Técnicas de Medición de Metano en la Ganadería

Para la medición de metano (y otros gases) en ganadería se han utilizado diferentes técnicas (^{Storm et al., 2012}; ^{Goopy et al., 2016}), entre las que destacan las cámaras de respiración, el trazador SF₆ y las técnicas micrometeorológicas.

Las cámaras de respiración son el estándar, ya que controlan las condiciones en los animales al confinarlos en pequeños espacios donde son medidos los flujos de gases, sujetos generalmente a dietas controladas. Las cámaras de respiración miden las emisiones de los gases eructados y los provenientes de las excretas de los animales. El uso de cámaras de respiración ha sido criticado por crear un ambiente artificial, pudiendo inducir estrés en los animales y sesgar las mediciones (^{Johnson et al., 1994}; ^{Storm et al., 2012}), además de que no considera condiciones de manejo del ganado.

Una alternativa al uso de las cámaras de respiración en ambientes confinados es el uso del trazador hexafluoruro de azufre (SF₆) introducido por ^{Johnston et al. (1994)}, donde los animales pastorean en condiciones normales, instrumentadas por un sistema de tuberías de permeación para las mediciones de los gases eructados. Las emisiones de metano medidas con SF₆ son generalmente menores a las de las cámaras de respiración (^{Grainger et al., 2007}; ^{Harper et al., 2011}), aunque con resultados comparables entre sí (^{Pinares-Patiño et al., 2007}; ^{Pinares-Patiño y Clark, 2008}). Las subestimaciones con la técnica SF₆ pueden ser explicadas, en parte, al no considerar las emisiones de las excretas de los animales, que pueden representar hasta un 15% del total (^{Hindrichsen et al., 2005}). La técnica de SF₆ parece sobreestimar las emisiones de CO₂ (^{Boadi et al., 2002}; ^{Pinares-Patiño et al., 2007}).

Las mediciones con SF₆ muestran una mayor variabilidad que las de las cámaras de respiración, tanto para una dieta dada como entre animales (^{Pinares-Patiño y Clark, 2008}). Ambas técnicas son de carácter intrusivo y consideran factores externos en la determinación de las condiciones de manejo de los animales y su alimentación; además de ser aplicables a nivel de individuos y no de grupos. Las técnicas micrometeorológicas (^{Harper et al., 2011}; ^{McGinn, 2013}) son del tipo no intrusivo y permiten las mediciones de metano, y otros gases, en condiciones representativas de manejo y alimentación y a nivel de grupos de animales; aunque su área de medición es dependiente de la velocidad y dirección del viento, principalmente. Las mediciones con técnicas micrometeorológicas y con cámaras de respiración son similares, aunque las mediciones con las primeras muestran una alta variabilidad en relaciones a las ultimas (^{Tomkins et al., 2011}). Las técnicas micrometeorológicas, además de no ser intrusivas, tienen la ventaja de que la fuente de emisiones está a una distancia alejada de la fuente de medición, por lo que la sensibilidad de las emisiones calculadas disminuye (^{McGinn, 2013}). El uso de estas técnicas permite obtener emisiones promedio en condiciones naturales y representativas de manejo, que es un requerimiento en los inventarios nacionales de GEI (^{McGinn et al., 2006}).

Entre las técnicas micrometeorológicas está la denominada Covarianza de Vórtices (EC, por sus siglas en ingles), que ha sido utilizada para medir metano con animales en pastoreo (^{Tomkins et al., 2011}; ^{Felber et al., 2015}) y estabulados (^{Baum et al., 2008}; ^{Sun et al., 2015}; ^{Prajapati y Santos, 2017}).

Las mediciones de flujos de energía y materia en forma directa en condiciones naturales han sido realizadas usando la técnica de EC (^{Baldocchi et al., 1988}; ^{Verma, 1990}). Con esta técnica, las mediciones de flujos y de materia (dirección vertical; es decir, intercambio con la atmosfera) se realiza a través de la covarianza de la velocidad del viento y la variable de interés, cuyas observaciones tienen áreas de influencia (footprints, en inglés) dinámicas que varían en función de la altura de los sensores, velocidad y dirección del viento, rasgos morfo-estructurales de las fuentes de emisión (y obstáculos) y condiciones de estabilidad de la atmósfera (^{Schmid, 2002}). La técnica de EC requiere de condiciones de homogeneidad de las fuentes de emisión, topografía plana y un fetch (distancia recorrida por el viento sin obstáculos) adecuado (^{Baldocchi et al., 1988}; ^{Verma, 1990}).

