魯煜建，李永振，方志偉，施正香，3，王朝元，3＊

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

3 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083

0 引言

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的顆粒物（PM）是重要的農(nóng)業(yè)源顆粒物之一，以德國(guó)為例，其中來自畜禽生產(chǎn)的PM2.5和PM10占德國(guó)大氣顆粒物的4.2%和8.0%[1]。相較于其他排放源，畜禽舍顆粒物具有濃度高、危害大、特性復(fù)雜等特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濃度顆粒物環(huán)境中會(huì)影響畜禽健康與生產(chǎn)效率，引起工作人員慢性支氣管炎、咳嗽、持續(xù)喘息和塵肺等肺部疾病的發(fā)生，降低動(dòng)物和工人的福利水平[2～4]。不僅如此，畜禽舍顆粒物還會(huì)攜帶臭氣和致病微生物等有害物質(zhì)，耦合運(yùn)移并向周邊環(huán)境擴(kuò)散，降低大氣能見度，破壞生態(tài)系統(tǒng)，影響周邊居民的生產(chǎn)生活，引起投訴事件等[5，6]。

近年來，我國(guó)奶牛場(chǎng)規(guī)?；图s化程度不斷提高，截至2018年，我國(guó)存欄量大于1 000 頭的牧場(chǎng)占比38.9%[7]，大規(guī)模、高密度的飼養(yǎng)方式導(dǎo)致牛舍顆粒物濃度和排放量不斷升高，在牛舍多采用開放或半開放式的自然通風(fēng)類型下，勢(shì)必更易導(dǎo)致對(duì)周邊地區(qū)和大氣環(huán)境的污染。

在畜禽舍顆粒物特性研究方面，歐美等國(guó)較早開展了本國(guó)或多國(guó)間的畜禽場(chǎng)空氣污染物排放監(jiān)測(cè)計(jì)劃，探究了不同畜種、不同畜舍類型的顆粒物等環(huán)境參數(shù)的濃度、排放量等特性，為本國(guó)的畜禽場(chǎng)污染物減排和排放清單制定提供了重要參考依據(jù)[8～12]。Cambra-Lopez等[5]、汪開英等[13]、戴鵬遠(yuǎn)等[14]綜述了雞舍和豬舍顆粒物的危害、理化特性及其影響因素等，目前仍缺少奶牛舍顆粒物特性的相關(guān)綜述。相較于國(guó)外，我國(guó)對(duì)于奶牛舍顆粒物濃度、排放等基礎(chǔ)特征參數(shù)的研究和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的累積基本處于空白。此外，我國(guó)生態(tài)環(huán)境部頒布的《大氣細(xì)顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南（試行）》與《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術(shù)指南（試行）》要求加速推進(jìn)各領(lǐng)域?qū)︻w粒物排放清單的制定。在此背景下，總結(jié)國(guó)內(nèi)外奶牛舍顆粒物研究進(jìn)展，能夠進(jìn)一步摸清奶牛舍顆粒物特性及其變化規(guī)律，為開展奶牛場(chǎng)顆粒物相關(guān)研究、獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及施行減排措施和政府決策等提供理論支撐。

本文通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外奶牛場(chǎng)顆粒物的相關(guān)研究，系統(tǒng)闡述了奶牛場(chǎng)顆粒物的危害、濃度、排放率、與臭氣、微生物耦合和擴(kuò)散特征，歸納總結(jié)了影響牛舍顆粒物特性的關(guān)鍵因素，并提出研究展望，為我國(guó)規(guī)?；膛?chǎng)的環(huán)境控制和節(jié)能減排等提供理論和技術(shù)支撐，同時(shí)加速我國(guó)奶牛場(chǎng)顆粒物排放清單的完善和環(huán)保政策的制定，為環(huán)境保護(hù)提供政策支持。

1 顆粒物危害

1.1 顆粒物對(duì)奶牛和工作人員的危害

奶牛場(chǎng)顆粒物通過懸浮于牛舍內(nèi)外的環(huán)境，從而直接或間接的危害奶牛、牧場(chǎng)工人及周邊居民的健康，主要表現(xiàn)為呼吸道、肺部等疾病發(fā)病率的增加。這主要由于，一方面，顆粒物通過空氣吸入可直接刺激呼吸道黏膜，降低機(jī)體對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病的免疫抵制；另一方面，附著在顆粒物上的重金屬、NH3、內(nèi)毒素等化學(xué)物質(zhì)和致病微生物對(duì)呼吸道產(chǎn)生刺激，造成組織損傷和疾病感染。研究表明，由于牛舍干草、秸稈、發(fā)霉飼料含量較高，舍內(nèi)牛群容易感染一系列常見的過敏性疾病，如鼻炎、牙槽炎、哮喘等，這可能與顆粒物吸附的內(nèi)毒素有關(guān)[15]。受顆粒物影響，牧場(chǎng)工人的健康狀況也出現(xiàn)不同程度的下降。Eastman等[16]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期從事牛場(chǎng)工作的人因亞急性呼吸道損害，而導(dǎo)致肺活量普遍下降。Gainet等[4]通過對(duì)法國(guó)杜省地區(qū)奶牛場(chǎng)工人進(jìn)行為期12 年的縱向研究，同樣發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，長(zhǎng)期從事牛場(chǎng)工作的人患慢性支氣管炎概率更高、血氧濃度更低。

