大气环境对育肥猪舍内颗粒物浓度的影响*

刘　杨，董红敏，陶秀萍，陈永杏，尚　斌，徐文倩(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京　100081)



大气环境对育肥猪舍内颗粒物浓度的影响*

刘杨，董红敏，陶秀萍**，陈永杏，尚斌，徐文倩
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京100081)

摘要：2014年10月-2015年8月，以北京昌平某猪场3栋育肥猪舍为例，在猪舍内外设置监测点，对猪舍内外空气动力学直径≤2.5µm的颗粒物（PM2.5）、≤10µm的颗粒物（PM10）和≤100µm的颗粒物（TSP）浓度进行周年监测，并将舍外监测数据与昌平国家环境监测数据进行比较分析，以研究探讨大气环境颗粒物浓度对育肥猪舍内环境的影响。试验结果表明，试验期间舍内外PM2.5浓度的变化范围分别为23～245μg×m−³ 和11～372μg×m−³，PM10浓度变化范围分别为113～1182μg×m−³和25～444μg×m−³，TSP浓度变化范围分别为334～4396μg×m−³和31～742μg×m−³。育肥猪舍内PM10和TSP浓度远高于猪舍外，说明育肥猪舍内PM2.5浓度受大气环境的影响，而育肥猪舍内粒径大于2.5µm的颗粒物主要源于养殖生产活动。

关键词：大气环境；育肥猪舍；PM2.5；PM10；TSP

刘杨,董红敏,陶秀萍,等.大气环境对育肥猪舍内颗粒物浓度的影响[J].中国农业气象,2016,37(2):143-148

近年来，中国的大气污染较严重，雾霾天气常现。雾霾中颗粒物和氮氧化物等是最重要的污染物质，其中以颗粒物对公众的健康危害尤甚。2006年中国113个主要城市大气可吸入颗粒物（PM10）污染对居3民健康影响的经济损失高达3414.03亿元[1]，研究表明颗粒物已成为居民第四大健康危害因素[2]。因此，大气中颗粒物研究倍受重视，相关研究对北京雾霾天气中颗粒物的来源、化学组成，季节性变化进行了分析[3-6]，并对中国部分地区持续严重雾霾的形成机理和特点进行了探索[7-9]。

对于规模化养殖而言，尽管动物并非时刻暴露于大气环境中，但是畜禽舍内外不断进行着气体交换，大气环境势必影响畜禽舍内的空气质量，进而影响动物健康和畜产品质量。鉴于畜禽舍颗粒物的危害，国外对畜禽舍内的PM2.5（粒径≤2.5µm的颗粒物）、PM10（粒径≤10µm的颗粒物）和TSP（粒径≤100µm的颗粒物）浓度进行了测定，并对相关颗粒物的舍外传播扩散规律及其减排方法进行了研究[10-16]。国内的相关研究主要集中在畜禽舍内微生物气溶胶以及向大气环境扩散特征和潜在的生物安全风险[17-20]等方面，尚缺乏大气环境对畜禽舍内环境质量影响的研究报道，在当前雾霾多发的环境状况下，大气环境对规模化畜禽养殖环境的影响更是令人担忧。因此，本研究以北京地区某规模猪场育肥猪舍为对象，研究育肥猪舍内颗粒物浓度状况，以及大气环境周年变化对育肥猪舍内颗粒物浓度的影响，以期为规模化猪场舍内环境质量的控制提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验猪舍

试验在北京市昌平区某规模化猪场进行，猪场平面图如图1所示。试验育肥猪舍为双坡有窗结构，风机安置在猪舍南墙，湿帘安装在猪舍北墙，两侧墙均安装玻璃窗。猪舍檐高3m，跨度12m，猪舍依地势而建，长度各不相同但舍内育肥猪的饲养密度基本相同（表1），舍内设双列单走道，走道位于猪舍中部；猪舍地面为全漏缝地板；水泡粪方式清粪。猪舍采用横向机械负压通风，负压风机安装在猪舍南侧墙上，以北侧墙上对应位置2.5m宽×1.2m高的窗户作为进气口（冬季使用屋顶进气口），窗台离地面1.2m，北侧窗户上间隔安装湿帘，风机运行通过温度传感器进行自动控制。试验期间猪日龄均在90～110d。

