进行约1小时的预热。
      注意：参见 材料表 用于氨（NH₃）3），硫化氢（H₂S2S）、甲烷（CH4），一氧化二氮（N₂O）2O）和二氧化碳（CO2本研究中使用的气体分析仪。
    2. 使用直尺测量模拟垫料堆顶部到盛放该模拟垫料堆的塑料容器顶部之间的距离。
    3. 使用以下公式计算顶空区域的体积：
      通量室体积计算公式；方程 V=πr²h+V_flux chamber；几何分析
      其中 r = 塑料容器的半径，
      h = 从垫料顶部到塑料容器顶部的距离，以及
      V通量室 = 位于塑料容器顶部的通量室体积。
      注意：本研究中使用的通量室内部体积为 0.007m³。3 表面积为0.064 m²21,22.
    4. 将一根约5 cm长的金属桩插入垫料堆中部表面。将直径0.64 cm的惰性管穿过每个模拟垫料堆容器顶部的1 cm孔洞，并固定在高出垫料表面1.3 cm处的12.5 cm金属桩上。放置不锈钢半球形静态通量箱21,22 在每个模拟卧床垫料上方安装橡胶裙边（图1).
      注意：橡胶裙为边长61 cm的正方形，由柔软、有弹性的橡胶制成，中心切割有直径22.9 cm的圆孔。该圆孔可套在通量室上，当橡胶裙放置在塑料容器顶部时，可与容器形成密封。
    5. 使用惰性压缩接头将0.64 cm惰性管连接到通量室。
      注意：惰性管路连接至气体采样总管，进而接入空气采样设备。气体采样系统由一个24伏可编程逻辑继电器控制（见 材料表）该信号控制多位置三位电磁阀，以依次开启和关闭气体采样歧管上的八条进气管路之一。每次仅开启一条管路，以便对每个垫料床的空气进行单独采样。
    6. 以5 L/min的速率通过管路开始冲洗室内的环境空气-1 30分钟。
      注意：参见 材料表 用于通过样品管路冲洗空气的泵。
  2. 测定模拟垫料堆顶部空间中氨、二氧化碳、甲烷和硫化氢的浓度。
    1. 在充分冲洗模拟的填料床后，打开采样管路上的旋塞，使环境空气进入与气体采样歧管相连的惰性采样管路中。
    2. 启动可编程逻辑继电器，开始将空气抽入空气采样设备。记录环境空气中的测量数据，持续20分钟，以确定所测气体在环境空气中的浓度。该数据将作为空气本底浓度。完成环境空气浓度采集后，关闭采样管路上的旋塞阀。
    3. 启动可编程逻辑继电器，开始从连接至每个通量室的惰性样品管路中采集空气。记录每条样品管路20分钟内的测量数据，以确定各垫料床表层空间中目标气体的浓度。
    4. 结果可以报告为气体（NH₃）的平均浓度3, CO2，N2O, CH4，H2S) 在空气样品中的含量（mg kg-1 或 ppm），或可使用以下公式基于单位面积单位时间的质量计算该气体的通量密度（排放速率）：
      空气过滤方程 J=QC_air/A。用于计算通过过滤表面的通量的公式。
      其中 J = 通量在 µg m-2 分钟-1,
      A = 源面积（m²）2) 在腔室内
      Q 扫气流速 m3 分钟-1，以及
      C空气 = 离开腔室的挥发性有机化合物浓度（VOC 浓度）µg m-3)23.
  3. 测量模拟垫料系统顶空中臭味挥发性有机化合物的浓度。
    1. 戴上一次性乳胶或丁腈手套。
    2. 充分冲洗模拟的填充床后，从预处理的不锈钢吸附管上取下黄铜储存帽。
      注意：本研究中使用的吸附管为89 mm × 6.4 mm外径，内填Tenax TA吸附剂（参见 材料表）。黄铜帽带有聚四氟乙烯（PTFE）衬管。
    3. 将吸附管的划痕端通过柔性橡胶管连接至通量室的进气口，吸附管的另一端连接至真空泵。
      注意：本研究中使用的真空泵（参见 材料表以75 mL/min的流速将空气抽过吸附管-1.