1.2 顆粒物對(duì)周邊環(huán)境和居民的危害

奶牛場(chǎng)作為顆粒物排放源，持續(xù)不斷向外界排放顆粒物及其攜帶的化學(xué)物質(zhì)、微生物等，對(duì)牛場(chǎng)周圍環(huán)境及居民造成危害。奶牛場(chǎng)顆粒物的排放造成場(chǎng)區(qū)周圍環(huán)境中顆粒物濃度升高，顆粒物中吸附的有害氣體、內(nèi)毒素、真菌、細(xì)菌等進(jìn)一步對(duì)牛場(chǎng)周圍環(huán)境造成影響，使得居民不僅受到臭氣困擾，而且其健康狀況也出現(xiàn)不同程度的下降。Garcia等[17]通過測(cè)量美國(guó)加州13 個(gè)奶牛場(chǎng)上下風(fēng)向的可吸入顆粒物（PM2.5、PM10）濃度，發(fā)現(xiàn)不同牛場(chǎng)間、同一牛場(chǎng)不同生產(chǎn)區(qū)域顆粒物濃度差異明顯，上風(fēng)向顆粒物平均濃度顯著低于牛場(chǎng)中心區(qū)域濃度。De Rooij等[18]通過對(duì)2 494 名畜牧場(chǎng)（包括奶牛場(chǎng)）周邊居民進(jìn)行健康調(diào)查，發(fā)現(xiàn)畜禽場(chǎng)排放的空氣顆粒物與居民哮喘發(fā)病率、特應(yīng)性敏感等緊密相關(guān)。Williams等[19]曾對(duì)美國(guó)華盛頓地區(qū)距離奶牛場(chǎng)分別0.4 km和4.8 km，共40個(gè)居民社區(qū)的空氣質(zhì)量指標(biāo)（顆粒物、NH3、奶牛過敏原）進(jìn)行測(cè)量，認(rèn)為距離牛場(chǎng)更近的社區(qū)環(huán)境空氣中奶牛過敏原、NH3和顆粒物濃度分別是距離更遠(yuǎn)社區(qū)的60 倍、8 倍、2 倍。由此可見，奶牛場(chǎng)排放的顆粒物對(duì)奶牛、工人及周邊居民健康存在不同程度的危害。當(dāng)前，隨著奶牛場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的小型開放式向大型半開放式、密閉式轉(zhuǎn)變，奶牛場(chǎng)顆粒物所帶來的健康和福利問題值得引起重視。

顆粒物還是形成霧霾、酸雨等氣象災(zāi)害重要的前體物質(zhì)，在規(guī)模化奶牛生產(chǎn)條件下，產(chǎn)生的大量空氣顆粒物容易造成局部地區(qū)氣候條件惡化，進(jìn)而影響奶牛場(chǎng)及周邊地區(qū)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，顆粒物協(xié)載的重金屬、NH3、揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)等進(jìn)入大氣環(huán)境后，通過一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，形成粒徑分布、化學(xué)性質(zhì)不同的二次顆粒物，成為目前亟待解決的難題。受到測(cè)試技術(shù)、監(jiān)測(cè)與控制成本等限制，目前關(guān)于奶牛場(chǎng)空氣顆粒物排放量仍沒有得到充分評(píng)估，也沒有充分的科學(xué)證據(jù)證明其與改變生態(tài)系統(tǒng)的直接關(guān)系。

