半開放式豬舍內不同飼養階段空氣顆粒物的質量濃度分布及其影響因素研究

郭子立 郝曉霞宋威臻胡紅文 白 蓮白 林*

（1四川農業大學動物科技學院，四川成都 611130；2四川省內江市農業科學院，四川內江 641000）

近年來，我國養殖業迅速發展，一些養殖場在養殖過程中會向周圍環境中釋放大量的顆粒污染物[1]，空氣中的顆粒物會與水分子、微生物、氣體等相結合形成相對穩定的膠體粒子[2-4]，從而對動物健康造成威脅。在秋冬季節，動物肺部易燥，且豬舍密閉保溫、通風不良，會導致舍內空氣質量下降，豬舍內如果顆粒物含量過高，豬只長期受顆粒物刺激易患支氣管炎、氣管炎和肺炎。生長育肥豬發生呼吸道疾病后，會出現精神沉郁、咳嗽、打噴嚏、腹式呼吸、呼吸困難、成為“掉隊豬（僵豬）”等情況[5]。豬如果出現呼吸道綜合征后，機體免疫力下降，更容易感染其他病原菌而致病，最終導致生豬生長速度緩慢、飼料報酬下降、出欄時間推遲等[6]。

針對空氣中顆粒物對畜禽的危害，Bakutis等[7]將顆粒物作為畜禽舍中的空氣污染物進行了研究，Visser等[8]對隧道通風式雞舍內外空氣中的顆粒物質量濃度進行檢測，豬舍和牛舍內空氣中顆粒物的分布，及其舍外傳播擴散規律也被陸續報道[9-13]。Kim[14]采用空氣過濾器有效降低了豬場空氣中的顆粒物和生物成分。國內的相關研究主要集中在畜禽舍內微生物氣溶膠以及向大氣環境擴散特征和潛在的生物安全風險[15-18]等方面，吳勝[19]和陳曉亮[20]等研究了規模化豬場內總懸浮顆粒物（TSP）的舍內分布規律，汪開英等[21]對保育豬舍內顆粒物隨空氣條件的變化做了CFD模擬研究，閆懷峰[22]和王樹華等[23]研究了空氣電凈化自動防疫系統和空氣智能凈化系統對降低舍內粉塵的作用。有關畜舍內的PM2.5（粒徑≤2.5μm的顆粒物）、PM10（粒徑≤10μm的顆粒物）和TSP（粒徑≤100μm的顆粒物）質量濃度的報道均只在育肥豬舍內進行過檢測[12,25]。陳峰等[26]研究的蛋雞舍顆粒物濃度的結果表明，顆粒物質量濃度還與畜禽種類、通風、晝夜、季節變化和飼養條件等因素有關。不同養殖階段豬舍空氣中顆粒物質量濃度的變化尚缺乏詳細的研究，引起總顆粒物變動的粒徑主體也并不明確。

因此，本研究以四川地區某豬場為研究對象，針對該豬場不同養殖階段豬舍內空氣中的顆粒物含量進行檢測，考察養殖類型、飼喂行為、通風條件和季節等因素對豬舍中PM2.5、PM10和TSP的影響，以期為規模化養殖場空氣質量控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗豬舍

試驗在四川農業大學雅安試驗基地的豬場進行，豬場布局見圖1。豬場內設有飼料間、妊娠舍、哺乳舍、保育舍、育肥舍，還有較大面積的菜地。試驗豬場全場采用人工飼喂，飼料均為學校食堂剩飯剩菜經過發酵后混合制成的顆粒飼料，鴨嘴式自動飲水器飲水。畜舍均為半開放式雙坡有窗結構，采用自然通風，玻璃窗安裝在兩側墻壁。豬舍檐高3 m，跨度10 m，長度各不相同（見表1），舍內走道依畜舍結構也不相同，保育舍和哺乳舍均被分割為7個小單元舍。豬舍地面為全漏縫地板，水泡糞方式清糞，所有糞污均被集中于地下沼氣發酵設施中統一處理。各舍內豬只數量不等，試驗期間舍內均有空余圏欄。

表1 試驗豬舍基本情況

1.2 試驗材料

顆粒物便攜式采樣器（型號為MiniVol，美國AiaMetrics公司）；玻璃纖維濾膜（英國Whatman公司）；電子分析天平（BSA124S Sartorius）；干燥器、硅膠、凡士林、濾紙、鑷子、氣壓計、溫濕度計等（萬科公司）。

1.3 測點布置

顆粒物采樣點的布置見圖1中星型圖標所示。妊娠舍和育肥舍內的顆粒物監測點位于豬舍走道中部，保育舍和哺乳舍均是由7個小單元舍構成，采樣時選擇位于較中間的小單元，采樣點布于單元內的走廊中間位置。所有采樣點均距離舍內地面1.5 m，PM2.5、PM10和TSP切割頭的高度相同。

