新疆冬季双坡式拴系饲养自然通风肉牛舍的环境空气质量测定与分析

张 杰，郭忠羽，师旭明，孔令卓，马 娟，

李 浩1，赵 超1，冯 斌1

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐　830091；2.新疆库尔勒市培训中心，新疆库尔勒　841000；

3.新疆农业科学院安宁渠试验场，乌鲁木齐　830087)



新疆冬季双坡式拴系饲养自然通风肉牛舍的环境空气质量测定与分析

张 杰1，郭忠羽2，师旭明3，孔令卓1，马 娟1，

李 浩1，赵 超1，冯 斌1

(1.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐830091；2.新疆库尔勒市培训中心，新疆库尔勒841000；

3.新疆农业科学院安宁渠试验场，乌鲁木齐830087)

摘要：【目的】测定与分析冬季新疆双坡式拴系饲养自然通风肉牛舍的环境空气质量，为有效控制牛舍中的温湿度及部分有害气体提供理论依据。【方法】对舍内环境因素如温度，湿度，NH3浓度，H2S浓度和CO2浓度进行测试和分析。【结果】舍内空气日平均温度分别在不同高度层的0.5、1.5和3.0 m中,依次为3.33、4.54和6.36℃，其中，3.0 m显著高于0.5和1.5 m(P<0.05), 0.5 、1.5 m之间差异不显著(P>0.05)；舍内相对湿度平均值分别为98.5%，97.2%及99.3%，各层相对湿度差异均不显著(P>0.05)；CO2浓度平均值分别为2 083、2 102和2 021 mg/kg，各层浓度差异均不显著(P>0.05)；NH3浓度平均值分别为0.02、1.02和1.70 mg/kg，各层浓度间差异均较为显著(P<0 .05 )；H2S未检测出。【结论】新疆冬季双坡式拴系饲养自然通风肉牛舍内的温度、相对湿度、CO2浓度、NH3浓度等环境因素呈现出各自不同的分布及变化规律，它们之间存在着一定的相关性，其中温度对其他因素均有不同程度的影响。采取单一的工程措施是难以实现减少有害气体的目的，必须从牛舍设计，生产管理等方面采取综合措施，确保健康肉牛，提高肉牛生产性能。

