典型季節(jié)規(guī)模化豬場氨排放特征研究

紀(jì)英杰，沈根祥，*，徐 昶，周忠強(qiáng)，王振旗，錢曉雍，王晶璐，葉賢滿

（1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)城市大氣復(fù)合污染成因與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200233；3.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海200237；4，杭州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，杭州310007）

氨是大氣中參與氮循環(huán)的重要堿性氣體，其排放會(huì)快速沉積并形成N2O，是導(dǎo)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(yīng)形成細(xì)微顆粒物（PM2.5），是PM2.5的重要前體物之一，對(duì)灰霾的形成有著重要影響[4-8]。研究顯示，畜禽養(yǎng)殖氨排放是大氣中氨的主要來源之一[9]，我國畜禽養(yǎng)殖氨排放占總排放量的50%以上[10]。2016 年長三角地區(qū)規(guī)?；B(yǎng)殖中肉豬的氨排放量達(dá)到了8.72 萬t，占畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放的41%，是最主要的氨排放貢獻(xiàn)源之一[11]。研究表明，規(guī)?；i養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的氨主要來源于尿液中尿素的水解或糞便中有機(jī)物氮的分解[12]，養(yǎng)殖棚舍、堆糞棚和污水貯存是規(guī)模化豬場氨排放的三大主要環(huán)節(jié)。

國外對(duì)規(guī)模化豬場氨排放研究相對(duì)較早。Kavolelis等[13]建立了在自然通風(fēng)系統(tǒng)下由熱浮力和通風(fēng)引起的通風(fēng)量的計(jì)算模型；Manap 等[14]采用開放式差分光吸收光譜（DOAS）系統(tǒng)設(shè)備對(duì)農(nóng)業(yè)氨氣排放的監(jiān)測(cè)；Hutchings 等[15]深入分析了環(huán)境因素，特別是氣象因素諸如空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和通風(fēng)率等對(duì)規(guī)?；B(yǎng)豬場氨排放的影響。相對(duì)而言，國內(nèi)對(duì)于規(guī)模化豬場氨排放的研究仍較少，汪開英等[16]監(jiān)測(cè)分析了3 種不同類型的豬場欄舍結(jié)構(gòu)對(duì)欄舍氨排放的影響，發(fā)現(xiàn)地面結(jié)構(gòu)類型對(duì)豬舍NH3排放影響顯著，半縫隙地面和實(shí)心地面常規(guī)養(yǎng)殖方式下的豬舍NH3排放量相對(duì)生物發(fā)酵床豬舍較高。代小蓉等[17]通過實(shí)測(cè)研究建立了自然通風(fēng)系統(tǒng)下的棚舍養(yǎng)殖氨排放通風(fēng)模型。王文林等[18]探討了規(guī)?；i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(dá)到了13.86 g·d-1·頭-1，是肥豬的1.87 倍。陳園[19]對(duì)開放性欄舍不同季節(jié)氨排放進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)秋季和夏季的氨排放通量最高，達(dá)到了春冬季的2 倍左右。但總體而言，國內(nèi)目前針對(duì)規(guī)?；i場氨排放特征的研究仍較少，上述的研究大多只針對(duì)某一個(gè)排放環(huán)節(jié)并且監(jiān)測(cè)時(shí)間較短，一般為3 d，缺乏對(duì)不同排放環(huán)節(jié)、不同季節(jié)系統(tǒng)性的研究，而采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段較為落后，大多為手工采樣實(shí)驗(yàn)室分析和便攜式氨氣檢測(cè)儀，連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間短，較難準(zhǔn)確獲取污染特征。

本研究通過高分辨率在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)典型規(guī)模化豬場的主要排放環(huán)節(jié)開展夏秋兩個(gè)典型季節(jié)的氨排放濃度監(jiān)測(cè)，計(jì)算獲取肉豬養(yǎng)殖棚舍和堆糞棚的氨排放通量水平，并對(duì)氨排放濃度和排放通量的主要影響因素進(jìn)行分析，研究結(jié)果可豐富典型行業(yè)大氣氨排放本地化排放因子數(shù)據(jù)庫，同時(shí)也為改善上海及長三角區(qū)域空氣質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)位

