不同養殖階段豬舍氨氣和顆粒物污染特征及其動態

許 穩，劉學軍，孟令敏，鄭 鯤

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

氨氣（NH3）和顆粒物污染已成為全球畜牧業主要的環境問題之一[1]。人和動物長期暴露在高濃度的NH3和顆粒物環境中，容易導致呼吸道疾病的發生，如慢性咳嗽、慢性支氣管炎、過敏反應和哮喘等[2]。此外，NH3和顆粒物均是主要的大氣污染物，可引起一系列的生態環境負面效應：大量的NH3排放到大氣，會通過大氣干濕沉降過程返回到地表，進而引起一系列的環境問題，如水體富營養化、土壤酸化、生物多樣性減少，且影響生態系統的穩定性[3-4]；畜禽舍內顆粒物的排放不僅會惡化周邊空氣質量，影響周邊居民身體健康，而且也會對氣候產生影響[5]。

畜禽舍內的NH3源主要為動物糞便、尿液和剩余飼料，而舍內顆粒物主要來源于飼料、糞便、動物皮膚、體毛和羽毛，是大氣顆粒物的重要貢獻源[6]。為了保護飼養員和動物的健康及減緩對環境的負面影響，世界范圍內的環境科學家從畜禽舍的通風類型、地板類型、糞便管理模式、喂養模式等各方面來比較，評估不同豬舍類型和管理模式對減少舍內NH3和顆粒物濃度及排放的效果[7]。

預計到2020年，世界范圍內對豬肉的需求量將增加75%[8]。我國豬肉產量約占世界豬肉產量的50%[9]。集約化養豬場豬舍內產生的NH3和顆粒物不僅對周邊環境的污染日益嚴重，而且威脅到人類和動物的健康。Van Ransbeeck等[10]對漏縫地板、機械通風的育肥豬舍中的顆粒物和NH3濃度進行了兩個飼養周期、為期一年的測定，結果顯示舍內PM10、PM2.5、PM1的年均濃度分別為 0.719、0.039 和 0.015 mg·m-3，舍內NH3的平均濃度為14.2 mg·m-3。我國針對養豬場NH3和顆粒物濃度的監測研究日益增多，大部分集中于育肥期豬舍[11-13]。朱志平等[11]采用比色法探究了不同月份育肥舍內NH3濃度的季節變化和日變化。劉楊[12]利用顆粒物采樣器分析了機械通風育肥舍內PM10、PM2.5和TSP（總懸浮顆粒物，空氣動力學當量直徑d≤100 μm）日均濃度的季節變化規律。Huaitalla等[13]利用紅外光探測儀在線監測了我國不同豬舍內PM10、PM2.5和PM1在夏季和冬季的實時濃度，但國內針對不同養殖階段豬舍內NH3和顆粒物污染信息仍不夠完善，進而約束了養豬場整體空氣環境評價工作的開展。本研究監測了北京郊區一個集約化養豬場內4個養殖階段（妊娠期、哺乳期、保育期和育肥期）豬舍內NH3和顆粒物的濃度，初步探明不同養殖階段NH3和顆粒物的濃度差異、季節性變化，及不同粒徑顆粒物占TSP的比例，以期為養豬場大氣污染控制措施和法規的制定提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 采樣豬場概況

本試驗于2010—2011年在北京市順義區趙全營鎮北郎中村北郎中養豬場（116.7°E，40.1°N）進行。該養豬場面積約為10 hm2，包含東廠和西廠兩個廠區，共有56棟豬舍。東廠有28棟豬舍，主要是育肥豬舍；西廠有28棟豬舍，主要是母豬舍。豬場的年存欄量約為8000頭，年出欄育肥豬和種豬約為15 000頭。豬場內的采樣點選在4個養殖階段豬舍，包括育肥舍、妊娠舍、哺乳舍和保育舍。