关键词：双坡牛舍；环境因素；变化规律；相关性

0引 言

【研究意义】肉牛舍饲拴系饲养是新疆肉牛育肥养殖的主要模式，采用了无运动场的全舍饲饲养养殖方式，舍内有饲槽、送料通道、躺卧牛床、清粪通道等不同的功能区。这种饲养工艺因其具有占地面积少、管理方便、肉牛的饲料转化率高等优点而得到了肉牛育肥场及生产管理人员的喜爱。但在这种饲养模式下,牛舍内空气质量状况影响重大，相关研究越来越受到重视。【前人研究进展】目前研究人员对密闭式畜舍中温湿度的调节和舍内CO2、NH3、H2S有害气体的来源、分布状态、控制举措以及其对畜生产性能的影响等方面的问题越来越重视，已成为家畜环境研究中的一大热点。Demmers 等[1]对氨排放及自然通风问题进行了讨论。李保明等[2]对舍饲散养奶牛舍自然通风条件下的温度，氨，甲烷，氧化亚氮，水蒸气，进行了试验分析。戴四发等[3]在栋密闭式种猪舍里观测了有害气体的分布。从娄玉杰等[4]的研究结果中可以得出,冬季封闭式试验牛舍内的平均风速小于0.2 m/s,空气湿度均在80%以上,导致舍内设施多处结霜,有害气体浓度偏高,舍内空气污浊程度高。栾冬梅等[5]对位于黑龙江的两种不同类型的牛舍进行了环境监测，监测结果表明彩钢结构的保温牛舍内表面的最高温度仅为-1.1℃，最低温度为-9.9℃。该牛舍的CO2浓度为3 163(mg/m3)，比畜禽场环境质量标准高出1 663 mg/m3；另外一种非保温砖牛舍内表面的温度差仅为3.6℃，基本与牛舍外温度接近，由于其通风良好，牛舍的CO2浓度只有1 387(mg/m3)。Xuan Y M及Chaiyabutr N[6-7]就喷雾、喷淋技术应用于牛舍环境控制进行了研究，认为两者属于蒸发降温，在牛舍环境控制中的实用性较强。Berman A[8]认为喷雾通过雾滴气化可以达到降低空气温度的目的，但如果不做任何前期处理直接将雾滴喷于舍内会增加牛舍内的湿度，这种方法不适用于相对湿度在55%以上的地区。丁露雨等研究表明喷淋可以加强牛体自身蒸发散热[9-10]，但对于拴系式养殖肉牛而言，会导致牛床积水，致使牛的饲料转化率和增质速率降低[11]。程琼仪等[12]将湿帘冷风机-纤维风管降温运用在敞篷式牛舍中，研究结果显示这种做法有助于缓解肉牛的热应激性能。【本研究切入点】目前有关肉牛舍饲拴系饲养舍内空气质量状况的系统调查研究工作仍然相对薄弱，有关肉牛舍冬季小气候环境监测与调控方面的文献报道不多，截至目前还没有相关人员对新疆双坡式拴系饲养肉牛舍冬季舍内空气环境，以及调控措施做过系统规范的研究。【拟解决的关键问题】选取安宁渠综合试验场育肥牛场的1个典型的自然通风双坡拴系养殖肉牛舍, 对其温度、相对湿度、CO2浓度、NH3浓度、H2S浓度分别进行检测并对检测数据进行分析,了解新疆地区舍饲拴系饲养模式下肉牛舍自然通风有害气体的流动及变化,为该工艺模式下牛舍的养殖管理和环境调控,通风系统设置与管理等提供理论依据。

1材料与方法

1.1　材 料

L99-LXWS温湿度记录仪(杭州路格科技有限公司)、GT2000复合气体分析仪(深圳市科尔诺电子科技有限公司)、便携式智能气体检测报警仪(京恒奥德仪器仪表公司)、Kestrel1000型风速仪(上海耀壮检测仪器设备有限公司)、照相机。列出试验所需仪器性能参数。表1~3

表1 L99-LXWS温湿度记录仪技术指标
Table 1 Technical indicators of L99-LXWS temperature and humidity recorder

测量参数Parameters分辨率Resolutionratio测量精度Precision精密测量范围Range间隔时间Interval(h)空气温度Temperature0.1℃±0.5℃-40~70℃(内置)-40~100℃(外置)3空气湿度Humidity0.1%RH±0.3%RH0~100%RH3

表2GT2000复合气体分析仪
Table 2 Composite gas analyzer

测量参数Parameters量程Range(mg/kg)测量精度Precision最小读数Minimumreading(mg/kg)响应时间Responsetime(s)二氧化碳CO20~10000<±3%(F.S)1≤5硫化氢H2S0-~100<±3%(F.S)0.01≤5氨气NH30~200<±3%(F.S)0.01≤5

试验日期为2015年1月22~29日，试验地点在新疆农科院安宁综合渠试验场肉牛场。

试验肉牛舍为双坡半墙封闭式建筑，东西走向，舍长为80 m，舍宽为12 m，南北两侧半墙高1.5 m，半墙上安装1.25 m宽阳光板覆盖采光带，屋顶高度为5.3 m，门形钢屋架,屋面辅材为彩钢夹芯板。舍内采用双列对头饲养方式，牛舍中间是饲喂通道，饲喂通道两侧分别是饲槽、牛床及清粪槽道。图1

表3 便携式智能气体检测报警仪
Table 3Technical indicators of portable intelligent gas detection alarming device

测量参数Parameters量程Range(mg/kg)测量精度Precision最小读数Minimumreading(mg/kg)响应时间Responsetime(s)二氧化碳CO20~10000<±3%(F.S)1≤20硫化氢H2S0~100<±3%(F.S)0.01≤30氨气NH30~100<±3%(F.S)0.01≤20