La Figura 1 muestra el concepto del footprint de las mediciones de flujos (Qɳ) medidos por un sensor a la altura z_m, donde estos son promediados usando la función f que define la proporción de un flujo individual del medio con relación al total medido por el instrumento (ɳ).

Figura 1 Concepto de footprint y su variación en función de la condición de estabilidad atmosférica. 

El uso de la técnica de EC en las mediciones de metano de ganado en condiciones naturales (pastoreo) o estabuladas tiene retos importantes por las fuentes móviles de emisiones (ganado) (^{Baldocchi et al., 2012}). En condiciones de ganado estabulado o semiestabulado, los requerimientos de la aplicación de la técnica de EC no se cumplen cabalmente (establos complejos, fuentes no uniformes, fetch limitado), por lo que es necesario considerar algún modelo de footprint para tener en cuenta estas condiciones en las estimaciones de los gases (^{Baum et al., 2008}; ^{McGinn, 2013}). En lo general, la consideración de las condiciones de estabilidad atmosférica, intensidad y dirección del viento y movimiento de los animales mejora las estimaciones de metano (^{Baum et al., 2008}; ^{Felber et al., 2015}; ^{Prajapaty y Santos, 2017}).

Con relación a la operación de un sistema de EC, es práctica común la integración de las mediciones en periodos de tiempo que van de minutos a horas. En el caso de las mediciones de metano de la ganadería, el uso de intervalos de 30 min ha resultado adecuado (^{Baum et al., 2008}; ^{Felber et al., 2015}), con intensidades de medición de 10 Hz (^{Sun et al., 2015}), suficientes para considerar pequeños vórtices.

Un problema asociado a las mediciones en ganado estabulado o semiestabulado es el relacionado con las partículas de polvo, que son comunes en estas condiciones (^{Hiranuma et al., 2011}; ^{Bonifacio et al., 2012}). El nivel de ruido en las mediciones de metano es dependiente de la limpieza de los espejos del sistema EC (^{Felber et al., 2015}). Por ejemplo, ^{Prajapati y Santos (2017)} reportan una pérdida del 4% de las mediciones por problemas de partículas de polvo.

Razón CH₄:CO₂ en las Emisiones de la Ganadería

Las emisiones de metano se originan completamente de la fermentación entérica de los rumiantes, mientras que las emisiones de bióxido de carbono provienen de la respiración animal (metabolismo de nutrientes) y una parte (alrededor del 20%) de la respiración microbiana en el rumen (^{Hoernicke et al., 1965}; ^{Vermorel, 1995}). La evidencia experimental señala que gran parte de los gases eructados son inspirados en primer lugar por los pulmones y después expirados en conjunto con los gases de la respiración (^{Hoernicke et al., 1965}). La energía calorífica se produce por la oxidación de nutrientes resultante del consumo de oxigeno (O₂) y la producción de CO₂ (^{McLean y Tobin, 1988}), por lo que el gasto de energía de los animales puede ser predicho en función de la producción de CO₂ o consumo de O₂ (^{Brower, 1965}). El uso del CO₂ como un posible trazador para metano está influenciado por los mismos factores definidos para los requerimientos de energía de los animales (cantidad y calidad del alimento, peso y condición del animal, clima, etc.). Las emisiones de CH₄ y CO₂ están correlacionadas con la ingesta de alimentos y la producción de leche en vacas lactantes (^{Kirchgessner et al., 1991}; ^{Kinsman et al., 1995}).

