許 穩(wěn)，劉學軍，孟令敏，鄭 鯤

（中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

氨氣（NH3）和顆粒物污染已成為全球畜牧業(yè)主要的環(huán)境問題之一[1]。人和動物長期暴露在高濃度的NH3和顆粒物環(huán)境中，容易導致呼吸道疾病的發(fā)生，如慢性咳嗽、慢性支氣管炎、過敏反應和哮喘等[2]。此外，NH3和顆粒物均是主要的大氣污染物，可引起一系列的生態(tài)環(huán)境負面效應：大量的NH3排放到大氣，會通過大氣干濕沉降過程返回到地表，進而引起一系列的環(huán)境問題，如水體富營養(yǎng)化、土壤酸化、生物多樣性減少，且影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3-4]；畜禽舍內(nèi)顆粒物的排放不僅會惡化周邊空氣質(zhì)量，影響周邊居民身體健康，而且也會對氣候產(chǎn)生影響[5]。

畜禽舍內(nèi)的NH3源主要為動物糞便、尿液和剩余飼料，而舍內(nèi)顆粒物主要來源于飼料、糞便、動物皮膚、體毛和羽毛，是大氣顆粒物的重要貢獻源[6]。為了保護飼養(yǎng)員和動物的健康及減緩對環(huán)境的負面影響，世界范圍內(nèi)的環(huán)境科學家從畜禽舍的通風類型、地板類型、糞便管理模式、喂養(yǎng)模式等各方面來比較，評估不同豬舍類型和管理模式對減少舍內(nèi)NH3和顆粒物濃度及排放的效果[7]。

預計到2020年，世界范圍內(nèi)對豬肉的需求量將增加75%[8]。我國豬肉產(chǎn)量約占世界豬肉產(chǎn)量的50%[9]。集約化養(yǎng)豬場豬舍內(nèi)產(chǎn)生的NH3和顆粒物不僅對周邊環(huán)境的污染日益嚴重，而且威脅到人類和動物的健康。Van Ransbeeck等[10]對漏縫地板、機械通風的育肥豬舍中的顆粒物和NH3濃度進行了兩個飼養(yǎng)周期、為期一年的測定，結(jié)果顯示舍內(nèi)PM10、PM2.5、PM1的年均濃度分別為 0.719、0.039 和 0.015 mg·m-3，舍內(nèi)NH3的平均濃度為14.2 mg·m-3。我國針對養(yǎng)豬場NH3和顆粒物濃度的監(jiān)測研究日益增多，大部分集中于育肥期豬舍[11-13]。朱志平等[11]采用比色法探究了不同月份育肥舍內(nèi)NH3濃度的季節(jié)變化和日變化。劉楊[12]利用顆粒物采樣器分析了機械通風育肥舍內(nèi)PM10、PM2.5和TSP（總懸浮顆粒物，空氣動力學當量直徑d≤100 μm）日均濃度的季節(jié)變化規(guī)律。Huaitalla等[13]利用紅外光探測儀在線監(jiān)測了我國不同豬舍內(nèi)PM10、PM2.5和PM1在夏季和冬季的實時濃度，但國內(nèi)針對不同養(yǎng)殖階段豬舍內(nèi)NH3和顆粒物污染信息仍不夠完善，進而約束了養(yǎng)豬場整體空氣環(huán)境評價工作的開展。本研究監(jiān)測了北京郊區(qū)一個集約化養(yǎng)豬場內(nèi)4個養(yǎng)殖階段（妊娠期、哺乳期、保育期和育肥期）豬舍內(nèi)NH3和顆粒物的濃度，初步探明不同養(yǎng)殖階段NH3和顆粒物的濃度差異、季節(jié)性變化，及不同粒徑顆粒物占TSP的比例，以期為養(yǎng)豬場大氣污染控制措施和法規(guī)的制定提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣豬場概況

本試驗于2010—2011年在北京市順義區(qū)趙全營鎮(zhèn)北郎中村北郎中養(yǎng)豬場（116.7°E，40.1°N）進行。該養(yǎng)豬場面積約為10 hm2，包含東廠和西廠兩個廠區(qū)，共有56棟豬舍。東廠有28棟豬舍，主要是育肥豬舍；西廠有28棟豬舍，主要是母豬舍。豬場的年存欄量約為8000頭，年出欄育肥豬和種豬約為15 000頭。豬場內(nèi)的采樣點選在4個養(yǎng)殖階段豬舍，包括育肥舍、妊娠舍、哺乳舍和保育舍。