1.清粪槽道2.牛床3.饲槽4.通风管.5.饲喂通道

图1牛舍结构及主要设施布置
Fig.1 Barn structure and facility layout

1.2　方 法

1.2.1试验期肉牛的饲养管理

牛舍内拴系饲养肉牛100只，肉牛平均年龄1.5岁，平均体质量500 kg，饲养密度为1只/2 m2。试验数据采集期内牛群的日粮配方是保持不变的，饲喂方式采用人工喂料、定时喂水的全舍饲饲养模式，饲喂次数为每天3次，每天08:30喂玉米青贮和精料以及麦草等粗饲料，13:00时和下午19:00时各喂1次粗饲料，采用人工清粪每天清粪1次，通风换气方式采取直径为160 mm的通气管自然通风。

1.2.2采样

环境空气质量监测的各项参数和监测点，取样方法，监测高度的确定和监测频率的要求，根据《环境监测技术规范》(NY/ T388 - 1999)[13]执行。测量方法参照各测量仪器说明书。在舍内选取5个测试处，5个测试处将东西走向牛舍均分为6段,在每个测试处垂直方向各取3个层面, 分别距地面为0.5、1.5和3.0 m 。测试过程中，记录了每个层面的温度、相对湿度、NH3、H2S 和CO2的数值。由于5个测试点处数据差异不显著，故取平均值记录。同时在牛舍东西向舍外选取一个测试处，测试处离牛舍20 m，距地面高度1.5 m。测试过程中，自动记录室外温度、相对湿度。

1.3　数据统计

数据用Excel2003软件进行图形绘制，运用SPSS16.0 进行方差分析。

2结果与分析

2.1　肉牛舍舍内外温度变化

温度的变化在一定程度上影响肉牛的健康和生产性能，主要表现在对能量转化率和进食量的影响上[14]。过高和过低的环境温度，均对肉牛健康和生长不利。对温度的空间分布特征、日变化规律进行测定和分析。测试期间肉牛舍的平均气温最高为9.12℃，最低为-0.09℃，平均温度为4.61℃，距地面0.5、1.5、3 m 高水平面的空气日平均温度分别为3.33、4.54、6.36℃，其中，3.0 m显著高于0.5 m、1.5 m(P<0.05), 0.5和1.5 m之间差异不显著(P>0.05)。可以看出，牛舍内不同高度的空间，温度是不同的，一般表现为：3.0 m温度最高，0.5 m温度最低，两个高度层温度平均最大差值为6.04℃。舍内空气温度日变化规律较为明显，随外界环境温度的变化而变化，最低温度出现在09:00~11:00，下午15:00~17:00达到最高值。虽然在仪器放置初期有一定的波动阶段，但是在空间上仍然可以看出呈现垂直分布的规律，从地面向顶棚温度逐渐升高。测试期间舍内空气温度均高于舍外温度，温度变换较舍外平缓，说明该类型的牛舍在寒冷冬季具有较好的保温效果，可以满足肉牛冬季清粪、饮水管理的需要。图2

图2不同时间温度分层日变化
Fig.2 Daily change of temperature at different height

2.2　肉牛舍舍内外相对湿度变化

相对湿度较高，有利于空气中灰尘的净化和呼吸系统疾病的控制。但在温度处于高低极端的条件下，相对湿度将严重影响肉牛的热调节功能[15]。在一般情况下，肉牛在高湿度环境下的抗病性降低，发病率和死亡率增加；高湿环境为病原微生物的繁殖、感染、传播创造条件，使肉牛对传染病的感染率增加。图3