Las mediciones de CO₂ en la ganadería han sido realizadas por mucho tiempo para determinar los requerimientos de ventilación en instalaciones de manejo animal (^{Pedersen et al., 2008}). De mediciones conjuntas de CH₄ y CO₂ resalta que los patrones temporales son similares (^{Kinsman et al., 1995}; ^{Hamilton et al., 2010}; ^{Leytem et al., 2010}), por lo que se han establecido relaciones lineales del tipo CH₄ = u + vCO₂, donde u representa el umbral (CO₂) a partir del cual se detecta CH₄ (^{Pinares-Patiño et al., 2007}; ^{Ngwabie et al., 2009}; ^{Bjerg et al., 2011}; ^{Aubry y Yan; 2015}; ^{Lee et al., 2017}). Los coeficientes de correlación de la relación generalmente han sido altos, R² > 0.9 (^{Ngwabie et al., 2009}; ^{Bjerg et al., 2011}; ^{Aubry y Yan, 2015}), aunque en otras ocasiones han sido menores a 0.6 (^{Pinares-Patiño et al., 2007}; ^{Bjerg et al., 2011}).

^{Madsen et al. (2010)} propusieron el uso de la razón CH₄:CO₂ para definir al CO₂ como un gas trazador en las estimaciones de metano; aunque ^{Aubry y Yan (2015)} argumentan que es necesario contar con más datos para establecer la relación. Las emisiones de CO₂ son mayores en ganado en pastoreo (mayor gasto de energía) que en condiciones estabuladas (^{Aubry y Yan, 2015}), por lo que se requiere considerar esta situación en la razón CH₄:CO₂; además de que esta razón es variable entre animales (^{Lassen et al., 2012}) y dietas (^{Lee et al., 2017}). De la discusión previa, los objetivos de esta contribución fueron: (1) evaluar la operatividad de un sistema de EC para mediciones de metano y bióxido de carbono en condiciones de ganado semiestabulado; (2) evaluar las condiciones micrometereológicas (velocidad y dirección del viento) en el sitio de estudio; (3) realizar mediciones de flujos de metano y bióxido de carbono; y (4) analizar la razón CH₄:CO₂ obtenida en las mediciones conjuntas. Este trabajo no pretendió realizar estimaciones de emisiones de metano del ganado a nivel individual o de grupo, solo analizar la estabilidad de la relación CH₄:CO₂. El principal enfoque fue analizar el funcionamiento del sistema y sus problemas asociados.

La información y conocimiento obtenido en la operación, relativamente corta, del sistema de EC permitirá realizar correcciones en su implementación, para realizar mediciones de flujos que sean confiables y precisas, bajo condiciones de ganado semiestabulado.

Descripción del Sitio e Instrumentación

El establo ganadero se encuentra ubicado en el Departamento de Agricultura y Ganadería (DAG) de la Universidad de Sonora en Hermosillo, México (29.09° N y 111.13° O). En el periodo de análisis el número de vacas varió de 10 a 46 por semana (Figura 2). La productividad de leche por semana esta mostrada en la Figura 2. Las vacas son de raza Holstein/Jersey, pastoreadas en praderas de zacate ryegrass y traídas para su ordeña por la mañana (nominalmente a las 5:30 am) y por la tarde (nominalmente a las 5:30 pm); aunque es común que se utilicen otros horarios (ver Figura 5). El periodo de medición utilizado en este trabajo fue de noviembre a diciembre del 2017. Una pequeña cantidad de animales jóvenes se mantienen en los corrales todo el día. Desafortunadamente, el control detallado del pastoreo y ordeña (peso, número de horas en pastoreo y ordeña, ingesta diaria de alimentos, etc.) no es realizado rutinariamente por personal del DAG, por lo que se planteó el uso de la razón dióxido de carbono-metano como un estimador indirecto que pudiera ser utilizado en estimaciones de la emisión de metano en el proceso.

Figura 2 Número de vacas y su productividad semanal durante el periodo analizado. 

