不同养殖阶段猪舍氨气和颗粒物污染特征及其动态

许 稳，刘学军，孟令敏，郑 鲲

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

氨气（NH3）和颗粒物污染已成为全球畜牧业主要的环境问题之一[1]。人和动物长期暴露在高浓度的NH3和颗粒物环境中，容易导致呼吸道疾病的发生，如慢性咳嗽、慢性支气管炎、过敏反应和哮喘等[2]。此外，NH3和颗粒物均是主要的大气污染物，可引起一系列的生态环境负面效应：大量的NH3排放到大气，会通过大气干湿沉降过程返回到地表，进而引起一系列的环境问题，如水体富营养化、土壤酸化、生物多样性减少，且影响生态系统的稳定性[3-4]；畜禽舍内颗粒物的排放不仅会恶化周边空气质量，影响周边居民身体健康，而且也会对气候产生影响[5]。

畜禽舍内的NH3源主要为动物粪便、尿液和剩余饲料，而舍内颗粒物主要来源于饲料、粪便、动物皮肤、体毛和羽毛，是大气颗粒物的重要贡献源[6]。为了保护饲养员和动物的健康及减缓对环境的负面影响，世界范围内的环境科学家从畜禽舍的通风类型、地板类型、粪便管理模式、喂养模式等各方面来比较，评估不同猪舍类型和管理模式对减少舍内NH3和颗粒物浓度及排放的效果[7]。

预计到2020年，世界范围内对猪肉的需求量将增加75%[8]。我国猪肉产量约占世界猪肉产量的50%[9]。集约化养猪场猪舍内产生的NH3和颗粒物不仅对周边环境的污染日益严重，而且威胁到人类和动物的健康。Van Ransbeeck等[10]对漏缝地板、机械通风的育肥猪舍中的颗粒物和NH3浓度进行了两个饲养周期、为期一年的测定，结果显示舍内PM10、PM2.5、PM1的年均浓度分别为 0.719、0.039 和 0.015 mg·m-3，舍内NH3的平均浓度为14.2 mg·m-3。我国针对养猪场NH3和颗粒物浓度的监测研究日益增多，大部分集中于育肥期猪舍[11-13]。朱志平等[11]采用比色法探究了不同月份育肥舍内NH3浓度的季节变化和日变化。刘杨[12]利用颗粒物采样器分析了机械通风育肥舍内PM10、PM2.5和TSP（总悬浮颗粒物，空气动力学当量直径d≤100 μm）日均浓度的季节变化规律。Huaitalla等[13]利用红外光探测仪在线监测了我国不同猪舍内PM10、PM2.5和PM1在夏季和冬季的实时浓度，但国内针对不同养殖阶段猪舍内NH3和颗粒物污染信息仍不够完善，进而约束了养猪场整体空气环境评价工作的开展。本研究监测了北京郊区一个集约化养猪场内4个养殖阶段（妊娠期、哺乳期、保育期和育肥期）猪舍内NH3和颗粒物的浓度，初步探明不同养殖阶段NH3和颗粒物的浓度差异、季节性变化，及不同粒径颗粒物占TSP的比例，以期为养猪场大气污染控制措施和法规的制定提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 采样猪场概况

本试验于2010—2011年在北京市顺义区赵全营镇北郎中村北郎中养猪场（116.7°E，40.1°N）进行。该养猪场面积约为10 hm2，包含东厂和西厂两个厂区，共有56栋猪舍。东厂有28栋猪舍，主要是育肥猪舍；西厂有28栋猪舍，主要是母猪舍。猪场的年存栏量约为8000头，年出栏育肥猪和种猪约为15 000头。猪场内的采样点选在4个养殖阶段猪舍，包括育肥舍、妊娠舍、哺乳舍和保育舍。