1.2 豬舍類型

育肥舍長50 m、寬8 m、高2.4 m，豬舍內(nèi)有兩排東西走向的豬欄，中間為1 m寬的走道。每排各有欄位16個，每個欄位長3 m、寬3.5 m，欄內(nèi)有與污水溝相連的2°斜坡的水泥地板。豬舍的南北墻各有14扇窗戶。育肥期約為80～120 d，豬進舍體質(zhì)量約為20 kg，出舍體質(zhì)量約為100 kg。

妊娠舍的大小、構(gòu)造和育肥舍相同。妊娠期大約為110 d，進舍體質(zhì)量為120～180 kg，出舍體質(zhì)量為150～200 kg。

哺乳舍長17.3 m、寬11 m、高2.7 m，豬舍東西走向，中間為1.5 m寬的過道。豬舍采用離地面0.1 m高的鐵欄床，其水泥地板有2°斜坡，與污水溝相連。豬舍的南北墻各有7扇窗戶。哺乳期約為35 d，小豬出生體質(zhì)量約為1.5 kg，出欄體質(zhì)量約為10 kg。

保育舍長14.5 m、寬11 m、高2.4 m，豬舍采用離地面0.1 m的網(wǎng)格床，南北墻各有7扇窗戶。保育期約為30 d，豬進舍體質(zhì)量約為10 kg，出欄體質(zhì)量約為20 kg。

所有豬舍的窗戶和門在夏天全部打開，在冬季全部關(guān)閉；在春秋季所有窗戶和門在白天打開，晚上則關(guān)閉。養(yǎng)豬場及各實驗豬舍的其他主要信息見表1。

1.3 樣品采集與分析方法

1.3.1 氣態(tài)NH3

離線NH3樣品采樣期為2010年7月—2011年1月，覆蓋夏季（7月和8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年1月）。采樣期間分別對4個飼養(yǎng)階段豬舍內(nèi)NH3濃度進行監(jiān)測，包含1個育肥舍、1個妊娠舍、1個保育豬和1個哺乳舍，各豬舍內(nèi)不同季節(jié)NH3采樣時期如表2所示。每個豬舍設1個采樣點，位于走道中央處，離地面2.0 m高。采樣頻率根據(jù)舍內(nèi)NH3的濃度設置為3～7 d（一般夏季為7 d，秋冬季為3 d），每次采樣設置3個重復，樣品被采回后保存于4℃冰箱中，每月集中浸提、分析。時均NH3濃度的分析樣品采用英國生態(tài)水文中心（CEH，Centre for Ecology and Hydrology）提供的被動采樣器ALPHA（Adapted Low-cost Passive High Absorption）采集。每個采樣器主體為長26 mm、外徑27 mm的聚乙烯管，管子的一端含有一個5 μm的PTFE膜來阻擋空氣中的顆粒物進入，而氣態(tài)NH3可以通過PTFE膜擴散，并被管子另一端的采樣膜（用檸檬酸浸泡）吸附。被動采樣器ALPHA與主動采樣器DELTA系統(tǒng)的采樣結(jié)果相似且兩者線性擬合程度較高[14]，已有研究采用ALPHA對豬舍內(nèi)NH3進行監(jiān)測[15]。

離線NH3樣品浸提方法：用鑷子將采樣膜從采樣器中取出放于100 mL的燒杯中，加入100 mL的高純水浸提，浸提過程中每小時輕搖燒杯，樣品充分浸提大約1～2 h后，用鑷子將采樣膜上的浸提液擠干，然后將其取出，浸提液置于4℃冰箱冷藏待測。浸提液分析采用連續(xù)流動分析儀（Continuous Flow Analyzer，AA3，德國）測定。連續(xù)流動分析儀的工作原理：樣品與水楊酸和二氯異腈脲酸鈉（DCI）反應生成藍色化合物，在660 nm波長下檢測，得到水樣中NH+4-N含量，并進一步根據(jù)浸提液的體積計算采集的NH3質(zhì)量?？諝庵?NH3濃度（C，μg·m-3）的計算公式如下：

C=0.944 12 ×（ma-mb）×106/βNH3×V

式中：0.944 12為浸提液中NH+4與氣態(tài)NH3的分子量比值；ma為樣品中 NH+4質(zhì)量，μg；mb為空白樣品中NH+4質(zhì)量，μg；106代表單位換算；βNH3為 ALPHA 被動采樣器的質(zhì)量轉(zhuǎn)換校正系數(shù)（0.669 9）；V為有效采樣體積，m3。

