李永振 ，方志偉 ，魯煜建 ，梁 超 ,3，施正香 ,3，王朝元 ,3※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,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

規(guī)?；膛Ｉ醿?nèi)會不斷產(chǎn)生和聚集包括顆粒物（particulate matter,PM）在內(nèi)的大量空氣有害物質(zhì)[1-3]。人員和奶牛長時間暴露在高濃度顆粒物環(huán)境中容易引發(fā)呼吸道感染和疾病傳播等健康問題，影響生產(chǎn)效益[4-6]；顆粒物排放到舍外后對場區(qū)周邊環(huán)境造成污染，易引起投訴事件等[7-9]。因此，對奶牛舍顆粒物濃度水平進行精準監(jiān)測和科學評估至關(guān)重要。但由于自然通風奶牛舍空間大、舍內(nèi)環(huán)境變化復雜，對環(huán)境監(jiān)測布點提出了更高要求，如何通過盡可能少且科學的測點布置和成本投入來客觀反映牛舍顆粒物濃度水平，充滿挑戰(zhàn)。

目前關(guān)于奶牛舍顆粒物濃度的采樣監(jiān)測研究，主要通過單一布點或均勻布點的方式來衡量整舍濃度水平。但布點數(shù)量和位置的不同往往造成監(jiān)測結(jié)果存在較大差異。JOO 等[10]通過在牛舍中央屋頂通風口下方布置1 個顆粒物濃度采樣點，測得PM2.5與PM10平均濃度分別為67.8、557 μg/m3。而KAASIK 等[11]以均勻?qū)ΨQ的布點方式（8～13 個測點）在牛舍不同功能區(qū)進行采樣，得到PM2.5與PM10濃度分別為18、65 μg/m3，與前者結(jié)果相差數(shù)倍。另外，不同功能區(qū)測點之間的濃度也可能存在較大差異，說明顆粒物濃度在舍內(nèi)空間分布差異較大。此外，盡管部分研究嘗試對顆粒物濃度測點進行更加科學地布置[11-13]，但受制于采樣設(shè)備成本和缺乏有效的監(jiān)測系統(tǒng)，無法實現(xiàn)顆粒物濃度的多點連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測，因而無法獲得大批量數(shù)據(jù)以科學地進行測點優(yōu)化。

近年來，基于傳感器監(jiān)測的測點優(yōu)化方法在城市大氣環(huán)境、土壤元素監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛運用[14-16]，包括聚類法、數(shù)學統(tǒng)計、誤差分析等。其中系統(tǒng)聚類法主要根據(jù)離差平方和確定類間距，對數(shù)據(jù)進行類別劃分并創(chuàng)建聚類系譜圖，與其他方法相比，其分類結(jié)果直觀、適合大批量數(shù)據(jù)處理，結(jié)合誤差分析法對不同分類進行監(jiān)測誤差比較，從而篩選最優(yōu)結(jié)果，在前人研究中取得較好的應用效果。如董海燕等[17]利用聚類法將天津市大氣降塵監(jiān)測點位數(shù)由32 優(yōu)化為24 個；賴錫柳[18]將聚類與百分位數(shù)法結(jié)合確定出蘭州新區(qū)6 個空氣質(zhì)量監(jiān)測點位，檢驗結(jié)果滿足誤差要求。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣，基于傳感器技術(shù)的環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅使采樣成本大幅降低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境多點連續(xù)準確監(jiān)測，實時獲取海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足畜禽舍環(huán)境測點數(shù)量和位置優(yōu)化要求。

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建自然通風奶牛舍環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對牛舍顆粒物濃度進行多點連續(xù)監(jiān)測以獲取“真值”，分析顆粒物空間分布規(guī)律，運用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法優(yōu)化測點數(shù)量與位置，并結(jié)合傳統(tǒng)布點特點，確定最優(yōu)顆粒物濃度測點方案。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍與飼養(yǎng)管理

