大气中CO₂、N₂O、CH₄等温室气体浓度的升高导致温室效应日趋严重，气候变暖及环境变化已成为国际社会关注的焦点。2009年《World Watch》刊文指出，牲畜及其副产品至少排放325.64亿t CO₂当量的温室气体，占全球排放总量的51%^[1],远高于联合国粮农组织（FAO）在2006年的估计值（18%）.温室气体中，CO₂的温室效应贡献率达60%^[2],CH₄排放量虽然不及CO₂,但在100年时间尺度上，CH₄增温潜势是CO₂的25倍^[3],温室效应贡献率达18%,成为第二大温室气体。农业源CH₄主要来自反刍动物、湿地和稻田，反刍动物CH₄排放占15%~25%^[4],全球反刍动物每年排放CH₄约8000万t,占人为排放CH₄总量的28%^[5].可见，反刍动物对全球温室气体排放及气候变化有重要影响。在瘤胃生成CH₄时，2%~15%的饲料能量以甲烷能的形式损失^[6].因此，减少反刍动物CH₄排放，可以改善大气环境，提高饲料转化率，提高反刍动物养殖效益。

监测反刍动物CH₄排放的方法有呼吸测热室法^[7]、SF6示踪法^[8,9]、呼吸箱法^[10],体外产气法^[11],反演式气体扩散技术^[4]等，研究人员针对不同地区，养殖环境和饲养方式对反刍动物的CH₄排放进行了大量研究^[12,13].目前，藏系绵羊温室气体排放的监测研究相对较少，本研究使用密封式呼吸箱-气相色谱结合的方法，对冷季补饲藏系绵羊的温室气体排放进行估测，主要研究内容有：①揭示CH₄、CO₂和N₂O日排放特征；②估算藏系绵羊CH₄、CO₂和N₂O的日排放量；③探讨温室气体排放量与藏系绵羊干物质采食量（DMI）和代谢体重增量的关系。以期为完善高原畜牧源温室气体排放清单提供数据支持。 1 材料与方法 1.1 试验地点

藏系绵羊的补饲和温室气体采集在青海省贵南县过马营镇绵羊育肥合作社进行，野外试验于2013-11-07到2013-12-03进行，气体样品和饲料组分的检测在中国科学院西北高原生物所实验室内进行。 1.2 试验装置

本研究采用的密封式呼吸箱是依据史海山等、Islam等^[14,15]研究方案改进而来。通过密封式呼吸箱采集藏系绵羊的温室气体样品，利用气相色谱（GC-7890A）进行分析，通过计算得到温室气体排放速率。呼吸箱为立方体结构，由代谢笼、密封壳和底板三部分构成。代谢笼由角铁和钢丝网制成，长2.2 m、宽1.5 m、高1.7 m,固定于底板上；密封壳由聚乙烯材料制成，长2.4 m、宽1.8 m、高1.8 m,体积为7.776 m³.密封壳与底板契合，底板装有水封槽，代谢笼顶部固定4个风扇，侧壁固定有温湿度计，密封壳上安装有采气管。由一个导链系统负责密封壳升降，以促进密封式呼吸箱达到密封和通风效果。装置如图 1所示。

图 1 试验装置 Figure 1 Experimental device for greenhouse gas emission study

图选项

筛选身体健康、均重（50.13±1.28）kg的藏系绵羊3只。预饲20 d,以掌握动物的自由采食量，每日分别在8:00和17:00补饲精料，补饲后饲喂青干草饼，每日进食的精粗比约3∶2.精料为蒸煮饲料，主要组成为玉米（40%）、青稞（35%）和豆饼（20%）,蒸煮后加入1.5%的食盐；青干草饼是种植牧草收割后制成的块状饲料。精料和青干草饼的营养组分如表 1所示。动物的平均干物质采食量为1.14 kg.在预饲的第17~20 d,将藏系绵羊引入代谢笼进行适应，随后进入正试期。