1.4 監測指標

試驗時間為2017年6—9月份和2017年11月至2018年1月。試驗監測指標為豬舍中的PM2.5、PM10和TSP質量濃度。每棟豬舍的不同指標連續測量3 d，每天采樣 4 次，每次 2 h，分別在 5：00—7：00、9：00—11：00、12：00—14：00、16：00—18：00 進行采樣，采樣的同時監測豬舍內的溫度、濕度、大氣壓強，以免舍內溫濕環境出現巨大變化對試驗結果造成影響。分別在妊娠舍、哺乳舍、保育舍、育肥舍內監測顆粒物質量濃度，并關注畜舍的喂料時間，于飼喂前后檢測顆粒物質量濃度變化。夏季人為設置風機，觀測不同通風情況對顆粒物質量濃度的影響。分別于夏季和冬季進行監測，記錄顆粒物質量濃度隨季節變化的情況。

圖1 豬場布局圖

采用便攜式顆粒物采樣器進行自動采樣，方法如下。

①將收集顆粒物的濾紙在干燥器中干燥24 h，然后稱干燥后的濾紙重，計為m1（mg）；

②在豬舍中心位置放顆粒物采樣器，將采樣器安裝固定好，并置于相對安全的位置，防止豬將設備弄壞；將干燥后已稱重的濾紙放置在顆粒物采樣器中承接灰塵的濾網一面，設置采集顆粒物時段，設定好采集時段及空氣流速后開始采集顆粒物；采集顆粒物后，將濾紙從采樣器中取出，放入干燥器中干燥24 h，干燥后稱含顆粒物的濾紙重，計為m2；

③在采集顆粒物的時段內，通過觀察壓力計進行讀數，測定豬舍的氣壓（mmHg）并記錄；讀取溫濕度計上的溫度和濕度數據，并記錄。

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10～100μm之間的顆粒物）和PM2.5～10（空氣動力學粒徑在2.5～10μm之間的顆粒物）的濃度。

1.5 數據的統計學分析

顆粒物質量濃度的計算公式如下：

其中，m1和m2分別為采樣前后濾紙的重量（mg）；v為采樣器上轉子流量計顯示的流量（L/min）；P0為標準狀態下的氣壓（mmHg），T0為標準狀態下的溫度（℃）；P為試驗狀態下的氣壓（mmHg），T為試驗狀態下的溫度（℃）。

數據結果以平均數±標準差表示，采用SPSS 20.0進行數據統計分析，組間比較采用Duncan法，＞0.05為差異不顯著，＜0.05為差異顯著，＜0.01為極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同豬舍內的顆粒物分布

對不同養殖階段豬舍（育肥舍、保育舍、哺乳舍和妊娠舍）內的PM2.5、PM10和TSP質量濃度進行測定，因筆者前期研究發現夏季畜舍內PM2.5的含量較低，能檢測到的概率很小，因此未進行夏季畜舍內顆粒物質量濃度的檢測。只對冬季不同養殖階段豬舍內顆粒物的質量濃度進行了檢測，以每日顆粒物質量濃度較高的時間段（12—14時）比較不同豬舍間顆粒物質量濃度，結果見圖2。

由圖2可知，冬季保育舍內PM2.5、PM10、TSP含量分別高達 0.86 mg/m3、0.91 mg/m3、1.30 mg/m3，顯著（＜0.05）高于育肥舍、哺乳舍和妊娠舍，哺乳舍與妊娠舍顆粒物含量最低，PM2.5、PM10、TSP的含量分別為0.3 mg/m3、0.6 mg/m3、0.8 mg/m3，育肥舍顆粒物質量濃度居中。針對豬舍內顆粒物含量的研究多集中于育肥舍和保育舍，許穩[27]等發現冬季育肥舍內的PM2.5、PM10、TSP 的含量 （0.4 mg/m3、0.88 mg/m3、2.39 mg/m3）顯著高于保育舍，與本研究所得的結果有差異。本研究中，保育舍和育肥舍的建筑面積相似，但是建筑結構截然不同，保育舍的小單間結構縮小了空氣采樣時的空間。由表1可知，保育舍內的仔豬飼養密度約為試驗育肥舍的2.3倍，且試驗時觀察到仔豬活動量大，飼喂時爭食搶食嚴重，自由采食時造成的浪費大，導致保育舍空氣中顆粒物的含量高。參考我國空氣環境質量二級標準 GB 3095—2012（TSP：300 μg/m3；PM10：150μg/m3；PM2.5：75μg/m3）發現，畜舍內的顆粒物含量均嚴重超標，采取提高空氣質量的措施迫在眉睫。

圖2 冬季不同豬舍內的顆粒物質量濃度

在不同豬舍內，PM10占TSP的比例分別為育肥舍93.0%、保育舍70.0%、哺乳舍75.0%和妊娠舍75.0%，可見豬舍內顆粒物污染以PM10為主。進一步細分顆粒物粒徑發現，在育肥舍和哺乳舍內顆粒物質量濃度均表現出PM2.5/TSP（49.90%，66.15%）＞PM2.5-10/TSP（43.10%，3.85%），因此可以認為在育肥舍和哺乳舍內PM2.5是導致豬舍內顆粒物濃度升高的主要原因。PM2.5由于粒徑很小而很容易積存到動物肺中，給動物健康帶來極大威脅[28]。哺乳舍與保育舍的建筑結構相似，但是哺乳舍小單間內豬群密度較小（表1），而且母豬與初生仔豬的活動量相對較小，一個母豬配備一個食槽不會造成飼料的爭搶與浪費，因此舍內顆粒物含量較低。妊娠舍為大圈飼養，空間大，空氣流通較快，飼料主要是豆渣麥麩潲水，無粉質飼料，散逸到空氣中的飼料顆粒較少。

