J. Dairy Sci. 97:3231–3261 http://d

J. Dairy Sci. 97:3231–3261 http://dx.doi.org/10.3168/jds.2013-7234
© American Dairy Science Association®, 2014.

Invited review: Enteric methane in dairy cattle production: Quantifying the opportunities and impact of reducing emissions

J. R. Knapp,*1 G. L. Laur,† P. A. Vadas,‡ W. P. Weiss,§ and J. M. Tricarico#
*Fox Hollow Consulting LLC, Columbus, OH 43201
†Gwinn-Sawyer Veterinary Clinic, Gwinn, MI 49841
‡USDA Agricultural Research Service Forage Research Center, Madison, WI 53706
§Department of Animal Sciences, The Ohio State University, Wooster 44691
#Innovation Center for US Dairy, Rosemont, IL 60018




ABSTRACT

Many opportunities exist to reduce enteric methane (CH4) and other greenhouse gas (GHG) emissions per unit of product from ruminant livestock. Research over the past century in genetics, animal health, microbiol- ogy, nutrition, and physiology has led to improvements in dairy production where intensively managed farms have GHG emissions as low as 1 kg of CO2 equivalents (CO2e)/kg of energy-corrected milk (ECM), compared with >7 kg of CO2e/kg of ECM in extensive systems. The objectives of this review are to evaluate options that have been demonstrated to mitigate enteric CH4 emissions per unit of ECM (CH4/ECM) from dairy cattle on a quantitative basis and in a sustained man- ner and to integrate approaches in genetics, feeding and nutrition, physiology, and health to emphasize why herd productivity, not individual animal productivity, is important to environmental sustainability. A nutri- tion model based on carbohydrate digestion was used to evaluate the effect of feeding and nutrition strate- gies on CH4/ECM, and a meta-analysis was conducted to quantify the effects of lipid supplementation on CH4/ECM. A second model combining herd structure dynamics and production level was used to estimate the effect of genetic and management strategies that increase milk yield and reduce culling on CH4/ECM. Some of these approaches discussed require further research, but many could be implemented now. Past efforts in CH4 mitigation have largely focused on identifying and evaluating CH4 mitigation approaches based on nutrition, feeding, and modifications of ru- men function. Nutrition and feeding approaches may be able to reduce CH4/ECM by 2.5 to 15%, whereas rumen modifiers have had very little success in terms of sustained CH4 reductions without compromising milk production. More significant reductions of 15 to 30%


Received July 6, 2013. Accepted February 28, 2014.
1 Corresponding author: [e-mail]

CH4/ECM can be achieved by combinations of genetic and management approaches, including improvements in heat abatement, disease and fertility management, performance-enhancing technologies, and facility design to increase feed efficiency and life-time productivity of individual animals and herds. Many of the approaches discussed are only partially additive, and all approaches to reducing enteric CH4 emissions should consider the economic impacts on farm profitability and the rela- tionships between enteric CH4 and other GHG.
Key words: enteric methane, methanogen, feed ef- ficiency, lifetime productivity, mitigation


INTRODUCTION

Methane and Greenhouse Gas Emissions

Methane (CH4), carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O), and halocarbons are greenhouse gases (GHG) that enhance the effects of solar and thermal radiation on surface and atmospheric temperatures and are often expressed on a CO2-equivalent (CO2e) basis. Often, different and confusing bases are used in expressing the proportions of GHG and CH4 emissions from livestock agriculture (Lassey, 2008). Although enteric CH4 gen- erated in the gastrointestinal tract of livestock is the single largest source of anthropogenic CH4 (Figure 1a), it is a lesser proportion of anthropogenic GHG emis- sions (Figure 1b). Methane has several natural sources (termites, wetlands, peat bogs, ocean sediments, and wildlife) and man-made sources (natural gas produc- tion, coal mining, wastewater treatment, landfills, and agriculture; Figure 1a; Lassey, 2008). Anthropogenic sources account for approximately 58% of total global CH4 emissions (Figure 1a; EPA, 2010, 2011a).
In “Livestock’s Long Shadow,” the Food and Agricul-
ture Organization of the United Nations (Steinfeld et al., 2006) stated that global livestock agriculture was re- sponsible for 18% of the anthropogenic GHG emissions annually. Since then, several groups have rebutted that report and provided reduced estimates of the impact of