1.2 猪舍类型

育肥舍长50 m、宽8 m、高2.4 m，猪舍内有两排东西走向的猪栏，中间为1 m宽的走道。每排各有栏位16个，每个栏位长3 m、宽3.5 m，栏内有与污水沟相连的2°斜坡的水泥地板。猪舍的南北墙各有14扇窗户。育肥期约为80～120 d，猪进舍体质量约为20 kg，出舍体质量约为100 kg。

妊娠舍的大小、构造和育肥舍相同。妊娠期大约为110 d，进舍体质量为120～180 kg，出舍体质量为150～200 kg。

哺乳舍长17.3 m、宽11 m、高2.7 m，猪舍东西走向，中间为1.5 m宽的过道。猪舍采用离地面0.1 m高的铁栏床，其水泥地板有2°斜坡，与污水沟相连。猪舍的南北墙各有7扇窗户。哺乳期约为35 d，小猪出生体质量约为1.5 kg，出栏体质量约为10 kg。

保育舍长14.5 m、宽11 m、高2.4 m，猪舍采用离地面0.1 m的网格床，南北墙各有7扇窗户。保育期约为30 d，猪进舍体质量约为10 kg，出栏体质量约为20 kg。

所有猪舍的窗户和门在夏天全部打开，在冬季全部关闭；在春秋季所有窗户和门在白天打开，晚上则关闭。养猪场及各实验猪舍的其他主要信息见表1。

1.3 样品采集与分析方法

1.3.1 气态NH3

离线NH3样品采样期为2010年7月—2011年1月，覆盖夏季（7月和8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年1月）。采样期间分别对4个饲养阶段猪舍内NH3浓度进行监测，包含1个育肥舍、1个妊娠舍、1个保育猪和1个哺乳舍，各猪舍内不同季节NH3采样时期如表2所示。每个猪舍设1个采样点，位于走道中央处，离地面2.0 m高。采样频率根据舍内NH3的浓度设置为3～7 d（一般夏季为7 d，秋冬季为3 d），每次采样设置3个重复，样品被采回后保存于4℃冰箱中，每月集中浸提、分析。时均NH3浓度的分析样品采用英国生态水文中心（CEH，Centre for Ecology and Hydrology）提供的被动采样器ALPHA（Adapted Low-cost Passive High Absorption）采集。每个采样器主体为长26 mm、外径27 mm的聚乙烯管，管子的一端含有一个5 μm的PTFE膜来阻挡空气中的颗粒物进入，而气态NH3可以通过PTFE膜扩散，并被管子另一端的采样膜（用柠檬酸浸泡）吸附。被动采样器ALPHA与主动采样器DELTA系统的采样结果相似且两者线性拟合程度较高[14]，已有研究采用ALPHA对猪舍内NH3进行监测[15]。

离线NH3样品浸提方法：用镊子将采样膜从采样器中取出放于100 mL的烧杯中，加入100 mL的高纯水浸提，浸提过程中每小时轻摇烧杯，样品充分浸提大约1～2 h后，用镊子将采样膜上的浸提液挤干，然后将其取出，浸提液置于4℃冰箱冷藏待测。浸提液分析采用连续流动分析仪（Continuous Flow Analyzer，AA3，德国）测定。连续流动分析仪的工作原理：样品与水杨酸和二氯异腈脲酸钠（DCI）反应生成蓝色化合物，在660 nm波长下检测，得到水样中NH+4-N含量，并进一步根据浸提液的体积计算采集的NH3质量。空气中 NH3浓度（C，μg·m-3）的计算公式如下：

C=0.944 12 ×（ma-mb）×106/βNH3×V

式中：0.944 12为浸提液中NH+4与气态NH3的分子量比值；ma为样品中 NH+4质量，μg；mb为空白样品中NH+4质量，μg；106代表单位换算；βNH3为 ALPHA 被动采样器的质量转换校正系数（0.669 9）；V为有效采样体积，m3。

有效采样体积V计算公式如下：

V=DAt/L=0.198 7（273.15+T/273.15）1.81At/L

式中，D为气体的扩散系数，cm2·min-1；A为采样器有效横截面积，3.463 ×10-4m2；t为采样时间，h；T 为环境温度，℃；L为气体的扩散距离，0.006 m。

