机械通风式笼养鸡舍内外颗粒物特征与影响因素分析

郭 丽 王 春 马淑丽 陈东辉 佟 金 任丽丽

(1.吉林大学生物与农业工程学院， 长春 130022； 2.吉林大学工程仿生教育部重点实验室， 长春 130022)

0 引言

根据悬浮颗粒物的粒径，将其分为TSP(空气动力学直径小于等于100 μm)、PM10(空气动力学直径小于等于10 μm)、PM2.5(空气动力学直径小于等于2.5 μm)，其中PM10可以通过呼吸进入体内，PM2.5通过呼吸进入人体的肺泡中[1]。不同粒径的颗粒物通过呼吸可以进入呼吸道的不同部位，进而引发不同的呼吸系统疾病[2]。流行病学的研究结果表明，环境颗粒物会引起心脏和肺部有关疾病[3]。进入到人体呼吸系统的颗粒物会引起呼吸系统感染，并增加患哮喘、血管炎症、肺癌和心脏疾病的危险[4]。

图1 鸡舍结构及舍内、外监测点示意图(未按比例)Fig.1 Schematic diagrams of monitoring locations inside and outside laying hen house(not to scale)

近年来，随着畜禽养殖规模化发展，养殖过程中会向周围环境释放大量的颗粒污染物[5]，不但对畜禽的活动和生产性能产生影响，而且还会对畜禽和工作人员的健康产生危害[6]。畜禽舍内的颗粒物浓度是其他室内颗粒物浓度的10到100倍，且畜禽舍内颗粒物表面会吸附大量的细菌和微生物[7-8]。在相同颗粒物浓度条件下，畜禽舍颗粒物对人畜的危害更大[9]。进入到动物体内的颗粒物携带有各种病原体、真菌等能够发生反应，刺激呼吸道或引发炎症[10-11]。对于畜禽舍内颗粒物，一般采用通风系统控制，将其排放到舍饲周边的环境中[12]，颗粒物可随着空气传播到周围5 km左右的范围内[13]，会导致能见度降低，造成植物应激和生态系统的改变，影响植物、森林和陆地生态系统[14]。畜禽舍排放的颗粒物吸附大量的氨气，可形成次级颗粒物，是大气中酸雨形成的主要原因之一[15]。而且，排到舍外的颗粒物不仅其自身会产生危害，而且还携带舍内的气味及传播细菌，对周围居民的健康造成影响[16-17]。

对畜禽舍内颗粒物浓度产生影响的因素有很多。不同畜禽舍内颗粒物浓度不尽相同，除此之外，同一畜禽舍内颗粒物浓度还与畜禽种类、通风、昼夜和季节变化、饲养条件等因素有关[18]。而排到畜禽舍外的颗粒物浓度不仅与舍内颗粒物浓度有关，而且还随着禽舍类型、舍内外环境、通风方式等的不同而发生变化[19]。畜禽养殖过程中排放出的PM10占总排放量的8%，初级PM2.5仅占PM2.5总排放量的4%[20]。为了保护畜禽养殖场周围的环境，保障居民和动物的健康，畜禽舍内及其排放到舍外的的颗粒物浓度必须受到关注[21]。

国内关于畜禽舍内颗粒物的研究主要集中在不同畜禽种类及类型的颗粒物浓度研究[22-25]上，关于畜禽舍外环境的研究集中在畜禽舍内微生物气溶胶及其扩散研究[26-27]上，对舍内颗粒物在周围环境中的扩散以及影响研究有限。本文以夏季机械通风式笼养蛋鸡舍内外颗粒物为研究对象，采用风机将舍内颗粒物排放到舍外，监测舍内、外颗粒物浓度变化，并分析颗粒物的传播规律，以期为笼养蛋鸡舍外颗粒物的逸散控制奠定一定的理论基础。

1 试验和方法

1.1 试验场地概况

试验场地在长春市郊区某笼养蛋鸡养殖场。试验鸡舍为育成鸡舍，鸡舍长53 m，宽10 m，高3 m，鸡舍平面图如图1所示。鸡舍采用机械通风和自然通风相结合的通风方式，东墙设有一个前门和2个湿帘，西墙设有4台风机，南墙开设有一个后门和17个窗户，北墙开有19个窗户。监测开始时鸡舍内的“海兰褐”蛋鸡鸡龄为60 d，蛋鸡数量为8 000只左右。饲养方式为层叠笼养(共3层)。每天喂料2次，时间分别为10：00—10：30、16：00—16：30，饲料是该公司自加工配比。鸡舍采用乳头式饮水器，夏季采用湿帘保持鸡舍内的温湿度(当舍内温度高于31℃时开启)，由于监测试验在夏季进行，因此湿帘一直处于开启状态。

