规模化笼养蛋鸡舍冬季氨气和颗粒物排放特征研究

王 悦，杨金凤，薛文涛，孙钦平，朱志平，田 壮，李新荣，邹国元



规模化笼养蛋鸡舍冬季氨气和颗粒物排放特征研究

王 悦1，杨金凤1，薛文涛1，孙钦平1，朱志平2，田 壮1，李新荣1※，邹国元1

（1. 北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

畜禽养殖的氨气（NH3）和颗粒物（particulate matter,PM）排放已成为危害人畜健康，并可能造成环境风险的重大问题。该文选择北京郊区一典型规模化蛋鸡养殖舍，对典型冬季条件下蛋鸡舍的NH3和PM排放进行了连续8 d的监测；并根据二氧化碳平衡原理，对NH3及PM的排放通量进行了估算。研究结果表明，蛋鸡舍出风口处NH3平均质量浓度为（4.58±3.29）mg/m3，每只鸡NH3排放通量为（32.2±12.5）mg/d。蛋鸡舍出风口处PM2.5、PM10和总悬浮颗粒物（total suspended particulates, TSP）质量浓度为（0.13±0.06）、（0.81±0.16）、（3.28±1.32）mg/m3，每只鸡PM2.5、PM10和TSP排放通量分别为（0.7±0.4）、（6.3±1.4）、（27.6±12.5）mg/d。氨气以及PM的排放均随着舍内1次/2 d的机械清粪频率呈现2 d的周期变化趋势。除清粪作业、鸡群日间活动等影响外，舍内PM2.5浓度一定程度上受舍外环境本底值影响。舍内PM2.5与PM10的比例在10.4%～20.4%之间。舍内PM2.5颗粒上所含的K+、Mg2+含量均显著高于舍外环境本底PM2.5(<0.05)。同时舍内及舍外PM2.5颗粒上解析出来的阳离子所带的电荷量均高于阴离子。研究结果可为畜禽养殖NH3和PM排放清单的编制提供基础参数；同时对畜禽舍PM的组分研究，可为后续开展二次无机气溶胶形成机理以及颗粒物源解析的研究提供支撑。

氨气；颗粒物；监测；蛋鸡舍；排放浓度；排放通量；水溶性离子

0 引 言

氨气（NH3）和颗粒物（particulate matter, PM）的排放是畜禽养殖中面临的重要问题。农业氨气占全球氨气排放的60%以上，其中畜牧业氨气排放占全球氨气排放的39%[1-2]。氨的大量排放不仅对畜禽生产造成不利影响，同时NH3向环境的大量排放会造成水体富营养化污染，生态系统的酸化[3]，同时NH3排放还与全球气候变暖和雾霾形成相联系，因而畜禽养殖的NH3排放已成为全球关注的热点问题。在各种畜禽中，家禽养殖具有最大的氨气排放潜力，禽舍氨气排放是牛舍、猪舍的2～6倍[4]。同时禽舍通常具有极大的粉尘浓度，将对人畜呼吸道健康等造成重要影响。研究表明，各种畜禽舍PM排放特性具有很大的差异。当前研究人员分别从猪舍、鸡舍、牛舍PM的物理形态、化学元素的组成、粒径分布（particle size distribution，PSD）、PM质量浓度，密度等角度对各类型畜禽舍PM的基础特性进行了研究[5-8]，但是当前大部分的研究主要关注的是畜禽舍内总悬浮颗粒物（total suspended particulates, TSP）和PM10的排放特性，而作为影响人畜健康以及环境质量的重要指标PM2.5，近年来关于其在畜禽舍中排放的研究才刚刚兴起[9-10]。当前，国内仅对猪舍PM2.5排放有少量文献报道[11-12]，缺乏对禽舍PM2.5排放的研究。因而，急需以禽舍为研究对象，探索其PM2.5排放特性。

目前，对于畜禽舍PM排放特性的研究主要集中在对畜禽舍内PM排放浓度的监测和评价上[6,13-15]；然而若要明确畜禽舍PM排放对于环境的影响及贡献，畜禽舍PM排放通量的核算以及后续畜禽养殖业PM排放清单的编制工作至关重要。而当前由于畜禽舍通风量监测设备或核算方法的限制或不足，导致国内PM排放通量的数据非常有限，大部分研究均为对PM排放浓度的监测；近两年仅在西欧和北美开始有关于畜禽舍PM排放通量的相关研究工作[16-18]。对于美国高床养殖系统以及清粪带系统蛋鸡舍，每只鸡的TSP排放通量分别为146和168 mg/d，每只鸡PM10排放通量分别为32.5和20 mg/d[19]；而国内本地化的研究数据则几乎没有，亟待开展相关研究工作。