3231




Figure 1. (a) Estimated proportion of global CH4 emissions from natural and anthropogenic sources. Sources comprising 1% or less are not shown and include wild animals, wildfires, permafrost, and anthropogenic stationary and mobile sources. More uncertainty exists in estimates of CH4 emissions from natural than from anthropogenic sources [data from EPA (2010) and EPA (2011a)]. (b) Global greenhouse gas (GHG) anthropogenic emissions by sector, with CH4 and N2O on a CO2-equivalent (CO2e) basis. Agriculture combined with land use change accounts for
22% of global greenhouse gas emissions. Deforestation accounts for 10.3% and fossil fuel utilization accounts for 1.4% of CO2 released; biogenic CO2 is not included [data from analysis by Ecofys (2013)]. (c) The 5 countries and regions with the largest livestock-associated enteric CH4 emis- sions on a million-metric-tonne (Mt)-of-CO2e basis. In the United States, 95% of enteric CH4 arises from ruminant livestock (EPA, 2011b); this proportion can be assumed for other countries, although the contributions from beef versus dairy operations will vary. Manure CH4 is emitted by storage systems where anaerobic fermentation occurs. Manure CH4 and N2O can be from either ruminant or nonruminant livestock operations [data source: EPA (2011a)]. EU 27 = European Union countries.



livestock agriculture on GHG emissions (Pitesky et al.,
2009; EPA, 2011a; Petherick, 2012). Land use change (for example, converting forest or permanent pasture to annual crops) contributes a significant portion and, when combined with existing agriculture, accounts for 14 to 22% of global anthropogenic GHG emissions (Figure 1b; Shafer et al., 2011; Ecofys, 2013), although some analyses attribute little land use change to dairy production (Gerber et al., 2013; Golub et al., 2013). Approximately 37% of global agricultural CH4 and N2O arise from direct animal and manure emissions, and the remainder is associated with cropping and deforestation (EPA, 2011a). On a world-wide basis, dairy animals, in- cluding cull cows and beef cattle from dairy breeds, are estimated to contribute only 4% to anthropogenic GHG emissions (FAO, 2010). In many developed countries, the contribution of dairy production to GHG emissions is estimated even lower, due to the higher productivity of livestock agriculture, the dilution by emissions from other sectors, and lack of significant land use change (Hagemann et al., 2011). In the European Union 15, beef and dairy cattle are estimated to contribute 2.1 and 1.2%, respectively (EEA, 2011), to anthropogenic GHG inventories, and in the United States, all live- stock (including nonruminants) and dairy cattle are estimated to contribute 2.75 and 0.55%, respectively, to anthropogenic GHG emissions (EPA, 2011b). However, in developed countries where pastoral agriculture is a significant portion of the economy (e.g., Ireland and New Zealand) or developing countries with large cattle populations (e.g., Brazil and India), ruminant livestock can be a very large contributor to the national GHG inventory (FAO, 2010).
Examining CH4 emissions from livestock agriculture as a proportion of total anthropogenic GHG emis- sions in a given country or region can be misleading. Methane emissions are a function of the population of ruminant animals, their level of production, and the associated manure-handling systems. Thus, the countries or regions with the largest cattle popula- tions in the world contribute the most to global ag- ricultural CH4 emissions on a million-metric-tonne basis (metric tonnes of CO2e; Figure 1c). Why should the dairy industry in any country be concerned about CH4 emissions? First, international policy discussions have focused on non-CO2 emissions such as CH4 and N2O because they are less expensive to mitigate than CO2 emissions (EPA, 2006; FAO, 2010; Shafer et al.,
2011; Gerber et al., 2013). Often, CH4 mitigation ap-
proaches can be economically advantageous as well as
environmentally beneficial. Second, because the CO2 emitted by livestock, including dairy cattle, arises from metabolism of plant-derived feedstuffs, it is viewed as part of a continuous biological cycle of fixation, uti-

lization, and exhalation. Accordingly, it is defined as biogenic CO2 and livestock are considered to be a zero net source of CO2 (Pitesky et al., 2009). Third, enteric and manure CH4 comprise more than 40% of the GHG emissions associated with fluid milk production in the United States (Thoma et al., 2013). Last, some retail- ers and consumers in both domestic and international markets are concerned about the contribution of GHG emissions to the carbon footprint of foods. Ruminant livestock will play a crucial role in future global food security because far more grazing land exists, unusable for human food, than cropping land (Gill et al., 2010

Kết quả (Việt) 1:

