CN102105050A - 监控和减少反刍动物甲烷产量的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

减少反刍动物的甲烷排放的方法(400)以及实现该方法的系统(100)。该方法(400)包括提供(405)饲料分配器(120)，该饲料分配器用于向反刍动物供给一种或多种营养补充物(126)，且该饲料分配器(120)包括气体分析器(116)，其靠近反刍动物放置其头部的位置。该方法(400)包括确定(420)接近饲料分配器(112，120)的具体的反刍动物(204)，例如通过阅读来自RFID耳标(208)的标识以及运转(444)饲料分配器(120)以甲烷-控制的营养补充物(126)的定量供应。该方法(400)包括使用气体分析器(116)以确定(470，476)二氧化碳和甲烷(210，214)水平以及运转(490)数据分析工作站以确定甲烷对二氧化碳的比率和调节下一次喂养时提供给反刍动物(204)的营养补充物(126)种类或量从而来控制甲烷的产量或实现动物产量的目标，例如通过选择性地运转具有两个或多个补充物室的饲料斗(122)。

Description

监控和减少反刍动物甲烷产量的方法和系统
相关申请
本申请要求美国临时专利申请61/055,933(于2008年5月23日提交)、美国临时专利申请61/209,179(于2009年3月4日提交)和美国专利申请12/469,882(于2009年5月21日提交)的优先权，将三个专利的全部内容引入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及监控反刍动物的气体排放和利用信息从而减少反刍动物甲烷排放和提高反刍动物生产效率(production efficiency)的方法。
背景技术
甲烷是重要的温室气体。在使全球变暖的潜力方面，一吨甲烷相当于大约21～22吨二氧化碳。结果是，减少排放一吨甲烷相当于减少21吨或更多的二氧化碳，并且在温室气体(GHG)市场中可以带来约21吨的碳信用额(carbon credit)(以二氧化碳计)。另外，在大气中甲烷的半衰期约为12年，并且在全世界范围内大气中的甲烷以年约0.5％的速率逐年增加。因此，减少当前向大气中释放的过量甲烷是非常迫切的。
普遍认为牛和其他的反刍动物排放的包括甲烷在内的温室气体(GHG)是导致全球变暖的重要原因。一些科学家估计家畜类排放的甲烷占全球甲烷(CH4)预算的37％。牛排放的甲烷大部分是通过嗳气引起的，这种甲烷可以通过改变牛的饮食而得到明显地减少。减少甲烷排放的尝试通常涉及使用营养块(nutrient block)或其他的饲料补充物(supplement)，同时另外的努力则集中在改变动物群的遗传组成。到目前为止，测量和潜在地补偿反刍动物的GHG源的方法并不可行或尚不能广泛地实行，造成这种现象的原因部分是因为在对使用的补充物进行测量的同时监控反刍动物的CH4排放量的方案费用较高。
反刍动物在其消化过程中生成大量的甲烷。反刍动物内的多级消化系统包含大量的微生物聚生体(substantial microbial consortia)，微生物聚生体通过厌氧消化将食物成分分解成小分子量的脂肪酸、醇和微生物蛋白质，这些物质经过消化道并被重吸收。该过程排放甲烷，并且其导致的能量损失相当于每头肉牛每天可能增加的重量中的1/3磅～约0.5磅(one half a pound)。特别的反刍动物例如奶牛的能量损失甚至可能高于上述估计值。瘤胃中所生成的二氧化碳和甲烷通过动物的鼻孔和口喷出或嗝出。平均来说，动物约每40秒打一次嗝。甲烷排放除了引起GHG忧虑以外，反刍动物产生的甲烷和嗳气引起的甲烷损失意味着在反刍动物的生产效率方面存在大量的能量损失。当饮食质量降低时，作为总摄入能量的一部分的甲烷的排放会增加且饮食效率会降低。因此，监控反刍动物的甲烷产量的变化的技能提供了一种监控和诊断消化效率并且监控GHG排放水平的工具。一些近期的研究表明甲烷产量与动物遗传学、动物饮食以及其他影响瘤胃微生物菌群的因素有关。在实地条件(field condition)下容易地对甲烷产量变化进行监控的技能表明动物管理能力得到明显提高。
甲烷损失是动物重要的能量损失。全球范围内，这等同于损失上万亿美元的饮食生产能力。动物营养学家已知可以通过饮食来改变瘤胃中的代谢路径从而减少甲烷产量以及更为有效地利用饲料。一些饮食的补充物是可获得的，并且在很多情况中，动物重量的增加很容易超过营养补充物的成本，这使得对于反刍动物生产者例如家畜的生产者来说，使用补充物变得很有吸引力。相应地，反刍动物减少的甲烷排放可以增加单位草料或饲料所生产的动物同时也可以减少不期望的甲烷排放。当动物进食低质量的草料时，低质量的草料实际上需要更长的时间来经过动物的消化道。因此，草料的质量越差，动物需要越长的时间来消化草料，这将使重量的增长变得更慢并且甲烷的产量会更大。然而，由于在实际实地条件下监控甲烷的变化是很困难的或在过去是几乎不可能实现的，且改变草料组合物以减少甲烷损失以及监控和改变影响反刍动物甲烷产量的遗传因素是不可行的。因此可以监控相对的甲烷排放量的变化的系统可以给反刍动物生产者提供关于最佳草料和放牧(graze)条件的重要信息。另外，因为喂养了高能量食物的动物会更快地处理这些饲料，所以它们在每单位时间会生成更多的甲烷但是生产一单位的肉或奶则会生成更少的甲烷。因此测量来自瘤胃的甲烷和二氧化碳以及来自动物呼吸作用的二氧化碳也是较为重要的，这样以便用来区分瘤胃过程与分解代谢和呼吸作用，并且测量它们各自相对于动物生产的排放量-例如相对于动物重量的增加和/或动物奶的产量的排放量。
U.S.专利No.5,265,618公开了一种系统，其测量牛或其他动物的代谢气体的排放。该系统不要求将动物禁闭在一个房间里或畜栏里。首先向准备测量其代谢气体排放的动物提供渗透管(即在一端具有可渗透气体的塑料盘的金属管)。在管子内有生理学上惰性的示踪物。该渗透管填充有加压的液态示踪物，其缓慢地以气体形式渗透经过塑料盘。为了测量瘤胃生成的和呼吸作用的代谢气体，将样品容器，例如抽空容器或充气式围垫放置在动物上。用直径小的样品管连接样品容器和笼头(halter)且结束于靠近动物口部的某一位置上。当动物呼吸时，其呼出代谢气体和示踪物。然后从样品管中收集包含代谢气体和示踪气体的气体样品。由于示踪物的渗透速率是已知的和稳定的，给定的代谢气体流量对示踪气体流量的比率等于所收集的空气样品中的各气体的混合比率。因此较易通过测量所收集的样品中的代谢气体和示踪物的混合比率来算出动物瘤胃的代谢气体流的速率。然而该系统，需要大量的动物操作和有效的训练。另外，该系统对于无法忍受笼头的动物是不可行的，其中不能忍受笼头的动物占反刍动物群的很大一部分。而该系统也只仅提供表示平均瘤胃过程、分解代谢和呼吸作用的时间积分值。该系统不能用于追踪短期变化且也不能区分瘤胃过程和分解代谢相关的呼吸过程。
将提高的反刍动物代谢效率转化成可销售的GHG补偿(GHG offset)的方案在经济上尚不可行。虽然矿物质块、其他有效的营养补充物和瘤胃-改性抗生素和离子载体在减少甲烷产量方面是有效的，并且在很多情况中每天的成本仅为几分，但在当前的温室气体(GHG)补偿的情况下，合规、记录和监控的成本超过可以产生的GHG补偿。并且，和喂养高质量食物的动物相比，喂养低质量草料的动物其单位时间释放的甲烷更少。然而，和喂养高质量食物的动物相比，喂养低质量草料的动物其作为总能量摄入的函数的甲烷排放量高得多。结果是，和喂养高质量可消化食物的动物相比，喂养低质量、难消化的草料的动物其每生产单位质量动物排放的甲烷高得多。可以使用营养物进料器添加低质量草料中所不含的特别的营养物以促进消化，从而提高生产单位质量的动物的效率并降低生产单位质量的动物所排放的甲烷。因此所期望的是记录甲烷释放速率的相对变化以及并不总是需要测量单位时间的甲烷流量。即单位产量的呼吸作用和瘤胃气体中的甲烷比二氧化碳的比率的变化可以提供记录动物特性改善所需的信息，其中所述性能的改善引起甲烷可定量的减少并且可以产生碳信用额。另外，测量较短时间内来自瘤胃的甲烷和二氧化碳的排放量，以及将该排放流和测量的来自分解代谢的二氧化碳进行区分是有必要的，以便追踪特定的反刍动物体内的能量流并且记录肉和奶的生产效率从而在某种程度上便于交互式处理以改善单位产量的生产效率和降低甲烷的排放。
