规模化猪舍春季氨排放监测及影响因素研究

陈 丹，曹 昀，2*，王佳艺，李 枭，谢芹招

（1.江西师范大学 地理与环境学院，江西 南昌330022；2.江西师范大学 鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌330022）

【研究意义】我国氨的排放量呈逐年增加的趋势，尤其是改革开放以来，畜牧、家禽饲养、氮肥生产和使用均迅速发展[1]。我国畜禽养殖氨排放量占人为源的40.79%[2]。畜禽养殖氨排放是农业源氨排放最主要的来源，而农业源则是大气氨排放最主要的来源，因此从源头上控制氨气排放，对降低大气二次无机盐及PM2.5浓度水平，控制雾霾污染，大幅提升空气环境质量尤为重要[3]。生猪养殖所产生和排放的污染物是畜禽养殖业污染物产生和排放的主要来源[4]。猪舍内产生的空气污染物分为气体、颗粒物和空气微生物[5]，其中有代表性的气体是氨和氮气[6]。氨气的产生既威胁到猪自身的健康，也对人类环境产生重大的影响。【前人研究进展】迄今为止，大多数猪舍内氨和氮气浓度的排放都是发达国家在进行研究，主要是美国与欧盟[7]。我国对猪舍氨排放研究尚处于起步阶段，国内学者对开放性猪舍初步探讨了栏舍地板结构对栏舍氨排放的影响[8]。对栏舍氨排放与温度、湿度等主要影响因子还缺乏深层次探讨，此外还无针对特定春季期间育肥猪的氨排放做系统研究。【本研究切入点】江西省是全国养猪大省，2018年江西省生猪出栏量高达3 124.0万头，全国排名靠前[9]。南昌市生猪年出100头以上规模养殖场的养殖量占养殖总量的91.1%。散养户数量庞大，但养殖数量比重较低[10]。【拟解决的关键问题】本研究通过选取南昌市某规模化生猪养殖场，春季不同质量的育肥猪栏舍氨排放浓度，核算育肥猪排放速率，跟踪研究南昌市规模化养猪场春季栏舍氨排放变化特征，辨析氨排放重要影响因素，为我国研究畜禽养殖业污染，区域性畜禽养殖业氨排放综合治理提供技术支撑，为建设环境友好型社会，降低大气污染做出科学性贡献。

1 监测方法

1.1 养殖场概况

图1 养殖场平面图Fig.1 Schematic of pig farm and sampling sites

监测点选取南昌市某规模化生猪养殖场，该养殖场存栏量600头，年出栏量1 000头。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别于2019年3月27—30日、2019年4月11—14日、2019年5月28—31日进行监测，猪舍采用自然通风方式，养殖区标准化猪舍21栋，养殖场平面图见图1。调查猪群为不同质量的育肥猪，地面为水泥实心板，清粪类型为高床养殖、人工干清粪清理模式，粪水通过人工清理集中到集粪池，其饲养管理按照正常的生长规程操作，监测点栏舍概况见表1。

表1 监测点栏舍养殖与栏舍概况Tab.1 Farm description and information for pigs housed inside barns

1.2 监测指标与方法

在监测猪舍内外、背景点设置便携式气象站（Kestrel 5000），记录气象：风速、气温、湿度、气压）数据；采用便携式气体检测仪（smart pro 10，监测量程为（0～100）×10-6，分辨率为0.01×10-6，传感器为瑞士MEMBRAPOR-CR50，检测精度为±2%F·S），在监测期间每天记录CO2、NH3数据。气象要素观测点与气体检测仪各采样点布点位置、数量相同。各采样点气象要素观测仪器安置高度与气体检测仪装置相同。猪舍舍内采样点的气体采集高度为离地面30 cm，对应猪呼吸位置。舍外采样点在距离栏舍5 m，高度为1.5 m处设立采样点。在养殖场区常年盛行风为上风向的空旷地区（半径15 m无粪污与栏舍设施）进行背景采样点布置，采样点高1.5 m。