2 顆粒物特性

2.1 濃度和排放水平

2.1.1 濃度

濃度是顆粒物的重要特征之一。多數(shù)研究表明，奶牛舍不同粒徑的顆粒物濃度通常小于雞舍和豬舍，這主要因?yàn)榕Ｉ岬慕ㄖY(jié)構(gòu)通常為開放或半開放類型，多采用自然通風(fēng)方式，舍內(nèi)環(huán)境易受外界的影響[8，10，12，20]。Winkel等[8]、Schmidt[21]、和Schrade等[22]在測(cè)量不同類型牛舍時(shí)均得到牛舍內(nèi)PM10濃度稍高于外界環(huán)境，Kaasik等[11]測(cè)量得到牛舍內(nèi)外PM10、PM2.5濃度顯著相關(guān)。部分監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了牛舍內(nèi)顆粒物濃度小于舍外環(huán)境的現(xiàn)象，并認(rèn)為顆粒物的粒徑越小，其受外界環(huán)境的影響越大[11，12，22]。表1總結(jié)了不同國(guó)家或地區(qū)奶牛舍不同粒徑顆粒物濃度的測(cè)量結(jié)果，其中以北歐國(guó)家施行的畜禽舍空氣污染物排放多國(guó)監(jiān)測(cè)計(jì)劃、美國(guó)實(shí)施的國(guó)家空氣排放監(jiān)測(cè)研究和瓦赫寧根大學(xué)開展的荷蘭畜禽舍顆粒物排放調(diào)查研究具有代表性[8～10，12]。Takai等[10]調(diào)研的24 棟拴系和24 棟散欄飼養(yǎng)奶牛舍的顆粒物濃度，測(cè)量結(jié)果顯示，奶牛舍內(nèi)可入肺顆粒物和可吸入顆粒物的平均濃度分別為70.0 μg/m3和380.0 μg/m3。Joo等[12]測(cè)量了美國(guó)華盛頓州2 棟自然通風(fēng)奶牛舍，得到2 棟舍的PM2.5、PM10和TSP的濃度分別為72.6 μg/m3、330.0 μg/m3、866.0 μg/m3和67.8 μg/m3、577.0 μg/m3、1702.0 μg/m3；Winkel等[8]測(cè)量得到4 棟舍飼散欄奶牛舍內(nèi)的PM2.5、PM10和可吸入顆粒物濃度分別為13.8 μg/m3、40.0 μg/m3和295.0 μg/m3。整體而言，多數(shù)研究中對(duì)同一粒徑顆粒物濃度的測(cè)量結(jié)果基本處在同一數(shù)量級(jí)，測(cè)量結(jié)果的差異主要來源于氣候、牛舍類型、牛群大小、測(cè)量方法等。相對(duì)于其他研究測(cè)量結(jié)果，Joo等[12]測(cè)量得到的結(jié)果較高，這一方面可能源于監(jiān)測(cè)牛舍的奶牛數(shù)量較多，另一方面源于測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量設(shè)備的差異，該研究采用單點(diǎn)布置，僅將監(jiān)測(cè)設(shè)備布置在牛舍中央，距離屋頂通風(fēng)口下方1.5m位置處，而Winkel等[8]與Kaasik等[11]均采用多點(diǎn)布點(diǎn)方式，并未在屋頂通風(fēng)口處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。綜合不同研究結(jié)果可得，奶牛舍PM2.5、PM10平均濃度變化范圍分別在1.1～787.4 μg/m3和3.0～2 177.0 μg/m3。Hinz等[23]在測(cè)量奶牛舍的TSP濃度后認(rèn)為牛舍的TSP濃度一般小于1 000.0 μg/m3。

表1 奶牛舍顆粒物濃度 單位；μg/m3

在奶牛舍顆粒物濃度變化規(guī)律上，不同研究得到的變化規(guī)律不盡相同，但多數(shù)測(cè)量結(jié)果顯示，顆粒物濃度日變化總體呈現(xiàn)白天高，夜間低，白天波動(dòng)較大，夜間平穩(wěn)的特征，峰值的出現(xiàn)和波動(dòng)總體上受到奶牛活動(dòng)量和管理措施等因素的影響[8，10，24]。Takai等[10]得到英國(guó)與丹麥、荷蘭與德國(guó)地區(qū)奶牛舍白天可吸入顆粒物濃度分別高出夜晚50%～60%和10%～20%”。認(rèn)為這主要因?yàn)槟膛０滋斓幕顒?dòng)量大于夜間，高活動(dòng)量會(huì)促使落至地面的顆粒物再次進(jìn)入空氣中，導(dǎo)致濃度增加。Joo等[12]發(fā)現(xiàn)PM10和PM2.5小時(shí)濃度均值在早晨出現(xiàn)階段性峰值，傍晚達(dá)到最高，在午夜至凌晨時(shí)段達(dá)到低谷，這受到奶牛采食等過程的影響。由于現(xiàn)階段顆粒物測(cè)量?jī)x器體積較大、維護(hù)費(fèi)用昂貴等，目前關(guān)于牛舍顆粒物在不同空間的分布規(guī)律的研究較少。其中，Zhao等[25]在測(cè)量美國(guó)俄亥俄州兩棟奶牛舍內(nèi)的空氣質(zhì)量時(shí)，在牛舍內(nèi)的不同空間區(qū)域設(shè)置了8 個(gè)采樣點(diǎn)，但統(tǒng)計(jì)分析得到牛舍不同區(qū)域的顆粒物濃度相近，不存在顯著差異。

