奶牛舍空氣顆粒物危害、特性及其關鍵影響因素研究進展

魯煜建，李永振，方志偉，施正香，3，王朝元，3＊

1 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，北京 100083

3 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術研究中心，北京 100083

0 引言

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的顆粒物（PM）是重要的農(nóng)業(yè)源顆粒物之一，以德國為例，其中來自畜禽生產(chǎn)的PM2.5和PM10占德國大氣顆粒物的4.2%和8.0%[1]。相較于其他排放源，畜禽舍顆粒物具有濃度高、危害大、特性復雜等特點，長時間暴露在高濃度顆粒物環(huán)境中會影響畜禽健康與生產(chǎn)效率，引起工作人員慢性支氣管炎、咳嗽、持續(xù)喘息和塵肺等肺部疾病的發(fā)生，降低動物和工人的福利水平[2～4]。不僅如此，畜禽舍顆粒物還會攜帶臭氣和致病微生物等有害物質(zhì)，耦合運移并向周邊環(huán)境擴散，降低大氣能見度，破壞生態(tài)系統(tǒng)，影響周邊居民的生產(chǎn)生活，引起投訴事件等[5，6]。

近年來，我國奶牛場規(guī)模化和集約化程度不斷提高，截至2018年，我國存欄量大于1 000 頭的牧場占比38.9%[7]，大規(guī)模、高密度的飼養(yǎng)方式導致牛舍顆粒物濃度和排放量不斷升高，在牛舍多采用開放或半開放式的自然通風類型下，勢必更易導致對周邊地區(qū)和大氣環(huán)境的污染。

在畜禽舍顆粒物特性研究方面，歐美等國較早開展了本國或多國間的畜禽場空氣污染物排放監(jiān)測計劃，探究了不同畜種、不同畜舍類型的顆粒物等環(huán)境參數(shù)的濃度、排放量等特性，為本國的畜禽場污染物減排和排放清單制定提供了重要參考依據(jù)[8～12]。Cambra-Lopez等[5]、汪開英等[13]、戴鵬遠等[14]綜述了雞舍和豬舍顆粒物的危害、理化特性及其影響因素等，目前仍缺少奶牛舍顆粒物特性的相關綜述。相較于國外，我國對于奶牛舍顆粒物濃度、排放等基礎特征參數(shù)的研究和基礎數(shù)據(jù)的累積基本處于空白。此外，我國生態(tài)環(huán)境部頒布的《大氣細顆粒物一次源排放清單編制技術指南（試行）》與《大氣可吸入顆粒物一次源排放清單編制技術指南（試行）》要求加速推進各領域?qū)︻w粒物排放清單的制定。在此背景下，總結國內(nèi)外奶牛舍顆粒物研究進展，能夠進一步摸清奶牛舍顆粒物特性及其變化規(guī)律，為開展奶牛場顆粒物相關研究、獲取基礎數(shù)據(jù)及施行減排措施和政府決策等提供理論支撐。

本文通過總結國內(nèi)外奶牛場顆粒物的相關研究，系統(tǒng)闡述了奶牛場顆粒物的危害、濃度、排放率、與臭氣、微生物耦合和擴散特征，歸納總結了影響牛舍顆粒物特性的關鍵因素，并提出研究展望，為我國規(guī)?；膛龅沫h(huán)境控制和節(jié)能減排等提供理論和技術支撐，同時加速我國奶牛場顆粒物排放清單的完善和環(huán)保政策的制定，為環(huán)境保護提供政策支持。