1.2 监测时间和内容

监测试验在2016年7—8月进行，每月中下旬选取微风晴朗的天气(为减小舍外周边环境对颗粒物浓度变化的影响)进行为期6 d的监测。据相关研究表明，鸡舍内白天颗粒物浓度高于晚上，且此时间段内发生的各种舍内作业亦会影响舍内颗粒物浓度变化[28]，选取10：00—16：00作为监测时间段，因为此时间段试验鸡舍的喂食和工作人员的其他作业均在进行，且此时间段内风机(DS-1380型，通风量35 000 m3/h)全部处于开启状态。温湿度是影响颗粒物浓度的一个主要因素，因此本研究在颗粒物浓度监测点处同时监测舍内外温湿度；此外，由于颗粒物粒径越小，进入呼吸道的部位就越深，对人体的危害相对也就越大[23]，因此本研究除了监测舍内外PM10浓度、PM2.5浓度外，还监测了PM1(空气动力学直径小于等于1 μm)浓度。同时，在舍内过道及舍外监测点附近采集积尘，用密封袋带回实验室，进行颗粒物成分分析。

1.3 监测方法

1.3.1 仪器设备

使用Dust TruckDRX Desktop(8533型，美国TSI公司)对颗粒物浓度进行监测，颗粒物浓度精度：±0.001 mg/m3；该仪器的主要特点是能同时检测PM1、PM2.5、呼吸性粉尘和PM10等不同粒径的气溶胶质量浓度，这是其他仪器所没有的功能；Dust Truck检测仪内部配有数据记录系统、光散射激光光度计和抽气泵，可供气溶胶数值的实时观测；它使用鞘气系统隔离了气溶胶和光学室，保证了光学元件的清洁，提高了设备的可靠性，降低了维修率[29]。本研究每隔1 min采集一次数据，仪器自动保存数据，试验结束后利用仪器自带的分析软件导入计算机，进行统一分析计算。舍内外监测点的温湿度采用AOSONG监测仪(AH200型，中国奥松公司)，温度测量范围：外置探头-40℃～80℃，温度精度：±0.3℃(25℃)；相对湿度测量范围：0～99.9%，相对湿度精度：±2%。颗粒物成分分析使用ZEISS扫描电镜(ECO-18型，德国蔡司公司)和OXFORD能谱仪(INCA型，英国牛津仪器)。

1.3.2 监测点分布

据相关研究表明，相对于舍内颗粒物浓度的日变化而言，监测点位置的变化对颗粒物浓度的影响要小[30]，因此舍内颗粒物浓度监测点选在正对着风机的鸡笼中部；舍外监测点选取正对着此风机的同样高度位置，距离风机3 m(在减少风机对监测点干扰的情况下选取离鸡舍最近的距离，且舍内、外同时进行监测)，温湿度计的位置选取与粉尘监测仪相同的位置，以便于实时监测颗粒物监测点的温湿度。粉尘监测仪和温湿度计的监测点如图1所示。

1.4 统计分析软件

采用Excel(2010，美国微软公司)对数据进行基本统计分析。采用SPSS(22.0，美国IBM公司)软件，利用双变量相关性分析温度、相对湿度与颗粒物浓度的关系。采用Origin(9.0，OriginLab 公司)软件将分析数据生成图示。

2 结果与讨论

2.1 舍内、外温湿度对比

试验期间舍内、外温湿度对比如图2所示。试验期间舍内温度为27.6～29.7℃，舍外温度为26.9～32.4℃；舍内相对湿度为39.3%～77.4%，舍外相对湿度为40.4%～64.1%。舍内、外温度相差不大，舍外温度略有变化。舍内温度基本保持在恒定温度，这是因为舍内采用湿帘法在一定程度上可以保持舍内温度恒定；舍外相对湿度在8月28日之前高于舍内，之后低于舍内，且8月28日与8月29日相对湿度明显降低。这一方面是因为在8月底温度逐渐降低，湿帘关闭；另一方面是由于此时天气逐渐干燥，使得舍内外湿度明显低于其他时间。

图2 舍内、外温湿度对比Fig.2 Comparisons of indoor and outdoor temperature and relative humidity