1.2 豬舍類型

育肥舍長50 m、寬8 m、高2.4 m，豬舍內有兩排東西走向的豬欄，中間為1 m寬的走道。每排各有欄位16個，每個欄位長3 m、寬3.5 m，欄內有與污水溝相連的2°斜坡的水泥地板。豬舍的南北墻各有14扇窗戶。育肥期約為80～120 d，豬進舍體質量約為20 kg，出舍體質量約為100 kg。

妊娠舍的大小、構造和育肥舍相同。妊娠期大約為110 d，進舍體質量為120～180 kg，出舍體質量為150～200 kg。

哺乳舍長17.3 m、寬11 m、高2.7 m，豬舍東西走向，中間為1.5 m寬的過道。豬舍采用離地面0.1 m高的鐵欄床，其水泥地板有2°斜坡，與污水溝相連。豬舍的南北墻各有7扇窗戶。哺乳期約為35 d，小豬出生體質量約為1.5 kg，出欄體質量約為10 kg。

保育舍長14.5 m、寬11 m、高2.4 m，豬舍采用離地面0.1 m的網格床，南北墻各有7扇窗戶。保育期約為30 d，豬進舍體質量約為10 kg，出欄體質量約為20 kg。

所有豬舍的窗戶和門在夏天全部打開，在冬季全部關閉；在春秋季所有窗戶和門在白天打開，晚上則關閉。養豬場及各實驗豬舍的其他主要信息見表1。

1.3 樣品采集與分析方法

1.3.1 氣態NH3

離線NH3樣品采樣期為2010年7月—2011年1月，覆蓋夏季（7月和8月）、秋季（9—11月）和冬季（12月至次年1月）。采樣期間分別對4個飼養階段豬舍內NH3濃度進行監測，包含1個育肥舍、1個妊娠舍、1個保育豬和1個哺乳舍，各豬舍內不同季節NH3采樣時期如表2所示。每個豬舍設1個采樣點，位于走道中央處，離地面2.0 m高。采樣頻率根據舍內NH3的濃度設置為3～7 d（一般夏季為7 d，秋冬季為3 d），每次采樣設置3個重復，樣品被采回后保存于4℃冰箱中，每月集中浸提、分析。時均NH3濃度的分析樣品采用英國生態水文中心（CEH，Centre for Ecology and Hydrology）提供的被動采樣器ALPHA（Adapted Low-cost Passive High Absorption）采集。每個采樣器主體為長26 mm、外徑27 mm的聚乙烯管，管子的一端含有一個5 μm的PTFE膜來阻擋空氣中的顆粒物進入，而氣態NH3可以通過PTFE膜擴散，并被管子另一端的采樣膜（用檸檬酸浸泡）吸附。被動采樣器ALPHA與主動采樣器DELTA系統的采樣結果相似且兩者線性擬合程度較高[14]，已有研究采用ALPHA對豬舍內NH3進行監測[15]。

離線NH3樣品浸提方法：用鑷子將采樣膜從采樣器中取出放于100 mL的燒杯中，加入100 mL的高純水浸提，浸提過程中每小時輕搖燒杯，樣品充分浸提大約1～2 h后，用鑷子將采樣膜上的浸提液擠干，然后將其取出，浸提液置于4℃冰箱冷藏待測。浸提液分析采用連續流動分析儀（Continuous Flow Analyzer，AA3，德國）測定。連續流動分析儀的工作原理：樣品與水楊酸和二氯異腈脲酸鈉（DCI）反應生成藍色化合物，在660 nm波長下檢測，得到水樣中NH+4-N含量，并進一步根據浸提液的體積計算采集的NH3質量。空氣中 NH3濃度（C，μg·m-3）的計算公式如下：

C=0.944 12 ×（ma-mb）×106/βNH3×V

式中：0.944 12為浸提液中NH+4與氣態NH3的分子量比值；ma為樣品中 NH+4質量，μg；mb為空白樣品中NH+4質量，μg；106代表單位換算；βNH3為 ALPHA 被動采樣器的質量轉換校正系數（0.669 9）；V為有效采樣體積，m3。

