周忠凱,楊殿林,張海芳,趙建寧*,王麗麗,余 剛
(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,天津300191;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210014)
生豬集約化養(yǎng)殖過(guò)程中,為了維持較高的生產(chǎn)效率,在較小的土地面積上投入了大量的飼料、水和能源等,這些資源的使用縮短了物質(zhì)的循環(huán)周期,影響著環(huán)境與生物間的物質(zhì)能量平衡[1-2],集約化生豬生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量的糞便和污水,成為重要的污染源[3-5]。有研究表明,氮肥施用和畜禽養(yǎng)殖一直是最主要的氨排放源,共占氨排放總量的80%以上[6],糞便中大量的碳氮等物質(zhì),經(jīng)過(guò)微生物代謝分解,成為NH3和溫室氣體(CH4、N2O和CO2)排放的主要來(lái)源。NH3的過(guò)量排放會(huì)影響整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán),加劇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)銨態(tài)氮沉降[7],引起水體富營(yíng)養(yǎng)化和土壤環(huán)境酸化[8],同時(shí)NH3以硫酸銨和硝酸銨的形式進(jìn)入大氣中,形成可吸入性顆粒物PM2.5的前體[9],影響生豬和飼養(yǎng)員的健康,進(jìn)一步導(dǎo)致N2O的排放[10],同時(shí)由于N2O與CH4和CO2共同通過(guò)改變氣溶膠和云的物理特性,進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的散射作用,進(jìn)而影響氣候的變化[11]。
然而生豬養(yǎng)殖過(guò)程中氨氣和溫室氣體的排放受到動(dòng)物自身特征(動(dòng)物活動(dòng)、體質(zhì)量和數(shù)量以及飼料營(yíng)養(yǎng)水平)[12-13]、養(yǎng)殖工藝與模式[14-15]、舍內(nèi)糞便管理模式[16-18]的影響。不同通風(fēng)管理方式影響舍內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量和污染物的排放,在冬季豬舍通風(fēng)系統(tǒng)中,進(jìn)氣口尺寸、數(shù)量以及氣流分布和速度是影響豬舍環(huán)境的主要因素,目前部分密閉式機(jī)械通風(fēng)豬舍冬季仍然采用縱向通風(fēng)管理,為保證豬舍內(nèi)適宜的溫濕度條件,風(fēng)機(jī)運(yùn)行間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、排氣流量過(guò)高導(dǎo)致舍內(nèi)空氣溫度分布不均勻,對(duì)生豬生產(chǎn)造成影響。目前通過(guò)合理的通風(fēng)管理(通風(fēng)量和空氣流速)改善豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量并降低豬舍氨氣和溫室氣體的排放,成為控制養(yǎng)殖過(guò)程空氣污染物排放的主要手段,本文據(jù)此制定適合該區(qū)域最佳的通風(fēng)管理策略[19-20]。為確定冬季通風(fēng)管理對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量以及氨氣和溫室氣體排放的影響,本研究對(duì)江蘇蘇北地區(qū)密閉式機(jī)械縱向負(fù)壓通風(fēng)水沖清糞豬舍的冬季通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造,由縱向負(fù)壓通風(fēng)改為側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)方式。目前側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)下豬舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量以及氨氣和溫室氣體數(shù)據(jù)缺乏。本文探討了6階段通風(fēng)管理模式對(duì)豬舍內(nèi)環(huán)境狀況以及氨氣與溫室氣體排放的影響,闡述了不同通風(fēng)時(shí)段密閉型豬舍氨氣和溫室氣體濃度的變化特征及排放規(guī)律,研究結(jié)果為改善豬舍內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量、降低氨氣和溫室氣體排放提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。
