蒲施樺，李廳廳，王 浩，簡(jiǎn) 悅，劉作華*，龍定彪*，阮蓉丹

（1.重慶市畜牧科學(xué)院，重慶402460；2.西南大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，重慶402460；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南設(shè)施養(yǎng)殖工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，重慶402460）

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)肉蛋奶制品數(shù)量和質(zhì)量的需求也在不斷增加，這也促使我國(guó)畜牧養(yǎng)殖向規(guī)?；⒓s化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。原農(nóng)業(yè)部2018 年工作要點(diǎn)指出，我國(guó)生豬飼養(yǎng)量和豬肉產(chǎn)量占世界總量的50%，截至2017 年底，我國(guó)大中規(guī)模生豬養(yǎng)殖出欄率為全國(guó)生豬總出欄率的78.4%；大中規(guī)模家禽養(yǎng)殖出欄數(shù)為全國(guó)總家禽出欄量的63%[1]，畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖率在58%左右，規(guī)模化養(yǎng)殖已成為畜牧生產(chǎn)的中堅(jiān)力量。在規(guī)模畜禽養(yǎng)殖為農(nóng)業(yè)增收、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)壯大開(kāi)辟新途徑的同時(shí)，也伴隨產(chǎn)生了大量環(huán)境污染物。其中，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖排放的空氣污染物成為了現(xiàn)今不容忽視的環(huán)境問(wèn)題之一[2-4]，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。2016 年《中國(guó)空氣質(zhì)量管理評(píng)估報(bào)告》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)畜牧業(yè)的氨排放量占全國(guó)氨排放總量的80%以上[5]，而美國(guó)和歐洲的畜牧業(yè)氨排放量分別占人類(lèi)氨排放總量的55%和75%[6-7]。養(yǎng)殖業(yè)的空氣污染物被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)的破壞者之一[8]。因此，開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣污染物監(jiān)測(cè)，為畜禽養(yǎng)殖污染防控技術(shù)及決策提供準(zhǔn)確有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代畜牧業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型的畜禽養(yǎng)殖業(yè)至關(guān)重要。

美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣污染物監(jiān)測(cè)研究起步較早，20 世紀(jì)50 年代初美國(guó)首次開(kāi)展了針對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)氨氣濃度的監(jiān)測(cè)工作[9]，隨后加拿大、丹麥等國(guó)家陸續(xù)開(kāi)展了大量畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣質(zhì)量檢測(cè)工作，并形成了相對(duì)成熟的監(jiān)測(cè)方法和操作規(guī)范[10-11]。近年來(lái)，我國(guó)加大了對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境污染防治力度，并相繼出臺(tái)了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)規(guī)范》《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》等系列的畜禽養(yǎng)殖污染監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)[12-13]。但由于我國(guó)的相關(guān)研究起步較晚，現(xiàn)有的畜禽養(yǎng)殖污染檢測(cè)技術(shù)尚處于跟跑階段[14]。作為畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污染物防控的技術(shù)手段和基礎(chǔ)，研發(fā)智能化養(yǎng)殖場(chǎng)空氣污染物檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備，建立標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)迫切任務(wù)。本文就國(guó)內(nèi)外在畜禽養(yǎng)殖空氣污染物監(jiān)測(cè)的采樣、檢測(cè)、通風(fēng)三個(gè)重要環(huán)節(jié)的方法、技術(shù)、設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比總結(jié)，為我國(guó)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 養(yǎng)殖場(chǎng)氣體的現(xiàn)場(chǎng)采集技術(shù)及設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)氣體采集方式根據(jù)采樣設(shè)備的覆蓋空間大小，可分為封閉式、點(diǎn)位式和開(kāi)路式三種。封閉式是在封閉空間進(jìn)行氣體樣品的收集，而點(diǎn)位式和開(kāi)路式，分別針對(duì)三維空間內(nèi)一特定點(diǎn)和兩點(diǎn)式光路中的氣體進(jìn)行采集（圖1）。