1 顆粒物危害

1.1 顆粒物對奶牛和工作人員的危害

奶牛場顆粒物通過懸浮于牛舍內(nèi)外的環(huán)境，從而直接或間接的危害奶牛、牧場工人及周邊居民的健康，主要表現(xiàn)為呼吸道、肺部等疾病發(fā)病率的增加。這主要由于，一方面，顆粒物通過空氣吸入可直接刺激呼吸道黏膜，降低機體對呼吸系統(tǒng)疾病的免疫抵制；另一方面，附著在顆粒物上的重金屬、NH3、內(nèi)毒素等化學物質(zhì)和致病微生物對呼吸道產(chǎn)生刺激，造成組織損傷和疾病感染。研究表明，由于牛舍干草、秸稈、發(fā)霉飼料含量較高，舍內(nèi)牛群容易感染一系列常見的過敏性疾病，如鼻炎、牙槽炎、哮喘等，這可能與顆粒物吸附的內(nèi)毒素有關[15]。受顆粒物影響，牧場工人的健康狀況也出現(xiàn)不同程度的下降。Eastman等[16]研究發(fā)現(xiàn)長期從事牛場工作的人因亞急性呼吸道損害，而導致肺活量普遍下降。Gainet等[4]通過對法國杜省地區(qū)奶牛場工人進行為期12 年的縱向研究，同樣發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，長期從事牛場工作的人患慢性支氣管炎概率更高、血氧濃度更低。

1.2 顆粒物對周邊環(huán)境和居民的危害

奶牛場作為顆粒物排放源，持續(xù)不斷向外界排放顆粒物及其攜帶的化學物質(zhì)、微生物等，對牛場周圍環(huán)境及居民造成危害。奶牛場顆粒物的排放造成場區(qū)周圍環(huán)境中顆粒物濃度升高，顆粒物中吸附的有害氣體、內(nèi)毒素、真菌、細菌等進一步對牛場周圍環(huán)境造成影響，使得居民不僅受到臭氣困擾，而且其健康狀況也出現(xiàn)不同程度的下降。Garcia等[17]通過測量美國加州13 個奶牛場上下風向的可吸入顆粒物（PM2.5、PM10）濃度，發(fā)現(xiàn)不同牛場間、同一牛場不同生產(chǎn)區(qū)域顆粒物濃度差異明顯，上風向顆粒物平均濃度顯著低于牛場中心區(qū)域濃度。De Rooij等[18]通過對2 494 名畜牧場（包括奶牛場）周邊居民進行健康調(diào)查，發(fā)現(xiàn)畜禽場排放的空氣顆粒物與居民哮喘發(fā)病率、特應性敏感等緊密相關。Williams等[19]曾對美國華盛頓地區(qū)距離奶牛場分別0.4 km和4.8 km，共40個居民社區(qū)的空氣質(zhì)量指標（顆粒物、NH3、奶牛過敏原）進行測量，認為距離牛場更近的社區(qū)環(huán)境空氣中奶牛過敏原、NH3和顆粒物濃度分別是距離更遠社區(qū)的60 倍、8 倍、2 倍。由此可見，奶牛場排放的顆粒物對奶牛、工人及周邊居民健康存在不同程度的危害。當前，隨著奶牛場建筑結構由傳統(tǒng)的小型開放式向大型半開放式、密閉式轉(zhuǎn)變，奶牛場顆粒物所帶來的健康和福利問題值得引起重視。

顆粒物還是形成霧霾、酸雨等氣象災害重要的前體物質(zhì)，在規(guī)?；膛Ｉa(chǎn)條件下，產(chǎn)生的大量空氣顆粒物容易造成局部地區(qū)氣候條件惡化，進而影響奶牛場及周邊地區(qū)的生產(chǎn)運營。同時，顆粒物協(xié)載的重金屬、NH3、揮發(fā)性有機物質(zhì)等進入大氣環(huán)境后，通過一系列物理和化學反應，形成粒徑分布、化學性質(zhì)不同的二次顆粒物，成為目前亟待解決的難題。受到測試技術、監(jiān)測與控制成本等限制，目前關于奶牛場空氣顆粒物排放量仍沒有得到充分評估，也沒有充分的科學證據(jù)證明其與改變生態(tài)系統(tǒng)的直接關系。

