冬季側窗通風豬舍氨氣和溫室氣體排放特征

周忠凱，楊殿林，張海芳，趙建寧*，王麗麗，余 剛

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津300191；2.江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，農業農村部長江中下游設施農業工程重點實驗室，南京210014）

生豬集約化養殖過程中，為了維持較高的生產效率，在較小的土地面積上投入了大量的飼料、水和能源等，這些資源的使用縮短了物質的循環周期，影響著環境與生物間的物質能量平衡[1-2]，集約化生豬生產過程產生大量的糞便和污水，成為重要的污染源[3-5]。有研究表明，氮肥施用和畜禽養殖一直是最主要的氨排放源，共占氨排放總量的80%以上[6]，糞便中大量的碳氮等物質，經過微生物代謝分解，成為NH3和溫室氣體（CH4、N2O和CO2）排放的主要來源。NH3的過量排放會影響整個農業生態系統的物質循環，加劇農田生態系統銨態氮沉降[7]，引起水體富營養化和土壤環境酸化[8]，同時NH3以硫酸銨和硝酸銨的形式進入大氣中，形成可吸入性顆粒物PM2.5的前體[9]，影響生豬和飼養員的健康，進一步導致N2O的排放[10]，同時由于N2O與CH4和CO2共同通過改變氣溶膠和云的物理特性，進一步增強對太陽輻射的散射作用，進而影響氣候的變化[11]。

然而生豬養殖過程中氨氣和溫室氣體的排放受到動物自身特征（動物活動、體質量和數量以及飼料營養水平）[12-13]、養殖工藝與模式[14-15]、舍內糞便管理模式[16-18]的影響。不同通風管理方式影響舍內的環境質量和污染物的排放，在冬季豬舍通風系統中，進氣口尺寸、數量以及氣流分布和速度是影響豬舍環境的主要因素，目前部分密閉式機械通風豬舍冬季仍然采用縱向通風管理，為保證豬舍內適宜的溫濕度條件，風機運行間隔時間過長、排氣流量過高導致舍內空氣溫度分布不均勻，對生豬生產造成影響。目前通過合理的通風管理（通風量和空氣流速）改善豬舍內環境質量并降低豬舍氨氣和溫室氣體的排放，成為控制養殖過程空氣污染物排放的主要手段，本文據此制定適合該區域最佳的通風管理策略[19-20]。為確定冬季通風管理對豬舍內環境質量以及氨氣和溫室氣體排放的影響，本研究對江蘇蘇北地區密閉式機械縱向負壓通風水沖清糞豬舍的冬季通風系統進行了改造，由縱向負壓通風改為側窗負壓通風方式。目前側窗負壓通風下豬舍內環境質量以及氨氣和溫室氣體數據缺乏。本文探討了6階段通風管理模式對豬舍內環境狀況以及氨氣與溫室氣體排放的影響，闡述了不同通風時段密閉型豬舍氨氣和溫室氣體濃度的變化特征及排放規律，研究結果為改善豬舍內空氣環境質量、降低氨氣和溫室氣體排放提供技術和數據支持。

1 材料與方法

1.1 生豬養殖設施及設備

試驗選擇氣候條件穩定的2016年1月23日至26日，在江蘇省淮安市某規模化養豬場（33°30′57.81″N，118°49′23.54″E，海拔17 m）進行。試驗豬舍為密閉式豬舍，豬舍尺寸為54.0 m×14.0 m×3.6 m（長×寬×高），外圍護結構為磚混結構，屋頂由彩鋼巖棉夾心板覆蓋，以提高冬季保溫和夏季隔熱性能，豬舍中間砌有磚墻與豬舍吊頂將豬舍分成兩個獨立的養殖倉，其主要結構及尺寸見圖1。冬季通風方式選擇側墻通風小窗-風機負壓通風，豬舍通風系統由4臺直徑為138 cm的風機（額定功率為1.1 kW，額定風量為32 000 m3·h-1）和2臺直徑為92 cm的風機（額定功率為0.37 kW，額定風量為27 000 m3·h-1）組成，工作靜壓10～60 Pa，進氣系統由設置在豬舍側墻1.8 m處的12個尺寸為55.0 cm×25.0 cm（長×寬）的通風小窗組成。試驗豬舍生豬養殖量為500頭，由水泥墻分割成兩個獨立的養殖倉，每個獨立的養殖倉飼養250頭，分為7欄飼養，喂食采用自由采食方式，每欄設有1個飲水器和1個飼料槽，采用自動喂料和飲水系統，豬舍采用水沖清糞方式，每日清糞1次；育肥周期4～5個月，試驗期間生豬平均質量75 kg。