有效采樣體積V計算公式如下：

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

式中，D為氣體的擴散系數，cm2·min-1；A為采樣器有效橫截面積，3.463 ×10-4m2；t為采樣時間，h；T 為環境溫度，℃；L為氣體的擴散距離，0.006 m。

表1 實驗豬場及各豬舍的主要信息Table1 Main information on the investigated pig farm and pig houses

表2 4種豬舍內NH3采樣時期（年/月/日）Table2 NH3sampling periods for four types of pig houses（year/month/day）

實時NH3濃度采用德爾格氨檢測管（手泵和氨管均購于德國Dr?gerwerk AG公司）測定。氨檢測管中填充固態酸性混合物以及遇堿變藍的pH指示劑溴苯酚，外表帶有刻度值，可檢測NH3濃度范圍為0.05～700 μL·L-1。每次采樣時將管子一口打開后連接手泵，抽氣結束后（一般為5～10次），結合管子變色的長度和外表刻度值可得到環境NH3的濃度值。實時NH3濃度的監測于2010年7月22—23日在妊娠舍、育肥舍和保育舍內進行，采樣從22日早上6：00開始到次日凌晨2：00結束。采樣點為豬舍的中心位置，采樣高度為1.5 m，每4 h采樣一次，每次設置3個重復。

1.3.2 顆粒物

在2010年8月20—27日和2010年10月2—9日期間，采用中流量顆粒物采樣器（TH-150CⅢ型，100 L·min-1，武漢天虹儀表有限公司）分別對保育舍和育肥舍內顆粒物（TSP、PM10和PM2.5）樣品進行連續監測。采樣點設在豬舍走道中央，采樣口距地面1.5 m高，每次連續采樣24 h。采樣濾膜采用北京賽福萊博公司進口的Staplex直徑為90 mm石英纖維素濾膜，采樣前將濾膜置于馬弗爐高溫加熱到900℃，保持2～3 h，然后冷卻至室溫，恒溫恒濕（20℃±2℃，40%±5%）24 h，再用百萬分之一天平（TB-215D，美國丹佛）稱質量。采樣后的濾膜在恒溫恒濕條件下平衡24 h后再次稱質量。然后放入干凈的鋁箔紙內于-20℃的冰箱內儲存備用。顆粒物濃度（mg·m-3）的計算采用重量法，即采樣后膜質量（g）減去采樣前膜質量（g），再除以標準狀態下的采樣體積（采樣器根據溫度自動校正，m3）。采用TSP與PM10的差值和PM10與PM2.5的差值分別計算出PM10-100（空氣動力學粒徑在10～100 μm之間的顆粒物）和PM2.5-10（空氣動力學粒徑在2.5～10 μm之間的顆粒物）的濃度。

1.3.3 環境溫度

4種豬舍內的溫度均采用Hobo Pro WEH（Onset Computer Corporation，美國）記錄，采樣位置和高度與采集日均NH3濃度分析樣品時相同。該設備每30 min記錄一次數據，精準度為±0.7℃。

1.4 統計分析

采用 SPSS 11.5（SPSS Inc.，美國）進行單因素方差分析，檢驗不同養殖階段豬舍內時均NH3濃度、不同季節NH3濃度、不同時刻實時NH3濃度差異的顯著性，顯著水平設為α=0.05。

