半开放式猪舍内不同饲养阶段空气颗粒物的质量浓度分布及其影响因素研究

2019-11-16郭子立郝晓霞宋威臻胡红文莲白

中国猪业 2019年7期

郭子立郝晓霞宋威臻胡红文白莲白林*

（1四川农业大学动物科技学院，四川成都 611130；2四川省内江市农业科学院，四川内江 641000）

近年来，我国养殖业迅速发展，一些养殖场在养殖过程中会向周围环境中释放大量的颗粒污染物[1]，空气中的颗粒物会与水分子、微生物、气体等相结合形成相对稳定的胶体粒子[2-4]，从而对动物健康造成威胁。在秋冬季节，动物肺部易燥，且猪舍密闭保温、通风不良，会导致舍内空气质量下降，猪舍内如果颗粒物含量过高，猪只长期受颗粒物刺激易患支气管炎、气管炎和肺炎。生长育肥猪发生呼吸道疾病后，会出现精神沉郁、咳嗽、打喷嚏、腹式呼吸、呼吸困难、成为“掉队猪（僵猪）”等情况[5]。猪如果出现呼吸道综合征后，机体免疫力下降，更容易感染其他病原菌而致病，最终导致生猪生长速度缓慢、饲料报酬下降、出栏时间推迟等[6]。

针对空气中颗粒物对畜禽的危害，Bakutis等[7]将颗粒物作为畜禽舍中的空气污染物进行了研究，Visser等[8]对隧道通风式鸡舍内外空气中的颗粒物质量浓度进行检测，猪舍和牛舍内空气中颗粒物的分布，及其舍外传播扩散规律也被陆续报道[9-13]。Kim[14]采用空气过滤器有效降低了猪场空气中的颗粒物和生物成分。国内的相关研究主要集中在畜禽舍内微生物气溶胶以及向大气环境扩散特征和潜在的生物安全风险[15-18]等方面，吴胜[19]和陈晓亮[20]等研究了规模化猪场内总悬浮颗粒物（TSP）的舍内分布规律，汪开英等[21]对保育猪舍内颗粒物随空气条件的变化做了CFD模拟研究，闫怀峰[22]和王树华等[23]研究了空气电净化自动防疫系统和空气智能净化系统对降低舍内粉尘的作用。有关畜舍内的PM2.5（粒径≤2.5μm的颗粒物）、PM10（粒径≤10μm的颗粒物）和TSP（粒径≤100μm的颗粒物）质量浓度的报道均只在育肥猪舍内进行过检测[12,25]。陈峰等[26]研究的蛋鸡舍颗粒物浓度的结果表明，颗粒物质量浓度还与畜禽种类、通风、昼夜、季节变化和饲养条件等因素有关。不同养殖阶段猪舍空气中颗粒物质量浓度的变化尚缺乏详细的研究，引起总颗粒物变动的粒径主体也并不明确。

因此，本研究以四川地区某猪场为研究对象，针对该猪场不同养殖阶段猪舍内空气中的颗粒物含量进行检测，考察养殖类型、饲喂行为、通风条件和季节等因素对猪舍中PM2.5、PM10和TSP的影响，以期为规模化养殖场空气质量控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验猪舍

试验在四川农业大学雅安试验基地的猪场进行，猪场布局见图1。猪场内设有饲料间、妊娠舍、哺乳舍、保育舍、育肥舍，还有较大面积的菜地。试验猪场全场采用人工饲喂，饲料均为学校食堂剩饭剩菜经过发酵后混合制成的颗粒饲料，鸭嘴式自动饮水器饮水。畜舍均为半开放式双坡有窗结构，采用自然通风，玻璃窗安装在两侧墙壁。猪舍檐高3 m，跨度10 m，长度各不相同（见表1），舍内走道依畜舍结构也不相同，保育舍和哺乳舍均被分割为7个小单元舍。猪舍地面为全漏缝地板，水泡粪方式清粪，所有粪污均被集中于地下沼气发酵设施中统一处理。各舍内猪只数量不等，试验期间舍内均有空余圏栏。

表1 试验猪舍基本情况

1.2 试验材料

颗粒物便携式采样器（型号为MiniVol，美国AiaMetrics公司）；玻璃纤维滤膜（英国Whatman公司）；电子分析天平（BSA124S Sartorius）；干燥器、硅胶、凡士林、滤纸、镊子、气压计、温湿度计等（万科公司）。

1.3 测点布置

颗粒物采样点的布置见图1中星型图标所示。妊娠舍和育肥舍内的颗粒物监测点位于猪舍走道中部，保育舍和哺乳舍均是由7个小单元舍构成，采样时选择位于较中间的小单元，采样点布于单元内的走廊中间位置。所有采样点均距离舍内地面1.5 m，PM2.5、PM10和TSP切割头的高度相同。