畜禽舍除排放一次颗粒物之外，畜禽养殖排放的NH3还通过与大气中的酸性气体反应生成二次无机气溶胶粒子（secondary inorganic aerosols (SIA): SO42-、NO3-、NH4+）的方式影响大气环境[20]。Martin等[21]研究得到在猪场下风向处的PM10中，SO42-、NO3-、NH4+都增加。同时，对颗粒物离子、金属元素等组分进行解析，也是进行颗粒物源解析的重要基础[5]。但是当前国内有关畜禽舍颗粒物源解析及二次无机气溶胶形成机制的研究几乎没有。

对于PM排放特性的研究虽然早已开始，但是随着近20 a来畜禽养殖规模化、集约化的发展、养殖方式的不断改变，真正能代表当前不同动物系统以及典型养殖方式下的PM排放数据几乎不存在[6]。各个国家之间，禽舍不同的管理参数，包括通风、饲料种类/成分、垫料材料、粪便管理系统的差异，都会造成PM排放特性的差异[22]。当前有关禽舍PM排放的研究主要集中在北美，Lin等[23]对高床养殖下蛋鸡舍的TSP、PM10和PM2.5做了系统的研究；但是对于广泛使用的清粪带系统的蛋鸡舍，只有关于PM2.5和PM10的研究，并没有关于TSP的研 究[17,24]。Ni 等[24]研究得到美国某蛋鸡舍清粪带系统每 4d运行1次，每只鸡PM10排放通量为12.4～25.2 mg/d； Morgan等[17]研究得到加拿大某蛋鸡舍清粪带每周运行2次，PM10排放通量为4.0～5.0 mg/d。由此可知，即使清粪频率接近，不同地区养殖舍间PM排放仍可能存在很大的差异。因而不同地区养殖环境的极大差异可能造成数据利用的局限性，而国内几乎没有关于大型笼养蛋鸡舍PM排放的系统研究，迫切需要开展本土化的研究以获得具有代表性的排放特性参数。综上所述，本文拟选择北京地区某规模化蛋鸡养殖舍，对蛋鸡舍的NH3、CO2、TSP、PM10、PM2.5排放进行现场测试和分析；为改善鸡舍空气质量环境，以及后续畜禽养殖NH3和PM排放清单的编制提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 蛋鸡饲养与设备

在北京周边选择某规模化蛋鸡舍，每栋鸡舍长115 m，宽 14 m，高 7.5 m；鸡舍分为上下2层楼，每层楼内采用4层5列全自动设备全封闭式饲养。饲养蛋鸡为海兰褐，饲养密度为每层笼14～20只/m2，设计单栋饲养量为104 400只。蛋鸡实行分层抱笼式行车机械喂料，每天喂料6次；饮水采用乳头自动饮水系统。鸡舍采用清粪带自动清粪，每2 d清粪1次，清出的鸡粪直接通过地下的传送带通道送到沼气发酵站进行处理。每次清粪带工作时间为40 min，在清粪之后要对蛋鸡舍进行打扫、消毒等工作，因而每次清粪时间约为2 h。

鸡舍采用负压纵向通风，通风系统由36台直径为137.5 cm的风机组成，按照4 × 9整齐排列构成通风口墙面，鸡舍的上下2层楼各对应18台风机。电机的额定功率为1.1 kW，单台风机标定风量为43 070 m3/h。进气系 统由28个屋顶风帽(0.5 m × 0.5 m)和100个侧墙通风口(0.5 m × 0.305 m) 组成。舍内安装有4块湿帘，尺寸为 13.5 m × 2.7 m，其中2块布置于纵向通风的进气口上，另外2块分别布置于侧墙横向通风口位置，距离进气口15～20 m处。鸡舍内温度常年控制在24～28 ℃，通过调节通风系统通风量和保温板来调节舍内温湿环境；鸡舍采用人工补光，采用9 W灯泡自动光照，共有灯泡444 盏，每日04:00～20:00光照16 h。