表1 实验猪场及各猪舍的主要信息Table1 Main information on the investigated pig farm and pig houses

表2 4种猪舍内NH3采样时期（年/月/日）Table2 NH3sampling periods for four types of pig houses（year/month/day）

实时NH3浓度采用德尔格氨检测管（手泵和氨管均购于德国Drägerwerk AG公司）测定。氨检测管中填充固态酸性混合物以及遇碱变蓝的pH指示剂溴苯酚，外表带有刻度值，可检测NH3浓度范围为0.05～700 μL·L-1。每次采样时将管子一口打开后连接手泵，抽气结束后（一般为5～10次），结合管子变色的长度和外表刻度值可得到环境NH3的浓度值。实时NH3浓度的监测于2010年7月22—23日在妊娠舍、育肥舍和保育舍内进行，采样从22日早上6：00开始到次日凌晨2：00结束。采样点为猪舍的中心位置，采样高度为1.5 m，每4 h采样一次，每次设置3个重复。

1.3.2 颗粒物

在2010年8月20—27日和2010年10月2—9日期间，采用中流量颗粒物采样器（TH-150CⅢ型，100 L·min-1，武汉天虹仪表有限公司）分别对保育舍和育肥舍内颗粒物（TSP、PM10和PM2.5）样品进行连续监测。采样点设在猪舍走道中央，采样口距地面1.5 m高，每次连续采样24 h。采样滤膜采用北京赛福莱博公司进口的Staplex直径为90 mm石英纤维素滤膜，采样前将滤膜置于马弗炉高温加热到900℃，保持2～3 h，然后冷却至室温，恒温恒湿（20℃±2℃，40%±5%）24 h，再用百万分之一天平（TB-215D，美国丹佛）称质量。采样后的滤膜在恒温恒湿条件下平衡24 h后再次称质量。然后放入干净的铝箔纸内于-20℃的冰箱内储存备用。颗粒物浓度（mg·m-3）的计算采用重量法，即采样后膜质量（g）减去采样前膜质量（g），再除以标准状态下的采样体积（采样器根据温度自动校正，m3）。采用TSP与PM10的差值和PM10与PM2.5的差值分别计算出PM10-100（空气动力学粒径在10～100 μm之间的颗粒物）和PM2.5-10（空气动力学粒径在2.5～10 μm之间的颗粒物）的浓度。

1.3.3 环境温度

4种猪舍内的温度均采用Hobo Pro WEH（Onset Computer Corporation，美国）记录，采样位置和高度与采集日均NH3浓度分析样品时相同。该设备每30 min记录一次数据，精准度为±0.7℃。

1.4 统计分析

采用 SPSS 11.5（SPSS Inc.，美国）进行单因素方差分析，检验不同养殖阶段猪舍内时均NH3浓度、不同季节NH3浓度、不同时刻实时NH3浓度差异的显著性，显著水平设为α=0.05。