試驗于2021 年9 月至2022 年3 月在江蘇省鹽城市某規(guī)?；膛龅? 棟大型自然通風泌乳牛舍中進行（圖1）。牛舍采用雙坡式可活動屋面和鐘樓屋頂結(jié)構(gòu)，屋脊東西走向，尺寸為750 m（長）×30 m（寬）×4 m（檐高）。舍內(nèi)共劃分6 個飼養(yǎng)單元，4 列散欄牛床對頭式布置，共飼養(yǎng)荷斯坦奶牛約1 200 頭。臥床與飼喂通道兩側(cè)上方分別安裝一定數(shù)量擾流風機，頸夾上方安裝有噴淋裝置，用于不同季節(jié)舍內(nèi)環(huán)境調(diào)控。舍內(nèi)共有2 段擠奶通道，將牛舍均分為3 個相對獨立的飼養(yǎng)區(qū)域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），各區(qū)域間奶牛數(shù)量與飼養(yǎng)管理相同。

圖1 試驗奶牛舍與顆粒物濃度采樣點布置Fig.1 The experimental dairy barn and layout of particulate matter (PM) concentration sampling points

奶牛舍每日05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00進行擠奶，期間進行全混合日糧（total mixed rations,TMR）飼喂、機械推料、推糞車清糞、牛床墊料補充與翻耕等機械操作。牛舍以自然通風為主，根據(jù)舍內(nèi)溫度變化進行環(huán)境調(diào)控，當舍內(nèi)日平均溫度超過16 ℃時開啟風機，當日平均溫度超過25 ℃開啟噴淋系統(tǒng)。試驗期間，牛舍主要處于秋冬季節(jié)，舍內(nèi)溫度范圍-6.8～31.6 ℃、相對濕度范圍22.7%～99.9%。隨著舍外溫度降低，牛舍先后采取風機與噴淋開啟（EC1）、風機開啟與噴淋關(guān)閉（EC2）、風機與噴淋關(guān)閉（EC3）等3 種環(huán)控措施。這3 種工況對舍內(nèi)顆粒物濃度分布可能產(chǎn)生影響[19]，因此分別針對不同環(huán)控措施進行數(shù)據(jù)分析。

1.2 顆粒物濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.2.1 監(jiān)測設(shè)備

試驗期間，通過顆粒物濃度在線監(jiān)測設(shè)備PCMU(particulate concentration monitoring unit)對牛舍顆粒物濃度（TSP、PM2.5）進行連續(xù)在線監(jiān)測。該設(shè)備由控制板、顆粒物濃度傳感器、時鐘模塊、數(shù)據(jù)儲存卡和設(shè)備外殼組成。其中2 個顆粒物濃度傳感器均基于激光散射原理分別測量TSP（SDS198，諾方電子技術(shù)有限公司，河南）和PM2.5濃度（PMS5003，攀滕科技有限公司，北京），傳感器遵循串口通訊協(xié)議為9 600 8N1（波特率9 600 bps，數(shù)據(jù)位：8，校驗位：無，停止位：1），具體性能參數(shù)見表1。設(shè)備運行時采樣頻率為1 min，每5 min 通過4G 網(wǎng)絡(luò)自動上傳平均濃度數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。

表1 顆粒物濃度傳感器性能參數(shù)Table 1 Technical specifications of PM concentration sensors

1.2.2 采樣點布置

分別在牛舍3 個飼養(yǎng)區(qū)域內(nèi)共布置17 個顆粒物濃度監(jiān)測點（圖1b），包括在區(qū)域Ⅰ布置5 個采樣點（P1～P5），其中P3 點位于屋頂通風口下方1.0～2.0 m 位置（距地面高度約9.0 m），其他采樣點均位于臥床上方；在區(qū)域Ⅱ布置6 個采樣點（P6～P11），分別位于擠奶通道（P6、P11）、飼喂通道（P7、P10）、采食通道（P8）和清糞通道（P9）；在區(qū)域Ⅲ布置6 個采樣點（P12～P17），均位于臥床上方。牛舍內(nèi)除P3 測點外，其他測點高度均為2.5 m。