发明内容
本发明的一个或多个实施方案提供了实地工作站(field station)的实施，该工作站可以监控甲烷的排放和/或二氧化碳的排放。甲烷比二氧化碳比率的变化可以用来表征代谢效率的改变，并且在一些实施方案中，然后可以通过存储在基于动物个体和/或动物群的系统存储器或数据存储器上的排放量、比率和代谢效率的改变的数据来追踪已确定的这些排放量、比率和代谢效率的改变。另外，可以将这些数据发送到计算机上，在该计算机上进行数学建模或其他计算(例如通过计算机运转的软件程序或模块)从而将数据转化成甲烷流量。另外，可以将内部(例如来自动物的)或外部(例如来自外部源)示踪物整合到系统中。在这种情况中，可以直接测量来自每只动物的甲烷和二氧化碳流量，而不使用笼头或其他设备，以及不对动物进行处理或禁闭。
例如，在本发明的一个示例性的但非限制性的实施方案中，监控反刍动物的气体排放，确定甲烷的排放量以及调节或补充反刍动物的饲料供应或另外处理反刍动物以减少甲烷的排放。在一些实施方案中，使用非分光红外设备(non-dispersive infrared instrument)监控反刍动物释放的二氧化碳和甲烷。备选地，使用以下方法测量甲烷和二氧化碳的排放量，例如使用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)、单通道傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、其他基于红外线的方法、小型化气相色谱/氢火焰离子化检测器(GC/FID)、或小型化质谱仪或者甚至可以通过定期气体样品的收集以及稍后使用气相色谱进行分析来确定甲烷和二氧化碳的排放量。
可以通过由系统中的一个或多个计算机/处理器运转的软件程序/模块，对得到的信息和从存储在系统存储器中的数据库或其他可得到的(例如通过有线或无线连接至数字通信网络例如互联网或内部网等)动物统计数据和/或与反刍动物上的RFID标签相关的信息一起进行分析，与反刍动物上的RFID标签相关的信息包括遗传信息，例如动物是否断奶(weaned)、它的年龄、它的体内温度、它的重量和其他生理参数等(例如，RFID标签可以具有可读的存储器或可以提供用于从系统中检索(retrieve)该类信息的标识符(identifier)，或其他的可利用的/可获得的数据存储器或存储器)。动物个体备选的识别方法可包括眼睛/视网膜模式(eye/retinal patterns)、激光印标(laser-imprinted)条形码或字母数字代码、脸部识别模式(facial pattern recognition)、动物呼吸中或来自动物的其他部分所排放的气体或化合物，以及遗传信息。基于排放信息和有关反刍动物的其他信息，一个或多个软件程序或模块确定补充物的配方(prescription)或其混合物(例如具体的补充物和所选的各种补充物的量)。然后可运转该系统从而可以通过运转喂养工作站(feeding station)(例如控制由甲烷的监控和减少系统的控制器/操作器传输给喂养工作站的补充物/饲料分配设备的信号)来向反刍动物提供多种补充物中的一种和/或特定量的一种补充物或特定量的多种补充物。
在本发明的一个示例性实施方案的方法中，在喂养工作站中测量其中的反刍动物的呼吸中所排放的二氧化碳和甲烷。也可进行其他的测量并发送到数据记录器(data logger)中。这些数据可由单个传感器提供并存储在反刍动物和甲烷监控数据库中。在其他情况中，这些数据可以由来自动物RFID耳标(ear tag)上读出的信号获得并读入到数据记录器中。在一些实施方案中，至少确定动物的甲烷产量(例如，通过由计算机/处理器运转的甲烷监控模块来确定甲烷的排放量/产量和/或处理甲烷和二氧化碳的排放量比率从而测定当前动物的代谢效率)。其他可能要确定的参数包括识别一种或多种补充物或补充物的混合物和补充物的量或多种补充物的量以提供给反刍动物从而减少所确定的甲烷排放量(当反刍动物的饮食未改变时相应的甲烷排放量)。
根据一个方面，可以构建和设置反刍动物甲烷饲料工作站从而使其以多种模式工作。在一个实施例中，饲料工作站包括罩(hood)从而限制风的影响力和/或用于集中动物的呼吸。在这种情况中，动物，例如奶牛将其头插入到开口中。此时，可以使用传感器阅读耳标(例如包含RFID芯片或标记的标签)来确定动物的年龄和种类。基于该信息，通过选择性地运转饲料工作站的饲料分配器(feed dispenser)来释放特定的营养物混合物。在一个有用的实施方案中，设计所述混合物以减少反刍动物的甲烷产量。由系统的计算机(一个工作站或多个工作站)运转的软件模块来确定控制营养物的种类和营养物的量，该过程可能是基于由装在饲料工作站中的和位于靠近饲料工作站的地上的传感器输入的信号来进行的。所收集的信息包括用来确定动物增加的重量的动物重量、用来确定动物代谢效率的在饲料工作站中/靠近饲料工作站的甲烷和二氧化碳排放量比率，和/或用于记录性能和生成CERC(碳减排信用额)的额外测量。
在另一实施例中，除了测量动物呼吸中的甲烷和二氧化碳的比率之外，将动物的头插入到饲料室、畜栏或饲料工作站中从而引起特定的、控制流速的示踪物的释放。在一些实施方案中示踪物优选是惰性气体例如六氟化硫、丁烷或利用安装在饲料工作站的仪器测量的其他化合物。稀释示踪物用于针对大气稀释的影响校准甲烷和二氧化碳测量值。以此方式，除了代谢的甲烷和二氧化碳比率之外可以确定甲烷和二氧化碳流量。
在另一实施例或实施方案中，动物的呼吸用作大气稀释作用的示踪物。由于反刍动物的呼吸是用水饱和的，通过饲料工作站提供的特定传感器测量的水蒸气的变化有时用于记录混合作用。备选地，通过监控自然存在于反刍动物呼吸中的其他气体或化合物(例如小分子量醇和有机酸)可以确定混合作用。从这些信息出发，通过反刍动物监控系统的实施方案中提供的软件/硬件可以测量/确定纯的(absolute)甲烷流。在另一实施方案中，通过将动物关在进料器的外面直到一天特定的时间点从而捕获反刍的每日循环(diurnal cycle)。例如，动物通常可能在一天特定的时间点接近绿色饲料系统(GreenFeed system)或喂养工作站。设置系统程序/控制系统使得直到动物在不同的时间点接近时才提供补充物。在这种情况中，当绿色饲料系统是“活的”以分配营养补充物(或引诱饲料)时绿色饲料系统有时提供视觉或听觉刺激。因此可以设置系统程序从而捕获在每日循环中不同时间点的反刍过程和因此明确/确定甲烷流的特征。在另一实施方案中，设置系统程序从而在交替的时间段分配补充物给特定个体，并且在其他的时间段内仅分配安慰剂给该个体。以此方式，更加明确地确定与进行的具体处理相关的甲烷的排放量并存储在存储器中或存储在监控/追踪数据库中(例如被记录)。
在另一实施方案中，提供营养块系统以监控反刍动物吃草时反刍动物潮气呼吸(tidal breath)和嗳气中的甲烷和二氧化碳浓度。监控系统的饲料工作站或系统部分类似于短柱(short post)上的被罩住的盐渍地(salt-lick)。除了一边被覆盖之外，营养块可全部被包围。未覆盖的边上具有足够大的洞使得动物可以将头插入并接近营养块或一种或多种营养物的容器(一个或多个)。放置在罩下面的是RFID标签阅读器，其用于激活和阅读/接受来自每只动物的RFID耳标上的信息。营养块工作站还可包含甲烷/二氧化碳监控器、数据记录器和/或通信装置(例如蓝牙传输器、具有调制解调器的手机等)。在一些情况中，工作站可以含有全球卫星定位(GPS)芯片以获得和收集关于个体(unit)的位置和一天动物接近时间的信息。再一次，可以利用喂养工作站的数据记录器或不同的数据存储装置来存储上述信息，上述数据存储装置例如用于存储数据库的集中数据存储器，所述数据库收集了大量来自上述这样的喂养工作站和/或一组动物或被监控的反刍动物群的数据。在一些情况中，由太阳能电池充电的电池给系统提供能量，尽管可以容易地使用其他能源。