    4. 让泵将空气抽入吸附管中5分钟，采样体积为0.375 L，然后关闭泵并断开吸附管。在吸附管两端重新装上黄铜储存帽。
    5. 重复步骤 3.3.1 - 3.3.4，为每个铺垫料区域收集一根吸附管。
    6. 将吸附管储存至热脱附-气相色谱-质谱法（TD-GC-MS）分析。吸附管可在室温（20 - 25 ˚C）下储存 <24 小时。若需储存 >24 h，置于冰箱中保存。
    7. 在使用热脱附-气相色谱-质谱（TD-GC-MS）系统进行样品分析前，立即取下吸附管上的黄铜储存盖，并更换为聚四氟乙烯（PTFE）分析盖。23.
    8. 分析吸附管中的挥发性有机化合物24 （乙酸、丁酸、丙酸、异丁酸、异戊酸、戊酸、己酸、庚酸、苯酚、对甲酚、吲哚、粪臭素、二甲基二硫醚和二甲基三硫醚）采用热脱附-气相色谱-质谱法（TD-GC-MS）23,24,25.
    9. 结果可以报告为环境样本中挥发性有机化合物（VOC）的浓度（µg m-3)，或可使用以下公式基于单位面积单位时间的质量计算挥发性有机化合物的通量密度（排放速率）：
      空气过滤方程 J=QC_air/A。用于计算通过过滤表面的通量的公式。
      其中 J = 通量在 µg m-2 分钟-1,
      A = 源面积（m²）2) 在腔室内
      Q = 扫气流速 m3 分钟-1，以及
      C空气= 离开腔室的挥发性有机化合物浓度（VOC 浓度）µg m-3)23.
  4. 采集模拟卧床垫料的物理和化学指标。
    注意：每次向模拟垫料中添加额外材料时，均需测量温度、pH值和蒸发性水分损失。营养成分在第0天和第42天测定，自由空气空间仅在第42天测定。
    1. 将温度探针插入垫料底部中心位置，深度约为模拟垫料表面以下7.6 cm处，测定垫料温度。待温度稳定后记录读数。
    2. 测定估算的蒸发性水分流失
      1. 将塑料容器放在天平上。
      2. 测量并记录每次向模拟垫料床添加粪便/尿液/垫料前后模拟垫料床的质量。
      3. 通过用前一天结束时的质量减去当天开始时的质量，计算估算的蒸发失水量。该差值即为估算的垫料床在两天之间蒸发的水的质量，可用于比较不同垫料床之间的相对差异，但不能反映绝对损失量。
    3. 测定模拟卧床垫料的pH值
      1. 从每个模拟垫料堆的中心位置、距垫料表面约7.6 cm深度处，采集具有代表性的5–10 g样品。将样品放入塑料50 mL锥形管中，盖紧管盖并标记。
      2. 使用pH 4和pH 7缓冲液，按照制造商说明校准pH计。
      3. 测定每个锥形瓶的质量。
      4. 将每个样品按质量以1:2的比例用蒸馏去离子水稀释。振荡锥形瓶，使水与垫料充分混合。将pH探头插入锥形瓶中，测定并记录样品的pH值。
    4. 仅在第0天和第42天测定模拟垫料区的养分含量。
      1. 从每个模拟垫料堆的中心位置、距垫料表面约7.6 cm深度处采集50 g具有代表性的样品。将样品放入纸质土壤样品袋中。
      2. 24小时内将样品运送至实验室进行营养成分分析。在运送至实验室进行营养成分分析前，样品应冷藏保存。
        注意：可分析任何宏量或微量营养元素。我们分析总氮含量26，磷和硫分析27 在商业实验室中。
    5. 第42天仅测定模拟卧床垫料中的自由空气空间。
      1. 将塑料容器放在天平上并记录质量。缓慢加水，直至水面与模拟垫料层表面齐平。待水静置，直至模拟垫料层不再有气泡冒出，然后记录塑料容器的质量。
      2. 使用以下计算方法确定自由空气空间的百分比：
        自由空气空间计算公式：(加入水的质量 / 总质量) × 100%，方程。
  5. 在完成所有所需的数据采集步骤（步骤 3.1 - 3.4）后，按照步骤 2.1 - 2.10 将粪便、尿液和垫料添加到模拟垫料堆中。