1.2 蛋鸡舍温湿度和气体浓度的测定

在蛋鸡养殖舍下层的东西南北4个方向以及舍内中间点位置（图1）悬挂HOBO温湿度计(U23-001型，美国Onset Hobo公司)测定舍内的温度和空气相对湿度。其中H1和H3分别位于北边和南边靠墙的第1列笼架，距离进气口55 m；H2、H4和H5位于第3列笼架，分别距进气口10、100和55 m；悬挂高度选择在第3层鸡笼的高度（1.5 m），且悬挂于鸡笼外侧。

图1 鸡舍监测和采样点位置分布示意图 Fig.1 Schematic of measurements and sampling locations in layer house

在冬季采样期间，由于户外温度较低，鸡舍上下2层楼均分别有1台风机保持常开的状态以保持通风换气；若温度升高，则会启动其他1～2台风机进行调节。由于鸡舍是纵向通风，在蛋鸡舍内始终保持常开的出气口负压风机前1.5 m处设置出气口温湿度采样点（H6），H6同时作为出气口气体浓度采样点，采样点正对风机的中心位置，高度为0.68 m。这一位置的选择可以采集到具有代表性的出气口污染物浓度，同时避免对出气口气流大的扰动[25]。舍外设一个温湿度采样点H7，H7处于进气口方向舍外1 m处，高度为0.68 m； H7同时作为进气口气体浓度采样点，进气口位置所测得的气体浓度即为环境本底浓度。

在出气口H6处和进气口H7处分别采用1台在线环境空气质量监测系统（GMS100，泰华恒越公司）监测气体浓度，监测参数为氨气（监测范围0～100×10-6，检测限为0.1×10-6），二氧化碳（监测范围0～5 000×10-6，检测限为1×10-6）。

1.3 蛋鸡舍PM浓度的测定

在出气口H6处和进气口H7处分别采用3台智能中流量TSP采样器（2050型，崂应公司）连续采样，对出气口和进气口处的PM2.5、PM10和TSP同时进行监测。舍内TSP、PM10和PM2.5在监测时，每日早上08:00手动换膜1次，下午17:00手动换膜1次，依据2次采样获得的气流量核算日均颗粒物浓度。舍外空气本底值由于PM含量较低，每日采样1次，均设置为下午17:00进行换膜。

1.4 蛋鸡舍气体排放及颗粒物排放通量的确定

结合鸡舍通风量VR，以及鸡舍内外的NH3和PM质量浓度，计算蛋鸡舍的NH3、PM2.5、PM10和TSP排放通量。

式中ER为每只鸡的气体或者颗粒物排放通量，mg/h或mg/d；VR为单栋鸡舍的通风量，m3/h 或m3/d；为舍内鸡的数量，只；exh、amb为鸡舍出气口和进气口的气体或者颗粒物质量浓度，mg/m3。

为核算鸡舍的排放通量，需要核算出鸡舍通风量VR。采用CO2平衡法对VR进行计算，其基本计算公式见式 (2)。

在本研究中，蛋鸡的THP采用CIGR的公式来核算[29]，见式（4）。

当舍内环境温度不为20 ℃时，环境温度对蛋鸡总热THP产生的影响根据式（5）进行调整。

1.5 鸡舍粪便样品取样及分析

整个测试周期内每天对粪便进行采样，分析粪便样品的pH值、总固体（total solid, TS）、挥发性固体（volatile solid, VS）、有机碳（organic cabon, OC）、总氮（total nitrogen, TN）、铵氮（ammonical nitrogen, NH4+-N）、全磷（total phosphorus, P2O5），以及粪便中的水溶性离子，包括硝酸根离子（nitrate ion, NO3-）、氯离子（chloride ion, CL-）、硫酸根离子（sulfate ion, SO42-）。