在甲烷监控和产量控制系统的一个操作方法中，当动物接近本发明实施方案的营养块工作站时，在特定的时间段开启该系统进行监控并记录甲烷/二氧化碳的比率、动物标识数(animal’s identification number)(例如来自基于RFID耳标的读数)、时间(来自喂养工作站的系统钟表的读数)、和/或工作站的位置(来自喂养工作站的标识符和查询GPS芯片等)。基于所收集的和所得到的信息以及基于由系统软件根据信息做出的决定，通过选择性地操作喂养工作站中的饲料分配器来向动物提供补充物从而控制、减少或保持甲烷的排放量处于当前期望的水平(例如对于被监控的动物群中的每只动物，其目标甲烷排放水平可被存储在系统存储器中，并且该系统可以比较当前确定的排放速率和目标水平，从而来确定是否应该提供一种或多种补充物和以多少量添加补充物以增加、减少或保持喂养动物时的甲烷排放水平)。在一些情况中，动物可能每天消耗1～2盎司的补充物，并且通过改变补充物的盐含量对每个动物消耗的补充物的量进行控制(例如不仅规定/控制补充物和补充物的量，而且控制和补充物混合物一起提供以用来促进补充物(一种或多种)的消耗的添加剂)。
在实践中，可以有策略地将工作站置于靠近集合点的场所，例如典型的喂养工作站的水源，该喂养工作站可以喂养相对较多的动物，例如喂养40～100只动物。该系统可装载有安慰剂矿物块以记录动物群和牧场的甲烷排放量基线。以这种方式，可以添加矿物补充物以记录GHG减少量，从而可以非常经济的方式监控每只动物以及整个动物群。如果发现准确的或更精确的甲烷和二氧化碳的排放速率是有利的(例如代替代谢效率的相对变化)，可以将任选的示踪物释放系统整合到所述系统中。示踪物释放系统利用第三种化学物种(例如可以确定的速率释放的丁烷或惰性碳氟化合物)。然后稀释示踪物用来对动物的头“在罩下”可能发生的有限的大气混合作用进行校准。然而在一些仪器中并不使用所述方法，这是因为罩下的甲烷和二氧化碳的浓度可能是环境浓度的很多倍并且效率的增加可以通过记录两种气体的比率而不利用绝对的排放速率。
除了产生大量的GHG补偿之外，该系统可用作家畜类的管理工具。所得的甲烷/二氧化碳比率提供关于动物和牧场条件的宝贵信息。当动物存在时，矿物质块的监控系统的罩下的甲烷和二氧化碳浓度通常非常高，即远高于环境浓度，因此有助于代谢气体浓度的测量。如果优选，根据需要系统的实施方案可以使用OEM NDIR设备。虽然该类型的传感器可花费高达几千美元，但绿色饲料工作站或喂养工作站仍然是有成本效益的。由于工作站是自动化的，因此每只动物的监控成本是非常低的。由于多个家畜可以共用一个工作站，每只动物的成本也相对较低。
附图说明
图1～3是分别示出了用于监控和控制反刍动物甲烷产量/排放量的系统(或绿色饲料系统)的一个实施方案的正视图、截面图和俯视图；
图4示出了监控和控制反刍动物甲烷产量和/或排放量的方法，其例如通过整体操作或部分操作图1～3所示的系统来实施；
图5是说明依照本发明的实施方案在绿色饲料系统的饲料工作站的食槽(manger)/罩内测量的在反刍动物的呼吸中(例如在嗳气循环过程中等)的甲烷和二氧化碳踪迹的通常模式的图；
图6A和6B示出了绿色饲料系统实施方案的一部分，该绿色饲料系统使用栓畜栏(tie stall)结构来监控和控制反刍动物的GHG排放；
图7A和7B示出了与图1～3类似地用于监控和控制反刍动物甲烷产量/排放量的系统的实施方案(或者绿色饲料系统的另一实施方案)；以及
图8是说明监控和控制反刍动物甲烷产量和/或排放量方法的图，所述方法例如通过整体操作或部分操作图1～3所示的系统、图6A和6B的系统和/或图7A和7B的系统来实施。
具体实施方式
本文所述的方法和系统有望极大地减少家畜类的寄生的(parasitic)GHG排放和增加放牧效率。这些监控和减少/控制反刍动物甲烷产量的技术有望进一步具有重要的经济潜力。除了动物效率增加之外，根据广泛的文献值期望的实际减少的甲烷排放量可以例如产生的GHG补偿的价值为每只动物每年$1～$20(美元)，这取决于例如饮食和动物的遗传学。
图1～3示出了监控和控制反刍动物甲烷产量/排放量的系统100的一个实施方案的示例性组分。所示出的系统100可包括反刍动物耳标阅读器114(例如适合于阅读放置在动物204的耳朵上的RFID标签208的阅读器)从而具有耳标208的动物204可以接近工作站110并被所示出RFID阅读器114识别，该RFID阅读器114提供数据给数据记录器118，在该实施例系统100中阅读器114和数据记录器118放置在工作站110的罩/食槽112上。在一些情况中设计绿色饲料系统100(本文中″绿色饲料″系统也可以称作监控和控制反刍动物甲烷产量/排放量的系统等)从而通过选择性地控制/运转一种或多种饲料系统120或其分配器/饲料斗(hopper)122利用饲料/斜槽控制机构(mechanism)/部件124，来向食槽112中分配定制组分给每个特定动物204。
例如，分配器/饲料斗122可以包含液体或颗粒状的补充物126以及可以选择性地运转。该饲料斗122可具有一个或多个室(为了便于说明而不是为了限制，仅示出一个室)，每个室含有一种或多种不同的补充物126，根据下述信息通过自动的营养物分配器120的输出机构124独立地操作上述这些室，所述信息为确定的甲烷和二氧化碳的排放量(例如通过示出的CH4和CO2分析器116，其可以处理罩/食槽112内释放的CO2和CH4即210和214，并提供数据或控制信号给自动营养物分配器120)，以及在一些情况中，确定的喂养动物204时的当前/实时的代谢效率。系统100(或其未示出的、但由一个或多个板载(onboard)/本地处理器或远端处理器运转的软件程序或模块)也可以基于对动物温度的测量(例如通过内置在动物耳孔(图1～3中未示出)内的传感器进行测量)和/或基于通过绿色饲料系统100所测量的动物代谢气体做出判断。存在于系统100的计算模块中的数值计算机模型(numerical computer model)(例如分析器116、数据记录器118、以及未具体示出的自动的营养物分配器120中)通过嵌入到系统100中或者远端操作与数据记录器118连接。
以下的一系列描述了在动物测量循环期间所述绿色饲料系统100的示例性运转，该动物测量循环具有图4所示的绿色饲料过程400的实例流程图中的至少一些步骤。
绿色饲料系统，例如系统100可包括：用于具体饲料补充物(例如液体或颗粒状补充物126)的一个或多个分配器(例如分配器122)；动物代谢气体排放量的监控系统(例如系统100的NDIR CH4和CO2分析器116以及数据记录器118)；RFID阅读器(例如阅读器114)以阅读每只动物耳标上的数据(如图2中的208所示)；嵌入到放置在地上的量重秤(weight scale)中的传感器以记录接近的动物的重量(图1～3中未示出，但是可以由系统100提供)；当主电源不可利用时提供能源的太阳能电池板(图1～3中未示出，但是可以包括在系统100中)；以及电池，其通过牧场的太阳能电池板进行充电(图1～3中也未示出，但是包括在某些系统100中以实施本发明的实施方案)。过程400开始于405，例如在牧场或反刍动物的喂养区域内提供动物饲料工作站和营养物分配器，步骤405也可以包括在系统中装载处理软件/模块以分析所监控的排放量数据以及，相应地，针对具体动物(例如动物204)或所监控/控制的动物群来操作营养物分配器。
周期性地，开启系统(例如系统100)并且测量绿色饲料系统食槽部分内部的环境空气(例如图1～3所示的饲料工作站110的罩/食槽112，动物204将其头部插入到其中)。这些空气样品是背景样品，由分析器116或系统(例如系统100)的其他装置来进行取样。绿色饲料系统可以并入任选的前帘和边帘(在图1～3的系统100中未示出)从而在极端多风的条件下限制和环境空气的混和作用。备选地或额外地，可以将绿色饲料系统食槽/进料器单元(例如系统100的单元110)制成于枢轴上转动(pivot)的形式从而使其开口总是朝向顺风方向。这有助于限制引起代谢气体排放量和浓度的稀释的大气混合作用。
