中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (9): 1856-1866.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.09.014
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杨国昌1(), 郑月1, 包向男2,3, 代迎春4, 王金刚4, 白雪峰4, 孙伟2, 李喜和2, 张淑君1(
)
收稿日期:
2024-05-22
接受日期:
2025-03-11
出版日期:
2025-05-08
发布日期:
2025-05-08
通信作者:
联系方式:
杨国昌,Tel:13298128649;E-mail:yangguochang726@webmail.hzau.edu.cn。
基金资助:
YANG GuoChang1(), ZHENG Yue1, BAO XiangNan2,3, DAI YingChun4, WANG JinGang4, BAI XueFeng4, SUN Wei2, LI XiHe2, ZHANG ShuJun1(
)
Received:
2024-05-22
Accepted:
2025-03-11
Published:
2025-05-08
Online:
2025-05-08
摘要:
温室气体的排放不仅会导致全球变暖,引起气候系统发生变化,还可能对臭氧层造成损害,进而加剧温室效应。甲烷气体的排放总量虽然不如二氧化碳气体,在大气中停留时间也较短,但其具有更高的全球增温潜势,是一种极具威胁性的温室气体。畜牧业是人类活动甲烷气体排放的主要来源,其中奶牛的甲烷排放量占据了近五分之一的比例。在这一背景下,测量奶牛个体甲烷排放量变得至关重要。通过了解每头奶牛产生的甲烷排放量可以帮助人类识别出高排放量的奶牛个体,并采取更有针对性的措施来减少排放。因此需要便捷高通量的奶牛甲烷排放测定技术,但如呼吸室、六氟化硫气体示踪技术等传统的甲烷测定技术费时费力且成本高昂,不利于大批量单个奶牛甲烷排放水平的监测。基于奶牛的性状指标组合去预测奶牛的甲烷排放性状水平是一种可行的替代方法, 当前已开发了众多基于奶牛能量摄入、干物质采食量和摄入日粮组成等预测因子的奶牛甲烷预测方程, 但这些预测因子在商业牧场同样难以收集,限制了这些方程在大规模应用中的可行性。考虑到奶牛牛奶的中红外光谱信息可以从奶牛生产性能的常规测定中大批量低成本获取, 在过去十几年中, 国外研究人员一直在对基于牛奶的中红外光谱信息预测奶牛甲烷排放的可行性进行探究,已确认基于牛奶的中红外光谱预测奶牛的甲烷排放量是可行的,具有很强的生物学合理性和中等的预测精度,而我国在这方向的研究还未起步。本文阐述了利用牛奶的中红外光谱信息预测奶牛甲烷排放量的研究现状,强调了未来研究中仍需关注的重点和难点,总结了不同研究在奶牛甲烷排放衡量指标、甲烷性状观测值测定方法、中红外光谱的收集、建模方法与验证策略等方面采取策略的不同, 以期为我国科研人员开展相关研究提供参考。
杨国昌, 郑月, 包向男, 代迎春, 王金刚, 白雪峰, 孙伟, 李喜和, 张淑君. 中红外光谱分析技术在奶牛甲烷排放预测中的应用研究进展[J]. 中国农业科学, 2025, 58(9): 1856-1866.
YANG GuoChang, ZHENG Yue, BAO XiangNan, DAI YingChun, WANG JinGang, BAI XueFeng, SUN Wei, LI XiHe, ZHANG ShuJun. Research Progress on the Application of Mid-Infrared Spectroscopy Analysis Technology in Predicting Methane Emissions from Cows[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(9): 1856-1866.
