張杰，鄭珂，郭笑盈，萬俊鋒，楊敬賀，王巖

（1.鄭州大學生態(tài)與環(huán)境學院，鄭州 450001；2.鄭州大學化工學院，鄭州 450001；3.河南省環(huán)境與資源國際聯(lián)合實驗室，鄭州 450001）

畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，加強對污染源頭的治理。畜禽養(yǎng)殖過程中排放的NH3污染物會與大氣中的酸性氣體反應生成二次無機氣溶膠粒子（如、、等），不僅是產(chǎn)生霧霾的誘因，也影響畜禽的正常生產(chǎn)[1-2]。據(jù)報道禽畜養(yǎng)殖對氨排放貢獻超過50%[3]，研究養(yǎng)殖過程中氣體的NH3逸散規(guī)律具有重要意義。

目前，我國蛋雞產(chǎn)業(yè)處于向集約化和標準化轉(zhuǎn)型的關鍵時期，環(huán)境和疾病問題已成為制約蛋雞高效安全生產(chǎn)的瓶頸[4-5]。蛋雞舍空氣顆粒物、空氣微生物和NH3的排放問題越來越受關注[6-8]。由于氣候條件、飼養(yǎng)管理等方面的差異，現(xiàn)有的國外研究數(shù)據(jù)不能直接反映我國規(guī)?；半u舍空氣污染物的排放量及特征，國內(nèi)對蛋雞舍空氣的研究主要集中在舍內(nèi)環(huán)境，部分在研究蛋雞舍排出空氣凈化技術時開展過少量空氣污染物排放的相關研究[9-11]。總體而言，目前尚缺乏我國典型蛋雞養(yǎng)殖舍NH3的排放特征的基礎數(shù)據(jù)，迫切需要開展本土化的研究。

因此，本研究選擇河南省具有代表性的禹州市某集約化蛋雞養(yǎng)殖舍，該地屬大陸性季風氣候，春季干旱、較多風沙，夏季炎熱、降雨集中，秋季氣爽、日照較長，冬季寒冷、較少雨雪。由于養(yǎng)殖舍NH3的排放與舍內(nèi)溫度及相對濕度相關[12-14]，研究中通過采用快速、準確、多指標的電傳感器原位檢測技術對其秋、冬季節(jié)養(yǎng)殖過程中的NH3排放濃度進行了監(jiān)測與分析，討論了秋冬季節(jié)溫度、濕度對NH3排放量的影響以及生產(chǎn)過程中影響氨排放的主要因素。本研究數(shù)據(jù)將為我國集約化蛋雞舍畜禽養(yǎng)殖NH3排放清單的編制提供基礎參數(shù)，為其后續(xù)氨減排措施的研究提供基礎數(shù)據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗蛋雞舍

研究選定的海蘭褐蛋雞舍長90 m，寬16 m，高9 m，為上下2 層樓結構，每層樓內(nèi)采用5 列4 層全自動設備全封閉式飼養(yǎng)。單層飼養(yǎng)密度為8～10 只·m-2，單棟雞舍設計飼養(yǎng)量10 萬只。為了管理蛋雞，采用分層抱籠式行車6次·d-1的自動機械投喂和自動飲水系統(tǒng)。該雞舍的清糞過程為由自動清糞設備將雞舍內(nèi)累積產(chǎn)生的雞糞轉(zhuǎn)移至雞舍外傳送帶，由傳送帶運輸至有機肥發(fā)酵站資源化處理，雞舍清糞頻率為1次·d-1，傳送帶運輸雞糞過程未做密閉處理。清糞機器工作時長為60 min，隨后需對蛋雞舍進行打掃、消毒等作業(yè)，清糞作業(yè)總時長約1.5 h。

為實現(xiàn)良好的通風效果，雞舍采用負壓縱向通風模式。雞舍的上下2層樓各配備18臺風機，單個風機的直徑138.5 cm，額定功率1.1 kW，標定風量40 000 m3·h-1。因此，整個雞舍由36 臺風機、按照4×9 的整齊排列方式構成通風口墻面。舍內(nèi)有4 塊濕簾，由于本研究在秋、冬季節(jié)，濕簾在研究周期內(nèi)并未工作。尺寸為13.8 m×2.8 m，4 塊全用于側墻橫向通風口。400 盞9 W 自動光照燈泡進行人工每日18 h 補光，時間段為03：00—21：00。

1.2 蛋雞舍NH3濃度和溫濕度的監(jiān)測

如圖1 所示，由于雞舍是縱向通風，在蛋雞舍一直維持正常運轉(zhuǎn)的排氣口負壓風機前2 m 處設置出氣口溫、濕度和氨氣濃度采樣點M1 和M2，采樣點正對風機的中心位置，高度為2.16 m。這一位置的選擇可以采集到具有代表性的排氣口污染物濃度，同時避免了對排氣口氣流產(chǎn)生大的擾動。在蛋雞養(yǎng)殖舍出氣口M1 處和出氣口M2 處分別采用1 臺電化學NH3傳感器，監(jiān)測參數(shù)為NH3（監(jiān)測范圍0～500 mg·m-3，檢測限為0.1 mg·m-3）。

