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。
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摘要
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<....
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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
- 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。 - 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。
- 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
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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
| 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 |
参考文献
- Doran, B., Euken, R., Spiehs, M. Hoops and mono-slopes: What we have learned about management and performance. Feedlot Forum 2010. , Iowa State University, Iowa Beef Center. Ames, Iowa. 8-16 (2010).
- Andersson, M. Performance of bedding materials in affecting ammonia emissions from pig manure. J. Agric. Engng. Res. 65, 213-222 (1996).
- Jeppsson, K. H.
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