賈 鵬 董利鋒 屠 焰 刁其玉*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，奶牛營養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730020)

1999—2006年，全球范圍內(nèi)大氣中的甲烷摩爾比例相對穩(wěn)定，但從2006年開始，大氣中甲烷(CH4)的比例以每年4～12 nmol/mol的速率持續(xù)增加。對環(huán)境中CH4進(jìn)行同位素分析表明，2006年以后CH4排放量增加的源頭主要為微生物源CH4。微生物源CH4由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生，可來自自然界和農(nóng)業(yè)，主要包括沼澤地、水稻田和畜牧業(yè)(反芻動(dòng)物)[1]。2016年，胃腸道CH4排放量為9 870萬t，乳制品行業(yè)是全球胃腸道CH4的主要生產(chǎn)行業(yè)，CH4排放量為1 860萬t[2]。反芻動(dòng)物尤其是奶牛將是研究重點(diǎn)，反芻動(dòng)物CH4的排放除了標(biāo)志著飼糧能量的損耗，也將加劇全球氣候變暖。在維持反芻動(dòng)物健康及其瘤胃正常發(fā)酵功能的前提下，降低動(dòng)物機(jī)體CH4排放量，既有利于提高飼糧能量利用，又有助于緩解全球氣候變暖。因此，越來越多的學(xué)者關(guān)注于反芻動(dòng)物CH4排放。

反芻動(dòng)物CH4排放量的檢測方法具有多種，適用范圍不同。檢測方法的選用是研究的基礎(chǔ)，關(guān)于反芻動(dòng)物CH4排放量檢測方法中的直接檢測方法已有報(bào)道[3]，本文將對間接測定方法進(jìn)行論述。

1 間接測定法

檢測方法可分為直接法和間接法。直接法主要包括呼吸代謝室法、SF6示蹤法和GreenFeed系統(tǒng)法。直接法具有測量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，呼吸代謝室法更是被作為“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。但直接測定法也具有弊端，如造價(jià)高、操作復(fù)雜等。間接法具有成本低、操作簡單、短時(shí)間內(nèi)可重復(fù)測量和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，因此間接法也是一種選擇，其主要分為二氧化碳(CO2)示蹤法、嗅探器法和激光檢測器法等。

1.1 CO2示蹤法

Madsen等[4]提出了用估算的CO2排放量和測量的呼出氣體中CH4∶CO2的比值來測算動(dòng)物CH4排放速率的方法。CO2的排放量可以基于能量代謝、產(chǎn)熱和呼吸熵或碳平衡來估算，呼出氣體中CH4∶CO2的比值可通過便攜式設(shè)備測量。計(jì)算公式為：

CH4(g/d)=CO2×([CH4]M-[CH4]BG/
([CO2]M-[CO2]BG)。

式中：CO2是估算的動(dòng)物生產(chǎn)量(g/d)；[CH4]M和[CO2]M分別為測定的呼出氣體樣品中CH4和CO2的濃度；[CH4]BG和[CO2]BG是背景空氣濃度。

表1 反芻動(dòng)物CH4排放量的間接測定方法及其應(yīng)用特點(diǎn)Table 1 Indirect methods of CH4 emission from ruminants and its application characteristics

CH4∶CO2比值對結(jié)果至關(guān)重要，CH4和CO2的排放量與干物質(zhì)采食量(DMI)密切相關(guān)。另外，動(dòng)物CO2的排放量即使在DMI相同的情況下，也會(huì)受到消化和代謝活動(dòng)變化以及飼料利用率差異和瘤胃發(fā)酵變化的影響[5]。因此，CO2示蹤法與GreenFeed法相同，應(yīng)當(dāng)有足夠的采樣次數(shù)和時(shí)間點(diǎn)。樣品氣體的來源(呼出氣體、直腸排氣、糞便或臥床墊料的發(fā)酵等)以及由于動(dòng)物活動(dòng)、飼糧顆粒大小、飼喂頻率相關(guān)的發(fā)酵速率的差異而導(dǎo)致的CH4∶CO2比值的日變化，都會(huì)影響此方法的準(zhǔn)確性[4]。