2 顆粒物特性

2.1 濃度和排放水平

2.1.1 濃度

濃度是顆粒物的重要特征之一。多數(shù)研究表明，奶牛舍不同粒徑的顆粒物濃度通常小于雞舍和豬舍，這主要因為牛舍的建筑結構通常為開放或半開放類型，多采用自然通風方式，舍內(nèi)環(huán)境易受外界的影響[8，10，12，20]。Winkel等[8]、Schmidt[21]、和Schrade等[22]在測量不同類型牛舍時均得到牛舍內(nèi)PM10濃度稍高于外界環(huán)境，Kaasik等[11]測量得到牛舍內(nèi)外PM10、PM2.5濃度顯著相關。部分監(jiān)測結果出現(xiàn)了牛舍內(nèi)顆粒物濃度小于舍外環(huán)境的現(xiàn)象，并認為顆粒物的粒徑越小，其受外界環(huán)境的影響越大[11，12，22]。表1總結了不同國家或地區(qū)奶牛舍不同粒徑顆粒物濃度的測量結果，其中以北歐國家施行的畜禽舍空氣污染物排放多國監(jiān)測計劃、美國實施的國家空氣排放監(jiān)測研究和瓦赫寧根大學開展的荷蘭畜禽舍顆粒物排放調(diào)查研究具有代表性[8～10，12]。Takai等[10]調(diào)研的24 棟拴系和24 棟散欄飼養(yǎng)奶牛舍的顆粒物濃度，測量結果顯示，奶牛舍內(nèi)可入肺顆粒物和可吸入顆粒物的平均濃度分別為70.0 μg/m3和380.0 μg/m3。Joo等[12]測量了美國華盛頓州2 棟自然通風奶牛舍，得到2 棟舍的PM2.5、PM10和TSP的濃度分別為72.6 μg/m3、330.0 μg/m3、866.0 μg/m3和67.8 μg/m3、577.0 μg/m3、1702.0 μg/m3；Winkel等[8]測量得到4 棟舍飼散欄奶牛舍內(nèi)的PM2.5、PM10和可吸入顆粒物濃度分別為13.8 μg/m3、40.0 μg/m3和295.0 μg/m3。整體而言，多數(shù)研究中對同一粒徑顆粒物濃度的測量結果基本處在同一數(shù)量級，測量結果的差異主要來源于氣候、牛舍類型、牛群大小、測量方法等。相對于其他研究測量結果，Joo等[12]測量得到的結果較高，這一方面可能源于監(jiān)測牛舍的奶牛數(shù)量較多，另一方面源于測量點和測量設備的差異，該研究采用單點布置，僅將監(jiān)測設備布置在牛舍中央，距離屋頂通風口下方1.5m位置處，而Winkel等[8]與Kaasik等[11]均采用多點布點方式，并未在屋頂通風口處布置監(jiān)測點。綜合不同研究結果可得，奶牛舍PM2.5、PM10平均濃度變化范圍分別在1.1～787.4 μg/m3和3.0～2 177.0 μg/m3。Hinz等[23]在測量奶牛舍的TSP濃度后認為牛舍的TSP濃度一般小于1 000.0 μg/m3。

表1 奶牛舍顆粒物濃度 單位；μg/m3

在奶牛舍顆粒物濃度變化規(guī)律上，不同研究得到的變化規(guī)律不盡相同，但多數(shù)測量結果顯示，顆粒物濃度日變化總體呈現(xiàn)白天高，夜間低，白天波動較大，夜間平穩(wěn)的特征，峰值的出現(xiàn)和波動總體上受到奶?；顒恿亢凸芾泶胧┑纫蛩氐挠绊慬8，10，24]。Takai等[10]得到英國與丹麥、荷蘭與德國地區(qū)奶牛舍白天可吸入顆粒物濃度分別高出夜晚50%～60%和10%～20%”。認為這主要因為奶牛白天的活動量大于夜間，高活動量會促使落至地面的顆粒物再次進入空氣中，導致濃度增加。Joo等[12]發(fā)現(xiàn)PM10和PM2.5小時濃度均值在早晨出現(xiàn)階段性峰值，傍晚達到最高，在午夜至凌晨時段達到低谷，這受到奶牛采食等過程的影響。由于現(xiàn)階段顆粒物測量儀器體積較大、維護費用昂貴等，目前關于牛舍顆粒物在不同空間的分布規(guī)律的研究較少。其中，Zhao等[25]在測量美國俄亥俄州兩棟奶牛舍內(nèi)的空氣質(zhì)量時，在牛舍內(nèi)的不同空間區(qū)域設置了8 個采樣點，但統(tǒng)計分析得到牛舍不同區(qū)域的顆粒物濃度相近，不存在顯著差異。

