劉楊，尚斌，董紅敏，陶秀萍，徐文倩，楊培媛

（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)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

畜禽對飼料氮的轉(zhuǎn)化率不高，未被利用的飼料氮隨糞尿排泄物進入環(huán)境，糞尿一旦排出，便會立刻生成并且?guī)缀跬綋]發(fā)氨氣。氨氣為無色氣體，極易溶于水，有強烈的刺激性，畜禽舍內(nèi)氨氣積累會影響動物和飼養(yǎng)人員健康[1]。氨氣被畜禽舍通風系統(tǒng)排入大氣后，不僅能直接導(dǎo)致敏感生態(tài)系統(tǒng)酸化和富營養(yǎng)化，形成光散射氣溶膠引起霧霾和使能見度下降，而且能迅速與大氣中硫酸和硝酸發(fā)生中和反應(yīng)生成硫酸銨、硫酸氫銨或硝酸銨等細顆粒物，成為PM2.5的重要組成成分，影響人類健康[2-6]。PM2.5被人體吸入后可以透過肺屏障進入血液系統(tǒng)，導(dǎo)致心血管和呼吸道疾病，甚至癌癥和死亡[7]。

畜牧業(yè)是重要的農(nóng)業(yè)氨氣排放源，據(jù)估算畜牧業(yè)氨氣排放量占加拿大氨氣排放總量的64.0%、美國氨氣排放總量的48.7%，瑞士農(nóng)業(yè)源氨氣排放總量的90%[6，8]。對于我國氨排放總量以及各個污染源的排放量，目前尚沒有明確的數(shù)據(jù)，很多學(xué)者認為畜禽養(yǎng)殖對氨排放貢獻超過50%[9-10]，但此數(shù)據(jù)有待進一步考證。畜禽養(yǎng)殖氨排放主要來自畜禽生產(chǎn)和廢棄物管理過程，相比較而言，畜禽生產(chǎn)的氨排放研究較少。現(xiàn)有畜禽生產(chǎn)氨排放研究中，豬舍氨排放的關(guān)注度相對較高，但相關(guān)研究主要集中于豬舍內(nèi)氨氣濃度測試及其影響因素分析[11-24]。部分文獻結(jié)合通風量估算對豬舍氨氣排放量進行了研究：代小蓉[11]通過豬舍內(nèi)外溫差估算自然通風量、出風口風速及用面積計算機械通風量，對人工氣候室模擬生長育肥豬舍在自然和機械通風條件下的氨排放系數(shù)進行了研究；陳園[12]和紀英杰等[13]基于豬舍內(nèi)外溫差估算自然通風量、風機額定通風量及用運行時間估算機械通風量，探討上海地區(qū)豬場典型機械和自然通風相結(jié)合育肥豬舍的氨排放通量；石志芳等[14]則通過自然排風口面積及其風速估算自然通風量、機械通風額定風量和用運行時間計算機械通風量，獲取了不同地面類型豬舍氨排放系數(shù)；王文林等[15]借助排風口面積及其風速估算機械通風豬舍通風量，并在此基礎(chǔ)上分析了江蘇規(guī)?；i場各階段豬舍夏季氨氣排放因子；高芳[16]采用二氧化碳平衡法估算通風量，研究山西豬場典型自然通風和機械通風相結(jié)合育肥豬的氨氣排放因子。上述文獻未對出（排）風口風速的測定方法進行詳細介紹。對于自然通風系統(tǒng)，自然通風量除受豬舍內(nèi)外溫差影響外，還受外界風速、風向等的影響；對于機械通風系統(tǒng)，風機的實際排風量因受舍內(nèi)靜壓、風機狀況等諸多因素影響而與額定風量有較大的差別。為了獲取豬舍通風量的準確數(shù)據(jù)，國外研究開發(fā)了風機風量現(xiàn)場測定系統(tǒng)，用其對豬舍風機的實際通風量進行測試[16-17]，并在此基礎(chǔ)上對豬舍氨氣排放因子進行研究。