圖1 氣體采集方法Figure 1 Gas collection methods

1.1 封閉式

封閉式采集法是將一個(gè)密封性的外殼或桶，覆蓋在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的上方而形成一個(gè)密閉采樣室，可消除外界環(huán)境對(duì)樣品的影響。這種密封采集室的底部一般是敞開(kāi)的，并配備一個(gè)或多個(gè)空氣出入口，用于氣體檢測(cè)和裝置內(nèi)部空氣環(huán)境的清洗。最早的采集室是由瑞士Lindvall 研發(fā)用于氣味測(cè)定，被稱(chēng)為“Lindvall箱”，后來(lái)被Svensson 等[15]用于畜禽場(chǎng)或土壤中氨氣、二氧化碳的采集。目前研究中出現(xiàn)過(guò)的采樣室大多為箱體（表1）。

1.2 點(diǎn)位式

點(diǎn)位式采樣是在養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)位置進(jìn)行氣體采集，相比密封式，該方法可以采集養(yǎng)殖舍內(nèi)不同高度、進(jìn)出風(fēng)口以及場(chǎng)區(qū)上風(fēng)向、下風(fēng)向的氣體。根據(jù)采樣設(shè)備的不同，點(diǎn)位式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式采樣通常采用傳感器設(shè)備，氣體通過(guò)擴(kuò)散方式進(jìn)入到設(shè)備中，同時(shí)完成氣體濃度的檢測(cè)工作，如被動(dòng)式氣體探測(cè)管，就是通過(guò)待測(cè)氣體擴(kuò)散至管內(nèi)進(jìn)行的采集和測(cè)定。主動(dòng)式采樣則是利用一個(gè)或者多個(gè)氣泵對(duì)監(jiān)測(cè)位置的氣體樣品進(jìn)行采集。其中，原位式主動(dòng)采樣的氣泵和檢測(cè)設(shè)備在同一位置，如華瑞公司生產(chǎn)的氣體檢測(cè)管（圖2），就是采用抽氣泵將氣體吸入到檢測(cè)管中進(jìn)行檢測(cè)，其操作簡(jiǎn)單，且測(cè)定及時(shí)。集中式主動(dòng)采樣是一種相對(duì)復(fù)雜的多點(diǎn)位式采集系統(tǒng)（圖3），由氣管、氣泵及自動(dòng)控制設(shè)備組成，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣體由自動(dòng)系統(tǒng)控制通過(guò)氣管輸送至檢測(cè)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、長(zhǎng)距離的氣體采集和監(jiān)測(cè)，但系統(tǒng)中輸送氣管需要進(jìn)行隔熱或加熱處理，以防止氣體傳輸過(guò)程中溫度差異造成的管內(nèi)局部冷凝[26]。

表1 采樣室的規(guī)格及用途Table 1 Specification and usage of sampling chamber

1.3 開(kāi)路式

圖2 華瑞LP-1200氣體采樣泵Figure 2 Gas sampling pump RAE LP-1200

圖3 INNOVA1409 多點(diǎn)式采樣儀Figure 3 Multipoint sampler INNOVA1409

開(kāi)路式通過(guò)由光源發(fā)射器、接收器∕傳感器組成的光學(xué)探測(cè)裝置進(jìn)行氣體采集檢測(cè)。由光源發(fā)射器向遠(yuǎn)距離方向發(fā)射紫外或紅外光束，從而形成一條開(kāi)放式光路徑，將氣體傳輸至光源接收器∕傳感器進(jìn)行濃度檢測(cè)。由于光學(xué)探測(cè)設(shè)備性能差異，光源發(fā)射器和接受器之間的開(kāi)放路徑長(zhǎng)度在100～750 m 不等[27]，美國(guó)PID公司的LaserWarn1000∕2000量子激光開(kāi)路式氣體檢測(cè)設(shè)備可以監(jiān)控500 m的氨氣和二氧化碳濃度，Secrest 等[28]采用紫外光差分吸收技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)以北0.8 km處的NH3濃度進(jìn)行測(cè)定，用以評(píng)估密蘇里州集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的NH3排放對(duì)下風(fēng)向居民的影響。

2 污染氣體濃度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)及設(shè)備

早期養(yǎng)殖場(chǎng)氣體檢測(cè)主要是采用濕化學(xué)法和嗅覺(jué)法等傳統(tǒng)方法[29]，隨著氣體傳感器和分析技術(shù)的提升，許多高精度的氣體技術(shù)被引入到畜禽空氣質(zhì)量測(cè)量中。目前，關(guān)于畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域的氣體檢測(cè)方法主要分為嗅覺(jué)法、化學(xué)法和光學(xué)法三大類(lèi)，根據(jù)設(shè)備檢測(cè)原理的不同又分為11 種（圖4）。其中，氣體檢測(cè)管、電化學(xué)傳感器、光學(xué)氣體分析儀被廣泛用于養(yǎng)殖場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)。