CH4∶CO2比值的應(yīng)用在某些方面與SF6示蹤法相似，但與SF6示蹤法相比，其示蹤氣體(CO2)的排放量為估算值，而SF6示蹤法采用瘤胃內(nèi)滲透管中的示蹤氣體(SF6)的釋放率為已知并經(jīng)校準(zhǔn)。另外，此方法估算的CO2產(chǎn)量只能代表某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并不是全天綜合測量。Haque等[6]分別用此方法估算和用呼吸室法測量的CO2產(chǎn)量計(jì)算CH4產(chǎn)量，結(jié)果表明，與呼吸室法相比，此方法的CH4產(chǎn)量的組間差異較小并改變了組間的顯著差異性。Hellwing等[7]將此方法與呼吸室法相比，此方法顯著低估了CH4的排放量(降低了17%)。需要改進(jìn)對動(dòng)物因素引起的CO2排放量的日變化的預(yù)測，以獲得更加準(zhǔn)確的個(gè)體動(dòng)物CH4排放量估算值。雖然CO2示蹤法不及“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的呼吸代謝室法準(zhǔn)確，但其操作簡單也不受場地限制，具有更強(qiáng)的靈活性。

1.2 嗅探器法

Garnsworthy等[8]提出了另一種間接法—嗅探器法，通過估算動(dòng)物的噯氣頻率和噯氣中的CH4含量，進(jìn)而算出CH4排放量。在自動(dòng)擠奶系統(tǒng)的喂料槽中安裝取樣口，每隔1 s對料槽空氣中的氣體濃度進(jìn)行連續(xù)取樣、分析和記錄。程序識別和量化CH4濃度峰值(噯氣)和峰值頻率(噯氣頻率)，計(jì)算每只動(dòng)物每次擠奶時(shí)的CH4排放速率(MER)，即每分鐘噯氣次數(shù)乘以噯氣峰面積。使用經(jīng)校準(zhǔn)的氣體釋放量，在每個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)估算噯氣稀釋率。計(jì)算公式如下：

CH4(mg/L)=(噯氣峰面積×噯氣頻率)×
稀釋因子[9]。

對于測量呼出氣體中氣體濃度的嗅探器技術(shù)，動(dòng)物頭部距采樣點(diǎn)的距離對CH4和CO2濃度的影響巨大。即使是頭部位置的微小變化也會(huì)在測量的氣體濃度上產(chǎn)生很大的差異，CH4濃度的變化與頭部移動(dòng)和位置的差異以及喂料槽幾何形狀產(chǎn)生的可變空氣混合狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，而不是CH4排放量[5]。Wu等[10]還提出了牛只呼氣速率之間的差異也可導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。呼出氣體中CH4濃度的重復(fù)性與每次擠奶過程中頭部位置和行為的重復(fù)性具有簡單的關(guān)聯(lián)性。比如測得牛只的CH4排放量較低，其實(shí)質(zhì)原因可能是牛只在擠奶過程中不安寧或者習(xí)慣將頭部遠(yuǎn)離采樣管。另外需要關(guān)注的是，單個(gè)牛只在每次擠奶時(shí)由于產(chǎn)奶量、胎次、同時(shí)擠奶的奶牛數(shù)量和社會(huì)優(yōu)勢等因素造成的行為差異，采食量和飼喂方式的差異[11]，以及采樣時(shí)間的差異，將影響結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。牛只呼出氣體中的CH4相對于CH4總產(chǎn)生量的比例，在動(dòng)物之間有一定的變化范圍，這也將對試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

有研究表明，同一動(dòng)物在牧場擠奶期間的MER與在呼吸室內(nèi)測得的每日總CH4排放量之間存在正相關(guān)關(guān)系[8]。但Huhtanen等[5]發(fā)現(xiàn)，在2項(xiàng)奶牛試驗(yàn)中其可變性均較大，并且與GreenFeed法的結(jié)果沒有相關(guān)性。Van Engelen等[12]在自動(dòng)擠奶系統(tǒng)中使用嗅探器法測出空氣中CH4∶CO2的比例平均值和變異系數(shù)分別比Aubry等[13]的結(jié)果高出約2倍和5倍，在生物學(xué)上都是不現(xiàn)實(shí)的，其原因有待進(jìn)一步探究。該方法遺漏了呼氣中的CH4排放量；另外，奶牛間CH4排放量的真實(shí)變化太小，嗅探器方法精度較低，所以需要進(jìn)一步改進(jìn)以得到可靠的測量值。但是嗅探器法在長時(shí)間條件下，只需較少的費(fèi)用就可進(jìn)行數(shù)百次的重復(fù)測量。

