采用紅外光譜技術檢測反芻動物甲烷排放

王惟惟　仲崇亮　米見對　龍瑞軍*

(1.蘭州大學草地農業(yè)科技學院，蘭州730000；2.蘭州大學青藏高原生態(tài)系統(tǒng)管理國際中心，蘭州730000；3.蘭州大學生命科學學院，蘭州730000)

采用紅外光譜技術檢測反芻動物甲烷排放

王惟惟1,2仲崇亮1,2米見對2,3龍瑞軍2,3*

(1.蘭州大學草地農業(yè)科技學院，蘭州730000；2.蘭州大學青藏高原生態(tài)系統(tǒng)管理國際中心，蘭州730000；3.蘭州大學生命科學學院，蘭州730000)

摘要：反芻動物甲烷排放監(jiān)測一直難以建立起精確的評估體系，其中一個重要原因是常用檢測反芻動物甲烷排放的方法不夠完善，另外檢測儀器受外部環(huán)境的影響，難以保證其準確度和靈敏度。目前，紅外光譜檢測技術正在被廣泛應用于反芻動物甲烷排放檢測，一些基于紅外光譜檢測技術的最新檢測方法，如甲烷激光檢測(LMD)、傅里葉變換紅外光譜檢測(FTIR)、GreenFeed(GF)系統(tǒng)和便攜式自動開路氣體量化系統(tǒng)(GQS)也得到廣泛運用。與以往常用方法相比，紅外光譜檢測技術具有一定優(yōu)勢。本文根據現有文獻，從紅外光譜檢測的原理、可靠性及與其他常見方法對比，論述了紅外光譜檢測方法在反芻動物甲烷排放中的應用現狀和應用前景，旨在為精確檢測反芻動物的甲烷排放提供參考。

關鍵詞：反芻動物；甲烷排放；紅外光譜檢測

溫室氣體[二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等]排放是導致氣候變化的重要因素。CH4的溫室效應是CO2的21倍。據統(tǒng)計，全球人為總CH4排放溫室效應貢獻率為22.9%，僅次于CO2[1]。農業(yè)溫室氣體排放量占全球人為溫室氣體的58%，其中，動物腸道CH4排放量占農業(yè)溫室氣體排放量的32%[2]。據估算，我國動物腸道CH4排放量占世界動物腸道CH4排放總量的10%左右，其中反芻動物腸道CH4排放量占動物腸道CH4總排放量的98.7%[3]。從能量角度看，反芻動物CH4排放損失的能量為食入總能的2%～12%[4]。統(tǒng)計1944年到2007年中，美國奶業(yè)生產中的能量消耗發(fā)現，每生產1 kg奶的CH4能量損耗超過了奶業(yè)生產中能耗比例的1/2以上，CH4的產生對飼糧的有效利用造成了一定限制[5]。近年來，如何精確檢測反芻動物CH4排放量成為國內外研究的熱點。目前，檢測反芻動物CH4排放量所面臨的2大問題：一是難以建立精確的檢測體系；二是受多方面因素影響，較難獲得高效、可靠的數據[6]。紅外光譜技術檢測CH4排放具有較高的準確性和靈敏度，同時具有動態(tài)測量范圍大、響應時間快、不易受其他氣體干擾等優(yōu)點[7-8]。本文綜述紅外光譜檢測方法在反芻動物CH4排放的運用現狀，為反芻動物CH4排放的精確測定提供新的參考。

1紅外光譜技術檢測反芻動物CH4排放方法及原理

目前，采用光譜吸收法是檢測CH4排放的主要方法之一。其中，紅外光譜技術應用較為廣泛，如：便攜式銦鎵砷CH4激光探測器(portable InGaAs laser methane detector,LMD)、傅里葉變換紅外光譜檢測(fourier transform infrared spectroscopy detector,FTIR)、GreenFeed(GF)系統(tǒng)和便攜式自動開路氣體量化系統(tǒng)(portable auto-open circuit gas quantification system,GQS)等均基于此。

光譜吸收法是以朗伯比爾定律為基礎建立的。多數雙原子分子或者多原子分子在紅外光譜區(qū)都有特征的吸收光譜，CH4的紅外光譜有2個極強的譜帶，分別位于3.3和7.6 μm附近，其他的紅外譜帶可以根據這2個基頻和其他2個未在紅外光譜區(qū)激活的基頻組合而成，形成豐富的泛頻帶與合頻帶，以朗伯比爾定律為基礎，紅外光譜通過檢測氣體透射光強的變化來反演CH4氣體的濃度[8-9]。

