將牛或羊通過誘食料吸引至設(shè)備料槽內(nèi)，按“開始”按鈕后，不到1分鐘屏幕就會(huì)顯示它們打嗝的“嗝譜”，根據(jù)嗝譜特征可測算出牛羊一天的甲烷排放量。
這是中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所（以下簡稱亞熱帶生態(tài)所）研究員譚支良、王敏與副研究員王榮團(tuán)隊(duì)，持續(xù)攻堅(jiān)15年、更新4代自主研發(fā)的AHC 4.0版甲烷排放監(jiān)測裝備。該裝備近日在長沙正式發(fā)布。
畜牧業(yè)是我國農(nóng)業(yè)溫室氣體排放主要來源之一，其中牛羊等反芻動(dòng)物消化過程中產(chǎn)生的甲烷占農(nóng)業(yè)活動(dòng)甲烷排放的66%。該裝備打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)了我國在反芻動(dòng)物甲烷原位監(jiān)測領(lǐng)域“從0到1”的突破。
國家需求驅(qū)動(dòng)下的艱難起步
如何精準(zhǔn)測算牛羊打嗝產(chǎn)生的甲烷，是農(nóng)業(yè)減排的關(guān)鍵一步。長期以來，我國缺乏適用于牧場現(xiàn)場的高精度、低成本、安全可靠的甲烷排放監(jiān)測裝備。進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高昂、數(shù)據(jù)需上傳境外服務(wù)器，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)方法則操作繁瑣，難以規(guī)?；瘧?yīng)用。
2009年，“雙碳”目標(biāo)尚未提出，但氣候變化帶來的挑戰(zhàn)已引發(fā)全球關(guān)注。兩個(gè)關(guān)鍵契機(jī)讓亞熱帶生態(tài)所科研團(tuán)隊(duì)將目光聚焦到牛羊甲烷減排領(lǐng)域。
譚支良回憶道：“2007年，時(shí)任中國科學(xué)院院長路甬祥到亞熱帶生態(tài)所調(diào)研，提出了幾個(gè)重要觀點(diǎn)，認(rèn)為研究所在牛羊的生長、飼料、肉質(zhì)改良等方面已有不少研究基礎(chǔ)，但氣候變暖是人類面臨的重大挑戰(zhàn)，牛羊的甲烷排放是農(nóng)業(yè)甲烷排放的主要來源，建議我們關(guān)注牛羊甲烷減排?！?/p>
為著力解決應(yīng)對氣候變化的區(qū)域碳源匯監(jiān)測與碳收支定量認(rèn)證中的重大科技問題，中國科學(xué)院于2010年底啟動(dòng)戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題研究”，組織數(shù)千名科技人員發(fā)揮學(xué)科交叉力量，對相關(guān)問題進(jìn)行持續(xù)深入研究。亞熱帶生態(tài)所承擔(dān)了牛羊甲烷減排項(xiàng)目研究內(nèi)容。
“2010年以前，我國還沒有動(dòng)物甲烷排放研究的完整體系，反芻動(dòng)物甲烷排放方面僅有一些體外研究結(jié)果，在動(dòng)物個(gè)體及養(yǎng)殖場排放監(jiān)測方面完全是空白?！蓖趺艚榻B，發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)50年代就已啟動(dòng)相關(guān)研究，初期聚焦于能量代謝中的甲烷能損失，隨著氣候變化共識的形成，逐漸轉(zhuǎn)向溫室氣體排放研究。
研究初期，國內(nèi)外主要采用呼吸代謝艙法監(jiān)測牛羊甲烷排放，需將動(dòng)物關(guān)在密閉艙內(nèi)連續(xù)監(jiān)測48小時(shí)，雖能獲取數(shù)據(jù)，但效率極低，同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)物采食量和生產(chǎn)性能。
研究牛羊的嗝還是屁？
在沒有可復(fù)制模板、缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情況下，兩次研究方向的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，讓團(tuán)隊(duì)的探索之路更加清晰和高效。
第一次轉(zhuǎn)折是研究重點(diǎn)從全腸道監(jiān)測轉(zhuǎn)向口腔監(jiān)測。“我們當(dāng)時(shí)面臨的首要問題是，該監(jiān)測牛羊的嗝還是屁?！蓖趺粽f，起初研究者大多集中對牛羊的全腸道排放進(jìn)行監(jiān)測。
研究證實(shí)，牛釋放的甲烷氣體中，90%至95%來自口腔，主要為噯氣，即打嗝；而另外的5%至10%則以放屁的形式釋放。也就是說，在造成溫室效應(yīng)這方面，牛打的嗝可比放的屁厲害多了。