表1　试验猪舍基本情况Table 1　The basic conditions of the fattening pig barns

1.2测点布置

测点布置如图1所示。育肥猪舍内的监测点设置在中间走道的中部位置，测点的高度为仪器配套PM2.5、PM10和TSP切割头的固定高度，与舍内地面的距离分别为2.0m、1.9m和1.6m。每个猪舍外设置一个监测点，位于猪舍北侧墙中部的窗户（进气口）外，距窗口约0.3m，试验期间PM2.5、PM10和TSP的测点高度也为仪器配套切割头的固定高度，距离地面均为1.7m。

图1　试验猪场平面图及育肥猪舍采样点布置示意图Fig. 1　The schematic layout of trial pig farm and the sampling points of fattening barns

1.3监测指标

监测指标包括PM2.5、PM10和TSP，各指标在3栋猪舍内依次进行监测，每个监测指标连续监测5d，每栋猪舍共监测15d，故完成3栋猪舍监测的总时长为45d。监测分4个季节进行，2014/2015年度秋、冬、春、夏季的起始测试时间分别为2014年9月30日、2014年12月16日、2015年3月13日和2015 年7月16日。

猪舍内监测点采用颗粒物监测仪（TEOM1405，美国产）进行24h自动连续采样，每5min自动记录一次颗粒物浓度。

舍外监测点使用智能中流量TSP采样器（崂应2030，中国青岛产）进行连续采样。试验期间每日8：00、13：00和18：00进行手动采样换膜，用分析天平分别称量监测前后滤膜质量后计数，日均颗粒物浓度数据取3次平均值。为确保数据的准确性和可靠性，从环境保护部数据中心获取中国环境监测总站昌平监测点（简称昌平站）同期的PM2.5和PM10数据，以进行比较，该监测点距离试验猪场14km。

试验所用监测仪器在使用前均经北京市计量检测科学研究院进行检定，结果为合格。

1.4数据分析

猪舍内监测点的颗粒物浓度由仪器直接记录，舍外监测点相关数据通过下式换算

式中，Conc.为颗粒物的浓度（μg×m−³）；Wf为采样结束时滤膜质量（μg）；Wi为采样开始时滤膜质量（μg）；V为仪器记录的采样期间标准空气流量（m3）。

使用SPSS21.0软件进行数据分析并制图，猪舍内外监测数据差异性比较采用双尾t检验方法进行。

2　结果与分析

2.1试验期间猪舍外大气环境颗粒物浓度变化

猪舍外监测点的PM2.5和PM10日均浓度与昌平站的数据如图2所示。由图可见，试验舍外监测点与国家环境监测点的PM2.5和PM10日均浓度变化规律基本一致，两组监测数据的相关系数分别为0.836 和0.600。在监测周期内，猪舍外监测点的PM2.5和PM10日均浓度范围分别为11～372μg×m−³和7～364μg×m−³，而昌平站的对应值分别为25～444μg×m−³ 和5～322μg×m−³。

图2　2014年10月-2015年8月不同季节猪舍外观测点与昌平站日均PM2.5(a)和PM10(b)浓度变化Fig. 2　The daily averaged PM2.5(a) and PM10(b) concentrations at observing point outside the fattening barns and Changping station from October 2014 to August 2015

对于PM2.5日均浓度，猪舍外监测点与昌平站的数据变化规律一致，秋季和冬季均有明显的峰值，春季和夏季则呈波动变化。不论是秋季还是冬季，猪舍外监测点和昌平站的PM2.5日均浓度峰值出现时间一致，秋季峰值出现在2014年10月9日，猪舍外监测点和昌平站的测定值分别为372μg×m−³和364μg×m−³；冬季两个峰值均出现在2015年1月15日和1月23日，猪舍外监测点的测定浓度分别为236μg×m−³和222μg×m−³，昌平站对应值分别为343μg×m−³和228μg×m−³。

对于PM10日均浓度，猪舍外监测点和昌平站的数据变化规律也一致，除秋季出现明显的峰值以外，其它季节均呈波动变化。秋季峰值出现在2014年10 月19日，当日猪舍外监测点和昌平站的PM10日均浓度分别为444μg×m−³和322μg×m−³；其它季节两监测点数据的波动规律基本一致，但猪舍外监测点的测定值高于昌平站，尤以春季和夏季较为明显。

