半開放式豬舍內(nèi)不同飼養(yǎng)階段空氣顆粒物的質(zhì)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(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，四川成都 611130；2四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川內(nèi)江 641000）

近年來，我國養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，一些養(yǎng)殖場(chǎng)在養(yǎng)殖過程中會(huì)向周圍環(huán)境中釋放大量的顆粒污染物[1]，空氣中的顆粒物會(huì)與水分子、微生物、氣體等相結(jié)合形成相對(duì)穩(wěn)定的膠體粒子[2-4]，從而對(duì)動(dòng)物健康造成威脅。在秋冬季節(jié)，動(dòng)物肺部易燥，且豬舍密閉保溫、通風(fēng)不良，會(huì)導(dǎo)致舍內(nèi)空氣質(zhì)量下降，豬舍內(nèi)如果顆粒物含量過高，豬只長(zhǎng)期受顆粒物刺激易患支氣管炎、氣管炎和肺炎。生長(zhǎng)育肥豬發(fā)生呼吸道疾病后，會(huì)出現(xiàn)精神沉郁、咳嗽、打噴嚏、腹式呼吸、呼吸困難、成為“掉隊(duì)豬（僵豬）”等情況[5]。豬如果出現(xiàn)呼吸道綜合征后，機(jī)體免疫力下降，更容易感染其他病原菌而致病，最終導(dǎo)致生豬生長(zhǎng)速度緩慢、飼料報(bào)酬下降、出欄時(shí)間推遲等[6]。

針對(duì)空氣中顆粒物對(duì)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(jìn)行了研究，Visser等[8]對(duì)隧道通風(fēng)式雞舍內(nèi)外空氣中的顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測(cè)，豬舍和牛舍內(nèi)空氣中顆粒物的分布，及其舍外傳播擴(kuò)散規(guī)律也被陸續(xù)報(bào)道[9-13]。Kim[14]采用空氣過濾器有效降低了豬場(chǎng)空氣中的顆粒物和生物成分。國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在畜禽舍內(nèi)微生物氣溶膠以及向大氣環(huán)境擴(kuò)散特征和潛在的生物安全風(fēng)險(xiǎn)[15-18]等方面，吳勝[19]和陳曉亮[20]等研究了規(guī)?；i場(chǎng)內(nèi)總懸浮顆粒物（TSP）的舍內(nèi)分布規(guī)律，汪開英等[21]對(duì)保育豬舍內(nèi)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(dòng)防疫系統(tǒng)和空氣智能凈化系統(tǒng)對(duì)降低舍內(nèi)粉塵的作用。有關(guān)畜舍內(nèi)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(zhì)量濃度的報(bào)道均只在育肥豬舍內(nèi)進(jìn)行過檢測(cè)[12,25]。陳峰等[26]研究的蛋雞舍顆粒物濃度的結(jié)果表明，顆粒物質(zhì)量濃度還與畜禽種類、通風(fēng)、晝夜、季節(jié)變化和飼養(yǎng)條件等因素有關(guān)。不同養(yǎng)殖階段豬舍空氣中顆粒物質(zhì)量濃度的變化尚缺乏詳細(xì)的研究，引起總顆粒物變動(dòng)的粒徑主體也并不明確。

因此，本研究以四川地區(qū)某豬場(chǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)該豬場(chǎng)不同養(yǎng)殖階段豬舍內(nèi)空氣中的顆粒物含量進(jìn)行檢測(cè)，考察養(yǎng)殖類型、飼喂行為、通風(fēng)條件和季節(jié)等因素對(duì)豬舍中PM2.5、PM10和TSP的影響，以期為規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)空氣質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)豬舍

試驗(yàn)在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安試驗(yàn)基地的豬場(chǎng)進(jìn)行，豬場(chǎng)布局見圖1。豬場(chǎng)內(nèi)設(shè)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(yàn)豬場(chǎng)全場(chǎng)采用人工飼喂，飼料均為學(xué)校食堂剩飯剩菜經(jīng)過發(fā)酵后混合制成的顆粒飼料，鴨嘴式自動(dòng)飲水器飲水。畜舍均為半開放式雙坡有窗結(jié)構(gòu)，采用自然通風(fēng)，玻璃窗安裝在兩側(cè)墻壁。豬舍檐高3 m，跨度10 m，長(zhǎng)度各不相同（見表1），舍內(nèi)走道依畜舍結(jié)構(gòu)也不相同，保育舍和哺乳舍均被分割為7個(gè)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(fā)酵設(shè)施中統(tǒng)一處理。各舍內(nèi)豬只數(shù)量不等，試驗(yàn)期間舍內(nèi)均有空余圏欄。

表1 試驗(yàn)豬舍基本情況

1.2 試驗(yàn)材料

顆粒物便攜式采樣器（型號(hào)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(jì)、溫濕度計(jì)等（萬科公司）。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

