大型自然通風(fēng)奶牛舍空氣顆粒物濃度監(jiān)測(cè)方法中采樣間隔優(yōu)化

魯煜建 ，方志偉 ，李永振 ，梁 超 ,3，施正香 ,3，王朝元 ,3※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心,北京 100083）

0 引言

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖產(chǎn)生的顆粒物會(huì)引起奶牛以及牧場(chǎng)工作人員的呼吸道疾病，污染周邊居民的生活環(huán)境[1-2]。MITCHELL 等[3]監(jiān)測(cè)得到奶牛場(chǎng)的顆粒物濃度水平已經(jīng)超出了引起呼吸道疾病的顆粒物濃度閾值。近年來(lái)，中國(guó)奶牛場(chǎng)規(guī)?；壤粩嗌撸蚤_放式和半開放式建筑類型為主的大型奶牛場(chǎng)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生和排放大量顆粒物，加劇對(duì)人和動(dòng)物的健康危害和環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，采用科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法對(duì)奶牛舍顆粒物濃度進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是牛舍環(huán)境調(diào)控和評(píng)估的重要保證[4]。在空間較大的自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)，顆粒物濃度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性除了與采樣點(diǎn)的位置與數(shù)量有關(guān)外，還會(huì)受到采樣間隔的影響[5]。

目前，多數(shù)研究采用間歇式的測(cè)量方法對(duì)奶牛舍顆粒物濃度進(jìn)行檢測(cè)，即在一個(gè)季節(jié)或數(shù)個(gè)季節(jié)的檢測(cè)活動(dòng)中，連續(xù)測(cè)量一周作為該季節(jié)的顆粒物濃度均值[6]，或者用一天中早、中、晚部分時(shí)段測(cè)量的平均值代表該日的顆粒物濃度水平，采樣間隔通常在1 h 到6 h 不等[7-9]。周英昊等[9]將每日早（07:00-09:00）、中（12:00-14:00）、晚（18:00-20:00）三次測(cè)量的均值作為當(dāng)天的牛舍顆粒物濃度。這種間歇性測(cè)量方法的采樣間隔多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，雖然可操作性強(qiáng)，但受到季節(jié)和日變化規(guī)律的影響，通常無(wú)法準(zhǔn)確反映顆粒物真實(shí)濃度水平。研究表明，奶牛舍內(nèi)顆粒物濃度因受環(huán)境調(diào)控措施等影響，一般呈現(xiàn)季節(jié)性變化規(guī)律，且日變化總體呈現(xiàn)白天波動(dòng)大、夜間平穩(wěn)的特征[10-11]。除了間歇式采樣，部分研究采用連續(xù)性的測(cè)量方法，WINKEL 等[10,12]選取了1 s 的采樣間隔對(duì)自然通風(fēng)奶牛舍的顆粒物濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。過(guò)高的采樣頻率盡管能夠較好的反映顆粒物濃度波動(dòng)情況，但也會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)冗余，增大粗大誤差引入的風(fēng)險(xiǎn)和傳感器的工作負(fù)荷等。

