管理畜口飲食來減少溫室氣體排放

在東南亞的科學家已在一連串的研究項目中,從山羊和牛隻的溫室氣體排放測量中,調查不同飼養模式的影響。每個個案中,從每隻動物打嗝所排出的,由 Gasmet 科技公司的便攜式 FTIR 氣體分析儀測量。研究論文已由「農業發展之畜口研究」刊登。「農業發展之畜口研究」是一個經過同行審查的國際期刊,研究持續發展全球農業。

Reg Preston 博士參與大部份研究,他說:『對於腸道發酵過程產生甲烷有了了解,便有可能推測反芻動物的飲食改變的影響。所以這些研究項目被設計來試驗我們的假設。每個個案中,不同飲食的影響以動物的性能基準來測量,例如飼料轉化和生長率,但亦測量溫室氣體排放。』

『能夠同一時間測量多項氣體,包括二氧化碳及甲烷,是每個研究項目必須有的。Gasmet DX4030 是便攜式以電池充電的儀器,能夠隨地監測,這是在農業研究中的獨有優勢。』

背景

大氣中的甲烷由大自然和人為而來。甲烷明顯比二氧化碳吸收更多能量,成為全球暖化的主角。大氣中的甲烷濃度由 2006 至 2016 年10年間升高。再前一個 10 年,甲烷濃度幾乎沒有變化。所以引起全力對甲烷排放的關注。引起熱烈討論關於甲烷最近升高水平的來源,但似乎由生物活動所引起的升高佔多數,所以減低反芻動物排放的工作比任何事更重要。

反芻畜口產生顯著部份的人為溫室氣體排放,因而成為氣候變化的其中一個因素。反芻動物例如牛、羊、山羊和水牛,透過腸道發酵產生肉食和奶品。腸道發酵是消化過程,微生物在消化道或瘤胃中分解和發酵食物。這過程產生甲烷,並透過打嗝排出。所產生的甲烷量與所攝取的食物類型和攝取量有關,還有其他因素,例如動物的大小、生長速度、產量和環境溫度。由反芻動物流失的甲烷亦代表流失了食物能源,所以提倡減少排放,亦代表有機會改良畜口生產率。

研究項目

每個項目中,甲烷排放的減少以二氧化碳為基準,二氧化碳的產生反映動物用了多少能量,所以在打嗝氣中甲烷與二氧化碳的比率是一種測量甲烷的相對產量,作為代謝能攝取的函數  (Madsen et al 2010; Leng 及 Preston 2010)。

Kongvongxay, Preston, Leng 及 Khang (2011) 研究以文丁果為基礎日糧的 4 隻山羊,在飼料中加入4 種不同單寧酸水平的葉子 (含羞樹),對飼料攝取、消化率、氮儲存和甲烷生成的影響,每隻山羊的飼料供應為期 10 天。瘤胃液、尿液和大便以化學分析來監測飼料的影響。每逢第二及第四次餵飼時段過後,每隻山羊被放置在一個密封箱子內 (由竹製棚架和膠板製成),測量打嗝氣中甲烷與二氧化碳的比率。結果顯示由72%含羞草配製成的飼料出來的甲烷的減少量最多 (42%)。

Sophea 及 Preston (2011) 以稻草、含羞草及通菜作為山羊的飼料中,加入不同水平的補充硝酸鉀以替代尿素,研究對生長率和甲烷生成的影響。假設硝酸在瘤胃取代作為電子受體的二氧化碳,原本產生的甲烷被氨取代。在這反應中,硝酸被還原成亞硝酸鹽,然後還原成氨,結果減少甲烷氣排放。因此,這研究假設硝酸鹽可有潛能取代尿素作為非蛋白質氮(non–protein nitrogen ,簡稱 NPN) 的來源,因為作為尿素,硝酸鹽將會提供可發酵的氮來源,用作微生物蛋白質合成。

在新鮮含羞草、稻草及通菜作飼料中,加入不同水平的硝酸鉀,取代尿素中的等蛋白量,用來餵飼 12 隻正在發育的山羊。它們各自放在籠中,實驗為期 84 日。在這個項目中,呼氣中的瘤胃氣利用膠套管和膠樽被收集。氣體取樣在實驗的最後一日進行,在樽口被封閉前,每隻羊在3 分鐘內呼氣進入樽內。樣本運到胡志明市農林大學的實驗室。甲烷與二氧化碳的比率由 Gasmet DX4030 測量。