En las instalaciones del área de monitoreo, en su parte norte fue instalada una torre micrometeorológica de 6 m de alto. Sobre ella fue colocado un sistema GHG‑2 (marca LICOR), el cual consta de un espectroscopio de circuito abierto (LI-7700) para medir metano (CH₄) y un analizador de gases infrarrojo de circuito cerrado (LI-7200) para medir bióxido de carbono (CO₂) y vapor de agua (H₂O), con una bomba LI-7200-101 para el analizador de gases con infrarrojo (IRGA), acompañados de un anemómetro sónico CSAT3; los primeros de la marca LICOR y el último de la marca CampbellSci. La Figura 3 muestra la disposición del sistema EC y el establo de ordeña de las mediciones, donde se aprecia que atrás del establo se encuentra vegetación verde que puede generar emisiones de CO₂ adicionales a la de las vacas. El sistema, en el rango de acimut de la dirección del viento, monitoreo las emisiones de CO₂ y CH₄ del ganado solo de los corrales de ordeña. El área de pastoreo esta lejos del alcance del sistema y no esta incluida en las mediciones.

Figura 3 Arreglo y disposición espacial del sistema de covarianza de vórtices y localización de los corrales de ordeña con relación al sistema. 

La Figura 4 muestra la dominancia de vientos en la Costa de Hermosillo (cercana a las instalaciones de medición) en 2016. De acuerdo con los patrones de la Figura 4, los instrumentos fueron colocados viendo hacia el sur (~180°) y el CSAT3 fue colocado al oeste a 140° de azimut, procurando el mínimo disturbio de los vientos para reducir la perdida de datos.

Figura 4 Dirección y velocidad de vientos en la Costa de Hermosillo en el año 2016. 

El sistema de alimentación eléctrica de los instrumentos se realizó usando paneles solares, con controladores de 20 A y baterías de ciclo profundo para almacenamiento, asegurando que cada una de ellas tuviera una capacidad superior a 100 Ah. Los módulos LI-7200-101, LI-7700, LI-7200, tienen un consumo de 2.5 Ah, 1.5 Ah y 1.5 Ah, respectivamente; consumiendo el sistema GHG-2 en promedio diariamente alrededor de 140 A. Para su funcionamiento el sistema fue separado en tres secciones: el LI-7700, LI-7200 y LI-7200-101, además del LI-7750-CSAT3; alimentándose cada uno de ellos con 260 W, 360 W, 360 W, respectivamente. Se colocaron en cada sección dos baterías de ciclo profundo.

Colecta y Procesamiento de Datos

Las variables (CH₄, CO₂ y H₂O) fueron muestreadas a 10 Hz y almacenadas en una memoria USB de 16 Gb en el módulo LI-7550, creando archivos cada 30 min, con 18 000 registros cada uno. Los datos que fueron almacenados dentro del LI-7550 se colectaron periódicamente y fueron procesados usando software EddyPro versión 6.2 (^{Burba, 2013}). Durante el procesamiento se tomaron en consideración los comentarios de ^{Felber et al. (2015)}, para evitar eliminar los picos de CH₄ producido para los eructos abundantes del ganado (Figura 5).

Figura 5 Ejemplo de picos de emisión de CH₄ por el ganado en el establo (mediciones en micromoles m^-2 s^-1). 

Mantenimiento y Operación del Sistema

LI-7700. El mantenimiento del instrumento se realizó de 2 a 3 veces por semana para mantener la calidad de la señal por arriba del 20% recomendado en el manual del fabricante y así asegurar una mejor calidad en las mediciones. Dada la gran cantidad de polvo emitido por el movimiento del ganado se fijó como meta arriba del 30%. La Figura 6 muestra el rápido cambio en la calidad de la señal por la presencia de material fino suspendido en el aire, a pesar de que el sistema cuenta con un sistema automático de limpieza del espejo inferior programable en periodicidad y duración.

Figura 6 Calidad de la señal del LI7700 LICOR. 

LI-7200. El mantenimiento del instrumento se realizó cada 3 a 5 días, sobre todo en relación con el filtro de polvos para evitar su obstrucción y contaminación del IRGA (Infra Red Gas Analyzer). Este consistió en limpieza del filtro de 2 micrómetros, utilizando un baño ultrasónico (Bransonic modelo M 2800) a una frecuencia de 40 Hz y periodos de 7 a 10 min, colocando el filtro en el interior de un recipiente con Extran al 2%, enjuague con agua destilada y posteriormente se le aplicó aire a presión para limpieza y secado. La Figura 7 muestra el incremento en la potencia (%) del motor de la bomba en el LI-7200-101 para mantener el flujo de 15 litros min^-1. En ella se observa que generalmente existe un incremento del 10% diario del esfuerzo y esto ocasiona un incremento en el consumo de 2.5 a 3.5-3.7 Ah, lo cual dificulta la operación continua del sistema. La limpieza del filtro es recomendada cuanto la potencia se incrementa al 90%. Posterior a la limpieza, el esfuerzo de la bomba cae por debajo del 50% y el sonido de ésta se vuelve menos agudo.