2 結果與討論

2.1 月均NH3濃度

在2010年8月—2011年1月期間，育肥舍NH3的月均濃度變化范圍為1.55～5.24 mg·m-3，平均為3.26 mg·m-3（圖1a）。本研究測得的季節性濃度值明顯低于早期研究報道：夏季和冬季育肥豬舍內NH3濃度分別為（3.44±2.34）mg·m-3和（10.1±4.60）mg·m-3[10]。與國外研究相比，所測的NH3濃度均值接近于韓國相同類型的豬舍內NH3的平均濃度（3.87 mg·m-3）[16]，但明顯低于德國、英國和愛爾蘭養豬場育肥舍內 NH3濃度（7.59～30.0 mg·m-3）[17-19]。這主要是由不同類型的豬舍糞便清理系統和通風類型造成的[20]。國外的大部分豬舍為機械通風，且采用漏縫地板和深坑儲存糞便的方式，因此糞便的舍內存放增加了NH3從糞便的揮發和在舍內滯留的時間。本研究豬舍的糞便清理采用干清糞系統，即糞尿通過一定角度的斜坡自動分離，每天人工將糞便清理出豬舍并用水沖刷地板，這些措施均能有效降低舍內NH3的揮發[21-22]，從而使所測的NH3濃度低于上述國外的報道結果。妊娠舍內月均NH3濃度平均為3.48 mg·m-3（波動范圍為 1.22～6.35 mg·m-3，圖 1b），低于發酵床和傳統妊娠舍的NH3濃度（分別為4.61 mg·m-3和6.41 mg·m-3）[23]。哺乳舍內月均 NH3濃度為 1.12～4.59 mg·m-3，平均值為2.95 mg·m-3（圖1c）。保育期豬舍內月均NH3濃度平均值為2.94 mg·m-3（1.21～4.88 mg·m-3）（圖1d），明顯低于歐洲國家（如德國、英格蘭、愛爾蘭和丹麥）的報道值（4.0～7.0 mg·m-3）[18，24-25]。

比較不同階段豬舍，NH3濃度由高到低排列依次是妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此間差異不顯著（P＞0.05）。妊娠舍內NH3濃度較高，可能是由于妊娠期豬體質量最大，維持其正常的生理代謝需要攝入更多的含氮化合物[26]，致使排泄物中氮含量增加，從而增加舍內NH3的產生。類似地，由于育肥豬數量通常多于其他3個階段豬的數量（表1），這導致舍內排泄物增多，進而提升NH3揮發強度，使育肥舍NH3濃度較高。從季節性變化來看，4種豬舍內NH3濃度在夏季（8月）和冬季（12月和1月）分別處于最低和最高水平，且與其他季節濃度間存在顯著（P＜0.05）差異。這主要是豬舍窗戶的開關措施和通風速率的不同所致。夏季豬舍窗戶全部打開，增加了舍內外空氣的對流，進而降低了舍內NH3濃度；冬季窗戶全部關閉，使NH3在舍內大量累積，促使濃度上升。Ni等[27]研究表明，豬舍內NH3濃度與通風速率在一定程度上呈負相關性。本文中豬舍夏季的通風速率明顯高于秋季和冬季（2009—2011年育肥舍通風速率的季節變化見先前報道[15]），從而加速NH3向舍外擴散。

與國際上其他研究相比，本研究中豬舍內NH3濃度低于國際報道值，但仍存在健康風險。目前，許多國家為了保證飼養工人的身體健康，確立了豬舍內8 h 工作時間的 NH3濃度臨界值（19 mg·m-3）[25]。雖然各類型豬舍內NH3的濃度均明顯低于臨界濃度值（圖1），但值得注意的是，國際上的大部分豬舍的通風為機械通風，飼養人員基本無需進入豬舍工作，而本研究育肥舍和保育舍為自然通風系統，自動化程度低。并且，飼養員每天需要進行2次清理糞便和喂食，舍內的工作時間超過8 h，因而面臨潛在的健康風險。另外，長期處于高濃度NH3環境下的牲畜，其體重增速減緩且肉品質也會下降，從而影響養殖場的經濟效益和人類食品的安全[28]。鑒于以上分析，本研究建議豬場管理人員縮短飼養員的舍內工作時間或在秋冬季節適當打開豬舍窗戶來增加豬舍通風。另外，可從營養調控方面采取措施來減少NH3產生量，如降低飼糧中蛋白質的含量、加入非淀粉多聚糖和酸化后的鹽代替碳酸鈣等[29]。