有效采樣體積V計算公式如下：

V=DAt/L=0.198 7（273.15+T/273.15）1.81At/L

式中，D為氣體的擴散系數(shù)，cm2·min-1；A為采樣器有效橫截面積，3.463 ×10-4m2；t為采樣時間，h；T 為環(huán)境溫度，℃；L為氣體的擴散距離，0.006 m。

表1 實驗豬場及各豬舍的主要信息Table1 Main information on the investigated pig farm and pig houses

表2 4種豬舍內(nèi)NH3采樣時期（年/月/日）Table2 NH3sampling periods for four types of pig houses（year/month/day）

實時NH3濃度采用德爾格氨檢測管（手泵和氨管均購于德國Dr?gerwerk AG公司）測定。氨檢測管中填充固態(tài)酸性混合物以及遇堿變藍的pH指示劑溴苯酚，外表帶有刻度值，可檢測NH3濃度范圍為0.05～700 μL·L-1。每次采樣時將管子一口打開后連接手泵，抽氣結(jié)束后（一般為5～10次），結(jié)合管子變色的長度和外表刻度值可得到環(huán)境NH3的濃度值。實時NH3濃度的監(jiān)測于2010年7月22—23日在妊娠舍、育肥舍和保育舍內(nèi)進行，采樣從22日早上6：00開始到次日凌晨2：00結(jié)束。采樣點為豬舍的中心位置，采樣高度為1.5 m，每4 h采樣一次，每次設置3個重復。

1.3.2 顆粒物

在2010年8月20—27日和2010年10月2—9日期間，采用中流量顆粒物采樣器（TH-150CⅢ型，100 L·min-1，武漢天虹儀表有限公司）分別對保育舍和育肥舍內(nèi)顆粒物（TSP、PM10和PM2.5）樣品進行連續(xù)監(jiān)測。采樣點設在豬舍走道中央，采樣口距地面1.5 m高，每次連續(xù)采樣24 h。采樣濾膜采用北京賽福萊博公司進口的Staplex直徑為90 mm石英纖維素濾膜，采樣前將濾膜置于馬弗爐高溫加熱到900℃，保持2～3 h，然后冷卻至室溫，恒溫恒濕（20℃±2℃，40%±5%）24 h，再用百萬分之一天平（TB-215D，美國丹佛）稱質(zhì)量。采樣后的濾膜在恒溫恒濕條件下平衡24 h后再次稱質(zhì)量。然后放入干凈的鋁箔紙內(nèi)于-20℃的冰箱內(nèi)儲存?zhèn)溆?。顆粒物濃度（mg·m-3）的計算采用重量法，即采樣后膜質(zhì)量（g）減去采樣前膜質(zhì)量（g），再除以標準狀態(tài)下的采樣體積（采樣器根據(jù)溫度自動校正，m3）。采用TSP與PM10的差值和PM10與PM2.5的差值分別計算出PM10-100（空氣動力學粒徑在10～100 μm之間的顆粒物）和PM2.5-10（空氣動力學粒徑在2.5～10 μm之間的顆粒物）的濃度。

1.3.3 環(huán)境溫度

4種豬舍內(nèi)的溫度均采用Hobo Pro WEH（Onset Computer Corporation，美國）記錄，采樣位置和高度與采集日均NH3濃度分析樣品時相同。該設備每30 min記錄一次數(shù)據(jù)，精準度為±0.7℃。

1.4 統(tǒng)計分析

采用 SPSS 11.5（SPSS Inc.，美國）進行單因素方差分析，檢驗不同養(yǎng)殖階段豬舍內(nèi)時均NH3濃度、不同季節(jié)NH3濃度、不同時刻實時NH3濃度差異的顯著性，顯著水平設為α=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 月均NH3濃度