2.1 氣體檢測(cè)管

圖4 氣體濃度檢測(cè)方法的分類(lèi)Figure 4 Classification of gas concentration detection methods

氣體檢測(cè)管基于目標(biāo)氣體吸附固體表面顯色反應(yīng)而設(shè)計(jì)，不同氣體會(huì)根據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的不同顯示出不同顏色，其檢測(cè)氣體種類(lèi)可達(dá)300 種。氣體檢測(cè)管根據(jù)氣體采集類(lèi)型，分為主動(dòng)型氣管和被動(dòng)型氣管。由于其操作簡(jiǎn)單、功能單一，早期被用于畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)NH3和H2S 的檢測(cè)。Meyer 等[30]首次采用氣體檢測(cè)管測(cè)量了200 個(gè)產(chǎn)仔豬舍的NH3濃度；Worley 等[31]也采用氣體探測(cè)管對(duì)豬舍內(nèi)的NH3和H2S 進(jìn)行檢測(cè)。氣體檢測(cè)管的成本相對(duì)較低，美國(guó)RAE、德國(guó)德?tīng)柛竦葰怏w檢測(cè)管的價(jià)格大約在50～70元，配套的氣管泵在1000～1500 元。不同類(lèi)型、不同廠家的檢測(cè)管的檢測(cè)精度和范圍會(huì)存在差異性。Skewes 等[32]發(fā)現(xiàn)被動(dòng)型氣管（Gastec Passive Dosimeter Tube No.3）與主動(dòng)型氣管（Gastec Low Range Ammonia Detector Tube No.3）在對(duì)畜禽舍內(nèi)的NH3濃度進(jìn)行測(cè)定時(shí)，被動(dòng)型氣管的檢測(cè)限更低，精準(zhǔn)度更高；Kroodsma 等[33]對(duì)比了德國(guó)德?tīng)柛衽c日本光明理化兩家公司的氣體檢測(cè)管，發(fā)現(xiàn)在測(cè)定低濃度NH3時(shí)，德?tīng)柛駳夤艿木珳?zhǔn)率在10%左右，誤差率在15%左右，而日本光明理化的氣管的精準(zhǔn)率和誤差率均在2%以下?？梢?jiàn)，氣體檢測(cè)管無(wú)法滿足畜禽舍內(nèi)低濃度氣體的檢測(cè)要求，且精準(zhǔn)度和誤差率也不穩(wěn)定，但因其使用方便、性價(jià)比高，目前依然被廣泛應(yīng)用。

2.2 電化學(xué)傳感法

接觸式傳感法是基于氣體的電化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)目標(biāo)氣體與傳感器接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以傳感器的電流變化或電阻變化來(lái)判斷氣體的成分和濃度。常用的接觸式傳感器有半導(dǎo)體傳感器、電化學(xué)傳感器和電子鼻。早在20 世紀(jì)60 年代，半導(dǎo)體傳感器就因其靈敏度高、穩(wěn)定性好、制作簡(jiǎn)單而被廣泛用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的氣體檢測(cè)，Li 等[34]采用半導(dǎo)體傳感器對(duì)畜禽舍內(nèi)NH3和H2S 進(jìn)行測(cè)定；半導(dǎo)體材料決定了傳感器的靈敏度，常用的材料有WO3、Fe2O3、Sn2O3等。Ahsan 等[35]對(duì)WO3半導(dǎo)體膜進(jìn)行改進(jìn)，顯著提高了傳感器的靈敏度，能檢測(cè)小于10 μL·L-1的NH3；Kawashinma 等[36]對(duì)NH3傳感器的半導(dǎo)體材料Sn2O3進(jìn)行加熱處理，發(fā)現(xiàn)其可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)小于10 nL·L-1的NH3濃度變化。雖然半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低，但其檢測(cè)氣體單一，難以適應(yīng)復(fù)雜氣體環(huán)境的檢測(cè)要求，而電化學(xué)傳感器具有良好的氣體選擇性，能在復(fù)雜氣體環(huán)境下測(cè)定多種氣體成分。常見(jiàn)的電化學(xué)傳感器有德國(guó)德?tīng)柛裆a(chǎn)的X-am 7000、美國(guó)華瑞生產(chǎn)的MultiRAE 2等，這些都被用于畜禽舍內(nèi)的NH3、CH4、H2S 等氣體的檢測(cè)，其檢測(cè)精度至少達(dá)到1 μL·L-1。電化學(xué)傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中容易出現(xiàn)漂移，需要定期進(jìn)行氣體標(biāo)定校準(zhǔn)；其電極與氣體接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)永久性中毒，影響設(shè)備的額定使用壽命，壽命一般在12～18個(gè)月。