1.3 激光檢測器法

激光CH4檢測器基于CH4的紅外吸收光譜原理，在距動(dòng)物1～3 m內(nèi)，可以測量出裝置與動(dòng)物間的空氣中的CH4濃度。數(shù)據(jù)采集程序?yàn)檫B續(xù)2～4 min的短時(shí)間測量，結(jié)果由一系列代表動(dòng)物呼吸周期的峰值組成。僅使用由于呼氣或噯氣導(dǎo)致CH4濃度增加的峰值進(jìn)行分析，測量的氣體濃度根據(jù)采樣距離和背景濃度進(jìn)行調(diào)整[14]。

激光檢測器法沒有采集氣體樣品，而是對動(dòng)物呼吸的實(shí)時(shí)測定。結(jié)果為由于呼吸的生物力學(xué)和測量裝置的正常波動(dòng)而產(chǎn)生的自然波動(dòng)，波動(dòng)除了正常的呼吸周期外，還包括陣發(fā)性的反芻片段以及微小的波峰和波谷。呼吸周期從最大峰值中獲得，微小的波峰和波谷不會(huì)影響測量結(jié)果，完整呼吸周期內(nèi)的波動(dòng)可以用滾動(dòng)平均法或數(shù)據(jù)平滑方法來調(diào)整[15]。雖然激光檢測器法可以很容易地獲得CH4濃度的平均值，但為了改進(jìn)激光檢測器法數(shù)據(jù)與呼吸室數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，并提高檢測單個(gè)動(dòng)物之間CH4排放差異的技術(shù)靈敏度，需要將收集的數(shù)據(jù)分為呼氣和噯氣CH4[16]。可用每個(gè)測定周期的標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值，從而將反芻片段從呼吸周期中分離。風(fēng)向會(huì)影響測量結(jié)果，導(dǎo)致測量值由大到小的風(fēng)向分別為順風(fēng)、側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)，并且風(fēng)速與測量值呈顯著逆相關(guān)。

激光檢測器法與呼吸代謝室法之間只存在較弱的正相關(guān)關(guān)系[14,17]。其準(zhǔn)確性受溫度、風(fēng)速、濕度和鄰近動(dòng)物等因素的影響，并且研究人員需要頻繁地接觸動(dòng)物也將帶來差異。但是該方法不受頭部位置影響且測量速度快，可以在飼養(yǎng)場和大群試驗(yàn)動(dòng)物條件下應(yīng)用，只要?jiǎng)游锉３肿銐驎r(shí)間的靜止，在擠奶和采食等情況下均可測量。

2 間接預(yù)測CH4指標(biāo)

2.1 DMI

在全球網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中顯示，CH4預(yù)測模型中的變量越多，其結(jié)果越準(zhǔn)確。然而，僅含DMI的簡單預(yù)測模型與較復(fù)雜模型相比，預(yù)測能力無差異[均方根百分比誤差(RMSPE)=15.2%～21.4%][1]。因此，僅僅需要DMI就足以預(yù)測胃腸道CH4排放清單[18]。

Appuhamy等[19]使用包含實(shí)測的DMI和飼料特征屬性的數(shù)據(jù)評估了40個(gè)預(yù)測方程。然后再使用估測的DMI重新評估每個(gè)區(qū)域(北美、歐洲、澳大利亞和新西蘭)中表現(xiàn)最好的模型，并與使用實(shí)測DMI得到的預(yù)測值進(jìn)行比較。對于北美地區(qū)，DMI估測值可以一樣能夠很好地預(yù)測CH4排放量；對于歐洲，使用DMI估測值比DMI測量值能夠更好地預(yù)測CH4排放量；而對于澳大利亞和新西蘭，DMI估測值預(yù)測CH4排放量的效果不佳?？赡芤?yàn)轭A(yù)測模型是根據(jù)北美地區(qū)數(shù)據(jù)得到的，無法適用于澳大利亞和新西蘭采食牧草較多的放牧牛只。結(jié)果表明，只要能夠合理準(zhǔn)確地估測出DMI，將其帶入模型得出的CH4排放量與實(shí)測數(shù)據(jù)一樣準(zhǔn)確。