顆粒物采樣點(diǎn)的布置見圖1中星型圖標(biāo)所示。妊娠舍和育肥舍內(nèi)的顆粒物監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于豬舍走道中部，保育舍和哺乳舍均是由7個(gè)小單元舍構(gòu)成，采樣時(shí)選擇位于較中間的小單元，采樣點(diǎn)布于單元內(nèi)的走廊中間位置。所有采樣點(diǎn)均距離舍內(nèi)地面1.5 m，PM2.5、PM10和TSP切割頭的高度相同。

1.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)時(shí)間為2017年6—9月份和2017年11月至2018年1月。試驗(yàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為豬舍中的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度。每棟豬舍的不同指標(biāo)連續(xù)測(cè)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(jìn)行采樣，采樣的同時(shí)監(jiān)測(cè)豬舍內(nèi)的溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)，以免舍內(nèi)溫濕環(huán)境出現(xiàn)巨大變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。分別在妊娠舍、哺乳舍、保育舍、育肥舍內(nèi)監(jiān)測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度，并關(guān)注畜舍的喂料時(shí)間，于飼喂前后檢測(cè)顆粒物質(zhì)量濃度變化。夏季人為設(shè)置風(fēng)機(jī)，觀測(cè)不同通風(fēng)情況對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響。分別于夏季和冬季進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄顆粒物質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化的情況。

圖1 豬場(chǎng)布局圖

采用便攜式顆粒物采樣器進(jìn)行自動(dòng)采樣，方法如下。

①將收集顆粒物的濾紙?jiān)诟稍锲髦懈稍?4 h，然后稱干燥后的濾紙重，計(jì)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(duì)安全的位置，防止豬將設(shè)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(wǎng)一面，設(shè)置采集顆粒物時(shí)段，設(shè)定好采集時(shí)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(jì)為m2；

③在采集顆粒物的時(shí)段內(nèi)，通過觀察壓力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)定豬舍的氣壓（mmHg）并記錄；讀取溫濕度計(jì)上的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并記錄。

采用TSP與PM10的差值和PM10與PM2.5的差值分別計(jì)算出PM10～100（空氣動(dòng)力學(xué)粒徑在10～100μm之間的顆粒物）和PM2.5～10（空氣動(dòng)力學(xué)粒徑在2.5～10μm之間的顆粒物）的濃度。

1.5 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

顆粒物質(zhì)量濃度的計(jì)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(zhuǎn)子流量計(jì)顯示的流量（L/min）；P0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣壓（mmHg），T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（℃）；P為試驗(yàn)狀態(tài)下的氣壓（mmHg），T為試驗(yàn)狀態(tài)下的溫度（℃）。

數(shù)據(jù)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jié)果與分析

2.1 不同豬舍內(nèi)的顆粒物分布

對(duì)不同養(yǎng)殖階段豬舍（育肥舍、保育舍、哺乳舍和妊娠舍）內(nèi)的PM2.5、PM10和TSP質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定，因筆者前期研究發(fā)現(xiàn)夏季畜舍內(nèi)PM2.5的含量較低，能檢測(cè)到的概率很小，因此未進(jìn)行夏季畜舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度的檢測(cè)。只對(duì)冬季不同養(yǎng)殖階段豬舍內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行了檢測(cè)，以每日顆粒物質(zhì)量濃度較高的時(shí)間段（12—14時(shí)）比較不同豬舍間顆粒物質(zhì)量濃度，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，冬季保育舍內(nèi)PM2.5、PM10、TSP含量分別高達(dá) 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(zhì)量濃度居中。針對(duì)豬舍內(nèi)顆粒物含量的研究多集中于育肥舍和保育舍，許穩(wěn)[27]等發(fā)現(xiàn)冬季育肥舍內(nèi)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(jié)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(jié)構(gòu)截然不同，保育舍的小單間結(jié)構(gòu)縮小了空氣采樣時(shí)的空間。由表1可知，保育舍內(nèi)的仔豬飼養(yǎng)密度約為試驗(yàn)育肥舍的2.3倍，且試驗(yàn)時(shí)觀察到仔豬活動(dòng)量大，飼喂時(shí)爭(zhēng)食搶食嚴(yán)重，自由采食時(shí)造成的浪費(fèi)大，導(dǎo)致保育舍空氣中顆粒物的含量高。參考我國空氣環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn) GB 3095—2012（TSP：300 μg/m3；PM10：150μg/m3；PM2.5：75μg/m3）發(fā)現(xiàn)，畜舍內(nèi)的顆粒物含量均嚴(yán)重超標(biāo)，采取提高空氣質(zhì)量的措施迫在眉睫。

圖2 冬季不同豬舍內(nèi)的顆粒物質(zhì)量濃度

在不同豬舍內(nèi)，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(nèi)顆粒物污染以PM10為主。進(jìn)一步細(xì)分顆粒物粒徑發(fā)現(xiàn)，在育肥舍和哺乳舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出PM2.5/TSP（49.90%，66.15%）＞PM2.5-10/TSP（43.10%，3.85%），因此可以認(rèn)為在育肥舍和哺乳舍內(nèi)PM2.5是導(dǎo)致豬舍內(nèi)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(dòng)物肺中，給動(dòng)物健康帶來極大威脅[28]。哺乳舍與保育舍的建筑結(jié)構(gòu)相似，但是哺乳舍小單間內(nèi)豬群密度較小（表1），而且母豬與初生仔豬的活動(dòng)量相對(duì)較小，一個(gè)母豬配備一個(gè)食槽不會(huì)造成飼料的爭(zhēng)搶與浪費(fèi)，因此舍內(nèi)顆粒物含量較低。妊娠舍為大圈飼養(yǎng)，空間大，空氣流通較快，飼料主要是豆渣麥麩潲水，無粉質(zhì)飼料，散逸到空氣中的飼料顆粒較少。