表 1 测量期间饲料的养分指标（%） Table 1 Chemical composition of sheep diets during experimental period（%）

表选项

预饲期结束，开始采集气体样品。采样工作于8:00开始，为藏系绵羊带上粪袋（收集动物粪便）,引入代谢笼中；接通风扇，以混匀箱内气体；向水封槽注满水，调节导链使密封壳降落与水封槽契合；呼吸箱构成一个密封系统；用接有三通阀的采气针管采集密封箱内气体样品，连续采气两管；记录采气时间和针管编号以及箱内温度、湿度；经过30 min,重复上述方法采气两管；至此完成一次气体采集，调节导链使密封壳升起，进行通风。采气工作每小时一次，每天24次。次日8:00,更换动物粪袋，采用相同方法，继续采集气体样品，连续采样7 d.采样期间，按时给试验动物投放饲料，自由饮水。 1.5 气体样品检测

气体样品需在48 h内分析完毕。采用安捷伦气相色谱仪Agilent 7890A GC System（Agilent,Hewlett Packard,USA）进行浓度检测，色谱仪内装离子火焰检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）;FID检测器用于检测CO₂和CH₄体积浓度，工作温度250 ℃，载气为高纯氮气；ECD检测器用于检测N₂O体积浓度，工作温度为300 ℃，载气为高纯氮气。 1.6 计算排放通量

本研究监测藏系绵羊温室气体排放速率的方法，是一种有间断的监测，计算结果为藏系绵羊0.5 h的排放量，以该值的2倍估算1 h的排放量。通过累加各时段的温室气体排放速率得到藏系绵羊的温室气体日排放量。 排放速率的计算公式如下：

所得数据均采用平均值±标准误的形式表示；采用Microsoft Excel 2007进行数据整理和图形绘制；运用SPSS 19.0进行分析，各时段内排放速率差异的比较采用最小显着差法（LSD） 2 结果与分析 2.1 CH₄日排放特征

藏系绵羊的CH₄日排放曲线如图 2所示。各时段排放速率在（0.52±0.019）~（0.96±0.026）g·head^-1·h^-1间变化；CH₄排放呈现一定规律性，有排放峰值和最小值，峰值出现于8:00和17:00（P<0.01）,速率分别为（0.96±0.026）、（0.93±0.025）g·head^-1·h^-1,排放峰值出现与饲喂时间基本吻合。早8:00添料，随后1 h内CH₄排放速率达到峰值，继而排放速率降低；伴随17:00补充精料，CH₄排放速率又达到下一个峰值，随后逐渐下降，在21:00至次日3:00间，CH₄排放速率差异不显着（P>0.05）,排放速率维持在0.63 g·head^-1·h^-1左右，凌晨7:00排放速率降至最小值（0.52±0.019）g·head^-1·h^-1.随着8:00添料，进入下一个CH₄排放日动态。试验期间，藏系绵羊CH₄排放速率为0.69±0.024 g·head^-1·h^-1,CH₄日排放量为（16.17±1.27）g·head^-1.

图 2 试验期间藏系绵羊CH4排放动态曲线 Figure 2 Diurnal patterns of methane（CH4） emissions from Tibetan sheep during experimental period

图选项

藏系绵羊CO₂日排放特征如图 3所示。各时段排放速率处在（21.49±1.27）~（26.48±2.52）g·head^-1·h^-1之间；CO₂排放速率变化相对平稳，在9:00、14:00、18:00、21:00、22:00时，CO₂排放速率差异显着（P<0.05）,其他时段不显着（P>0.05）.CO₂排放主要来自动物呼吸，排放速率在个别时段内出现小波动，可能是由于动物在代谢笼中安静休息时呼吸平缓使得CO₂交换量减少，或由于动物受到外界影响而呼吸加速促使CO₂排放速率增加（试验过程中有这种情况发生）.试验期间，藏系绵羊CO₂排放速率为（22.85±0.86）g·head^-1·h^-1,CO₂日排放量为（549.17±20.63）g·head^-1.

