典型季節規模化豬場氨排放特征研究

紀英杰，沈根祥，*，徐 昶，周忠強，王振旗，錢曉雍，王晶璐，葉賢滿

（1.東華大學環境科學與工程學院，上海201620；2.上海市環境科學研究院，國家環境保護城市大氣復合污染成因與防治重點實驗室，上海200233；3.華東理工大學資源與環境工程學院，上海200237；4，杭州市環境監測中心站，杭州310007）

氨是大氣中參與氮循環的重要堿性氣體，其排放會快速沉積并形成N2O，是導致全球變暖的重要原因[1-3]。氨易與氮氧化物或硫氧化物反應形成細微顆粒物（PM2.5），是PM2.5的重要前體物之一，對灰霾的形成有著重要影響[4-8]。研究顯示，畜禽養殖氨排放是大氣中氨的主要來源之一[9]，我國畜禽養殖氨排放占總排放量的50%以上[10]。2016 年長三角地區規模化養殖中肉豬的氨排放量達到了8.72 萬t，占畜禽養殖業氨排放的41%，是最主要的氨排放貢獻源之一[11]。研究表明，規模化生豬養殖過程中產生的氨主要來源于尿液中尿素的水解或糞便中有機物氮的分解[12]，養殖棚舍、堆糞棚和污水貯存是規模化豬場氨排放的三大主要環節。

國外對規模化豬場氨排放研究相對較早。Kavolelis等[13]建立了在自然通風系統下由熱浮力和通風引起的通風量的計算模型；Manap 等[14]采用開放式差分光吸收光譜（DOAS）系統設備對農業氨氣排放的監測；Hutchings 等[15]深入分析了環境因素，特別是氣象因素諸如空氣溫度、相對濕度、風速和通風率等對規模化養豬場氨排放的影響。相對而言，國內對于規模化豬場氨排放的研究仍較少，汪開英等[16]監測分析了3 種不同類型的豬場欄舍結構對欄舍氨排放的影響，發現地面結構類型對豬舍NH3排放影響顯著，半縫隙地面和實心地面常規養殖方式下的豬舍NH3排放量相對生物發酵床豬舍較高。代小蓉等[17]通過實測研究建立了自然通風系統下的棚舍養殖氨排放通風模型。王文林等[18]探討了規模化豬場各生長階段育肥豬的棚舍氨排放特征，其中分娩豬的氨排放最大，達到了13.86 g·d-1·頭-1，是肥豬的1.87 倍。陳園[19]對開放性欄舍不同季節氨排放進行了估算，發現秋季和夏季的氨排放通量最高，達到了春冬季的2 倍左右。但總體而言，國內目前針對規模化豬場氨排放特征的研究仍較少，上述的研究大多只針對某一個排放環節并且監測時間較短，一般為3 d，缺乏對不同排放環節、不同季節系統性的研究，而采用的監測技術和手段較為落后，大多為手工采樣實驗室分析和便攜式氨氣檢測儀，連續監測時間短，較難準確獲取污染特征。

本研究通過高分辨率在線監測設備對典型規模化豬場的主要排放環節開展夏秋兩個典型季節的氨排放濃度監測，計算獲取肉豬養殖棚舍和堆糞棚的氨排放通量水平，并對氨排放濃度和排放通量的主要影響因素進行分析，研究結果可豐富典型行業大氣氨排放本地化排放因子數據庫，同時也為改善上海及長三角區域空氣質量提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點位

本實驗研究對象為沁儂牧業豬場，位于上海市金山區，占地面積為4.8 hm2，建筑面積0.82 hm2，具有自動化喂料系統和半自動化采暖系統。通風系統為機械通風和自然通風，夏季豬舍24 h 均為機械通風，秋季機械通風與自然通風相結合，機械通風時間為9：00—15：00，共7 h，自然通風時間為17 h，夏季的通風量接近秋季的3 倍左右。試驗選取的肉豬養殖棚舍為半封閉式欄舍，面積為1380 m2，共400 頭肉豬，肉豬養殖周期約為165 d，質量在90～120 kg 之間，平均質量為110 kg，每日飼料喂量為1.8 kg·頭-1。養殖棚舍的柵欄類型為半水泥半截欄，舍內共3 個排風扇，排風扇內徑為1.37 m，夏季與秋季通風速率均為51 000 m3·h-1。試驗選取的堆糞棚面積為2352 m2，開放式建筑風格，全年自然通風。