图3不同时间相对湿度分层日变化
Fig.3 Daily change of relative humidity at different height

测试期间双坡式肉牛舍内平均相对湿度的最高值达到100%，最低值为83.6%，平均相对湿度为98.3%。舍内相对湿度在距离地面0.5、1.5、3.0m 不同高度层的平均值分别为98.5%，97.2%及99.3%，相对湿度差异不显著。由于不同的测试时间和不同的测试高度，相对湿度有所差异，整个测试过程中，舍内不同高度层的相对湿度均随着外界湿度的变化而变化，受舍外相对湿度的影响较大。舍外相对湿度达到100%时，舍内各测试层面均达到100%，舍内外相对湿度最小值均出现在中午13:00~15:00。24 h内相对湿度较大出现在18:00至次日早晨11:00。由于测试牛舍没有安装通风设备，湿度无法调节。建议在牛舍东西山墙上安装风机或牛舍顶部安装风帽，采用不定时手动或定时自动通风来降低舍内湿度，通风时间不宜过长，避免因通风时间过程而出现的舍内温度骤降。图3

2.3　肉牛舍内CO2的变化

CO2主要来自于肉牛的呼吸功能，会造成缺氧，引起慢性毒害。肉牛长期在缺氧的环境中生长，会出现精神萎靡、丧失食欲、体力下降等症状，抵抗力会有所下降。当CO2含量增加时，其他有害气体含量也有可能增高[16]。

图4不同时间CO2浓度的分层日变化
Fig.4 Daily change of CO2concentration at different height

试验期间，CO2浓度在距离地面0.5、1.5、3.0 m 不同高度层的平均值分别为2 083、2 102及2 021 mg/kg，各层浓度间的差异均呈不显著状态(P>0.05)。整个测试期间，CO2浓度呈现波动变化，各测试高度层的变化趋势较为一致。每个高度层的最低值均出现在10：00~15:00，且浓度值均低于畜舍空气中CO2的卫生标准1 500 mg/kg。其余时间段里CO2浓度高于卫生标准。导致这种现象的原因是每天10：00~15:00是饲喂与清粪时间段，工人频繁进出牛舍并开关大门。由于风力作用CO2随空气扩散，因而其含量处于降低水平；相反，15:00以后直到次日10：00，牛舍大门基本是处于关闭状态，且夜间风力较小，CO2不易扩散，因此其浓度相对较高。图4

2.4　肉牛舍内NH3变化

NH3同样是畜舍中含氮有机物分解输出的[17]。肉牛长时间处于高浓度NH3环境中，疾病抵抗力明显减弱[18]。牛舍内的NH3对饲养人员同样会产生危害，高浓度的氨刺激眼结膜，产生灼痛和流泪，并引起咳嗽。

试验期间，氨气浓度在距离地面0.5、1.5、3.0 m 不同高度层的平均值分别为0.02、1.02及1.70 mg/kg，各层浓度间差异均较为显著(P<0 .05 )。氨气浓度的日变化分析得出，NH3浓度在整个测试过程中呈波动变化，各测试高度层的昼夜变化规律较为一致。氨气浓度从地面到顶棚逐渐增大，在空间上可以看到明显的垂直分布。各个测试高度层的浓度低点出现时间与二氧化碳浓度低点出现时间较为一致。整个测试期间各个测试层氨气浓度均显著低于国家标准规定的≤20 mg/m3(26.4 mg/kg)，满足肉牛正常生长要求。图5

图5不同时间NH3浓度的分层日变化
Fig.5 Daily change of NH3concentration at different height

2.5　肉牛舍内H2S的变化情况

H2S是畜舍内含硫有机物厌氧分解生成的。肉牛长期生活在低浓度硫化氢的空气环境中会出现生长缓慢甚至中毒现象。饲养人员长期接触硫化氢也会引起头痛、恶心、心跳缓慢，组织缺氧和肺水肿等。我国劳动卫生标准中明确规定空气中的硫化氢含量不得超过5.6 mg/kg(10 mg/m3)，畜舍空气中硫化氢含量最高不得超过10 mg/kg。

整个试验期间检测的牛舍H2S浓度为0。原因是畜舍内的冬季舍内温度低，粪便清理较为及时。

2.6　温度与舍内气体(CO2、NH3)含量日变化之间的关系

温度与CO2浓度、NH3浓度的关系。作为呼吸代谢的产物，CO2浓度与温度变化的相关性并不显著，舍内CO2浓度的高低主要取决于肉牛个体本身CO2释放量的多少以及舍内肉牛养殖密度的大小，舍内温度的高低对CO2浓度影响较小。图6