2.3 光學(xué)氣體分析儀

光學(xué)法分析基于氣體對(duì)光吸收的特質(zhì)，通過(guò)獲取氣體的光譜信息進(jìn)行氣體濃度測(cè)定。由于其靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)檢測(cè)，而被逐漸用于畜禽場(chǎng)空氣污染濃度變化及排放規(guī)律的相關(guān)研究。如Dekock 等[37]采用Binos4b 型非分散紅外光譜（NDIR）分析儀對(duì)3 棟育肥豬舍NH3濃度進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，所建立的NH3排放模型的最大誤差小于10%；Hensen 等[38]采用美國(guó)TDLAS 檢測(cè)儀研究了奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)N2O 和CH4的排放規(guī)律，N2O 和CH4分辨率分別為20 nL·L-1和10 nL·L-1。相比于氣體檢測(cè)管、電化學(xué)法檢測(cè)對(duì)象的局限性，光譜原理的檢測(cè)設(shè)備能進(jìn)行多氣體的實(shí)時(shí)定量，其選擇性強(qiáng)，能有效避免多氣體檢測(cè)的干擾性。具有代表性的檢測(cè)設(shè)備是丹麥LUMASENSE公司的INNOVA 紅外光聲譜氣體檢測(cè)儀，它能測(cè)定NH3、N2O、CH4、CO2、C2H5OH 五種氣體，測(cè)定精度能達(dá)到10-9級(jí)。該儀器在檢測(cè)分析過(guò)程中，能有效補(bǔ)償測(cè)量溫度，消除水汽和氣體的干擾，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性。Childers 等[39-40]采用INNOVA測(cè)定豬舍內(nèi)的NH3、CH4、CO 等有害氣體濃度，檢測(cè)限小于3 nL·L-1，且各種氣體的平均誤差小于3%。

就市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛的氣體測(cè)定設(shè)備進(jìn)行歸納發(fā)現(xiàn)（表2），這些設(shè)備在檢測(cè)范圍、測(cè)定精度、運(yùn)行成本等方面都各具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，到目前為止，尚不能確定哪種檢測(cè)技術(shù)或設(shè)備的數(shù)據(jù)更接近“真實(shí)”畜禽養(yǎng)殖污染氣體濃度。主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖場(chǎng)氣體檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，從而導(dǎo)致無(wú)法對(duì)現(xiàn)有的測(cè)定設(shè)備進(jìn)行比較和評(píng)估。

3 通風(fēng)量的檢測(cè)

通風(fēng)狀況是影響畜禽舍空氣污染物濃度及排放的主要因素之一。因此，通風(fēng)量作為氣體濃度監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，被用來(lái)計(jì)算養(yǎng)殖場(chǎng)有害氣體濃度排放率[41]（公式1）。由于養(yǎng)殖場(chǎng)通風(fēng)模式及通風(fēng)設(shè)備的多樣性，造成畜禽舍通風(fēng)量測(cè)定的誤差較大，這成為畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題。

式中：E 為排放速率，mg·min-1；Q 為通風(fēng)量，m3·min-1；C1、C2分別為空氣交換空間進(jìn)出口空氣污染物濃度，mg·m-3。

表2 有害氣體濃度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備比較Table 2 The comparison of on-site harmful gas detection equipments