连续监测96 h CO2、NH3，每10 min自动记录数据并存储，每次测定前气体检测仪用标准气体进行校正。栏舍内外、背景点的温度、湿度、气压测量次数、时间段与便捷式气体检测仪保持一致。

1.3 计算方法

1.3.1 采样时间段栏舍通风量 通风量参考国家发布的《大气氨源排放清单技术指南》，见式（1）。

式（1）中：Vi是采样时间的栏舍的通风量，m3/h；n为栏舍中个体数，头；α为CO2浓度变化的振幅（α取值最大为0.2；一般取值0.1）；t为采样所处的时间段，h；ρCO2为CO2密度，1.977 kg/m3；Cin.CO2与Cout.CO2分别为室内外CO2浓度，mg/m3。

φtot为猪的代谢产热，见公式（2）[11]

式（2）中：m为猪的平均体质量，kg；ω为猪采食能量与维持生命活动能量之间的相关系数，根据不同体质量的猪进行关系数的取值，Tin为猪舍内部温度，℃。

1.3.2 氨排放速率

式（3）中：ai为采样时间段栏舍氨排放速率，m3/h；见公式（3）[12]；Vi是采样时间的栏舍的通风量，m3/h；ρin与ρout分别为采样时间段栏舍内，外氨气平均浓度，mg/m3；

1.4 数据处理与分析

方差分析采用单因素方差分析（one-way ANOVA），Duncan新复极差法统计检验不同氨浓度的差异显著性，显著水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 温湿度

对不同质量的育肥猪栏舍内外氨浓度、温度和湿度进行单因素方差分析（表2）。从温度来看，监测期间的舍外温度来看平均温度在11.49～22.17℃，舍内平均温度在11.96～24.37℃，舍内温度均值要高于舍外，与栏舍内猪的自身散热条件以及日常温度变化有关。从湿度来看，其中舍外平均湿度分别为90.31%、87.32%、82.90%，舍内平均湿度分别为87.73%、78.44%、75.39%，舍外的湿度要高于舍内的湿度，主要原因为育肥猪栏舍内温度较高，因此湿度相对舍外会较低一些，且猪舍的清粪方式为干清粪，对比大多数水冲清粪对湿度的影响，该清粪便方式对湿度影响作用不大。

2.2 氨质量浓度

育肥猪舍外的氨平均质量浓度均低于舍内，育肥猪Ⅲ舍内的氨平均质量浓度明显较高于育肥猪Ⅰ、Ⅱ舍内外氨平均质量浓度。舍外的氨平均质量浓度在0.09～0.20 mg/m3，舍内氨平均质量浓度在0.88～1.23 mg/m3。育肥猪Ⅰ的氨质量平均浓度最低，舍内外的氨质量浓度平均值分别为0.88 mg/m3、0.09 mg/m3；育肥猪Ⅱ舍内外的氨质量浓度平均值分别为1.09 mg/m3、0.10 mg/m3；育肥猪Ⅲ的氨质量平均浓度最高，舍内外的氨质量浓度平均值分别为1.23 mg/m3、0.20 mg/m3。相对于育肥猪Ⅰ、Ⅱ而言，育肥猪Ⅲ的质量较大，养殖数量也较多，且养殖场所在区域3、4月份的均温要低于5月份的均温，因此育肥猪Ⅲ的舍内氨平均质量浓度呈最高值（表2）。

表2 不同质量育肥猪栏舍内外的平均温度与平均湿度、氨平均浓度Tab.2 NH3 concentration，temperature and humidity in and out of fattening pigpen of different quality