本研究采用電化學傳感器于2022 年9 月—11 月（秋季）、2022 年12 月—2023 年2 月（冬季）對蛋雞舍開展氨排放連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)雞舍外排NH3濃度特征和范圍確定氨氣傳感器參數(shù)，選擇鄭州索旭斯化工科技有限公司N-500型電化學氨氣傳感器。

2 結果與討論

2.1 蛋雞舍NH3排放濃度

秋季養(yǎng)殖舍外排NH3濃度如圖2a～c 所示。整體上看，蛋雞舍出風口處NH3質(zhì)量濃度在0～8.68 mg·m-3之間，平均為4.06 mg·m-3。隨外界氣溫不同，秋季清糞時間在外界氣溫較高時于7 時左右，外界氣溫較低時于10 時左右。根據(jù)監(jiān)測結果，養(yǎng)殖舍NH3排放濃度呈現(xiàn)周期性變化趨勢，養(yǎng)殖舍NH3排放濃度隨清糞過程的啟動開始激增，當清理完成，養(yǎng)殖舍向外界排放氣體中NH3濃度明顯下降。由此判斷，隨著養(yǎng)殖過程中雞糞當日在舍內(nèi)的積累，由于雞糞產(chǎn)生的NH3揮發(fā)導致養(yǎng)殖舍外排氣體中NH3濃度逐漸升高，并且由于夜晚溫度較白天低，出于雞舍內(nèi)需保持溫度恒定的原因雞舍會降低通風量，由此導致舍內(nèi)濕度增加，積累的雞糞更容易排放NH3，因此，通常情況下雞舍外排氣體的NH3濃度在每個清理周期即將開始前的達到最高峰。此時，由于清理周期之前雞糞的大量累積，舍內(nèi)將存積較高濃度的NH3，可能對雞的健康造成影響。此次監(jiān)測周期中的9 月份天氣溫度較高，外排NH3濃度達到秋季中最高，可達8.68 mg·m-3。另外，當某日天氣溫度相較于前一日突然升高時，蛋雞舍外排NH3濃度隨之升高，例如圖2b中10/08至10/10期間和11/25至11/30期間，表明外界溫度的升高將促使雞舍更高的NH3排放；若連續(xù)陰雨天，較高的空氣濕度將高效吸收舍內(nèi)外排氣體中的NH3，使得監(jiān)測點測得的NH3濃度降低，例如圖2b中10/04至10/07期間。

圖2 蛋雞養(yǎng)殖舍秋冬兩季外排氨氣濃度Figure 2 Ammonia concentration in layer chicken farms in autumn and winter

監(jiān)測時間內(nèi)養(yǎng)殖舍冬季外排NH3濃度如圖2d～f所示。冬季蛋雞舍出風口外排氣體中NH3質(zhì)量濃度在0～5.4 mg·m-3之間，平均2.83 mg·m-3；與秋季結果相同，伴隨每日1 次的清糞頻率，雞舍外排NH3濃度呈周期性（1 d）變化。由于氣溫較低，冬季清糞時間為上午10 時左右。由于冬季外界溫度較低，夜間雞舍通風量降低，導致雞舍內(nèi)換氣較慢，易產(chǎn)生NH3積累。同秋季檢測結果規(guī)律相似，雞舍外排NH3濃度在清糞完成后第2 天的凌晨7：00—9：00 時，即此次清糞作業(yè)前達到最大，此時也是雞舍內(nèi)空氣質(zhì)量最有可能對雞群健康造成影響的時段。12/01 至12/07 期間由于天氣溫度急劇升高，對外排NH3濃度影響較大，使得外排NH3濃度達到冬季檢測周期內(nèi)最大值。

選取監(jiān)測周期內(nèi)當日的溫度與秋、冬季中的日平均溫度最接近的一日作為該季的典型日，因此分別選取10月9日和12月13日。蛋雞養(yǎng)殖舍秋冬季節(jié)典型日的外排空氣中NH3濃度的小時變化如圖3所示?？偟膩砜?，養(yǎng)殖舍秋冬季外排空氣中NH3濃度日小時變化均呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢。符合上午蛋雞舍內(nèi)開始往外清糞導致外排氨氣量突增，糞污清理后外排氨氣量驟降，之后隨著舍內(nèi)雞糞的累積導致晚上外排NH3濃度上升的分析。表明現(xiàn)實生產(chǎn)中養(yǎng)殖舍內(nèi)糞污伴隨著清理周期堆積導致氨揮發(fā)量增加、舍外溫度和濕度的變化由于影響風機的開機數(shù)量從而影響雞舍通風量最終共同影響外排氣體中的NH3濃度。