1.2 試驗材料

本研究利用德爾格HC—68 09 645 型在線氨氣監測系統對棚舍養殖、糞便堆肥的氨排放水平進行監測，其原理為電化學傳感器感應，量程為0～100.0 ppm，精度為0.1 ppm，數據分辨率最高可達每5 s一個數據；本試驗設置每5 min輸出一組數據的分辨率，排除因停電、儀器故障、維護校準和個別極端雷暴天氣造成的異常數據后，共獲取有效樣本數13 824 個，異常數據1125 個，合格率達到91.86%。肉豬棚舍中傳感器設置于棚舍中央離地面2 m 處，堆糞棚中傳感器設置于離地面1.5 m 處，同時通過數采系統將數據采集儲存在工控機上。研究期間，對夏季、秋季典型天氣棚舍養殖、糞便堆肥氨排放濃度進行兩周左右的連續監測。

同時，利用0.01 mol·L-1的稀硫酸為吸收液，在相同點位、背景區域采集NH3氣體，采樣流量為1.0 L·min-1，采樣與樣品分析遵循《納氏試劑分光光度法》HJ 533—2009 的要求。采樣監測周期為3 d，用以開展手工采樣與在線監測對比分析。結果表明，在線監測與手工監測相關性較好（圖1），R2達到了0.972 8，均方誤差為0.057 3，最大絕對誤差為0.372 0，最小絕對誤差為0.004 6，擬合公式為Y=0.989 9x，Y為在線監測值，x為手工監測值，表明在線監測數據準確可靠。

此外，通過拓普瑞氣象儀獲取試驗期間的溫度、濕度、氣壓、風速、風向等主要氣象數據，并通過全球天氣精確預報網（www.wunderground.com）獲得環境氣象數據。監測期間的相關數據如表1 所示，夏秋兩季平均溫度分別為27.8、24.9 ℃。夏季室外溫度在27.67～32.49 ℃之間，秋季室外溫度在22.82～28.79 ℃之間，夏秋兩季的養殖棚舍和堆糞棚的溫度均高于背景點溫度，這可能是由于棚舍豬活動強度貢獻，以及堆糞棚內糞便堆肥發酵導致。夏季養殖棚舍的濕度高于背景點，這主要是由于機械通風模式下肉豬養殖棚舍內濕簾的增濕作用，而秋季室外多雨，導致室外的濕度略高于室內。堆糞棚四周通風，所以濕度與背景點相差不大。

1.3 數據處理

1.3.1 肉豬養殖棚舍自然通風模式下通風量計算方法

本研究所在的豬舍為密閉式機械通風豬舍，因此，在自然通風狀況下，參照Kavolelis 等[13]的研究，獲取了相應的自然通風通風量，即：

式中：Cd（i）為豬舍通風口排放系數；H 為進、排風口高度差，m；Δt 為豬舍內外溫度差，℃；vi為豬舍外風速，m·s-1。

圖1 手工監測與在線監測氨濃度相關性分析Figure 1 Correlation analysis between manual monitoring and online monitoring of ammonia concentration

式中：Gi為豬舍每小時通風速率kg·s-1；Cd（i）為豬舍通風口排放系數；A 為豬舍通風口面積，m2；ρ0（i）為豬舍內空氣密度，kg·m-3；g 為重力加速度，m·s-2；H 為進、排風口高度差，m；Δt 為豬舍內外溫度差，℃；T0（i）為豬舍內熱力學溫度，K；vi為豬舍外風速，m·s-1；k1，k2為豬舍內外的風壓系數。