相較國(guó)外，國(guó)內(nèi)奶牛舍顆粒物濃度相關(guān)研究仍然有限。周英昊等[26]、高玉紅等[27]間斷測(cè)量了河北地區(qū)不同類型奶牛舍內(nèi)PM2.5和PM10濃度變化范圍分別為28.5～211.5 μg/m3和1.9～44.2 μg/m3，但總體而言，監(jiān)測(cè)結(jié)果仍無法系統(tǒng)的反映奶牛舍顆粒物濃度水平及其動(dòng)態(tài)變化過程。

2.1.2 排放

奶牛舍顆粒物的排放特征除與濃度有關(guān)外，還受到牛舍通風(fēng)量和通風(fēng)方式影響，多數(shù)研究表明，奶牛舍顆粒物的排放率相較于豬舍和雞舍更低。Takai等[10]得到雞舍、豬舍和奶牛舍可吸入顆粒物排放率分別為762 mg/h·500 kg、3 165 mg/h·500 kg、145 mg/h·500 kg，可入肺顆粒物的排放率分別為85 mg/h·500 kg、504 mg/h·500 kg、24 mg/h·500 kg，Winkel等[8]在測(cè)量了荷蘭地區(qū)的36 個(gè)不同類型雞舍、豬舍和牛舍的顆粒物排放率，以mg/h·500 kg、mg/h·hpu為單位，奶牛舍的PM2.5、PM10和可吸入顆粒物的排放率均為最低。表2總結(jié)了各國(guó)家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算的奶牛舍不同粒徑顆粒物的排放率。從數(shù)值上來看，部分研究結(jié)果間存在較大差異，例如Joo等[12]測(cè)量牛舍的PM2.5和PM10排放率分別約是Winkle等[8]測(cè)量結(jié)果的101 倍和73 倍，排放率測(cè)試結(jié)果存在較大差異除了受氣候條件、牛舍建筑、測(cè)量點(diǎn)布置、測(cè)量?jī)x器等因素影響外，還受到通風(fēng)量測(cè)算方法的影響。目前，準(zhǔn)確的測(cè)算自然通風(fēng)奶牛舍的通風(fēng)量仍然存在困難，相較于Winkle等[8]采用的二氧化碳平衡法，Joo等[12]采用將16 個(gè)三維聲波風(fēng)速儀均勻布置于牛舍側(cè)墻的方式測(cè)量通風(fēng)量。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不僅很難準(zhǔn)確估算通風(fēng)量，也存在時(shí)間、人力和物力消耗較大的問題，部分研究通過反演方式對(duì)牛舍或整個(gè)牛場(chǎng)的顆粒物排放率進(jìn)行估算，但多數(shù)研究主要應(yīng)用于肉牛場(chǎng)[28，29]。Goodrich等[30]和Marchant等[31]分別借助ISC3和AERMOD模型反演估算奶牛舍的顆粒物排放率，其中Marchant等[31]在比較了激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和模型估算的結(jié)果后得到，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果小于估算結(jié)果，最大差距可達(dá)3 倍以上，這可能源于反演估算方法對(duì)部分顆粒物排放過程的模擬（如顆粒物的羽流抬升過程）采用簡(jiǎn)化或省略的方式。

表2 奶牛舍顆粒物排放率匯總

季節(jié)與奶牛舍通風(fēng)率存在密切聯(lián)系，通常情況下，由于奶牛舍夏季通風(fēng)率高于冬季，因此，夏季奶牛舍的顆粒物濃度小于冬季，排放率高于冬季[8，11，24]，例如Winkel等[8]、Purdy等[24]分別得到新墨西哥州南部4 個(gè)牧場(chǎng)夏季顆粒物平均濃度低于冬季，排放水平高于冬季，荷蘭地區(qū)散欄奶牛舍的PM10排放率呈現(xiàn)夏季最高、春秋季節(jié)次之、冬季最低的特點(diǎn)。但受氣候和管理方式等因素的影響，部分地區(qū)奶牛舍在冬夏季均采用自然通風(fēng)方式，舍內(nèi)顆粒物濃度及排放率不存在季節(jié)差異或呈現(xiàn)相反的狀況[10，12，21]。

