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

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。

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. 构建模拟分层堆积床

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：任何适用于畜禽舍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设施时，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设施，则小麦秸秆、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，每次处理完一个垫料堆后更换新袋，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控制舱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 所选垫料材料放入铝盘中，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：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：第 21 天应使用新鲜尿液而非解冻尿液。
9. 使用搅拌棒轻轻搅拌垫料混合物 30 秒。每次在不同垫料堆之间操作时，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，每周从模拟的卧床垫料区采集一次样本。

1. 准备采集模拟垫料床顶部空间的空气样品。
   1. 开启所有空气采样设备，并根据制造商说明预热约1小时。
      注：本研究中使用的氨（NH₃）、硫化氢（H₂S）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）和二氧化碳（CO₂）气体分析仪详见材料表。
   2. 使用直尺测量模拟垫料床表面至盛放该垫料床的塑料容器顶部的距离。
   3. 使用以下公式计算顶部空间体积：
      
      其中 r = 塑料容器的半径，
      h = 垫料床表面至塑料容器顶部的距离，
      V_{flux chamber} = 位于塑料容器顶部的通量室体积。
      注：本研究使用的通量室内部体积为0.007m³，表面积为0.064 m^21,22。
   4. 将一根金属桩插入垫料床表面中心附近约5 cm深。将直径0.64 cm的惰性管穿过每个模拟垫料床容器顶部的1 cm孔洞，并固定在高出垫料床表面1.3 cm处的一根12.5 cm长金属桩上。将带橡胶裙边的不锈钢半球形静态通量室^21,22放置在每个模拟垫料床上方（图1）。
      注：橡胶裙边为61 cm见方的柔软弹性橡胶片，中心切割出直径22.9 cm的圆孔。该孔套在通量室上，当裙边放置于容器顶部时可形成密封。
   5. 使用惰性压缩接头将直径0.64 cm的惰性管连接至通量室。
      注：惰性管连接至气体采样歧管，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），该继电器控制多位三通电磁阀，依次打开和关闭气体采样歧管上的八条进气管线。每次仅打开一条管线，以便对每个垫料床单独进行空气采样。
   6. 以5 L min^-1的流速将室内环境空气通过管路冲洗30分钟。
      注：用于冲洗采样管线的泵详见材料表。
2. 测定模拟垫料床顶部空间中氨、二氧化碳、甲烷和硫化氢的浓度。
   1. 在充分冲洗模拟垫料床后，打开采样管线上的旋塞，将室内环境空气抽入连接至气体采样歧管的惰性采样管线中。
   2. 启动可编程逻辑继电器，开始将空气吸入空气采样设备。记录20分钟内的环境空气测量值，以确定环境空气中各目标气体的浓度。该值将作为背景空气浓度。完成环境空气浓度采集后，关闭采样管线上的旋塞。
   3. 启动可编程逻辑继电器，开始从连接至各通量室的惰性采样管线中采集空气。记录每条采样管线20分钟内的测量值，以确定各垫料床顶部空间中目标气体的浓度。
   4. 结果可表示为气体（NH₃、CO₂、N₂O、CH₄、H₂S）在空气样品中的平均浓度（mg kg^-1 或 ppm），或可基于单位时间单位面积的质量通量计算气体的通量密度（排放速率），使用以下方程：
      