隨著現(xiàn)代養(yǎng)豬產(chǎn)業(yè)發(fā)展，豬場機械化和自動化程度越來越高，尤其飼養(yǎng)環(huán)境對健康養(yǎng)殖的影響日益受到重視、飼養(yǎng)員招聘難度越來越大，機械通風將成為生豬養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控的必然趨勢。本文以我國現(xiàn)代規(guī)?；i場機械通風育肥豬舍為例，研究在該規(guī)模豬場通風管理模式下育肥豬舍內(nèi)不同季節(jié)的氨氣濃度情況，結(jié)合通風量現(xiàn)場測定系統(tǒng)對風機通風量的測定，分析育肥豬舍氨氣排放因子的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為評價育肥豬舍環(huán)境調(diào)控效果、科學(xué)估算豬場氨氣排放量及其環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

試驗在北京市昌平區(qū)某規(guī)?；N豬場進行，豬場周圍5 km均為農(nóng)田，豬場存欄母豬1 200頭。試驗育肥豬舍位于豬場最北端，舍長50 m、跨度12 m；豬舍為雙坡有窗結(jié)構(gòu)、檐高3 m；舍內(nèi)豬欄呈雙列單走道布置，走道位于豬舍中部；豬舍的平面布置圖如圖1。豬舍地面為全漏縫地板，水泡糞清糞方式，水泡糞池自8：00開始,間隔約4 h沖水1次，每日沖水3次，共6 m3；糞尿水在豬舍下糞池中的貯存時間為2個月。試驗期間豬舍內(nèi)有育肥豬397頭、日齡在90～110 d，每日8：00和16：00喂料。

圖1試驗育肥豬舍平面布置圖Figure 1 Schematic layout of the fattening swine barn

試驗育肥豬舍采用機械通風，風機運行通過溫度傳感器自動控制。豬舍東西走向，南側(cè)墻上間隔安裝50英寸（1英寸=2.54 cm）（4臺）和36英寸（5臺）負壓軸流風機，風機距地面約100 cm；北側(cè)墻上對應(yīng)位置為2.5 m寬×1.2 m高的窗戶（窗臺離地1.2 m），北側(cè)窗戶上間隔安裝濕簾作為夏季和秋季進氣口（春季和冬季使用屋頂進氣口）。

1.2 測點布置

沿著豬舍縱軸中間走道，在兩端和中間各放置溫濕度數(shù)據(jù)采集器（美國ONSET公司），對豬舍內(nèi)的溫度和空氣相對濕度進行自動采集，數(shù)據(jù)采集的間隔時間為30 min。

在豬舍的中間和兩端設(shè)置3個氨氣采樣點（圖1），其中豬舍中間采樣點位于中部豬欄靠近風機內(nèi)側(cè)，該點氨氣濃度作為排放濃度進行計算。利用大氣采樣器（KC-6D型，青島嶗山應(yīng)用技術(shù)研究所）采集氣體樣品，采樣高度約80 cm。綜合考慮豬舍喂料時間、水泡糞池沖水時間以及舍內(nèi)溫度變化規(guī)律，試驗期間每日7：30、10：30、12：30和15：30共采樣4次，每次采樣30 min。分4個季節(jié)，每個季節(jié)連續(xù)采樣5 d，秋冬春夏的試驗時間分別為10月15—19日、1月19—23日、4月16—20日和7月25—29日，其日平均溫度和相對濕度分別為（18.0±6.5）、（1.4±5.8）、（19.3±7.7）、（32.0±6.9）℃和40.0%±0.2%、42.0±0.1%、23.0%±0.1%、57.0%±0.2%。

1.3 測定方法

氨氣濃度采用《環(huán)境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 533—2009）進行測定。在距離豬場約2 km的試驗基地實驗室配制0.01 mol·L-1硫酸吸收液，將10 mL吸收液裝入吸收管內(nèi)，密封管口送至試驗豬場，以1.0 L·min-1流量采集豬舍內(nèi)空氣45 min，采樣結(jié)束后密封管口并送入實驗室，當日完成樣品分析；同時全程測試空白樣品。風機實際通風量采用通風量現(xiàn)場測定系統(tǒng)[25]進行現(xiàn)場測定，該系統(tǒng)由主體框架、驅(qū)動部分和風速計/控制系統(tǒng)3部分組成，現(xiàn)場測試前該系統(tǒng)送中國農(nóng)業(yè)大學(xué)風洞實驗室校準測定通風量的校正值（Y）與豬舍風機現(xiàn)場測定的通風量（X）的關(guān)系為Y=1.033 5X+322.05（R2=0.999 9）。本研究中，對每種風機組合中各尺寸風機的通風量測定3次，將其均值作為該風機的通風量。