圖3 秋冬季節(jié)蛋雞舍內(nèi)氨濃度典型日內(nèi)小時變化圖Figure 3 Typical intraday hourly variation of ammonia concentration in laying hen coops in autumn and winter

2.2 NH3排放的影響因素

本研究對溫度、濕度兩個主要氣象因子與蛋雞舍的NH3排放的相關性進行分析。

秋冬兩季蛋雞舍溫度和相對濕度晝夜變化趨勢如圖4 所示，符合研究區(qū)域的氣候特征。秋季晝夜溫差相對于冬季較低，養(yǎng)殖舍內(nèi)較易通過調(diào)控風機控制通風量調(diào)節(jié)養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度，因此秋季舍內(nèi)溫度日夜相差不明顯，平均溫度為24.0 ℃；冬季相對于秋季舍內(nèi)外溫差較大，通風量無法做到連續(xù)調(diào)節(jié)，因此舍內(nèi)溫度日夜相差較大，平均溫度為21.4 ℃。秋季舍內(nèi)濕度日夜相差較大，每日平均濕度為52%；冬季舍內(nèi)濕度日夜相差較小，冬季每日平均濕度為46.4%。

圖4 秋冬季蛋雞舍外各月溫度、濕度變化Figure 4 Monthly temperature and humidity changes outside layer houses in autumn and winter

續(xù)圖4 秋冬季蛋雞舍外各月溫度、濕度變化Continued figure 4 Monthly temperature and humidity changes outside layer houses in autumn and winter

舍內(nèi)溫度不僅影響雞只的舒適度及生產(chǎn)能力，而且影響雞舍內(nèi)的NH3濃度及排放速率等。舍內(nèi)溫度升高將促進細菌活動和尿酸酶的活性，使雞糞中更多的向NH3轉(zhuǎn)化，導致NH3大量從糞便向空氣中擴散。因此，集約化養(yǎng)殖舍舍內(nèi)溫度的小幅度波動都將影響NH3從糞便到空氣中的擴散速率。另外，雞舍內(nèi)相對濕度通過影響舍內(nèi)墊料和糞便的濕度，進而影響NH3的排放。因此，本研究對養(yǎng)殖舍排放的NH3濃度與舍內(nèi)溫度、濕度進行相關性分析，結果如圖5所示。

圖5 秋、冬季各月份溫度、濕度與蛋雞舍的氨排放的相關性Figure 5 Correlation between temperature and humidity in autumn and winter and ammonia emissions from laying hen houses

監(jiān)測周期中9 月份溫度最高且濕度最大，引發(fā)養(yǎng)殖舍大量NH3外排。隨著天氣溫度、濕度降低，外排NH3濃度隨之降低。冬季溫、濕度較小，此三個月（圖5d～f）雞舍外排NH3濃度相比秋季整體減少。

為了更清晰得到養(yǎng)殖舍外排NH3濃度與溫濕度的相關性，對圖5 中數(shù)據(jù)做了進一步分析，如圖6 所示。秋、冬兩季雞舍外排NH3濃度與養(yǎng)殖舍溫、濕度的正相關，證明溫度、濕度是養(yǎng)殖舍NH3排放的主要影響因素。

圖6 秋冬季NH3濃度與溫度和濕度相關性Figure 6 Linear correlation between NH3 concentration and temperature and humidity in autumn and winter

2.3 NH3減排對策

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)，養(yǎng)殖舍中糞便堆積和向舍外清理糞便導致的氨揮發(fā)是養(yǎng)殖過程中NH3排放的關鍵因素，也是有效減少畜禽NH3排放的較為經(jīng)濟、相對有效、安全可靠的重要途徑。在不更改目前養(yǎng)殖條件的前提下，保持清糞過程的密閉性將顯著降低蛋雞養(yǎng)殖舍NH3排放。另外，針對養(yǎng)殖舍內(nèi)糞便積累排放出的大量NH3，可以視情況增大畜舍清糞頻率，對養(yǎng)殖舍內(nèi)部溫度和濕度的精準調(diào)節(jié)，或在積糞區(qū)域噴灑酸化劑或活性炭、黏土等吸附劑[15-17]，以降低NH3的排放。

3 結論

（1）在秋季和冬季的監(jiān)測周期，蛋雞舍出風口處外排NH3濃度分別為0～8.68 mg·m-3和0～5.4 mg·m-3。外排NH3濃度隨清糞頻率呈現(xiàn)出當次清糞完成后外排NH3濃度最低，隨后伴隨養(yǎng)殖舍內(nèi)雞糞不斷累積而增加直到下次清糞開始前達到最高外排濃度的周期性變化趨勢。

（2）北方地區(qū)某集約化籠養(yǎng)蛋種雞舍在秋冬季機械通風的條件下，舍內(nèi)溫度、濕度與出風口外排NH3濃度呈正相關關系。

（3）通過改進養(yǎng)殖舍內(nèi)溫度、濕度的精準調(diào)節(jié)和出糞過程的密閉，可顯著減少養(yǎng)殖過程中NH3的直接排放。