試驗(yàn)選擇氣候條件穩(wěn)定的2016年1月23日至26日,在江蘇省淮安市某規(guī)?;B(yǎng)豬場(chǎng)(33°30′57.81″N,118°49′23.54″E,海拔17 m)進(jìn)行。試驗(yàn)豬舍為密閉式豬舍,豬舍尺寸為54.0 m×14.0 m×3.6 m(長(zhǎng)×寬×高),外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu),屋頂由彩鋼巖棉夾心板覆蓋,以提高冬季保溫和夏季隔熱性能,豬舍中間砌有磚墻與豬舍吊頂將豬舍分成兩個(gè)獨(dú)立的養(yǎng)殖倉(cāng),其主要結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。冬季通風(fēng)方式選擇側(cè)墻通風(fēng)小窗-風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng),豬舍通風(fēng)系統(tǒng)由4臺(tái)直徑為138 cm的風(fēng)機(jī)(額定功率為1.1 kW,額定風(fēng)量為32 000 m3·h-1)和2臺(tái)直徑為92 cm的風(fēng)機(jī)(額定功率為0.37 kW,額定風(fēng)量為27 000 m3·h-1)組成,工作靜壓10~60 Pa,進(jìn)氣系統(tǒng)由設(shè)置在豬舍側(cè)墻1.8 m處的12個(gè)尺寸為55.0 cm×25.0 cm(長(zhǎng)×寬)的通風(fēng)小窗組成。試驗(yàn)豬舍生豬養(yǎng)殖量為500頭,由水泥墻分割成兩個(gè)獨(dú)立的養(yǎng)殖倉(cāng),每個(gè)獨(dú)立的養(yǎng)殖倉(cāng)飼養(yǎng)250頭,分為7欄飼養(yǎng),喂食采用自由采食方式,每欄設(shè)有1個(gè)飲水器和1個(gè)飼料槽,采用自動(dòng)喂料和飲水系統(tǒng),豬舍采用水沖清糞方式,每日清糞1次;育肥周期4~5個(gè)月,試驗(yàn)期間生豬平均質(zhì)量75 kg。
選擇北側(cè)生豬養(yǎng)殖倉(cāng),在舍外和倉(cāng)內(nèi)15.0、30.0、45.0 m處,1.0 m高度分別安裝1臺(tái)HOBO溫濕度記錄儀(HoboPro Data logger,Onset Computer Corporation,USA)測(cè)定舍內(nèi)溫濕度,采集頻率為5 min·次-1。每日分別在4:00—5:00、8:00—9:00、10:00—11:00、13:00—14:00、16:00—17:00、19:00—20:00,使用 Testo405-V1手持式熱敏風(fēng)速儀(Testo AG,Germany)測(cè)定豬舍內(nèi)3個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn)空氣的流速,使用數(shù)字風(fēng)速計(jì)(TM826,TECMAN,China)測(cè)定通風(fēng)每個(gè)小窗進(jìn)氣口和風(fēng)機(jī)出氣口的風(fēng)速,使用非接觸式紅外測(cè)溫儀(Fluke 572-2,F(xiàn)luke,USA)測(cè)定豬舍內(nèi)表面和豬體表溫度。非接觸式紅外測(cè)溫儀的發(fā)射率設(shè)定值分別為混凝土材料0.95,金屬材料0.8,玻璃材料0.85,豬體0.90。舍內(nèi)外氨氣(NH3)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的濃度由INNOVA1412多功能氣體分析儀(Innova Air Tech Instruments A/S,Den?mark)連續(xù)測(cè)定,測(cè)定頻率為5 min·次-1,舍內(nèi)測(cè)試點(diǎn)位于排風(fēng)口處,距離排風(fēng)風(fēng)機(jī)6~7 m,舍外氣體濃度測(cè)試點(diǎn)同溫濕度測(cè)試點(diǎn)。
豬舍通風(fēng)量的計(jì)算采用濕度平衡法計(jì)算:
式中:VRh為豬舍的通風(fēng)量,m3·h-1;A為動(dòng)物活動(dòng)參數(shù);L為豬舍潛熱生產(chǎn)量,W;Wi、Wo為舍內(nèi)外空氣的水汽濃度,kg·m-3;hvap為豬舍水汽蒸發(fā)熱,J·kg-1。動(dòng)物活動(dòng)系數(shù)A參考Blanes等[21]推薦值,生豬舍潛熱生產(chǎn)參考Pedersen等[22]和Schauberger等[23]計(jì)算方法,參數(shù)詳見表1。濕度平衡法計(jì)算豬舍的通風(fēng)量在舍內(nèi)外溫差大于2°C,水汽濃度差值大于0.5 g·m-3時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性[22]。
豬舍水汽蒸發(fā)熱與豬舍內(nèi)溫度有關(guān),計(jì)算公式如下:
式中:Ti為舍內(nèi)空氣溫度,℃。
舍內(nèi)外空氣的水汽濃度計(jì)算見公式(3)與公式(4):