相比只有尿素作為非蛋白質氮來源的控制實驗,所有含有硝酸鉀的飼料,雖然不會讓畜口的體重增加,但在混合打嗝氣和空氣中的甲烷和二氧化碳濃度比較少 。甲烷減少的相對比率顯示為正向曲線趨勢,當所有尿素由硝酸取代後,增加至 60% 的減少。

Silivong, Preston 及 Leng (2011) 研究硫和鈣的硝酸對甲烷生成的影響,以含羞草作補充的糖蜜基礎日糧餵食斷奶的山羊。呼入固定空間的打嗝氣以 Gasmet 分析儀在現場分析。工作人員發現,與以尿素作為動物的補充劑的控制實驗作比較時,以含羞草作補充的飼料導致甲烷/二氧化碳比率減少。再者,加入以硫酸鈉作為0.8% 硫到飼料中,亦減少甲烷/二氧化碳的比率,兩樣補充劑有累加效應。補充硫酸同時增加粗蛋白的消化率和氮儲存。不過,這些標準不受非蛋白質氮來源影響。

Sangkhom, Preston, Khang 及 Leng (2012) 利用 16 隻本地雄性黃牛進行研究,它們被餵食經石灰處理過的稻草,並以新鮮木薯葉作補充劑,以硝酸鉀和尿素作為可發酵的氮來源,測量硝酸鉀和尿素對生長進度及甲烷排放的影響。實驗維持了 120 日。最後,動物停留  5  分鐘,讓打嗝氣進入封閉箱子內,然後進行氣體分析來斷定甲烷和二氧化碳的濃度。

硝酸比起尿素作為補充劑,更能改善日常畜口體重的增加和飼料轉換。從混合打嗝氣和空氣中的甲烷與二氧化碳的比率發現,動物以餵食硝酸與尿素作比較,餵食硝酸整體減少 25% 的甲烷排放。

Phuong, Khang 及 Preston (2012) 研究非蛋白質氮的來源、加入硫的水平和木薯葉的來源,對生長進度和甲烷排放的影響。利用 Silivong 等 (2011) 描述的取樣方法,樣本從 16 隻正發育的雌性來辛牛的打嗝氣收集得來,以 Gasmet 儀器分析甲烷和二氧化碳。

工作人員發現飼料攝取不受非蛋白質氮來源影響;但受到加入0.8% 的硫所抑制,新鮮的木薯葉比起葉粉的療程有更低飼料攝取。以協方差修改初期畜口體重數據之後,生長率因飼料加入 0.8 % 硫而受到抑制,但沒有因非蛋白質氮或木薯葉的來源而受影響。甲烷與二氧化碳的比率,因餵食硝酸鉀多過尿素的減少;甲烷與二氧化碳的比率,因餵食新鮮木薯葉的減少多過木薯葉粉。

Thanh, Thu 及 Preston (2012) 在越南研究 12 隻雌性潘郎羊,硝酸鉀或尿素作為非蛋白質氮來源,加入山竹皮,對甲烷生成、瘤胃參數和生長進度的影響。以山竹皮作補充劑減少醋酸與丙酸的比率,從這比率推測甲烷生成的減少。

甲烷:二氧化碳比率在為期  85 日的實驗中,由  Gasmet 儀器斷定,發現餵食硝酸鉀比起尿素,更能減少由羊打嗝而出的氣體中的甲烷與二氧化碳的比率。還有,甲烷生成的趨勢受到以山竹皮作補充而減少。不過,補充劑不會對表現消化率、氮儲存和生長進度有影響。

Silivong, Xaykham, Aloun 及 Preston (2012) 在山羊以南洋櫻和含羞草作日糧,加入糖蜜作補充,探討硝酸鉀和尿素對飼料攝取、消化率、氮平衡和甲烷生成的影響。他們比較山羊被餵飼含羞草與那些被餵飼南洋櫻,發現被餵飼含羞草的山羊的乾物質攝取量、乾物質及粗蛋白的表現消化率係數和氮儲存趨向更高。不過,相反,當南洋櫻作為飼料來源,甲烷排放大大減少 (70%)。相比尿素,硝酸鉀傾向增加日常氮儲存。此外,當含羞草作為飼料來源,與尿素比較下,硝酸鉀減少甲烷:二氧化碳比率,但當南洋櫻被餵飼,甲烷:二氧化碳比率沒有影響。

Leng, Preston 及 Inthapanya (2012) 在新鮮木薯根片作為牛的日常飼糧,並加入新鮮木薯葉作補充劑,探討同時加入生物碳 (增加潛在微生物習性) 及硝酸對甲烷排放有添加的影響這假設是否真確。