此外，為探究顆粒物濃度在舍內(nèi)不同高度分布差異，于2022 年2 月23 日至3 月10 日期間分別在P2 和P5 測點位置額外設(shè)置1.5 m 高度顆粒物濃度測點，以對比1.5、2.5 m（P2 與P5 測點）和9.0 m（P3 測點）高度顆粒物濃度分布規(guī)律。測試期間牛舍處于EC2 環(huán)控條件。

1.3 顆粒物測點數(shù)量和位置優(yōu)化方法

將奶牛舍17 個監(jiān)測布點平均數(shù)據(jù)作為顆粒物濃度監(jiān)測真值，利用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法對牛舍顆粒物濃度數(shù)據(jù)進行處理，得到不同環(huán)控措施下顆粒物濃度優(yōu)化采樣點數(shù)量與位置組合。

1.3.1 系統(tǒng)聚類

在EC1、EC2、EC3 的3 種環(huán)控措施下，基于不同監(jiān)測點數(shù)據(jù)離差平方和確定不同類之間距離，計算見式（1），根據(jù)類內(nèi)與合并成新類的離差平方和大小得到系統(tǒng)聚類譜系圖，并根據(jù)聚類系數(shù)和譜系圖確定最優(yōu)類別數(shù)，進而確定不同監(jiān)測區(qū)域TSP 和PM2.5濃度采樣點聚類結(jié)果。

1.3.2 誤差分析

對每種聚類結(jié)果進行誤差分析，選擇均值相對誤差和百分數(shù)相對誤差（30%、50%、80%和90%）作為誤差評價指標，計算不同測點組合與真值之間的誤差，篩選出誤差均小于10%的組合作為優(yōu)化測點方案組合。其中均值相對誤差（式（2））表示數(shù)據(jù)樣本間總體差異，百分數(shù)相對誤差（式（3））反映兩組數(shù)據(jù)之間分布與變化趨勢差異。通過計算不同監(jiān)測點組合誤差絕對值之和（式（4）），選擇其中誤差最小的方案作為牛舍顆粒物濃度監(jiān)測點數(shù)量和位置優(yōu)化方案。

1.3.3 優(yōu)化方案與傳統(tǒng)布點方案對比

由于傳統(tǒng)布點方案具有布點規(guī)則、易操作等特點，本研究在已有監(jiān)測布點的基礎(chǔ)上選擇6 種傳統(tǒng)布點方案（表2）進行誤差分析。在不同環(huán)控措施下，綜合比較優(yōu)化布點與傳統(tǒng)布點在監(jiān)測精度、成本與可操作性等方面優(yōu)缺點，提出自然通風奶牛舍顆粒物濃度最優(yōu)測點方案。

表2 傳統(tǒng)顆粒物濃度布點方案描述Table 2 Description of regular PM concentration sampling schemes

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)清洗主要包括：1）剔除超過傳感器量程粗大誤差；2）利用箱型圖剔除數(shù)據(jù)分布異常值；3）有研究表明當外界天氣處于霧霾狀態(tài)時（大氣環(huán)境指數(shù)（air quality index）,AQI＞100），對畜禽舍內(nèi)顆粒物濃度分布可能造成干擾[20]，因此本研究剔除AQI＞100 時對應時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗，得到數(shù)據(jù)集中包括TSP 和PM2.5濃度數(shù)據(jù)各85 萬條，數(shù)據(jù)種類包括時間序列、監(jiān)測設(shè)備序列號、TSP 和PM2.5濃度，其中TSP 與PM2.5濃度數(shù)據(jù)頻率分布四分位數(shù)分別為57.9、28.0 μg/m3，82.5、44.0 μg/m3，119.5、66.3 μg/m3。

對清洗數(shù)據(jù)進行重采樣和類型劃分，利用Spearman非參數(shù)檢驗和線性回歸分析顆粒物濃度在牛舍分布規(guī)律，并通過方差分析對比不同數(shù)組間差異顯著性。綜合系統(tǒng)聚類和誤差分析得到優(yōu)化監(jiān)測布點方案。試驗結(jié)果表現(xiàn)形式為：平均值±標準差。利用Python（3.7）和Microsoft Excel（2016）軟件進行數(shù)據(jù)清洗、分析、作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛舍顆粒物濃度均勻性分析