相較國外，國內(nèi)奶牛舍顆粒物濃度相關研究仍然有限。周英昊等[26]、高玉紅等[27]間斷測量了河北地區(qū)不同類型奶牛舍內(nèi)PM2.5和PM10濃度變化范圍分別為28.5～211.5 μg/m3和1.9～44.2 μg/m3，但總體而言，監(jiān)測結果仍無法系統(tǒng)的反映奶牛舍顆粒物濃度水平及其動態(tài)變化過程。

2.1.2 排放

奶牛舍顆粒物的排放特征除與濃度有關外，還受到牛舍通風量和通風方式影響，多數(shù)研究表明，奶牛舍顆粒物的排放率相較于豬舍和雞舍更低。Takai等[10]得到雞舍、豬舍和奶牛舍可吸入顆粒物排放率分別為762 mg/h·500 kg、3 165 mg/h·500 kg、145 mg/h·500 kg，可入肺顆粒物的排放率分別為85 mg/h·500 kg、504 mg/h·500 kg、24 mg/h·500 kg，Winkel等[8]在測量了荷蘭地區(qū)的36 個不同類型雞舍、豬舍和牛舍的顆粒物排放率，以mg/h·500 kg、mg/h·hpu為單位，奶牛舍的PM2.5、PM10和可吸入顆粒物的排放率均為最低。表2總結了各國家現(xiàn)場測算的奶牛舍不同粒徑顆粒物的排放率。從數(shù)值上來看，部分研究結果間存在較大差異，例如Joo等[12]測量牛舍的PM2.5和PM10排放率分別約是Winkle等[8]測量結果的101 倍和73 倍，排放率測試結果存在較大差異除了受氣候條件、牛舍建筑、測量點布置、測量儀器等因素影響外，還受到通風量測算方法的影響。目前，準確的測算自然通風奶牛舍的通風量仍然存在困難，相較于Winkle等[8]采用的二氧化碳平衡法，Joo等[12]采用將16 個三維聲波風速儀均勻布置于牛舍側墻的方式測量通風量。由于現(xiàn)場測量不僅很難準確估算通風量，也存在時間、人力和物力消耗較大的問題，部分研究通過反演方式對牛舍或整個牛場的顆粒物排放率進行估算，但多數(shù)研究主要應用于肉牛場[28，29]。Goodrich等[30]和Marchant等[31]分別借助ISC3和AERMOD模型反演估算奶牛舍的顆粒物排放率，其中Marchant等[31]在比較了激光雷達現(xiàn)場測量和模型估算的結果后得到，現(xiàn)場測量結果小于估算結果，最大差距可達3 倍以上，這可能源于反演估算方法對部分顆粒物排放過程的模擬（如顆粒物的羽流抬升過程）采用簡化或省略的方式。

表2 奶牛舍顆粒物排放率匯總

季節(jié)與奶牛舍通風率存在密切聯(lián)系，通常情況下，由于奶牛舍夏季通風率高于冬季，因此，夏季奶牛舍的顆粒物濃度小于冬季，排放率高于冬季[8，11，24]，例如Winkel等[8]、Purdy等[24]分別得到新墨西哥州南部4 個牧場夏季顆粒物平均濃度低于冬季，排放水平高于冬季，荷蘭地區(qū)散欄奶牛舍的PM10排放率呈現(xiàn)夏季最高、春秋季節(jié)次之、冬季最低的特點。但受氣候和管理方式等因素的影響，部分地區(qū)奶牛舍在冬夏季均采用自然通風方式，舍內(nèi)顆粒物濃度及排放率不存在季節(jié)差異或呈現(xiàn)相反的狀況[10，12，21]。

2.2 顆粒物與臭氣、微生物耦合

與其他畜禽場類似，奶牛場產(chǎn)生的90%空氣顆粒物由有機物質(zhì)組成[5]，這些有機粒子主要有真菌、細菌、病毒、內(nèi)毒素、過敏原等生物活性物質(zhì)，還有源自奶牛舍及附屬生產(chǎn)設施內(nèi)的飼料、墊料、糞便和動物皮屑等。奶牛場顆粒物成分主要元素包括C、O、N、P、S、Na、Ca、Al、Mg、K等，由于草料相對較多，奶牛舍顆粒物中礦物質(zhì)和灰燼含量更高[32]。奶牛場顆粒物對健康和環(huán)境的影響除了其自身理化特性外，實際上更多源于奶牛場產(chǎn)生的有害氣體、致病微生物與顆粒物間的協(xié)同耦合作用，顆粒物作為“可移動”排放源在傳播擴散過程中不斷釋放有害氣體和微生物，危害人和動物健康，污染大氣環(huán)境，傳播畜禽疾病等，是制約產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。然而，目前對于奶牛場已有的研究主要是針對單一空氣污染物質(zhì)的排放或影響效果，關于多種污染物質(zhì)之間耦合效果的研究卻相當匱乏。