图6温度与CO2浓度关系
Fig. 6Relationship between temperature and CO2concentration

在06：00~21:00，NH3随温度变化趋势明显，呈现一定的正相关关系。随着温度的升高, 肉牛活动旺盛,排尿量和排尿频次增多, 尿素水解产生的NH3增多，导致NH3浓度的上升,这与牛尿中的尿素水解是NH3产生的主要因素[19]相一致。此外升温可加速舍内粪尿中有机物发酵,还会使吸附在维护结构中的NH3释放出来，也会促使NH3浓度的上升。图7

图7温度与NH3浓度关系
Fig. 7Relationship between temperature and NH3concentration

3讨 论

3.1　冬季双坡式自然通风肉牛舍内的温度与相对湿度

肉牛舍内高度不同温度有所不同，0.5、1.5和3.0 m处的温度逐渐升高,呈现垂直变化的趋势。不同高度层的相对湿度略有不同，但均高于97%，是由于通风不良造成。温度和相对湿度呈现出明显的昼夜变化规律, 温度白天高于夜间而相对湿度则相反是夜间高于白天。全舍饲饲养工艺模式下的自然通风牛舍舍内温湿度情况主要受外界温、湿度的影响较大。

3.2　舍内CO2浓度的变化

整个试验期间，CO2的浓度在961～3 166 mg/kg变化,平均值2 070 mg/kg。CO2浓度呈现波动变化，各测试高度层的变化趋势较为一致，各高度层差异不显著。10：00~15:00各高度层CO2浓度值均低于畜舍空气中CO2的卫生标准1 500 mg/kg，但其余时间段里CO2浓度高于卫生标准。这是由于为了确保冬季舍内温度，畜舍采取全封闭状态。10：00~15:00为饲喂和清粪时间段，大门频繁打开，增加了舍内空气流动使得CO2浓度降低。建议在牛舍东西山墙上安装轴流风机或在牛舍屋顶安装无动力风帽，实现定时自动或不定时手动通风。

3.3　舍内NH3浓度、H2S浓度的变化

试验期间，NH3浓度在0～2.2 mg/kg变化,平均值0.9 mg/kg。不同高度层的NH3浓度均不同，并呈现出明显的垂直变化规律，0.5、1.5和3.0 m处的NH3的浓度逐渐升高。还可以看出,NH3浓度在舍内的变化呈现由低温流向高温的现象, 与温度的变化存在一定的正相关关系。试验测定结果显示，试验牛舍中NH3浓度远远低于国标规定，主要原因是因为牛舍采取一天一清，清理粪便较为及时以及饲喂、清粪时开门增加了空气流动。整个测试期没检测出H2S。

4结 论

新疆冬季双坡式拴系饲养自然通风肉牛舍内的温度、相对湿度、CO2浓度、NH3浓度、H2S浓度等环境因素呈现出各自不同的分布及变化规律，它们之间存在着一定的相关性，温度对其他因素均有不同程度的影响。舍内的温度和NH3呈现明显的分层和日变化,各测试高度变化规律较为一致, 且显著受到舍外气候的影响；舍内相对湿度和CO2分层现象不明显，但呈现一定的日变化, 两种气体夜间的平均浓度均高于白天；温度对舍内的NH3的含量有显著影响，两者之间有显著的相关性；温度高低对舍内CO2的含量影响不大，主要取决于肉牛个体本身CO2释放量的多少以及舍内肉牛养殖密度的大小。

整个测试期间试验牛舍内的温度、NH3浓度、H2S浓度均在畜禽场环境质量标准允许范围内，而相对湿度及CO2浓度部分时间超标。导致相对湿度及CO2浓度超标的原因有很多[20]，采取单一的预防措施很难达到减少有害气体的目的，必须从牛舍设计、生产管理等多方面入手，采取综合性措施，确保肉牛健康、提高肉牛生产性能的目标。首先要从生产管理方面入手，及时清除粪尿污水，建议粪便一天一清；其次要配备合理的通风系统和制订适宜的通风换气制度，建议在牛舍东西山墙上安装轴流风机或在牛舍屋顶安装无动力风帽，实现定时自动或不定时手动通风，增加舍内空气流动，降低湿度及CO2浓度。