本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為沁儂牧業(yè)豬場，位于上海市金山區(qū)，占地面積為4.8 hm2，建筑面積0.82 hm2，具有自動(dòng)化喂料系統(tǒng)和半自動(dòng)化采暖系統(tǒng)。通風(fēng)系統(tǒng)為機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)，夏季豬舍24 h 均為機(jī)械通風(fēng)，秋季機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合，機(jī)械通風(fēng)時(shí)間為9：00—15：00，共7 h，自然通風(fēng)時(shí)間為17 h，夏季的通風(fēng)量接近秋季的3 倍左右。試驗(yàn)選取的肉豬養(yǎng)殖棚舍為半封閉式欄舍，面積為1380 m2，共400 頭肉豬，肉豬養(yǎng)殖周期約為165 d，質(zhì)量在90～120 kg 之間，平均質(zhì)量為110 kg，每日飼料喂量為1.8 kg·頭-1。養(yǎng)殖棚舍的柵欄類型為半水泥半截欄，舍內(nèi)共3 個(gè)排風(fēng)扇，排風(fēng)扇內(nèi)徑為1.37 m，夏季與秋季通風(fēng)速率均為51 000 m3·h-1。試驗(yàn)選取的堆糞棚面積為2352 m2，開放式建筑風(fēng)格，全年自然通風(fēng)。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究利用德爾格HC—68 09 645 型在線氨氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)棚舍養(yǎng)殖、糞便堆肥的氨排放水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其原理為電化學(xué)傳感器感應(yīng)，量程為0～100.0 ppm，精度為0.1 ppm，數(shù)據(jù)分辨率最高可達(dá)每5 s一個(gè)數(shù)據(jù)；本試驗(yàn)設(shè)置每5 min輸出一組數(shù)據(jù)的分辨率，排除因停電、儀器故障、維護(hù)校準(zhǔn)和個(gè)別極端雷暴天氣造成的異常數(shù)據(jù)后，共獲取有效樣本數(shù)13 824 個(gè)，異常數(shù)據(jù)1125 個(gè)，合格率達(dá)到91.86%。肉豬棚舍中傳感器設(shè)置于棚舍中央離地面2 m 處，堆糞棚中傳感器設(shè)置于離地面1.5 m 處，同時(shí)通過數(shù)采系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存在工控機(jī)上。研究期間，對(duì)夏季、秋季典型天氣棚舍養(yǎng)殖、糞便堆肥氨排放濃度進(jìn)行兩周左右的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，利用0.01 mol·L-1的稀硫酸為吸收液，在相同點(diǎn)位、背景區(qū)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(jiān)測(cè)周期為3 d，用以開展手工采樣與在線監(jiān)測(cè)對(duì)比分析。結(jié)果表明，在線監(jiān)測(cè)與手工監(jiān)測(cè)相關(guān)性較好（圖1），R2達(dá)到了0.972 8，均方誤差為0.057 3，最大絕對(duì)誤差為0.372 0，最小絕對(duì)誤差為0.004 6，擬合公式為Y=0.989 9x，Y為在線監(jiān)測(cè)值，x為手工監(jiān)測(cè)值，表明在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

此外，通過拓普瑞氣象儀獲取試驗(yàn)期間的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等主要?dú)庀髷?shù)據(jù)，并通過全球天氣精確預(yù)報(bào)網(wǎng)（www.wunderground.com）獲得環(huán)境氣象數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)期間的相關(guān)數(shù)據(jù)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(yǎng)殖棚舍和堆糞棚的溫度均高于背景點(diǎn)溫度，這可能是由于棚舍豬活動(dòng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)，以及堆糞棚內(nèi)糞便堆肥發(fā)酵導(dǎo)致。夏季養(yǎng)殖棚舍的濕度高于背景點(diǎn)，這主要是由于機(jī)械通風(fēng)模式下肉豬養(yǎng)殖棚舍內(nèi)濕簾的增濕作用，而秋季室外多雨，導(dǎo)致室外的濕度略高于室內(nèi)。堆糞棚四周通風(fēng)，所以濕度與背景點(diǎn)相差不大。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 肉豬養(yǎng)殖棚舍自然通風(fēng)模式下通風(fēng)量計(jì)算方法

本研究所在的豬舍為密閉式機(jī)械通風(fēng)豬舍，因此，在自然通風(fēng)狀況下，參照Kavolelis 等[13]的研究，獲取了相應(yīng)的自然通風(fēng)通風(fēng)量，即：

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

圖1 手工監(jiān)測(cè)與在線監(jiān)測(cè)氨濃度相關(guān)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(shí)通風(fēng)速率kg·s-1；Cd（i）為豬舍通風(fēng)口排放系數(shù)；A 為豬舍通風(fēng)口面積，m2；ρ0（i）為豬舍內(nèi)空氣密度，kg·m-3；g 為重力加速度，m·s-2；H 為進(jìn)、排風(fēng)口高度差，m；Δt 為豬舍內(nèi)外溫度差，℃；T0（i）為豬舍內(nèi)熱力學(xué)溫度，K；vi為豬舍外風(fēng)速，m·s-1；k1，k2為豬舍內(nèi)外的風(fēng)壓系數(shù)。