2.2.1 顆粒物-臭氣耦合

畜禽舍內(nèi)產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)主要包括部分無機氣體（如NH3、H2S等）和揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs），與空氣中游離態(tài)臭氣物質(zhì)相比，附著在顆粒物上的臭氣隨顆粒物的運移、懸浮、沉降等具有不同的排放特征?，F(xiàn)有研究主要關注豬舍和雞舍等密閉環(huán)境，而奶牛舍顆粒物與臭氣耦合的研究仍然處于空白，這主要由于奶牛場的開放式系統(tǒng)對顆粒物與臭氣在采樣和檢測方法上提出了更多挑戰(zhàn)。Razote等[33]通過溶液萃?。⊿olvent Extraction）、固相微萃?。⊿olid-phase Microextraction）和推拉法（Purge and Trap）3 種技術確定出豬舍空氣粉塵吸附的84 種揮發(fā)性有機物質(zhì)，得到大部分物質(zhì)同樣存在于豬場空氣和糞便中?，F(xiàn)有研究表明，空氣顆粒物吸附的臭氣種類復雜，且臭氣物質(zhì)在不同粒徑顆粒物上分布規(guī)律不同。Cai等[34]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC/MS）結合固相微萃取技術確定出豬舍顆粒物吸附臭氣物質(zhì)達50 種，這些物質(zhì)分子量范圍在34.08～234.39 mol/kg、理化性質(zhì)分散，主要臭氣物質(zhì)包括甲硫醇、異戊酸、4-甲基苯酚、吲哚、臭糞素等，并發(fā)現(xiàn)總懸浮顆粒物（TSP）吸附臭氣物質(zhì)絕對量高于PM1.0和PM10，但平均到單位重量或表面積顆粒物后，細顆粒物（PM1.0）具有更強的吸附量。此外，Yang等[35]通過采集美國中西部地區(qū)20 棟畜禽場排放的TSP、PM10，分析并量化出57 種非含硫顆粒物-臭氣物質(zhì)，這些臭氣物質(zhì)在不同類型畜禽舍、不同季節(jié)其成分和含量上具有明顯差異。和豬舍相比，雞舍顆粒物臭氣含量相對較低，但所吸附的主要臭氣物質(zhì)差異明顯[36]。由于我國不同地區(qū)氣候多樣，不同牛舍類型內(nèi)顆粒物與臭氣的耦合特征可能存在較大差異，因此，有必要對奶牛場顆粒物-臭氣進行針對性研究。