猪舍外监测点的TSP日均浓度如图3所示，环境保护部数据中心没有TSP数据。监测周期内，TSP日均浓度在31～742μg×m−³之间。全年呈波动变化，总体而言，冬季TSP日均浓度最低，其次是春季和夏季，秋季相对较高。

鉴于昌平站缺TSP数据，猪舍外监测点其它粒径颗粒物浓度与昌平站变化规律和浓度范围基本一致，故本研究采用猪舍外监测点的数据进行分析。

图3　2014年10月-2015年8月不同季节猪舍外观测点日均TSP浓度值Fig. 3　The daily averaged TSP concentration at observing point outside the fattening barns from October 2014 to August 2015

2.2试验期间猪舍内空气颗粒物浓度变化

试验期间，育肥猪舍内PM2.5、PM10和TSP日均浓度变化如图4所示。由图可见，猪舍内PM2.5、PM10和TSP日均浓度随观测时间而变化，但变化规律各不相同，其变化范围分别在23～245μg×m−³、113～1182μg×m−³和334～4396μg×m−³。在整个监测周期内，PM2.5日均浓度最大值（245μg×m−³）出现在2015 年1月16日；PM10日均浓度在秋季持续上升，冬季和春季PM10日均浓度各出现2个峰值浓度，冬季的峰值分别为1011μg×m−³和978μg×m−³，春季峰值浓度略高于冬季，分别为1020μg×m−³和1182μg×m−³，但夏季PM10日均浓度始终保持较低浓度状态；猪舍内TSP日均浓度的变化规律与PM10相似，全年最大值出现在春季，达4396 μg×m−³，且秋季、冬季和春季大部分TSP日均浓度值超过1500μg×m−³的国家标准要求[21]。

图4　2014年10月-2015年8月猪舍内PM2.5，PM10和TSP日均浓度Fig. 4　The daily averaged concentration of PM2.5, PM10and TSP inside the fattening barns from October 2014 to August 2015

在整个试验期间，育肥猪舍内TSP日均浓度最高，极显著（P<0.01）高于PM2.5和PM10日均浓度，PM10日均浓度极显著高于PM2.5日均浓度（P<0.01）。

2.3大气环境颗粒物对猪舍内颗粒物浓度的影响

整个试验期间猪舍内外颗粒物浓度如表2所示。由表可见，对于不同粒径颗粒物浓度，不论是猪舍内还是猪舍外，均表现为TSP浓度最高，其次是PM10浓度，PM2.5浓度最低。舍内PM10和TSP浓度均显著高于舍外（P<0.05），分别是猪舍外平均浓度的3.50和4.72倍，舍内、外TSP浓度甚至存在极显著差异（P<0.01），但猪舍内PM2.5浓度略低于猪舍外。

由表2还可见，猪舍内外的PM2.5浓度几乎相等，这与舍内外不同颗粒物浓度之间的相关性（表3）一致，猪舍内外PM2.5浓度之间的相关系数r为0.565，表明猪舍内的PM2.5浓度基本来自于猪舍外，即猪舍外的PM2.5浓度对猪舍内的PM2.5浓度有直接影响；猪舍内的PM2.5浓度与猪舍外TSP浓度之间也存在一定的相关性（r=0.322），结合表2和表3可以推断，猪舍外的TSP对猪舍内的颗粒物的贡献主要是通过PM2.5实现的；猪舍外颗粒物浓度与猪舍内PM10和TSP之间的相关性均很弱。

表2 试验期间猪舍内外不同颗粒物浓度（μg×m−³，平均值±均方差）Table 2 The particulate matter concentration of inside and outside the fattening barns during the test period(μg·m−³, mean±SD)

表3 猪舍内外不同颗粒物浓度的相关系数（r）Table 3 The correlation(r) between particulate matter concentration inside and outside the fattening barns among different seasons