近年來(lái)，傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展為最大限度的獲取環(huán)境參數(shù)的真實(shí)水平提供了新方法。與此同時(shí)，傳感器監(jiān)測(cè)方法優(yōu)化的研究也不斷得到重視，其中誤差分析是一種常用的優(yōu)化方法，即通過(guò)比較不同采樣方式下被測(cè)試數(shù)據(jù)與真值間的誤差確定最優(yōu)的監(jiān)測(cè)方法?；谖锫?lián)網(wǎng)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以17 個(gè)采樣點(diǎn)的5 min 連續(xù)測(cè)量結(jié)果為真值，李永振等[13]采用系統(tǒng)聚類和誤差分析的方法對(duì)自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備的布點(diǎn)位置和數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化，在保證監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下降低了設(shè)備成本投入。YEO 等[14]采用誤差分析法探究能夠代表整棟豬舍溫度的最佳傳感器布點(diǎn)位置。目前，多數(shù)研究以優(yōu)化采樣點(diǎn)位置和數(shù)量為主，對(duì)采樣間隔優(yōu)化的研究鮮有報(bào)道。基于誤差分析方法，ULENS 等[15]和BJERG 等[16]分別對(duì)豬舍氨氣排放和奶牛舍甲烷濃度檢測(cè)的合理采樣時(shí)間和采樣間隔進(jìn)行了研究，但二者一方面缺乏對(duì)不同采樣間隔下小時(shí)均值、日均值的系統(tǒng)探究；另一方面，相較于氣體，畜禽舍內(nèi)的顆粒物來(lái)源更廣，影響因素更多，變化更加復(fù)雜[17]。JOO 等[12]的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，牛舍內(nèi)顆粒物與污染氣體濃度呈現(xiàn)出不同的日變化規(guī)律。宋卿卿等[18]以10 s 采樣間隔獲取的暴露結(jié)果為基準(zhǔn)值，探討了不同采樣間隔下（30 s 和1、5、10、30、60 min）細(xì)顆粒物個(gè)體暴露結(jié)果與基準(zhǔn)值的變異率，確定最優(yōu)采樣間隔為10 min，但畜禽舍內(nèi)顆粒物環(huán)境與大氣和人居環(huán)境相差較大，二者不具有可比性。

本研究通過(guò)在自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以多點(diǎn)、長(zhǎng)期的高頻率監(jiān)測(cè)結(jié)果為真值，采用誤差分析的方法，確定秋冬季節(jié)奶牛舍顆粒物濃度日均值和小時(shí)均值的合理采樣間隔。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)膛Ｉ峄拘畔⑴c日常生產(chǎn)管理操作

試驗(yàn)于2021 年9 月至2022 年3 月在江蘇省鹽城市某規(guī)?；膛?chǎng)的1 棟自然通風(fēng)泌乳奶牛舍中進(jìn)行。如圖1 所示，試驗(yàn)牛舍共飼養(yǎng)荷斯坦奶牛約1 200 頭，牛舍采用4 列散欄臥床對(duì)頭布置，舍內(nèi)共有2 段擠奶通道，將牛舍均分為3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的飼養(yǎng)區(qū)域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），各區(qū)域間奶牛數(shù)量與飼養(yǎng)管理相同。牛舍尺寸為750 m（長(zhǎng)）× 30 m（寬）× 4 m（檐高），采用雙坡可活動(dòng)屋面和鐘樓屋頂?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)，屋脊東西走向。

圖1 試驗(yàn)?zāi)膛Ｉ崤c顆粒物濃度采樣點(diǎn)布置Fig.1 The experimental dairy barn and layout of particulate matter concentration sampling points

日常生產(chǎn)管理操作上，奶牛臥床與飼喂通道上方布置擾流風(fēng)機(jī)，頸夾上方布置噴淋裝置，根據(jù)牛舍內(nèi)的溫度變化狀況對(duì)風(fēng)機(jī)和噴淋裝置進(jìn)行調(diào)控。每日05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00 擠奶，期間進(jìn)行喂料、推料、清糞、牛床墊料更換等操作。

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

基于物聯(lián)網(wǎng)的奶牛舍顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸和云平臺(tái)構(gòu)成。監(jiān)測(cè)設(shè)備PCMU（particulate concentration monitoring unit）主要由單片機(jī)、TSP（SDS198，諾方電子技術(shù)有限公司，河南）、PM2.5（PMSX003N，攀滕科技有限公司，北京）傳感器、時(shí)鐘模塊等組成。TSP 傳感器的量程為0～20 000 μg/m3，靈敏度為1 μg/m3，精度為±30 μg/m3，功耗0.35 W；PM2.5傳感器的量程為0～500 μg/m3，靈敏度為1 μg/m3，精度為±10 μg/m3，功耗1.5 W。二者均采用激光散射原理進(jìn)行測(cè)量。監(jiān)測(cè)設(shè)備的采樣頻率為1 min,每5 min 將TSP和PM2.5濃度均值通過(guò)4 G 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳云平臺(tái)并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 布點(diǎn)位置