2.2.2 顆粒物-微生物耦合

微生物廣泛存在于奶牛場各個生產(chǎn)要素，包括飼料、糞便、墊料發(fā)酵等，對于奶牛等反芻動物，其反芻和排氣等生理活動也是空氣微生物的主要來源，排放到空氣中的微生物大部分以顆粒物作為培養(yǎng)和傳播介質(zhì)，形成生物氣溶膠（Bioaerosol）的主要部分。國內(nèi)外已經(jīng)針對奶牛舍微生物氣溶膠進行的研究主要是關于微生物氣溶膠對奶牛生產(chǎn)性能、健康水平的影響。Dungan等[37]針對拴系式奶牛舍進行微生物氣溶膠研究，發(fā)現(xiàn)奶牛長期飼養(yǎng)在該環(huán)境中其呼吸道疾病的傳播速度和發(fā)病率明顯上升；伍清林等[38]認為奶牛舍環(huán)境中微生物含量直接影響奶牛乳房炎的發(fā)病率，進而可能影響奶牛產(chǎn)奶量。奶牛場顆粒物協(xié)載的微生物成分和濃度隨奶牛場類型、生產(chǎn)節(jié)律、溫濕度等變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[39～41]，我國冬季奶牛場一般氣載細菌和真菌數(shù)量濃度分別在1 540～10 487 CFU/m3和169～731 CFU/m3[42]。受輻射、溫濕度變化等影響，奶牛場微生物氣溶膠在傳播過程中，其生物活性存在衰減過程，研究相關致病微生物的衰減機制對于畜禽疫病防控具有重要意義。近年來，關于不同粒徑范圍顆粒物與微生物耦合關系及生物多樣性研究在不斷增多，Liu等[43]通過對荷蘭多種畜禽舍空氣質(zhì)量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)不同粒徑顆粒物吸附的細菌、真菌的數(shù)量和主要微生物種類存在差異，且不同畜種間微生物種類差異明顯。目前，規(guī)?；膛鲱w粒物與微生物耦合關系的研究仍然有限，為進一步研究奶牛舍顆粒物與微生物的耦合特性，可借助基因測序和宏基因組學等生物檢測技術，針對易引起疾病傳播的有害微生物，探究其在不同粒徑顆粒物上的分布規(guī)律、傳播特性、衰減機制等。

2.3 擴散模型與應用

區(qū)別于直接與間接接觸傳播，空氣顆粒物及其承載的臭氣和致病微生物的擴散是引起奶牛場空氣污染和疾病感染的重要原因，具有涉及范圍廣，過程復雜且難以控制等特點。擴散模型能夠結合地形、天氣及排放源的特征等因素來模擬顆粒物對場區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)的影響，主要用于確定畜禽場污染物擴散距離及反演計算污染源排放率。目前應用于畜禽場的顆粒物擴散模型主要包括ISC3，AERMOD，CFD和經(jīng)驗模型等。AERMOD是一種使用較為廣泛的穩(wěn)態(tài)煙羽模型，它在擴散統(tǒng)計理論的基礎上，假設污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。美國環(huán)保署于2007年將AERMOD正式替代ISC3作為推薦模型，我國《環(huán)境影響評價技術導則—大氣環(huán)境 HJ 2.2—2018》標準中將其作為50 km范圍內(nèi)的推薦模型[44]。多數(shù)研究將AERMOD應用于雞與豬場的臭氣、氨氣、硫化氫等氣體的擴散模擬[45，46]，部分研究通過AERMOD模型反演計算肉牛場、雞場的顆粒物排放率等[47，48]，少數(shù)研究通過AERMOD探究奶牛場臭氣、氨氣、顆粒物的擴散距離[49，50]。Huang等[49]以24 h內(nèi)PM2.5濃度50 μg/m3為擴散邊界濃度，通過AERMOD模擬得到加拿大一奶牛場100 m以外環(huán)境顆粒物濃度均低于50.0 μg/m3，以1.4 mg /m3和14.0 μg/m3作為氨氣和硫化氫的擴散邊界濃度，得到了相同結果。該研究結果基于178 頭規(guī)模的牧場，采用每月1 次的現(xiàn)場監(jiān)測結果測算牛舍顆粒物排放率，在研究規(guī)模及采樣方法上無法準確代表大型牧場的顆粒物擴散情況?；谟嬎懔黧w力學的CFD模型適用于場區(qū)的擴散模擬[13]，但Hong等[51]得到CFD模型能夠有效預測不同氣候條件下豬場臭氣對外圍的擴散情況。Bonifacio等[28]對比了AERMOD與CFD模型，認為兩個模型對于風速和大氣穩(wěn)定度的反饋相同，得到AERMOD更適合模擬面源污染物擴散情況，但較CFD模型在計算下風向點的濃度時偏小，且在不同高度處的濃度計算結果相同。經(jīng)驗模型多為采用回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡等統(tǒng)計學方法獲取的數(shù)學模型，例如Schauberger等[52]提出的AODM經(jīng)驗模型（Austrian Odour Dispersion Model）。Wu等[53]分別用經(jīng)驗模型AUSTAL2000和AODM與AERMOD模擬了北京郊區(qū)一300 頭奶牛場的臭氣擴散情況，得到最大擴散距離分別為524 m、440 m和655 m，認為3個模型的一致性較好。