1.4 豬舍氨氣排放量計算方法

豬舍風機運行通過溫度傳感器自動控制，春季和秋季白天組合風機自8：00開始運行，分別于17：00和16：00停止；夏季組合風機24 h運行，冬季白天組合風機自10：00開始運行，13：00停止。不同季節(jié)風機運行情況及其通風換氣量如表1所示。

結(jié)合采樣時間點和風機運行時間，本試驗將計算豬舍管理活動時間（7：00—17：00）分成4個時段：7：00—9：00、9：00—11：00、11：00—14：00和14：00—17：00，將各時段通風總量與相應(yīng)的7：30、10：30、12：30和15：30氨氣濃度平均值相乘后求和，得到白天豬舍氨氣排放量；在此基礎(chǔ)上，通過夜間時段通風量與7：30氨氣濃度計算夜間氨氣排放量。進一步計算豬舍氨氣排放因子（Efactor，g·h-1·m-2），其計算公式為：

式中：Qj為豬舍第j時段的通風總量，m3；Cji為豬舍氨氣濃度，mg·m-3；Cjo為大氣環(huán)境氨氣濃度mg·m-3；A為豬舍面積，m2；t為第j時段的時間長度，h。

表1育肥豬舍不同季節(jié)風機運行及其通風換氣量Table 1 Fan operation and the ventilation rates inside the fattening barn in different seasons

2 結(jié)果與討論

2.1 育肥豬舍溫度及通風量

育肥豬舍內(nèi)風機運行根據(jù)溫度傳感器進行自動控制，不同季節(jié)的實際通風量均有所差別，夏季通風量最大、其次是春季和秋季、冬季最?。ū?）。夏季通風量分別是春季、秋季和冬季的2.08、2.34倍和3.04倍。

育肥豬舍內(nèi)溫度和氨氣濃度日均值變化情況如圖2所示。試驗期間，育肥豬舍內(nèi)溫度在15.6～29.9℃、相對濕度在9.1%～80.6%。

Zong等[26]報道，采用漏縫地板和水泡糞清糞方式的育肥豬舍夏季通風量為68.1～83.4 m3·h-1·頭-1、冬季通風量為24.2～28.1 m3·h-1·頭-1，相較本試驗結(jié)果偏低，可能是因為其所用試驗豬舍的水泡糞池安裝了地溝風機，該風機通風量在冬季和夏季基本保持在9.0～10.0 m3·h-1·頭-1，使舍內(nèi)通風量和地溝通風量之和與本研究結(jié)果基本一致。本研究豬舍的通風換氣量是根據(jù)舍內(nèi)溫度參數(shù)自動調(diào)節(jié)的，從豬舍氨氣濃度看，豬舍通風換氣系統(tǒng)具有很好的運行效果。Ranbeeck等[17]的試驗育肥豬舍通風量為15.6～66.5 m3·h-1·頭-1，明顯低于本試驗結(jié)果，較低通風量可能是導(dǎo)致育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度較高的主要原因。國外研究推薦68.0～100.0 kg的育肥豬在冬季、溫暖季節(jié)和夏季的通風量分別為17.0、59.5、204.0 m3·h-1·頭-1[27]，除冬季較低外，本試驗豬舍通風換氣量均在此推薦范圍內(nèi)。