1.3.2 肉豬養(yǎng)殖棚舍自然通風(fēng)模式下氨排放通量計(jì)算方法

自然通風(fēng)下的氨排放通量計(jì)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(shí)通風(fēng)速率，kg·s-1；ci為豬舍內(nèi)氨體積濃度，%；n為豬舍內(nèi)豬的數(shù)量，頭。

秋季0：00 至9：00 與16：00 至24：00 采用自然通風(fēng)氨排放通量計(jì)算方法計(jì)算。

1.3.3 機(jī)械通風(fēng)模式下氨排放通量計(jì)算方法

式中：At為氨排放通量，g·d-1·頭-1；Vi為通風(fēng)量，m3·h-1；Δρi為舍內(nèi)氨氣每小時(shí)平均質(zhì)量濃度，mg·m-3；n為豬舍內(nèi)豬的數(shù)量，頭。

夏季與秋季9：00 至15：00 采用機(jī)械通風(fēng)氨排放通量計(jì)算方法計(jì)算。

1.3.4 堆糞棚氨排放通量計(jì)算方法

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

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位風(fēng)向，平均風(fēng)速、溫度和濕度Table 1 Monitor point wind direction，average wind speed，temperature and humidity

2 結(jié)果與討論

2.1 主要環(huán)節(jié)氨排放濃度特征

夏秋兩季肉豬養(yǎng)殖棚舍內(nèi)氨濃度日均變化如圖2 所示。肉豬養(yǎng)殖棚舍夏季氨濃度均值為3.31±0.31 mg·m-3，最大值達(dá)到了3.90 mg·m-3，出現(xiàn)在7月11日，最小值則為2.69 mg·m-3，出現(xiàn)在7 月22 日，最大值為最小值的1.45倍?？傮w而言，夏季氨日均濃度水平比較穩(wěn)定，呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)。這主要是由于夏季棚舍采用機(jī)械通風(fēng)方式換氣，較大的通風(fēng)量帶走了棚舍內(nèi)大量的污染物，使得濃度水平較低。7月22 日出現(xiàn)了較強(qiáng)的降雨天氣，導(dǎo)致該日的溫度較低并且濕度較大，較低的溫度導(dǎo)致棚舍內(nèi)的氨揮發(fā)強(qiáng)度相對(duì)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(yǎng)殖棚舍秋季氨濃度均值為4.91±0.56 mg·m-3，最大值達(dá)到了5.66 mg·m-3，出現(xiàn)在9 月14 日，最小值則為3.65 mg·m-3，出現(xiàn)在9 月20 日，最大值為最小值的1.55倍?？傮w而言，監(jiān)測(cè)期間秋季氨平均濃度水平顯著高于夏季，達(dá)到了后者的1.5 倍左右。秋季平均溫度略低于夏季，肉豬養(yǎng)殖棚舍的通風(fēng)模式為半機(jī)械通風(fēng)半自然通風(fēng)，換氣量遠(yuǎn)低于夏季，較低的換氣量使得棚舍內(nèi)的污染物不能迅速排出而在棚舍內(nèi)積聚，因而氨濃度水平遠(yuǎn)高于夏季。秋季肉豬養(yǎng)殖棚舍的氨濃度在9月14日開始逐漸下降，這可能是因?yàn)? 月14 日開始，受季風(fēng)氣候影響，溫度開始逐漸下降并且時(shí)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(kuò)散。

將研究期間各日小時(shí)濃度值平均處理，得到了肉豬養(yǎng)殖棚舍空氣中的氨濃度典型日小時(shí)變化趨勢(shì)，如圖3 所示。夏季濃度水平波動(dòng)范圍為2.9～3.7 mg·m-3，秋季濃度水平波動(dòng)范圍為3.8～5.5 mg·m-3。夏秋兩季氨濃度日小時(shí)變化呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，夏季總體趨勢(shì)為先上升后下降，而秋季趨勢(shì)為先下降后上升。通常而言，肉豬從早上6：00開始活動(dòng)，8：00以后肉豬開始進(jìn)食排泄，導(dǎo)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(shí)間段，即使在機(jī)械通風(fēng)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(dòng)開始減弱，因而舍內(nèi)的氨濃度水平明顯下降，之后維持在相對(duì)較低的水平。

