NIST 的农业梳测量奶牛气体的排放

"农业梳（agricomb）"是一种由国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员开发的光学频率梳，它能够测量牛打嗝和胀气气体的排放。因此，该器件将有助于优化农业操作，减少温室效应气体的产生。

NIST的研究人员和堪萨斯州立大学（KSU）的一个研究小组在肉牛饲养场附近建立了便携式器件。双梳系统的激光组件被放大和过滤，以针对特定气体，即甲烷、氨气、二氧化碳和水蒸气，它能够同时测量这些气体。当梳光在露天路径上来回发送时，气体是根据大气中吸收的红外光的精确色调和数量来识别的。实验测量了两条逆风和顺风100米路径上的气体，这来自栏杆包围起来约300头奶牛的气体排放。甲烷和氨是这项工作主要的测量气体。因为家畜的排放是美国人类引起甲烷的最大来源，甲烷是一种主要的温室气体。氨也是家畜排放的，它是大气中的主要污染物。

图中显示实验的大致设置。N. Hanacek, NIST供图。

测量调查了牛的消化过程和地面物理废物的排放。农业梳测量的甲烷和氨浓度均达到百万分之一的水平，精度为十亿分之二十五。甲烷的测量结果与商业传感器的结果相当，该传感器在饲料地边缘的多个入口对空气进行采样。研究人员发现，这种农业梳对氨气的测量特别有用，因为这种气体很粘，它很难用吸收空气的系统来测量。此外，能够同时测量许多气体对传统系统来说是件难以完成的任务。

论文指出，虽然商业传感器能够更快地精确测量到环境的水平，但农业梳能更精确地捕获了顺风来的气体，然后可以更好地表征气源。提高精度可能在不久的将来测量牧场稀疏分布奶牛排放的甲烷是很有价值的，这是一个更具挑战性的任务。文章指出，新旧技术之间的协议表明，农业梳是准确量化农业环境中气体的有用工具。这个器件的优点包括对广泛红外光的灵敏度、高精度、同时对多种气体的无校准检测以及测量设置的灵活性。

NIST物理学家Brian Washburn说："对于未来，我们的计划是与KSU合作对牧场进行测量，在这个牧场上牛吃本地草。不同的饲料，加上草原土壤中消耗甲烷的微生物活动，这可能意味着牧场的大气甲烷产量低于饲育场。"管理操作和牛特征的变化使得对排放估计得这项工作具有挑战性。文章称，饲料作为排放的主要因素，但并没有在库存报告中被考虑到，这给温室气体排放模型带来了巨大的不确定性。堪萨斯饲料场的牛吃了干草和玉米青贮的混合物。Washburn说："这些牛大约75%的生命都是在牧场上度过，因此这种测量结果将更能代表净甲烷的产生。这也将是一个更难的测量，因为它将发生在一个更大的区域，约500米乘500米，区域内动物更少，大约40头。"研究人员认为农业梳被证明对精密农业大有益处，它支持精密农业，通过在大型空间尺度上同时测量诸多气体，从而有可能设计更干净、更有生产力的农场。

这项研究发表在《Science Advances》上(www.doi.org/10.1126/sciadv.abe9765).