图 3 试验期间藏系绵羊CO2排放动态曲线 Figure 3 Diurnal patterns of carbon dioxide（CO2） emissions from Tibetan sheep during experimental period

图选项

藏系绵羊N₂O排放特征如图 4所示。各时段N₂O排放速率在（-5.71±2.55）×10-2~（8.92±3.57）×10-2 mg·head^-1·h^-1之间。在17:00、21:00、23:00、2:00和4:00时，N₂O排放速率为负值，其余时段时N₂O排放速率为正值，此时表现为羊粪排放N₂O.由于硝化作用需要在通风散气的条件下进行，排放速率出现负值的原因可能是，实验条件寒冷，粪袋中的粪便可能与尿液混合，有时会出现结冰（收集粪便时，羊粪出现尿粪混合结冰现象）,这些都影响粪便中含氮物质的硝化过程，影响了N₂O的生成。试验期间，藏系绵羊N₂O排放速率为（0.029±0.013）mg·head^-1·h^-1,N₂O日排放量为（0.73±0.32）mg·head^-1.

图 4 试验期间藏系绵羊N2O排放动态曲线 Figure 4 Diurnal patterns of nitrous dioxide（N2O） emissions from Tibetan sheep during experimental period

图选项

CH₄、CO₂和N₂O的日排放量与藏系绵羊的干物质采食量（DMI）、活重（BW）、代谢体重以及代谢体重增量的关系如表 2所示。藏系绵羊每采食1 kg饲料干物质（DM）时，CH₄排放量为12.96 g,CO₂排放量为440.05 g,N₂O排放量为0.58 mg;单只绵羊增加1 kg的代谢体重时，CH₄排放量为107.85 g,CO₂排放量为3 663.15 g,N₂O排放量为4.87 mg.测得的CH₄是瘤胃CH₄和粪便CH₄的排放之和，其中大约90%的CH₄是由瘤胃产生，粪便产生的CH₄仅占10%左右^[16].本研究中得到的N₂O排放量极低，可能原因是藏系绵羊排泄的粪便在寒冷的条件下很快与尿液混合结冰，干扰了N₂O形成过程中的硝化过程，监测的时间短（24 h结束时更换粪袋，收集当天粪便）也可能是造成排放量偏低的原因。

表 2 温室气体排放与采食量及代谢体重间的关系 Table 2 Correlationship between greenhouse gas emissions and dry matter intake and metabolism body weight

表选项

在全球气候变化背景下，对反刍动物生产中温室气体排放进行量化研究，有助于核算全球温室气体排放清单和筛选温室气体减排技术。本研究采用密封式呼吸箱-气相色谱结合的方法，气体采样时，密封壳与水封槽契合可形成密闭系统；代谢笼顶部固定4个风扇，保证了呼吸箱内气体可以充分混匀；采用GC-7890A型气相色谱仪，装有离子火焰检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）,可同时检测出样品中的CH₄、CO₂和N₂O的体积浓度。预饲期内，藏系绵羊在呼吸箱内进行了长期适应，测得的温室气体排放数值可以初步揭示藏系绵羊温室气体排放特征。