為了探究牛舍顆粒物濃度監(jiān)測布點是否滿足優(yōu)化條件，分別針對牛舍不同監(jiān)測區(qū)域和監(jiān)測高度進行顆粒物濃度分布規(guī)律分析。

2.1.1 不同監(jiān)測區(qū)域顆粒物濃度分布

試驗期間舍內(nèi)顆粒物濃度變化及3 種環(huán)控措施下3 個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)試驗期間顆粒物平均濃度如表3、圖2所示。

表3 不同環(huán)控措施下各監(jiān)測區(qū)域顆粒物濃度均值Table 3 The average particulate matter concentration in the three sections of the barn under different environmental controls(μg·m-3)

圖2 試驗期間舍內(nèi)TSP 和PM2.5 濃度日均值變化Fig.2 Daily mean variation of TSP and PM2.5 concentration inside the dairy barn during the experiment

整體而言，3 個監(jiān)測區(qū)域顆粒物在監(jiān)測期間平均濃度分別為92.1、86.7、88.7 μg/m3（TSP）、48.2、46.5、48.2 μg/m3（PM2.5），未表現(xiàn)出顯著差異（P＞0.05）；TSP 和PM2.5濃度變化規(guī)律一致，隨著舍外溫度降低和牛舍密閉性增加，舍內(nèi)顆粒物濃度呈上升趨勢（圖2）。通過對不同區(qū)域顆粒物濃度進行線性回歸分析（圖3），發(fā)現(xiàn)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（其中TSP：R2分別為0.70，0.75，0.72；PM2.5：R2分別為0.88，0.98，0.85；P＜0.01）。說明測量期間奶牛舍顆粒物濃度在3 個監(jiān)測區(qū)域分布較為均勻，這與監(jiān)測區(qū)域間相同的飼養(yǎng)管理方式、奶牛存欄量等有關(guān)；同時3 個區(qū)域空間相連，具有較好的環(huán)境一致性。因此，適合將3 個區(qū)域作為一個整體進行奶牛舍顆粒物濃度測點優(yōu)化。

圖3 不同監(jiān)測區(qū)域顆粒物濃度相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of PM concentration among the three sections of the barn

2.1.2 不同監(jiān)測高度顆粒物濃度分布

分別選擇Ⅰ區(qū)域內(nèi)P2、P3、P5 采樣點監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比距地面1.5、2.5 m 高度和屋頂通風口下方距地面9.0 m高度上顆粒物濃度分布。監(jiān)測期間不同高度顆粒物平均濃度對比如圖4 所示，其中TSP 濃度在1.5 和2.5 m 高度無明顯差異，均顯著高于屋頂通風口下方距地面9.0 m高度濃度（P＜0.05）；而PM2.5在不同高度上濃度無顯著差異（P＞0.05）。粗顆粒物由于受重力影響大，隨舍內(nèi)氣流上升高度有限，造成超過一定高度后濃度明顯下降的現(xiàn)象，而細顆粒物在空氣中懸浮時間長，在舍內(nèi)垂直方向上分布更加均勻。因此，考慮到總體測點高度情況，對于TSP 而言，在2.5 m 高度監(jiān)測的同時對屋頂通風口下方位置進行監(jiān)測能夠更加客觀反映舍內(nèi)濃度分布；對于PM2.5，2.5 m 高度能夠滿足濃度監(jiān)測需求。同時，相同采樣高度上不同采樣點之間也存在差異情況（P2、P5），說明在不同高度上進行多點監(jiān)測對于有效反映舍內(nèi)濃度水平具有必要性。

圖4 試驗期間不同采樣高度平均顆粒物濃度Fig.4 Mean particulate matter concentration between different sampling heights during the experiment