秋季的溫度相對(duì)于夏季較低，豬舍內(nèi)的通風(fēng)模式為半機(jī)械通風(fēng)半自然通風(fēng)，機(jī)械風(fēng)機(jī)僅在9：00 到15：00 開放，通風(fēng)量僅為夏季的1∕3 左右。與夏季類似，肉豬在6：00 開始活動(dòng)后，肉豬養(yǎng)殖棚舍內(nèi)的氨濃度水平開始上升，并在9：00 時(shí)達(dá)到最高值，然后在9：00 機(jī)械風(fēng)機(jī)打開后，隨著通風(fēng)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(jī)械風(fēng)機(jī)關(guān)閉后，氨濃度水平重新上升并在17：00 達(dá)到高值。

由此可見，通風(fēng)量是影響?zhàn)B殖棚舍氨排放水平的最主要因素，在自然通風(fēng)下，較低的通風(fēng)量導(dǎo)致氨積聚在棚舍內(nèi)部難以擴(kuò)散，導(dǎo)致較高的濃度水平，而機(jī)械通風(fēng)下較高的通風(fēng)量可將大量污染物帶出棚舍外。此外，在通風(fēng)模式不變的情況下，溫度和豬的活動(dòng)強(qiáng)度也是影響氨濃度水平的重要因素。

圖2 夏秋兩季肉豬養(yǎng)殖棚舍內(nèi)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(dá)到了8.84 mg·m-3，出現(xiàn)在7 月15 日，最小值則為3.74 mg·m-3，出現(xiàn)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(dá)到了4.28 mg·m-3，出現(xiàn)在9 月15 日，最小值則為2.34 mg·m-3，出現(xiàn)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(xiàn)為先下降后上升再下降的趨勢(shì)。秋季氨的日均濃度變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，總體呈下降趨勢(shì)。夏季與秋季堆糞棚均為自然通風(fēng)模式，堆糞棚內(nèi)氨濃度水平變化與氣象條件密切相關(guān)。夏季最大值出現(xiàn)在7月15日，當(dāng)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(fā)，因此其濃度水平達(dá)到了最大值，相似的，秋季的最大值出現(xiàn)在9 月15 日，當(dāng)日溫度較高，相對(duì)濕度與風(fēng)速較低，均利于氨的排放和累積。而秋季最小值出現(xiàn)在9月23日，當(dāng)日平均的風(fēng)速達(dá)到監(jiān)測(cè)期間最大值，較大的通氣量帶走了大量的NH3，同時(shí)，前一日發(fā)生降雨，使得當(dāng)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(nèi)的氨濃度水平低。

將研究期間各日小時(shí)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(shí)變化趨勢(shì)，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(xiàn)在13：00，最低值出現(xiàn)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(xiàn)在10：00，最低值出現(xiàn)在7：00。夏秋兩季氨濃度變化呈現(xiàn)出完全不同的趨勢(shì)，夏季變化幅度較大，表現(xiàn)為先上升后下降，秋季的變化較為平緩，表現(xiàn)為先下降后上升再下降。堆糞棚長期處于自然通風(fēng)的狀態(tài)，堆糞棚內(nèi)氨濃度水平主要取決于氣象因素與糞便管理。堆糞棚內(nèi)氨濃度從8：00開始呈明顯的上升趨勢(shì)，并在13：00時(shí)達(dá)到最大值，這和日內(nèi)溫度變化趨勢(shì)以及大氣對(duì)流強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，12：00 到14：00 為夏季一日之中溫度最高的時(shí)間段，氨的排放強(qiáng)度也相對(duì)較高，濃度水平也達(dá)到高峰值；3：00 到4：00 為一日之中溫度較低的時(shí)間段，NH3的排放強(qiáng)度也相對(duì)較低。秋季堆糞棚的氨濃度變化較為穩(wěn)定，變化起伏較小。上海市氣候?yàn)槊黠@的亞熱帶季風(fēng)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(shí)間段，堆糞棚內(nèi)的氨濃度水平也相對(duì)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(duì)夏季而言處在一個(gè)相對(duì)較低的水平。

圖3 肉豬養(yǎng)殖棚舍內(nèi)夏秋兩季每小時(shí)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(shì)相對(duì)于秋季較為穩(wěn)定，這可能是夏季的溫度較高，濕度較低并且夏季持續(xù)24 h 機(jī)械通風(fēng)，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(jī)氮更容易分解產(chǎn)生氨，而極大的通風(fēng)量有利于氨的擴(kuò)散，致使氨排放通量較高。秋季溫度較低，濕度較大，機(jī)械通風(fēng)時(shí)間僅為7 h，時(shí)間大大縮短，通風(fēng)量僅為夏季的1∕3左右，較低的通風(fēng)量使豬舍的空氣流通較差，舍內(nèi)氨的濃度水平雖然高于夏季，但是較低的通風(fēng)量導(dǎo)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(fēng)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(fā)酵排放大量的NH3。