如圖1 所示，在借鑒文獻(xiàn)[10-12]對(duì)于奶牛舍環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法的基礎(chǔ)上，兼顧不同功能區(qū)可能產(chǎn)生的顆粒物濃度差異，在試驗(yàn)牛舍的3 個(gè)區(qū)域內(nèi)共布置了17 個(gè)顆粒物濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備，即區(qū)域Ⅰ內(nèi)的5 點(diǎn)（P1～P5），區(qū)域Ⅱ內(nèi)的6 點(diǎn)（P6～P11）和區(qū)域Ⅲ內(nèi)的6 點(diǎn)（P12～P17）。其中，P3 采樣點(diǎn)位于屋頂通風(fēng)口下方，P6 和P11位于擠奶通道，P7 和P10 位于飼喂通道，P8 和P9 分別位于采食通道和清糞通道，其余采樣點(diǎn)均位于臥床上方。除屋頂通風(fēng)口下方采樣高度為距離地面9.0 m外，其他測(cè)點(diǎn)高度均為2.5 m（奶牛身高1.5 m，奶牛臥床上邊緣距離地面1.2 m）。

1.4 相對(duì)誤差及其分布情況計(jì)算

本研究將牛舍內(nèi)17 個(gè)采樣點(diǎn)的5 min 連續(xù)測(cè)量結(jié)果的平均濃度視為整棟舍的顆粒物濃度“真值”，5 min 是監(jiān)測(cè)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)的最高頻率。首先分別計(jì)算不同采樣間隔下顆粒物濃度每日的平均值（日均值）和每小時(shí)的平均值（小時(shí)均值）與真值的相對(duì)誤差（Er），計(jì)算見式（1），隨后統(tǒng)計(jì)所有Er值在5%和10%范圍內(nèi)的占比。依據(jù)奶牛舍顆粒物濃度現(xiàn)場(chǎng)采樣精度的不同需求，借鑒生物分析檢測(cè)中的可接受標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)相對(duì)誤差占比大于66.7%時(shí)，則認(rèn)為該采樣間隔在5%或10%的范圍內(nèi)可接受[19]，否則視為不可接受。

式中Er為不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值或小時(shí)均值與真值的相對(duì)誤差，%，Ct為不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值或小時(shí)均值，μg/m3；Cr為17 個(gè)采樣點(diǎn)的日均值或小時(shí)均值，μg/m3。

日均值和小時(shí)均值的采樣間隔優(yōu)化是基于秋季和冬季所有的測(cè)量數(shù)據(jù)。采樣間隔的選擇借鑒了前人研究中的常用設(shè)定[6-9]。在日均值采樣間隔優(yōu)化上，計(jì)算了30 min 和1、2、3、6、12 h 采樣間隔下秋冬季節(jié)顆粒物濃度日均值與真值的相對(duì)誤差占比情況。在小時(shí)均值采樣間隔優(yōu)化上，根據(jù)牛舍日常生產(chǎn)管理操作將全天劃分為白天（05:00-23:00）與夜間（23:00-05:00），計(jì)算了10、15、20、30 min 和1 h 采樣間隔下白天與夜間顆粒物濃度的小時(shí)均值與真值的相對(duì)誤差占比。此外，考慮到生產(chǎn)管理操作，如清糞、喂料等會(huì)導(dǎo)致顆粒物濃度升高和波動(dòng)增加，對(duì)奶牛與工作人員的健康產(chǎn)生影響[20]，本文計(jì)算了生產(chǎn)管理操作期間（05:00-07:00、13:00-15:00、21:00-23:00）顆粒物濃度的小時(shí)均值與真值的相對(duì)誤差占比。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)清洗可以保證分析數(shù)據(jù)的可靠性，主要包括：剔除超出傳感器量程的數(shù)據(jù)，利用箱型圖剔除由于設(shè)備損壞、受擾動(dòng)等導(dǎo)致的粗大誤差。此外，因?yàn)槲廴咎鞖猓ɡ珈F霾天等）會(huì)對(duì)舍內(nèi)顆粒物濃度產(chǎn)生顯著影響，研究表明，當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)（air quality index，AQI）大于100 時(shí)，畜禽舍內(nèi)的顆粒物濃度會(huì)受到舍外顆粒物濃度的影響[21]，因此刪除該部分?jǐn)?shù)據(jù)。清洗后的數(shù)據(jù)通過(guò)重采樣方式得到日均值和小時(shí)均值。采用克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(yàn)(K-W 檢驗(yàn))的非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性分析可知，P＜0.05。采用Python（3.7）軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒物濃度日均值的采樣間隔優(yōu)化