目前，關(guān)于自然通風奶牛舍顆粒物濃度空間分布研究主要集中在舍內(nèi)外和舍內(nèi)不同功能區(qū)層面對比。水平方向上，多數(shù)研究主要對比顆粒物濃度在舍內(nèi)不同功能區(qū)分布。MOSTAFA 等[21]通過對牛舍不同位置顆粒物濃度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)奶?；顒訁^(qū)域TSP 濃度較高，而PM2.5濃度在不同位置分布較為均勻；ZHAO 等[22]在測量了美國俄亥俄州奶牛舍內(nèi)8 個不同位置后，認為舍內(nèi)空氣環(huán)境在空間分布上差異有限，部分位置之間顆粒物濃度差異可能是不同管理方式造成的，該結(jié)果與本研究相似。目前還缺乏對同一牛舍不同相對獨立區(qū)域的濃度對比，這與不同研究中牛舍類型和研究目的有關(guān)。垂直方向上，目前多數(shù)研究在奶牛舍空氣環(huán)境監(jiān)測時選擇采樣高度范圍在1.5～2.5 m[23-24]，既保證采樣點在動物和人體高度水平，又防止采樣設(shè)備被奶牛活動干擾破壞。目前仍缺乏針對牛舍空氣環(huán)境采樣高度的系統(tǒng)研究，有研究認為采樣點距地面＜1.5 m 高度時，氣溶膠顆粒物濃度與高度無直接關(guān)系[25]。本研究中顆粒物濃度在1.5 和2.5 m 高度處相當，但為了有效衡量顆粒物濃度在整舍分布情況，2.5 m采樣高度仍無法滿足要求。尤其對于TSP濃度監(jiān)測，在屋頂通風口下方布置采樣點是必要的，也有部分研究只通過監(jiān)測屋頂通風口處顆粒物濃度以代表舍內(nèi)整體水平，這在一定程度上不能客觀反映牛舍真實濃度水平，尤其對于粗顆粒物濃度。

2.2 牛舍顆粒物濃度測點數(shù)量和位置優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)聚類方法，得到不同環(huán)控措施下3 個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)顆粒物濃度監(jiān)測點數(shù)量和位置聚類結(jié)果（表4）。結(jié)果表明，TSP 與PM2.5濃度監(jiān)測點數(shù)量經(jīng)過聚類分析后可由原5～6 個采樣點聚類為2～3 個采樣點。其中區(qū)域Ⅰ和Ⅲ內(nèi)，TSP 聚類后的測點數(shù)量高于PM2.5，而在區(qū)域Ⅱ內(nèi)規(guī)律表現(xiàn)不一致，這可能與牛舍不同功能區(qū)顆粒物排放強度差異有關(guān)，區(qū)域Ⅰ與Ⅲ內(nèi)顆粒物監(jiān)測點多數(shù)布置在奶牛臥床上方，而牛床墊料是粗顆粒物的重要排放源[26]，造成在該區(qū)域內(nèi)TSP 濃度較高，且濃度變化易受奶?；顒雍惋曫B(yǎng)管理影響；而區(qū)域Ⅱ內(nèi)監(jiān)測點位于舍內(nèi)不同功能分區(qū)，其中擠奶通道和飼喂通道是細顆粒物潛在排放區(qū)域[13]，造成PM2.5濃度在該區(qū)域內(nèi)波動較大。此外，Ⅰ區(qū)域內(nèi)除EC1，其他環(huán)控措施下屋頂通風口（P3）監(jiān)測點均單獨聚為一類，反映出屋頂通風口下方位置監(jiān)測必要性。Ⅱ區(qū)域內(nèi)擠奶通道位置布點在EC1 和EC3 環(huán)控措施下均被單獨聚為一類，說明該功能區(qū)監(jiān)測具有必要性。

表4 不同環(huán)控措施下各區(qū)域顆粒物濃度測點系統(tǒng)聚類結(jié)果Table 4 The clustering results of particulate matter concentration sampling points in parts Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ of the barn with different environmental controls