2.2 人工飼喂對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響

以夏季自然通風(fēng)條件下哺乳舍內(nèi)總顆粒物含量為檢測(cè)對(duì)象，研究人工飼喂對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響，白天的波動(dòng)曲線見圖3。哺乳舍內(nèi)人工飼喂的時(shí)間分別為8：00、11：30 和 18：30。

圖3 夏季不同時(shí)段哺乳舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度

由圖3可知，人工飼喂導(dǎo)致舍內(nèi)總顆粒物和PM10含量顯著（＜0.01）增加。早上8：00飼喂前后2個(gè)時(shí)段內(nèi)測(cè)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(cè)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(shí)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(guī)律，11：30飼喂后于12：00—14：00的檢測(cè)值約為飼喂前的2.9倍。而PM10在TSP中的占比在一天內(nèi)呈上升趨勢(shì)，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(tài)，活動(dòng)量較小，顆粒物含量無顯著差異，而13：30的人工飼喂后，舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度增加，其主要原因是人工飼喂增加了動(dòng)物的活動(dòng)量，促進(jìn)顆粒物進(jìn)入到空氣中再逸散傳播，而動(dòng)物活動(dòng)已經(jīng)被確定為舍內(nèi)顆粒物的重要來源之一[25]，因此可以認(rèn)為人工飼喂會(huì)使舍內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度增加。此外，由PM10/TSP比例可得出，飼喂活動(dòng)使動(dòng)物PM10的占比升高，采食活動(dòng)主要導(dǎo)致了空氣中PM10含量的顯著升高，進(jìn)而提高了空氣中顆粒物含量。對(duì)應(yīng)的下午16：00—18：00時(shí)，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(zhì)量濃度降低是TSP降低的主要原因，從而使PM10/TSP比例高達(dá)90%。

2.3 通風(fēng)情況對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響

以保育舍為檢測(cè)對(duì)象研究通風(fēng)情況對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響，畜舍舍內(nèi)沒有機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，均采用自然通風(fēng)，本研究采用人為架設(shè)風(fēng)扇，夏季在保育舍內(nèi)避開試驗(yàn)動(dòng)物，對(duì)著窗戶進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)。

圖4 夏季保育舍不同通風(fēng)條件下的顆粒物質(zhì)量濃度

保育舍內(nèi)所測(cè)得12：00—14：00時(shí)段的PM10和總顆粒物TSP的含量如圖4所示，由此可知，機(jī)械通風(fēng)對(duì)降低舍內(nèi)顆粒物含量有巨大的作用。舍內(nèi)只進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)PM10和TSP的含量為別為0.30 mg/m3和0.32mg/m3，使用機(jī)械通風(fēng)時(shí)舍內(nèi)PM10與TSP都降為0.16 mg/m3，明顯低于自然通風(fēng)時(shí)舍內(nèi)的顆粒物含量（＜0.05）。豬舍內(nèi)僅使用自然通風(fēng)時(shí)，因?yàn)樽匀煌L(fēng)的通風(fēng)口有限，通風(fēng)效率低，導(dǎo)致舍內(nèi)空氣流通緩慢，無法排除舍內(nèi)顆粒物含量較高的空氣，而使用機(jī)械通風(fēng)可以增加舍內(nèi)通風(fēng)速率，從而降低舍內(nèi)空氣中的顆粒物含量[29]。2種通風(fēng)條件下，PM10占TSP的比例分別為93%和99%，說明夏季保育舍內(nèi)空氣中的顆粒物污染以PM10為主，通風(fēng)可去除絕大部分粒徑小于10μm的顆粒物，而且通風(fēng)條件對(duì)PM10/TSP的影響不大。

2.4 冬夏兩季顆粒物質(zhì)量濃度變化

以哺乳舍為檢測(cè)對(duì)象研究顆粒物質(zhì)量濃度在冬夏兩季的變化，分別于夏季和冬季檢測(cè)舍內(nèi)空氣中的PM2.5、PM10和總顆粒物TSP的質(zhì)量濃度，結(jié)果見圖5。

圖5 不同季節(jié)哺乳舍內(nèi)顆粒物的質(zhì)量濃度

3 結(jié)論

不同豬舍中顆粒物PM2.5、PM10、TSP的含量各不相同，保育舍內(nèi)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(zhì)量濃度最低。而且在各個(gè)豬舍內(nèi)，PM10均是總顆粒物的主要組成。

在夏季，保育舍內(nèi)的TSP主要由PM10組成，與自然通風(fēng)相比，使用機(jī)械通風(fēng)能有效降低TSP和PM10質(zhì)量濃度50%左右。

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