当动物在步骤410中接近时，系统于420利用标签或RFID阅读器监控动物的耳标，并且这样的阅读过程启动(awake)喂养系统。在绿色饲料系统中可以提供由处理器(一个或多个)运行的计算机程序，该程序对一天的时间进行监控，并且基于一天的时间和/或特定的动物(例如基于耳标所确定的)确定是否分配具体的饲料材料。在一些情况中，可以分配吸引动物但不具有明显的代谢效果的安慰剂饲料。安慰剂记录具体动物的特性基线。如所示，于430，系统可确定通过阅读耳标与数据库连接的动物已经接受它们每日的定量供应(ration)，并且如果为是，则于436继续该方法400，针对其他接近的动物该系统以待命(standby)模式运转，例如向未喂养动物分配合适的营养物。
在420阅读RFID标签之后，系统(或其监控软件)可以在440确定与已阅读的耳标相关联的动物未接受其每日定量供应的甲烷控制(methane controlling)的营养物或其他营养物。在一些情况或在执行过程400中，可以将耳标的标签数(例如15位数等)记录在数据记录器中，如450所示。于444，基于在数据库中查寻具体的动物，可以操作自动的营养物分配器来分配饲料和/或营养物补充物，以及可将所分配的饲料和/或补充物的量记录在绿色饲料系统中的数据记录器或其他数据储存装置中，如450所示。
于460，和饲料工作站或RFID阅读器相关联的独立的传感器/检测器可以引发开启气体监控设备和/或其他监控设备。可以将监控器(例如系统100中的分析器116)设置在绿色饲料罩中和/或远程设置该监控器，并且可以将从绿色饲料罩和食槽内所收集的空气样品发送给分析设备。在一个实施过程中，如步骤470和476所示测量甲烷、二氧化碳，以及水蒸气，例如通过图1～3所示的传感器和/或测量装置进行测量。另外，可以将动物重量、动物奶产量、动物中心温度，以及其他数据发送给数据记录器(例如系统100的数据记录器118)和图1～3所示的喂养工作站的计算机系统。然后可以将这些数据传送给计算机程序或系列程序，在其中运行数值模型例如在数据分析工作站490内，从而得到或产生如下决定：该决定是关于在下一次或当前动物喂养或接近饲料工作站时，在步骤444分配的具体抗生素和/或营养补充物的种类和量(例如，通常根据经检测的甲烷排放量和/或动物的代谢效率，提供在此时分配给该具体的动物具体的补充物等的“配方”或“饮食”)。与在传送给数据分析工作站490的营养补充物选择程序模块或程序的同时，或在传送给数据分析工作站490的营养补充物选择程序模块或程序之前，通过如450所示的数据记录器记录步骤470和476中所测量的随时间的气体浓度。可将数据存储在进料器的位置或通过无线或有线通信传送给分析工作站490。
如方法400所示，基于利用数据分析工作站490所确定的补充物，绿色饲料系统(例如系统100)通过操作饲料分配器/饲料斗(例如，通过如图1～3所示的具有液体或颗粒状补充物126的饲料斗122量出一种或多种补充物/饲料126的具体量)将所需的(或所确定对于控制甲烷产量有用的)营养补充物和/或抗生素分配到食槽中。
分析测量系统(例如分析器116、数据记录器118和数据分析工作站490以及分析工作站软件模块)测量甲烷和二氧化碳比率的变化。当嗳气发生时，甲烷浓度形成峰值(spike)。当头置于受限空间内的动物进行呼吸时，来自需氧呼吸的二氧化碳成线性增加。因为动物的呼吸中排出很少量的甲烷，所以可以区分需氧呼吸和无氧呼吸。图3说明了反刍动物呼吸和嗳气循环的一般模式。然后可以将该数据和由数据分析工作站490的基线所得的数据进行比较，例如确定个体的甲烷排放速率的相对变化。然后可以在数据分析工作站490的远程计算机上或者内部计算机(resident computer)上，使用该数据对描述动物代谢作用的数值模型(例如工作站490运转的软件模块)进行初始化，从而计算温室气体的减少量。
甲烷监控和排放控制或绿色饲料系统可以结合遥感勘测系统(telemetry system)以传输数据给远程计算机(或如图4所示的数据分析工作站490)，在此将数据存储在计算机存储器或数据存储器(例如具有数据记录器所收集的每只动物的补充物和甲烷排放量数据的数据库)中和/或针对大量动物进行进一步处理和/或如图1～3所示的工作站中。绿色饲料系统可包括内部计算机(使用处理器(一个或多个)以运转一种或多种软件程序/模块(未示出)，但在一些实施方案中数据分析工作站490中提供，从而引起计算机(一个或多个)或它们的处理器实施具体的功能)以处理数据和集合所收集的和所记录的数据从而生成关于每只动物个体的排放减少量和特性效率的报告。在一些实施方案中，系统和其数据分析工作站可以起到集合动物个体和/或整个动物群的数据的功能。在一些实施方案中，绿色饲料系统可以与其他系统连接，例如但不限制于C-Lock技术(C-Lock Technology)和/或GrennCertTM(U.S.专利7,457,758号和7,415,418号，在此将其全部内容引用作为参考)。在一些提供将绿色饲料系统和其他系统连接的实施方案中，可将监控反刍动物和排放量控制的数据转化成显而易见的和能验证的碳信用额(例如C-Lock验证的碳信用额等)。
可将示踪物的释放整合到绿色饲料系统中从而使已知量的容易测量的、通常不是反刍动物产生的示踪气体释放到绿色饲料食槽区域(例如，释放到图1～3的系统100的饲料工作站110的罩112中，从而通过分析器116或独立的示踪气体分析器进行测量)中。示例性的示踪物包括丁烷、丙烷、乙烷、六氟化硫和/或很多其他的通常容易得到且容易测量的化合物。测量该示踪气体的衰减可用于计算和环境空气混合而引起的稀释。备选地，示踪物的释放可持续足够长的一段时间从而可使用稳定状态的浓度来估计动物排放的代谢气体的稀释(通过分析器116或数据分析工作站490和其软件/处理模块)。
以这种方式，可以测量或确定甲烷和二氧化碳的绝对质量流量(例如通过数据分析工作站490)。图5说明了反刍动物呼吸和嗳气循环的一般模式500，作为方法400的一部分可以通过NDIR CH4和CO2分析器116测量或监控和/或通过数据分析工作站490的数据处理软件/模块确定上述反刍动物呼吸和嗳气循环。线510表示所测量的或所确定的反刍动物呼吸中的CO2浓度(如在系统100中的食槽或罩112中所测量的)，而线520表示所测量的或所确定的反刍动物呼吸中的CH4浓度。
当动物从绿色饲料系统(或罩110)移出其头部时，在一些实施方案中，可将系统设置成连续监控系统食槽区域(或罩110)内的空气从而监控甲烷和二氧化碳浓度由于和大气混合而衰减到环境水平(例如通过如方法400所述运转分析器116和数据记录器118，以及如数据分析工作站490和其处理模块所述，通过处理从动物处收集的/监控的数据)
在牧场中可以存在数百只动物，有时可安装监控和排放控制系统使得仅允许经选择的个体接近绿色饲料监控系统(或者通过耳标/RFID或其他动物标识来识别反刍动物的子集，从而仅监控和控制该类子集的动物的排放)。然后，利用系统从动物个体的代表性样品(例如用于接受营养物的相同动物或不同组的动物)处收集的数据，将营养物处理传递给所有的动物。之后通过数值模型可以将结果外推从而对整个群的结果进行定量。以这种方式，一个单元可以用于几百只动物，并且不需要总是必须对每只动物进行采样(但是，可能在其他实施中对其进行采样)。交替地，如果所有的动物装配了RFID标签，可以设置系统程序来从整个动物群中选择个体进行随机取样或常规取样。
简言之，可以将实施方案的系统描述成作为对监控相对排放速率的变化有用的系统。该系统可以提供数据给数值模型以估计甲烷流量以及计算GHG排放的减少量，随后可以将该GHG排放的减少量转化成或用于确定碳信用额。系统可使用内部或外部示踪物以测量甲烷、二氧化碳和其他代谢气体的质量流量。可以多种方式设定该系统。
例如，如图6A和6B(俯视图和侧视图)所示，绿色饲料系统600可以组的形式使用，例如在挤奶室或棚中从而同时测量所有个体。例如，可以将系统600整合到用于限制动物活动的笼头610或其他装置中。系统600包括管道620用来从喂养区域(该喂养区域可被罩住)移动或传送呼吸/气体样品到一个或多个NDIR或类似的分析器/设备中，当提供饲料630时动物的头置于上述喂养区域中。参考图1～5所讨论的，基于所监控的甲烷和/或二氧化碳的水平(通过运转CO2/CH4分析器和/或数据分析工作站以及其运行软件模块来进行检测)，可以选择性地改变系统600中的饲料630，和/或补充精选的营养物从而减少GHG产量/排放量。