表1 生豬活動(dòng)系數(shù)與潛熱生產(chǎn)Table 1 Animal activity coefficient and latent heat production
式中:Wi,o為舍內(nèi)外空氣的水汽濃度,kg·m-3;RHi,o為舍內(nèi)外空氣的相對(duì)濕度,%;Psat為飽和蒸汽壓,Pa;Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,Pa;Ti,o為舍內(nèi)外空氣的溫度,℃。
通過(guò)對(duì)豬舍NH3、CO2、CH4和N2O的濃度以及通風(fēng)量的測(cè)定,生豬冬季氣體排放因子的計(jì)算公式如下:
式中:ERpig為單頭生豬的氣體排放率,mg·h-1;VRh為豬舍的通風(fēng)量,m3·h-1;Ci、Co為舍內(nèi)外氣體濃度,mg·m-3;n為舍內(nèi)生豬的數(shù)量,頭;t為通風(fēng)時(shí)間,h。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SAS 9.4軟件和Excel工具進(jìn)行,方差分析采用單因素方差分析(One-way ANO?VA),Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)不同試驗(yàn)間的顯著性差異,顯著水平為P<0.05。
豬舍內(nèi)氣候環(huán)境指標(biāo)見表2,豬舍內(nèi)溫度的日變化見圖2,結(jié)果顯示舍外溫度變化較大,最高溫度出現(xiàn)在12:30,為1.3℃,最低溫度出現(xiàn)在22:30,為-8.2℃;豬舍內(nèi)的溫度變化較為平穩(wěn),溫度范圍在11.5~14.7℃,平均為13.7℃。舍內(nèi)外溫差在11.0~21.7℃,平均舍內(nèi)外溫差為17.8℃,舍內(nèi)溫度均大于11.0℃,滿足了育肥豬生長(zhǎng)對(duì)溫度的需求。舍內(nèi)外相對(duì)濕度變化范圍分別為44.9%~82.6%、41.6%~80.3%,平均相對(duì)濕度分別為69.7%、62.5%,平均濕度差值在0~22.4%變化,平均舍內(nèi)外濕度差值為6.8%,水汽濃度差值為5.93 g·m-3。
表2 豬舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)Table 2 Environmental indicators in pig house
生豬養(yǎng)殖過(guò)程根據(jù)舍外氣候條件將通風(fēng)管理設(shè)置為6段通風(fēng)管理模式,每個(gè)通風(fēng)模式下的通風(fēng)量使用數(shù)字風(fēng)速計(jì)測(cè)定,不同通風(fēng)模式的運(yùn)行時(shí)間及通風(fēng)管理見表3,豬舍直接測(cè)定的通風(fēng)率在3 100~11 520 m3·h-1變動(dòng),平均通風(fēng)率為6 165 m3·h-1(單頭生豬通風(fēng)量24.7 m3·h-1);濕度平衡法測(cè)定的通風(fēng)率在3 231~11 498 m3·h-1,平均通風(fēng)率為6 207 m3·h-1(單頭生豬通風(fēng)量24.9 m3·h-1)。最大通風(fēng)量和最小通風(fēng)量的運(yùn)行時(shí)間分別在11:00—14:00和00:00—5:00,直接測(cè)定通風(fēng)量與濕度平衡法測(cè)定通風(fēng)量的差值為42.0 m3·h-1,顯示濕度平衡法在計(jì)算冬季密閉型豬舍的通風(fēng)量時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。
圖2 舍內(nèi)外溫濕度的變化Figure 2 Measured outdoor and indoor air temperature and relative humidity
表3 豬舍不同時(shí)間段通風(fēng)量Table 3 Ventilation rate for pig house in different stages
圖 3 舍內(nèi)CO2、NH3、CH4濃度變化Figure 3 The concentration variation of CO2,NH3,and CH4 in pig house
側(cè)窗通風(fēng)密閉式豬舍生豬育肥過(guò)程中舍內(nèi)CO2、NH3和CH4濃度變化見圖3,試驗(yàn)過(guò)程中沒有監(jiān)測(cè)到N2O的排放。豬舍內(nèi)氣體濃度日變化呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì),夜間由于通風(fēng)量較小,氣體濃度明顯高于日間濃度。整個(gè)試驗(yàn)期間豬舍內(nèi)CO2濃度由于通風(fēng)管理的差異,存在顯著的日變化,變化范圍在2 509~5 303 mg·m-3之間,平均為4 330 mg·m-3,舍外CO2平均濃度為921 mg·m-3;冬季密閉通風(fēng)式豬舍NH3濃度變化在 8.42~15.63 mg·m-3,平均濃度為11.99 mg·m-3,舍外平均NH3濃度為1.10 mg·m-3。CH4濃度變化在1.11~5.90 mg·m-3,平均為3.91 mg·m-3,舍外平均 CH4濃度為1.31 mg·m-3。
