劉　楊，董紅敏，陶秀萍，陳永杏，尚　斌，徐文倩(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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大氣環(huán)境對育肥豬舍內(nèi)顆粒物濃度的影響*

劉楊，董紅敏，陶秀萍**，陳永杏，尚斌，徐文倩
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要：2014年10月-2015年8月，以北京昌平某豬場3棟育肥豬舍為例，在豬舍內(nèi)外設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，對豬舍內(nèi)外空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5μm的顆粒物（PM2.5）、≤10μm的顆粒物（PM10）和≤100μm的顆粒物（TSP）濃度進(jìn)行周年監(jiān)測，并將舍外監(jiān)測數(shù)據(jù)與昌平國家環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以研究探討大氣環(huán)境顆粒物濃度對育肥豬舍內(nèi)環(huán)境的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)期間舍內(nèi)外PM2.5濃度的變化范圍分別為23～245μg×m?3 和11～372μg×m?3，PM10濃度變化范圍分別為113～1182μg×m?3和25～444μg×m?3，TSP濃度變化范圍分別為334～4396μg×m?3和31～742μg×m?3。育肥豬舍內(nèi)PM10和TSP濃度遠(yuǎn)高于豬舍外，說明育肥豬舍內(nèi)PM2.5濃度受大氣環(huán)境的影響，而育肥豬舍內(nèi)粒徑大于2.5μm的顆粒物主要源于養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境；育肥豬舍；PM2.5；PM10；TSP

劉楊,董紅敏,陶秀萍,等.大氣環(huán)境對育肥豬舍內(nèi)顆粒物濃度的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(2):143-148

近年來，中國的大氣污染較嚴(yán)重，霧霾天氣?，F(xiàn)。霧霾中顆粒物和氮氧化物等是最重要的污染物質(zhì)，其中以顆粒物對公眾的健康危害尤甚。2006年中國113個(gè)主要城市大氣可吸入顆粒物（PM10）污染對居3民健康影響的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3414.03億元[1]，研究表明顆粒物已成為居民第四大健康危害因素[2]。因此，大氣中顆粒物研究倍受重視，相關(guān)研究對北京霧霾天氣中顆粒物的來源、化學(xué)組成，季節(jié)性變化進(jìn)行了分析[3-6]，并對中國部分地區(qū)持續(xù)嚴(yán)重霧霾的形成機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行了探索[7-9]。

對于規(guī)?；B(yǎng)殖而言，盡管動(dòng)物并非時(shí)刻暴露于大氣環(huán)境中，但是畜禽舍內(nèi)外不斷進(jìn)行著氣體交換，大氣環(huán)境勢必影響畜禽舍內(nèi)的空氣質(zhì)量，進(jìn)而影響動(dòng)物健康和畜產(chǎn)品質(zhì)量。鑒于畜禽舍顆粒物的危害，國外對畜禽舍內(nèi)的PM2.5（粒徑≤2.5μm的顆粒物）、PM10（粒徑≤10μm的顆粒物）和TSP（粒徑≤100μm的顆粒物）濃度進(jìn)行了測定，并對相關(guān)顆粒物的舍外傳播擴(kuò)散規(guī)律及其減排方法進(jìn)行了研究[10-16]。國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在畜禽舍內(nèi)微生物氣溶膠以及向大氣環(huán)境擴(kuò)散特征和潛在的生物安全風(fēng)險(xiǎn)[17-20]等方面，尚缺乏大氣環(huán)境對畜禽舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量影響的研究報(bào)道，在當(dāng)前霧霾多發(fā)的環(huán)境狀況下，大氣環(huán)境對規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖環(huán)境的影響更是令人擔(dān)憂。因此，本研究以北京地區(qū)某規(guī)模豬場育肥豬舍為對象，研究育肥豬舍內(nèi)顆粒物濃度狀況，以及大氣環(huán)境周年變化對育肥豬舍內(nèi)顆粒物濃度的影響，以期為規(guī)?；i場舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的控制提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)豬舍