通風(fēng)量的測(cè)量主要有直接和間接兩種方式。直接測(cè)量即通過(guò)測(cè)定風(fēng)機(jī)排風(fēng)口的風(fēng)速、風(fēng)機(jī)的表面積、風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)計(jì)算得到通風(fēng)量。間接測(cè)量即基于測(cè)量其他變量來(lái)計(jì)算，如示蹤劑氣體法[42]。

3.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法只能用于機(jī)械通風(fēng)的密閉畜禽舍，其通風(fēng)量一般通過(guò)測(cè)定風(fēng)機(jī)排風(fēng)口的風(fēng)速和風(fēng)機(jī)表面積來(lái)計(jì)算，或通過(guò)測(cè)量舍內(nèi)舍外的靜壓差、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間來(lái)計(jì)算。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間可以通過(guò)風(fēng)帆開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速法以及風(fēng)扇振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)來(lái)獲取[43]。風(fēng)速和靜壓可以通過(guò)傳感器測(cè)定[44]。常規(guī)的風(fēng)速傳感器只能用于直徑小于80 cm 的風(fēng)機(jī)的測(cè)定，為測(cè)定大直徑風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，美國(guó)設(shè)計(jì)出一種適用于直徑140 cm及以下的風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)測(cè)定系統(tǒng)（FANS）[45]。由于需要在畜禽舍內(nèi)每個(gè)風(fēng)機(jī)的排放口安裝相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，這對(duì)于規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)來(lái)說(shuō)，不僅工作量大，而且成本高。因此，該方法在規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的通風(fēng)測(cè)定中適用性不強(qiáng)。

通風(fēng)量在測(cè)算過(guò)程中，由于單點(diǎn)位的風(fēng)速測(cè)量難以代表整個(gè)風(fēng)機(jī)的實(shí)際通風(fēng)量，因此造成計(jì)算結(jié)果誤差大，或是忽略了風(fēng)機(jī)傳送帶松動(dòng)、粉塵阻礙停止運(yùn)轉(zhuǎn)等情況，導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果與實(shí)際值有20%～25%的偏差[46]。為了提高測(cè)算的精準(zhǔn)度，不少學(xué)者會(huì)根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)通風(fēng)量計(jì)算公式進(jìn)行修正（表3）。Ni等[47]通過(guò)對(duì)豬舍風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間和室內(nèi)靜壓的監(jiān)測(cè)，建立了風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與靜壓的線性模型；王文林等[48]在規(guī)?；i場(chǎng)夏季NH3日排放特征的研究中，由于考慮到氣象條件對(duì)通風(fēng)率的影響，于是將溫度、氣壓參數(shù)加入測(cè)算公式進(jìn)行修正。Chai 等[49]對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，建立了風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與靜壓差的三階多項(xiàng)式模型。Calvet等[50]對(duì)一個(gè)商業(yè)肉雞場(chǎng)不同規(guī)格的風(fēng)機(jī)通風(fēng)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終舍內(nèi)總通風(fēng)量通過(guò)各個(gè)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量與運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行求和得到。

3.2 間接測(cè)量法

對(duì)于開(kāi)放式和半開(kāi)半閉式的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，通風(fēng)量的測(cè)量常采用間接測(cè)量法。間接測(cè)量包括示蹤法、二氧化碳平衡法和其他方法（熱量平衡法、濕度平衡法以及熱壓、風(fēng)壓測(cè)量法），其具體計(jì)算公式見(jiàn)表4。實(shí)際中運(yùn)用較多的方法是示蹤法和二氧化碳平衡法，而其他方法由于參數(shù)難以確定，且誤差較大等原因一般只作為理論計(jì)算。

3.2.1 示蹤法

示蹤法是根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在通風(fēng)建筑物或者通風(fēng)空間中釋放一定量的示蹤劑，通過(guò)檢測(cè)示蹤氣體的濃度變化來(lái)間接計(jì)算通風(fēng)量[51-52]。示蹤法測(cè)定效果取決于示蹤氣體是否能與空氣均勻混合，所以示蹤氣體的選擇極其重要。只有具備安全性（不易燃燒、無(wú)毒、無(wú)刺激性）、惰性（不與測(cè)算空間氣體發(fā)生反應(yīng)）、唯一性和易測(cè)量性才是理性示蹤氣體[53]。目前，試驗(yàn)常用的示蹤氣體有六氟化硫（SF6）、一氧化碳（CO）、氦氣（He）、氫氣（H2）等[54-55]。1998年，Demmers等[56]首次在英國(guó)采用一氧化碳示蹤劑對(duì)自然通風(fēng)的牛場(chǎng)的通風(fēng)量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，認(rèn)為測(cè)量的精確度與風(fēng)速成反比。Samer等[57]采用水平衡法、二氧化碳平衡法、熱平衡法和放射性示蹤氣體法對(duì)一個(gè)自然通風(fēng)的奶牛舍中的氣體交換率進(jìn)行測(cè)定，其中放射性示蹤測(cè)定的結(jié)果更為可靠。