12 隻本地幼黃牛進行為期 98 日的試驗,接著為期 21日對糧食的適應。在實驗完結後,採用 Madsen 等 (2010) 提出的方法,從動物打嗝及呼吸而來的混合氣體樣本,利用 Gasmet 儀器分析甲烷和二氧化碳。

畜口體重因加入生物碳到飼料而增加 25%;當硝酸取代尿素, 畜口體重傾向減少。飼料轉化因生物碳和因尿素取代硝酸而改善。飼料攝取不受到以生物碳和非蛋白質氮來源為補充劑而影響。生物碳和硝酸分別減少 22% 和 29% 甲烷生成;生物碳和硝酸組合而來的影響是添加 (41% 減少)。

含羞草是擴散性野草,透過種子散播到東南亞許多地方。不過,研究 例如 Silivong 等 (2012 – 看上) 已顯示含羞草有正面的營養影響,所以 Hang, Lam 及 Preston (2012)含羞草加到苦楝葉作為補充劑,餵飼16 隻斷奶雜交山羊,探討含羞草對山羊的影響。

實驗維持了 90 日,打嗝氣中的二氧化碳和甲烷在最後一星期測量,把山羊放在膠蓋內籠,經過 5 分鐘時間達到到平衡後,濃度由 Gasmet DX4030 FTIR 氣體分析儀用 10 分鐘為一個時段來記錄。

實驗顯示以含羞草取代苦楝減少腸道甲烷排放,在 22% 替代水平下達到線性減少 43%,之後甲烷排放再次升高。生長率對於所有替代水平也是高 (每日 80 至 90 克 ),但與腸道甲烷排放率沒有關係。

一連串研究的其中一部份,目的是擴闊對硝酸的角色的認識。瘤胃發酵碳水化合物產生氫,而硝酸是競爭氫的電子。Sophal, Khang, Preston 及 Leng (2013) 研究硝酸鉀作為取代尿素成為可發酵氮的來源,在腸道甲烷排放和氮平衡的影響。4 隻雄性黃牛被餵飼木薯根片和新鮮木薯葉作為日糧,加入 含 5 % 乾物質的硝酸鉀或加入含1.4 % 乾物質的尿素。每個療程維持  15 日。結果顯示硝酸鉀取代尿素,作為提供非蛋白質氮的補充劑,讓牛減少  43% 的腸道甲烷排放;同時每個有機物質單位被消化,便增加  28% 的氮儲存。

Inthapanya 及 Preston (2015) 在補充飲食蛋白的來源和飼料供應水平 (任食或有限制) ,對於雄性黃牛餵食含尿素的稻草作為日糧,在飼料攝取、消化率和氮平衡的影響。通菜刺激經尿素處理過的稻草日糧的攝取及消化率,但當木薯葉作為補充劑時,通菜沒有增加而是保持相等的氮儲存。因此,總的來說,用作新陳代謝的可用蛋白,結果在通菜補充增加瘤胃微生物蛋白質,但對於木薯葉作為補充劑時,它是由蛋白衍生而來的逃離瘤胃消化。

Silivong 及 Preston (2015) 發現當白花羊蹄甲葉和糖蜜作為日糧,並加入通菜 (作為快速可發酵蛋白來源) 和生物碳作補充劑,山羊的生長進度被改善。Leng 等 (2014) 的報告卻是相反,生物碳使餵飼經尿素處理的稻草的牛減少甲烷排放。在這實驗中,山羊以樹葉作日糧,生物碳沒有影響甲烷排放。不過,認同這些作者的是生物碳卻對生長進度有正面影響。

研究發展出一個假設,就是蛋白可溶性是反芻動物潛在甲烷生成的指標。這研究由正發育的山羊被餵食木薯葉或腫柄菊,以更高蛋白可溶性的通菜葉作或不作補充劑。在這研究中,Porsavatdy, Preston 及 Leng (2016) 比較腫柄菊與木薯葉作為日糧,發現腫柄菊出來的表面乾物質消化率高出 30%,當通菜亦作日糧時,表面乾物質消化率有輕微改善 (約 3%)。當通菜作為主要葉子而不是腫柄菊時,氮儲存有 21% 增長,但由通菜明顯得到的利益更少 (約 8%) 。當通菜作為日糧的主要葉子,比起木薯葉,在打嗝氣中的甲烷排放減少 50%;而當通菜亦被餵食時,甲烷排放增加。假設以這樣的飼料,在盲腸 / 大腸的平衡飼料發酵比起在瘤胃更高。在盲腸的發酵降解,氫的處理被乙酸生成所支配,這便解釋了這類日糧會減少甲烷的產生。