      其中 J = 通量，单位为 µg m^-2 min^-1，
      A = 室内源面积（m²），
      Q = 扫气流速，单位为 m³ min^-1，
      C_air = 离开通量室的挥发性有机物浓度（µg m^-3）²³。
3. 测定模拟垫料床顶部空间中恶臭挥发性有机化合物的浓度。
   1. 佩戴乳胶或丁腈一次性手套。
   2. 在充分冲洗模拟垫料床后，取下预处理过的不锈钢吸附管上的黄铜储存帽。
      注：本研究使用的吸附管为89 mm × 6.4 mm外径，内填Tenax TA吸附剂（见材料表）。黄铜帽配有聚四氟乙烯（PTFE）压环。
   3. 使用柔性橡胶管将吸附管的刻痕端连接至通量室的进气口，另一端连接至真空泵。
      注：本研究使用的真空泵（见材料表）以75 mL min^-1的流速将空气抽过吸附管。
   4. 让泵持续抽气5分钟，采样体积为0.375 L，然后关闭泵并断开吸附管。将黄铜储存帽重新盖回吸附管两端。
   5. 重复步骤3.3.1–3.3.4，为每个垫料床收集一根吸附管。
   6. 将吸附管保存至热脱附-气相色谱-质谱联用仪（TD-GC-MS）分析前。若保存时间<24小时，可在室温（20–25 ˚C）下保存；若保存时间>24小时，应置于冰箱中保存。
   7. 在使用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帽，并更换为PTFE分析用帽²³。
   8. 使用TD-GC-MS^23,24,25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）。
   9. 结果可表示为挥发性有机化合物在空气样品中的浓度（µg m^-3），或可基于单位时间单位面积的质量通量计算其通量密度（排放速率），使用以下方程：
      
      其中 J = 通量，单位为 µg m^-2 min^-1，
      A = 室内源面积（m²），
      Q = 扫气流速，单位为 m³ min^-1，
      C_air= 离开通量室的挥发性有机物浓度（µg m^-3）²³。
4. 采集模拟垫料床的物理和化学参数。
   注：每次向模拟垫料床中添加新物料时均需测量温度、pH值和蒸发失水量。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. 将温度探头插入垫料床中心，深度约为模拟垫料床表面以下7.6 cm处，待温度稳定后记录读数，以测定垫料床温度。
   2. 测定估算的蒸发失水量
      1. 将塑料容器置于天平上。
      2. 在每次向模拟垫料床中添加粪便/尿液/垫料前后，测量并记录其质量。
      3. 通过将当日初始质量从前一天的最终质量中减去，计算估算的蒸发失水量。该差值即为垫料床在两天之间估算的蒸发水质量，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. 测定模拟垫料床的pH值
      1. 从每个模拟垫料床中心、表面以下约7.6 cm深度处采集5–10 g代表性样品。将样品放入50 mL塑料锥形管中，盖紧并标记。
      2. 按照制造商说明，使用pH 4和pH 7缓冲液校准pH计。
      3. 测定每个锥形管的质量。
      4. 按质量比1:2用去离子蒸馏水稀释每个样品。振荡锥形管使水与垫料材料充分混合。将pH探头插入锥形管中，测量并记录样品pH值。
   4. 仅在第0天和第42天测定模拟垫料床的养分含量。
      1. 从每个模拟垫料床中心、表面以下约7.6 cm深度处采集50 g代表性样品。放入纸质土壤样品袋中。
      2. 在24小时内运送至实验室进行养分分析。在送检前将样品存放在冰箱中。
         注：可分析任何宏量或微量养分。我们在商业实验室分析总氮²⁶、磷和硫含量²⁷。
   5. 仅在第42天测定模拟垫料床中的自由空气空间。
      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床表面齐平。待水完全沉降且不再有气泡从垫料床中逸出后，记录塑料容器的总质量。
      2. 使用以下公式计算自由空气空间百分比：
         
5. 完成所有计划的数据采集步骤（步骤3.1–3.4）后，按照步骤2.1–2.10向模拟垫料床中添加粪便、尿液和垫料。

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，以优化模型并满足特定实验的目标^{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化畜舍^6,28以及模拟垫料堆积物中进行了测定（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...

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...

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 Technologies	IQ150
温度计	Spectrum Technologies	IQ150
直尺或卷尺	任意品牌		可测量厘米单位
吸附管	Markes International	Tenax 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	Thomas	107系列	用于冲洗采样管路中的空气