3.2.2 二氧化碳平衡法

二氧化碳平衡法即在知道動(dòng)物產(chǎn)熱量與新陳代謝關(guān)系的前提下，由不同動(dòng)物在不同飼養(yǎng)情況下的呼吸熵得出二氧化碳的產(chǎn)生量，再通過(guò)舍內(nèi)舍外的二氧化碳濃度計(jì)算出實(shí)際通風(fēng)量[58-59]。二氧化碳平衡法的有效性取決于動(dòng)物代謝率數(shù)據(jù)的可靠性[60]，而方法中的呼吸熵和產(chǎn)熱量主要是通過(guò)參考推薦得出，這使得通風(fēng)量的計(jì)算值與實(shí)際值存在一定的偏差。Blanes 等[61]對(duì)比二氧化碳平衡法、濕度平衡法和熱量平衡法三種方法計(jì)算的豬舍通風(fēng)量數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示二氧化碳平衡法較實(shí)測(cè)通風(fēng)量低8%，濕度、熱量平衡法較實(shí)測(cè)通風(fēng)量均低9%。Samer 等[62]采用二氧化碳平衡法、示蹤法和濕度法對(duì)自然通風(fēng)的奶牛場(chǎng)冬季和夏季的通風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明二氧化碳平衡法在冬季的效果更好。

4 畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)誤差

養(yǎng)殖場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)過(guò)程中的采集、布點(diǎn)、通風(fēng)量估算、人為操作等環(huán)節(jié)，都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成誤差。為了確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的代表性、完整性、準(zhǔn)確性、可比性、重復(fù)性，需要對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)空氣監(jiān)測(cè)過(guò)程的氣體采集、儀器檢測(cè)等過(guò)程實(shí)施質(zhì)量管控措施。對(duì)現(xiàn)有畜禽養(yǎng)殖氣體研究中的監(jiān)測(cè)和質(zhì)控措施進(jìn)行總結(jié)歸納發(fā)現(xiàn)（表5）[64-66]，大部分誤差來(lái)源于校準(zhǔn)、采樣、檢測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié)。

4.1 校準(zhǔn)誤差

校準(zhǔn)是采用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)測(cè)量裝置或基準(zhǔn)面，如響應(yīng)、漂移、線性、穩(wěn)定性和精度等性能系數(shù)的校正。產(chǎn)生校準(zhǔn)誤差的因素主要有三個(gè)：一是校準(zhǔn)氣體，Albert等[67]對(duì)同一廠家同批次的55.3、33.2 μL·L-1和9.33 μL·L-1標(biāo)準(zhǔn)NH3進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果存在10%～20%的誤差，選擇具有資質(zhì)的供氣商并進(jìn)行標(biāo)氣自檢是較為有效的質(zhì)控措施；二是校準(zhǔn)頻率，過(guò)高的校準(zhǔn)頻率不僅昂貴，而且造成正常測(cè)量時(shí)間的損失，而過(guò)少的校準(zhǔn)將會(huì)增加檢測(cè)結(jié)果的不確定性，通過(guò)自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)備和軟件可減少這一誤差產(chǎn)生；三是干擾氣體，校準(zhǔn)氣體通常不含有干擾物質(zhì)，這與實(shí)際測(cè)量空氣存在一定差異，而這種差異會(huì)在設(shè)備被標(biāo)氣校準(zhǔn)后引起測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，這在實(shí)際中不可避免，除非已知干擾成分的濃度，才可消除這種誤差。

表3 直接法測(cè)通風(fēng)量的相關(guān)方程式Table 3 Correlation equations for direct measurement of ventilation volume

表4 間接法測(cè)通風(fēng)量的相關(guān)方程式Table 4 Correlation equations for measuring ventilation volume by indirect method