在另外的实施方案(未示出)中，将本发明系统的监控和/或分配补充物的部分添加到自动机器人挤奶机上以在动物挤奶时监控甲烷和二氧化碳的比率。如可以理解的是，可以在几乎任何装置中使用监控和控制或绿色饲料系统，其中在所述装置中，反刍动物接近食物或水或其它，将其头放置在某位置上一段可接受的时间从而得到呼吸监控的测量值(例如图1～3饲料工作站可以被图6A和6B的畜栏替代，被替代或用于自动挤奶系统中，在自动挤奶系统中通常将反刍动物放置在用来挤奶的位置上，并经常同时喂养反刍动物或向反刍动物提供营养物/补充物等)。其他位置的家畜和其他反刍动物可以被强迫聚集或自动地聚集(使它们作为监控/营养物的分配工作站)，以及在大气中混合其呼吸的地点可包括水源(water fount)或供水工作站(其可被罩住或被保护以防止风和混合作用的影响，如在上述关于饲料工作站中所进行的讨论)和营养物/盐渍地型工作站等。换言之，术语“喂养工作站”、“罩”和“食槽”的含义范围较广且通常意在涵盖任何如下设备或装置，反刍动物可将其头放置到上述设备或装置中一段时间，并且至少在一定程度上限制与周围环境气体的混合作用的条件下，对反刍动物的呼吸进行监控，以及，至少在一些情况中，可以分配营养物/补充物以控制或减少GHG的排放。
依照本发明的实施方案的一个说明性的系统包括综合测量和确认牛的甲烷排放量的减少的系统。该系统包括甲烷(CH4)测量技术，例如一种具有准确度和可靠性且可以用于生成碳信用额的测量技术，在系统的一个实施方式中包括三重(triple-beam)/双重气体(dual gas)(甲烷和二氧化碳(CO2))红外测量检测器。当将其与营养块工作站、饲料工作站、挤奶工作站/室、水源或类似机构组合，以及任选结合标准的排放信用额确定系统时，监控和控制/减少反刍动物甲烷产量的系统提供了有价值的用于减少牛和其他反刍动物的甲烷排放的工具。
在运转该类系统的实施方案的过程中，监控反刍动物的气体排放、确定甲烷排放量，以及调节或补充反刍动物的饲料供应或另外处理反刍动物从而减少甲烷的排放。在一些情况中，非分光红外设备监控反刍动物排放的二氧化碳和甲烷。将上述得到的信息，和从系统数据存储器的数据库和/或与附着在反刍动物上的RFID标签相关的信息中可获得的动物统计信息一起考虑(例如通过系统计算机上运行的软件或通过系统处理器进行处理)，上述动物统计信息可以包括遗传信息，例如动物是否断奶、其年龄等。基于排放量信息和其他关于反刍动物的信息，从而向反刍动物提供或分配一种或多种大量的补充物和/或具体量的一种或多种补充物。
在一个示例性但是非限制性的方法中，反刍动物自身处于喂养工作站中，并在其中测量反刍动物呼吸中排放的二氧化碳和甲烷。也可以进行其他测量。和从存储器例如反刍动物追踪/监控数据库中所得的信息，或从收到的信号包括存储在动物RFID耳标上的信息中得的信息一起，至少进行一次关于动物的甲烷产量的确定。其他的确定可包括识别一种或多种补充物或补充物的混合物和一种补充物的量或多种补充物的量来提供给反刍动物，从而减少所确定的甲烷排放量(当反刍动物的饮食未改变时相应的甲烷排放量)。
可以构建和设置反刍动物甲烷监控和控制饲料工作站(例如绿色饲料系统或绿色饲料工作站)从而使以多种模式工作。在一个实施例中，饲料工作站包括位于饲料食槽之上的罩以用来限制风的影响力并且用来隔离和集中动物个体的呼吸。在该情况中，动物，例如奶牛将其头插入到罩或饲料食槽上的开口中。此时，RFID或其他阅读器或传感器阅读耳标以确定动物的年龄和种类。基于该信息，释放特定的营养物混合物。在更典型的实施方案中，具体设计混合物以减少反刍动物的甲烷产量或达到该排放量的目标水平(例如实现具体的重量增加)。在一些情况中，基于安装在饲料工作站内部的和位于地上靠近饲料工作站的传感器的输入信号来确定控制营养物的种类和营养物的量。从这些传感器中所收集的信息可包括动物重量，其用来确定动物增加的重量，甲烷和二氧化碳的比率，其用来确定动物代谢的效率，和额外测量，其用于记录特性(例如有关甲烷排放的减少/控制的特性，和/或有关针对例如成熟奶牛的更优化的重量的增加或重量的保持方面的特性)以及，在一些情况中用于生成CERC(碳减排信用额)。
在另一实施例中，除了测量动物呼吸中的甲烷和二氧化碳的比率之外，将动物的头插入到本发明的饲料罩、畜栏或饲料工作站中，使其释放特定的、控制流速的示踪物。示踪物例如可以是惰性气体例如六氟化硫、丁烷或其他可以利用安装在饲料工作站的设备进行测量的化合物。稀释示踪物以用于针对大气稀释的影响来校准甲烷和二氧化碳的测量值。以这种方式，可以确定甲烷和二氧化碳流量，以及代谢的甲烷和二氧化碳的比率。
在本发明的另一实施例中，动物的呼吸用作大气稀释作用的示踪物。由于反刍动物的呼吸是用水蒸气饱和的，且以非常接近于动物体内温度的温度释放，水蒸气和温度(潜热和显热)均可以测量。可以使用固态或类似的传感器来测量环境空气的温度和湿度，以及也可以测量包括绿色饲料食槽内、其他的至少部分封闭的空间内或在一些应用时甚至是开放的空间内的动物呼吸的空气的温度和湿度。由于动物的呼吸是水蒸气饱和的，在一些实施中，可以利用环境空气的水蒸气混合比率与绿色饲料系统的食槽内的空气的水蒸气混合比率之间的差别来监控绿色饲料系统的饲料罩内的空气的混合作用。然后对混合作用进行的测量可以用来计算动物代谢排放的气体的稀释以及，由此可以确定甲烷和二氧化碳的流量。备选地，可以使用涡流相关技术(eddy correlation technology)进行快速测量。可以将测量潜热流和显热流的快速涡流协方差流(eddy co-variance flux)设备整合到饲料工作站设备组中，从而实现利用测量来计算稀释作用，该稀释作用是由饲料罩内的动物呼吸和空气的混合作用引起的。计算稀释作用，以及除了确定代谢效率的比率(例如甲烷对二氧化碳的比率)之外，测量和记录来自动物的甲烷和二氧化碳的流量。
在另一实施方案中，可以使用营养块进料器系统(未示出但具有与图1～3中的系统100类似的配置)以监控在牧场中的反刍动物的潮气呼吸和嗳气中的甲烷和二氧化碳浓度。该系统类似于放置在短柱上的被罩住的盐渍地。在一些实施方案中，除了一边被罩盖营养块被全部包围。未罩盖的边上具有足够大的洞使得动物可以将头插入并接近营养块或一种或多种营养物的容器(一个或多个)。放置在罩下面的是RFID标签阅读器，其用于阅读/接受来自每只动物的RFID耳标上的关于每只动物的信息。营养块工作站还包含甲烷/二氧化碳监控器、数据记录器和任选地包含通信装置(例如蓝牙传输器、具有调制解调器的手机、或其他无线的/有线的通信装置)。工作站有时包含GPS芯片以获得和收集关于个体位置和一天动物接近的时间的信息。系统可以由电池，例如太阳能电池充电的电池提供能源，但是本文所述的绿色饲料系统可以利用其他基于电池的能源或其他能源。
在监控和控制/减少反刍动物的甲烷产量的一个方法中，当动物接近营养块工作站时，在特定的时间段开启该系统用来监控和记录甲烷/二氧化碳比率、动物标识数、时间、和/或工作站的位置。基于所收集的和所得到的信息以及基于由系统软件模块或程序根据信息做出的决定，向动物添加补充物(利用基于计算机控制的饲料/补充物分配器)，从而控制、减少或维持甲烷的排放量在当前所设置的或所确定的水平，所设置的或所确定的水平可以存储在数据库中且和动物的ID(其可依次存储在它们的RFID耳标上或通过它们耳标上的ID号获得)相关。通常，动物可每天消耗1～2盎司的补充物。可以利用绿色饲料系统通过改变补充物的盐含量(例如和补充物一起释放额外的盐，释放具有高盐成分的补充物等)来控制每只动物消耗的补充物的量。