1.3.2 肉豬養殖棚舍自然通風模式下氨排放通量計算方法

自然通風下的氨排放通量計算同樣參照Kavolelis等[13]的研究，即：

式中：A 為氨排放通量，g·d-1·頭-1；Gi為豬舍每小時通風速率，kg·s-1；ci為豬舍內氨體積濃度，%；n為豬舍內豬的數量，頭。

秋季0：00 至9：00 與16：00 至24：00 采用自然通風氨排放通量計算方法計算。

1.3.3 機械通風模式下氨排放通量計算方法

式中：At為氨排放通量，g·d-1·頭-1；Vi為通風量，m3·h-1；Δρi為舍內氨氣每小時平均質量濃度，mg·m-3；n為豬舍內豬的數量，頭。

夏季與秋季9：00 至15：00 采用機械通風氨排放通量計算方法計算。

1.3.4 堆糞棚氨排放通量計算方法

式中：F 為氨排放通量，g·d-1·頭-1；n 為豬產生單位面積糞便的數量，頭·m-2；u 為風速，m·s-1；ρi為1.5 m 處堆糞棚的每小時氨濃度，mg·m-3；ρb為1.5 m 處的背景氨濃度，mg·m-3。

表1 監測點位風向，平均風速、溫度和濕度Table 1 Monitor point wind direction，average wind speed，temperature and humidity

2 結果與討論

2.1 主要環節氨排放濃度特征

夏秋兩季肉豬養殖棚舍內氨濃度日均變化如圖2 所示。肉豬養殖棚舍夏季氨濃度均值為3.31±0.31 mg·m-3，最大值達到了3.90 mg·m-3，出現在7月11日，最小值則為2.69 mg·m-3，出現在7 月22 日，最大值為最小值的1.45倍。總體而言，夏季氨日均濃度水平比較穩定，呈現先下降后上升再下降的趨勢。這主要是由于夏季棚舍采用機械通風方式換氣，較大的通風量帶走了棚舍內大量的污染物，使得濃度水平較低。7月22 日出現了較強的降雨天氣，導致該日的溫度較低并且濕度較大，較低的溫度導致棚舍內的氨揮發強度相對較低，而濕度較高也利于氨氣溶解于空氣中的水分，降低了氨濃度水平。

肉豬養殖棚舍秋季氨濃度均值為4.91±0.56 mg·m-3，最大值達到了5.66 mg·m-3，出現在9 月14 日，最小值則為3.65 mg·m-3，出現在9 月20 日，最大值為最小值的1.55倍。總體而言，監測期間秋季氨平均濃度水平顯著高于夏季，達到了后者的1.5 倍左右。秋季平均溫度略低于夏季，肉豬養殖棚舍的通風模式為半機械通風半自然通風，換氣量遠低于夏季，較低的換氣量使得棚舍內的污染物不能迅速排出而在棚舍內積聚，因而氨濃度水平遠高于夏季。秋季肉豬養殖棚舍的氨濃度在9月14日開始逐漸下降，這可能是因為9 月14 日開始，受季風氣候影響，溫度開始逐漸下降并且時常伴有小雨，較低的溫度和較高的濕度在一定程度上降低了氨的排放和擴散。

將研究期間各日小時濃度值平均處理，得到了肉豬養殖棚舍空氣中的氨濃度典型日小時變化趨勢，如圖3 所示。夏季濃度水平波動范圍為2.9～3.7 mg·m-3，秋季濃度水平波動范圍為3.8～5.5 mg·m-3。夏秋兩季氨濃度日小時變化呈現不同的趨勢，夏季總體趨勢為先上升后下降，而秋季趨勢為先下降后上升。通常而言，肉豬從早上6：00開始活動，8：00以后肉豬開始進食排泄，導致氨濃度迅速上升，而夏季12：00 到15：00 是一天中溫度最高的時間段，即使在機械通風的模式下，較高的溫度也利于氨的排放，氨濃度水平上升并維持在較高的水平，17：00 后溫度開始下降，豬的活動開始減弱，因而舍內的氨濃度水平明顯下降，之后維持在相對較低的水平。

秋季的溫度相對于夏季較低，豬舍內的通風模式為半機械通風半自然通風，機械風機僅在9：00 到15：00 開放，通風量僅為夏季的1∕3 左右。與夏季類似，肉豬在6：00 開始活動后，肉豬養殖棚舍內的氨濃度水平開始上升，并在9：00 時達到最高值，然后在9：00 機械風機打開后，隨著通風量的迅速增加帶走了大量的污染物，氨濃度水平急劇下降，而在15：00機械風機關閉后，氨濃度水平重新上升并在17：00 達到高值。