4.2 采樣誤差

采樣誤差主要來(lái)源于采樣方法和采樣設(shè)備。養(yǎng)殖場(chǎng)氣體濃度日變化和季節(jié)變化明顯，是氣體采樣的一個(gè)重要誤差源。Lefcourt[68]提出增加采集點(diǎn)位、提高采集頻率并擴(kuò)大測(cè)試樣本量可避免這種誤差性。而大部分采樣設(shè)備的采樣速率、工作時(shí)間以及采樣氣管都無(wú)法滿足這種采集要求，而且長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的采集，會(huì)引起采樣氣管堵塞、系統(tǒng)負(fù)壓泄露。因此只能通過(guò)設(shè)備性能升級(jí)和人為正常維護(hù)，從而提高這種采集需求的實(shí)施性。

4.3 檢測(cè)誤差

養(yǎng)殖場(chǎng)氣體濃度低、瞬間變化不明顯，使得氣體測(cè)定的響應(yīng)頻率低于檢測(cè)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，從而產(chǎn)生“實(shí)時(shí)”濃度測(cè)定誤差，加之養(yǎng)殖場(chǎng)溫濕度差異、粉塵、顆粒物質(zhì)等干擾因素較多，進(jìn)而增加了測(cè)定數(shù)據(jù)的誤差性。而現(xiàn)今研究所用氣體檢測(cè)設(shè)備性能，如響應(yīng)時(shí)間、測(cè)定精度及其對(duì)氣體干擾物質(zhì)消除和補(bǔ)充等，都不是針對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境及氣體而研發(fā)的。因此，需要監(jiān)測(cè)工作開(kāi)始前，評(píng)估檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定性能，選取滿足監(jiān)測(cè)需求的設(shè)備，提高養(yǎng)殖氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

表5 畜禽舍內(nèi)氣體濃度監(jiān)測(cè)誤差及控制措施Table 5 Problems and control measures in monitoring gas concentration in livestock houses

5 展望

5.1 養(yǎng)殖場(chǎng)氣體采樣的代表性、全面性、連續(xù)性仍是一項(xiàng)技術(shù)難題

養(yǎng)殖場(chǎng)區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體污染源多且分散，而現(xiàn)有的采樣技術(shù)只適用于短時(shí)間的點(diǎn)位、路徑，對(duì)于場(chǎng)區(qū)氣體長(zhǎng)期性、空間性變化的多點(diǎn)式采集，尚無(wú)相關(guān)的采樣技術(shù)方法和設(shè)備，加之養(yǎng)殖環(huán)境中粉塵、飼料粉塵等干擾物質(zhì)多，從而造成養(yǎng)殖場(chǎng)氣體采集成為難點(diǎn)問(wèn)題。

5.2 廣譜實(shí)用型畜禽氣體污染物快速檢測(cè)裝備有待研發(fā)

我國(guó)現(xiàn)階段采用的畜禽污染氣體監(jiān)測(cè)儀器和傳感器均為國(guó)外進(jìn)口，尤其是一些靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短的設(shè)備，因?yàn)閮r(jià)格昂貴，大部分設(shè)備只集中在科研院校研究使用，缺乏一款具有自主產(chǎn)權(quán)、適用于我國(guó)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的廣譜實(shí)用型畜禽氣體污染物快速檢測(cè)裝備，以為我國(guó)養(yǎng)殖優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)商業(yè)型養(yǎng)殖場(chǎng)實(shí)地應(yīng)用、養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境信息長(zhǎng)期穩(wěn)定獲取提供技術(shù)手段。

5.3 規(guī)?；笄菸廴練怏w監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)亟待開(kāi)展

國(guó)內(nèi)外對(duì)于畜禽氣體污染物監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，導(dǎo)致一些畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)空氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不具備可比性和代表性。因此，需要聯(lián)合科研院校、儀器企業(yè)、環(huán)境監(jiān)管部門(mén)及標(biāo)準(zhǔn)管理部門(mén)，制定畜禽污染氣體采樣、檢測(cè)、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理等相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建一套完整、有效的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)污染氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，為摸清主要?dú)怏w污染物排放、遷移及轉(zhuǎn)化特征和規(guī)律提供技術(shù)支撐。