表1
基于MIRS预测奶牛甲烷排放量的研究总结"
参考文献 Reference | 样本量 Sample size | 甲烷排放量 测定方法 CH4 emission measurement method | 测定目标 Predicting target | 预测因素 Predictive factor | 特征区段 Characteristic band | 预处理Preprocessing | 模型 Model | 结果 Result (optimal) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[ | 59—77 | SF6 | MEP(g·d-1) MEI(g·kg-1 milk) | MIRS (AMS/WAMS) | 972—1589 cm-1, 1720—1782 cm-1, 2746—2970 cm-1 | no/1D | PLS | R2cv=0.79, RPD=2.19, SEcv=5.14 g·kg-1 milk |
[ | 446 | SF6 | MEP(g·d-1) | MIRS(WAMS), DIM | 968—1577 cm-1, 1720—1809 cm-1, 2561—2966 cm-1 | 1D and DIM-LP | PLS | R 2cv=0.67, SEcv=73 g·d-1, |
[ | 532 | SF6 | MEP(g·d-1) | MIRS(WAMS), DIM | 968—1577 cm-1, 1720—1809 cm-1, 2561—2966 cm-1 | 1D and DIM-LP | M-PLS | R 2cv=0.70, SEcv=70 g·d-1, |
[ | 3623 MRCD; 2202 MEP | Sniffer+ CO2 | MCDR(CH4:CO2) MEP(L·d-1) | MIRS(AMS), MY,H, DIM, P, S | 1000—1550 cm-1, 1705—1820 cm-1, 2700—2955 cm-1 | no/SG-1D | PLS | R 2v=0.39, RMSEp= 94 L·d-1 |
[ | 218 | RC | MEP(g·d-1) MEY(g·kg-1 DMI) MEI(g·kg-1 FPCM) | MIRS | 964—1581 cm-1, 1715—1773 cm-1, 2814—2968 cm-1 | SG-1D | PLS | RPD=1.39, R 2cv=0.49, RMSEcv=12.8% |
[ | 1150 | MFA | MEP(g·d-1) MEY(g·kg-1 DMI) MEI(g·kg-1 FPCM, g·kg-1 CYCURD, g·kg-1 CYSOLIDS) | MIRS | 930—5000 cm-1 | no | BayesB | R 2cv=0.57, RMSEcv=1.17 g·kg-1 FPCM |
[ | 584 | RC | MEP(g·d-1) | MIRS(WAMS) DIM | 968—1577 cm-1, 1720—1809 cm-1, 2561—2966 cm-1 | 1D and DIM—LP | MPLS | R 2cv=0.57, SEcv=47 g·d-1 |
[ | 801 | Sniffer | MC(mg·m-3) | MIRS | 925—1584 cm-1, 1719—1784 cm-1, 2652—2976 cm-1 or 1623—1670 cm-1, 3166—3254 cm-1, 3285—3463 cm-1, 3547—3659 cm-1 | no | PLS | R 2v=0.49, RMSEp=0.192 |
[ | 1089 | RC+SF6 | MEP(g·d-1) | MIRS(WAMS), DIM,MY,P,B | 968—1577 cm-1, 1720—1809 cm-1, 2561—2966 cm-1 | 1D and DIM-LP | M-PLS | R 2cv=0. 68, SEcv=57 g·d-1 |
[ | 151 | GF | MEP(g·d-1) MEY(g·kg-1 DMI) MEI(g·kg-1 FPCM) | MIRS(AMS), DMI, MY, P | 965—1570 cm-1, 1702—1817 cm-1, 2557—2998 cm-1 | SG-1D | PLS | RPD=1.7, R 2v=0.66, RMSEv=4.7 g·kg-1 FPCM |
[ | 129 | GF | MEP(g·d-1) MEY(g·kg-1 DMI) MEI(g·kg-1 milk, g·kg-1 FPCM) | MIRS(MS/AMS), DIM, MY, P, FPCM | 968—1577 cm-1, 1720—1809 cm-1, 2561—2966 cm-1 | DIM-LP; no or 1D- SNV-DMT | M-PLS | R 2v=0.9, SEv=2.25 g·kg-1 FPCM |
[ | 181 | Sniffer+GF | MEP(g·d-1) | MIRS(AMS), AC, SC, DIM, C, P, MY, FY, PY | 1000—1550 cm-1, 1705—1820 cm-1, 2700—2955 cm-1 | MSC and SG-1D | PLS/BRANN/ LMANN/ SCGANN, | Rcv=0.704, RMSEcv=70.83, RPDcv=1.43 |
[ | 277 | GF | MEP(g·d-1) | MIRS(MS/JMS/ WAMS), DIM, MY, FY, PY | 930—1600 cm-1, 1710—2990 cm-1, 3690—3822 cm-1 | no | PLS/NN | R=0.71, RPIQ=195 |
[1] |
CCAC&UNEP. Global Methane Assessment: Benefits and Costs of Mitigating Methane Emissions[R]. Nairobi: United Nations Environment Programme, 2021: 28. https://www.unep.org/resources/report/global-methane-assessment-benefits-and-costs-mitigating-methane-emissions.