J. sữa Sci. 97:3231-3261 http://dx.doi.org/10.3168/jds.2013-7234
© Hiệp hội khoa học chăn nuôi bò sữa Mỹ ®, 2014.

mời xem xét: ruột mêtan trong sản xuất sữa bò: định lượng các cơ hội và tác động của việc giảm lượng khí thải

J. R. Knapp, * 1 G. L. Laur, † P. A. Vadas, ‡ W. P. Weiss, § và J. M. Tricarico#
* Fox Hollow tư vấn LLC, Columbus, OH 43201
†Gwinn-Sawyer thú y bệnh viện, Gwinn, MI 49841
‡USDA nông nghiệp nghiên cứu dịch vụ thức ăn gia súc Trung tâm nghiên cứu, Madison, WI 53706
§Department của khoa học động vật, The Ohio State University, Wooster 44691
#Innovation Trung tâm cho chúng tôi sữa, Rosemont, IL 60018



trừu tượng

nhiều cơ hội tồn tại để giảm ruột mêtan (CH4) và các nhà kính (GHG) lượng phát thải khí cho mỗi đơn vị của sản phẩm từ chăn nuôi tái. Các nghiên cứu trong thế kỷ qua trong di truyền học, thú y, microbiol-ogy, dinh dưỡng và sinh lý học đã dẫn đến những cải tiến trong sản xuất sữa nơi chuyên sâu được quản lý trang trại có nhà kính lượng phát thải thấp nhất là 1 kg của CO2 tương đương (CO2) /kg năng lượng sửa chữa sữa (ECM), so với > 7 kg của CO2/kg ECM trong mở rộng hệ thống. Mục tiêu của nhận xét này là để đánh giá các lựa chọn đã được chứng minh để giảm thiểu phát thải CH4 ruột cho mỗi đơn vị của ECM (CH4/ECM) từ gia súc chăn nuôi bò sữa trên cơ sở định lượng và trong một người đàn ông duy trì-ner và tích hợp các phương pháp tiếp cận và di truyền học, cho ăn và dinh dưỡng, sinh lý học và sức khỏe để nhấn mạnh lý do tại sao đàn năng suất, không phải cá nhân sản xuất động vật, là quan trọng đối với môi trường bền vững. Một mô hình nutri-tion dựa trên tiêu hóa carbohydrate được sử dụng để đánh giá hiệu quả cho ăn và dinh dưỡng strate-kết trên CH4/ECM, và một meta-phân tích được thực hiện để định lượng những ảnh hưởng của lipid bổ sung trên CH4/ECM. Một mô hình thứ hai kết hợp đàn cấu trúc động lực học và sản xuất cấp được sử dụng để ước tính tác động của di truyền và chiến lược quản lý sữa tăng năng suất và giảm tiêu huỷ trên CH4/ECM. Một số các phương pháp tiếp cận thảo luận yêu cầu tiếp tục nghiên cứu, nhưng nhiều người có thể được thực hiện bây giờ. Những nỗ lực trong quá khứ trong giảm nhẹ CH4 có chủ yếu tập trung vào việc xác định và đánh giá CH4 giảm nhẹ phương pháp tiếp cận dựa trên dinh dưỡng, cho ăn, và sửa đổi của chức năng ru-người đàn ông. Dinh dưỡng và đồ ăn thêm phương pháp tiếp cận có thể được có thể giảm bớt CH4/ECM 2,5 đến 15%, trong khi công cụ sửa đổi chuỗi đã có rất ít thành công trong điều khoản của duy trì CH4 giảm mà không ảnh hưởng đến sản xuất sữa. Quan trọng hơn giảm 15-30%


nhận được ngày 6 tháng 8 năm 2013. Chấp nhận 28 Tháng ba, 2014.
1 Corresponding tác giả: [e-mail]

CH4/ECM có thể đạt được bởi sự kết hợp của di truyền và quản lý phương pháp tiếp cận, bao gồm cải tiến trong nhiệt abatement, bệnh tật và khả năng sinh sản quản lý, công nghệ nâng cao hiệu suất, và cơ sở thiết kế để tăng hiệu quả nguồn cấp dữ liệu và thời gian cuộc sống năng suất cá nhân động vật và đàn gia súc. Nhiều người trong số các phương pháp tiếp cận thảo luận chỉ có một phần phụ gia, và tất cả các phương pháp tiếp cận để giảm ruột CH4 phát thải nên xem xét các tác động kinh tế trên trang trại lợi nhuận và rela-tionships giữa ruột CH4 và khí nhà kính khác.
từ khóa: ruột mêtan, methanogen, nguồn cấp dữ liệu ef-ficiency, đời năng suất, giảm nhẹ