對以上不同區(qū)域的聚類結(jié)果進行誤差分析，根據(jù)不同布點組合誤差絕對值之和大小，得到不同環(huán)控措施下顆粒物濃度優(yōu)化布點方案（表5）。優(yōu)化后對TSP 和PM2.5在不同環(huán)控措施下的監(jiān)測誤差絕對值之和范圍分別為6.4%～22.6%、4.7%～14.2%。其中在EC2 條件下顆粒物（TSP 與PM2.5）濃度監(jiān)測誤差相對較小，在擾流風機開啟情況下，舍內(nèi)氣流速度增加，顆粒物沉降和對外擴散速率增加[27]，顆粒物濃度水平較低且分布均勻，使監(jiān)測準確性提高；而在另外2 種環(huán)控措施下，受噴淋系統(tǒng)局部降塵作用、奶牛活動和機械操作影響，舍內(nèi)不同區(qū)域顆粒物排放差異、濃度分布不均且波動明顯[21,28]，造成監(jiān)測誤差升高。整體上，TSP 濃度測點數(shù)量優(yōu)化后略多于PM2.5，與聚類分析結(jié)果一致。同時，發(fā)現(xiàn)不同環(huán)控措施下的顆粒物濃度優(yōu)化測點需要在擠奶、飼喂通道等位置布置，這也與不同功能區(qū)顆粒物排放差異有關(guān)。

表5 不同環(huán)控措施下牛舍顆粒物濃度優(yōu)化測點方案Table 5 Optimized PM concentration sampling schemes of the barn under different environmental controls

2.3 優(yōu)化布點與傳統(tǒng)布點比較

在不同環(huán)控措施下對已選擇的6 種傳統(tǒng)布點方案進行誤差分析，根據(jù)布點數(shù)量多少得到傳統(tǒng)方案與優(yōu)化方案顆粒物濃度監(jiān)測誤差變化趨勢，如圖5 所示。整體而言，傳統(tǒng)布點形式隨著監(jiān)測點數(shù)量增加，其監(jiān)測誤差整體呈下降趨勢，說明多點監(jiān)測對于準確反映舍內(nèi)顆粒物濃度水平具有重要意義，這也與相關(guān)研究結(jié)果一致[29-30]。6 種傳統(tǒng)布點方案監(jiān)測誤差均高于優(yōu)化方案，體現(xiàn)出優(yōu)化布點在監(jiān)測準確性和科學性方面優(yōu)勢，但不同環(huán)控措施下獲得最小誤差的顆粒物監(jiān)測點數(shù)量和位置也不盡相同，增加了實際操作難度。此外，從誤差趨勢變化可以看出，在傳統(tǒng)布點中，TSP、PM2.5濃度分別從監(jiān)測方案3（3 個測點）和方案2（2 個測點）開始，其監(jiān)測誤差下降趨勢明顯減緩，且整體誤差與優(yōu)化方案相近，說明部分傳統(tǒng)方案在測點數(shù)量有限情況下同樣可取得較好的監(jiān)測準確度，從控制監(jiān)測成本、增加可操作性角度考慮，可適當減少顆粒物監(jiān)測點數(shù)量。

圖5 不同環(huán)控措施下傳統(tǒng)方案與優(yōu)化方案誤差變化趨勢Fig.5 Change of PM concentration monitoring errors for regular monitoring methods and optimized method with different environmental controls