2.2 不同季節(jié)育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度

2.2.1 豬舍內(nèi)氨氣日平均濃度

豬舍內(nèi)氨氣濃度范圍在1.6～10.0 mg·m-3（圖2），均未超過GB/T 17824.3—2008的限值（25 mg·m-3）要求，表明育肥豬舍內(nèi)環(huán)境自動控制系統(tǒng)的運行效果較好。但是春季試驗的4月18日，因舍中間氨氣采樣點所對應(yīng)的風機故障，導(dǎo)致該采樣點當日的部分氨氣濃度異常（約40 mg·m-3），遠超出了標準限定值。因此，如果全封閉式豬舍突發(fā)電力中斷或風機故障，將會導(dǎo)致舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量極度異常，應(yīng)提前做好應(yīng)對措施。

圖2不同季節(jié)育肥豬舍內(nèi)溫度和氨氣濃度變化情況（圖中從左到右依次為秋季、冬季、春季和夏季）Figure 2 Profiles of temperature and ammonia concentration inside the fattening barns in different seasons（fromleft to right：autumn，winter，spring and summer）

育肥豬舍內(nèi)春季、夏季、秋季和冬季的氨氣日平均濃度分別為（3.60±1.67）、（3.15±1.02）、（3.88±0.38）mg·m-3和（8.41±0.98）mg·m-3，夏季日平均氨氣濃度最低，其次是春季和秋季，冬季相對較高，這可能與不同季節(jié)的通風量有關(guān)。本試驗中，豬舍內(nèi)夏季和其他季節(jié)溫度最大相差7.7℃，但是夏季通風量是冬季的3倍左右，較高的換氣頻率使得豬舍內(nèi)氨氣濃度較低。較低的通風量也使得豬舍內(nèi)冬季氨氣濃度極顯著高于其他3個季節(jié)（P＜0.01），秋季濃度顯著高于夏季濃度（P＜0.05），其他季節(jié)之間的氨氣濃度差異不顯著。本試驗數(shù)據(jù)與Philippe等[24]報道的機械通風育肥豬舍（3月齡育肥91 d）8.22μL·L-1（6.24 mg·m-3）的氨氣濃度基本一致。許穩(wěn)等[21]報道北京地區(qū)育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度月均值為1.55～5.24 mg·m-3（平均3.26 mg·m-3），其氨氣濃度較低的原因是清糞方式不同，該豬舍采用人工干清糞方式，每日清糞2次后沖洗地板；但吳勝等[22]6月份測試江蘇半封閉育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度為9～10 mg·m-3，該豬舍也采用人工清糞和自然通風，其較高的氨氣濃度可能與飼養(yǎng)密度和試驗期間育肥豬日齡（21周齡、體質(zhì)量90～100 kg）有關(guān)。Ranbeeck等[17]報道機械通風全漏風地面育肥豬舍內(nèi)平均氨氣濃度為18.7μL·L-1（14.2 mg·m-3），可能是育肥前期豬舍通風量較小所致。

2.2.2 育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度的日變化規(guī)律

育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度的日變化規(guī)律如圖3所示。秋、冬和春三季豬舍氨氣最高濃度均出現(xiàn)在7：30，而最低值均出現(xiàn)在12：30；夏季各時間點的氨氣濃度差別不大，較大值出現(xiàn)在10：30，而較低值出現(xiàn)在7：30。豬舍內(nèi)氨氣濃度的日變化規(guī)律與通風量存在一定的關(guān)系，該豬舍秋、冬和春季夜間通風量較小，氨氣濃度在舍內(nèi)略有積累，因而7：30的濃度最高，之后舍內(nèi)通風量增加，舍內(nèi)氨氣濃度有所下降；而夏季是多臺風機連續(xù)運行，白天和夜間通風量一致，加之動物夜間活動少，因此反而在7：30出現(xiàn)最低值，之后的較大值可能與豬舍糞溝沖水有關(guān)。

圖3育肥豬舍內(nèi)不同季節(jié)各采樣時間點的氨氣濃度Figure 3 Ammonia concentrations at different sampling timesin four seasons

許穩(wěn)等[21]報道北京地區(qū)自然通風、自由采食育肥豬舍，由于干清糞后沖洗地板，舍內(nèi)氨氣濃度在第一次清糞后急劇下降，而吳勝等[22]的報道自然通風、人工喂料育肥豬舍，第一次清糞后氨氣濃度顯著升高（P＜0.05），其原因是第一次喂料與清糞在相同時段，也可能與清糞后是否沖洗地板有關(guān)。