giới thiệu

mêtan và lượng phát thải khí nhà kính

mêtan (CH4), khí carbon dioxide (CO2), nitơ ôxít (N2O), và halocarbons là khí nhà kính (GHG) nâng cao những ảnh hưởng của bức xạ năng lượng mặt trời và nhiệt nhiệt độ khí quyển và bề mặt và thường được biểu diễn trên một cơ sở tương đương CO2 (CO2). Thông thường, căn cứ khác nhau và khó hiểu được sử dụng trong thể hiện tỷ lệ của lượng phát thải khí nhà kính và CH4 từ gia súc nông nghiệp (Lassey, 2008). Mặc dù ruột CH4 gen-erated ở đường tiêu hóa của vật nuôi là nguồn duy nhất lớn nhất của anthropogenic CH4 (con số 1a), nó là một tỷ lệ thấp hơn anthropogenic GHG emis-sions (hình 1b). Mêtan có nhiều nguồn tự nhiên (mối, vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, trầm tích đại dương, và động vật hoang dã) và nhân tạo nguồn (khí tự nhiên sản phẩm-tion, khai thác mỏ than, thải, bãi chôn lấp và nông nghiệp; Con số 1a; Lassey, 2008). Anthropogenic nguồn tài khoản cho khoảng 58% tổng phát thải CH4 toàn cầu (con số 1a; EPA, 2010, 2011a).
"Của chăn nuôi bóng dài," các thực phẩm và Agricul-
Ture tổ chức Liên Hiệp Quốc (Steinfeld và ctv., 2006) tuyên bố rằng vật nuôi toàn cầu nông nghiệp là re-sponsible cho 18% tổng lượng phát thải khí nhà kính anthropogenic hàng năm. Kể từ đó, nhiều nhóm có rebutted báo cáo đó và cung cấp các ước tính giảm tác động của


3231




hình 1. (a) ước tính tỷ lệ phát thải CH4 toàn cầu từ các nguồn tự nhiên và anthropogenic. Nguồn bao gồm 1% hoặc ít hơn không được hiển thị và bao gồm các động vật hoang dã, cháy rừng, băng giá vĩnh cửu và anthropogenic văn phòng phẩm và điện thoại di động nguồn. Thêm sự không chắc chắn tồn tại trong các ước tính của CH4 phát thải từ tự nhiên hơn từ anthropogenic nguồn [dữ liệu từ EPA (2010) và EPA (2011a)]. (b) toàn cầu khí thải nhà kính (GHG) anthropogenic theo lĩnh vực, với CH4 và N2O trên cơ sở tương đương CO2 (CO2). Nông nghiệp kết hợp với sử dụng đất thay đổi tài khoản cho
22% của hiệu ứng nhà kính toàn cầu khí thải. Nạn phá rừng chiếm 10,3% và các tài khoản sử dụng nhiên liệu hóa thạch cho 1,4% co 2 phát hành; Các khí CO 2 không phải là bao gồm [dữ liệu từ phân tích bởi Ecofys (2013)]. (c) các 5 quốc gia và khu vực với các lớn nhất liên quan đến vật nuôi ruột CH4 emis-sions trên một triệu-số liệu-tấn (Mt) - của - CO2 cơ sở. Tại Hoa Kỳ, 95% của ruột CH4 phát sinh từ chăn nuôi tái (EPA, 2011b); tỷ lệ này có thể được giả định cho các quốc gia khác, mặc dù sự đóng góp của thịt bò so với hoạt động chăn nuôi bò sữa sẽ khác nhau. Phân bón CH4 phát ra từ hệ thống lưu trữ nơi quá trình lên men kỵ khí xảy ra. Phân bón CH4 và N2O có thể từ cả hai hoạt động chăn nuôi tái hoặc nonruminant [nguồn dữ liệu: EPA (2011a)]. EU 27 = liên minh châu Âu nước.