2.3 氨质量浓度日变化过程

栏舍内外的氨浓度存在明显的日变化过程，大致表现为早晨氨浓度开始波动上升，至午后开始有所降低，夜间的氨浓度波动不大并且数值较低。氨最大浓度由高到低依次为育肥猪Ⅲ舍内、育肥猪Ⅱ舍内、育肥猪Ⅰ舍内、育肥猪Ⅲ舍外、育肥猪Ⅱ舍外和育肥猪Ⅰ舍外，栏舍内氨浓度最大值均出现在06：00—12：00左右。育肥猪Ⅲ栏舍由于养殖量和猪的重量相对较大，氨浓度日变化过程尤为明显；最小值出现在夜间。栏舍外氨浓度日变化相对较小，其波动趋势与栏舍内日变化基本一致（图2）。

图2 育肥猪栏舍内外氨质量浓度日变化过程Fig.2 Diurnal variation of ammonia concentration in and out of fattening pigpen

2.4 氨排放速率

2.4.1 小时排放速率 栏舍每小时单位育肥猪的氨排放量具有显著的日变化过程，与舍内外氨排放浓度日变化趋势相似，即06：00氨排放速率开始逐渐上升，到中午呈相对高值，午后排放速率逐渐降低，至夜间呈现低排放速率（图3、4、5）。

上午受到人为活动的干扰以及育肥猪自身活动的影响，氨排放峰值出现在12：00。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ每日最大小时氨排放速率平均值分别为124.27，203.71，294.85 mg/(h·头），育肥猪Ⅲ的每日最大小时氨排放速率是育肥猪Ⅰ的2.37倍，育肥猪Ⅱ的1.45倍。夜间猪处于睡眠状态，无人为因素干扰，因此21：00至03：00保持低排放速率。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ每日最小小时氨排放速率平均值分别为79.73，170.47，181.14 mg/(h·头）。

图3 育肥猪Ⅰ栏舍内每小时氨排放速率日变化过程Fig.3 Changes of ammonia emission rate concentration per 1 hour indoor of fattening pigpen-Ⅰ

图4 育肥猪Ⅱ栏舍内每小时氨排放速率日变化过程Fig.4 Changes of ammonia emission rate concen tration per 1 hour indoor of fattening pigpen-Ⅱ

图5 育肥猪Ⅲ栏舍每小时氨排放速率日变化过程Fig.5 Changes of ammonia emission rate concentration per 1 hour indoor of fattening pigpen-Ⅲ

2.4.2 日排放速率 育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的栏舍日排放速率分别为3.46，4.99，5.68 g/(头·d），在获取育肥猪舍氨排放浓度监测数据基础上，分别计算不同质量育肥猪氨排放总量，育肥猪Ⅰ、育肥猪Ⅱ、育肥猪栏舍日排放总量别为1 243.59，1 648.07，1 892.01 g/d。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平均个体质量分别为20，27.5，35 kg，育肥阶段，更高体质量的育肥猪随着饲喂量的上升，氨排放速率随之呈上升趋势[13]。氨排放量随着个体质量的增大而增大，质量相对较大的育肥猪Ⅲ的日氨排放速率是育肥猪Ⅰ的1.64倍，育肥猪Ⅱ的1.12倍。

图6 氨排放速率与温度相关关系Fig.6 Relationship between ammonia emission rate and temperature

2.5 氨排放影响因素研究

温度、湿度是影响育肥猪舍氨排放速率的重要因素，温度高、湿度低条件下氨排放速率会增大，反之则减小[14]。在相应的温湿度条件下，对育肥猪舍的氨排放速率与温湿度进行单因素相关分析，结果显示与温度呈极显著正相关（图6），与湿度呈极显著负相关（图7）。对栏舍氨小时排放速率与温度、湿度的响应关系进行二元线性回归分析发现氨排放速率与温、湿度响应关系显著（表3）。育肥猪Ⅰ、Ⅱ的氨排放速率与温湿度之间存在显著性差异（P＜0.01），育肥猪Ⅲ的氨排放速率与温湿度之间存在极显著差异（P＜0.001）。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ栏舍温湿度与与氨排放速率线性回归关系存在较大的差异，相关系数分别为0.911，0.609，0.956，由大到小依次为育肥猪Ⅲ、育肥猪Ⅰ和育肥猪Ⅱ。