2.2 顆粒物與臭氣、微生物耦合

與其他畜禽場(chǎng)類似，奶牛場(chǎng)產(chǎn)生的90%空氣顆粒物由有機(jī)物質(zhì)組成[5]，這些有機(jī)粒子主要有真菌、細(xì)菌、病毒、內(nèi)毒素、過敏原等生物活性物質(zhì)，還有源自奶牛舍及附屬生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)的飼料、墊料、糞便和動(dòng)物皮屑等。奶牛場(chǎng)顆粒物成分主要元素包括C、O、N、P、S、Na、Ca、Al、Mg、K等，由于草料相對(duì)較多，奶牛舍顆粒物中礦物質(zhì)和灰燼含量更高[32]。奶牛場(chǎng)顆粒物對(duì)健康和環(huán)境的影響除了其自身理化特性外，實(shí)際上更多源于奶牛場(chǎng)產(chǎn)生的有害氣體、致病微生物與顆粒物間的協(xié)同耦合作用，顆粒物作為“可移動(dòng)”排放源在傳播擴(kuò)散過程中不斷釋放有害氣體和微生物，危害人和動(dòng)物健康，污染大氣環(huán)境，傳播畜禽疾病等，是制約產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。然而，目前對(duì)于奶牛場(chǎng)已有的研究主要是針對(duì)單一空氣污染物質(zhì)的排放或影響效果，關(guān)于多種污染物質(zhì)之間耦合效果的研究卻相當(dāng)匱乏。

2.2.1 顆粒物-臭氣耦合

畜禽舍內(nèi)產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)主要包括部分無機(jī)氣體（如NH3、H2S等）和揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs），與空氣中游離態(tài)臭氣物質(zhì)相比，附著在顆粒物上的臭氣隨顆粒物的運(yùn)移、懸浮、沉降等具有不同的排放特征?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注豬舍和雞舍等密閉環(huán)境，而奶牛舍顆粒物與臭氣耦合的研究仍然處于空白，這主要由于奶牛場(chǎng)的開放式系統(tǒng)對(duì)顆粒物與臭氣在采樣和檢測(cè)方法上提出了更多挑戰(zhàn)。Razote等[33]通過溶液萃?。⊿olvent Extraction）、固相微萃?。⊿olid-phase Microextraction）和推拉法（Purge and Trap）3 種技術(shù)確定出豬舍空氣粉塵吸附的84 種揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)，得到大部分物質(zhì)同樣存在于豬場(chǎng)空氣和糞便中?，F(xiàn)有研究表明，空氣顆粒物吸附的臭氣種類復(fù)雜，且臭氣物質(zhì)在不同粒徑顆粒物上分布規(guī)律不同。Cai等[34]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC/MS）結(jié)合固相微萃取技術(shù)確定出豬舍顆粒物吸附臭氣物質(zhì)達(dá)50 種，這些物質(zhì)分子量范圍在34.08～234.39 mol/kg、理化性質(zhì)分散，主要臭氣物質(zhì)包括甲硫醇、異戊酸、4-甲基苯酚、吲哚、臭糞素等，并發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物（TSP）吸附臭氣物質(zhì)絕對(duì)量高于PM1.0和PM10，但平均到單位重量或表面積顆粒物后，細(xì)顆粒物（PM1.0）具有更強(qiáng)的吸附量。此外，Yang等[35]通過采集美國(guó)中西部地區(qū)20 棟畜禽場(chǎng)排放的TSP、PM10，分析并量化出57 種非含硫顆粒物-臭氣物質(zhì)，這些臭氣物質(zhì)在不同類型畜禽舍、不同季節(jié)其成分和含量上具有明顯差異。和豬舍相比，雞舍顆粒物臭氣含量相對(duì)較低，但所吸附的主要臭氣物質(zhì)差異明顯[36]。由于我國(guó)不同地區(qū)氣候多樣，不同牛舍類型內(nèi)顆粒物與臭氣的耦合特征可能存在較大差異，因此，有必要對(duì)奶牛場(chǎng)顆粒物-臭氣進(jìn)行針對(duì)性研究。

2.2.2 顆粒物-微生物耦合

微生物廣泛存在于奶牛場(chǎng)各個(gè)生產(chǎn)要素，包括飼料、糞便、墊料發(fā)酵等，對(duì)于奶牛等反芻動(dòng)物，其反芻和排氣等生理活動(dòng)也是空氣微生物的主要來源，排放到空氣中的微生物大部分以顆粒物作為培養(yǎng)和傳播介質(zhì)，形成生物氣溶膠（Bioaerosol）的主要部分。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)奶牛舍微生物氣溶膠進(jìn)行的研究主要是關(guān)于微生物氣溶膠對(duì)奶牛生產(chǎn)性能、健康水平的影響。Dungan等[37]針對(duì)拴系式奶牛舍進(jìn)行微生物氣溶膠研究，發(fā)現(xiàn)奶牛長(zhǎng)期飼養(yǎng)在該環(huán)境中其呼吸道疾病的傳播速度和發(fā)病率明顯上升；伍清林等[38]認(rèn)為奶牛舍環(huán)境中微生物含量直接影響奶牛乳房炎的發(fā)病率，進(jìn)而可能影響奶牛產(chǎn)奶量。奶牛場(chǎng)顆粒物協(xié)載的微生物成分和濃度隨奶牛場(chǎng)類型、生產(chǎn)節(jié)律、溫濕度等變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[39～41]，我國(guó)冬季奶牛場(chǎng)一般氣載細(xì)菌和真菌數(shù)量濃度分別在1 540～10 487 CFU/m3和169～731 CFU/m3[42]。受輻射、溫濕度變化等影響，奶牛場(chǎng)微生物氣溶膠在傳播過程中，其生物活性存在衰減過程，研究相關(guān)致病微生物的衰減機(jī)制對(duì)于畜禽疫病防控具有重要意義。近年來，關(guān)于不同粒徑范圍顆粒物與微生物耦合關(guān)系及生物多樣性研究在不斷增多，Liu等[43]通過對(duì)荷蘭多種畜禽舍空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒物吸附的細(xì)菌、真菌的數(shù)量和主要微生物種類存在差異，且不同畜種間微生物種類差異明顯。目前，規(guī)?；膛?chǎng)顆粒物與微生物耦合關(guān)系的研究仍然有限，為進(jìn)一步研究奶牛舍顆粒物與微生物的耦合特性，可借助基因測(cè)序和宏基因組學(xué)等生物檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)易引起疾病傳播的有害微生物，探究其在不同粒徑顆粒物上的分布規(guī)律、傳播特性、衰減機(jī)制等。