在一些情况中，有策略地将工作站放置于靠近集合点的场所，例如水源或水泉。该工作站可用来喂养高达40～100只或更多的动物。该系统可装载有安慰剂矿物块以记录动物群和牧场的甲烷排放量基线。以这种方式，可以添加矿物补充物以记录GHG减少量，从而可以非常经济的方式监控每只动物以及整个动物群。如果更精确的甲烷和二氧化碳的排放速率是有用的(以代替代谢效率的相对变化)，可以将任选的示踪物释放系统整合到监控和控制系统的实施方案中。示踪物释放系统利用第三种化学物种(例如可以确定的速率释放的丁烷或惰性碳氟化合物)。然后稀释示踪物用来对动物头“在罩下”可能发生的有限的大气混合作用进行校准。然而在一些情况中上述操作并不是必须的，这是因为罩下的甲烷和二氧化碳的浓度通常是环境浓度的很多倍，并且效率的增加可以通过记录两种气体的比率而不是利用绝对的排放速率。然后将数据传送或连接到计算机上，其中内在的数字模块或处理模块可以确定甲烷排放量的减少量，以及任选地，将这些减少量转化成能验证的碳信用额。
除了产生大量的GHG补偿之外，该系统可以用作家畜类的管理工具。所得的甲烷/二氧化碳比率提供关于动物和牧场的条件的宝贵信息。认为矿物块监控系统的罩下的甲烷和二氧化碳浓度是非常高的，即远高于环境浓度，这使得测量相对容易。如果优选，系统的实施方案可以使用OEM NDIR设备。通过基于计算机对收集数据、处理数据和选择性地分配饲料/补充物进行控制，工作站可以实现自动化，所以每只动物的监控成本可以非常低。因为多只家畜或多个其他反刍动物可以共用一个工作站，所以每只动物的成本也可以相对较低。
评价甲烷和CO2的有用参数包括检测极限、检测范围、响应时间、可重复性和选择性。为了确定检测极限和范围，在一个非限制性的实施例中，对100ppm～2％(远低于LEL)的甲烷浓度和400ppm(周围环境背景)～5％的CO2浓度进行评估。可以通过生成响应曲线和分析曲线确定检测器达到其峰值的90％(基于气体浓度的阶跃变化)的时间来计算响应时间。将检测器暴露在特定浓度和背景浓度之间的阶跃变化下而不用多次面对气体(challenge gas)从而来确定检测器的可重复性。可以计算响应的标准偏差以提供定量测量的可重复性。将检测器暴露在其他可能存在的气体下从而证明检测器的选择性。这些气体主要包括动物呼吸中的醇(范围小于10ppm)和它们呼吸中的水蒸气。潜在的干扰气体是来自动物废弃物的氨。
通常来自检测器和追踪系统的信息从营养块工作站或其他的收集工作站传送至可以收集来自多个工作站的数据的中央位置。在一些实施过程中，使用无线网络技术，在一些实施方案中，使用可市购的无线通信方法或技术例如蓝牙或802.11g(WiFi)。这些技术中的每种技术均具有优点和缺点，并且在具体应用时的适合的方法极大地取决于具体应用的细节。由于其广泛的商业用途和接受性802.11g标准相对来说是不昂贵的。该标准使用直接序列扩频技术(direct sequence spread spectrum technology)，其在某种程度上易受RF噪音和干扰的影响。蓝牙标准也是低成本的，并且其较少受到RF噪音和干扰的影响，这是因为蓝牙标准使用跳频技术(frequency hopping spread spectrum technology)。优选的中央数据收集单元是PC或类似的具有常规和熟知的数据储存/存储装置的计算装置。
简言之，使用本文所述甲烷产量的监控和控制技术和装置有望减少来自家畜类的寄生(parasitic)GHG排放并且增加放牧的效率。使用这些系统和方法还有望具有所期望的和甚至是重要的经济潜力。除了动物效率增加之外，根据广泛的文献值期望的实际减少的甲烷排放量，可产生的GHG补偿的价值为每只动物每年$1～$20(美元)，这取决于饮食和动物的遗传学。
在一些实施方案中，提供了准确的喂养反刍动物和监控温室气体特性的系统，其包括大量单独的喂养或绿色饲料系统，例如可将其散布在反刍动物群例如，羊、家畜、奶品场奶牛、未驯服的动物例如鹿或麋鹿、或其他非反刍动物例如猪和马可以接近的场地上。系统的每个工作站可以包括：饲料/补充物传送系统和饲料斗；喂养工作站；RFID标签和阅读器系统(例如和用于家畜以及其他家养动物的常规RFID耳标一起使用的RFID面板阅读器)；数据记录器和设备控制器；非分光红外传感器(NDIR)或类似的用于确定甲烷和二氧化碳(和其他的气体)的存在/量的装置。每个谷物(grain)/补充物传送系统和饲料斗均可以多种形式存在，一个实例是用于选择性地传送饲料和/或补充物的饲料传送系统/分配机构与金属或塑料饲料斗(例如具有最高600磅的容量等)的组合。饲料斗/传送系统可以是封闭式进料器工作站，即，例如可以每秒传送高达4磅或更多的饲料。单独喂养工作站或由该传送系统供给的罩例如可以是下述形式，但并不限于下述形式：具有重的钢基底或用于大量牢固放置(substantially rigid mounting)其他装置的单模制多进料器(one-piece molded poly feeders)等。在一些情况中，具有罩和食槽的每个喂养工作站均可以支撑约50磅的饲料和/或补充物。
系统的动物监控部分可包括能够识别每只动物的部分(例如附着在耳朵上的具有RFID标签存储和动物相关的ID的标签，具有可读数目的标签、具有条形码的标签等)，以及所述监控部分也可包括温度监控器，例如和ID标签一起或单独放置在动物耳朵上的温度控制器(例如，具有电子设备、天线和电池的热敏电阻，其用于无线传感和传输动物的温度信息给绿色饲料系统/工作站中的喂养工作站/饲料传送系统上或附近的接收器)。用来运行软件模块的处理器/控制器可为多种形式以实现本发明的运转，上述软件模块用来处理甲烷、二氧化碳、动物数据等，以及用来控制饲料传送系统，在一种情况中，上述处理器/控制器是适合用来提供本文所述的功能/方法的Campbell科学数据记录器和设备控制器(Campbell Scientific Data Logger and Instrument Controller)(例如从Campbell Scientific，Inc.可获得的CR1000等)。同样地，用于获得甲烷和二氧化碳(和其他气体)测量值的分析器可以为多种形式以实施本发明，在一个实施方案中使用NDIR分析器(例如Picarro G1301CO2/CH4/H2O分析器等)，其是可以ppb(parts-per-billion(ppbv))的灵敏度测量二氧化碳、甲烷和水蒸气的实时示踪气体监控器。
图7A和7B示出了绿色饲料系统700的另一实施方案，可以利用该绿色饲料系统700提供反刍动物的精确喂养从而控制GHG排放量和其他参数(例如反刍动物重量的增加等)，以及提供对GHG特性的监控。系统700包括图1～3所示的系统100的多个特征或方面，以及对系统100的说明可以适用于系统700或与系统700相关。
系统700包括数据分析工作站701(例如其可提供图4的数据分析工作站490的功能)。来自远程喂养工作站730的数据可以通过无线通信传输给数据分析工作站701。无线数据分析工作站701，其可以是具有处理器、I/O装置、监控器、存储器和软件(例如用于提供本文所述的处理和其他功能的程序)的计算机，可以进行操作以在本地或远程存储器或数据存储器中分析和存储以下数据：(i)环境温度；(ii)环境压力；(iii)相对湿度；(iv)风速；(v)时间和日期；(vi)CH4和CO2随时间的浓度(例如环境的和针对动物个体的浓度)；(vii)所释放的示踪气体的种类和量；(viii)GreenCert或其他碳信用额类型信息，其包括例如对于C-Lock反刍动物模块有用的数据例如排放量基线、排放量基线的变化、不确定性和增加的GHG减少量；(ix)通过RFID技术的动物标识；(x)动物体温；(xi)动物产量的统计(例如牛的统计(例如当前重量、增加的或减少的重量、重量的增加速率、对将来重量的估计、和甲烷产量相比的饲料效率，以及每磅动物总量的CO2排放量)和奶品场的统计(例如当前的奶产量、奶产量的增加或减少、和甲烷产量相比的饲料效率，以及生产单位奶的CO2排放量)；(xii)动物遗传学的追踪(例如，追踪和记录与甲烷产量相关的遗传学血统)；(xiii)饲料种类和定量供应的记录；以及(xiv)将来的饲料混合物和饲料量的组成配方。
系统700还可以包括一个或多个非分光红外传感器或用于测量当反刍动物的头部放置到喂养工作站730的罩/食槽内时，反刍动物释放的CO2和CH4的其他装置702(需要注意的是饲料工作站或其罩可以被其他的工作站代替，例如挤奶工作站，其中反刍动物可将其头部插入或使其身体/头部处于特定的位置一段时间从而能够进行呼吸分析)。在一实施方案中，传感器(一个或多个)702可以包括在单光线管内的用于CH4、CO2和参考气体的3-束光光学装置(3-beam optical design)等。