采样完成后立即测试鸡粪的pH值(PB-10，德国Sartorius公司)；TS、VS采用称质量法测试，仪器为烘箱（DN610，日本YAMATO公司），马弗炉（中国沈阳节能电炉厂），电子天平（BSA124S，德国Sartorius公司）。将粪便样品充分溶解后，采用分光光度法测试TAN，测试仪器为COD消解仪（DRB200，美国HACH公司）和紫外可见分光光度计（DR5000，美国HACH公司）。根据行业标准[30]，测试鸡粪的TN、P2O5和有机质。鸡粪经过硫酸-过氧化氢消解后，采用定氮蒸馏装置测试TN，用分光光度法定量磷；有机质含量采用重铬酸钾氧化后进行滴定，有机质含量除以1.724即为OC含量[30]。取鸡粪样品按固液比1∶10（质量浓度）用去离子水在150 r/min 下振荡浸提30 min，经过0.45m滤膜过滤后，取滤液采用离子色谱（ICS-1100，美国Dionex公司）测试鸡粪中的NO3-、CL-、SO42-含量。

对于PM2.5颗粒上所含的离子，根据国家环境保护标准HJ799-2016[31]和HJ800-2016[32]，采样膜经过去离子水超声萃取后，水样经过0.45m滤膜过滤，然后采用离子色谱测试NO3-、CL-、SO42-含量；采用流动注射分析仪（AutoAnalyzer 3，德国BRAN+LUEBBE公司）分析NH4+-N；采用电感耦合等离子体质谱ICP（715-ES，美国Varian公司）分析K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量。

2 结果与分析

2.1 蛋鸡的生长性能及粪便特性

本研究期间鸡粪TS、VS、TN、NH4+-N、P2O5、OC等含量如表1所示。对于鸡粪所含的阴离子进行分析，NO3-含量未检出，但是可以检测出一定的Cl-和SO42-。Roumeliotis等[33]研究中发现蛋鸡粪便中Cl-质量浓度为5.40 mg/g (湿基)，略高于本研究中蛋鸡粪便中Cl-质量浓度。

表1 鸡粪特征参数

2.2 蛋鸡舍的温湿度状况

监测期在冬季，舍外日均温为（-1.9±3.5）℃，最高最低温分别为8.4和-11.7 ℃，日均湿度为48.5%± 9.6%，最高最低湿度分别为91.8% 和21.9%。舍内通过温湿度调控系统保持较为恒定的温湿度，日均温度为（26.2±1.8）℃，日均湿度为48.7%±4.5%。

2.3 蛋鸡舍NH3排放浓度和排放通量

在冬季8 d的监测周期内，蛋鸡舍内出风口处NH3质量浓度在0～13.2 mg/m3之间，平均浓度为（4.58±3.29） mg/m3；舍内NH3浓度随着1次/2 d的清粪频率呈现2 d的周期变化趋势（图2）。在2016年11月23 日～30日8 d的监测期内，24日、26日、28日、30日是清粪日。可以看到在清粪日接近中午清粪完成后，舍内NH3排放浓度明显降低；之后随着鸡粪在舍内的积累，舍内NH3浓度逐渐升高；且由于夜间一般通风量低，因而一般舍内NH3浓度将在清粪完成后第2 d的凌晨达到最大，最有可能对鸡群健康造成影响。

相较NH3而言，CO2排放浓度呈现与NH3一致的上升下降变化趋势，但是变化幅度相较NH3较低。CO2质量浓度为6 322～12 919 mg/m3，平均浓度为（9 271±1 214）mg/m3，主要是鸡的呼吸始终能产生CO2；而NH3排放主要来自舍内鸡粪，鸡粪清除与否，以及环境的变化都会对NH3排放造成影响。在8 d的监测期内，由于舍内温度整体呈现小幅上升趋势，H1～H5平均温度从11月23日的（25.0±0.8）℃ 上升到11月30日的（27.0±0.5）℃；温度升高导致蛋鸡总产热THP降低，在一定程度上导致鸡舍内CO2浓度整体呈现降低的趋势。

注：黑色箭头代表进行机械清粪

Fig 2 NH3and CO2concentration in air outlet of layer house

通过二氧化碳平衡法，核算得到整个监测周期内蛋鸡舍的NH3排放通量（图3）。可以看到整个冬季监测期内，每只鸡的NH3排放通量在17.2～54.5 mg/d之间，平均排放通量为（32.2±12.5）mg/d；且气体排放同样呈现2 d的周期变化，清粪当日NH3排放通量最大（图3）。核算到1栋10万只存栏的规模蛋鸡舍，每年排放NH3达到（1 175.3±456.3）kg。