LMD是運用波長調制光譜學，氦氖激光束作為激發(fā)光源，銦鎵砷(InGaAs)二次諧波檢測信號與CH42個較強紅外吸收譜帶(3.3和7.6 μm)一致，而CH4氣體的吸收譜線近于洛倫茲線型公式，進而計算出CH4濃度[10]。LMD能夠及時改變溫度和驅動電流，具有靈敏度較高，能夠檢測數米范圍內2點間平均CH4濃度的特點[11-12]。

FTIR原理為不同分子存在單一的近紅外吸收光譜，受到雙光源干涉器影響，單程近紅外光變成雙程光，產生2個不同光程差，最后通過傅里葉變換數學計算產生干涉圖譜。由于朗伯比爾定律中吸光度與譜圖峰高和峰面積直接相關，可以利用已知濃度樣品的紅外光譜，通過未知樣品紅外光譜峰高和峰面積，推算未知樣品濃度[13]。通常，FTIR可以檢測不同組分及氣體濃度。一般臺式的研究級FTIR設備分辨率能達到1×10-4～25 cm-1，因此，它通常被用于氣候變化的研究[14-15]。

2紅外光譜技術在檢測CH4排放中的研究現狀和應用

2.1研究現狀

目前，紅外光譜技術已廣泛應用于大氣環(huán)境、煤礦、天然氣生產、畜禽舍、土壤呼吸及人呼吸等領域CH4排放的檢測，且表現出精度高、靈敏度高等特點。例如：大氣中CH4濃度較低(約1.80 mL/m3)且混合較為均勻，難以對不同區(qū)域CH4濃度差進行檢測。田園等[16]利用高分辨率(0.02 cm-1)FTIR反演大氣環(huán)境中CH4濃度變化時，發(fā)現反演的CH4濃度誤差小于1%，且濃度平均日變化量小于0.02 mL/m3。羅達峰等[17]則報道1種紅外瓦斯氣體濃度探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測限為0～1.00×106mL/m3，測量誤差小于2%，具有很高的測量精度，具備了煤礦應用的基礎。天然氣安全生產檢測方面。李黎等[18]研究了紅外檢測CH4和硫化氫(H2S)的濃度，其檢測限為1.09×102～1.31×103mL/m3，達到了安全生產的要求。畜禽舍內有害氣體[如CH4、H2S、氨氣(NH3)]排放過量會嚴重影響畜禽健康生長。Childers等[19-20]報道開路FTIR精度高，能夠痕量檢測有害氣體濃度(0～3.00×10-3mL/m3)，檢測誤差小于3%。而人呼吸檢測方面，采用紅外光譜技術能夠滿足H2和CH4的同時檢測，檢測誤差小(±2%)，檢測限為0～2.00×102mL/m3[21]。同時，Davidson等[22]研究土壤呼吸中CO2和CH4排放也指出，紅外吸收光譜反應時間快，連續(xù)測定，靈敏度高，其檢測限為0.11～1.08 mL/m3。

紅外光譜技術檢測CH4排放在不同領域已經有較長時間的研究和應用[8]，但在反芻動物CH4排放的檢測上應用相對較晚。2009年，Chagunda等[23]才首次將LMD運用于反芻動物CH4排放的檢測。2010年，Madsen等[24]首次報道FTIR可以作為一種快捷、可靠且檢測成本低的反芻動物CH4檢測方法，易于進一步推廣。2010年，GF系統(tǒng)(圖1[25])被成功運用于檢測反芻動物CH4排放。該系統(tǒng)在動物頭部安裝有紅外傳感器，能夠有效檢測動物呼氣中的氣流速度、CH4和CO2濃度；當動物頭部處于正確位置時，無線射頻(radio frequency identification,RFID)讀取器自動讀取其耳標號，對個體進行數據采樣分析，最后計算出24 h內動物的CH4排放情況[26]。最近，Dorich等[27]報道了一種新型GQS——食槽檢測裝置(圖2)，該裝置呼吸探測器采用紅外光譜檢測，當牛采食時，自動實時對CO2和CH4進行檢測。近幾年，紅外光譜技術檢測反芻動物CH4排放相繼在國外報道得比較多，國內則研究較少，有待進一步開展。