試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)某規(guī)?；i場進(jìn)行，豬場平面圖如圖1所示。試驗(yàn)育肥豬舍為雙坡有窗結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)安置在豬舍南墻，濕簾安裝在豬舍北墻，兩側(cè)墻均安裝玻璃窗。豬舍檐高3m，跨度12m，豬舍依地勢而建，長度各不相同但舍內(nèi)育肥豬的飼養(yǎng)密度基本相同（表1），舍內(nèi)設(shè)雙列單走道，走道位于豬舍中部；豬舍地面為全漏縫地板；水泡糞方式清糞。豬舍采用橫向機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)，負(fù)壓風(fēng)機(jī)安裝在豬舍南側(cè)墻上，以北側(cè)墻上對應(yīng)位置2.5m寬×1.2m高的窗戶作為進(jìn)氣口（冬季使用屋頂進(jìn)氣口），窗臺離地面1.2m，北側(cè)窗戶上間隔安裝濕簾，風(fēng)機(jī)運(yùn)行通過溫度傳感器進(jìn)行自動(dòng)控制。試驗(yàn)期間豬日齡均在90～110d。

表1　試驗(yàn)豬舍基本情況Table 1　The basic conditions of the fattening pig barns

1.2測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置如圖1所示。育肥豬舍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在中間走道的中部位置，測點(diǎn)的高度為儀器配套PM2.5、PM10和TSP切割頭的固定高度，與舍內(nèi)地面的距離分別為2.0m、1.9m和1.6m。每個(gè)豬舍外設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，位于豬舍北側(cè)墻中部的窗戶（進(jìn)氣口）外，距窗口約0.3m，試驗(yàn)期間PM2.5、PM10和TSP的測點(diǎn)高度也為儀器配套切割頭的固定高度，距離地面均為1.7m。

圖1　試驗(yàn)豬場平面圖及育肥豬舍采樣點(diǎn)布置示意圖Fig. 1　The schematic layout of trial pig farm and the sampling points of fattening barns

1.3監(jiān)測指標(biāo)

監(jiān)測指標(biāo)包括PM2.5、PM10和TSP，各指標(biāo)在3棟豬舍內(nèi)依次進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)監(jiān)測指標(biāo)連續(xù)監(jiān)測5d，每棟豬舍共監(jiān)測15d，故完成3棟豬舍監(jiān)測的總時(shí)長為45d。監(jiān)測分4個(gè)季節(jié)進(jìn)行，2014/2015年度秋、冬、春、夏季的起始測試時(shí)間分別為2014年9月30日、2014年12月16日、2015年3月13日和2015 年7月16日。

豬舍內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)采用顆粒物監(jiān)測儀（TEOM1405，美國產(chǎn)）進(jìn)行24h自動(dòng)連續(xù)采樣，每5min自動(dòng)記錄一次顆粒物濃度。

舍外監(jiān)測點(diǎn)使用智能中流量TSP采樣器（嶗應(yīng)2030，中國青島產(chǎn)）進(jìn)行連續(xù)采樣。試驗(yàn)期間每日8：00、13：00和18：00進(jìn)行手動(dòng)采樣換膜，用分析天平分別稱量監(jiān)測前后濾膜質(zhì)量后計(jì)數(shù)，日均顆粒物濃度數(shù)據(jù)取3次平均值。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，從環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心獲取中國環(huán)境監(jiān)測總站昌平監(jiān)測點(diǎn)（簡稱昌平站）同期的PM2.5和PM10數(shù)據(jù)，以進(jìn)行比較，該監(jiān)測點(diǎn)距離試驗(yàn)豬場14km。

試驗(yàn)所用監(jiān)測儀器在使用前均經(jīng)北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院進(jìn)行檢定，結(jié)果為合格。

1.4數(shù)據(jù)分析

豬舍內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的顆粒物濃度由儀器直接記錄，舍外監(jiān)測點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)通過下式換算