图3 每只鸡NH3排放通量

相较其他人的研究结果[17,23,34-35]，本研究中核算得到的每只鸡的NH3排放通量相对处于较低的水平（17.2～54.5 mg/d30～1 030 mg/d）。造成排放量差异的首要原因是舍内粪便管理方式的差异。高床饲养系统的蛋鸡舍每只鸡的NH3排放通量为950～1 030 mg/d[23,34-35]，远高于本研究中清粪带管理方式下的NH3排放量，以及其他研究中采用清粪带管理方式下的NH3排放量（30～90 mg/d）[17]。Mendes等[36]认为由于鸡粪中的大量有机氮在贮存过程中缓慢分解形成NH3排放，蛋鸡舍内NH3排放速率随着粪便堆积的时间指数增加。采用高床饲养的蛋鸡舍，鸡粪可能在鸡舍内存储半年到一年才被处理出舍外，因而高床系统舍内一般NH3浓度相对较高。相比高床饲养，清粪带系统由于可以较高频率地将鸡粪送出舍外（如每天1次），可以使鸡舍内保持较好的环境，舍内NH3质量浓度一般在0.2～14 mg/m3之间[17,37-38]，明显低于高床系统的NH3浓度（2.3～46.3 mg/m3）[33-35]。Shepherd等[38]在研究中比较了鸡舍内不同的清粪频率对舍内NH3排放的影响，清粪频率越高，舍内NH3排放越低。在本研究中，鸡舍采用清粪带2 d清粪1次，较高的清粪频率可能是造成较低NH3排放的主要原因。

2.4 蛋鸡舍颗粒物排放浓度和排放通量

在连续8 d的监测期内，对蛋鸡舍内出气口位置H6处的PM2.5、PM10和TSP的质量浓度监测结果如图4所示。PM2.5排放浓度在0.07～0.22 mg/m3之间，PM10排放浓度在0.63～1.07 mg/m3之间，TSP 排放浓度在1.9～ 5.3 mg/m3之间。出气口处PM2.5、PM10和TSP平均质量浓度为（0.13±0.06）、（0.81±0.16）、（3.28±1.32） mg/m3。对比相关研究中舍内颗粒物排放的结果，本研究的结果高于Morgan等[17]对笼养蛋鸡舍冬季PM2.5、PM10的监测结果（表2）；但是明显低于何玉书等[13]对平养蛋鸡舍秋季TSP排放的监测结果，高于其对夏季TSP排放的监测结果。平养蛋鸡舍一般采用垫料，将有可能导致舍内更大的颗粒物排放；同时一般夏季较大的通风条件下致使舍内PM浓度处于较低的水平[17]。

注：TSP为总悬浮颗粒物。

表2 蛋鸡舍PM排放统计

该蛋鸡舍每只鸡的PM2.5、PM10和TSP排放通量分别为（0.7±0.4）、（6.3±1.4）、（27.6±12.5）mg/d。相比其他笼养蛋鸡舍PM排放量的结果，本研究核算得到的每只鸡的排放通量略高于Morgan等[17]对冬季条件下的监测结果，但是低于Ni等[24]对蛋鸡舍全年周期下PM10的监测结果（表2）。

在此监测期内，蛋鸡舍外环境本底值PM2.5、PM10和TSP浓度日变化如图4d。舍外环境本底值的PM2.5、PM10和TSP浓度在11月26日为最大，而舍内的PM2.5和PM10浓度也在11月26日为最大，TSP在11月30日为最大。Cambra-López等[40]认为舍外来源的粉尘一般是细颗粒性质的，细颗粒更容易随着进气进入鸡舍，可能导致舍内PM2.5和PM10等细颗粒物浓度一定程度上受舍外环境本底值影响。刘杨[12]对猪舍内外PM进行监测，舍内外PM2.5相关性为0.565，认为猪舍外的PM2.5浓度对猪舍内的PM2.5浓度有直接影响。本研究对舍内外各尺寸的颗粒物浓度进行相关性分析（Pearson相关性分析），舍内外PM2.5浓度间为0.62，值为0.10，可以认为在90%的置信水平上值显著。舍内外PM10以及舍内外TSP间相关系数在0.52～0.57之间，但是不显著。舍内TSP排放可能来源于粪便、羽毛、饲料等粗颗粒，且更多地受蛋鸡活动的影响，因而受舍外环境影响较少。同时本研究中鸡舍进行1次/2 d的清粪，清粪时造成舍内各种颗粒物的排放突然升高，可能是导致舍内外细颗粒物PM2.5、PM10相关性在95%的置信水平上不显著的原因。

