空間電場對冬春季畜舍溫室氣體的凈化效果

郭 娜，于志慧，唐家琦，王成杰

（內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內蒙古 呼和浩特 010011）

我國北方地區(qū)冬春季氣候寒冷，在冬春季節(jié)圈舍飼養(yǎng)家畜是我國北方草地畜牧業(yè)普遍采用的生產方式，是防止草原退化、保護草原生態(tài)環(huán)境和實現(xiàn)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施［1］。在冬春季舍飼家畜時，環(huán)境衛(wèi)生控制不好，會產生大量有毒有害氣體、粉塵和有害微生物，單獨或綜合對家畜機體產生作用和影響［2］。如果有害的因素超過家畜機體所能忍受的限度，則會導致家畜機能失調，引發(fā)疾病甚至死亡，因此，科學有效地控制并保持家畜圈舍良好的環(huán)境衛(wèi)生是保持家畜健康、預防疾病、提高生產性能和降低飼養(yǎng)成本的有力保障。

通風是減少畜舍內有毒有害氣體、粉塵和有害微生物的主要方法。但在北方寒冷的季節(jié)，牧民為了保持畜舍的溫度會盡可能減少通風，從而導致畜舍內有害物的濃度嚴重超標。空間電場是一種家畜圈舍空氣電凈化防疫技術和糞道等離子除臭滅菌技術的有機結合，應用于畜禽圈舍，可以起到凈化空氣的作用［3-4］。在畜舍內建立一個靜電場（空間電場），可有效除塵、除臭、凈化空氣、滅菌消毒、防病、防疫和促進鈣質吸收［4］。等離子體具有強氧化性，可以有效分解氨氣并殺滅細菌，緩解畜舍內臭氣污染，對家畜疾病進行預防和控制。這種自動防疫系統(tǒng)多應用于規(guī)?；B(yǎng)豬場和養(yǎng)雞場中，并取得良好的效果。該試驗將空間電場技術應用于內蒙古烏蘭察布市四子王旗查干補力格蘇木一牧戶的羊圈中，研究空間電場對冬春季畜舍溫室氣體的凈化效果，以期為該技術的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于內蒙古烏蘭察布市四子王旗查干補力格蘇木王府一隊，羊圈四周建設結構為1.5 m高的混凝土圍墻，上面架設透明采光板，建設結構為拱形。圈舍長28 m、寬16 m、高4 m（見圖1），試驗期間容納綿羊220只，飼養(yǎng)方式為人工定時飼喂，每日上午、下午各投料1次，投料之后在水槽中放水，畜舍內的羊群可自由飲水，每周進行人工清糞。

圖1 畜舍剖面與實景圖

1.2 空間電場布設與工作方式

1.2.1 試驗設備

試驗選用3DDF-450型空間電場（大連億佳田園環(huán)境科技有限公司產品），該設備也稱空氣電凈化自動防疫系統(tǒng)，工作原理是在畜舍內建立一個靜電場，以除塵、除臭、凈化空氣和滅菌消毒、防病防疫。選用AS108A溫濕度儀（山東仁科測控技術有限公司產品）連續(xù)自動測定舍內外溫度和濕度，該儀器溫度精度為±0.1℃，相對濕度精度為±1.5%，在-40～80℃可以連續(xù)監(jiān)測。

1.2.2 設備布設

在畜舍內布置2列空間電場的阻燃塑料絕緣子（空間電場發(fā)生器），每列7個，間距4 m；主機懸掛在北側墻上。在畜舍內外各布設3個采集氣體的點，采集高度分別為0 m、0.5 m、1.0 m和1.5 m。溫濕度儀安裝在畜舍的中間位置（Y2處，距地面高度3 m）（見圖2）。

圖2 空間電場布設和測試采樣點平面圖

1.2.3 工作方式與測試項目

表1 空間電場運行與氣體樣品采集時間

溫濕度儀連續(xù)工作，每隔10 min記錄1次環(huán)境溫度和濕度數據（2021年3月15—21日供電設備損壞，溫濕度儀停止工作，故該時期無溫濕度數據）。

1.3 數據處理

該試驗將N2O、CH4、CO2和NH3等溫室氣體的體積濃度單位（cm3/m3）統(tǒng)一換算為質量濃度單位mg/m3（1cm3/m3的N2O、CH4、CO2和NH3的氣體換算系數分別為1.964、0.714、1.965和0.759）［5］。畜舍內外的溫室氣體濃度和空間電場運行與停止階段的氣體濃度比較，均采用單因素方差分析，空間電場處理和高度對畜舍內測定溫室氣體濃度的影響采用雙因素方差分析。