式中，Conc.為顆粒物的濃度（μg×m?3）；Wf為采樣結(jié)束時(shí)濾膜質(zhì)量（μg）；Wi為采樣開始時(shí)濾膜質(zhì)量（μg）；V為儀器記錄的采樣期間標(biāo)準(zhǔn)空氣流量（m3）。

使用SPSS21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并制圖，豬舍內(nèi)外監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性比較采用雙尾t檢驗(yàn)方法進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)期間豬舍外大氣環(huán)境顆粒物濃度變化

豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和PM10日均濃度與昌平站的數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖可見，試驗(yàn)舍外監(jiān)測點(diǎn)與國家環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和PM10日均濃度變化規(guī)律基本一致，兩組監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.836 和0.600。在監(jiān)測周期內(nèi)，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和PM10日均濃度范圍分別為11～372μg×m?3和7～364μg×m?3，而昌平站的對應(yīng)值分別為25～444μg×m?3 和5～322μg×m?3。

圖2　2014年10月-2015年8月不同季節(jié)豬舍外觀測點(diǎn)與昌平站日均PM2.5(a)和PM10(b)濃度變化Fig. 2　The daily averaged PM2.5(a) and PM10(b) concentrations at observing point outside the fattening barns and Changping station from October 2014 to August 2015

對于PM2.5日均濃度，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)與昌平站的數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，秋季和冬季均有明顯的峰值，春季和夏季則呈波動(dòng)變化。不論是秋季還是冬季，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)和昌平站的PM2.5日均濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間一致，秋季峰值出現(xiàn)在2014年10月9日，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)和昌平站的測定值分別為372μg×m?3和364μg×m?3；冬季兩個(gè)峰值均出現(xiàn)在2015年1月15日和1月23日，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的測定濃度分別為236μg×m?3和222μg×m?3，昌平站對應(yīng)值分別為343μg×m?3和228μg×m?3。

對于PM10日均濃度，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)和昌平站的數(shù)據(jù)變化規(guī)律也一致，除秋季出現(xiàn)明顯的峰值以外，其它季節(jié)均呈波動(dòng)變化。秋季峰值出現(xiàn)在2014年10 月19日，當(dāng)日豬舍外監(jiān)測點(diǎn)和昌平站的PM10日均濃度分別為444μg×m?3和322μg×m?3；其它季節(jié)兩監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)規(guī)律基本一致，但豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的測定值高于昌平站，尤以春季和夏季較為明顯。

豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的TSP日均濃度如圖3所示，環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心沒有TSP數(shù)據(jù)。監(jiān)測周期內(nèi)，TSP日均濃度在31～742μg×m?3之間。全年呈波動(dòng)變化，總體而言，冬季TSP日均濃度最低，其次是春季和夏季，秋季相對較高。

鑒于昌平站缺TSP數(shù)據(jù)，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)其它粒徑顆粒物濃度與昌平站變化規(guī)律和濃度范圍基本一致，故本研究采用豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3　2014年10月-2015年8月不同季節(jié)豬舍外觀測點(diǎn)日均TSP濃度值Fig. 3　The daily averaged TSP concentration at observing point outside the fattening barns from October 2014 to August 2015

2.2試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)空氣顆粒物濃度變化

試驗(yàn)期間，育肥豬舍內(nèi)PM2.5、PM10和TSP日均濃度變化如圖4所示。由圖可見，豬舍內(nèi)PM2.5、PM10和TSP日均濃度隨觀測時(shí)間而變化，但變化規(guī)律各不相同，其變化范圍分別在23～245μg×m?3、113～1182μg×m?3和334～4396μg×m?3。在整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)，PM2.5日均濃度最大值（245μg×m?3）出現(xiàn)在2015 年1月16日；PM10日均濃度在秋季持續(xù)上升，冬季和春季PM10日均濃度各出現(xiàn)2個(gè)峰值濃度，冬季的峰值分別為1011μg×m?3和978μg×m?3，春季峰值濃度略高于冬季，分別為1020μg×m?3和1182μg×m?3，但夏季PM10日均濃度始終保持較低濃度狀態(tài)；豬舍內(nèi)TSP日均濃度的變化規(guī)律與PM10相似，全年最大值出現(xiàn)在春季，達(dá)4396 μg×m?3，且秋季、冬季和春季大部分TSP日均濃度值超過1500μg×m?3的國家標(biāo)準(zhǔn)要求[21]。