3 關鍵影響因素

探究奶牛舍顆粒物特性的關鍵影響因素是制定牛舍減排措施的的重要參考依據(jù)。多數(shù)研究表明，影響奶牛舍顆粒物濃度的主要因素包括牛舍建筑結構、牛舍環(huán)境、飼養(yǎng)和管理方式、奶?；顒恿康?，各因素間存在相互作用。

（1）建筑結構

牛舍的建筑結構形式往往能夠反映一個國家或地區(qū)的氣候類型、奶牛飼養(yǎng)和管理方式以及牛舍通風狀況。Takai等[10]將英國、荷蘭、丹麥和德國4 個國家與本國不同奶牛舍建筑類型作為交叉影響因素進行分析后發(fā)現(xiàn)，該交叉因素會顯著影響牛舍顆粒物濃度水平，且建筑類型對牛舍顆粒物濃度水平的影響在各國家表現(xiàn)不同。高玉紅等[27]得到在河北地區(qū)不同牛舍類型在不同季節(jié)的PM2.5與PM10均存在顯著差異，周英昊等[26]認為牛舍建筑結構直接影響了牛舍通風狀況，進而改變牛舍顆粒物水平。

（2）牛舍環(huán)境

影響奶牛舍顆粒物水平的環(huán)境參數(shù)通常包括溫度、相對濕度、風速和氨氣濃度等。溫度變化與顆粒物濃度具有正相關關系，高溫更容易使飼料粉末、糞末以及塵土懸浮于空中，同時適宜的溫度會間接影響奶牛的活動量，從而影響顆粒物濃度數(shù)值變化[12]。多數(shù)研究表明，相對濕度與顆粒物濃度之間具有負相關關系，較高的濕度不易使飼料等顆粒物進入空氣中，同時會促使顆粒物間的相互凝結，起到降塵作用[10，11]，但也有學者認為，高濕環(huán)境中細小水滴可能會增加PM10和PM2.5的濃度[10，11]。自然通風方式下，外界風速等氣象條件也會對顆粒物的日變化規(guī)律產(chǎn)生較大影響，Purdy等在測量牛場PM10濃度時發(fā)現(xiàn)每天的7：00-8：00時間段濃度較高，19：00-20：00濃度較低，這主要受到外界風速的影響[24]。

通風是調(diào)節(jié)牛舍環(huán)境狀況的主要方式，增加通風量除了能夠降低牛舍顆粒物水平外，也會向牛舍引入外界的顆粒物，例如Schrade等[22]發(fā)現(xiàn)在秋收季節(jié)，外界顆粒物濃度顯著高于牛舍內(nèi)。當牛舍的通風量較大時，過高的風速會增加湍流，進而導致地面的顆粒物再次進入空氣中，或促使顆粒物長時間懸浮于空中，從而增加牛舍顆粒物濃度[12]。

（3）飼養(yǎng)和管理方式

飼養(yǎng)和管理方式通常指奶牛舍臥床類型、是否配有臥床墊料和運動場、清糞或喂料方式以及對應的飼喂、更換臥床墊料、擠奶、清糞等過程。Takai等[10]認為帶有臥床墊料的牛舍顆粒物濃度更高，但濃度的高低還受到不同墊料類型的影響；運動場會減小舍內(nèi)奶?；顒拥臄?shù)量，從而降低牛舍內(nèi)顆粒物濃度[21]。從牛舍顆粒物濃度的變化中可以看到，飼喂和更換臥床墊料過程會明顯增加牛舍顆粒物濃度水平[12，54]，Nieuwenhuijsen等[55]在探究加州地區(qū)不同農(nóng)業(yè)活動過程對顆粒物的貢獻時得到，牧場的飼喂過程會顯著增加顆粒物濃度水平，清糞次之，擠奶最小。奶?；顒恿康脑黾涌赡軙偈古Ｉ犷w粒物濃度增加，Joo等[12]研究發(fā)現(xiàn)奶?；顒恿颗cTSP濃度具有正相關關系，但與PM2.5和PM10的相關性較小。