團(tuán)隊(duì)意識到，轉(zhuǎn)向口腔監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵。但新的問題隨之而來，如何精準(zhǔn)捕捉口腔排出的甲烷？當(dāng)時(shí)國外采用的六氟化硫法需要長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果可變性較大且六氟化硫本身就是一種強(qiáng)效溫室氣體。從“連續(xù)監(jiān)測”到“點(diǎn)式監(jiān)測”的第二次轉(zhuǎn)折由此開始。
2019年，團(tuán)隊(duì)通過大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不需要連續(xù)測定24小時(shí)，只需選擇幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，就能準(zhǔn)確測算動(dòng)物全天的甲烷排放量。
“我們通過挖掘大規(guī)模的甲烷日排放實(shí)測數(shù)據(jù)，首次識別出排放氣體樣品采集的8個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，建立了‘八點(diǎn)法’精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)采樣策略，實(shí)現(xiàn)對全天排放量的準(zhǔn)確評估?！蓖鯓s說，這樣一來，測定效率大大提高。以前用呼吸艙測1只動(dòng)物要兩天，測30只動(dòng)物就要兩個(gè)月；用“八點(diǎn)法”，不到1周就能完成30只動(dòng)物的測定。
更重要的是，“八點(diǎn)法”對動(dòng)物的影響極小，測定結(jié)果與連續(xù)監(jiān)測的結(jié)果僅相差1.5%。這些重要成果使團(tuán)隊(duì)在連續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)向點(diǎn)式監(jiān)測上信心大增，助力其成功研制AHC 1.0版裝備以觀測牛羊打嗝的甲烷排放規(guī)律。
“那是團(tuán)隊(duì)成員最激動(dòng)的時(shí)刻?！蓖趺艋貞洠?022年的一天，團(tuán)隊(duì)正在羊圈做試驗(yàn)，此時(shí)AHC 1.0版測定裝備上呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)清晰的嗝峰，大家發(fā)現(xiàn)羊打嗝很有規(guī)律，“打嗝曲線圖上出現(xiàn)了很多有規(guī)律的峰值，這就是嗝譜”。
原來，牛羊打嗝很多時(shí)候沒有明顯的動(dòng)作，你以為它們在發(fā)呆，其實(shí)是在打嗝排放甲烷?！芭Ｑ虼蠹s60至70秒打一次嗝。”王敏說。
團(tuán)隊(duì)?wèi){借測到的嗝譜數(shù)據(jù)讓打嗝“看得見”，建立了牛羊嗝譜數(shù)據(jù)分析方法；通過建立5分鐘嗝譜測定分析新范式，攻克了甲烷排放養(yǎng)殖場原位測定技術(shù)難題，大幅提升測定通量，創(chuàng)建了“AHC設(shè)備+八點(diǎn)法+五分鐘”甲烷排放測定技術(shù)體系，成為我國首個(gè)具有牛羊嗝譜獲取與分析能力的研究團(tuán)隊(duì)。
我國反芻動(dòng)物甲烷排放強(qiáng)度被高估
通過大量實(shí)地監(jiān)測，團(tuán)隊(duì)獲得了寶貴的一手?jǐn)?shù)據(jù)，也帶來一些顛覆性認(rèn)識。
團(tuán)隊(duì)通過對全國20多個(gè)省份的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)從聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）公布的甲烷排放強(qiáng)度看，其嚴(yán)重高估了我國的實(shí)際情況。
“以奶牛為例，現(xiàn)在的奶?？隙ū纫郧暗漠a(chǎn)奶量高，產(chǎn)奶量提高意味著吃得多、排得多，但奶牛每生產(chǎn)1公斤牛奶所排放的甲烷量卻降低了，這說明我國的養(yǎng)殖技術(shù)水平在不斷提高。這得益于日糧配制的持續(xù)優(yōu)化和育種技術(shù)的突破性進(jìn)展?！蓖鯓s解釋道。
在牛羊甲烷減排技術(shù)方面，該團(tuán)隊(duì)也持續(xù)探索，取得突破。
既然牛羊打嗝有一定規(guī)律，那能否通過改變這一規(guī)律來降低其甲烷排放量？順著這一思路，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，改變嗝譜就可抑制牛羊甲烷排放。