Figura 7 Potencia de la bomba (%) del LI7200-101 del GHG-2 marca LICOR. 

Vientos (velocidad y dirección). La instrumentación en el sitio fue colocada siguiendo la distribución de dirección de los vientos (Figura 4). La Figura 8 muestra la distribución de los vientos durante el experimento de prueba en el sitio. En ella se observa como el comportamiento de los vientos está asociado al enfriamiento y calentamiento diario de la superficie, presentándose las velocidades mínimas y máximas por la noche y tarde, respectivamente. Además, se aprecia que los vientos útiles son los vespertinos y en la dirección del viento suroeste (acimut de 225° ± 45°), dado que durante el otoño se presentan con frecuencia vientos del norte, independientemente del fenómeno de brisa marina que domina el proceso de dirección de vientos de la región costera de Sonora.

Figura 8 Comportamiento de los vientos durante el experimento en el año 2017. 

Flujos de metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂). Los incrementos, a intervalos de 30 min, de CO₂ generalmente están asociados al incremento en CH₄, principalmente cuando los vientos provienen de la orientación sur y suroeste, que corresponde al área donde se localiza el ganado y por lo general ocurre en la tarde y noche (Figura 9). Observaciones similares han sido realizadas por ^{Sun et al. (2015)}, en la cuales los principales flujos proceden de la dirección de los vientos dominantes. También se observó que existen pocos valores de CO₂ negativos, que pueden indicar fijación de carbono por fotosíntesis, indicando que ambos flujos provienen de lugares cercanos al sitio de medición.

Figura 9 Flujos de CO₂ y CH₄ en el corral con ganado lechero. 

Relación de CO₂ y CH₄. Se observóunacorrespondencia entre emisiones de CO₂ y CH₄ con una pendiente de 0.05 (Figura 10) cercana al límite inferior del rango (0.06-0.10) definido por ^{Madsen et al. (2010)}. Este valor bajo puede explicarse por las condiciones de ganado semiestabulado (alimento en otoño-inverno) y aportaciones de la vegetación (respiración) a los flujos de CO₂ y por flujos fuera del footprint del sistema de medición; aunque en el periodo del experimento la digestibilidad del pasto ingerido por los animales fue baja, lo cual fue la principal razón del valor bajo de la razón El coeficiente de correlación de Pearson (r) fue de 0.87, inferior al observado por ^{Sun et al. (2015)} de 0.93 en corrales para engorda de ganado vacuno, usando la técnica de covarianza de vórtices sobre una superficie extensa. Con relación a las mediciones, una importante variación (0.82 a 6.2 µmoles/m²/s, media = 2.36) en los valores CH₄ fue reportado por ^{Prajapati y Santos (2017)}, relativamente similar a este experimento (~0.0 a 5.87 µmoles/m²/s, media = 0.52). Sin embargo, la mayor concentración de datos se ubica entre 2 µmoles/m²/s y 30 µmoles/m²/s de CH₄ y CO₂, respectivamente. Los altos picos de ambos GEI ocurrieron durante los eventos de concentración del ganado. También se observó una dispersión de los datos, debido a cambios en la dirección de los vientos, movimiento y ausencia de ganado, similar a lo reportado previamente (^{Baum et al., 2008}; ^{Prajapati y Santos, 2017}).

Figura 10 Razón de flujos de CO₂ y CH₄ en el corral con ganado lechero. 

Las mediciones de la razón CO₂ y CH₄, independientemente del número de animales monitoreado, permite utilizar estimaciones de la producción de CO₂ a partir de balances en la producción de calor de acuerdo con la alimentación y características de los animales (^{Madsen et al., 2010}), para estimar las emisiones de CH₄ en forma indirecta, cuando no se cuenta con mediciones de este gas.