Greenhouse gas and ammonia emissions from dairy barns

Abstract

Livestock farming is blamed to bear the bulk of certain gaseous emissions from agriculture such as ammonia (NH₃) and methane (CH₄). Emission measurement in naturally ventilated buildings in general, but the determination of the air exchange rate in particular, is very complex. Consequently, there is a lack of knowledge regarding gaseous emissions from modern, naturally ventilated dairy cattle buildings. The objectives of the thesis comprise the development and the utilization of measuring and modelling methods in order to determine NH₃ and CH₄ emissions from dairy barns.<br /> The first study focused on the development of a robust method for the long-term measurement of CH₄ and NH₃ emissions from a naturally ventilated dairy barn. A rough but solid model for the calculation of the ventilation rate by means of wind parameters was developed. At zero wind speed, the ventilation level in the building was over 870 m³ h^-1 LU^-1 and each m s^-1 increase in wind speed increased the ventilation rate by 1,500 m³ h^-1 LU^-1.<br /> The second study presents results of a one-year measurement campaign in a tripartite, naturally cross ventilated dairy barn allowing for an accurate comparison of the two housing systems slatted floor and solid floor including emissions from barn and storage. Emissions from slatted floor including storage with low intensity of slurry homogenization led to lowest NH₃ and CH₄ emissions (324.9 ± 123.6 g CH₄ LU^-1 and 29.8 ± 13.1 g NH₃ LU^-1 d^-1 as annual average, respectively). The effect of slurry homogenization beneath the slatted floor was affecting the level of both CH₄ and NH₃ emissions in a similar way (+17 and +29% higher emissions due to higher intensity of manure homogenization). <br /> Furthermore, in the third chapter emission modelling and measuring science was brought together and discussed in an interdisciplinary study. Therefore, the greenhouse gas calculation module of the dairy farm-level model DAIRYDYN was validated by long-term measurement data. The comparison of indicator-modelled CH₄ emissions with online measurements offered relatively moderate deviations in case of very detailed indicator schemes (between -6.4 and 10.5%) compared with findings from literature.<br /> As a whole, the thesis contributes to the development and improvement of measuring methods for gaseous emissions from naturally ventilated dairy barns offering links for further research activities in this field. The thesis provides emission factors for different housing systems and manure management practices for dairy cows.

<strong>Klimagas- und Ammoniakemissionen aus Milchviehställen</strong><br /> Die landwirtschaftliche Nutztierhaltung ist für einen Großteil der gasförmigen Emissionen des Agrarsektors, wie Methan (CH₄) und Ammoniak (NH₃), verantwortlich. Die Messung dieser umwelt- oder klimaschädlichen Gase und insbesondere die Bestimmung des Luftwechsels von frei belüfteten, modernen Tierställen ist jedoch sehr komplex und die Datengrundlage daher gering. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Anwendung von Messmethoden und Modellen zur Bestimmung von gasförmigen Emissionen aus Milchviehställen. <br /> Die erste Studie beschreibt die Entwicklung einer robusten Messmethodik für die Bestimmung der CH₄ und NH₃ Emissionen aus einem frei belüfteten Milchviehstall. Dazu wurde anhand von Windparametern ein Luftwechselmodell für das Stallgebäude entwickelt. Bei Windstille wurde ein Luftvolumenstrom von mehr als 870 m³ h^-1 LU^-1 ermittelt, wobei ein Anstieg der Windgeschwindigkeit um 1 m s^-1 eine Erhöhung des Luftvolumenstroms von etwa 1.500 m³ h^-1 LU^-1 zur Folge hatte. <br /> Die zweite Studie umfasst Ergebnisse einer einjährigen Messreihe in einem frei belüfteten, dreigeteilten Milchviehstall und ermöglichte einen Vergleich der zwei Haltungsvarianten „Spaltenboden“ und „planbefestigte Laufflächen“ unter Einbeziehung der Emissionen aus dem Flüssigmistlager. Das Stallabteil mit Spaltenboden wies bei geringer Intensität des Flüssigmist-Homogenisierens im Jahresmittel die geringsten NH₃ und CH₄ Emissionen auf (324,9 ± 123,6 g CH₄ GV^-1 d^-1 und 29,8 ± 13,1 g NH₃ GV^-1 d^-1). Das intensive Homogenisieren des Flüssigmistes unter dem Spaltenboden führte im Jahresmittel sowohl bei CH₄ als auch bei NH₃ zu signifikant höheren Emissionsraten im Vergleich zum weniger intensiven Homogenisieren (+17% bei CH₄ und +29% bei NH₃). Darüber hinaus wurden in der dritten Studie Erkenntnisse aus Emissionsmessung und -modellierung in einer interdisziplinären Arbeit zusammengeführt. Das Klimagas-Berechnungsmodul des einzelbetrieblichen Simulationsmodells DAIRYDYN wurde anhand von Ergebnissen aus Langzeit Messungen validiert. Bei Einbeziehung sehr detaillierter Produktionsparameter in das Modell wurden im Vergleich zur Literatur relativ geringe Abweichungen (-6,4 bis 10,5%) zu den Messergebnissen festgestellt.<br /> Die vorliegende Arbeit leistet somit einen Beitrag zur Entwicklung und Verbesserung der Messmethoden für gasförmige Emissionen aus frei belüfteten Milchviehställen und zeigt weiteren Forschungsbedarf in diesem Themengebiet auf. Darüber hinaus liefert die Arbeit Emissionsfaktoren für verschiedene Haltungsverfahren bzw. Entmistungsvarianten für Milchkühe bei unterschiedlichem Flüssigmistmanagement.