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Fund project:Supported by National Science and Technology Support Project of'12th Five-Year Plan': Research on and Demonstration of Application Facilities and Equipment for Beef Cattle Breeding in Xinjiang" (2011BAD47B03)and the Youth Funds of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences: Research on the Air and Temperature in the Warm Beef Cattle Shed Based on CFD Plastic Films (xjnkq-2015014)

Measurement and Analysis of Air Quality in Double-slope-type-tether-

edfeeding Cowshed by Natural Ventilation during Xinjiang Winter Time

ZHANG Jie1, GUO Zhong-yu2, SHI Xu-ming3, KONG Li-zhuo1, MA Juan1,

LI Hao1, ZHAO Chao1, FENG Bin1

(1.ResearchInstituteofAgriculturalMechanization,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China; 2.KorlaCityTrainingCenter,KorlaXinjiang841000,China; 3.AnninquExperimentFarm,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830087,China)

Abstract：【Objective】 To measure and analyze the air quality in double-slope-type-tethered-feeding cowshed by natural ventilation during Xinjiang winter time in order to provide theoretical basis and suggestions for effective control of temperature and humidity in the barn and some harmful gases.【Method】Testing the environmental factors such as the inner temperature, relative humidity, concentration of NH3, concentration of H2S and CO2concentration as the main factors and analyzing the various factors change rules and correlations.【Result】Test results showed that at the different levels of the inner 0.5, 1.5 and 3.0 m, the average daily temperature of air ws 3.33 , 4.54 and 4.54 ℃ respectively, and at 3.0 m the temperature was significantly higher than at 0.5, 1.5 m (P < 0.05), but there was no significant difference between 0.5 and 1.5 m (P > 0.05); Inner average relative humidity was 98.5%, 97.2% and 99.3%, at 3.0 m level, the relative humidity was significantly higher than at 1.5 (P < 0.05), 0.5 and 0.5 m relative humidity difference was not significant (P > 0.05), 0.5 m and 1.5 m relative humidity difference was significant; The average CO2concentration was 2,083, 2,102 and 2,021 mg/kg, respectively. At each layer there was noo significant difference (P > 0.05); The average NH3concentrations were 0.02 mg/kg, 1.02 mg/kg, and 1.02 mg/kg, between them, there were no significant difference (P < 0.05); H2S was not detected.【Conclusion】The environmental factors such as temperature, relative humidity, concentration of CO2, concentration of NH3, concentration of H2S in Winter of dual slope and tied raise natural ventilation beef cattle in XinJiang, showed different distribution and change rule, there is a certain correlation between them, the temperature on the influence of other factors to some extent.Single engineering measures is difficult to achieve the goal of reducing harmful gas, we should take comprehensive measures, for example: the design of barn, production management and other aspects, Ensure the health of beef cattle, improve the performance of beef cattle production.

Key words:dual slope cowshed; environmental factors; change rule; correlation

通讯作者:冯斌(1968-),男，陕西人，研究员，硕士，研究方向为畜牧装备，(E-mail)xjwsfb@sina.com

作者简介:张杰(1984-)，女，山东泰安人，助理研究员，硕士，研究方向为畜牧工程装备，(E-mail)369441769@qq.com

基金项目:“十二五”国家科技支撑课题“新疆肉牛养殖适用设施及设备的研究与示范”(2011BAD47B03)；新疆农科院青年基金项目“基于CFD的塑膜暖棚肉牛舍冬季气流场和温度场研究”(xjnkq-2015014)

收稿日期：2015-07-15

中图分类号：S823.4+4

文献标识码：A

文章编号：1001-4330(2016)02-0383-08

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.02.027