2 結果

2.1 冬春季舍飼期間畜舍內外幾種溫室氣體濃度特征

試驗測定期間，冬春季畜舍內外的溫室氣體濃度結果顯示：畜舍內N2O氣體濃度變化范圍在0.71～1.16 mg/m3，畜舍外（對照區(qū)）N2O的濃度變化范圍為0.71～0.78 mg/m3，畜舍內的N2O的氣體濃度顯著（P<0.01，見圖3A）高于畜舍外，平均相差0.20 mg/m3；畜舍內外CH4氣體的濃度差異顯著（P<0.001，見圖3B），畜舍內外CH4氣體濃度平均相差可達11.79 mg/m3；畜舍內NH3氣體濃度顯著（P<0.001，見圖3C）高于室外，室內的平均NH3濃度（0.17 mg/m3）比室外NH3氣體濃度（0.08 mg/m3）高一倍；畜舍內平均CO2氣體濃度較室外高出48.7%，差異顯著（P<0.01，見圖3D）；說明畜舍在冬春季室內的幾種溫室氣體濃度均顯著（P<0.01或P<0.001）高于室外（見圖3）。將前4次取氣時間段定義為冬季舍飼期，后4次（3月21日之后）取氣的時間定義為春季舍飼期，結果顯示（見圖4），畜舍內冬季舍飼期間的N2O、CH4、CO2和NH34種溫室氣體濃度顯著（P<0.05或P<0.01）高于春季。

圖3 冬春季畜舍內外溫室氣體濃度對比

圖4 畜舍內冬春季溫室氣體濃度對比

2.2 空間電場對畜舍內幾種溫室氣體濃度的影響

監(jiān)測冬春季空間電場運行和停止期間畜舍內的N2O、CH4、NH3和CO2氣體濃度，結果顯示，CH4氣體在空間電場運行期間的平均值為10.16 mg/m3，較停止運行期間的CH4氣濃度（16.88 mg/m3）降低了39.8%，差異顯著（P=0.00，見表2）。畜舍內使用空間電場期間顯著（P=0.01，見表2）降低了NH3的氣體濃度，降低幅度達26.3%；畜舍內CO2的濃度正常情況下平均約為1 412.07 mg/m3，使用空間電場期間降低了24.0%（P<0.000 1，見表2）。而N2O在空間電場設備運行期間與停止期間無統(tǒng)計學差異（P=0.39，見表2）。

同時，該試驗在取氣時測定了畜舍內不同高度的氣體濃度，結果顯示，0～1.5 m的4個不同高度上，N2O、CH4、NH3和CO2等幾種溫室氣體并無顯著（P>0.05，見表2）差異，但NH3從0～1.5 m氣體濃度有逐漸降低的趨勢。

表2 畜舍內空間電場處理對溫室氣體的影響分析

2.3 空間電場對畜舍內溫濕度的影響

冬季監(jiān)測結果顯示：環(huán)境溫濕度在一天內呈現(xiàn)節(jié)律性變化（見圖5）；冬季（主要為12月中下旬）空間電場運行時可以顯著（P<0.05）降低畜舍內20：00—8：00（飼養(yǎng)動物休息期間）和12：00—15：00的環(huán)境濕度（見圖6A），其中20：00—8：00畜舍內的濕度降低了4.5%，12：00—15：00的畜舍內的濕度降低了15.3%；9：00—11：00和16：00—19：00雖然有降低趨勢但差異不顯著（P>0.05，見圖6A）。說明空間電場設備可有效調節(jié)冬季畜舍內夜間和中午的環(huán)境濕度。同時，由于空氣中濕度的降低，顯著（P<0.05，見圖6B）提高了冬季畜舍內的一定時間段（如20：00—8：00和12：00—15：00）的空氣溫度。

圖5 冬春季畜舍內環(huán)境溫濕度日動態(tài)

春季監(jiān)測結果顯示：畜舍內9：00—17：00，設備運行時，平均空氣濕度（18.83%）較設備停運時（27.65%）平均降低了31.9%，差異顯著（P<0.05，見圖6C）；其余時間段內，雖無顯著（P>0.05）差異，但空間電場運行處理下舍內的濕度比停止期間低。同時，9：00—17：00的環(huán)境溫度顯著（P<0.05，見圖6D）提高。