基于此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了甲烷抑制飼料添加劑。研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加甲烷抑制劑，可使牛羊甲烷排放量減少20%至30%?！耙种苿┨砑雍?0至30分鐘，就能通過AHC設(shè)備觀察到嗝譜的變化，峰值會(huì)明顯降低，意味著每次打嗝排放的甲烷在減少。”王榮說。
“甲烷排放是一個(gè)看不見、摸不著的過程。我們最大的貢獻(xiàn)在于，一方面通過自研裝備讓牛羊的甲烷排放‘看得見’，有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；另一方面，團(tuán)隊(duì)利用自主研制的甲烷抑制劑，讓牛羊甲烷減排可視化?！蓖趺舯硎?。
打造智能農(nóng)業(yè)甲烷監(jiān)測機(jī)器人
目前，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的甲烷排放監(jiān)測裝備已升級至4.0版，最新一代完成工業(yè)化設(shè)計(jì)升級，不僅采用高強(qiáng)度復(fù)合材料一體化設(shè)計(jì)，提升耐用性與密封性，還創(chuàng)新集成紅外動(dòng)物感應(yīng)、動(dòng)態(tài)回收率校準(zhǔn)、斷點(diǎn)續(xù)傳無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)5分鐘快速測量、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程自動(dòng)歸集，真正做到測得準(zhǔn)、用得起、宜推廣。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，該裝備已在全國20余家高校、科研院所及50余家養(yǎng)殖企業(yè)落地應(yīng)用，覆蓋23個(gè)省份，初步構(gòu)建起覆蓋主要畜牧區(qū)域的甲烷監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該裝備成果還入選《2024年中國科學(xué)院自主研制科學(xué)儀器》名錄，并獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持。
“目前設(shè)備的主要客戶群體是高校和科研院所，以及一些承擔(dān)國家級科研任務(wù)的大型養(yǎng)殖場?！眮啛釒鷳B(tài)所-湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄭雪玥說，大多養(yǎng)殖戶并不了解為什么要測牛羊的甲烷排放量，團(tuán)隊(duì)正尋求通過政策引導(dǎo)推動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，希望引起環(huán)保部門和政策制定者的關(guān)注，從國家層面推動(dòng)這項(xiàng)工作。
“第五代產(chǎn)品我們將聚焦智能化?！蓖趺敉嘎?，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃融合人工智能視覺識別、自主巡航、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，打造甲烷監(jiān)測機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)無人化操作。養(yǎng)殖戶只需設(shè)定監(jiān)測計(jì)劃，機(jī)器人就能自動(dòng)識別牛羊、自主規(guī)劃路線并完成監(jiān)測任務(wù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，全程無需人工干預(yù)?！拔覀冋谂c合作方深入討論，力爭在未來一兩年推出相關(guān)產(chǎn)品?！?/p>
“監(jiān)測是減排的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)是決策的依據(jù)。系列成果不僅是科研儀器的突破，更是支撐高效低排放產(chǎn)業(yè)、國家碳核算體系和綠色畜牧業(yè)認(rèn)證的基礎(chǔ)工具?！蓖趺舯硎?，未來團(tuán)隊(duì)研制的裝備將為低排放畜種選育、減排飼料研發(fā)、牧場碳足跡核算等提供核心數(shù)據(jù)支撐，助力我國畜牧業(yè)邁向“可測量、可核算、可核查”的低碳新階段，為全球氣候治理貢獻(xiàn)中國智慧與中國方案。