1.4 监测指标

试验时间为2017年6—9月份和2017年11月至2018年1月。试验监测指标为猪舍中的PM2.5、PM10和TSP质量浓度。每栋猪舍的不同指标连续测量3 d，每天采样 4 次，每次 2 h，分别在 5：00—7：00、9：00—11：00、12：00—14：00、16：00—18：00 进行采样，采样的同时监测猪舍内的温度、湿度、大气压强，以免舍内温湿环境出现巨大变化对试验结果造成影响。分别在妊娠舍、哺乳舍、保育舍、育肥舍内监测颗粒物质量浓度，并关注畜舍的喂料时间，于饲喂前后检测颗粒物质量浓度变化。夏季人为设置风机，观测不同通风情况对颗粒物质量浓度的影响。分别于夏季和冬季进行监测，记录颗粒物质量浓度随季节变化的情况。

图1 猪场布局图

采用便携式颗粒物采样器进行自动采样，方法如下。

①将收集颗粒物的滤纸在干燥器中干燥24 h，然后称干燥后的滤纸重，计为m1（mg）；

②在猪舍中心位置放颗粒物采样器，将采样器安装固定好，并置于相对安全的位置，防止猪将设备弄坏；将干燥后已称重的滤纸放置在颗粒物采样器中承接灰尘的滤网一面，设置采集颗粒物时段，设定好采集时段及空气流速后开始采集颗粒物；采集颗粒物后，将滤纸从采样器中取出，放入干燥器中干燥24 h，干燥后称含颗粒物的滤纸重，计为m2；

③在采集颗粒物的时段内，通过观察压力计进行读数，测定猪舍的气压（mmHg）并记录；读取温湿度计上的温度和湿度数据，并记录。

采用TSP与PM10的差值和PM10与PM2.5的差值分别计算出PM10～100（空气动力学粒径在10～100μm之间的颗粒物）和PM2.5～10（空气动力学粒径在2.5～10μm之间的颗粒物）的浓度。

1.5 数据的统计学分析

颗粒物质量浓度的计算公式如下：

其中，m1和m2分别为采样前后滤纸的重量（mg）；v为采样器上转子流量计显示的流量（L/min）；P0为标准状态下的气压（mmHg），T0为标准状态下的温度（℃）；P为试验状态下的气压（mmHg），T为试验状态下的温度（℃）。

数据结果以平均数±标准差表示，采用SPSS 20.0进行数据统计分析，组间比较采用Duncan法，＞0.05为差异不显著，＜0.05为差异显著，＜0.01为极显著。

2 结果与分析

2.1 不同猪舍内的颗粒物分布

对不同养殖阶段猪舍（育肥舍、保育舍、哺乳舍和妊娠舍）内的PM2.5、PM10和TSP质量浓度进行测定，因笔者前期研究发现夏季畜舍内PM2.5的含量较低，能检测到的概率很小，因此未进行夏季畜舍内颗粒物质量浓度的检测。只对冬季不同养殖阶段猪舍内颗粒物的质量浓度进行了检测，以每日颗粒物质量浓度较高的时间段（12—14时）比较不同猪舍间颗粒物质量浓度，结果见图2。

由图2可知，冬季保育舍内PM2.5、PM10、TSP含量分别高达 0.86 mg/m3、0.91 mg/m3、1.30 mg/m3，显著（＜0.05）高于育肥舍、哺乳舍和妊娠舍，哺乳舍与妊娠舍颗粒物含量最低，PM2.5、PM10、TSP的含量分别为0.3 mg/m3、0.6 mg/m3、0.8 mg/m3，育肥舍颗粒物质量浓度居中。针对猪舍内颗粒物含量的研究多集中于育肥舍和保育舍，许稳[27]等发现冬季育肥舍内的PM2.5、PM10、TSP 的含量（0.4 mg/m3、0.88 mg/m3、2.39 mg/m3）显著高于保育舍，与本研究所得的结果有差异。本研究中，保育舍和育肥舍的建筑面积相似，但是建筑结构截然不同，保育舍的小单间结构缩小了空气采样时的空间。由表1可知，保育舍内的仔猪饲养密度约为试验育肥舍的2.3倍，且试验时观察到仔猪活动量大，饲喂时争食抢食严重，自由采食时造成的浪费大，导致保育舍空气中颗粒物的含量高。参考我国空气环境质量二级标准 GB 3095—2012（TSP：300 μg/m3；PM10：150μg/m3；PM2.5：75μg/m3）发现，畜舍内的颗粒物含量均严重超标，采取提高空气质量的措施迫在眉睫。