圖6 冬春季畜舍內不同時間段環(huán)境溫濕度在空間電場運行和停止處理下的比較結果

3 討論

3.1 空間電場對畜舍內溫室氣體濃度的影響

冬春季舍飼養(yǎng)殖家畜生產過程中，會排放大量的溫室氣體，主要包括N2O、CH4、NH3和CO2等氣體，對家畜生存環(huán)境產生一定的影響［6］。家畜產生的溫室氣體會對全球氣候變化產生重大影響，NH3是一種有毒氣體，對人和舍內動物有潛在的危害［7］。根據地方標準，畜舍內NH3濃度不高于18 mg/m3，CO2等濃度不高于1 500 mg/m3［8］。該文的測定結果顯示，在空間電場停止運行處理下，畜舍內NH3平均濃度為0.19 mg/m3，低于地方標準要求。李保明等［9］人在奶牛舍測定的NH3濃度為1～1.73 mg/m3，高于該試驗測定的結果。但CO2平均濃度在空間電場停止運行期間的均值為1 412.07 mg/m3，雖然略低于地方標準的要求濃度，但是基本接近要求值，在12月24日空間電場停止使用期間的氣體濃度均值達到1 812.38 mg/m3，明顯高于地方標準要求的濃度閾值，有必要進行畜舍內的環(huán)境改善工作。

空間電場在電場力的作用下可以吸附或清除環(huán)境中的粉塵、飛沫等，從而使畜禽舍空氣保持清潔［10］。結合實測的氣體濃度數據可知，在空間電場運行階段的畜舍內的CH4、NH3和CO2等有害溫室氣體濃度顯著降低，降低幅度分別可達到39.8%、26.3%和24.0%，說明使用空間電場可有效降低畜舍內的溫室氣體濃度，尤其是NH3濃度的降低可有效消減惡臭氣味，提高畜舍環(huán)境質量。吳媛媛［7］的研究探討了安裝光等離子體空氣凈化器與紫外燈裝置結合凈化豬舍空氣質量的效果，研究方法與該文類似，但使用的凈化設備不同，研究結果顯示使用光等離子凈化裝置僅能降低21.7%的CO2濃度，該研究使用的空間電場設備降低幅度可達到24.0%。與該研究結果不同的是，徐鑫等［11］對雞舍安裝空間電場前后NH3平均質量濃度進行比較，二者差異不顯著。而該研究中空間電場運行階段的NH3濃度顯著低于停止期間，說明在畜舍內使用空間電場對降低NH3濃度作用顯著。

3.2 空間電場對畜舍內環(huán)境指標的影響

舍飼可有效解決冬春季家畜過冬問題，同時可緩解草地早春的放牧壓力，對于草地資源可持續(xù)利用和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。圈舍內溫濕度的高低對舍內家畜的生長具有極大的影響，同時對圈舍內CH4等溫室氣體的濃度有很大影響［9］。根據山西省牛羊規(guī)?；B(yǎng)殖場地方標準的要求，成年羊畜舍內的環(huán)境溫度應保持在5～30℃，濕度保持在30%～70%［8］。該研究在內蒙古四子王旗測定的結果顯示，冬春季畜舍內的平均環(huán)境溫度為-14.2～34.3℃，平均濕度在14.3%～98.3%波動。四子王旗2007—2018年的年均溫度僅為3.9℃［12］，遠低于山西省的年均溫度，因此最低溫度會較低。有研究利用光等離子體凈化器改善夏季妊娠母豬舍高溫高濕環(huán)境［7］，結果顯示，在不同時間段，對照舍與凈化舍環(huán)境溫度和濕度的差異均不顯著，效果均不理想。該研究結果顯示，利用空間電場設備可以有效控制冬春季畜舍內的環(huán)境溫濕度，冬季主要調控時間段為動物休息期間（20：00—8：00）和中午（12：00—15：00），該時段內運行空間電場時舍內濕度降低了4.5%～15.3%。春季可以降低9：00—17：00羊群活動期間舍內的環(huán)境濕度（31.9%）。同時降低濕度后，冬春季畜舍內的環(huán)境溫度也會相應提高。冬春季節(jié)環(huán)境溫度的升高和濕度的降低，有利于家畜維持自身正常活動的能量［1］。

4 結論

①冬春季畜舍內測定的4種溫室氣體濃度顯著高于室外，且舍飼期間，冬季畜舍內N2O、CH4、NH3和CO2的濃度顯著高于春季。

②利用空間電場設備顯著降低了冬春季畜舍內NH3、CH4和CO2等3種氣體的濃度，但對N2O氣體濃度的影響不顯著。

③畜舍內N2O、CH4、NH3和CO2的氣體濃度在不同高度之間均無顯著差異。

④空間電場在降低畜舍環(huán)境濕度方面的作用顯著，且冬季和春季的調控時間段不同，冬季主要在夜間和中午的作用顯著，春季主要可以調節(jié)羊群白天（9：00—17：00）活動期間的溫濕度。