2 结果与讨论

2.1 月均NH3浓度

在2010年8月—2011年1月期间，育肥舍NH3的月均浓度变化范围为1.55～5.24 mg·m-3，平均为3.26 mg·m-3（图1a）。本研究测得的季节性浓度值明显低于早期研究报道：夏季和冬季育肥猪舍内NH3浓度分别为（3.44±2.34）mg·m-3和（10.1±4.60）mg·m-3[10]。与国外研究相比，所测的NH3浓度均值接近于韩国相同类型的猪舍内NH3的平均浓度（3.87 mg·m-3）[16]，但明显低于德国、英国和爱尔兰养猪场育肥舍内 NH3浓度（7.59～30.0 mg·m-3）[17-19]。这主要是由不同类型的猪舍粪便清理系统和通风类型造成的[20]。国外的大部分猪舍为机械通风，且采用漏缝地板和深坑储存粪便的方式，因此粪便的舍内存放增加了NH3从粪便的挥发和在舍内滞留的时间。本研究猪舍的粪便清理采用干清粪系统，即粪尿通过一定角度的斜坡自动分离，每天人工将粪便清理出猪舍并用水冲刷地板，这些措施均能有效降低舍内NH3的挥发[21-22]，从而使所测的NH3浓度低于上述国外的报道结果。妊娠舍内月均NH3浓度平均为3.48 mg·m-3（波动范围为 1.22～6.35 mg·m-3，图 1b），低于发酵床和传统妊娠舍的NH3浓度（分别为4.61 mg·m-3和6.41 mg·m-3）[23]。哺乳舍内月均 NH3浓度为 1.12～4.59 mg·m-3，平均值为2.95 mg·m-3（图1c）。保育期猪舍内月均NH3浓度平均值为2.94 mg·m-3（1.21～4.88 mg·m-3）（图1d），明显低于欧洲国家（如德国、英格兰、爱尔兰和丹麦）的报道值（4.0～7.0 mg·m-3）[18，24-25]。

比较不同阶段猪舍，NH3浓度由高到低排列依次是妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此间差异不显著（P＞0.05）。妊娠舍内NH3浓度较高，可能是由于妊娠期猪体质量最大，维持其正常的生理代谢需要摄入更多的含氮化合物[26]，致使排泄物中氮含量增加，从而增加舍内NH3的产生。类似地，由于育肥猪数量通常多于其他3个阶段猪的数量（表1），这导致舍内排泄物增多，进而提升NH3挥发强度，使育肥舍NH3浓度较高。从季节性变化来看，4种猪舍内NH3浓度在夏季（8月）和冬季（12月和1月）分别处于最低和最高水平，且与其他季节浓度间存在显著（P＜0.05）差异。这主要是猪舍窗户的开关措施和通风速率的不同所致。夏季猪舍窗户全部打开，增加了舍内外空气的对流，进而降低了舍内NH3浓度；冬季窗户全部关闭，使NH3在舍内大量累积，促使浓度上升。Ni等[27]研究表明，猪舍内NH3浓度与通风速率在一定程度上呈负相关性。本文中猪舍夏季的通风速率明显高于秋季和冬季（2009—2011年育肥舍通风速率的季节变化见先前报道[15]），从而加速NH3向舍外扩散。

与国际上其他研究相比，本研究中猪舍内NH3浓度低于国际报道值，但仍存在健康风险。目前，许多国家为了保证饲养工人的身体健康，确立了猪舍内8 h 工作时间的 NH3浓度临界值（19 mg·m-3）[25]。虽然各类型猪舍内NH3的浓度均明显低于临界浓度值（图1），但值得注意的是，国际上的大部分猪舍的通风为机械通风，饲养人员基本无需进入猪舍工作，而本研究育肥舍和保育舍为自然通风系统，自动化程度低。并且，饲养员每天需要进行2次清理粪便和喂食，舍内的工作时间超过8 h，因而面临潜在的健康风险。另外，长期处于高浓度NH3环境下的牲畜，其体重增速减缓且肉品质也会下降，从而影响养殖场的经济效益和人类食品的安全[28]。鉴于以上分析，本研究建议猪场管理人员缩短饲养员的舍内工作时间或在秋冬季节适当打开猪舍窗户来增加猪舍通风。另外，可从营养调控方面采取措施来减少NH3产生量，如降低饲粮中蛋白质的含量、加入非淀粉多聚糖和酸化后的盐代替碳酸钙等[29]。