但是CH4排放量實(shí)測值與DMI之間的決定系數(shù)是高度可變的，受DMI數(shù)據(jù)值范圍和CH4排放量檢測方法等因素的影響。DMI數(shù)據(jù)值范圍方面，Charmley等[20]選擇來自澳大利亞的肉牛及奶牛共1 033個(gè)測量數(shù)值作為數(shù)據(jù)集，研究表明CH4排放量和DMI之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)DMI數(shù)據(jù)值范圍為2～28 kg/d時(shí)，截距接近于0；當(dāng)DMI數(shù)據(jù)值范圍縮小為>15 kg/d時(shí)，CH4排放量和DMI之間決定系數(shù)(R2)降低至0.41，RMSPE增加至68.2。DMI數(shù)據(jù)值范圍越廣，它們之間的關(guān)系越強(qiáng)[20-21]；DMI數(shù)據(jù)值范圍越窄，關(guān)系越弱[22]。CH4排放量檢測方法也會(huì)影響R2，Grainger等[23]對奶牛數(shù)據(jù)進(jìn)行了Meta分析，采用SF6技術(shù)測量的CH4排放量和DMI之間的R2=0.56，而采用呼吸測熱室測量的CH4排放量和DMI之間的R2=0.39。在Hristov等[22]的奶牛試驗(yàn)中表明，GreenFeed系統(tǒng)與SF6技術(shù)之間具有差異，得到的CH4排放量和DMI之間的R2分別為0.47和0.08。Niu等[24]年發(fā)現(xiàn)，與呼吸測熱室相比，采用GreenFeed系統(tǒng)與SF6技術(shù)得到的CH4排放量和DMI之間的相關(guān)性較弱。

2.2 CH4排放因子

目前，一些國家通常使用IPCC Tier 2方程來評估動(dòng)物胃腸道CH4排放量：

CH4=Ym×GEI。

式中：CH4是胃腸道CH4排放量，單位為MJ/(頭·d)；Ym為CH4轉(zhuǎn)換因子，定義為GEI的百分比。

雖然GE可以用氧彈法測定，但這種分析方法繁瑣。IPCC(1997)指南通過確定機(jī)體維持凈能來估算GEI，然后使用估算的能量消化率和可消化能量利用效率將其與DMI聯(lián)系起來。確定GEI和Ym所涉及的步驟在估算胃腸道CH4排放量時(shí)會(huì)引起誤差。將Ym作為恒定值是主要原因，因?yàn)樗S著DMI和DM消化率的變化而發(fā)生較大變化[20]，它可以是3%～10%的任意值[25]。飼糧質(zhì)量、生產(chǎn)水平(與DMI相關(guān))和飼糧結(jié)構(gòu)等因素均影響以CH4形式造成的能量損失比例[26-27]。因此，設(shè)定一個(gè)常數(shù)Ym可能會(huì)導(dǎo)致CH4排放量估算中相當(dāng)大的不確定性，特別是在具有不同生產(chǎn)系統(tǒng)的地區(qū)。如北美奶牛的平均Ym為5.4%～5.7%，歐洲Ym為6.0%～6.9%，澳大利亞和新西蘭該值(6.6%)更接近IPCC建議值[1]。近年來國內(nèi)已有相關(guān)研究，王貝等[28-29]試驗(yàn)表明，泌乳中期荷斯坦奶牛的Ym高于泌乳高峰期荷斯坦奶牛；董利鋒等[30]和李斌昌等[31]研究表明，飼糧結(jié)構(gòu)顯著影響荷斯坦泌乳后備牛的Ym。

因此，應(yīng)該在各個(gè)區(qū)域而不是全球的基礎(chǔ)上建立估算奶牛胃腸道CH4排放量的模型。

2.3 血液胰島素及乳中脂肪酸濃度

反芻動(dòng)物CH4排放量和血液代謝產(chǎn)物均受到飼糧類型和DMI的影響，所以CH4排放量和血液代謝產(chǎn)物之間可能存在某些相關(guān)性。在奶牛試驗(yàn)中表明，甲烷產(chǎn)量高組牛只與甲烷產(chǎn)量低組相比，其具有較高的血液胰島素濃度和較低的葡萄糖/胰島素比值[2]。在隨后的相關(guān)性分析中顯示，牛只CH4產(chǎn)量與血液胰島素濃度和葡萄糖/胰島素比值均具有中等強(qiáng)度的相關(guān)性，R2分別為0.54和0.52。研究證明，血液胰島素濃度具有作為奶牛CH4排放量標(biāo)志物的潛力，具體關(guān)系還有待進(jìn)一步探究。