『Kilao』是米經驗蒸餾而來的副產品(米蒸餾副產品),幾乎在所有老撾農村都會被生產。當米被發酵和蒸餾,會產生米酒。當經青貯的木薯根和木薯葉成為基本糧食,米蒸餾副產品會對牛的生長有正面影響。Phongphanith 及 Preston (2016) 在 12 隻牛身上進行試驗,結果是米蒸餾副產品與生物碳有互相影響。米蒸餾副產品在沒有生物碳之下,甲烷:二氧化碳比率沒有影響;但當米蒸餾副產品與生物碳結合,甲烷:二氧化碳比率減少了 36%。同樣地,生物碳因米蒸餾副產品的存在而減少甲烷;但沒有米蒸餾副產品而產生相反效果。

以經青貯的木薯根、尿素和新鮮的木薯葉為日糧,加入米蒸餾副產品為補充劑,以 37% 改善了生長率,以 21% 改善了飼料轉換。因生物碳的補充所得的改善減少(生長率和飼料轉換都是 15%)。米蒸餾副產品和生物碳的組合使畜口體重增加 60%(每日由 300 至 500 克)。飼料轉換增進了 38%。

象草被視為全球生長最快的植物,能夠提供可發酵蛋白和纖維,在瘤胃對木薯漿的微生物發酵需要可發酵蛋白和纖維。Duy 及 Khang (2016) 因此在信德牛進行試驗,當象草加入由木薯漿和椰子油穀物粗粉作補充劑,評估對生長率和腸道甲烷生成的影響。

在試驗中採用 12 隻雌性信德牛。在實驗的最後階段,由每隻動物打嗝和呼吸而出的混合氣體,利用 Gasmet DX4030 分析甲烷:二氧化碳比率。在進行測量前,牛被關在封閉箱子 1 小時,因而使動物排出的氣體得以與環境的空氣達成平衡。在動物住處的空氣樣本的甲烷:二氧化碳比率亦被分析。

工作人員發現在象草和木薯漿的日糧中,增加椰子油穀物粗粉,會加快生長率、改善飼料轉換和減少打嗝甲烷。 當糧食中的椰子油穀物粗粉濃度增加,而又直接影響打嗝甲烷的減少,飲食蛋白的可溶性降低。椰子油透過間接影響瘤胃的原生生物量,而減少甲烷生成。

啤酒粕只限在啤酒廠附近取得。Keopaseuth, Preston 及  Tham (2017) 因此研究 12 隻餵食木薯漿尿素和稻草的黃牛,利用木薯葉替代啤酒粕作為補充劑。實驗由  2016 年  2 月到 7 月,為期  120 日。在試驗的最後階段,動物在封閉的箱子內 20 分鐘等待氣體分析,動物的打嗝氣與空氣在這期間混合,然後由 Gasmet DX4030 測量混合氣體的甲烷和二氧化碳濃度。

當啤酒粕加入 9-17% 日糧乾物質,最高生長率被記錄。在混合打嗝氣和空氣中的甲烷與二氧化碳的比率,隨著飲食中新鮮木薯葉續漸取代啤酒粕,以曲線趨勢急劇下降。

在老撾培植棕櫚油因得到政府支持而成為最近的活動。棕櫚油讓當地生物柴油的出產提升,隨之而來是取得粗甘油。Phanthavong, Preston 及 Leng (2017) 因此對 32 隻黃牛 (未閹割的雄性和雌性) 進行實驗,評估不同水平的甘油對生產參數和腸道甲烷生成的影響。實驗運作了 120 日,日糧是任食青貯的木薯槳 (含 3% 尿素)、新鮮啤酒粕和稻草。

其他工作人員過往曾進行實驗,證明粗甘油包含在肉食牛飲食中可能提升水平到 15%,而沒有妨害性能和肉質。不過,Phanthavong 等 (2017) 證實隨著在飼料中增加由  0  至  10.8%甘油,生長率以曲線趨勢增長。在最高水平的甘油,畜口的體重 (每日由  449  至  578 克) 超出控制地增長了 29% 。飼料轉換率不會因加入甘油而受影響。進食甘油以線性減少打嗝氣中的甲烷濃度。在最高水平的甘油補充,甲烷濃度只錄得在沒有甘油的控制實驗飼料所排出的30 %。作者推測這效應可能是基於低粗蛋白含量,以及 木薯槳的顆粒更細。