養(yǎng)殖過(guò)程不同通風(fēng)管理階段單頭生豬NH3、CO2和CH4的排放率見表4。結(jié)果顯示試驗(yàn)期間單頭生豬的NH3排放率變化范圍在124.7~442.0 mg·h-1,平均為250.0 mg·h-1,一天中NH3排放率在第Ⅳ階段平均最高,達(dá)到 374.0 mg·h-1,雖然該階段舍內(nèi) NH3濃度較低,但是較高的通風(fēng)量導(dǎo)致排放率顯著高于其他5個(gè)通風(fēng)管理階段。NH3排放率在第Ⅰ階段最低,平均值為168.7 mg·h-1,由于夜間外界溫度較低(平均為-8.2℃),為維持適宜的舍內(nèi)溫度,該階段采用較小的通風(fēng)量管理。試驗(yàn)期間生豬的CO2排放率變化范圍在37.5~154.7 g·h-1,平均為79.9 g·h-1,一天中 CO2排放率在第Ⅴ階段中平均最高,達(dá)到132.2 g·h-1,顯著高于其他5個(gè)通風(fēng)管理階段。CO2排放率在第Ⅰ、Ⅱ階段最低,分別為52.7 g·h-1和59.9 g·h-1。生豬CO2的排放受生豬體質(zhì)量和活動(dòng)水平的影響,其主要產(chǎn)生于生豬消化飼料為自身提供能量的過(guò)程,試驗(yàn)豬舍采用水沖清糞方式,冬季溫度較低,糞便微生物代謝產(chǎn)生的CO2可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)期間生豬的CH4排放率變化范圍在7.3~144.8 mg·h-1,平均為57.7 mg·h-1,不同通風(fēng)階段CH4的排放率差異不顯著。
冬季側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)豬舍單頭生豬NH3、CO2和CH4日累計(jì)排放量見圖4。生豬在不同通風(fēng)階段NH3、CO2和CH4日累計(jì)排放量由于通風(fēng)時(shí)間和通風(fēng)量的不同存在一定的差異。結(jié)果顯示試驗(yàn)期間生豬的NH3日累計(jì)排放量為6.0 g·d-1,不同通風(fēng)階段NH3排放的比例分別為Ⅰ段14.1%、Ⅱ段15.7%、Ⅲ段10.3%、Ⅳ段18.7%、Ⅴ段16.4%、Ⅵ段24.9%;CO2總排放量為1.92 kg·d-1,不同通風(fēng)階段CO2排放的比例分別為Ⅰ段13.7%、Ⅱ段14.1%、Ⅲ段 9.3%、Ⅳ段 17.2%、Ⅴ段 20.7%、Ⅵ段25.0%;CH4總排放量為1.39 g·d-1,不同通風(fēng)階段CH4排放的比例分別為Ⅰ段17.9%、Ⅱ段19.2%、Ⅲ段9.1%、Ⅳ段13.5%、Ⅴ段10.7%、Ⅵ段29.6%。
表4 不同通風(fēng)管理階段單頭生豬NH3、CO2和CH4的排放率Table 4 Emission rates of NH3,CO2,and CH4 frompig in different ventilation management stages
圖4 單頭生豬 NH3、CO2、CH4日累計(jì)排放Figure 4 The concentration variation of CO2,NH3,and CH4 of single pig
研究顯示,在冬季豬舍通風(fēng)系統(tǒng)中,進(jìn)氣口尺寸、數(shù)量以及氣流分布和速度是影響豬舍環(huán)境的主要因素,改造之前的豬舍冬季采用縱向通風(fēng)管理,為保證豬舍內(nèi)適宜的溫濕度條件,風(fēng)機(jī)運(yùn)行間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、排氣流量過(guò)高導(dǎo)致舍內(nèi)空氣溫度分布不均勻,對(duì)生豬生產(chǎn)造成影響。室外溫度的晝夜變化以及不同通風(fēng)管理時(shí)段通風(fēng)速率的變化影響舍內(nèi)NH3和溫室氣體的濃度,文獻(xiàn)中不同地區(qū)不同通風(fēng)管理方式豬舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)見表5。
此外,由于不同豬舍類型糞便管理模式不同,進(jìn)一步影響了氣體的排放,見表6。在生豬養(yǎng)殖過(guò)程中NH3的排放主要是由糞便中的微生物通過(guò)脲酶降解尿素產(chǎn)生,NH3排放過(guò)程受到糞便表面空氣速度、糞便表面積、空氣溫度、糞便pH值等參數(shù)的影響[41]。不同地區(qū)由于管理措施和豬舍結(jié)構(gòu)不同,NH3的排放存在很大的差異,經(jīng)常清除舍內(nèi)糞便或者對(duì)糞污固液分離可以有效減少舍內(nèi)NH3的排放。研究顯示使用漏縫地板系統(tǒng)和刮板清糞的豬舍單頭生豬NH3的排放在4.4~13.2 g·d-1(表6),本研究水沖清糞豬舍試驗(yàn)期間單頭生豬的NH3排放率為6.0 g·d-1,與這一結(jié)果非常接近。試驗(yàn)期間,與其他通風(fēng)時(shí)段相比,Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ階段NH3的日排放量較高,主要與較高的通風(fēng)率有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)較高的通風(fēng)率會(huì)引起糞便表面的空氣流速增加,導(dǎo)致較高的NH3排放[42]。