图1 猪舍氨气浓度的月变化Figure1 Monthly variation in NH3concentrations inside pig houses

2.2 实时NH3浓度

本研究中育肥猪、保育猪和妊娠猪每天进食两次，分别在8：00和16：30左右，之后清理舍内粪便和冲洗地板。育肥舍、妊娠舍和保育舍内实时NH3浓度的动态变化规律如图2所示，NH3的波动范围分别为3.43～6.73、0.82～4.51、0.99～3.14 mg·m-3。3 种猪舍内的NH3浓度均在第一次人工清粪后急剧下降，10：00时所测NH3浓度显著低于6：00时。此结果表明舍内NH3的变化和舍内粪便的清理有一定的相关性，这一结果与Wang等[30]的报道类似。但是，在第二次清粪（16：30—17：00）后相似的现象并未在育肥舍和保育舍内发生，NH3浓度在18：00时和14：00时处于相似的水平，这一现象可能与猪的排泄物增加有关。猪的第二次进食是在16：30，猪通常在进食1～2 h排泄粪便[31]，舍内新鲜的粪便会挥发出大量的NH3，因此导致NH3浓度在18：00时仍处于较高水平。

2.3 颗粒物浓度

如图3所示，8月20—27日期间保育舍内日均TSP、PM10、PM2.5浓度的平均值分别为 0.99（0.55～1.60）、0.18（0.11～0.24）、0.07 mg·m-3（0.02～0.09 mg·m-3）；10月2—9日期间育肥舍内日均TSP、PM10、PM2.5浓度平均值分别为 2.39（1.62～2.87）、0.88（0.56～1.05）、0.40 mg·m-3（0.18～0.67 mg·m-3）。进一步细分颗粒物粒径发现，保育舍和育肥舍内颗粒物浓度均表现出：PM10-100[平均值分别为（0.81±0.31）、（1.51±0.26）mg·m-3]＞PM2.5-10[（0.11±0.03）和（0.48±0.23）mg·m-3]＞PM2.5。这3种粒径颗粒物占保育期猪舍所测TSP的比例分别为82%、11%和7%，而在育肥舍内分别为63%、20%和17%。这些结果表明猪舍内颗粒物污染以大于10 μm粒径的颗粒物为主，这很可能与饲料粉末再悬浮有关。空气中PM10能够通过人类呼吸摄入并且累积到呼吸系统中，其中PM2.5由于粒径很小而很容易寄宿到肺中，带来健康危害[32]。与我国二级标准日均浓度值（环境空气质量标准GB 3095—2006中TSP：300 μg·m-3；PM10：150 μg·m-3；PM2.5：75 μg·m-3）相比，超过标准值的TSP、PM10和PM2.5样本数分别占到总样本数的100%、93%和79%。显而易见，3种猪舍存在严重的颗粒物污染。因此，为提高舍内空气质量，保护人和动物的健康，制定和实施更为综合完善的颗粒物减缓措施迫在眉睫，如增强猪舍通风、使用湿饲料以及向舍内空气中喷射水雾。

图2 猪舍内实时NH3浓度的动态Figure2 Dynamic of real-time NH3concentrations in the three pig houses

图3 猪舍内不同粒径颗粒物日均浓度（8月20—27日在保育期猪舍，10月2—9日在育肥期猪舍）Figure3 Daily mean concentrations of various particles in the pig houses（from 20 August to 27 August in weaning pig house，from 2 October to 9 October in fattening pig house）

3 结论

（1）4种猪舍内NH3浓度水平表现为妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此间差异未达到统计学显著水平。各猪舍NH3浓度均存在明显的季节性变化：冬季最高，秋季次之，夏季最低。

（2）实时的NH3浓度结果表明上午清粪能够显著降低舍内氨气浓度水平，但其效果受到猪排泄活动的影响。

（3）保育舍和育肥舍内的颗粒物主要是以粒径在10～100 μm间的颗粒物为主，分别占所测TSP质量浓度的82%和63%。

（4）本研究所测4种猪舍内NH3浓度低于国外同类型猪舍报道值，但育肥舍和保育舍内至少76%以上的TSP、PM10和PM2.5浓度值高于相应的国家二级标准日均浓度值，可能对人类和动物造成健康危害。因此，猪场需采取可行性措施（如降低饲料蛋白含量、增强舍内外通风）提升舍内空气质量。

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