3　结论与讨论

3.1讨论

猪舍外监测点的PM2.5和PM10日均浓度普遍高于国家环境监测昌平站，但冬季例外，其原因可能跟猪舍外监测点与昌平站所处的地理位置有关，猪舍外监测点所处的位置在昌平区南口镇范围内，周围1km范围内有村庄和工厂，地理环境条件决定该地区大气的扩散条件不理想，人类活动可能是导致猪舍外监测点PM2.5和PM10浓度高于昌平站的原因；另外，北京冬季多风，且昌平南口地处北京的风口，有利于颗粒物扩散，因而冬季有时出现猪舍外监测点颗粒物浓度低于昌平站的情况。如果在同时同地监测，PM10的浓度数据应该大于PM2.5，但是试验监测期间，猪舍外监测点和昌平站秋季和冬季的PM2.5平均浓度均高于PM10，可能是由于仪器条件有限，猪舍外监测点PM2.5和PM10浓度不是同步测定，不同时段的误差导致，尽管昌平站也出现秋季和冬季PM2.5平均浓度均高于PM10的情况，但由于对其监测方法不了解，其原因还有待探究。

舍外试验仪器对颗粒物监测原理是利用膜使用前后的质量差和标准体积换算的，高湿环境可能使监测用膜受潮从而影响仪器监测数据的准确性，尤其是雨天对户外监测的影响较大，本试验监测期间的2015年夏季雨水较多，雨天舍外的颗粒物监测值异常，因而本研究出现夏季监测数据较少的情况。

监测数据表明，猪舍内的PM10和TSP浓度远高于舍外，因而舍外的PM10和TSP对舍内颗粒物的影响甚微，据此可以推断，猪舍内的PM10和TSP主要是养猪生产过程产生的，如喂料、猪只活动以及猪舍清扫等，但猪舍内的PM2.5主要来自舍外，即猪舍外的PM2.5可通过通风换气进入猪舍，从而影响动物健康，所以，为防止雾霾天气对猪只健康的影响，对猪舍进气进行净化过滤应重点针对PM2.5颗粒物；猪舍内的颗粒物控制则应重点关注粒径大于2.5µm的颗粒物，以提高猪舍环境质量控制效果。

3.2结论

（1）北京地区育肥猪舍外周年PM2.5浓度在11～372μg×m−³，PM10浓度为25～444μg×m−³，TSP浓度为31～742μg×m−³。

（2）育肥猪舍内PM2.5浓度在23～245μg×m−³，PM10浓度为113～1182μg×m−³，TSP浓度为334～4396μg×m−³。

（3）育肥猪舍内的PM2.5颗粒物浓度受大气环境的影响；但育肥猪舍内粒径大于2.5µm的颗粒物主要源于养殖生产活动。

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Effects of Atmospheric Environment on the Particulate Matters in the Fattening Pig Barns

LIU Yang, DONG Hong-min, TAO Xiu-ping, CHEN Yong-xing，SHANG Bin, XU Wen-qian
（Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation & Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081,China）

Abstract：Measurement points were set inside and outside the barns to monitor PM2.5(diameter of particulate matter ≤2.5µm), PM10(diameter of particulate matter ≤10µm) and TSP(diameter of particulate matter ≤100µm ) concentrations on a swine farm in Changping, suburb Beijing for a full year（2014-09-30 to 2015-08-29）. Comparison and statistical analysis of the monitoring results were done with data from the Changping national environmental monitoring station. Results showed that the concentration ranges of PM2.5inside and outside the barns were 23-245μg·m-³ and 11-372μg·m-³, respectively, PM10were 113-1182μg·m-³ and 25-444μg·m-³, respectively, and TSP were 334-4396μg·m-³ and 31-742μg·m-³, respectively. The concentrations of PM10and TSP inside the barns were much higher than that outside. The concentration of PM2.5inside the pig barns was mostly influenced by the atmospheric environment, but the particulate matters larger than 2.5μm mostly came from the breeding process.

Key words：Atmospheric environment; Fattening pig barns; PM2.5; PM10; TSP

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.003

* 收稿日期：2015-11-26**通讯作者。E-mail：taoxiuping@caas.cn

基金项目：国家科技支撑计划（2013BAD21B02）

作者简介：刘杨（1991-），硕士生，从事猪舍环境控制技术研究。E-mail：liuyang@cau.edu.cn