由此可見，通風量是影響養殖棚舍氨排放水平的最主要因素，在自然通風下，較低的通風量導致氨積聚在棚舍內部難以擴散，導致較高的濃度水平，而機械通風下較高的通風量可將大量污染物帶出棚舍外。此外，在通風模式不變的情況下，溫度和豬的活動強度也是影響氨濃度水平的重要因素。

圖2 夏秋兩季肉豬養殖棚舍內空氣中濃度日均變化Figure 2 Daily average change of air concentration in piggery in summer and autumn

夏秋兩季堆糞棚中氨濃度日均變化如圖4 所示。夏季堆糞棚氨濃度均值為6.26±1.57 mg·m-3，最大值達到了8.84 mg·m-3，出現在7 月15 日，最小值則為3.74 mg·m-3，出現在7 月11 日，最大值為最小值的2.36 倍。秋季堆糞棚氨濃度均值為3.19±0.61 mg·m-3，最大值達到了4.28 mg·m-3，出現在9 月15 日，最小值則為2.34 mg·m-3，出現在9 月23 日，最大值為最小值的1.83 倍。夏季氨的日均濃度水平較高并且起伏較大，呈現為先下降后上升再下降的趨勢。秋季氨的日均濃度變化趨勢較為穩定，總體呈下降趨勢。夏季與秋季堆糞棚均為自然通風模式，堆糞棚內氨濃度水平變化與氣象條件密切相關。夏季最大值出現在7月15日，當日的溫度最高，濕度最低，空氣中的水分少，氣象條件均利于氨的排放和揮發，因此其濃度水平達到了最大值，相似的，秋季的最大值出現在9 月15 日，當日溫度較高，相對濕度與風速較低，均利于氨的排放和累積。而秋季最小值出現在9月23日，當日平均的風速達到監測期間最大值，較大的通氣量帶走了大量的NH3，同時，前一日發生降雨，使得當日的溫度也較低，因而糞便中的脲酶活性也隨之降低，致使堆糞棚內的氨濃度水平低。

將研究期間各日小時濃度值平均處理，得到了堆糞棚空氣中的氨濃度典型日小時變化趨勢，如圖5 所示。夏季濃度水平變化范圍為3.96～9.30 mg·m-3，最高值出現在13：00，最低值出現在3：00；秋季濃度水平變化范圍為2.48～3.67 mg·m-3，最高值出現在10：00，最低值出現在7：00。夏秋兩季氨濃度變化呈現出完全不同的趨勢，夏季變化幅度較大，表現為先上升后下降，秋季的變化較為平緩，表現為先下降后上升再下降。堆糞棚長期處于自然通風的狀態，堆糞棚內氨濃度水平主要取決于氣象因素與糞便管理。堆糞棚內氨濃度從8：00開始呈明顯的上升趨勢，并在13：00時達到最大值，這和日內溫度變化趨勢以及大氣對流強度有著密切的關系，12：00 到14：00 為夏季一日之中溫度最高的時間段，氨的排放強度也相對較高，濃度水平也達到高峰值；3：00 到4：00 為一日之中溫度較低的時間段，NH3的排放強度也相對較低。秋季堆糞棚的氨濃度變化較為穩定，變化起伏較小。上海市氣候為明顯的亞熱帶季風氣候，秋季的溫度晝夜溫差相差不大，4：00 到7：00 也是一日之中溫度較低的時間段，堆糞棚內的氨濃度水平也相對較低，上午9：00溫度上升之后，氨濃度也隨之上升。但總體而言，晝夜溫差較小使得秋季氨濃度水平相對夏季而言處在一個相對較低的水平。

圖3 肉豬養殖棚舍內夏秋兩季每小時氨排放濃度日變化過程Figure 3 Diurnal variation of ammonia emission concentration per hour in summer and autumn in the piggery

圖4 夏秋兩季堆糞棚中氨濃度日均變化Figure 4 Daily average change of ammonia concentration in the manure shed in summer and autumn