鸡舍内颗粒物的排放呈现明显的日间高，夜间低的趋势。在不进行清粪期间，TSP日间排放是夜间的2.1～2.4倍，PM10为1.8～2.4倍，PM2.5为0.8～2.2倍，其中11月29日的日夜PM2.5浓度比例为0.8（图5）。一般情况下，由于夜间蛋鸡舍会采取灭灯制度，鸡的采食、走动等活动均减少，因而夜间PM排放低于日间[25]；而11月29日观测到的夜间相比日间更高的PM2.5浓度，主要是由于29日夜间PM2.5浓度高于一般情况下的夜间浓度，推测可能是由于当晚大气环境中雾霾状况的突然出现引起。

在清粪日期间，日间PM排放显著升高，TSP日间排放是夜间的5.6～7.1倍，PM10为3.2～4.2倍，PM2.5为6.1～7.3倍（图5）。可以看到，在进行清粪期间，PM10上升的比例不如TSP和PM2.5上升的比例，推测可能是由于PM10的来源可能与TSP和PM2.5有一定差别。如Cambra-López等[5]在采用多元线性回归法对蛋鸡舍内PM2.5和PM10-2.5进行源解析时，认为PM2.5的主要质量贡献源为粪便（54.2%）、饲料（23.2%）、羽毛（17%）、舍外（5.5%）。但是PM10-2.5的主要质量贡献源为粪便（85.5%）、羽毛（14.5%），舍外和饲料的贡献均为0；PM10-2.5与PM2.5来源存在很大差别，即饲料主要贡献于PM2.5，而对PM10贡献较少。在本研究中，鸡舍所饲饲料为粉状料，可能即是由于清粪期间风机启动较大风量带动很多饲料粉尘，造成PM2.5排放大幅升高，最终造成清粪日期间PM10上升的比例不如PM2.5上升的比例；但是具体原因仍需要在后续研究中结合颗粒物的源解析再确定。

2.5 PM2.5与PM10比例

在监测期内，PM2.5与PM10的比例为10.4%～20.4%。若区分日夜差异，则在非清粪日，日间这一比例为7.6%～14.9%，夜间这一比例为8.5%～22.8%。夜间这一比例高于日间，主要是夜间动物活动较少，相比PM2.5这类细颗粒物，PM10这类相比较大的颗粒物夜间较日间的排放量减少地更为明显（图5），因而导致夜间PM2.5与PM10的比例变高。但是在清粪日，日间PM2.5与PM10的比例可以达到16.0%～22.2%，高于夜间的PM2.5与PM10的比例（8.1%～13.3%）；主要是由于在日间清粪时段内PM2.5排放增加幅度明显高于PM10增加的幅度。Morgan等[17]研究得到在冬季，蛋鸡舍内的PM2.5与PM10的比例为15%± 8%，与本研究的结果可比。

2.6 蛋鸡舍PM2.5颗粒上的组分解析

对舍内外采集的PM2.5样品的离子解析结果如表3所示。在所有的离子种类中，出气口PM2.5颗粒上所含的K+、Mg2+含量均显著高于环境本底（0.05），Na+在90%的置信水平上高于环境本底（=0.0722）；对于二次无机气溶胶离子，NH4+、NO3-、 SO42-在出气口和环境本底PM2.5颗粒中没有显著性差异(>0.05)。K+、Na+、Ca2+、Mg2+是鸡饲料中必须添加的微量元素，这些元素的添加可以保证家禽的健康生长、繁殖能力，骨骼发育和情绪稳定。Arotupin等[41]在对家禽的5种饲料的测试中均检测出了这些离子，饲料中K+质量浓度为54 228～88 971 mg/kg，Na+质量浓度为29 757～42 068 mg/kg，Ca2+质量浓度为830～2 110 mg/kg，Mg2+质量浓度为244～649 mg/kg。家禽饲料中较高的K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量是出气口PM2.5颗粒所含的相应离子的来源，导致出气口PM2.5颗粒所含的K+、Mg2+含量显著高于环境本底，Na+在90%的置信水平上高于环境本底PM2.5颗粒上含量。但是Ca2+作为一种重要的地壳元素，舍外环境本底PM颗粒中同样可能具有较高的Ca2+浓度，导致出气口和环境本底PM2.5颗粒中Ca2+浓度差异不显著[21]。Takai等[22]研究认为饲料是颗粒物排放的重要源头，且过量喂料，饲料颗粒大小、成分的改变等都对颗粒物的排放有重要影响。Cambra-López等[40]认为由饲料产生的颗粒物和舍外来源的颗粒物一般是细颗粒性质的；而生物结构物质，如羽毛，皮肤，木屑来源的粉尘一般是粗颗粒的，因而饲料的投喂可能在一定程度上影响了鸡舍PM2.5的排放。