CH₄排放是饲料化合物在瘤胃内的发酵产物，与饲料营养的摄入水平呈正相关^[17],CH₄排放速率伴随着采食的规律呈现出一定规律性^[12].CH₄排放峰值出现在8:00和17:00,与上料时间基本相符。此现象与史海山等^[14]的研究结果相似，Gao等^[12]在研究奶牛场CH₄排放特征时也发现相似现象，Van Haarlem等^[18]在研究肉牛养殖场CH₄排放时也发现排放峰值与上料时间趋同的现象，主要原因是饲料底物在瘤胃内发酵后产生CH₄前体物质，在产CH₄菌作用下生成CH₄^[19].藏系绵羊进食后，瘤胃内发酵底物迅速增多，提高了CH₄的生成速率。21:00至凌晨3:00,CH₄排放速率相对平稳，排放量较小，至7:00时CH₄排放速率降至最小值，是由于动物体内尚未消化的饲料化合物逐渐减少，瘤胃中的发酵底物减少，导致CH₄生成量降低；当给动物添料（8:00）后，瘤胃发酵底物瞬时积累，产生的CH₄增多，排放速率升高，进入下一个日变化。本研究中CH₄排放是瘤胃CH₄和粪便CH₄的共同排放结果，粪便中的CH₄排放量很低，Wang等^[20]对放牧条件下3.5岁成年羊粪便的CH₄排放量进行了144 h的监测研究，发现单只羊每天粪便的CH₄排放量仅为（15.07±4.90）mg,表明大部分CH₄是由于瘤胃发酵产生。本研究中单只藏系绵羊CH₄日排放量为16.17 g,Lassey等^[21]利用SF₆示踪法测得（35±5）kg的绵羊CH₄日排放量为20.5 g,造成差别的原因有以下两个：使用的饲料类型不同，本实验的基础日粮是蒸煮的饲料，纤维和脂肪的含量低，粗蛋白含量高，可以降低CH₄生成；不同测量方法下CH₄的排放数值也存在差异^[22].

CO₂来自动物的呼吸代谢作用，包括自身呼吸、动物胃肠道微生物发酵，主要受温度影响^[23].本研究中，CO₂排放曲线相对平稳，没有出现明显波动，平均每小时排放22.85 g·head^-1.史海山等^[14]测得（25±5）kg甘肃细毛羊的CO₂日排放量为147 g,低于本研究的549.17 g,可能原因是史海山等所得排放数值是根据物质二相平衡方程由CH₄排放量推算出来，本研究CO₂排放数据是直接根据气体浓度计算得到。马燕芬等^[24]利用Sable呼吸测量系统研究体重20~30 kg的关中奶山羊CH₄和CO₂排放特征时，测得CO₂日排放量为391~406 g,与本研究所得结果相似。

N₂O是动物粪便中含氮物质经过硝化和反硝化作用生成的^[25],硝化作用把氨态氮转为硝态氮，是产生N₂O的必要条件，需要通风和氧分充足的条件；反硝化过程把亚硝酸盐和硝酸盐转化为N₂O和N₂,需厌氧环境。N₂O排放量受到粪便有机物中氮含量、处理方法、温度、通风和水分含量影响^[26].本研究中，用于检测N₂O的电子捕获检测器（ECD）检出限为10-14 g·mL^-1,可以检测出粪便中N₂O的真实浓度。N₂O排放速率极低的可能原因是采气期间粪袋中的粪尿混合，冷季温度极低，使粪尿混合物结冰，阻碍了N₂O合成中的硝化过程。由于粪便中N₂O的排放周期较长^[27],绵羊粪便N₂O排放的测量时间较短也可能是低排放的一个原因。有关粪便中N₂O排放，将进一步深入研究。

本研究对藏系绵羊温室气体排放的测量结果具有一定可靠性，可以为完善高原畜牧业温室气体排放清单提供数据支持，接下来还将研究不同饲料类型对藏系绵羊温室气体排放的影响，以筛选出甲烷排放低的饲料，减少温室气体排放，提高藏系绵羊育肥效率。 4 结论

（1）CH₄排放峰值出现时间与添料时间基本同步；CO₂排放速率曲线变化平稳；N₂O排放速率无明显规律性，排放速率极低。

（2）冷季补饲模式下，藏系绵羊的CH₄、CO₂和N₂O日排放量分别为（16.17±1.27）、（549.18±20.63）g·head^-1和0.73±0.32 mg·head^-1.