2.2 氨排放通量分析

肉豬養殖棚舍夏秋兩季日均氨排放通量變化過程如圖6 所示。夏季肉豬養殖棚舍的氨排放通量變化范圍為8.24～11.92 g·d-1·頭-1，平均通量為10.12±0.96 g·d-1·頭-1。秋季肉豬養殖棚舍的氨排放通量變化范圍為4.26～10.18 g·d-1·頭-1，平均通量為7.49±1.58 g·d-1·頭-1。夏季平均氨排放通量是秋季的1.42倍。夏季的氨排放通量變化趨勢相對于秋季較為穩定，這可能是夏季的溫度較高，濕度較低并且夏季持續24 h 機械通風，較高的溫度使脲酶的活性提高，豬尿液中的尿素與糞便的有機氮更容易分解產生氨，而極大的通風量有利于氨的擴散，致使氨排放通量較高。秋季溫度較低，濕度較大，機械通風時間僅為7 h，時間大大縮短，通風量僅為夏季的1∕3左右，較低的通風量使豬舍的空氣流通較差，舍內氨的濃度水平雖然高于夏季，但是較低的通風量導致排放通量顯著較低。

堆糞棚夏秋兩季氨排放通量日變化過程如圖7所示，夏季的日氨排放通量變化范圍為2.08～4.07 g·d-1·頭-1，平均水平為2.99±0.69 g·d-1·頭-1。秋季日氨排放通量變化范圍為0.58～1.50 g·d-1·頭-1，平均水平為0.89±0.31 g·d-1·頭-1，夏季氨排放通量是秋季的3.35倍。堆糞棚夏秋兩季均是自然通風的模式，日氨排放通量受氣象因素的影響更大，夏季的溫度顯著高于秋季，利于糞便堆肥發酵排放大量的NH3。

圖5 堆糞棚內夏秋兩季每小時氨排放濃度日變化過程Figure 5 Diurnal variation of ammonia emission concentration per hour in summer and autumn in the manure shed

表2 氨小時排放通量與溫度響應關系Table 2 Response of hourly ammonia emission flux to temperature

表3 氨小時排放通量與濕度響應關系Table 3 Response of hourly ammonia emission flux to humidity

圖6 肉豬養殖棚舍夏秋兩季氨排放通量日排放變化過程Figure 6 Daily discharge of ammonia emission flux in piggery in summer and autumn

2.3 氨排放通量影響因素分析

為了解氨排放通量的主要因素，將小時氨排放通量水平與溫度、濕度進行相關性分析，結果如表2 和表3 所示。對肉豬養殖棚舍氨排放通量與溫度、濕度進行顯著性分析及線性回歸分析，夏季排放通量與溫度呈顯著正相關（P＜0.05），R2達到0.156 4，與濕度則呈顯著負相關（P＜0.05），R2達到0.207 7。夏季為24 h機械通風模式，通風量大，導致舍內溫度、濕度基本恒定，對氨排放的影響較小，因此影響肉豬養殖棚舍氨排放通量的主導因素是通風量。秋季則有所不同，氨排放通量與溫度呈顯著正相關（P＜0.05），R2為0.032 0，與濕度則呈顯著負相關（P＜0.05），R2達到0.352 1，秋季為半機械通風半自然通風模式，通風量較夏季顯著降低，對氨排放通量的影響減弱，溫度與濕度對氨排放通量的影響顯著增加，因此相關性也相對較好。糞便的理化性質是影響氨排放的重要因素，如糞便的含水率較低情況下氨排放量則會減少[20]，糞便的pH 值通過影響脲酶活性影響其對糞便和尿液的分解[21]等。脲酶活性隨溫度的增加而升高，使尿液中的尿素快速分解[22]，同時氨是易溶于水的氣體，這也表明除溫度外，舍內的濕度也是影響氨排放的重要因素[23]。

對堆糞棚氨排放通量與溫度、濕度進行顯著性分析及線性回歸分析，夏季排放通量與溫度呈顯著正相關（P＜0.05），R2達到0.415 5，與濕度則呈顯著負相關（P＜0.05），R2達到0.415 6。秋季排放通量與溫度呈顯著正相關（P＜0.05），R2達到0.138 8，與濕度則呈顯著負相關（P＜0.05），R2達到0.217 0。夏秋兩季小時氨排放通量與溫度和濕度線性擬合程度均較好，即一定溫濕度范圍內，堆糞棚氨排放通量與溫、濕度響應關系顯著，這說明溫度和濕度是影響堆糞棚氨排放的重要因素，在溫度高的夏季氨排放通量高于秋季。這主要由于較高的溫度能提高微生物的活性，分泌更多的酶來促進糞便中的未被分解氨基酸分解釋放出氨[24]。堆糞棚為開放式的建筑風格，與大氣交換頻繁，氣象因素在一定程度影響著氨排放，濕度較高的氣象條件下，氨溶于空氣中的水分，使氨排放減少[25]。