图7 氨排放速率与湿度相关关系Fig.7 Relationship between ammonia emission rate and humidity

表3 栏舍氨排放速率与温度、湿度响应关系Tab.3 Response relationship between ammonia emission rate and temperature and humidity in layer house

3 讨论与结论

3.1 栏舍氨排放浓度变化

各栏舍氨排放浓度存在显著差异，育肥猪Ⅰ栏舍内外的氨质量平均浓度分别为0.882 mg/m3和0.093 mg/m3，育肥猪Ⅱ栏舍内外的氨质量平均浓度分别为1.091 mg/m3和0.104 mg/m3，育肥猪Ⅲ栏舍内外的氨质量平均浓度分别为1.235 mg/m3和0.201 mg/m3，育肥猪Ⅲ栏舍内的氨浓度最高。春季育肥猪栏舍外氨浓度最大值出现在5月28日，为0.28 mg/m3，最小值出现在3月27日，为0.03 mg/m3，最大值是最小值的9.33倍；舍内氨气浓度最大值出现在5月28日，为2.01 mg/m3，最小值出现在3月30日，为0.52 mg/m3，最大值是最小值的3.87倍。春季的环境温度较低，舍内外的温度差较大，导致栏舍内外的氨浓度差距较大。由于本研究的育肥猪重量较小并且数量低，结果较低于5月棚舍空气中平均氨浓度研究结果[15-16]。栏舍氨浓度变化趋势与规模化猪场NH3排放特征及影响因素研究[17]一致，氨浓度日变化呈现上午波动升高，晚上浓度降低的趋势。

3.2 栏舍氨排放速率变化

根据育肥猪舍氨排放速率分析表明，日变化过程十分显著。饲喂、清粪等人为扰动会增加栏舍的氨排放[18]，呈现06：00育肥猪逐渐开始活动，氨排放随之增大，受人为清粪的影响，在清粪时间段后氨浓度有所下降，氨排放速率由此降低，这一结果与Wang[19]研究结果一致。中午的温度较高，氨排放速率达到一个相对的较高值，下午受人为饲喂的影响，13：00—15：00的氨排放速率也会相对较高，随后至夜间保持低值速率。本研究结果符合白天氨排放速率均高于夜间，育肥猪在上下午期间氨排放速率会达到一个相对较高值实验证明[20]。由于3、4月份的温度还处于冬季的转换阶段，5月份的气温较高，加快了微生物的活性，促成了栏舍内排泄物的分解[21]，3、4月份的氨排放速率低于5月份。

3.3 不同重量育肥猪氨排放速率比较、与温湿度相互关系

育肥猪Ⅰ、育肥猪Ⅱ、育肥猪Ⅲ栏舍内日排放速率分别为3.46，4.99，5.68 g/(头·d）；育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ栏舍内每日最小小时氨排放速率平均值分别为79.73，170.47，181.14 mg/(h·头）。育肥猪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ栏舍内每日最大小时氨排放速率平均值分别为124.27，203.71，294.85 mg/(h·头）；3、4、5月份氨排放速率与温度的相关系数分别为0.614，0.839，0.745；与湿度的相关系数分别为0.883，0.589，0.813。小时氨排放速率与温度呈极显著正相关（P＜0.001），与湿度呈显著负相关（P＜0.001），氨排放速率与温湿度响应关系显著，这与Dourmad等[22]研究结果一致。

本研究通过监测分析显示自然通风、干清粪、高床养殖下育肥猪舍的氨气小时变化速率、日变化速率以及育肥猪舍的NH3浓度与温湿度之间存在的关系。根据研究[23-25]表明通风设施、猪舍建设、调整饲料的组成与猪舍的空气质量有直接的联系，因此在猪舍合理建设以及饲粮调控影响下，适当的温湿度与通风条件，不仅能更好促进猪的生长发育，对猪舍氨排放量降低也有相应作用。