在2010年8月—2011年1月期間，育肥舍NH3的月均濃度變化范圍為1.55～5.24 mg·m-3，平均為3.26 mg·m-3（圖1a）。本研究測得的季節(jié)性濃度值明顯低于早期研究報道：夏季和冬季育肥豬舍內(nèi)NH3濃度分別為（3.44±2.34）mg·m-3和（10.1±4.60）mg·m-3[10]。與國外研究相比，所測的NH3濃度均值接近于韓國相同類型的豬舍內(nèi)NH3的平均濃度（3.87 mg·m-3）[16]，但明顯低于德國、英國和愛爾蘭養(yǎng)豬場育肥舍內(nèi) NH3濃度（7.59～30.0 mg·m-3）[17-19]。這主要是由不同類型的豬舍糞便清理系統(tǒng)和通風類型造成的[20]。國外的大部分豬舍為機械通風，且采用漏縫地板和深坑儲存糞便的方式，因此糞便的舍內(nèi)存放增加了NH3從糞便的揮發(fā)和在舍內(nèi)滯留的時間。本研究豬舍的糞便清理采用干清糞系統(tǒng)，即糞尿通過一定角度的斜坡自動分離，每天人工將糞便清理出豬舍并用水沖刷地板，這些措施均能有效降低舍內(nèi)NH3的揮發(fā)[21-22]，從而使所測的NH3濃度低于上述國外的報道結(jié)果。妊娠舍內(nèi)月均NH3濃度平均為3.48 mg·m-3（波動范圍為 1.22～6.35 mg·m-3，圖 1b），低于發(fā)酵床和傳統(tǒng)妊娠舍的NH3濃度（分別為4.61 mg·m-3和6.41 mg·m-3）[23]。哺乳舍內(nèi)月均 NH3濃度為 1.12～4.59 mg·m-3，平均值為2.95 mg·m-3（圖1c）。保育期豬舍內(nèi)月均NH3濃度平均值為2.94 mg·m-3（1.21～4.88 mg·m-3）（圖1d），明顯低于歐洲國家（如德國、英格蘭、愛爾蘭和丹麥）的報道值（4.0～7.0 mg·m-3）[18，24-25]。

比較不同階段豬舍，NH3濃度由高到低排列依次是妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此間差異不顯著（P＞0.05）。妊娠舍內(nèi)NH3濃度較高，可能是由于妊娠期豬體質(zhì)量最大，維持其正常的生理代謝需要攝入更多的含氮化合物[26]，致使排泄物中氮含量增加，從而增加舍內(nèi)NH3的產(chǎn)生。類似地，由于育肥豬數(shù)量通常多于其他3個階段豬的數(shù)量（表1），這導致舍內(nèi)排泄物增多，進而提升NH3揮發(fā)強度，使育肥舍NH3濃度較高。從季節(jié)性變化來看，4種豬舍內(nèi)NH3濃度在夏季（8月）和冬季（12月和1月）分別處于最低和最高水平，且與其他季節(jié)濃度間存在顯著（P＜0.05）差異。這主要是豬舍窗戶的開關(guān)措施和通風速率的不同所致。夏季豬舍窗戶全部打開，增加了舍內(nèi)外空氣的對流，進而降低了舍內(nèi)NH3濃度；冬季窗戶全部關(guān)閉，使NH3在舍內(nèi)大量累積，促使?jié)舛壬仙?。Ni等[27]研究表明，豬舍內(nèi)NH3濃度與通風速率在一定程度上呈負相關(guān)性。本文中豬舍夏季的通風速率明顯高于秋季和冬季（2009—2011年育肥舍通風速率的季節(jié)變化見先前報道[15]），從而加速NH3向舍外擴散。

與國際上其他研究相比，本研究中豬舍內(nèi)NH3濃度低于國際報道值，但仍存在健康風險。目前，許多國家為了保證飼養(yǎng)工人的身體健康，確立了豬舍內(nèi)8 h 工作時間的 NH3濃度臨界值（19 mg·m-3）[25]。雖然各類型豬舍內(nèi)NH3的濃度均明顯低于臨界濃度值（圖1），但值得注意的是，國際上的大部分豬舍的通風為機械通風，飼養(yǎng)人員基本無需進入豬舍工作，而本研究育肥舍和保育舍為自然通風系統(tǒng)，自動化程度低。并且，飼養(yǎng)員每天需要進行2次清理糞便和喂食，舍內(nèi)的工作時間超過8 h，因而面臨潛在的健康風險。另外，長期處于高濃度NH3環(huán)境下的牲畜，其體重增速減緩且肉品質(zhì)也會下降，從而影響?zhàn)B殖場的經(jīng)濟效益和人類食品的安全[28]。鑒于以上分析，本研究建議豬場管理人員縮短飼養(yǎng)員的舍內(nèi)工作時間或在秋冬季節(jié)適當打開豬舍窗戶來增加豬舍通風。另外，可從營養(yǎng)調(diào)控方面采取措施來減少NH3產(chǎn)生量，如降低飼糧中蛋白質(zhì)的含量、加入非淀粉多聚糖和酸化后的鹽代替碳酸鈣等[29]。