對近年來國內外相關研究進行整理，獲取規模化豬場典型環節氨排放通量水平，如表4 所示。研究表明，肉豬養殖棚舍氨排放通量大致在7.07～11.89 g·d-1·頭-1，堆糞棚氨排放通量大致在0.89～3.84 g·d-1·頭-1，夏季總體高于秋季，表明溫度對氨排放通量有重要影響。本研究夏季肉豬養殖棚舍氨排放通量為10.12 g·d-1·頭-1，略高于王文林等[18]的8.20 g·d-1·頭-1，低于Ni 等[26]的11.89 g·d-1·頭-1，這可能是因為王文林等的研究時段溫度較低，濕度也有所不同，導致氨排放通量較低；Ni 等的研究中肉豬養殖棚舍的地板為基于稻草的深層墊料，而本研究為全混凝土的樣條地板，前者更利于氨的排放揮發，從而氨排放通量也相對較高。本研究秋季肉豬養殖棚舍氨排放通量略低于Philippe 等[27]與Kim 等[28]的結果，Philippe 等所研究的肉豬品種與本研究肉豬的品種有較大差別，并且國外的飼料品種含氮量高于本研究的飼料，有利于氨的排放，導致其氨排放通量略高于本研究；Kim 等所研究的地域為韓國，韓國的氣候與我國北方相似，為溫帶季風氣候，其地域秋季均較為干燥，相對濕度顯著低于本研究，也利于氨的排放。本研究夏季堆糞棚的氨排放通量低于代小蓉等[29]的研究結果，代小蓉等所研究的堆糞棚非自然通風模式，相對處于密閉空間，密閉空間的溫度也較高，糞便也常處于攪拌狀態，氨排放通量也相對較大。本研究秋季堆糞棚略低于陳園[19]的研究，陳園所研究的堆糞棚的面積較小，所用的監測與計算方法和本研究不同，這可能是導致其結果高于本研究的重要原因。

圖7 堆糞棚夏秋兩季氨排放通量日排放變化過程Figure 7 Diurnal variation of ammonia emission flux from dung shed in summer and autumn

表4 國內外研究對比Table 4 Comparison of domestic and foreign research

3 結論

（1）肉豬養殖棚舍夏秋兩季平均氨濃度分別為3.31±0.31 mg·m-3和4.91±0.56 mg·m-3，兩者水平差異顯著。夏季為24 h全時段機械通風，通風量達到秋季的3 倍左右，表明通風量是影響養殖棚舍氨濃度水平的重要因素。堆糞棚夏秋兩季平均氨濃度分別為6.26±1.57 mg·m-3和3.19±0.61 mg·m-3，氣象因素特別是溫度是影響堆糞棚氨濃度水平的重要因素。

（2）肉豬棚舍夏秋兩季氨濃度日小時范圍分別為2.9～3.7 mg·m-3和3.8～5.5 mg·m-3，變化趨勢存在顯著差異。夏季氨濃度總體趨勢為先上升后下降，主要受溫度、畜禽活動強度的影響；秋季氨濃度趨勢為先下降后上升，主要受9：00—15：00 機械通風運行模式的影響。

（3）肉豬養殖棚舍夏秋兩季的氨排放通量分別為10.12±0.96 g·d-1·頭-1和7.07±1.58 g·d-1·頭-1，肉豬養殖棚舍夏季氨排放通量為秋季的1.42 倍；堆糞棚夏秋兩季氨排放通量分別為2.99±0.69 g·d-1·頭-1和0.89±0.31 g·d-1·頭-1，堆糞棚夏季氨排放通量是秋季的3.36 倍。

（4）相關性分析表明，夏季為24 h機械通風模式，通風量大，導致舍內溫度、濕度基本恒定，對氨排放的影響較小，因此影響肉豬養殖棚舍氨排放通量的主導因素是通風量；秋季為半機械通風半自然通風模式，通風量較夏季顯著降低，溫度與濕度對氨排放通量的影響顯著，是該季節影響氨排放的重要因素。