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结果

迄今为止，已有七项研究采用该方法并进行了修改和调整，以改进模型并适应特定实验的目标9,10,11,12,13,14,15。该方法已被用于评估多种垫料材料和环境温度对臭气和气体排放的影响，以及可用于控制氨气排放的添加剂。垫料堆积物的化学和物理特性已在商业牛舍6,28和模拟垫料堆积物中进行测定（表1）。这些数据被用于判断该方案是否适合作为昂贵的田间试验研究的补充模型。...

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讨论

频繁地向垫料中添加尿液和粪便是关键步骤。我们曾尝试每周仅添加一次尿液和粪便，但发现垫料表面会形成硬壳，导致气体被困在垫料内部，无法代表商业化养殖场的真实情况。在试验开始时使用新鲜粪便，可确保垫料被牛场中常见的细菌群落定植。此外，在添加尿液时，必须注意在加入垫料前将尿液pH调节至生理pH值。曾有一次操作失误，将低pH的尿液加入垫料中，结果导致产甲烷菌群死亡。在安装气体采样系统时，所有接头都必须牢固连接，以防止泄漏，避免影响气体测定结果的准确性。

自首次开发以来，该实验方案已进行了改进。将静态通量室改进为动态通量室，使研究人员能够计算气体排放量，而不仅仅是顶空气体中的浓度。新型动态气体采样系统的应用还使得采样工作可由一人完成，而无需原先所需的两到三人为数据采集工作协作。

可对模拟垫料堆进行调整，以评估养猪场或奶牛场中使用的垫料材料或除臭添加剂。需要进行调整以确定养猪场或奶牛场中典型的垫料与粪便比例。已发表的文献应提供商业化养猪场或奶牛场的干物质和养分组成预期值，这有助于估算所需垫料、粪便和尿液的量，从而调整模拟垫料堆方案以代表养猪...

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披露

本研究由美国农业部农业研究局的联邦拨款资助，研究项目编号为3040-41630-001-00D。

本文提及的商标名称或商业产品仅为提供具体信息之目的，并不意味着美国农业部（USDA）推荐或认可这些产品。

美国农业部是一个提供平等机会的机构和雇主。

致谢

作者希望感谢 Alan Kruger、Todd Boman、Shannon Ostdiek、Elaine Berry 和 Ferouz Ayadi，他们在使用模拟卧床垫料进行数据采集过程中提供了帮助。作者还感谢 Tami Brown-Brandl 和 Dale Janssen 在环境控制室维护方面提供的协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10加仑塑料圆筒容器Rubbermaid型号 2610其他尺寸相近的塑料容器也可适用
质量天平任意品牌可精确称量至0.1克
配备1厘米钻头的电钻任意品牌
甲烷分析仪Thermo Fisher Scientific型号 55i 甲烷/非甲烷分析仪
硫化氢分析仪Thermo Fisher Scientific型号 450i
氨气分析仪Thermo Fisher Scientific型号 17i
二氧化碳分析仪California Analytical型号 1412
氧化亚氮分析仪California Analytical型号 1412
可编程逻辑继电器TECO型号 SG2-020VR-D
不锈钢通量箱任意品牌根据 Woodbury 等人（2006）列出的零件清单和制作说明进行构建
橡胶裙边任意品牌由柔性橡胶材料制成，裁剪为61 cm × 61 cm的正方形，中心开有直径22.9 cm的圆孔。 
pH计Spectrum TechnologiesIQ150
温度计Spectrum TechnologiesIQ150
直尺或卷尺任意品牌可测量厘米单位
吸附管Markes InternationalTenax TA
便携式采样泵SKC Inc.210系列
惰性采样管路Teflon直径0.64 cm
泵Thomas107系列用于冲洗采样管路中的空气

参考文献

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