chăn nuôi nông nghiệp về phát thải khí nhà kính (Pitesky et al.,
2009; EPA, 2011a; Petherick, 2012). Thay đổi sử dụng đất (ví dụ, chuyển đổi rừng hoặc vĩnh viễn đồng cỏ cho cây trồng hàng năm) đóng góp một phần đáng kể và khi kết hợp với sẵn có nông nghiệp, chiếm 14-22% toàn cầu anthropogenic phát thải khí nhà kính (hình 1b; Shafer et al., năm 2011; Ecofys, 2013), mặc dù một số phân tích tính ít đất sử dụng thay đổi để sản xuất sữa (Gerber et al., 2013; Golub et al., 2013). Khoảng 37% CH4 nông nghiệp toàn cầu và N2O phát sinh từ trực tiếp phát thải động vật và phân bón, và phần còn lại là kết hợp với trồng trọt và nạn phá rừng (EPA, 2011a). Trên cơ sở trên toàn thế giới, chăn nuôi bò sữa động vật, trong cluding huỷ bò và thịt bò gia súc từ sữa giống, được ước tính đóng góp chỉ 4% đến anthropogenic lượng phát thải khí nhà kính (FAO, năm 2010). Ở nhiều nước phát triển, sự đóng góp của các sản xuất sữa để phát thải khí nhà kính được ước tính thậm chí thấp hơn, do cao năng suất nông nghiệp chăn nuôi, pha loãng của lượng khí thải từ các lĩnh vực khác, và thiếu quan trọng đất sử dụng thay đổi (Hagemann và ctv., năm 2011). Trong liên minh châu Âu 15, thịt bò và sữa bò được ước tính đóng góp 2.1 và 1,2%, tương ứng (EEA, năm 2011), để anthropogenic khí nhà kính hàng tồn kho, và tại Hoa Kỳ, tất cả các sống-chứng khoán (bao gồm cả nonruminants) và gia súc chăn nuôi bò sữa được ước tính đóng góp 2,75 và 0,55%, tương ứng, của lượng phát thải khí nhà kính anthropogenic (EPA, 2011b). Tuy nhiên, trong phát triển quốc gia nơi mục vụ nông nghiệp là một phần quan trọng của nền kinh tế (ví dụ như, Ireland và New Zealand) hoặc nước đang phát triển có dân số gia súc lớn (ví dụ, Brazil và Ấn Độ), còn chăn nuôi có thể là một đóng góp rất lớn cho hàng tồn kho nhà kính tỷ (FAO, năm 2010).
Kiểm tra CH4 phát thải chăn nuôi nông nghiệp như là một tỷ lệ của tất cả các khí nhà kính anthropogenic emis-sions trong một quốc gia nhất định hoặc vùng có thể gây hiểu nhầm. Lượng phát thải metan là một chức năng của dân số còn động vật, mức độ sản xuất và hệ thống phân xử lý liên quan. Do đó, Quốc gia hoặc khu vực lớn nhất gia súc popula-tions trên thế giới đóng góp nhiều nhất cho lượng khí thải CH4 ag-ricultural toàn cầu trên cơ sở triệu mét tấn (tấn của CO2; Tìm 1 c). Tại sao nên ngành công nghiệp sữa ở bất kỳ quốc gia được quan tâm về phát thải CH4? Đầu tiên, cuộc thảo luận chính sách quốc tế đã tập trung vào không khí CO 2 phát thải như CH4 và N2O bởi vì họ là ít tốn kém để giảm thiểu hơn lượng khí thải CO2 (EPA, 2006; FAO, NĂM 2010; Shafer et al.,
2011; Gerber et al., 2013). Thông thường, CH4 giảm nhẹ ap-
proaches có thể thuận lợi về kinh tế cũng như
mang lại lợi ích môi trường. Thứ hai, bởi vì các khí CO 2 phát ra từ chăn nuôi, bao gồm cả sữa bò, phát sinh từ sự trao đổi chất của nguồn gốc thực vật feedstuffs, nó được xem như là một phần của một chu kỳ sinh học liên tục của thực vật, uti-

lization, và bốc hơi. Theo đó, nó được định nghĩa là các CO2 và chăn nuôi được coi là một nguồn net zero của CO2 (Pitesky et al., 2009). Thứ ba, ruột và phân CH4 bao gồm hơn 40% lượng phát thải khí nhà kính kết hợp với sản xuất sữa chất lỏng tại Hoa Kỳ (Thoma và ctv., 2013). Cuối cùng, một số bán lẻ-ers và người tiêu dùng tại thị trường trong nước và quốc tế được quan tâm về sự đóng góp của lượng phát thải khí nhà kính vào khí carbon của thực phẩm. Còn chăn nuôi sẽ đóng một vai trò quan trọng trong an ninh lương thực toàn cầu trong tương lai vì đất chăn thả hơn tồn tại, không sử dụng được cho thực phẩm của con người, hơn xén đất (Gill et al., 2010