圖1 豬舍氨氣濃度的月變化Figure1 Monthly variation in NH3concentrations inside pig houses

2.2 實時NH3濃度

本研究中育肥豬、保育豬和妊娠豬每天進食兩次，分別在8：00和16：30左右，之后清理舍內糞便和沖洗地板。育肥舍、妊娠舍和保育舍內實時NH3濃度的動態變化規律如圖2所示，NH3的波動范圍分別為3.43～6.73、0.82～4.51、0.99～3.14 mg·m-3。3 種豬舍內的NH3濃度均在第一次人工清糞后急劇下降，10：00時所測NH3濃度顯著低于6：00時。此結果表明舍內NH3的變化和舍內糞便的清理有一定的相關性，這一結果與Wang等[30]的報道類似。但是，在第二次清糞（16：30—17：00）后相似的現象并未在育肥舍和保育舍內發生，NH3濃度在18：00時和14：00時處于相似的水平，這一現象可能與豬的排泄物增加有關。豬的第二次進食是在16：30，豬通常在進食1～2 h排泄糞便[31]，舍內新鮮的糞便會揮發出大量的NH3，因此導致NH3濃度在18：00時仍處于較高水平。

2.3 顆粒物濃度

如圖3所示，8月20—27日期間保育舍內日均TSP、PM10、PM2.5濃度的平均值分別為 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日期間育肥舍內日均TSP、PM10、PM2.5濃度平均值分別為 2.39（1.62～2.87）、0.88（0.56～1.05）、0.40 mg·m-3（0.18～0.67 mg·m-3）。進一步細分顆粒物粒徑發現，保育舍和育肥舍內顆粒物濃度均表現出：PM10-100[平均值分別為（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。這3種粒徑顆粒物占保育期豬舍所測TSP的比例分別為82%、11%和7%，而在育肥舍內分別為63%、20%和17%。這些結果表明豬舍內顆粒物污染以大于10 μm粒徑的顆粒物為主，這很可能與飼料粉末再懸浮有關。空氣中PM10能夠通過人類呼吸攝入并且累積到呼吸系統中，其中PM2.5由于粒徑很小而很容易寄宿到肺中，帶來健康危害[32]。與我國二級標準日均濃度值（環境空氣質量標準GB 3095—2006中TSP：300 μg·m-3；PM10：150 μg·m-3；PM2.5：75 μg·m-3）相比，超過標準值的TSP、PM10和PM2.5樣本數分別占到總樣本數的100%、93%和79%。顯而易見，3種豬舍存在嚴重的顆粒物污染。因此，為提高舍內空氣質量，保護人和動物的健康，制定和實施更為綜合完善的顆粒物減緩措施迫在眉睫，如增強豬舍通風、使用濕飼料以及向舍內空氣中噴射水霧。

圖2 豬舍內實時NH3濃度的動態Figure2 Dynamic of real-time NH3concentrations in the three pig houses

圖3 豬舍內不同粒徑顆粒物日均濃度（8月20—27日在保育期豬舍，10月2—9日在育肥期豬舍）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 結論

（1）4種豬舍內NH3濃度水平表現為妊娠舍＞育肥舍＞哺乳舍＞保育舍，但彼此間差異未達到統計學顯著水平。各豬舍NH3濃度均存在明顯的季節性變化：冬季最高，秋季次之，夏季最低。

（2）實時的NH3濃度結果表明上午清糞能夠顯著降低舍內氨氣濃度水平，但其效果受到豬排泄活動的影響。

（3）保育舍和育肥舍內的顆粒物主要是以粒徑在10～100 μm間的顆粒物為主，分別占所測TSP質量濃度的82%和63%。

（4）本研究所測4種豬舍內NH3濃度低于國外同類型豬舍報道值，但育肥舍和保育舍內至少76%以上的TSP、PM10和PM2.5濃度值高于相應的國家二級標準日均濃度值，可能對人類和動物造成健康危害。因此，豬場需采取可行性措施（如降低飼料蛋白含量、增強舍內外通風）提升舍內空氣質量。

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