|
[2] |
胡婉玲, 黄玛兰, 王红玲. 低碳背景下畜牧业甲烷排放现状与减排策略研究. 华中农业大学学报(自然科学版), 2022, 41(03): 115-123.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
doi: S0022-0302(18)30370-9 pmid: 29680642 |
[5] |
|
[6] |
GRA. Technical Manual on Respiration Chamber Designs[R]. 2018.
|
[7] |
|
[8] |
GRA. Guidelines for use of sulphur hexafluoride (SF6) tracer technique to measure enteric methane emissions from ruminants[R]. 2014.
|
[9] |
doi: 10.3168/jds.2011-4605 pmid: 22612952 |
[10] |
doi: 10.3168/jds.2014-9118 pmid: 25771050 |
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
doi: 10.1111/gcb.13339 pmid: 27148862 |
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
董利锋,
doi: 10.3969/j.issn.1006-267x.2016.02.004 |
|
|
[19] |
梁秋曼, 南良康, 陈明新, 熊琪, 秦则平, 吴喜娟, 杨先一, 张淑君. 利用中红外光谱MIR预测奶牛饲料效率的研究进展. 中国奶牛, 2018(10): 5-8.
|
|
|
[20] |
陈焱森, 阮健, 陈绍祜, 滑国华, 王贵强, 熊家军, 杨利国, 张淑君. MIR预测牛奶脂肪酸含量及其遗传力的研究进展. 中国奶牛, 2018(9): 60-64.
|
|
|
[21] |
陈焱森, 阮健, 熊家军, 李喜和, 何长久, 孙伟, 丁瑞, 张淑君. 应用MIR测定牛奶中各种蛋白质含量的研究进展. 中国奶牛, 2018(10): 66-70.
|
|
|
[22] |
陈焱森, 上官爱哨, 陈明新, 马亚宾, 李春芳, 徐为民, 程春宝, 熊琪, 张淑君. 应用MIR预测牛健康状况的研究进展. 中国奶牛, 2020(1): 58-63.
|
|
|
[23] |
doi: 10.1002/jsfa.7718 pmid: 26996655 |
[24] |
doi: 10.1007/978-0-387-74087-4_2 pmid: 18183925 |
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
doi: 10.3168/jds.2014-8268 pmid: 25218750 |
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
pmid: 16899705 |
[32] |
doi: 10.3168/jds.2007-0518 pmid: 18650299 |
[33] |
doi: 10.3168/jds.2010-3408 pmid: 21426953 |
[34] |
doi: 10.3168/jds.2013-6799 pmid: 24440251 |
[35] |
doi: 10.3168/jds.2009-2456 pmid: 19923625 |
[36] |
doi: 10.1017/S1751731112000456 pmid: 23031566 |
[37] |
doi: 10.3168/jds.2011-4606 pmid: 22612953 |
[38] |
doi: 10.3168/jds.2014-8436 pmid: 26026761 |
[39] |
doi: S0022-0302(17)30861-5 pmid: 28918149 |
[40] |
doi: 10.1002/jsfa.10969 pmid: 33222175 |
[41] |
|
[42] |
|
[43] |
|
[44] |
doi: S0022-0302(17)30498-8 pmid: 28527796 |
[45] |
|
[46] |
doi: S0022-0302(18)30515-0 pmid: 29803412 |
[47] |
|
[48] |
doi: S0022-0302(19)30398-4 pmid: 31056328 |
[49] |
doi: S0022-0302(18)30225-X pmid: 29550122 |