2.2 舍内、外颗粒物浓度对比

试验期间舍内、外颗粒物浓度如图 3所示。舍内PM10平均浓度范围为0.265～1.145 mg/m3，舍外PM10平均浓度范围为0.169～0.720 mg/m3。我国关于畜禽养殖场空气环境质量标准规定畜禽舍内PM10浓度为4 mg/m3，禽舍缓冲区(畜禽舍外围，沿场院向外小于等于500 m范围内)PM10浓度为0.5 mg/m3[31]。畜禽舍内颗粒物浓度符合国家标准，但是禽舍缓冲区的颗粒物浓度在8月28日和8月29日超过国家标准。而我国空气质量准则中PM2.5的日均浓度一级标准为35 μg/m3[32]。而畜禽舍缓冲区的PM2.5浓度变化范围为0.094～0.364 mg/m3，此浓度远远高于国家空气质量准则中关于PM2.5的浓度标准。陈峰等[18]关于笼养蛋鸡舍内颗粒物浓度的研究测得PM10和PM2.5的浓度分别为0.290、0.260 mg/m3，本次试验测得的舍内PM10和PM2.5的浓度在7月18日低于此值，PM2.5的浓度在7月19日低于此值，其余日期所测得的浓度均高于此值。舍内PM1平均浓度范围为0.148～0.577 mg/m3，舍

外PM1平均浓度范围为0.092～0.340 mg/m3。国内外尚无对畜禽舍内、外PM1浓度的相关标准，且国内外关于笼养蛋鸡舍内PM1浓度的研究亦有限。

监测结果显示，舍内颗粒物浓度高于舍外颗粒物浓度，且随着试验的进行，舍内、外颗粒物浓度均有所升高。这与蛋鸡的日龄有关，WINKEL等[33]的研究也证明了蛋鸡舍内颗粒物浓度随着鸡龄的增长而升高。同时，舍外颗粒物浓度与舍内颗粒物浓度也存在一定的关系，舍内颗粒物浓度升高的同时，舍外颗粒物浓度也随之升高。此外，空气湿度也能影响颗粒物浓度[34]，在8月28、29日空气湿度明显降低，因此也是造成这2日舍内、外颗粒物浓度升高的原因。

图3 舍内、外颗粒物浓度对比Fig.3 Comparisons of indoor and outdoor PM concentrations

2.3 舍内、外颗粒物浓度相关性分析

2.3.1 舍内、外颗粒物浓度日变化

图4 舍内、外颗粒物浓度日变化Fig.4 Diurnal variations of indoor and outdoor PM concentrations

为了解舍内外颗粒物浓度日变化的趋势，选取7月20日舍内、外颗粒物浓度数据进行分析，如图4所示。在监测试验进行期间，舍内颗粒物浓度整体呈现波动趋势，这是由于舍内工作人员的作业对沉积的颗粒物进行扰动，致使颗粒物再悬浮从而影响颗粒物浓度出现变化。在10：30和15：30左右舍内颗粒物浓度呈现出明显的高峰，这是由于此时鸡舍进行喂料，自动喂料机经过仪器时致使沉积的颗粒物再悬浮，造成颗粒物浓度升高。随着喂料作业的结束舍内颗粒物浓度逐渐下降。在11：00—11：30鸡舍内颗粒物呈现下降趋势，且此时段内颗粒物浓度波动较小，这是由于此时段工作人员休息，鸡舍内无工作人员干扰，颗粒物沉积，故此时颗粒物浓度变化较小。舍内工作人员活动和喂料机工作均会扰动沉积的颗粒物，并惊动蛋鸡，致使蛋鸡活动性增强，也引起舍内颗粒物浓度变化，这与LIN等[34]的蛋鸡舍内颗粒物浓度与蛋鸡的活动性有关的结论相一致。

在监测试验进行期间，鸡舍外颗粒物浓度与鸡舍内颗粒物浓度变化趋势相似，由图4可以看出，在10：30和15：30左右，由于鸡舍内喂料作业，鸡舍外颗粒物浓度亦呈现出较大的波动趋势；在喂料作业结束后，颗粒物浓度逐渐稳定。在11：00—11：30颗粒物浓度呈现轻微下降趋势，之后趋于稳定，这是由于鸡舍内工作人员的收蛋作业对鸡舍内颗粒物扰动属于局部较小的扰动，因此对鸡舍外颗粒物浓度影响较小。