2.2目前應用狀況評估

2.2.1可用于不同飼糧處理間差異檢測

生產實際中，評估飼糧的營養(yǎng)價值對反芻動物CH4排放影響，采用紅外光譜技術直接檢測反芻動物CH4排放，可以實現不同飼糧處理之間，多個重復組分檢測。這樣方便優(yōu)化篩選出適口性好，減少CH4排放的飼糧。采用FTIR方法，Haque等[28]研究高能泌乳料與傳統(tǒng)泌乳料飼喂處理對于奶牛CH4排放影響，得到每千克干物質采食量(DMI)的CH4平均日排放量介于13.9～14.2 g，但CH4排放量與采食量和能量校正乳產量間呈現線性正相關關系。Guyader等[29]報道紅外技術檢測荷斯坦奶牛CH4排放，相同飼糧精粗比(50∶50)處理下，CH4排放量為308.6 g/d。添加亞麻籽油后減排17%(252.7 g/d)，添加硝酸鹽減排19%(238.1 g/d)，二者同時添加時，減排32%(206.8 g/d)，添加前后飼糧消化率變異不大。

圖1　GreenFeed系統(tǒng)

圖2　食槽檢測裝置

2.2.2具有不干擾動物行為活動的優(yōu)點

常見CH4排放檢測方法對動物行為活動有所限制，如呼吸測熱室、通風頭套，這樣就不能滿足自然行為狀態(tài)下對動物CH4排放的研究，難以檢測真實的CH4排放數據。不干擾反芻動物的行為活動，是LMD的一大優(yōu)點。Chagunda等[12]報道荷斯坦奶牛(n=110)活動狀態(tài)對CH4排放具有顯著影響，如:反芻時的奶牛LMD分析CH4濃度為279.0 mL/m3，分別比隨意運動的奶牛(202.9 mL/m3)和進食(262.2 mL/m3)奶牛高1.4倍和1.1倍。同時發(fā)現哺乳期奶牛(326.2 mL/m3)與干乳期奶牛(203.8 mL/m3)之間CH4排放量存在顯著差異。隨后，Chagunda等[30]又報道奶牛喝水(368.0 mL/m3)與采食時(284.0 mL/m3)的CH4排放量顯著高于隨意運動的排放量(106.0 mL/m3)，相比之下，隨意運動和睡覺時(186.0 mL/m3)的CH4排放量均較低。

2.2.3能夠實時檢測CH4排放

紅外光譜檢測技術能夠實時檢測CH4排放，即在某一時間段內量化CH4的排放情況。Goopy等[31]報道采用GQS對綿羊CH4排放進行了檢測，發(fā)現飼喂后2 h檢測到的CH4排放結果，能夠預測出動物平均日CH4排放量的50%～82%。Bickell等[32]利用紅外光譜技術檢測綿羊每小時采食量與CH4排放量之間關系，發(fā)現自由采食條件下，每小時采食量與CH4排放量之間的線性關系相關系數為0.22，綿羊1 d檢測到的CH4排放量和24 h累積(每隔1 h檢測1次)得到的CH4排放量之間相關系數為0.89，每小時CH4排放量之間差異顯著。Ricci等[33]利用LMD分析采食3～5 h后綿羊CH4排放量時，發(fā)現LMD測定值與DMI相關系數為0.92，高于呼吸室的測量結果(相關系數為0.79)。最近，Ou等[34]報道了一種置于動物胃中的紅外氣體檢測膠囊(圖3)，能夠實時檢測氣體排放，該檢測器已經能夠單位時間內檢測CH4、CO2和H2濃度，但尚不能檢測氣體流量，有待進一步研究。CH4代謝過程中減排問題是當下研究的熱點，實時精確檢測是CH4代謝過程中減排的前提。由于實時檢測為特定動物CH4排放提供了代謝量化過程，單位時間內的有效檢測為精確監(jiān)測代謝過程中CH4排放，以及研究CH4代謝過程提供基礎。

圖3　氣體檢測膠囊

2.2.4可用于放牧條件下檢測

紅外光譜技術不干擾動物行為活動且實時檢測CH4排放為放牧條件下的檢測提供了應用基礎。Madsen等[24]利用FTIR測量奶牛在圈舍內的CH4排放，得出CO2排放量為3 880.00 mL/m3，CH4排放量為241.80 mL/m3；校正后呼氣中的CH4/CO2為0.08(CH4/CO2是基于CH4和CO2比例檢測CH4排放的方法)。因為校正后呼氣中CH4/CO2波動范圍較小，不易受外界環(huán)境影響，較為穩(wěn)定。Madsen等[24]指出FTIR也可以作為一種便捷、可靠且經濟的適宜放牧條件下反芻動物CH4排放的檢測方法。