圖5 堆糞棚內(nèi)夏秋兩季每小時(shí)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(shí)排放通量與溫度響應(yīng)關(guān)系Table 2 Response of hourly ammonia emission flux to temperature

表3 氨小時(shí)排放通量與濕度響應(yīng)關(guān)系Table 3 Response of hourly ammonia emission flux to humidity

圖6 肉豬養(yǎng)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(shí)氨排放通量水平與溫度、濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 和表3 所示。對(duì)肉豬養(yǎng)殖棚舍氨排放通量與溫度、濕度進(jìn)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(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.156 4，與濕度則呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.207 7。夏季為24 h機(jī)械通風(fēng)模式，通風(fēng)量大，導(dǎo)致舍內(nèi)溫度、濕度基本恒定，對(duì)氨排放的影響較小，因此影響肉豬養(yǎng)殖棚舍氨排放通量的主導(dǎo)因素是通風(fēng)量。秋季則有所不同，氨排放通量與溫度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），R2為0.032 0，與濕度則呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.352 1，秋季為半機(jī)械通風(fēng)半自然通風(fēng)模式，通風(fēng)量較夏季顯著降低，對(duì)氨排放通量的影響減弱，溫度與濕度對(duì)氨排放通量的影響顯著增加，因此相關(guān)性也相對(duì)較好。糞便的理化性質(zhì)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(huì)減少[20]，糞便的pH 值通過影響脲酶活性影響其對(duì)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(shí)氨是易溶于水的氣體，這也表明除溫度外，舍內(nèi)的濕度也是影響氨排放的重要因素[23]。

對(duì)堆糞棚氨排放通量與溫度、濕度進(jìn)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(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.415 5，與濕度則呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.415 6。秋季排放通量與溫度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.138 8，與濕度則呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），R2達(dá)到0.217 0。夏秋兩季小時(shí)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(nèi)，堆糞棚氨排放通量與溫、濕度響應(yīng)關(guān)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(jìn)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(fēng)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(duì)近年來國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行整理，獲取規(guī)模化豬場典型環(huán)節(jié)氨排放通量水平，如表4 所示。研究表明，肉豬養(yǎng)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(duì)氨排放通量有重要影響。本研究夏季肉豬養(yǎng)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?yàn)橥跷牧值鹊难芯繒r(shí)段溫度較低，濕度也有所不同，導(dǎo)致氨排放通量較低；Ni 等的研究中肉豬養(yǎng)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(fā)，從而氨排放通量也相對(duì)較高。本研究秋季肉豬養(yǎng)殖棚舍氨排放通量略低于Philippe 等[27]與Kim 等[28]的結(jié)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(dǎo)致其氨排放通量略高于本研究；Kim 等所研究的地域?yàn)轫n國，韓國的氣候與我國北方相似，為溫帶季風(fēng)氣候，其地域秋季均較為干燥，相對(duì)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(jié)果，代小蓉等所研究的堆糞棚非自然通風(fēng)模式，相對(duì)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(tài)，氨排放通量也相對(duì)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(jiān)測(cè)與計(jì)算方法和本研究不同，這可能是導(dǎo)致其結(jié)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(nèi)外研究對(duì)比Table 4 Comparison of domestic and foreign research

3 結(jié)論

（1）肉豬養(yǎng)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(shí)段機(jī)械通風(fēng)，通風(fēng)量達(dá)到秋季的3 倍左右，表明通風(fēng)量是影響?zhàn)B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(shí)范圍分別為2.9～3.7 mg·m-3和3.8～5.5 mg·m-3，變化趨勢(shì)存在顯著差異。夏季氨濃度總體趨勢(shì)為先上升后下降，主要受溫度、畜禽活動(dòng)強(qiáng)度的影響；秋季氨濃度趨勢(shì)為先下降后上升，主要受9：00—15：00 機(jī)械通風(fēng)運(yùn)行模式的影響。

（3）肉豬養(yǎng)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(yǎng)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(guān)性分析表明，夏季為24 h機(jī)械通風(fēng)模式，通風(fēng)量大，導(dǎo)致舍內(nèi)溫度、濕度基本恒定，對(duì)氨排放的影響較小，因此影響肉豬養(yǎng)殖棚舍氨排放通量的主導(dǎo)因素是通風(fēng)量；秋季為半機(jī)械通風(fēng)半自然通風(fēng)模式，通風(fēng)量較夏季顯著降低，溫度與濕度對(duì)氨排放通量的影響顯著，是該季節(jié)影響氨排放的重要因素。