通菜和木薯葉可供應易發酵蛋白來源,提供縮氨酸、胺基酸和氨,這些化合物增強對難以消化的葉子纖維進行微生物發酵。Porsavathdy, Do 及 Preston (2017) 因此對 12 隻山羊進行實驗,餵飼山黃麻葉為日糧,以曬乾的木薯葉或通菜作補充劑。他們得出結論是當山羊的飼料有曬乾的木薯葉或通菜作補充劑時,餵飼山黃麻葉有更隹的生長率和飼料轉換。不過,木薯葉帶出更佳效果。相似地,當以通菜作補充,甲烷排放有 26% 減少;而木薯葉作補充有 41%  減少。

木薯的種類繁多,分為「甜」、「苦」兩種生態型,取決於含氰苷的水平。當木薯被切碎,以及被動物咀嚼,含氰苷經植物酵素產生氫氰酸  (HCN)。HCN  亦在瘤胃經微生物酵素與醣苷反應而產生。 啤酒粕不單是過瘤胃蛋白質的來源,對於分解「苦」木薯中的  HCN  或其前體,更能有利耐受性或包容度。Binh, Preston, Duong 及 Leng (2017)  探討低濃度啤酒粕  (日糧乾物質的4%)  加入日糧,對於任食加了尿素的青貯的木薯槳並加入有苦木薯葉的礦物質混合物的 Lasind  牛,所出現的影響。試驗進行了兩個為期  56 日的時段。

第一個時段,牛被餵食苦木薯葉,每日只增加  61 克;相比那些被餵食甜木薯葉的牛,每日增加 383 克。第二個時段,當這療程加入啤酒粕,畜口體重每日增加  380 克。在日糧中分別按次序以啤酒粕、甜木薯和苦木薯作補充,打嗝氣-空氣混合氣中的甲烷與二氧化碳的比率隨著此療程次序而降低。

在老撾萬象的木薯廠中,有一個露天地洞,發現有 10, 000 公噸的木薯槳當作廢物被棄置超過 4 年。於是,展開研究木薯的價值,探討木薯作為養肥牛隻的密集系統。從 10 米深的地底採集樣本,發現木薯槳已天然地青貯,酸鹼度是 3.2。

啤酒粕已在數個試驗中被證實其效益,供應視乎地理環境而定。Sangkhom, Preston, Leng, Ngoan 及 Phung (2017) 對 16 隻正催肥的黃牛進行了為期 120 日的試驗,以木薯根為日糧,以酵母、尿素、磷酸氫二銨、木薯葉和稻草發酵。一半動物亦被提供瘤胃分解蛋白質,份量是預測得來的乾物質進食量的4%。

以瘤胃分解蛋白質作為補充劑改善了 40% 生長率及 20% 飼料轉化 ;打嗝瘤胃氣中的甲烷與二氧化碳的比率改善了 20%。

結論

畜口在亞洲扮演著重要的角色,超出了作為傳統肉食和奶品的供應,它們亦用於不同目的,例如電能、交通、資本、信貸、社會價值、皮革,亦為季節性種植提供有機肥料的來源。無論如何,反芻動物是溫室氣體排放到大氣層的重要因素。因此,必須找出減排的方法,以上點出的研究證實如何可達到重大的減少,而又同時改善動物產量,並且善用當地可得到而又低成本的資源。

Leng (1991) 指出發展甲烷緩解策略的第一步是增加產量,因為甲烷的產生,與飼養動物或發展遺傳潛力去生產奶品和肉食無關。

以上每個試驗延續超過  8 年,便攜式 Gasmet FTIR 氣體分析儀已被採用來測量從反芻動物而來的打嗝氣。這獨一無二的分析儀的主要優點是它能夠現場操作,實時測量大量目標氣體。讀數可在 PDA 或手提電腦上顯示,記錄了的光譜可在 CalcmetTM 軟件分析及存入數據。

Gasmet DX4030 及其進化版  DX4040 都是堅固耐用,操作簡易,減少培訓新員工和設置試驗所需的時間。便攜、耐用、易用、獨立於主電源、多項氣體組合能力、準確和靈敏,讓  Gasmet FTIR 分析儀對於需要在鄉郊地方進行可靠測量的研究項目來說,是理想的工具。

總的來說,以上提出的研究項目探討飼料對畜口產量的影響、腸道甲烷排放及資源效率;有助我們更了解畜口管理如何幫助打擊氣候變化及鄉郊貧窮。

 

參考文獻:

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