1.2 舍內環境指標和氣體濃度測定

選擇北側生豬養殖倉，在舍外和倉內15.0、30.0、45.0 m處，1.0 m高度分別安裝1臺HOBO溫濕度記錄儀（HoboPro Data logger，Onset Computer Corporation，USA）測定舍內溫濕度，采集頻率為5 min·次-1。每日分別在4：00—5：00、8：00—9：00、10：00—11：00、13：00—14：00、16：00—17：00、19：00—20：00，使用 Testo405-V1手持式熱敏風速儀（Testo AG，Germany）測定豬舍內3個溫濕度測試點空氣的流速，使用數字風速計（TM826，TECMAN，China）測定通風每個小窗進氣口和風機出氣口的風速，使用非接觸式紅外測溫儀（Fluke 572-2，Fluke，USA）測定豬舍內表面和豬體表溫度。非接觸式紅外測溫儀的發射率設定值分別為混凝土材料0.95，金屬材料0.8，玻璃材料0.85，豬體0.90。舍內外氨氣（NH3）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）的濃度由INNOVA1412多功能氣體分析儀（Innova Air Tech Instruments A/S，Den?mark）連續測定，測定頻率為5 min·次-1，舍內測試點位于排風口處，距離排風風機6～7 m，舍外氣體濃度測試點同溫濕度測試點。

1.3 通風量計算模型

豬舍通風量的計算采用濕度平衡法計算：

式中：VRh為豬舍的通風量，m3·h-1；A為動物活動參數；L為豬舍潛熱生產量，W；Wi、Wo為舍內外空氣的水汽濃度，kg·m-3；hvap為豬舍水汽蒸發熱，J·kg-1。動物活動系數A參考Blanes等[21]推薦值，生豬舍潛熱生產參考Pedersen等[22]和Schauberger等[23]計算方法，參數詳見表1。濕度平衡法計算豬舍的通風量在舍內外溫差大于2°C，水汽濃度差值大于0.5 g·m-3時具有較高的準確性[22]。

豬舍水汽蒸發熱與豬舍內溫度有關，計算公式如下：

式中：Ti為舍內空氣溫度，℃。

舍內外空氣的水汽濃度計算見公式（3）與公式（4）：

表1 生豬活動系數與潛熱生產Table 1 Animal activity coefficient and latent heat production

式中：Wi,o為舍內外空氣的水汽濃度，kg·m-3；RHi,o為舍內外空氣的相對濕度，%；Psat為飽和蒸汽壓，Pa；Patm為標準大氣壓，Pa；Ti,o為舍內外空氣的溫度，℃。

1.4 氣體排放率確定

通過對豬舍NH3、CO2、CH4和N2O的濃度以及通風量的測定，生豬冬季氣體排放因子的計算公式如下：

式中：ERpig為單頭生豬的氣體排放率，mg·h-1；VRh為豬舍的通風量，m3·h-1；Ci、Co為舍內外氣體濃度，mg·m-3；n為舍內生豬的數量，頭；t為通風時間，h。

1.5 數據統計分析

數據統計分析采用SAS 9.4軟件和Excel工具進行，方差分析采用單因素方差分析（One-way ANO?VA），Duncan新復極差法檢驗不同試驗間的顯著性差異，顯著水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 舍內外氣候條件

豬舍內氣候環境指標見表2，豬舍內溫度的日變化見圖2，結果顯示舍外溫度變化較大，最高溫度出現在12：30，為1.3℃，最低溫度出現在22：30，為-8.2℃；豬舍內的溫度變化較為平穩，溫度范圍在11.5～14.7℃，平均為13.7℃。舍內外溫差在11.0～21.7℃，平均舍內外溫差為17.8℃，舍內溫度均大于11.0℃，滿足了育肥豬生長對溫度的需求。舍內外相對濕度變化范圍分別為44.9%～82.6%、41.6%～80.3%，平均相對濕度分別為69.7%、62.5%，平均濕度差值在0～22.4%變化，平均舍內外濕度差值為6.8%，水汽濃度差值為5.93 g·m-3。

表2 豬舍內環境指標Table 2 Environmental indicators in pig house

2.2 舍內通風管理

生豬養殖過程根據舍外氣候條件將通風管理設置為6段通風管理模式，每個通風模式下的通風量使用數字風速計測定，不同通風模式的運行時間及通風管理見表3，豬舍直接測定的通風率在3 100～11 520 m3·h-1變動，平均通風率為6 165 m3·h-1（單頭生豬通風量24.7 m3·h-1）；濕度平衡法測定的通風率在3 231～11 498 m3·h-1，平均通風率為6 207 m3·h-1（單頭生豬通風量24.9 m3·h-1）。最大通風量和最小通風量的運行時間分別在11：00—14：00和00：00—5：00，直接測定通風量與濕度平衡法測定通風量的差值為42.0 m3·h-1，顯示濕度平衡法在計算冬季密閉型豬舍的通風量時具有較高的準確性。