為便于展示不同季節(jié)的顆粒物日均濃度的變化情況，以秋季10 月和冬季12 月為例，圖2 展示了不同采樣間隔（5、30 min 和1、2、3、6、12 h）下的TSP 和 PM2.5日均濃度的變化規(guī)律?？傮w而言，秋季和冬季奶牛舍TSP 和PM2.5濃度日均值及其變化存在較大的差異，但在同一季節(jié)內(nèi)，不同采樣間隔下TSP 和PM2.5濃度與真值呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。隨著采樣間隔的增加，顆粒物濃度與真值的偏差逐漸增大。例如，在10 月份，當(dāng)采樣間隔為30 min 和1、2、3 h 時(shí)，TSP 與PM2.5日均濃度與真值的變化趨勢(shì)接近，當(dāng)采樣間隔擴(kuò)大至6 h 和12 h時(shí)，TSP 與PM2.5的日均濃度分別為108.7、56.3 μg/m3和104.2、50.3 μg/m3，與5 min 采樣間隔下的真值（TSP:115.8 μg/m3、PM2.5：57.6 μg/m3）間呈現(xiàn)顯著偏差（P＜0.05）。此外，相較于TSP，秋冬季節(jié)不同采樣間隔下，PM2.5濃度與真值的變化趨勢(shì)更加接近。這可能是因?yàn)榕Ｉ醿?nèi)PM2.5主要來(lái)自于奶牛糞便、飼料等，大部分時(shí)間內(nèi)濃度都處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，而TSP 的來(lái)源更廣、影響其濃度波動(dòng)的因素更多，因此受采樣間隔的影響更大[22]。LU 等[20]的研究中同樣發(fā)現(xiàn)牛舍內(nèi)TSP 濃度的波動(dòng)較PM2.5更大。

圖2 不同采樣間隔下10 月和12 月的總懸浮顆粒物（TSP）和PM2.5 日均濃度變化規(guī)律Fig.2 The change of daily average total suspended particulate (TSP) and PM2.5 concentrations under varied sampling interval in October and December

綜上所述，在秋冬季節(jié)將顆粒物濃度采樣間隔延長(zhǎng)到30 min 至3 h 時(shí)，測(cè)量的TSP 和PM2.5濃度能較好反映在該季節(jié)下自然通風(fēng)奶牛舍顆粒物濃度日均值的變化趨勢(shì)。但是，如果要更加準(zhǔn)確的測(cè)定牛舍內(nèi)顆粒物日均濃度值，則需要對(duì)不同采樣間隔下顆粒物濃度日均值的誤差進(jìn)行量化，以衡量不同采樣間隔可能帶來(lái)的不確定性。

表1 和表2 分別展示了不同采樣間隔下（30 min 和1、2、3、6、12 h）秋季和冬季TSP 和PM2.5日均濃度與真值的相對(duì)誤差在5%和10%范圍內(nèi)的占比。由表1和表2 可知，秋冬季節(jié)TSP 和PM2.5日均濃度的相對(duì)誤差在5%和10%范圍內(nèi)的占比均隨著采樣間隔的增大而減小。在5%的相對(duì)誤差允許范圍內(nèi)，秋季和冬季TSP日均濃度的最大可接受采樣間隔分別為2 h（秋季）和1 h（冬季），而PM2.5的最大可接受采樣間隔分別為3 h（秋季）和1 h（冬季）。