2.3 擴(kuò)散模型與應(yīng)用

區(qū)別于直接與間接接觸傳播，空氣顆粒物及其承載的臭氣和致病微生物的擴(kuò)散是引起奶牛場(chǎng)空氣污染和疾病感染的重要原因，具有涉及范圍廣，過程復(fù)雜且難以控制等特點(diǎn)。擴(kuò)散模型能夠結(jié)合地形、天氣及排放源的特征等因素來模擬顆粒物對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)的影響，主要用于確定畜禽場(chǎng)污染物擴(kuò)散距離及反演計(jì)算污染源排放率。目前應(yīng)用于畜禽場(chǎng)的顆粒物擴(kuò)散模型主要包括ISC3，AERMOD，CFD和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。AERMOD是一種使用較為廣泛的穩(wěn)態(tài)煙羽模型，它在擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。美國(guó)環(huán)保署于2007年將AERMOD正式替代ISC3作為推薦模型，我國(guó)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—大氣環(huán)境 HJ 2.2—2018》標(biāo)準(zhǔn)中將其作為50 km范圍內(nèi)的推薦模型[44]。多數(shù)研究將AERMOD應(yīng)用于雞與豬場(chǎng)的臭氣、氨氣、硫化氫等氣體的擴(kuò)散模擬[45，46]，部分研究通過AERMOD模型反演計(jì)算肉牛場(chǎng)、雞場(chǎng)的顆粒物排放率等[47，48]，少數(shù)研究通過AERMOD探究奶牛場(chǎng)臭氣、氨氣、顆粒物的擴(kuò)散距離[49，50]。Huang等[49]以24 h內(nèi)PM2.5濃度50 μg/m3為擴(kuò)散邊界濃度，通過AERMOD模擬得到加拿大一奶牛場(chǎng)100 m以外環(huán)境顆粒物濃度均低于50.0 μg/m3，以1.4 mg /m3和14.0 μg/m3作為氨氣和硫化氫的擴(kuò)散邊界濃度，得到了相同結(jié)果。該研究結(jié)果基于178 頭規(guī)模的牧場(chǎng)，采用每月1 次的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果測(cè)算牛舍顆粒物排放率，在研究規(guī)模及采樣方法上無法準(zhǔn)確代表大型牧場(chǎng)的顆粒物擴(kuò)散情況?；谟?jì)算流體力學(xué)的CFD模型適用于場(chǎng)區(qū)的擴(kuò)散模擬[13]，但Hong等[51]得到CFD模型能夠有效預(yù)測(cè)不同氣候條件下豬場(chǎng)臭氣對(duì)外圍的擴(kuò)散情況。Bonifacio等[28]對(duì)比了AERMOD與CFD模型，認(rèn)為兩個(gè)模型對(duì)于風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度的反饋相同，得到AERMOD更適合模擬面源污染物擴(kuò)散情況，但較CFD模型在計(jì)算下風(fēng)向點(diǎn)的濃度時(shí)偏小，且在不同高度處的濃度計(jì)算結(jié)果相同。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投酁椴捎没貧w、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲取的數(shù)學(xué)模型，例如Schauberger等[52]提出的AODM經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ˋustrian Odour Dispersion Model）。Wu等[53]分別用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虯USTAL2000和AODM與AERMOD模擬了北京郊區(qū)一300 頭奶牛場(chǎng)的臭氣擴(kuò)散情況，得到最大擴(kuò)散距離分別為524 m、440 m和655 m，認(rèn)為3個(gè)模型的一致性較好。