2.3 舍內氣體濃度變化

圖2 舍內外溫濕度的變化Figure 2 Measured outdoor and indoor air temperature and relative humidity

表3 豬舍不同時間段通風量Table 3 Ventilation rate for pig house in different stages

圖 3 舍內CO2、NH3、CH4濃度變化Figure 3 The concentration variation of CO2，NH3，and CH4 in pig house

側窗通風密閉式豬舍生豬育肥過程中舍內CO2、NH3和CH4濃度變化見圖3，試驗過程中沒有監測到N2O的排放。豬舍內氣體濃度日變化呈現先降低后升高的趨勢，夜間由于通風量較小，氣體濃度明顯高于日間濃度。整個試驗期間豬舍內CO2濃度由于通風管理的差異，存在顯著的日變化，變化范圍在2 509～5 303 mg·m-3之間，平均為4 330 mg·m-3，舍外CO2平均濃度為921 mg·m-3；冬季密閉通風式豬舍NH3濃度變化在 8.42～15.63 mg·m-3，平均濃度為11.99 mg·m-3，舍外平均NH3濃度為1.10 mg·m-3。CH4濃度變化在1.11～5.90 mg·m-3，平均為3.91 mg·m-3，舍外平均 CH4濃度為1.31 mg·m-3。

2.4 不同通風管理模式下污染物的排放

養殖過程不同通風管理階段單頭生豬NH3、CO2和CH4的排放率見表4。結果顯示試驗期間單頭生豬的NH3排放率變化范圍在124.7～442.0 mg·h-1，平均為250.0 mg·h-1，一天中NH3排放率在第Ⅳ階段平均最高，達到 374.0 mg·h-1，雖然該階段舍內 NH3濃度較低，但是較高的通風量導致排放率顯著高于其他5個通風管理階段。NH3排放率在第Ⅰ階段最低，平均值為168.7 mg·h-1，由于夜間外界溫度較低（平均為-8.2℃），為維持適宜的舍內溫度，該階段采用較小的通風量管理。試驗期間生豬的CO2排放率變化范圍在37.5～154.7 g·h-1，平均為79.9 g·h-1，一天中 CO2排放率在第Ⅴ階段中平均最高，達到132.2 g·h-1，顯著高于其他5個通風管理階段。CO2排放率在第Ⅰ、Ⅱ階段最低，分別為52.7 g·h-1和59.9 g·h-1。生豬CO2的排放受生豬體質量和活動水平的影響，其主要產生于生豬消化飼料為自身提供能量的過程，試驗豬舍采用水沖清糞方式，冬季溫度較低，糞便微生物代謝產生的CO2可以忽略不計。試驗期間生豬的CH4排放率變化范圍在7.3～144.8 mg·h-1，平均為57.7 mg·h-1，不同通風階段CH4的排放率差異不顯著。

冬季側窗負壓通風豬舍單頭生豬NH3、CO2和CH4日累計排放量見圖4。生豬在不同通風階段NH3、CO2和CH4日累計排放量由于通風時間和通風量的不同存在一定的差異。結果顯示試驗期間生豬的NH3日累計排放量為6.0 g·d-1，不同通風階段NH3排放的比例分別為Ⅰ段14.1%、Ⅱ段15.7%、Ⅲ段10.3%、Ⅳ段18.7%、Ⅴ段16.4%、Ⅵ段24.9%；CO2總排放量為1.92 kg·d-1，不同通風階段CO2排放的比例分別為Ⅰ段13.7%、Ⅱ段14.1%、Ⅲ段 9.3%、Ⅳ段 17.2%、Ⅴ段 20.7%、Ⅵ段25.0%；CH4總排放量為1.39 g·d-1，不同通風階段CH4排放的比例分別為Ⅰ段17.9%、Ⅱ段19.2%、Ⅲ段9.1%、Ⅳ段13.5%、Ⅴ段10.7%、Ⅵ段29.6%。

表4 不同通風管理階段單頭生豬NH3、CO2和CH4的排放率Table 4 Emission rates of NH3，CO2，and CH4 frompig in different ventilation management stages

圖4 單頭生豬 NH3、CO2、CH4日累計排放Figure 4 The concentration variation of CO2，NH3,and CH4 of single pig