2.2 人工飼喂對顆粒物質量濃度的影響

以夏季自然通風條件下哺乳舍內總顆粒物含量為檢測對象，研究人工飼喂對顆粒物質量濃度的影響，白天的波動曲線見圖3。哺乳舍內人工飼喂的時間分別為8：00、11：30 和 18：30。

圖3 夏季不同時段哺乳舍內顆粒物質量濃度

由圖3可知，人工飼喂導致舍內總顆粒物和PM10含量顯著（＜0.01）增加。早上8：00飼喂前后2個時段內測量的顆粒物含量均為0.29 mg/m3，飼喂前后顆粒物含量無明顯差異；11：30飼喂后測得的顆粒物含量為0.58 mg/m3，較飼喂前顆粒物含量顯著增加，下午時段顆粒物含量為0.29 mg/m3，降至飼喂前平均水平。PM10的變化也遵循相似的規律，11：30飼喂后于12：00—14：00的檢測值約為飼喂前的2.9倍。而PM10在TSP中的占比在一天內呈上升趨勢，在飼喂前均維持在50%左右，飼喂后即升高到76%，晚上即上升到90%。

早上8：00飼喂，哺乳舍仔豬多處于睡眠狀態，活動量較小，顆粒物含量無顯著差異，而13：30的人工飼喂后，舍內顆粒物質量濃度增加，其主要原因是人工飼喂增加了動物的活動量，促進顆粒物進入到空氣中再逸散傳播，而動物活動已經被確定為舍內顆粒物的重要來源之一[25]，因此可以認為人工飼喂會使舍內顆粒物質量濃度增加。此外，由PM10/TSP比例可得出，飼喂活動使動物PM10的占比升高，采食活動主要導致了空氣中PM10含量的顯著升高，進而提高了空氣中顆粒物含量。對應的下午16：00—18：00時，PM10的降低只是TSP降低的部分原因，粒徑在10～100μm之間的顆粒物質量濃度降低是TSP降低的主要原因，從而使PM10/TSP比例高達90%。

2.3 通風情況對顆粒物質量濃度的影響

以保育舍為檢測對象研究通風情況對顆粒物質量濃度的影響，畜舍舍內沒有機械通風設備，均采用自然通風，本研究采用人為架設風扇，夏季在保育舍內避開試驗動物，對著窗戶進行強制通風。

圖4 夏季保育舍不同通風條件下的顆粒物質量濃度

保育舍內所測得12：00—14：00時段的PM10和總顆粒物TSP的含量如圖4所示，由此可知，機械通風對降低舍內顆粒物含量有巨大的作用。舍內只進行自然通風時PM10和TSP的含量為別為0.30 mg/m3和0.32mg/m3，使用機械通風時舍內PM10與TSP都降為0.16 mg/m3，明顯低于自然通風時舍內的顆粒物含量（＜0.05）。豬舍內僅使用自然通風時，因為自然通風的通風口有限，通風效率低，導致舍內空氣流通緩慢，無法排除舍內顆粒物含量較高的空氣，而使用機械通風可以增加舍內通風速率，從而降低舍內空氣中的顆粒物含量[29]。2種通風條件下，PM10占TSP的比例分別為93%和99%，說明夏季保育舍內空氣中的顆粒物污染以PM10為主，通風可去除絕大部分粒徑小于10μm的顆粒物，而且通風條件對PM10/TSP的影響不大。

2.4 冬夏兩季顆粒物質量濃度變化

以哺乳舍為檢測對象研究顆粒物質量濃度在冬夏兩季的變化，分別于夏季和冬季檢測舍內空氣中的PM2.5、PM10和總顆粒物TSP的質量濃度，結果見圖5。

圖5 不同季節哺乳舍內顆粒物的質量濃度

3 結論

不同豬舍中顆粒物PM2.5、PM10、TSP的含量各不相同，保育舍內含量最高，分別為0.86 mg/m3，0.91 mg/m3，1.30 mg/m3，其次是育肥豬舍，哺乳舍和妊娠舍顆粒物質量濃度最低。而且在各個豬舍內，PM10均是總顆粒物的主要組成。

在夏季，保育舍內的TSP主要由PM10組成，與自然通風相比，使用機械通風能有效降低TSP和PM10質量濃度50%左右。

冬季哺乳舍內PM2.5、PM10、TSP的含量分別可達到 0.3 mg/m3、0.6 mg/m3、0.8 mg/m3，顯著 （＜0.05）高于夏季。