（4）其他

由于顆粒物測量設備體積較大，維護成本高，顆粒物的采樣方法、采樣頻率和周期等因素同樣會影響顆粒物特性，采用單點和短周期的濃度測量方式往往無法保證測量數(shù)據(jù)的準確性和測量期間數(shù)據(jù)的代表性。Purdy等[24]通過撞擊原理的高流量順序式采樣器（High-volume Sequential Reference Ambient Air Samplers，RAAS）得到夏季PM10和PM2.5平均濃度低于冬季，但在相同位置處采用激光散射原理的顆粒物測量儀（DustTrak）測量得到牛場PM10濃度的季節(jié)性差異不顯著。Schmidt等[21]在測量不同粒徑顆粒物濃度季節(jié)變化時得到夏季不同粒徑顆粒物的濃度均高于冬季，認為這可能與牛舍結構設計和有限的數(shù)據(jù)采集時間有關，文章僅在夏季和冬季分別采樣10 天，并未進行連續(xù)采樣，數(shù)據(jù)缺乏代表性。因此，對于奶牛舍顆粒物時間分布規(guī)律的探究建議采用多點連續(xù)的長時間采樣方式。

綜上所述，顆粒物的時間分布規(guī)律在本質(zhì)上是多種因素共同作用的結果，通常情況下，顆粒物日變化規(guī)律主要受到奶牛節(jié)律和管理方式的影響，呈現(xiàn)白天高，夜晚低，白天波動大，峰值較多，夜晚平穩(wěn)的特點，顆粒物季節(jié)變化規(guī)律主要受到奶牛舍通風率和管理方式的影響，多呈現(xiàn)顆粒物濃度冬季高、夏季低、顆粒物排放率夏季高、冬季低的規(guī)律，但由于不同氣候區(qū)在牛舍結構、牛群大小、夏冬季環(huán)境管理方式、周邊地區(qū)環(huán)境等因素存在差異，對顆粒物季節(jié)變化規(guī)律產(chǎn)生影響的主導因素不同，導致研究結果不盡相同。

4 總結與展望

在我國奶牛場規(guī)?；l(fā)展背景下，顆粒物對奶牛、工作人員和周邊地區(qū)的潛在危害逐漸增加，但目前國內(nèi)外仍然缺乏系統(tǒng)全面的奶牛舍顆粒物研究，現(xiàn)有研究多基于單點、短周期以及小規(guī)模奶牛場的監(jiān)測和模擬結果，部分研究結果間差距較大或存在矛盾。此外，受我國地域廣闊，氣候類型多樣的影響，不同地區(qū)的奶牛養(yǎng)殖類型和方式呈現(xiàn)多樣化，不同類型奶牛舍顆粒物的特性不可一概而論。因此，奶牛舍顆粒物的相關研究還可以在以下方面進行挖掘。

（1）基于多點、長周期連續(xù)監(jiān)測的不同類型奶牛舍顆粒物動態(tài)特性研究

奶牛舍具有跨度大、管理過程多樣等特點，單點和間歇采樣使得監(jiān)測結果代表性不足。因此，借助激光散射等原理的顆粒物傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術，采用多點、長周期連續(xù)監(jiān)測方式能夠更加全面的反映牛舍顆粒物的濃度、排放等特性的動態(tài)變化特征，量化不同季節(jié)、不同管理措施等對奶牛舍顆粒物的貢獻。此外，受氣候和牛舍類型等因素的影響，不同氣候和牛舍類型的顆粒物特性仍然需要進一步明確。

（2）規(guī)模奶牛場空氣顆粒物與致病微生物、臭氣耦合與傳播研究

顆粒物作為臭氣和微生物的重要載體，隨著奶牛場養(yǎng)殖規(guī)模的增加，其對場區(qū)及周邊地區(qū)的環(huán)境威脅不斷增大。通過舍內(nèi)外布點和采樣分析，運用熱脫附-氣相色譜-質(zhì)譜、宏基因組學等檢測技術，探究不同通風類型牛舍空氣顆粒物與致病微生物、臭氣物質(zhì)在濃度、粒徑分布等特性上的耦合關系。結合多元環(huán)境參數(shù)在線監(jiān)測技術，構建牛舍內(nèi)外空氣顆粒物空氣動力學傳播模型，為規(guī)?；膛霏h(huán)境風險評估和制定環(huán)境控制策略提供技術參考。