圖1 豬舍氨氣濃度的月變化Figure1 Monthly variation in NH3concentrations inside pig houses

2.2 實時NH3濃度

本研究中育肥豬、保育豬和妊娠豬每天進食兩次，分別在8：00和16：30左右，之后清理舍內(nèi)糞便和沖洗地板。育肥舍、妊娠舍和保育舍內(nèi)實時NH3濃度的動態(tài)變化規(guī)律如圖2所示，NH3的波動范圍分別為3.43～6.73、0.82～4.51、0.99～3.14 mg·m-3。3 種豬舍內(nèi)的NH3濃度均在第一次人工清糞后急劇下降，10：00時所測NH3濃度顯著低于6：00時。此結(jié)果表明舍內(nèi)NH3的變化和舍內(nèi)糞便的清理有一定的相關(guān)性，這一結(jié)果與Wang等[30]的報道類似。但是，在第二次清糞（16：30—17：00）后相似的現(xiàn)象并未在育肥舍和保育舍內(nèi)發(fā)生，NH3濃度在18：00時和14：00時處于相似的水平，這一現(xiàn)象可能與豬的排泄物增加有關(guān)。豬的第二次進食是在16：30，豬通常在進食1～2 h排泄糞便[31]，舍內(nèi)新鮮的糞便會揮發(fā)出大量的NH3，因此導致NH3濃度在18：00時仍處于較高水平。

2.3 顆粒物濃度

如圖3所示，8月20—27日期間保育舍內(nèi)日均TSP、PM10、PM2.5濃度的平均值分別為 0.99（0.55～1.60）、0.18（0.11～0.24）、0.07 mg·m-3（0.02～0.09 mg·m-3）；10月2—9日期間育肥舍內(nèi)日均TSP、PM10、PM2.5濃度平均值分別為 2.39（1.62～2.87）、0.88（0.56～1.05）、0.40 mg·m-3（0.18～0.67 mg·m-3）。進一步細分顆粒物粒徑發(fā)現(xiàn)，保育舍和育肥舍內(nèi)顆粒物濃度均表現(xiàn)出：PM10-100[平均值分別為（0.81±0.31）、（1.51±0.26）mg·m-3]＞PM2.5-10[（0.11±0.03）和（0.48±0.23）mg·m-3]＞PM2.5。這3種粒徑顆粒物占保育期豬舍所測TSP的比例分別為82%、11%和7%，而在育肥舍內(nèi)分別為63%、20%和17%。這些結(jié)果表明豬舍內(nèi)顆粒物污染以大于10 μm粒徑的顆粒物為主，這很可能與飼料粉末再懸浮有關(guān)?？諝庵蠵M10能夠通過人類呼吸攝入并且累積到呼吸系統(tǒng)中，其中PM2.5由于粒徑很小而很容易寄宿到肺中，帶來健康危害[32]。與我國二級標準日均濃度值（環(huán)境空氣質(zhì)量標準GB 3095—2006中TSP：300 μg·m-3；PM10：150 μg·m-3；PM2.5：75 μg·m-3）相比，超過標準值的TSP、PM10和PM2.5樣本數(shù)分別占到總樣本數(shù)的100%、93%和79%。顯而易見，3種豬舍存在嚴重的顆粒物污染。因此，為提高舍內(nèi)空氣質(zhì)量，保護人和動物的健康，制定和實施更為綜合完善的顆粒物減緩措施迫在眉睫，如增強豬舍通風、使用濕飼料以及向舍內(nèi)空氣中噴射水霧。

圖2 豬舍內(nèi)實時NH3濃度的動態(tài)Figure2 Dynamic of real-time NH3concentrations in the three pig houses

圖3 豬舍內(nèi)不同粒徑顆粒物日均濃度（8月20—27日在保育期豬舍，10月2—9日在育肥期豬舍）Figure3 Daily mean concentrations of various particles in the pig houses（from 20 August to 27 August in weaning pig house，from 2 October to 9 October in fattening pig house）

3 結(jié)論

（1）4種豬舍內(nèi)NH3濃度水平表現(xiàn)為妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此間差異未達到統(tǒng)計學顯著水平。各豬舍NH3濃度均存在明顯的季節(jié)性變化：冬季最高，秋季次之，夏季最低。

（2）實時的NH3濃度結(jié)果表明上午清糞能夠顯著降低舍內(nèi)氨氣濃度水平，但其效果受到豬排泄活動的影響。

（3）保育舍和育肥舍內(nèi)的顆粒物主要是以粒徑在10～100 μm間的顆粒物為主，分別占所測TSP質(zhì)量濃度的82%和63%。

（4）本研究所測4種豬舍內(nèi)NH3濃度低于國外同類型豬舍報道值，但育肥舍和保育舍內(nèi)至少76%以上的TSP、PM10和PM2.5濃度值高于相應的國家二級標準日均濃度值，可能對人類和動物造成健康危害。因此，豬場需采取可行性措施（如降低飼料蛋白含量、增強舍內(nèi)外通風）提升舍內(nèi)空氣質(zhì)量。

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