3 關(guān)鍵影響因素

探究奶牛舍顆粒物特性的關(guān)鍵影響因素是制定牛舍減排措施的的重要參考依據(jù)。多數(shù)研究表明，影響奶牛舍顆粒物濃度的主要因素包括牛舍建筑結(jié)構(gòu)、牛舍環(huán)境、飼養(yǎng)和管理方式、奶?；顒?dòng)量等，各因素間存在相互作用。

（1）建筑結(jié)構(gòu)

牛舍的建筑結(jié)構(gòu)形式往往能夠反映一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的氣候類型、奶牛飼養(yǎng)和管理方式以及牛舍通風(fēng)狀況。Takai等[10]將英國(guó)、荷蘭、丹麥和德國(guó)4 個(gè)國(guó)家與本國(guó)不同奶牛舍建筑類型作為交叉影響因素進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該交叉因素會(huì)顯著影響牛舍顆粒物濃度水平，且建筑類型對(duì)牛舍顆粒物濃度水平的影響在各國(guó)家表現(xiàn)不同。高玉紅等[27]得到在河北地區(qū)不同牛舍類型在不同季節(jié)的PM2.5與PM10均存在顯著差異，周英昊等[26]認(rèn)為牛舍建筑結(jié)構(gòu)直接影響了牛舍通風(fēng)狀況，進(jìn)而改變牛舍顆粒物水平。

（2）牛舍環(huán)境

影響奶牛舍顆粒物水平的環(huán)境參數(shù)通常包括溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和氨氣濃度等。溫度變化與顆粒物濃度具有正相關(guān)關(guān)系，高溫更容易使飼料粉末、糞末以及塵土懸浮于空中，同時(shí)適宜的溫度會(huì)間接影響奶牛的活動(dòng)量，從而影響顆粒物濃度數(shù)值變化[12]。多數(shù)研究表明，相對(duì)濕度與顆粒物濃度之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，較高的濕度不易使飼料等顆粒物進(jìn)入空氣中，同時(shí)會(huì)促使顆粒物間的相互凝結(jié)，起到降塵作用[10，11]，但也有學(xué)者認(rèn)為，高濕環(huán)境中細(xì)小水滴可能會(huì)增加PM10和PM2.5的濃度[10，11]。自然通風(fēng)方式下，外界風(fēng)速等氣象條件也會(huì)對(duì)顆粒物的日變化規(guī)律產(chǎn)生較大影響，Purdy等在測(cè)量牛場(chǎng)PM10濃度時(shí)發(fā)現(xiàn)每天的7：00-8：00時(shí)間段濃度較高，19：00-20：00濃度較低，這主要受到外界風(fēng)速的影響[24]。

通風(fēng)是調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境狀況的主要方式，增加通風(fēng)量除了能夠降低牛舍顆粒物水平外，也會(huì)向牛舍引入外界的顆粒物，例如Schrade等[22]發(fā)現(xiàn)在秋收季節(jié)，外界顆粒物濃度顯著高于牛舍內(nèi)。當(dāng)牛舍的通風(fēng)量較大時(shí)，過高的風(fēng)速會(huì)增加湍流，進(jìn)而導(dǎo)致地面的顆粒物再次進(jìn)入空氣中，或促使顆粒物長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空中，從而增加牛舍顆粒物濃度[12]。

（3）飼養(yǎng)和管理方式

飼養(yǎng)和管理方式通常指奶牛舍臥床類型、是否配有臥床墊料和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、清糞或喂料方式以及對(duì)應(yīng)的飼喂、更換臥床墊料、擠奶、清糞等過程。Takai等[10]認(rèn)為帶有臥床墊料的牛舍顆粒物濃度更高，但濃度的高低還受到不同墊料類型的影響；運(yùn)動(dòng)場(chǎng)會(huì)減小舍內(nèi)奶牛活動(dòng)的數(shù)量，從而降低牛舍內(nèi)顆粒物濃度[21]。從牛舍顆粒物濃度的變化中可以看到，飼喂和更換臥床墊料過程會(huì)明顯增加牛舍顆粒物濃度水平[12，54]，Nieuwenhuijsen等[55]在探究加州地區(qū)不同農(nóng)業(yè)活動(dòng)過程對(duì)顆粒物的貢獻(xiàn)時(shí)得到，牧場(chǎng)的飼喂過程會(huì)顯著增加顆粒物濃度水平，清糞次之，擠奶最小。奶?；顒?dòng)量的增加可能會(huì)促使牛舍顆粒物濃度增加，Joo等[12]研究發(fā)現(xiàn)奶?；顒?dòng)量與TSP濃度具有正相關(guān)關(guān)系，但與PM2.5和PM10的相關(guān)性較小。