系统700也可以包括放置在饲料工作站730上或附近的无线数据通信装置703。通信装置703可以包括蜂窝数字式调制解调器(cellular digital modem)或普通技术用来从分析器702和/或数据记录器714传输所存储的数据或实时的数据。可以在饲料工作站730上或附近安置或提供耳标扫描器704，例如射频标识(radio frequency identification)(RFID)标签扫描器，以及扫描器704可以扫描和记录动物个体的数据(在自身的存储器或数据记录器714中)。
饲料工作站730可以包括动物进料器例如被罩住的食槽等，其和饲料斗或重力饲料补充物仓711相关联。仓711可以具有大量独立的室或仓用来选择性地提供大量的营养物和/或补充物，从而控制GHG产量/排放量或实现其他目标例如重量的增加。如所示，饲料斗711包括三个独立室，其中第一室706用来存储/容纳补充物A(例如首先配制的用来减少甲烷和/或增加动物产量的补充物)，以及第二室707用来存储/容纳补充物B(例如其次配制的用来减少甲烷和/或增加动物产量的补充物)，以及第三室708用来存储/容纳补充物C(例如第三配制的用来减少甲烷和/或增加动物产量的补充物)。
系统700还包括连接仓711和饲料工作站730的罩/食槽705的传送装置或重力注射装置(gravity shoot)709，以及重力注射装置/传送装置709向动物进料器705供给饲料补充物混合物，其包含一种或多种来自室706、707、708的补充物/营养物。系统700包括位于补充物仓711的出口处的补充物测量和混合装置710(例如控制每个室706、707、708的输出和其容纳的补充物)，以及例如相应来自数据分析工作站701(或饲料工作站730的软件/硬件例如数据记录器714的一部分等)的控制信号，混合装置710混合和测量来自三种或更多储存饲料补充物的动物个体的定量供应。每个反刍动物(或动物群中选定的反刍动物)均可用动物个体射频标识符标签712进行标记(例如在耳朵上)，以及该标签识别动物个体用于系统700(例如通过标签扫描器704进行阅读，该标签扫描器可以提供数据给记录器714和/或数据分析工作站701，以找寻动物的ID、信息等，和/或用于存储针对接近工作站730的动物所收集的数据)。在一些实施方案中，标签712也用于监控动物的温度，并且该数据可通过扫描器704来阅读。
在一些实施方案中，系统700可包括硬连线(hardwired)的数据分析工作站713，其代替补充物工作站701。来自远程喂养工作站的数据可通过无线或有线通信传输到数据分析工作站713中。硬连线的数据分析工作站713，其可以是具有处理器、I/O装置、监控器、存储器和软件(例如用于提供本文所述的处理和其他功能的程序)的计算机，可以进行操作以在本地或远程存储器或数据存储器中分析和存储以下数据：(i)环境温度；(ii)环境压力；(iii)相对湿度；(iv)风速；(v)时间和日期；(vi)CH4和CO2随时间的浓度(例如环境的和针对动物个体的浓度)；(vii)所释放的示踪气体的种类和量；(viii)GreenCert或其他碳信用额类型信息，其包括例如对于C-Lock反刍动物模块有用的数据例如排放量基线、排放量基线的变化、不确定性和增加的GHG减少量；(ix)通过RFID技术的动物标识；(x)动物体温；(xi)动物产量的统计(例如牛的统计(例如当前重量、增加的或减少的重量、重量的增加速率、对将来重量的估计、和甲烷产量相比的饲料效率，以及每磅动物总量的CO2排放量)和奶品场的统计(例如当前的奶产量、奶产量的增加或减少、和甲烷产量相比的饲料效率，以及生产单位奶的CO2排放量)；(xii)动物遗传学的追踪(例如，追踪和记录与甲烷产量相关的遗传学血统)；(xiii)饲料种类和定量供应的记录；以及(xiv)将来的饲料混合物和饲料量的组成配方。
系统700还可以包括数据记录器714，其位于系统700提供的每个饲料工作站730上/附近(例如，系统700可包括2，3或更多的工作站730)或位于系统700中的其它位置。每个数据记录器714均可以用来记录和存储以下数据：(i)环境温度；(ii)环境压力；(iii)相对湿度；(iv)风速；(v)时间和日期；(vi)CH4和CO2随时间的浓度，环境的和针对动物个体的；(vii)所释放的示踪气体种类和量；(viii)通过RFID技术的动物标识；(ix)动物体温；(x)动物产量的统计(例如牛的统计(例如当前重量、增加的或减少的重量、重量的增加速率、对将来重量的估计、和甲烷产量相比的饲料效率，以及每磅动物总量的CO2排放量)和奶品场的统计(例如当前的奶产量、奶产量的增加或减少、和甲烷产量相比的饲料效率以及每单位的所生产奶的CO2排放量)；以及(xi)饲料种类和定量供应的记录。
在一些实施方案中，系统700还可以包括秤或其他重量确定装置715以确定和记录动物个体的重量(或将信息传送给数据记录器714以存储在存储器中或将信息传送给工作站701、713以存储或进行处理)。秤715可以用来记录位于喂养工作站730的动物个体的总重。系统700的一些实施方案也可以包括听觉/视觉指示器716(在动物进料器705上或他位置)。通过工作站701、713或其他的控制机构操作指示器716以指示动物的喂养时间或其他事项。另外，系统700的一些实施方案可包括示踪气体释放装置707，其位于动物进料器或罩705中或附近。释放装置707可用于(响应来自工作站701、713、本地控制器(例如在分析器702中的)等的控制信号)释放示踪气体，作为通过分析器702和/或数据分析工作站701、713测量CH4和CO2中的参考点。
图8说明了用于监控和控制GHG排放量(以及在一些应用中的其他动物参数)的方法800，运转本文所述的一种或多种绿色饲料系统可以实现该方法。于801，动物接近饲料工作站或其他监控位置例如畜栏或自动或其它挤奶工作站/室部分。于802，传感器可检测动物的存在(例如秤、标签阅读器、运动觉察器或其他动物检测装置)以及，于803，对动物进行识别，例如通过使用RFID标签阅读器来阅读动物上的耳标或其他ID标签。可以进行针对所识别的动物的查询从而确定是否于805已喂养过动物或于804未喂养动物。如果已喂养过，喂养工作站或其他监控工作站不运转分配食物/营养物，如807所示，以及动物稍后离开，如810所示。于811仍旧记录与动物和动物接近监控工作站(例如它们的温度、它们的重量、以及本文所述的其他的动物监控信息)相关的数据。
如果于804确定了在特定的时间段内未喂养已识别的动物，于806操作饲料工作站等从而分配饲料。可以基于之前对动物所作的呼吸分析选择饲料以尝试控制GHG产量/排放量或控制动物的产量。所分配的饲料，例如可以是包含两种、三种或更多的饲料和/或补充物的特定混合物，其已通过数据分析工作站确定为在控制动物的GHG排放量(或实现动物产量的目标例如重量的增加、奶产量等)方面是适合已识别的动物的。于808，可以任选地运转示踪气体释放机构，以释放特定量的已知的示踪气体或用于分析动物呼吸中的GHG的气体(如上文详细讨论的)。于809，运转喂养工作站和其NDIR分析器或其他气体分析设备来测量动物呼吸的含量，包括GHG排放量。
于811，可以将所测量的数据(和其他的动物数据)记录在本地数据记录器中和/或经过传输后记录在数据分析工作站中。于812，喂养工作站复位812并等待另外的动物。于813，利用在单个饲料工作站或其他工作站所监控的、由数据分析工作站(或饲料工作站本地或在一些情况中其他的工作站)提供的软件/硬件进行分析的数据，方法800继续进行。在步骤813中，可以确定动物的CH4和CO2的量以及比率以用来确定补充物种类以及补充物/营养物的比率，从而可以用来控制动物的GHG产量/排放量。于814，将数据上传至服务器(例如数据分析工作站、和具有分析工作站的互联网中的服务器等)以及于815，更新存储GHG和其他所监控的/所分析的每只动物的数据的数据库，以利用所收集的/所分析的且连接至动物ID(例如，位于现场的每只动物上的针对每种类型的追踪信息的记录器)的数据来反应最新的动物喂养和监控的情况。