2.2.3 育肥豬舍氨氣濃度與舍內(nèi)溫濕度的關(guān)系

不同季節(jié)育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度與舍內(nèi)溫濕度的相關(guān)性如表2所示。除夏季外，其他季節(jié)育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度與溫度呈負相關(guān)、與相對濕度呈正相關(guān)，且春季氨氣濃度與相對濕度的相關(guān)性最強，其次是冬季；春、秋和冬季氨氣濃度與溫度的負相關(guān)性差別不大；試驗期間育肥豬舍氨氣濃度與溫度、相對濕度的整體相關(guān)系數(shù)分別為-0.53和0.48。氨氣濃度與環(huán)境溫度呈負相關(guān)的原因可能有兩個方面：首先，豬舍采取環(huán)境控制措施，夏季風機全部開啟，通風量增加使舍內(nèi)風速增加，起到一定的降溫作用，試驗期間舍外環(huán)境溫度為（32.0±6.9）℃，舍內(nèi)溫度為（27.7±1.9）℃，而冬季試驗期間，舍外環(huán)境溫度為（1.4±5.8）℃，舍內(nèi)溫度為（20.0±0.8）℃；其次，豬舍通風量增加也將更多的氨氣排到舍外，從而使舍內(nèi)氨氣濃度降低。與濕度呈正相關(guān)的可能原因是氨氣極易溶于水，濕度較大，空氣所含氨氣較多，因而氨氣濃度也相對較高。試驗期間，冬季舍內(nèi)相對濕度（59.3%±5.6%）顯著高于舍外（42%±0.11%）（P＜0.05），其他季節(jié)舍內(nèi)平均相對濕度與舍外接近。

2.3 育肥豬舍氨氣排放速率和排放因子

育肥豬舍不同季節(jié)的氨氣排放速率如圖4所示，夏季排放值最高，其次是冬季和春季，秋季相對最低。有文獻報道北京城區(qū)和農(nóng)村1—7月大氣氨氣濃度平均值為10～40μm·m-3；而郊區(qū)農(nóng)田周邊氨濃度非常低，相對而言，秋季最高、夏季次之、春季最低為0.02 mg·m-3[28-29]。本試驗育肥豬舍位于試驗豬場最北端，周圍5 km均為農(nóng)田，且試驗時間與上述研究報道時間基本一致，因此將文獻中春、夏、秋、冬四季氨氣濃度0.02、0.08、0.09 mg·m-3和0.05 mg·m-3作為大氣環(huán)境背景值進行計算。不同季節(jié)白天管理活動時間內(nèi)（7：00～17：00）育肥豬舍氨氣排放速率為0.17～0.24 g·h-1·m-2，而全天平均氨氣排放速率為0.13～0.23 g·h-1·m-2，白天較高的排放量可能與豬的活動有關(guān)。Zhu等[30]報道深糞坑育肥豬舍每日12 h氨氣排放速率為0.22～0.61 g·h-1·m-2，其較高的排放值源于糞尿在糞坑中貯存時間高于本試驗豬舍2個月的貯存期。白天管理活動時間內(nèi)（7：00～17：00），夏季豬舍氨氣排放速率與冬季相同，均為0.24 g·h-1·m-2，其原因可能與舍內(nèi)溫濕度相關(guān)，盡管豬舍夏季平均溫度較冬季高，但是冬季豬舍內(nèi)水汽較多使其中相對濕度高于夏季。全天氨氣排放值夏季最高、冬季其次，原因與夏季豬舍內(nèi)較高溫度和較大通風量有關(guān)，增加通風量也有利于水泡糞池中氨氣揮發(fā)，從而使氨氣排放量增加。

表2育肥豬舍氨氣濃度與溫濕度之間的相關(guān)性（r）Table 2 Correlationsbetween ammonia concentration and temperature and relative humidity

圖4育肥豬舍不同季節(jié)的氨氣排放速率Figure 4 Ammonia emission flux of fattening barns in different seasons