图2 冬季不同猪舍内的颗粒物质量浓度

在不同猪舍内，PM10占TSP的比例分别为育肥舍93.0%、保育舍70.0%、哺乳舍75.0%和妊娠舍75.0%，可见猪舍内颗粒物污染以PM10为主。进一步细分颗粒物粒径发现，在育肥舍和哺乳舍内颗粒物质量浓度均表现出PM2.5/TSP（49.90%，66.15%）＞PM2.5-10/TSP（43.10%，3.85%），因此可以认为在育肥舍和哺乳舍内PM2.5是导致猪舍内颗粒物浓度升高的主要原因。PM2.5由于粒径很小而很容易积存到动物肺中，给动物健康带来极大威胁[28]。哺乳舍与保育舍的建筑结构相似，但是哺乳舍小单间内猪群密度较小（表1），而且母猪与初生仔猪的活动量相对较小，一个母猪配备一个食槽不会造成饲料的争抢与浪费，因此舍内颗粒物含量较低。妊娠舍为大圈饲养，空间大，空气流通较快，饲料主要是豆渣麦麸潲水，无粉质饲料，散逸到空气中的饲料颗粒较少。

2.2 人工饲喂对颗粒物质量浓度的影响

以夏季自然通风条件下哺乳舍内总颗粒物含量为检测对象，研究人工饲喂对颗粒物质量浓度的影响，白天的波动曲线见图3。哺乳舍内人工饲喂的时间分别为8：00、11：30 和 18：30。

图3 夏季不同时段哺乳舍内颗粒物质量浓度

由图3可知，人工饲喂导致舍内总颗粒物和PM10含量显著（＜0.01）增加。早上8：00饲喂前后2个时段内测量的颗粒物含量均为0.29 mg/m3，饲喂前后颗粒物含量无明显差异；11：30饲喂后测得的颗粒物含量为0.58 mg/m3，较饲喂前颗粒物含量显著增加，下午时段颗粒物含量为0.29 mg/m3，降至饲喂前平均水平。PM10的变化也遵循相似的规律，11：30饲喂后于12：00—14：00的检测值约为饲喂前的2.9倍。而PM10在TSP中的占比在一天内呈上升趋势，在饲喂前均维持在50%左右，饲喂后即升高到76%，晚上即上升到90%。

早上8：00饲喂，哺乳舍仔猪多处于睡眠状态，活动量较小，颗粒物含量无显著差异，而13：30的人工饲喂后，舍内颗粒物质量浓度增加，其主要原因是人工饲喂增加了动物的活动量，促进颗粒物进入到空气中再逸散传播，而动物活动已经被确定为舍内颗粒物的重要来源之一[25]，因此可以认为人工饲喂会使舍内颗粒物质量浓度增加。此外，由PM10/TSP比例可得出，饲喂活动使动物PM10的占比升高，采食活动主要导致了空气中PM10含量的显著升高，进而提高了空气中颗粒物含量。对应的下午16：00—18：00时，PM10的降低只是TSP降低的部分原因，粒径在10～100μm之间的颗粒物质量浓度降低是TSP降低的主要原因，从而使PM10/TSP比例高达90%。

2.3 通风情况对颗粒物质量浓度的影响

以保育舍为检测对象研究通风情况对颗粒物质量浓度的影响，畜舍舍内没有机械通风设备，均采用自然通风，本研究采用人为架设风扇，夏季在保育舍内避开试验动物，对着窗户进行强制通风。

图4 夏季保育舍不同通风条件下的颗粒物质量浓度

保育舍内所测得12：00—14：00时段的PM10和总颗粒物TSP的含量如图4所示，由此可知，机械通风对降低舍内颗粒物含量有巨大的作用。舍内只进行自然通风时PM10和TSP的含量为别为0.30 mg/m3和0.32mg/m3，使用机械通风时舍内PM10与TSP都降为0.16 mg/m3，明显低于自然通风时舍内的颗粒物含量（＜0.05）。猪舍内仅使用自然通风时，因为自然通风的通风口有限，通风效率低，导致舍内空气流通缓慢，无法排除舍内颗粒物含量较高的空气，而使用机械通风可以增加舍内通风速率，从而降低舍内空气中的颗粒物含量[29]。2种通风条件下，PM10占TSP的比例分别为93%和99%，说明夏季保育舍内空气中的颗粒物污染以PM10为主，通风可去除绝大部分粒径小于10μm的颗粒物，而且通风条件对PM10/TSP的影响不大。