表1 秋季不同采樣間隔下 TSP 和PM2.5 日均濃度與真值的相對(duì)誤差（Er ）在5%和10%范圍內(nèi)的占比Table 1 The proportion of relative error (Er) between daily averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn within the range of 5% and 10%%

表2 冬季不同采樣間隔下TSP 和PM2.5 日均濃度與真值的 Er在5%和10%范圍內(nèi)的占比Table 2 The proportion ofEr between daily averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in winter within the range of 5% and 10%%

首先，秋季TSP 和PM2.5日均值的最大可接受采樣間隔大于冬季，主要與試驗(yàn)牛舍在秋季和冬季采用了不同環(huán)境調(diào)控措施有關(guān)。秋季由于舍外溫度相對(duì)較高，試驗(yàn)牛舍的卷簾、可活動(dòng)屋面全部打開，較高的通風(fēng)量會(huì)加速牛舍內(nèi)顆粒物的擴(kuò)散，使得TSP 與PM2.5濃度變化更加平穩(wěn)[20]。冬季舍外溫度較低，為保證舍內(nèi)溫度，牛舍的卷簾、風(fēng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，相對(duì)密閉的舍內(nèi)環(huán)境（低通風(fēng)量）使顆粒物濃度在受到生產(chǎn)管理操作影響時(shí)波動(dòng)更加劇烈，因此，相較于秋季，冬季TSP 與PM2.5日均濃度的監(jiān)測(cè)需要更小的采樣間隔。

其次，秋季TSP 的日均濃度最大可接受采樣間隔小于PM2.5，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)牛舍秋季多數(shù)時(shí)間會(huì)開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫，較高的舍內(nèi)風(fēng)速一方面會(huì)加速細(xì)顆粒物沉降至不同物體的表面，降低舍內(nèi)PM2.5的濃度[23-24]，另一方面風(fēng)速會(huì)削弱因生產(chǎn)管理操作導(dǎo)致的顆粒物濃度波動(dòng)[20]，使得舍內(nèi)PM2.5濃度的波動(dòng)較小。對(duì)于TSP，盡管位于頸夾上方的噴淋會(huì)降低舍內(nèi)TSP 濃度，但位于臥床和采食通道上方的風(fēng)機(jī)會(huì)吹起飼料、墊料等粗顆粒物，導(dǎo)致舍內(nèi)TSP 濃度的增加和劇烈波動(dòng)。LI 等[21]在雞舍中同樣發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致TSP 濃度升高的現(xiàn)象，并認(rèn)為高風(fēng)速也會(huì)使得已經(jīng)落至地面的灰塵等粗顆粒物再次懸浮至空氣中，從而增加舍內(nèi)TSP 濃度和波動(dòng)。因此，需要較小的采樣間隔才能夠保證秋季牛舍內(nèi)TSP 日均濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。同一環(huán)境調(diào)控措施下，牛舍內(nèi)TSP 日均值的最大采樣間隔小于PM2.5，這間接表明環(huán)境調(diào)控措施對(duì)舍內(nèi)粗顆粒物的影響較大。

2.2 顆粒物濃度小時(shí)均值的采樣間隔優(yōu)化

2.2.1 白天與夜間

受奶牛節(jié)律和生產(chǎn)管理操作的影響，奶牛舍顆粒物濃度日變化呈現(xiàn)白天波動(dòng)大，夜間波動(dòng)小的變化規(guī)律[10-11]。因此，可以在白天和夜間合理地設(shè)置不同采樣間隔來(lái)監(jiān)測(cè)奶牛舍顆粒物的小時(shí)均值濃度波動(dòng)，以便以更小的代價(jià)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

表3 和表4 分別展示了秋季和冬季不同采樣間隔下（10、15、20、30 min 和1 h）白天（05:00-23:00）與夜間（23:00-05:00）TSP 和PM2.5小時(shí)均值濃度與真值的相對(duì)誤差在5%和10%范圍內(nèi)的占比。在5%相對(duì)誤差允許范圍內(nèi)，秋季白天TSP 和PM2.5小時(shí)均值的最大可接受采樣間隔分別為20 和30 min，夜間TSP 和PM2.5小時(shí)均值的最大可接受采樣間隔均為30 min；冬季白天和夜間的TSP 和PM2.5小時(shí)均值的最大可接受采樣間隔均為15 和30 min。