[50] |
|
[51] |
doi: S0022-0302(18)30440-5 pmid: 29753478 |
[52] |
|
[53] |
doi: 10.1016/j.foodchem.2014.05.011 pmid: 24996329 |
[54] |
doi: 10.3168/jds.2014-8337 pmid: 25306267 |
[55] |
doi: S0022-0302(16)30248-X pmid: 27179856 |
[1] | 王薇, 罗春海, 贾红豆, 刘佳金, 李丹阳, 付世新. 谷氨酰胺对氧化应激状态下胎衣不下奶牛内质网应激的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(7): 1451-1462. |
[2] | 刘卓琳, 刘红云. 基于网络药理学和分子对接探究芹菜素缓解奶牛热应激及低氧应激的潜力与机制[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 1010-1022. |
[3] | 刘炳琦, 罗春海, 姚伟佳, 王薇, 刘佳金, 李丹阳, 付世新. miRNA-424-5p靶向VEGFA对胎衣不下奶牛胎盘胶原蛋白降解的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(15): 3083-3092. |
[4] | 郝磊晓, 褚楚, 温佩佩, 彭松悦, 杨卓, 邹慧颖, 樊懿楷, 王海童, 刘文举, 王东薇, 刘维华, 杨俊华, 赵娟, 李委奇, 温万, 周佳敏, 张淑君. 基于中红外光谱的中国荷斯坦牛牛奶中钠钾镁含量预测模型的建立[J]. 中国农业科学, 2024, 57(14): 2862-2873. |
[5] | 王晋鹏, 罗仍卓么, 李彦霞, 冯芬, 王正兴, 潘传英, 蓝贤勇, 王兴平. lncRNA RRAS2-AS1在LPS诱导奶牛乳腺上皮细胞炎症中的功能[J]. 中国农业科学, 2024, 57(14): 2874-2888. |
[6] | 李凯, 白国松, 滕春然, 马腾, 钟儒清, 陈亮, 张宏福. 基于体外仿生酶水解物能值和化学成分预测谷物饲料原料的鸡代谢能值[J]. 中国农业科学, 2024, 57(10): 2035-2045. |
[7] | 常春义, 曹元, Ghulam Mustafa, 刘红艳, 张羽, 汤亮, 刘兵, 朱艳, 姚霞, 曹卫星, 刘蕾蕾. 白粉病对小麦光合特性的影响及病害严重度的定量模拟[J]. 中国农业科学, 2023, 56(6): 1061-1073. |
[8] | 徐小静, 魏立民, 赵少猛, 赵桂苹, 张敏红, 冯京海. 1-60日龄文昌鸡母鸡净能需要量预测模型研究[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4552-4560. |
[9] | 郭咏梅, 刘阳, 武汭, 闫素梅, 赵艳丽, 郭晓宇. 维生素A和乙酸交互作用对奶牛乳腺上皮细胞中乳成分合成相关基因表达的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(21): 4344-4358. |
[10] | 唐玉林, 张博, 任曼, 张瑞雪, 秦俊杰, 朱浩, 郭延生. UPLC-MS/MS代谢组学评价归芪益母口服液对产后奶牛瘤胃的调节作用[J]. 中国农业科学, 2023, 56(2): 368-378. |
[11] | 陈玉梅, 张聪聪, 胡丽蓉, 房浩, 窦金焕, 郭刚, 王炎, 刘巧香, 王雅春, 徐青. 热应激对奶牛GNAS启动子区DNA甲基化水平的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(12): 2395-2406. |
[12] | 任义方,杨章平,零丰华,肖良文. 江苏奶牛热应激风险区划及其受气候变化的影响[J]. 中国农业科学, 2022, 55(22): 4513-4525. |
[13] | 相玉婷, 王晓龙, 胡新中, 任长忠, 郭来春, 李璐. 燕麦品种间脂肪酶活性差异及低脂肪酶优质品种的预测[J]. 中国农业科学, 2022, 55(21): 4104-4117. |
[14] | 苏媛媛,张德权,古明辉,张春娟,李少博,郑晓春,陈丽. 不同来源ATP表征冷鲜羊肉新鲜度[J]. 中国农业科学, 2022, 55(19): 3841-3853. |
[15] | 姜春晖,孙旭东,唐燕,罗胜缤,徐闯,陈媛媛. 姜黄素通过Nrf2信号通路对H2O2诱导奶牛乳腺上皮细胞氧化应激的缓解[J]. 中国农业科学, 2021, 54(8): 1787-1794. |
|