單點或多點的傳統(tǒng)規(guī)則布點是目前自然通風奶牛舍顆粒物濃度監(jiān)測的主要方法，其中在屋頂通風口下方的單點測量在相關(guān)研究中較為常見[10,13,31]，這種布點方式容易操作，但忽略了顆粒物在牛舍其他空間位置的分布情況，造成監(jiān)測結(jié)果與其他研究之間差異較大。JOO 等[10]以單點方式通過TEOM 連續(xù)監(jiān)測了牛舍TSP 和PM10濃度，得到監(jiān)測期間平均濃度分別為65 和18 μg/m3，其結(jié)果與同樣為單測點布置的WINKEL 等[31]研究相差數(shù)倍。監(jiān)測結(jié)果差異不僅與測點數(shù)量與位置有關(guān)，還受其他因素影響，如氣候、牛舍結(jié)構(gòu)、飼養(yǎng)規(guī)模等。也有部分研究為了提高監(jiān)測結(jié)果的準確性，以舍內(nèi)均勻布點的方式增加顆粒物測點數(shù)量，KAASIK 等[11]在牛舍最多布置13 個顆粒物采樣點以衡量其平均濃度，但測點位置大多位于清糞通道和飼喂通道，無法科學反映牛舍其他功能區(qū)域顆粒物分布情況，而且監(jiān)測成本和操作難度增加。因此，對自然通風奶牛舍顆粒物濃度的科學有效監(jiān)測需要綜合考慮其監(jiān)測準確性和可操作性。

為了對設(shè)置有屋頂通風口的大型自然通風奶牛舍內(nèi)顆粒物濃度進行實時精準監(jiān)測，本研究綜合考慮了優(yōu)化布點方案的科學性和傳統(tǒng)布點方案的易操作性，確定的最優(yōu)方案為：在奶牛舍中央屋頂通風口下方1.0～2.0 m處布置1 個測點，在奶牛臥床上方2.5 m 高度處設(shè)置2個測點，上述3 個測點按奶牛舍斜對角線布置，其中通風口下方的測點居中；另外，在擠奶、飼喂、清糞通道上方2.5 m 高度處各布置1 個測點。該方案共計6 個測點，可以兼顧顆粒物濃度監(jiān)測的準確性和經(jīng)濟性。為了比較最優(yōu)方案與其他測點方案，基于最優(yōu)方案中的布點條件，在本研究所有測點中選擇P2、P3、P5、P7、P9、P11 測點組合作為比較案例，經(jīng)過誤差分析，得到該組合在3 種環(huán)控措施下對于TSP 和PM2.5濃度監(jiān)測的誤差絕對值之和范圍分別為9.6%～24.9%、6.5%～12.3%，在測點數(shù)量由17 個篩減為6 個的情況下，其監(jiān)測準確性與優(yōu)化測點方案（表5）相近，大幅度減少實際監(jiān)測成本和數(shù)據(jù)處理量；與傳統(tǒng)方案相比，最優(yōu)方案通過在舍內(nèi)不同高度和功能區(qū)進行針對性布點，能夠更加客觀反映顆粒物在舍內(nèi)分布情況，且降低實際操作難度。

3 結(jié)論

本研究通過構(gòu)建自然通風奶牛舍顆粒物濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，以舍內(nèi)17 個測點平均濃度為相對真值，利用系統(tǒng)聚類和誤差分析方法確定最適顆粒物濃度測點方案，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1）測試期間牛舍3 個區(qū)域顆粒物濃度無顯著差異（P＞0.05）且各區(qū)域濃度相關(guān)性顯著（P＜0.01）；除總懸浮顆粒物（total suspended particle,TSP）在屋頂通風口下方位置濃度顯著低于1.5 和2.5 m 高度外（P＜0.05），TSP 和PM2.5濃度在各采樣高度上無顯著差異（P＞0.05）。

2）基于系統(tǒng)聚類和誤差分析確定的不同環(huán)控措施下優(yōu)化測點數(shù)量和位置，對TSP 和PM2.5監(jiān)測誤差絕對值之和范圍分別為6.4%～22.6%、4.7%～14.2%，均低于其他6 種傳統(tǒng)布點方案。

3）結(jié)合優(yōu)化方案監(jiān)測準確性和傳統(tǒng)方案易操作性等特點，確定帶屋頂通風口的自然通風奶牛舍顆粒物濃度最優(yōu)測點方案（共計6 個測點）：在奶牛舍中央屋頂通風口下方1.0～2.0 m 處布置1 個測點，在奶牛臥床上方2.5 m 高度處布置2 個測點，上述3 個測點按奶牛舍斜對角線進行布置；另外，分別在擠奶、飼喂、清糞的3 個通道上方2.5 m 高度處各布置1 個測點。