3 討論

研究顯示，在冬季豬舍通風系統中，進氣口尺寸、數量以及氣流分布和速度是影響豬舍環境的主要因素，改造之前的豬舍冬季采用縱向通風管理，為保證豬舍內適宜的溫濕度條件，風機運行間隔時間過長、排氣流量過高導致舍內空氣溫度分布不均勻，對生豬生產造成影響。室外溫度的晝夜變化以及不同通風管理時段通風速率的變化影響舍內NH3和溫室氣體的濃度，文獻中不同地區不同通風管理方式豬舍內環境指標見表5。

此外，由于不同豬舍類型糞便管理模式不同，進一步影響了氣體的排放，見表6。在生豬養殖過程中NH3的排放主要是由糞便中的微生物通過脲酶降解尿素產生，NH3排放過程受到糞便表面空氣速度、糞便表面積、空氣溫度、糞便pH值等參數的影響[41]。不同地區由于管理措施和豬舍結構不同，NH3的排放存在很大的差異，經常清除舍內糞便或者對糞污固液分離可以有效減少舍內NH3的排放。研究顯示使用漏縫地板系統和刮板清糞的豬舍單頭生豬NH3的排放在4.4～13.2 g·d-1（表6），本研究水沖清糞豬舍試驗期間單頭生豬的NH3排放率為6.0 g·d-1，與這一結果非常接近。試驗期間，與其他通風時段相比，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ階段NH3的日排放量較高，主要與較高的通風率有關。研究發現較高的通風率會引起糞便表面的空氣流速增加，導致較高的NH3排放[42]。

表5 不同通風管理豬舍內環境指標Table 5 Environmental indicators of pig house with different ventilation managements

表6 不同豬舍糞便管理方式污染物排放Table 6 Pollutant emission of different pig houses for manure management

豬舍中CO2排放來自于動物呼吸和糞便管理過程，豬舍內CO2的排放主要取決于動物的體質量、飼料水平和活動水平[34]；舍內糞便管理過程CO2的排放來自于尿酶對動物尿液中尿素的水解和催化，以及糞便中有機成分的厭氧消化過程。其中糞便CO2的排放很大程度上受糞便管理方式的影響，通常漏縫地板系統和刮板清糞豬舍糞便管理過程CO2的排放占豬舍總排放的比例為2.3%～3.4%[43]，而墊料養殖系統豬舍糞便管理過程CO2的排放占豬舍總排放的10%～20%，研究顯示生豬育肥階段體質量在23.3～113.5 kg的整個生長過程單頭生豬CO2的排放在1.30～1.97 kg·d-1（表6）。本研究中側窗通風豬舍糞污清除采用水沖清糞方式，生豬體質量75 kg條件下CO2排放量為1.92 kg·d-1，與以上研究一致。豬舍的CO2排放量在第Ⅴ階段最高，主要與這一階段動物的活動有關。

CH4源自豬的腸道發酵和糞便中有機物的厭氧降解過程[44]，這一過程與膳食纖維攝入水平有關[45]。在有機物質降解過程中，厭氧、pH中性、同時溫度在25～40℃條件更有利于糞便CH4的產生[46]。研究顯示使用漏縫地板系統和刮板清糞豬舍單頭生豬CH4的排放在1.10～43.0 g·d-1（表6），這主要與糞便及時清除有關；墊料生豬養殖系統CH4的排放高于漏縫地板和刮板清糞豬舍，這主要與墊料（稻草、鋸木屑）可以提供可降解的碳水化合物來提高微生物的活性，從而增加CH4的排放有關[47]。本研究冬季側窗通風CH4的排放量較小為1.39 g·d-1，主要與糞便及時清除和冬季豬舍通風量較小有關（單頭生豬平均通風量24.9 m3·d-1）。豬舍的CH4排放量在第Ⅳ階段最高，主要與這一階段較高的通風量和動物的飼喂活動有關，但不同通風管理階段的CH4排放差異不顯著。

N2O是通過硝化-反硝化作用將轉化為 N2的過程中形成的，這一過程既需要有氧條件也需要無氧條件[48]。N2O的排放通常發生在厚墊料系統豬舍、糞便堆肥過程和糞便農田施用過程中，本研究沒有監測到N2O的排放。

4 結論

（1）對改造后的冬季側窗負壓通風豬舍內平均溫度、濕度、通風率和舍內平均空氣流速等指標的測定結果顯示，豬舍側窗負壓通風系統可滿足冬季育肥豬生長的需求，NH3、CO2和CH4濃度等環境質量指標在可控范圍內。

（2）改造后的側窗負壓通風豬舍采用的6級通風管理模式顯著影響NH3、CO2的平均排放率，在第Ⅳ、Ⅴ通風管理階段NH3、CO2的平均排放率最高，第Ⅰ階段NH3、CO2的平均排放率最低，對CH4的排放影響不顯著。