Jones等[36]報道開路FTIR方法在放牧條件下的應用情況，針對剩余采食量(即畜禽實際采食量與根據生產性能需要和維持體重需要的標準計算得出的預期采食量之間的差值)對安格斯肉牛CH4排放的影響研究發(fā)現，低剩余采食量下每天每千克活體重(live weight,LW)CH4排放量為0.34 g，而高剩余采食量則為0.46 g/kg LW。Grobler等[37]研究發(fā)現在放牧條件下，采食天然草場牧草和飼用高粱對不同品種牛的CH4排放量有影響。采食天然牧草后，處于反芻狀態(tài)的娟姍牛經LMD得到的CH4排放量(25.8 mL/m3)顯著低于Bonsmara牛(32.7 mL/m3)和Nguni牛(30.6 mL/m3)。但采食飼用高粱后，娟姍牛CH4排放量與其他牛種間無顯著差異。McGinn等[38]利用開路LMD技術在放牧條件下，檢測得到牛的CH4排放量平均值為每天141.0 g/頭，回收率為77%。

綜上所述，紅外光譜技術能夠保證精準的檢測數據，滿足一些CH4檢測的特定要求，而且其對放牧條件下反芻動物CH4排放的檢測具有巨大應用潛力。

3紅外光譜檢測技術與常見檢測方法的對比

反芻動物CH4排放的常見檢測方法有：呼吸測熱室、通風頭套法、六氟化硫(SF6)法、微氣象技術、預測法、體外產氣技術等。這些方法存在優(yōu)勢和不足之處，如表2所示。

表2　反芻動物CH4排放常見檢測方法比較

續(xù)表2方法Methods優(yōu)勢Merits不足Demerits參考文獻References體外產氣法Invitrogasmethod易操作、多重復;可作為飼料營養(yǎng)價值評估系統(tǒng)難以模擬真實瘤胃環(huán)境,發(fā)酵時間較長會致效率低而影響結果Bhatta等[40];Broucˇek[42]

由表2可見，反芻動物CH4排放常見檢測方法均存在優(yōu)點與不足之處，相比之下，想要選出檢測成本低且檢測穩(wěn)定的方法較為困難。而紅外光譜檢測技術具有檢測成本低且檢測穩(wěn)定的特點，它與常見檢測方法對比如下。

開路呼吸測熱室監(jiān)測反芻動物CH4排放穩(wěn)定性較好，Hellwing等[44]運用此法檢測CO2、CH4排放情況，結果顯示CO2和CH4的平均回收率分別為101%、99%。但開路呼吸測熱室檢測CH4排放，成本較高。Goopy等[31]比較開路呼吸測熱室與GQS法檢測綿羊CH4排放量的相關性，發(fā)現二者檢測結果的相關性系數為0.71，檢測過程中，開路呼吸測熱室檢測重復力(指同一個體某種性狀各次測量值之間的組內相關系數)為0.88。Chagunda等[45]在分析奶牛CH4排放時，討論LMD分析CH4排放與間接開路呼吸測熱室間相關性，測試結果正相關性系數為0.80，證明LMD分析CH4排放是完全可行的且檢測成本低。

SF6法常檢測反芻動物放牧條件下CH4的動態(tài)排放。放牧條件下，Hammond等[26]采用SF6方法檢測荷斯坦奶牛CH4排放量與GF系統(tǒng)檢測結果比較，發(fā)現SF6法為186.0 g/d，GF系統(tǒng)為164.0 g/d，2種方法間的相關性系數為0.60。Dorich等[27]報道GQS和SF6法檢測CH4排放，發(fā)現GQS測量CH4排放量的變異系數較小(14.1%～22.4%)，CH4排放量與DMI之間的相關系數為0.42；相比之下，SF6法所測得的變異系數為16.0%～111.0%，相應的相關系數僅為0.17。另外，SF6是溫室氣體，其溫室效應為CO2的23 900倍，大氣中衰減周期為3 200年，所以SF6法存在一定局限性[45]。顯然，紅外光譜技術在監(jiān)測放牧條件下反芻動物CH4排放具有一定優(yōu)勢。