圖4　2014年10月-2015年8月豬舍內(nèi)PM2.5，PM10和TSP日均濃度Fig. 4　The daily averaged concentration of PM2.5, PM10and TSP inside the fattening barns from October 2014 to August 2015

在整個(gè)試驗(yàn)期間，育肥豬舍內(nèi)TSP日均濃度最高，極顯著（P<0.01）高于PM2.5和PM10日均濃度，PM10日均濃度極顯著高于PM2.5日均濃度（P<0.01）。

2.3大氣環(huán)境顆粒物對豬舍內(nèi)顆粒物濃度的影響

整個(gè)試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)外顆粒物濃度如表2所示。由表可見，對于不同粒徑顆粒物濃度，不論是豬舍內(nèi)還是豬舍外，均表現(xiàn)為TSP濃度最高，其次是PM10濃度，PM2.5濃度最低。舍內(nèi)PM10和TSP濃度均顯著高于舍外（P<0.05），分別是豬舍外平均濃度的3.50和4.72倍，舍內(nèi)、外TSP濃度甚至存在極顯著差異（P<0.01），但豬舍內(nèi)PM2.5濃度略低于豬舍外。

由表2還可見，豬舍內(nèi)外的PM2.5濃度幾乎相等，這與舍內(nèi)外不同顆粒物濃度之間的相關(guān)性（表3）一致，豬舍內(nèi)外PM2.5濃度之間的相關(guān)系數(shù)r為0.565，表明豬舍內(nèi)的PM2.5濃度基本來自于豬舍外，即豬舍外的PM2.5濃度對豬舍內(nèi)的PM2.5濃度有直接影響；豬舍內(nèi)的PM2.5濃度與豬舍外TSP濃度之間也存在一定的相關(guān)性（r=0.322），結(jié)合表2和表3可以推斷，豬舍外的TSP對豬舍內(nèi)的顆粒物的貢獻(xiàn)主要是通過PM2.5實(shí)現(xiàn)的；豬舍外顆粒物濃度與豬舍內(nèi)PM10和TSP之間的相關(guān)性均很弱。

表2 試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)外不同顆粒物濃度（μg×m?3，平均值±均方差）Table 2 The particulate matter concentration of inside and outside the fattening barns during the test period(μg·m?3, mean±SD)

表3 豬舍內(nèi)外不同顆粒物濃度的相關(guān)系數(shù)（r）Table 3 The correlation(r) between particulate matter concentration inside and outside the fattening barns among different seasons

3　結(jié)論與討論

3.1討論

豬舍外監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5和PM10日均濃度普遍高于國家環(huán)境監(jiān)測昌平站，但冬季例外，其原因可能跟豬舍外監(jiān)測點(diǎn)與昌平站所處的地理位置有關(guān)，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)所處的位置在昌平區(qū)南口鎮(zhèn)范圍內(nèi)，周圍1km范圍內(nèi)有村莊和工廠，地理環(huán)境條件決定該地區(qū)大氣的擴(kuò)散條件不理想，人類活動(dòng)可能是導(dǎo)致豬舍外監(jiān)測點(diǎn)PM2.5和PM10濃度高于昌平站的原因；另外，北京冬季多風(fēng)，且昌平南口地處北京的風(fēng)口，有利于顆粒物擴(kuò)散，因而冬季有時(shí)出現(xiàn)豬舍外監(jiān)測點(diǎn)顆粒物濃度低于昌平站的情況。如果在同時(shí)同地監(jiān)測，PM10的濃度數(shù)據(jù)應(yīng)該大于PM2.5，但是試驗(yàn)監(jiān)測期間，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)和昌平站秋季和冬季的PM2.5平均濃度均高于PM10，可能是由于儀器條件有限，豬舍外監(jiān)測點(diǎn)PM2.5和PM10濃度不是同步測定，不同時(shí)段的誤差導(dǎo)致，盡管昌平站也出現(xiàn)秋季和冬季PM2.5平均濃度均高于PM10的情況，但由于對其監(jiān)測方法不了解，其原因還有待探究。