表3 秋季不同采樣間隔下白天與夜間TSP 和PM2.5 小時(shí)濃度均值與真值的 Er 在5%和10%范圍內(nèi)的占比Table 3 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn daytime and nighttime within the range of 5% and 10%%

表4 冬季不同采樣間隔下白天與夜間TSP 和PM2.5 小時(shí)濃度均值與真值的Er 在5%和10%范圍內(nèi)的占比Table 4 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in winter daytime and nighttime within the range of 5% and 10%%

首先，在5%相對(duì)誤差允許范圍內(nèi)，秋季白天TSP濃度的最大可接受采樣間隔小于夜間，而冬季白天與夜晚TSP 濃度的最大可接受采樣間隔相同的原因可能是因?yàn)榍锛緯円箿夭钶^大，牛舍內(nèi)白天開啟風(fēng)機(jī)而夜間關(guān)閉風(fēng)機(jī)，由于沒有風(fēng)機(jī)和管理操作的影響，秋季夜間的TSP 濃度變化較白天更加平穩(wěn)，因而可以適當(dāng)增大采樣間隔。冬季的白天和夜晚均關(guān)閉風(fēng)機(jī)，在相對(duì)密閉的環(huán)境下，白天與夜間的顆粒物小時(shí)均值濃度的采樣間隔保持一致。

其次，相較于日均值，秋冬季節(jié)TSP 小時(shí)均值的最大可接受采樣間隔小于PM2.5的規(guī)律更加明顯，進(jìn)一步表明舍內(nèi)粗顆粒物的濃度波動(dòng)較細(xì)顆粒物更加劇烈，需要更短的采樣間隔。除了受到環(huán)境調(diào)控措施的影響，生產(chǎn)管理操作、奶牛的活動(dòng)等因素通常也會(huì)導(dǎo)致舍內(nèi)粗顆粒物的波動(dòng)。JOO 等[12]發(fā)現(xiàn)奶牛的活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致牛舍內(nèi)TSP 濃度的升高。因此，采樣間隔的確定應(yīng)根據(jù)不同粒徑的顆粒物差異化選擇。

圖3 展示了秋季不同采樣間隔下（10、15、20、30 min和1 h）的TSP 和PM2.5小時(shí)均值濃度變化規(guī)律?？傮w而言，TSP 和PM2.5濃度均呈現(xiàn)白天波動(dòng)大，夜間波動(dòng)小的特征，相較于PM2.5，TSP 的波動(dòng)更加明顯。WINKEL等[10]同樣發(fā)現(xiàn)自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)PM10濃度在白天具有較多的波動(dòng)峰值，而在夜間處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。隨著采樣間隔增加，測(cè)量值與真值的偏離逐漸增大，當(dāng)采樣間隔為1 h 時(shí)，TSP 與PM2.5濃度的日變化與真值盡管具有相同的變化趨勢(shì)，但在小時(shí)濃度峰值和谷值點(diǎn)處相差較大（圖3 局部圖），這說(shuō)明峰值和谷值濃度測(cè)量失準(zhǔn)是采樣間隔較大時(shí)的主要誤差來(lái)源。此外，采樣時(shí)間也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于牛舍的管理時(shí)間不同，當(dāng)采樣期間未受生產(chǎn)管理操作影響時(shí)，顆粒物檢測(cè)結(jié)果可能會(huì)偏小，當(dāng)采樣時(shí)間受管理操作影響時(shí)，監(jiān)測(cè)值可能偏高。陳健等[8]在每天08:00-19:00 時(shí)間段內(nèi)每隔2 h 采樣一次，得到秋季和冬季自然通風(fēng)奶牛舍PM2.5的最大值分別117 μg/m3和146 μg/m3，小于本研究中PM2.5在秋季和冬季的峰值（152.3、250.2 μg/m3）。KASSIKA等[25]在擠奶、喂料等過(guò)程通過(guò)1 min 的采樣間隔得到的不同牛舍的PM2.5小時(shí)均值濃度峰值均高于264 μg/m3。