瘤胃中的發(fā)酵還導(dǎo)致產(chǎn)生VFA，VFA是乳腺中合成短鏈和中鏈脂肪酸的前體物質(zhì)。此外，某些VFA(如乙酸或丁酸)產(chǎn)生途徑會(huì)導(dǎo)致氫氣(H2)的產(chǎn)生，而丙酸產(chǎn)生途徑會(huì)使用H2，產(chǎn)甲烷菌也會(huì)利用H2產(chǎn)生CH4。因此，瘤胃發(fā)酵和CH4生成與牛奶脂肪酸成分之間存在直接的相互作用。Van Lingen等[32]采用Meta分析法得出牛奶脂肪酸成分與瘤胃CH4排放量之間呈中等強(qiáng)度關(guān)系；Bougouin等[33]也使用Meta分析法，共搜集了來自5個(gè)國家825頭荷斯坦泌乳牛的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明牛奶中脂肪酸可以較好地預(yù)測CH4產(chǎn)量。

3 預(yù)測模型

測定反芻動(dòng)物CH4排放量，需要花費(fèi)大量的人力和物力，在生產(chǎn)實(shí)踐中也無法對所有動(dòng)物進(jìn)行測定，可通過CH4預(yù)測模型解決。預(yù)測模型是根據(jù)反芻動(dòng)物CH4排放量的實(shí)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法建立的統(tǒng)計(jì)模型?？偟膩碚f，胃腸道CH4預(yù)測模型是基于各種動(dòng)物或飼料的特征，但以某種形式受DMI支配[1]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測DMI是準(zhǔn)確預(yù)測反芻動(dòng)物CH4排放的關(guān)鍵。預(yù)測模型已被廣泛應(yīng)用于各種用途的CH4排放量估測，比如預(yù)測CH4排放清單，模型類型包括從簡單的排放因子和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷礁敿?xì)的機(jī)理模型。

3.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)大量的測量數(shù)據(jù)結(jié)合能量平衡的原理，建立在飼糧攝入量、飼糧成分和其他動(dòng)物因素與胃腸道CH4排放之間的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)上的。自Kris等[34]建立統(tǒng)計(jì)模型以來，已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢韵鄬θ菀椎貜挠^測數(shù)據(jù)中建立，并不需要輸入大量數(shù)據(jù)，所以常被用來估算全國或全球動(dòng)物胃腸道CH4排放量清單，以評估CH4對溫室氣體的作用。

Demarchi等[35]和顏志成等[36]分別在肉牛和奶牛上進(jìn)行了研究，用不同季節(jié)的DMI和CH4排放量建立了CH4預(yù)測模型，結(jié)果表明春季模型的R2均高于冬季。Demarchi等[35]模型：

春季CH4(g/d)=36.31×dDMI(kg/d)-
3.9(R2=0.92)；
冬季CH4(g/d)=18.11×dDMI(kg/d)+
53.64(R2=0.53)。

式中：dDMI為可消化的干物質(zhì)采食量。

顏志成等[36]模型：

CH4(g/d)=22.4×DMI(kg/d)+26.4(R2=0.90)；
CH4(g/d)=17.0×DMI(kg/d)+11.1(R2=0.30)。

使用DMI作為單一變量，忽略了飼糧的特性對動(dòng)物CH4排放量的影響。因此，Moe等[37]使用攝入飼糧的中性洗滌可溶物、纖維素和半纖維素含量與奶牛CH4排放量，攝入飼糧的瘤胃可消化的中性洗滌可溶物、纖維素和半纖維素含量與奶牛CH4排放量分別建立了預(yù)測模型。Moe等[37]模型：CH4(g/d)=61.7+9.25×NDS(kg/d)+48.0×Cel(kg/d)+31.5×Hemi(kg/d) (R2=0.67)；CH4(g/d)=33.3+20.7×dNDS(kg/d)+106×dCel(kg/d)+38.8×dHemi(kg/d)(R2=0.73)。

式中：NDS為中性洗滌可溶物；Cel為纖維素；Hemi為半纖維素；dNDS為瘤胃可消化的中性洗滌可溶物；dCel為瘤胃可消化的纖維素；dHemi為瘤胃可消化的半纖維素。

此后，馮仰廉[38]使用肉牛CH4排放量、粗飼料來源中性洗滌纖維和瘤胃可發(fā)酵有機(jī)物質(zhì)建立了預(yù)測模型，進(jìn)一步提高了R2(0.97)。馮仰廉[38]模型：

CH4(L)=0.297×FNDF(kg)+60.46×
FOM(kg)(R2=0.97)。

式中：FNDF為瘤胃可發(fā)酵中性洗滌纖維；FOM為瘤胃可發(fā)酵有機(jī)物。

在肉用綿羊上，周艷等[39]進(jìn)行了全面研究，對不同生長階段分別建立了一元和多元方程。生長早期分別為：

CH4(L/d)=-26.58×NFC/NDF+92.7
(R2=0.772)；
CH4(L/d)=2.71×DNDF-2.45×
DDM-0.97×DCP+124.46(R2=0.846)。

生長后期分別為：

CH4(L/d)=-57.00×GE(MJ/kg)+
1 076.0(R2=0.581)；
CH4/BW0.75(L/kg0.75)=-0.013×
NDFI(g/d)-0.13×CPI(g/d)+0.02×DMI(g/d)+
0.84(R2=0.652)。