豬舍內(nèi)的氨氣源來自于豬糞尿，其產(chǎn)生和排放受糞便清理、飼養(yǎng)管理、糞便特性、環(huán)境溫度、糞尿成分、通風等諸多因素的影響[28，31]。研究表明，糞尿中氨氣揮發(fā)量隨著溫度升高而增加，當環(huán)境溫度從4℃增加到20℃時，氨氣的揮發(fā)量提高3.6～5.8倍[31]。本研究夏季較高的氨氣排放量主要與豬舍夏季較高的溫度有關(guān)，舍內(nèi)夏季平均溫度較其他季節(jié)高4.7～7.7℃，且春季溫度略高于秋季；盡管冬季豬舍溫度為（20.02±0.79）℃，較其他季節(jié)低，但濕度卻是4個季節(jié)中最高的，本研究發(fā)現(xiàn)氨氣濃度與濕度呈正相關(guān)，冬季較高的氨氣揮發(fā)量可能與冬季豬舍糞污干物質(zhì)含量有關(guān)，干物質(zhì)含量是影響糞便氨揮發(fā)的主要特性因素[31]。Hayes等[32]報道，機械通風、水泡糞育肥豬舍氨氣排放因子為6.9～11.9 g·d-1·頭-1，相對高于本研究結(jié)果（不同季節(jié)氨氣排放因子范圍在4.6～8.3 g·d-1·頭-1），其原因可能是漏風地板下，水泡糞池表面高風速使氨氣的揮發(fā)量增加，且有文獻表明水泡糞池地溝風機通風量每改變0.01 m3·s-1·m-2，氨氣揮發(fā)量將增加或減少21%。參照文獻[16]的方法，育肥豬舍氨氣排放因子也可以用“kg·a-1·頭-1”為單位表示。育肥豬舍春夏秋冬4季的氨氣排放因子分別為（1.82±0.14）、（3.03±0.17）、（1.66±0.53）、（2.77±0.50）kg·a-1·頭-1，年均排放因子為（2.32±0.68）kg·a-1·頭-1，與Ranbeeck等[17]報道的育肥豬舍氨氣年排放因子（2.2±1.4）kg·a-1·頭-1基本一致。James等[33]報道商品機械通風育肥豬舍內(nèi)夏、秋、冬和春季的氨氣排放因子分別為（1.60±0.39）、（0.95±0.60）、（1.88±1.70）、（1.64±0.74）kg·a-1·頭-1，即對應(yīng)的氨氣排放因子均值分別為1.60、0.95、1.88、1.64 kg·a-1·頭-1；Blunden等[34]則報道育肥豬舍夏、秋、冬和春季的氨排放分別為（0.82±0.42）、（0.45±0.28）、（1.72±1.12）、（2.38±0.86）kg·a-1·頭-1。以上文獻結(jié)果均低于本試驗數(shù)據(jù)，其原因跟動物大小和清糞方式有關(guān)。首先是育肥豬舍清糞方式不同，James等[33]的豬舍采用水沖清糞方式對豬舍糞污進行清理，每周沖洗1次，而本研究水泡糞時間較長（2個月）；其次本研究育肥豬日齡基本維持在90～110日齡，而James等[33]的夏、秋、冬和春季試驗動物體質(zhì)量分別為48.7、34.6、116.6 kg和50.6 kg，Blunden等[34]的試驗豬體質(zhì)量為38～88 kg，不僅這些動物日齡的季節(jié)差別較大，且與本研究試驗動物日齡不同，其較大排放因子主要是豬體質(zhì)量較大所致。

3 結(jié)論

（1）育肥豬舍內(nèi)氨氣濃度為1.6～10.0 mg·m-3（風機故障除外），均未超過GB/T 17824.3—2008的限值（25 mg·m-3）。春季、夏季、秋季和冬季舍內(nèi)氨氣濃度平均值分別為（3.60±1.67）、（3.15±1.02）、（3.88±0.38）mg·m-3和（8.41±0.9）mg·m-3。

（2）白天管理活動時間內(nèi)（7：00～17：00）育肥豬舍氨氣排放速率為0.17～0.24 g·h-1·m-2，而全天平均氨氣排放速率為0.13～0.23 g·h-1·m-2。