表3 出气口与环境本底PM2.5颗粒上的水溶性离子解析

注：不同字母表示差异显著（<0.05）。

Note: Different letters in the same column are significantly different among treatments at 0.05 level.

对PM2.5上的水溶性离子进行离子平衡的解析（图6）。无论是出气口位置还是环境本底PM2.5颗粒，PM2.5颗粒上解析出来的阳离子所带的电荷量高于阴离子，与Martin等[21]的研究结果一致。从电荷平衡的角度来考虑，可能是本研究中对于部分阴离子没有进行测量所致，包括F-、CO32-等。CO32-的相对分子质量较大，同时广泛来自于土壤等样品的颗粒物中；且本研究中观察到的Ca2+和Mg2+都极易与CO32-离子进行结合[21,42]，因而CO32-的检测缺失可能是造成电荷不平衡的重要原因。

注：离子交换量的计量为离子的毫摩尔浓度乘以价数，Ex Cations 为出气口PM2.5上阳离子， Ex Anions为出气口PM2.5上阴离子，Am Cations为环境本底PM2.5上阳离子，Am Anions为环境本底PM2.5上阴离子

3 结 论

对北京郊区某规模化蛋鸡养殖舍冬季的NH3和颗粒物（PM2.5、PM10和总悬浮颗粒（total suspended particulates, TSP））排放进行了监测，通过二氧化碳平衡法对排放通量进行了核算；同时结合对PM2.5颗粒上水溶性离子成分的解析，结论如下：

1）在冬季8 d的监测周期内，蛋鸡舍出风口处NH3平均质量浓度为（4.58±3.29）mg/m3，范围在0～ 13.2 mg/m3之间；每只鸡NH3平均排放通量为（32.2± 12.5）mg/d，范围在17.2～54.5 mg/d之间；NH3浓度及NH3排放随着1次/2 d的清粪频率呈现2 d的周期变化趋势。

2）蛋鸡舍出风口位置处PM2.5、PM10和TSP质量浓度分别为（0.13±0.06）、（0.81±0.16）、（3.28±1.32） mg/m3，大小范围分别在0.07～0.22、0.63～1.07、1.9～5.3 mg/m3之间；每只鸡排放通量分别为（0.7±0.4）、（6.3±1.4）、（27.6±12.5）mg/d。

3）蛋鸡舍内TSP和PM10的排放呈现明显的日间高，夜间低的趋势。清粪日期间，鸡舍内TSP日间排放是夜间的5.6～7.1倍，PM10为3.2～4.2倍，PM2.5为6.1～7.3倍。在非清粪日，TSP日间排放是夜间的2.1～2.4倍，PM10为1.8～2.4倍，PM2.5为0.8～2.2倍。除清粪作业，鸡群的日间活动外，舍内PM2.5浓度一定程度上受舍外环境本底值影响。

4）在监测期内，舍内PM2.5与PM10的比例为10.4%～20.4%。区分日夜变化时，在非清粪日，夜间比例（8.5%～22.8%）高于日间（7.6%～14.9%）；在清粪日，日间比例（16.0%～22.2%）高于夜间（8.1%～13.3%）。

5）出气口和环境本底PM2.5颗粒上的水溶性离子成分中，出气口PM2.5颗粒上K+、Mg2+含量均显著高于环境本底（<0.05）；对于二次无机气溶胶离子，NH4+、NO3-、SO42-在出气口PM2.5颗粒和环境本底PM2.5颗粒上的含量没有显著性差异(>0.05)。对离子平衡进行解析，无论是出气口PM2.5还是环境本底PM2.5，PM2.5颗粒中解析出来的阳离子所带的电荷量高于阴离子。

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Study of ammonia and particulate matter emission characteristics from large-scale cage layer house in winter