4紅外光譜檢測反芻動物CH4排放存在的挑戰(zhàn)及展望

目前，紅外光譜檢測反芻動物CH4排放仍存在挑戰(zhàn)。例如：氣體檢測膠囊、LMD、FTIR和GF系統(tǒng)等尚不能檢測氣體流量或是噯氣時的CH4濃度[34,45-47]。在圈舍內，Barrancos等[46]利用開路FTIR奶牛CH4和NH3排放量，結果分別為每年167.0、1.3 kg/頭，這與《歐洲空氣污染排放清單》報道的CH4和NH3分別為每年100.0、8.7 kg/頭相比出入較大，這可能是因為多種微氣象因子(如空氣流速、風向)影響了CH4的測量。而多種微氣象因子同樣也可能對FTIR放牧條件下檢測有影響。GF系統(tǒng)的檢測條件下，會出現動物頭部相對于RFID讀取器位置不正確[47]等情況。在反演CH4濃度變化測量光譜建模過程中，會出現誤差大于特定閾值的情況，誤差主要來源于假定溫度、濕度、壓強等參數為一常量引入的模型誤差，這些誤差是構建后續(xù)測定軟件研發(fā)前丞待解決的問題[16]。以上這些因素都可能影響CH4排放量檢測的準確性。

最新研究中，Wu等[48]利用改進的FTIR，分析1種模擬牛呼氣、吸氣及噯氣的裝置——人工參照牛(artificial reference cow,ARC)與奶牛CH4排放，發(fā)現ARC系統(tǒng)呼氣時CH4排放量與奶牛CH4排放量差值為2.8%，ARC進一步可以開發(fā)為更加實用的CH4檢測參照體系。根據Ou等[34]報道置于胃部的氣體檢測膠囊檢測，則在放牧條件下，可以避免多種微氣象因子干擾，且不必考慮動物頭部RFID讀取器位置不正確等情況，氣體檢測膠囊檢測為從動物體內精確檢測CH4排放提供設計與思考。而反演CH4濃度變化過程中，下一步工作著重優(yōu)化光譜建模過程中的模型輸入值，進一步優(yōu)化模型計算精度。因此，紅外光譜技術檢測反芻動物CH4排放還有待改進。

今后，紅外光譜檢測技術在精確反芻動物CH4排放方面具有非常好的應用前景。此外，從整體減排系統(tǒng)角度，Wall等[49]提出如果排放可精準測量，直接通過在排放值方面，選育低排放動物品種，可減少每千克動物產品排放量。紅外光譜技術的廣泛應用有助于檢測排放表型等難以測量的不同育種表型值，降低單位產品生態(tài)足跡，提高生產水平[50]。

5小結

綜上所述，紅外光譜檢測技術對精確檢測反芻動物CH4排放具有很大潛力。它具有不干擾動物、實時監(jiān)測、放牧條件下優(yōu)勢大等特點。當然在實際應用中需要考慮動物呼吸頻率、噯氣時CH4的平均濃度以及微氣象等因子的影響。同時，紅外光譜檢測技術結合其他CH4檢測方法，從基因組關聯性等角度篩選低CH4排放性狀和動物品種具有指導意義。

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(責任編輯王智航)

Methane Emission of Ruminants Determined by Infrared Spectroscopy

WANG Weiwei1,2ZHONG Chongliang1,2MI Jiandui2,3LONG Ruijun2,3*

(1. College of Pastoral Agriculture Science and Technology of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2. International Centre for Tibetan Ecosystem Management of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;3. College of Life Science of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Abstract:So far an accuracy system for detecting methane emission of ruminants has not been established, because the common measurements need more improvements, and the detector is easily affected by some environmental factors, thus hard to guarantee its sensitivity and accuracy. Infrared spectroscopy techniques have been largely applied in detecting methane emission of ruminants, and some new techniques based on Infrared spectroscopy, such as laser methane detector (LMD), Fourier transform infrared spectroscopy detector (FTIR), GreenFeed (GF) system and portable auto-open circuit gas quantification system (GQS), are also widely used. Compared with common measurements, infrared spectroscopy techniques have convinces in monitoring enteric methane emission. This paper, based on the existing references, summarized the research status and prospect applications of infrared spectroscopy in detecting methane emission of ruminants, and aimed to provide further references for precisely monitor methane emission of ruminants.[Chinese Journal of Animal Nutrition, 2016, 28(5)：1345-1352]

Key words:ruminant; methane emission; infrared spectroscopy

doi：10.3969/j.issn.1006-267x.2016.05.009

收稿日期：2015-11-19

基金項目：國家自然基金項目(31170378)；蘭州大學“中央高校基本科研業(yè)務專項資金”(Lzujbky-2014-246)

作者簡介：王惟惟(1990—)，男，貴州六盤水人，碩士研究生，從事反芻動物營養(yǎng)研究。E-mail: wangww14@lzu.edu.cn *通信作者：龍瑞軍，教授，博士生導師，E-mail: longrj@lzu.edu.cn

中圖分類號：S823；S826

文獻標識碼：A

文章編號：1006-267X(2016)05-1345-08

*Corresponding author， professor， E-mail: longrj@lzu.edu.cn