生長期整體為：

CH4(L/d)=-26.94×NFC/NDF+90.71
(R2=0.655)；
CH4/BW0.75(L/kg0.75)=0.005×
DNDFI(g/d)+0.011×dDMI(g/d)-0.097×
DCPI(g/d)-4.78 (R2=0.722)。

理想的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yīng)該從包括1 000個(gè)以上動(dòng)物或處理組平均測量值中建立，并有影響動(dòng)物CH4排放量的飼糧和動(dòng)物信息。目前，CH4排放數(shù)據(jù)主要來自歐洲、北美、澳大利亞和新西蘭，全球數(shù)據(jù)來源并不均勻。

3.2 機(jī)理模型

與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，根?jù)營養(yǎng)代謝建立的機(jī)理模型數(shù)量有限，其通過預(yù)測動(dòng)物消化道的營養(yǎng)物質(zhì)吸收以及VFA產(chǎn)量，并且通過增加氫的計(jì)算來改善對胃腸道CH4排放量的預(yù)測。

機(jī)理模型預(yù)測CH4排放量的基本原理相似。均建立了瘤胃或后腸發(fā)酵過程中營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收、微生物生長和發(fā)酵的化學(xué)計(jì)量法，以確定VFA的類型和數(shù)量、產(chǎn)氫量以及最終的胃腸道CH4排放量。這些模型的主要區(qū)別在于所含微生物的數(shù)量、飼料的來源和顆粒度、生產(chǎn)VFA的底物以及VFA化學(xué)計(jì)量法。

在所有的模型中，CH4的排放量都是通過計(jì)算瘤胃中的氫平衡得出，并假設(shè)所有的氫都轉(zhuǎn)化為CH4。然而，由于飼糧成分的不同將造成動(dòng)物產(chǎn)氫量較大的差異，并且產(chǎn)氫量具有全天變化，在采食后不久即達(dá)到峰值。王榮等[40]的研究對此進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)VFA代謝產(chǎn)生的80%的氫用于CH4合成建立的模型與所有的氫用于CH4合成建立的模型相比，大大提高了預(yù)測精度。機(jī)理模型中CH4排放量的預(yù)測精度在很大程度上取決于所用化學(xué)計(jì)量模型的準(zhǔn)確性及其預(yù)測VFA摩爾比例的準(zhǔn)確性。Alemu等[41]評估了幾個(gè)化學(xué)計(jì)量模型，得出RMSPE為5.2%～43.2%，表明它們的性能差異較大。很少有人研究測量VFA的產(chǎn)生率，因?yàn)檫@需要使用同位素來區(qū)分在瘤胃中觀測到的VFA濃度和生產(chǎn)速率。研究人員使用機(jī)械模型Tier 3應(yīng)用于全國奶牛CH4排放清單，使用這種方法，能夠解釋由于飼草青貯質(zhì)量和DMI的變化而觀察到的胃腸道CH4排放量的部分變化[42]。

機(jī)理模型能夠獲得更加準(zhǔn)確的估算值，但其需要應(yīng)用與生物化學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)參數(shù)，對數(shù)據(jù)要求較高制約了它的廣泛使用。

4 結(jié) 論

間接法的測定儀器和預(yù)測模型均具有簡單快速的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)各個(gè)地區(qū)硬件條件和可獲得數(shù)據(jù)，選擇合適的測定儀器和預(yù)測模型。任何一個(gè)特定的模型在預(yù)測CH4排放量上都有優(yōu)缺點(diǎn)，多模型集成方法學(xué)已成為一種廣泛可接受的方法，可利用互補(bǔ)的單個(gè)模型并調(diào)整各種偏差來改善預(yù)測準(zhǔn)確度。適用性廣且穩(wěn)定性高的預(yù)測模型必須基于大數(shù)據(jù)的采集與分析，從眾多的因果參數(shù)中歸納他們之間的關(guān)聯(lián)，目前我國數(shù)據(jù)量仍然不足，加大動(dòng)物的測定數(shù)量，建立適用于當(dāng)?shù)氐念A(yù)測模型是非常必要的。