Wang Yue1, Yang Jinfeng1, Xue Wentao1, Sun Qinping1, Zhu Zhiping2, Tian Zhuang1, Li Xinrong1※, Zou Guoyuan1

(1.,,100097,; 2.,,100081,)

The ammonia (NH3) and particulate matter (PM) emissions from livestock farming have been an important issue for influencing the animal health and social environment. Among the different livestock categories, the layer production has been proven to have higher NH3and PM emission potentials when compared with cattle or pig rearing. Also, with the increasing demand of egg protein due to urbanization during these years in China, layer production has become an important industry in North China region, causing the layer production to be an important NH3and PM emission source in this region. However, with the upgrade of livestock house structure and farm management, also the deeper knowledge of PM hazard on health, as well as the high intention on the relationship between the NH3emission and the haze event, the former monitoring information of NH3and PM emissions in livestock house can’t meet the urgent demand for evaluating and mitigating of the livestock NH3and PM emissions nowadays. In this study, the NH3and PM emissions (including PM2.5, PM10and total suspended particulates (TSP)) from a typical large-scale cage layer house (100 000 birds per house) in suburb Beijing were monitored for a consecutive eight days during winter, and the NH3and PM emission fluxes were estimated based on carbon dioxide balance method. The results showed that, the average NH3concentration of the air outlet from the layer house was (4.58±3.29) mg/m3, and the NH3emission flux per bird was (32.2±12.5) mg/d. The PM2.5, PM10and TSP concentrations of the air outlet were (0.13±0.06), (0.81±0.16), (3.28±1.32) mg/m3, respectively; while the emission fluxes per bird were (0.7±0.4), (6.3±1.4), (27.6±12.5) mg/d, respectively. The NH3and PM emissions of the layer house showed an emission trend of a two days cycle, which was in accordance with the two days manure clean frequency indoor. The indoor TSP and PM10concentrations during the daytime were obviously higher than those of nighttime. In the days with manure belt cleaning, the concentrations of TSP, PM10and PM2.5during daytime were 5.6-7.1, 3.2-4.2 and 5.6-6.3 times as much as that during nighttime, respectively; while in the days without manure belt cleaning, the concentrations of TSP, PM10and PM2.5were 2.1-2.4, 1.8-2.4, and 0.8-2.2 times as much as that during nighttime, respectively. Besides of the manure cleaning manipulation and the layer activity during daytime, the indoor PM2.5concentration was influenced by the ambient air PM2.5conditions to some extent, causing the PM2.5concentration during daytime couldn’t always be higher than that during nighttime, especially when the haze event suddenly occurred during nighttime. The ratio of PM2.5to PM10of the air outlet was 10.4%～20.4%. The K+, Mg2+contents of the PM2.5in the air outlet were significantly higher than those of the ambient air PM2.5(<0.05). For the particle ion balance of the PM2.5from the air outlet and the ambient air, the analyzed cations were higher than anions. The results of this study can provide a scientific basis for compiling the NH3and PM emission inventories for livestock industry; also the analysis for the PM elements can provide basis for studying the formation mechanism of secondary inorganic aerosols and PM source apportionment.

ammonia; PM; monitoring; layer house; emission concentration; emission flux; water-soluble ions

王悦，杨金凤，薛文涛，孙钦平，朱志平，田壮，李新荣，邹国元. 规模化笼养蛋鸡舍冬季氨气和颗粒物排放特征研究 [J]. 农业工程学报，2018，34(23)：170－178. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.021 http://www.tcsae.org

Wang Yue, Yang Jinfeng, Xue Wentao, Sun Qinping, Zhu Zhiping, Tian Zhuang, Li Xinrong, Zou Guoyuan. Study of ammonia and particulate matter emission characteristics from large-scale cage layer house in winter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 170－178. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.021 http://www.tcsae.org

2018-09-27

2018-10-17

国家重点研发计划项目（2017YFD0800804；2017YFD0801405；2018YFC0213303）；国家自然科学基金(31702154)；大气重污染成因与治理攻关项目(DQGG0208)；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（KJCX20180708）联合资助

王悦，助理研究员，博士，主要从事畜禽养殖空气环境质量研究。Email：yuewang2008@126.com

李新荣，副研究员，博士，主要从事农业大气环境科学研究。Email：xr0955@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.021

S851.2+4

A

1002-6819(2018)-23-0170-09