舍外試驗(yàn)儀器對顆粒物監(jiān)測原理是利用膜使用前后的質(zhì)量差和標(biāo)準(zhǔn)體積換算的，高濕環(huán)境可能使監(jiān)測用膜受潮從而影響儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是雨天對戶外監(jiān)測的影響較大，本試驗(yàn)監(jiān)測期間的2015年夏季雨水較多，雨天舍外的顆粒物監(jiān)測值異常，因而本研究出現(xiàn)夏季監(jiān)測數(shù)據(jù)較少的情況。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，豬舍內(nèi)的PM10和TSP濃度遠(yuǎn)高于舍外，因而舍外的PM10和TSP對舍內(nèi)顆粒物的影響甚微，據(jù)此可以推斷，豬舍內(nèi)的PM10和TSP主要是養(yǎng)豬生產(chǎn)過程產(chǎn)生的，如喂料、豬只活動(dòng)以及豬舍清掃等，但豬舍內(nèi)的PM2.5主要來自舍外，即豬舍外的PM2.5可通過通風(fēng)換氣進(jìn)入豬舍，從而影響動(dòng)物健康，所以，為防止霧霾天氣對豬只健康的影響，對豬舍進(jìn)氣進(jìn)行凈化過濾應(yīng)重點(diǎn)針對PM2.5顆粒物；豬舍內(nèi)的顆粒物控制則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注粒徑大于2.5μm的顆粒物，以提高豬舍環(huán)境質(zhì)量控制效果。

3.2結(jié)論

（1）北京地區(qū)育肥豬舍外周年P(guān)M2.5濃度在11～372μg×m?3，PM10濃度為25～444μg×m?3，TSP濃度為31～742μg×m?3。

（2）育肥豬舍內(nèi)PM2.5濃度在23～245μg×m?3，PM10濃度為113～1182μg×m?3，TSP濃度為334～4396μg×m?3。

（3）育肥豬舍內(nèi)的PM2.5顆粒物濃度受大氣環(huán)境的影響；但育肥豬舍內(nèi)粒徑大于2.5μm的顆粒物主要源于養(yǎng)殖生產(chǎn)活動(dòng)。

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Effects of Atmospheric Environment on the Particulate Matters in the Fattening Pig Barns

LIU Yang, DONG Hong-min, TAO Xiu-ping, CHEN Yong-xing，SHANG Bin, XU Wen-qian
（Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation & Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081,China）

Abstract：Measurement points were set inside and outside the barns to monitor PM2.5(diameter of particulate matter ≤2.5μm), PM10(diameter of particulate matter ≤10μm) and TSP(diameter of particulate matter ≤100μm ) concentrations on a swine farm in Changping, suburb Beijing for a full year（2014-09-30 to 2015-08-29）. Comparison and statistical analysis of the monitoring results were done with data from the Changping national environmental monitoring station. Results showed that the concentration ranges of PM2.5inside and outside the barns were 23-245μg·m-3 and 11-372μg·m-3, respectively, PM10were 113-1182μg·m-3 and 25-444μg·m-3, respectively, and TSP were 334-4396μg·m-3 and 31-742μg·m-3, respectively. The concentrations of PM10and TSP inside the barns were much higher than that outside. The concentration of PM2.5inside the pig barns was mostly influenced by the atmospheric environment, but the particulate matters larger than 2.5μm mostly came from the breeding process.

Key words：Atmospheric environment; Fattening pig barns; PM2.5; PM10; TSP

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.003

* 收稿日期：2015-11-26**通訊作者。E-mail：taoxiuping@caas.cn

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃（2013BAD21B02）

作者簡介：劉楊（1991-），碩士生，從事豬舍環(huán)境控制技術(shù)研究。E-mail：liuyang@cau.edu.cn