2.3.2 舍内、外颗粒物浓度相关性

鸡舍内、外PM1、PM2.5、PM10之间存在显著相关性(P<0.01)(表1)。分析结果说明，舍外颗粒物很大程度上来源于舍内，控制舍内颗粒物浓度可以在一定程度上降低舍外颗粒物浓度，减轻畜禽场颗粒物对周围环境的危害。

表1 舍内、外颗粒物浓度Pearson系数Tab.1 Pearson’s correlation coefficient for indoor and outdoor PM concentrations

注：** 在0.01水平上显著相关，*在0.05水平上显著相关，下同。

图5 舍内、外颗粒物浓度比率对比Fig.5 Comparisons of ratio of PM concentrations at different sizes

而舍外颗粒物浓度相对于其舍内浓度的比在一定程度上反应了舍内排放到舍外的颗粒物浓度的比率，浓度比越大，排放到舍外的颗粒物越多。试验期间舍内、外PM1、PM2.5、PM10浓度比如表 2所示，其平均浓度比分别为39.6%、39.3%、39.5%，变化范围分别为35.6%～47.8%、35.3%～48.2%、31.8%～55.2%。舍外颗粒物浓度最高可达到舍内的55.2%，排出到舍外的颗粒物将向周围大气扩散，在一定程度上对周围环境产生影响，并会对周围居民的身体健康造成影响。

2.4 不同粒径颗粒物浓度比率

试验期间舍内颗粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10的比率如图5a所示。舍内颗粒物浓度平均比率分别为96.7%、56.9%、58.8%，变化范围为94.7%～98.1%、50.5%～63.5%、53.1%～64.8%，MODINI等[35]监测所得的PM2.5/PM10的比率为23%，本试验所测得的数值远高于该值。可以看出，舍内颗粒物以细颗粒物为主。研究表明，粒径越小的颗粒物对人和动物的危害越大[23]，因此，必须对舍内颗粒物进行控制。

表2 舍外相对于舍内颗粒物浓度比率Tab.2 Ratios of indoor PM concentration to that of outdoor %

试验期间舍外颗粒物PM1/PM2.5、PM1/PM10、PM2.5/PM10的比率如图 5b所示。其平均比率分别为96.1%、57.8%、60.0%，变化范围为93.1%～97.9%、46.8%～71.1%、50.0%～72.6%。可以看出，舍外颗粒物同样以细颗粒物为主，且排出到舍外的颗粒物，粒径越小，在空气中传播的距离越远[36]，越容易对周围居民的健康造成影响。因此，排到舍外的颗粒物必须采取一定的措施进行控制。

通过对舍内、外颗粒物浓度比率的分析，可以得出：舍内、外颗粒物以对人体危害最大的细颗粒物为主。

2.5 舍内、外颗粒物成分分析

试验期间收集舍内地面的颗粒物积尘和舍外监测点附近颗粒物积尘并对其进行成分分析，舍内颗粒物成分分析结果如图6a所示，主要成分为C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe、Cl、Na；舍外颗粒物成分分析结果如图6b所示，主要成为C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe；舍内、外颗粒物各元素含量如表 3所示。分析结果显示，舍内、外颗粒物成分均含有为C、O、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe，舍内颗粒物的主要成分还有Cl、Na，Mg；舍内、外颗粒物各元素的含量不同，舍内C、O、S、Fe元素的含量低于舍外，Al、Si、P、K、Ca元素的含量高于舍外。通过舍内、外颗粒物的成分分析可知，舍内外颗粒物主要成分含量不同，但是各主要元素均存在，因此舍内部分颗粒物通过风机排放到了舍外。

图6 舍内、外颗粒物成分分析Fig.6 Chemical characterization analysis of PM indoor and outdoor

养殖场管理人员每天上午均会对舍内进行清扫，舍内一部分积尘直接被清扫出鸡舍，无法随着风机排出到舍外，因此舍内外颗粒物成分略有区别。LI等[37]的研究也表明了舍内外颗粒物成分及其含量不相同。

3 结论

(1)鸡舍内、外颗粒物浓度随着蛋鸡日龄的增加而升高，随着空气湿度的降低而升高。

(2)鸡舍外颗粒物浓度相对于舍内颗粒物浓度的比率越大，舍内排放到舍外的颗粒物越多，舍内颗粒物排至舍外的最高浓度比率为55.2%。

(3)鸡舍内、外颗粒物以对人体危害最大的细颗粒物为主，且舍外颗粒物很多来自舍内。

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