圖3 秋季不同采樣間隔下的TSP 和PM2.5 小時(shí)均值濃度全局和局部變化規(guī)律Fig.3 The global and local variations of hourly mean TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval in autumn

2.2.2 管理操作期間

由圖3 可知，管理操作期間奶牛舍內(nèi)顆粒物濃度的波動(dòng)相對(duì)較大。因此，采用合理的采樣間隔測(cè)量該時(shí)段的顆粒物濃度對(duì)于表征牛舍顆粒物濃度峰值以及評(píng)估顆粒物對(duì)動(dòng)物和工作人員的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用。表5 展示了秋冬季節(jié)不同采樣間隔下（10、15、20、30 min和1 h）生產(chǎn)管理操作期間TSP 和PM2.5小時(shí)濃度均值與真值的相對(duì)誤差在5%和10%范圍內(nèi)的占比。結(jié)果表明，在5%誤差范圍內(nèi)，秋季生產(chǎn)管理期間TSP 和PM2.5小時(shí)均值的最大可接受采樣間隔為10 和20 min，而冬季TSP 和PM2.5最大可接受采樣間隔為10 和20 min，普遍高于TSP 與PM2.5在白天與夜間的小時(shí)均值最大可接受采樣間隔。由于生產(chǎn)管理期間TSP 和PM2.5濃度的波動(dòng)更加劇烈，需要更短的采樣間隔來(lái)表征顆粒物濃度特征，這與圖3 中得到的需要在峰值點(diǎn)采用更高的采樣間隔的結(jié)論一致。

表5 秋冬季節(jié)不同采樣間隔下生產(chǎn)管理操作期間的TSP 和PM2.5 小時(shí)濃度均值與真值的Er 在5%和10%范圍內(nèi)的占比Table 5 The proportion of Er between hourly averaged TSP and PM2.5 concentrations under varied sampling interval and true value in autumn and winter management time within the range of 5% and 10%%

相對(duì)于PM2.5，TSP 具有更小的采樣間隔，表明生產(chǎn)管理操作過(guò)程如喂料、清糞、更換墊料等操作對(duì)TSP 濃度的影響大于PM2.5。宋卿卿等[18]通過(guò)誤差分析方法得到通常情況下10 min 的采樣頻率可以滿足個(gè)體PM2.5暴露水平的評(píng)價(jià)，但當(dāng)調(diào)查對(duì)象處于交通微環(huán)境、頻繁更換所處微環(huán)境或存在吸煙等對(duì)PM2.5暴露影響較大的行為時(shí)，建議采用1 min 或更高的采樣頻率，這與本研究得到的在顆粒物濃度波動(dòng)更加劇烈的管理操作期間需要減小采樣間隔的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

該研究通過(guò)在大型自然通風(fēng)奶牛舍內(nèi)構(gòu)建顆粒物濃度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以舍內(nèi)17 個(gè)采樣點(diǎn)5 min 采樣間隔的連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果為真值，基于誤差分析方法，對(duì)秋冬季節(jié)奶牛舍顆粒物濃度的日均值和小時(shí)均值采樣間隔進(jìn)行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

1）為反映奶牛舍TSP 和PM2.5濃度在秋季和冬季的日均濃度，TSP 采樣間隔控制在2 h（秋季）和1 h（冬季）以內(nèi)，PM2.5控制在3 h（秋季）和1 h（冬季）以內(nèi)。

2）為反映秋冬季顆粒物濃度的小時(shí)均值及其波動(dòng)，白天TSP 采樣間隔為20 min（秋季）和15 min（冬季），夜間TSP 采樣間隔為30 min（秋季）和15 min（冬季），白天和夜間PM2.5采樣間隔均為30 min。

3）為反映生產(chǎn)管理操作對(duì)舍內(nèi)顆粒物濃度及其波動(dòng)的影響，秋冬季TSP 濃度采樣間隔為10 min，PM2.5濃度采樣間隔為20 min。