基于以上描述，本领域技术人员将容易理解大量其他的实施方案和具体的实施过程。例如，应当理解的是，可以将测量装置放置在任何动物聚集以及混合作用受到限制的地方，例如放置在通道或饮水器(water fountain)处。在一些实施方案中，可以使系统和/或方法适合于支持根据动物离开进料器后的减少的浓度来计算甲烷和二氧化碳的流量。在这种情况中，例如，可以利用甲烷和二氧化碳浓度的衰减来确立稀释因子，该稀释因子可用于校准混合时的比率。
在一些实施过程中，追踪/测量代谢二氧化碳和反刍动物二氧化碳的差异，从而可以定量化和区分这两种过程。例如，在实践中，当动物存在(例如靠近饲料工作站、挤奶畜栏/工作站等)时，当它呼吸时，它呼吸中的二氧化碳立即开始增加。当嗳气发生时甲烷和二氧化碳均可能形成峰值，以及在呼吸的间隔中二氧化碳可能继续增加。就增加的斜率而言，针对混合作用进行校准，然后其给出代谢(肌肉)的二氧化碳。峰值包含所述代谢(肌肉)的二氧化碳，但是其主要包含瘤胃甲烷和二氧化碳，以及在一些实施过程中，减去代谢成分从而更准确地确定瘤胃成分(例如，这在现有的附图中未有所反映，但是可以修改这些附图以示出在峰值之间，二氧化碳线继续增加，而甲烷线则保持非常的平坦)。需要注意的是，在代谢的空气中不存在大量甲烷，这是因为甲烷是不溶于血的因此无大量的甲烷进入到肺中。
在一些具体的实施方案中，测量特定的挥发性有机化合物可能是重要的或有用的。例如，丙酮可用于测量酸中毒。本发明人进行了瘤胃气体的GCMS测试并且发现其含有大量的挥发性有机物，任何一种挥发性有机物可以用作具体过程或条件的重要标记物，以及针对挥发性有机物可以形成专用传感器和/或将用于挥发性有机物的专用传感器包括到本文所述的系统中。在一些当前的实施方案或情况中，将整个空气样品收集在合适的容器中，该容器由特氟隆TM膜或特定经钝化的不锈钢制备，其可用于收集用于在研究模式的后续分析中的样品。然而，为了支撑商业可行性，可以开发和/或使用特定的原位传感器。另外，本领域技术人员应当理解的是至少在一些应用中，动物不存在时测量空气中的甲烷和二氧化碳背景用来确定传感器附近的背景浓度是有用的。所述背景的测量值可以实现从由于具体测量的动物引起的增加的浓度中减去这些背景浓度从而提高所述过程和系统的准确度。

Claims (25)

1.减少反刍动物的甲烷排放的方法，其包括：
提供用来向反刍动物分配饲料的机构，其中所述饲料分配机构包含气体分析器；
利用气体分析器测量接近饲料分配机构的反刍动物的呼吸中排放的二氧化碳和甲烷；以及
基于所测量的二氧化碳和甲烷，运转数据分析工作站来确定分配饲料机构分配给反刍动物的饲料中的补充物和补充物的量，从而减少排放的甲烷量。
2.权利要求1所述的方法，其进一步包括：利用数据分析工作站，在存储装置的记录中存储所确定的补充物和补充物的量，其中该记录与接近饲料分配机构的反刍动物关联。
3.权利要求2所述的方法，其进一步包括：运转饲料分配机构从而提供包含确定量的补充物的饲料给与标识结合的反刍动物。
4.权利要求3所述的方法，其进一步包括：在存储步骤之后，确定与标识结合的反刍动物接近分配饲料机构以及利用标识从存储装置中检索规定的补充物和已确定的量的信息，以及利用所检索的信息来操作饲料分配机构的步骤。
5.权利要求4所述的方法，其中所述确定与标识结合的反刍动物接近分配饲料机构的步骤包括运转射频ID(RFID)标签阅读器来阅读反刍动物上的标签从而获得标识。
6.权利要求4所述的方法，其进一步包括确定与标识结合的反刍动物是否已接受每日定量供应的补充物，以及仅在确定未接受每日定量供应时运转分配饲料机构。
7.权利要求1所述的方法，其中所述气体分析器包括非分光红外设备。
8.权利要求1所述的方法，其进一步包括运转示踪气体释放机构从而在靠近分配的饲料处排出一定体积的示踪气体，其中，使用示踪气体的体积来计算与环境空气混合的稀释，作为通过气体分析器测量二氧化碳和甲烷的一部分。
9.权利要求1所述的方法，其中运转数据分析工作站以确定补充物和补充物的量的步骤包括：确定经测量的甲烷对经测量的二氧化碳的比率相对之前确定的甲烷对二氧化碳的比率的变化，以及使用已确定的比率变化来选择补充物和补充物的量。
10.权利要求1所述的方法，其进一步包括：确定第二种补充物和第二种补充物的量以在分配的饲料中提供补充物和补充物的量从而在分配的饲料中提供补充物混合物。
11.权利要求10所述的方法，其中分配饲料机构包括用于存储补充物和第二种补充物的两个存储室，以及用于选择性地同时分配来自存储室的补充物和第二种补充物的装置以提供分配的饲料。
12.用于监控反刍动物的甲烷排放的设备，其包含：
用于接受反刍动物头的装置；
位于靠近用于接受反刍动物头的装置的甲烷监控装置，其用于监控反刍动物呼气中的甲烷；以及
分配反刍动物消耗的补充物的容器。
13.权利要求12所述的设备，其中根据已确定的呼气中的甲烷水平，可操作所述容器来分配补充物。
14.权利要求12所述的设备，其中所述补充物适合用于减小反刍动物呼气中的甲烷排放。
15.权利要求12所述的设备，其中所述甲烷监控装置进一步监控呼气中的二氧化碳水平，所述设备进一步包括数据分析工作站，其用于确定呼气中的甲烷和二氧化碳的比率和基于已确定的比率选择补充物。
16.权利要求12所述的设备，其进一步包括用于检测有关反刍动物的数据的装置，该数据包括存储在反刍动物上的RFID标签上的数据。
17.监控和控制反刍动物的甲烷产量的方法，其包括：
确定靠近喂养工作站的反刍动物包括确定反刍动物的标识；
对于当前的喂养期，确定已识别的反刍动物是否已接受营养补充物和饲料的规定的定量供应；
当确定反刍动物在当前喂养期内未接受规定的定量供应时，运转喂养工作站中的补充物和饲料分配器从而向进料器分配补充物和饲料的规定的定量供应；
当反刍动物接近进料器进食时，测量甲烷水平和二氧化碳水平；以及
通过由处理器运行的处理模块改变存储在存储器中的规定的定量供应，以将不同种类或不同量的一种或多种饮食补充物包括到营养补充物和饲料的规定的定量供应中。
18.权利要求17所述的方法，其中当针对反刍动物重复运转补充物和饲料分配器时，使用已改变的规定的定量供应，从而控制了反刍动物的甲烷产量。
19.权利要求17所述的方法，其中基于存储器中已存储的预先确定的反刍动物的甲烷产量目标和经测量的甲烷水平进行的比较，通过处理模块来确定饮食补充物的不同种类或不同量。
20.权利要求17所述的方法，其中基于已确定的经测量的甲烷水平和经测量的二氧化碳水平的比率，通过处理模块来确定饮食补充物的不同种类或不同量。
21.权利要求20所述的方法，其进一步包括：测量当反刍动物接近进料器时的水蒸气水平，以及其中，基于已确定的经测量的甲烷水平对经测量的二氧化碳水平的比率以及进一步基于经测量的水蒸气水平，通过处理模块来确定饮食补充物的不同种类或不同量。
22.权利要求17所述的方法，其中经测量的甲烷水平和经测量的二氧化碳水平用于确定反刍动物的代谢效率，以及其中，所述代谢效率用于选择营养补充物和饲料的规定的定量供应中的一种或多种饮食补充物的不同种类或不同量。
23.权利要求17所述的方法，其进一步包括：在改变规定的定量供应之后，基于已改变的规定的定量供应来向反刍动物分配营养补充物。
24.权利要求17所述的方法，其进一步包括：在进料器内释放示踪气体和测量示踪气体的水平，其中基于示踪气体的水平测量甲烷和二氧化碳的水平，据此将和环境空气的混合引起的稀释作用用于气体测量。
25.监控和控制反刍动物的甲烷产量的方法，其包括：
当反刍动物接近进料分配器时，阅读反刍动物标签上的数据来识别反刍动物；
利用识别数据访问甲烷产量监控存储数据库来确定与反刍动物相关的营养补充物和相关的补充物的量；
操作分配器来向饲料分配器中分配一定量的营养补充物；
当反刍动物接近饲料分配器进食时，测量甲烷水平和二氧化碳水平；以及
通过由处理器运转的处理模块，确定反刍动物的代谢效率，以及基于代谢效率，改变营养补充物或相关的补充物的量，从而减少反刍动物的甲烷产量。
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