表5 不同通風(fēng)管理豬舍內(nèi)環(huán)境指標(biāo)Table 5 Environmental indicators of pig house with different ventilation managements
表6 不同豬舍糞便管理方式污染物排放Table 6 Pollutant emission of different pig houses for manure management
豬舍中CO2排放來(lái)自于動(dòng)物呼吸和糞便管理過(guò)程,豬舍內(nèi)CO2的排放主要取決于動(dòng)物的體質(zhì)量、飼料水平和活動(dòng)水平[34];舍內(nèi)糞便管理過(guò)程CO2的排放來(lái)自于尿酶對(duì)動(dòng)物尿液中尿素的水解和催化,以及糞便中有機(jī)成分的厭氧消化過(guò)程。其中糞便CO2的排放很大程度上受糞便管理方式的影響,通常漏縫地板系統(tǒng)和刮板清糞豬舍糞便管理過(guò)程CO2的排放占豬舍總排放的比例為2.3%~3.4%[43],而墊料養(yǎng)殖系統(tǒng)豬舍糞便管理過(guò)程CO2的排放占豬舍總排放的10%~20%,研究顯示生豬育肥階段體質(zhì)量在23.3~113.5 kg的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程單頭生豬CO2的排放在1.30~1.97 kg·d-1(表6)。本研究中側(cè)窗通風(fēng)豬舍糞污清除采用水沖清糞方式,生豬體質(zhì)量75 kg條件下CO2排放量為1.92 kg·d-1,與以上研究一致。豬舍的CO2排放量在第Ⅴ階段最高,主要與這一階段動(dòng)物的活動(dòng)有關(guān)。
CH4源自豬的腸道發(fā)酵和糞便中有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程[44],這一過(guò)程與膳食纖維攝入水平有關(guān)[45]。在有機(jī)物質(zhì)降解過(guò)程中,厭氧、pH中性、同時(shí)溫度在25~40℃條件更有利于糞便CH4的產(chǎn)生[46]。研究顯示使用漏縫地板系統(tǒng)和刮板清糞豬舍單頭生豬CH4的排放在1.10~43.0 g·d-1(表6),這主要與糞便及時(shí)清除有關(guān);墊料生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)CH4的排放高于漏縫地板和刮板清糞豬舍,這主要與墊料(稻草、鋸木屑)可以提供可降解的碳水化合物來(lái)提高微生物的活性,從而增加CH4的排放有關(guān)[47]。本研究冬季側(cè)窗通風(fēng)CH4的排放量較小為1.39 g·d-1,主要與糞便及時(shí)清除和冬季豬舍通風(fēng)量較小有關(guān)(單頭生豬平均通風(fēng)量24.9 m3·d-1)。豬舍的CH4排放量在第Ⅳ階段最高,主要與這一階段較高的通風(fēng)量和動(dòng)物的飼喂活動(dòng)有關(guān),但不同通風(fēng)管理階段的CH4排放差異不顯著。
N2O是通過(guò)硝化-反硝化作用將轉(zhuǎn)化為 N2的過(guò)程中形成的,這一過(guò)程既需要有氧條件也需要無(wú)氧條件[48]。N2O的排放通常發(fā)生在厚墊料系統(tǒng)豬舍、糞便堆肥過(guò)程和糞便農(nóng)田施用過(guò)程中,本研究沒有監(jiān)測(cè)到N2O的排放。
(1)對(duì)改造后的冬季側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)豬舍內(nèi)平均溫度、濕度、通風(fēng)率和舍內(nèi)平均空氣流速等指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果顯示,豬舍側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)可滿足冬季育肥豬生長(zhǎng)的需求,NH3、CO2和CH4濃度等環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)在可控范圍內(nèi)。
(2)改造后的側(cè)窗負(fù)壓通風(fēng)豬舍采用的6級(jí)通風(fēng)管理模式顯著影響NH3、CO2的平均排放率,在第Ⅳ、Ⅴ通風(fēng)管理階段NH3、CO2的平均排放率最高,第Ⅰ階段NH3、CO2的平均排放率最低,對(duì)CH4的排放影響不顯著。