（4）其他

由于顆粒物測(cè)量設(shè)備體積較大，維護(hù)成本高，顆粒物的采樣方法、采樣頻率和周期等因素同樣會(huì)影響顆粒物特性，采用單點(diǎn)和短周期的濃度測(cè)量方式往往無法保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和測(cè)量期間數(shù)據(jù)的代表性。Purdy等[24]通過撞擊原理的高流量順序式采樣器（High-volume Sequential Reference Ambient Air Samplers，RAAS）得到夏季PM10和PM2.5平均濃度低于冬季，但在相同位置處采用激光散射原理的顆粒物測(cè)量?jī)x（DustTrak）測(cè)量得到牛場(chǎng)PM10濃度的季節(jié)性差異不顯著。Schmidt等[21]在測(cè)量不同粒徑顆粒物濃度季節(jié)變化時(shí)得到夏季不同粒徑顆粒物的濃度均高于冬季，認(rèn)為這可能與牛舍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限的數(shù)據(jù)采集時(shí)間有關(guān)，文章僅在夏季和冬季分別采樣10 天，并未進(jìn)行連續(xù)采樣，數(shù)據(jù)缺乏代表性。因此，對(duì)于奶牛舍顆粒物時(shí)間分布規(guī)律的探究建議采用多點(diǎn)連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間采樣方式。

綜上所述，顆粒物的時(shí)間分布規(guī)律在本質(zhì)上是多種因素共同作用的結(jié)果，通常情況下，顆粒物日變化規(guī)律主要受到奶牛節(jié)律和管理方式的影響，呈現(xiàn)白天高，夜晚低，白天波動(dòng)大，峰值較多，夜晚平穩(wěn)的特點(diǎn)，顆粒物季節(jié)變化規(guī)律主要受到奶牛舍通風(fēng)率和管理方式的影響，多呈現(xiàn)顆粒物濃度冬季高、夏季低、顆粒物排放率夏季高、冬季低的規(guī)律，但由于不同氣候區(qū)在牛舍結(jié)構(gòu)、牛群大小、夏冬季環(huán)境管理方式、周邊地區(qū)環(huán)境等因素存在差異，對(duì)顆粒物季節(jié)變化規(guī)律產(chǎn)生影響的主導(dǎo)因素不同，導(dǎo)致研究結(jié)果不盡相同。

4 總結(jié)與展望

在我國(guó)奶牛場(chǎng)規(guī)模化發(fā)展背景下，顆粒物對(duì)奶牛、工作人員和周邊地區(qū)的潛在危害逐漸增加，但目前國(guó)內(nèi)外仍然缺乏系統(tǒng)全面的奶牛舍顆粒物研究，現(xiàn)有研究多基于單點(diǎn)、短周期以及小規(guī)模奶牛場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和模擬結(jié)果，部分研究結(jié)果間差距較大或存在矛盾。此外，受我國(guó)地域廣闊，氣候類型多樣的影響，不同地區(qū)的奶牛養(yǎng)殖類型和方式呈現(xiàn)多樣化，不同類型奶牛舍顆粒物的特性不可一概而論。因此，奶牛舍顆粒物的相關(guān)研究還可以在以下方面進(jìn)行挖掘。

（1）基于多點(diǎn)、長(zhǎng)周期連續(xù)監(jiān)測(cè)的不同類型奶牛舍顆粒物動(dòng)態(tài)特性研究

奶牛舍具有跨度大、管理過程多樣等特點(diǎn)，單點(diǎn)和間歇采樣使得監(jiān)測(cè)結(jié)果代表性不足。因此，借助激光散射等原理的顆粒物傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用多點(diǎn)、長(zhǎng)周期連續(xù)監(jiān)測(cè)方式能夠更加全面的反映牛舍顆粒物的濃度、排放等特性的動(dòng)態(tài)變化特征，量化不同季節(jié)、不同管理措施等對(duì)奶牛舍顆粒物的貢獻(xiàn)。此外，受氣候和牛舍類型等因素的影響，不同氣候和牛舍類型的顆粒物特性仍然需要進(jìn)一步明確。

（2）規(guī)模奶牛場(chǎng)空氣顆粒物與致病微生物、臭氣耦合與傳播研究

顆粒物作為臭氣和微生物的重要載體，隨著奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖規(guī)模的增加，其對(duì)場(chǎng)區(qū)及周邊地區(qū)的環(huán)境威脅不斷增大。通過舍內(nèi)外布點(diǎn)和采樣分析，運(yùn)用熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜、宏基因組學(xué)等檢測(cè)技術(shù)，探究不同通風(fēng)類型牛舍空氣顆粒物與致病微生物、臭氣物質(zhì)在濃度、粒徑分布等特性上的耦合關(guān)系。結(jié)合多元環(huán)境參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建牛舍內(nèi)外空氣顆粒物空氣動(dòng)力學(xué)傳播模型，為規(guī)模化奶牛場(chǎng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制定環(huán)境控制策略提供技術(shù)參考。