长三角地区典型季节规模化奶牛场氨排放特征研究

倪远之，徐昶，沈根祥

（上海市环境科学研究院，国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室，国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室，上海 200233）

氨气（NH）作为大气中最主要的碱性气体，是颗粒物形成的重要前体物和灰霾天气形成的重要因素，近年来得到国内学者的广泛关注。农业源（包括畜禽养殖业废弃物分解和种植业土地挥发）是大气氨排放的主要来源，占人为源氨排放总量的70%以上，在一些欧美国家如英国该比例甚至达到了80%，其中近1/3 的氨排放与奶牛养殖密切相关。我国畜禽养殖业氨排放的最主要来源为生猪养殖，这是由我国饮食结构的特异性决定的。然而随着饮食结构的调整，我国人均乳制品消耗量逐年上升，由1990 年的2.0 kg·人·a增加至2017 年的12.5 kg·人·a，但仍远低于日本（46.1 kg·人·a）。在牛肉和乳制品消耗逐年增加、畜禽养殖业集约化转变的时代背景下，可以预见未来规模化牛类特别是奶牛养殖引起的氨排放贡献将持续增大，因此应引起关注。

欧美国家对畜禽养殖业氨气排放特征的研究已相对成熟，WEBB的研究表明，就单位动物而言，奶牛的氨排放强度（29.5 kg·头·a）远高于生猪（15.6 kg·头·a）或家禽类（0.9 kg·只·a），加上奶制品消耗量大，欧美国家奶牛养殖引起的氨排放占据了其整体畜禽养殖业氨排放的最主要部分。相比而言，国内对规模化畜禽场氨排放的研究大多集中于生猪养殖业，而针对规模牛类养殖的研究总体较少。YANG等对京津冀地区两个奶牛场的氨排放进行监测，发现氨排放系数变化范围为44.6～51.0 kg·头·a，年均氨排放系数达到了48.7 kg·头·a。贾树云采用微气象法和模型估算法对河北地区两种管理模式的奶牛场氨排放水平进行估算，发现其氨排放系数分别为12.95～53.77 kg·头·a和15.56～30.64 kg·头·a。美英等对呼和浩特两个奶牛养殖场不同区域的氨浓度水平进行了监测，发现夏季的氨排放总量显著高于冬季。崔利利等对奶牛粪便堆积过程中的氨排放进行研究，发现不同堆高对氨累积排放量的影响差异明显，堆高25 cm 时的氨排放量显著大于50 cm 时的。但总体而言，目前针对规模奶牛场氨排放的研究还较少，且存在以下几方面问题：一是大部分研究仅针对某一环节（主要是棚舍养殖）或某一季节的排放情况进行微观监测，没有考虑到畜禽养殖全过程中各个环节的总体排污情况，以及缺少对各类排放源的细化分类和深入研究；二是较多的实测研究主要集中在我国北方地区等规模化奶牛养殖密度较大的区域，而针对长三角地区规模化奶牛氨排放特征的监测研究相对较少；三是针对规模化牛场氨排放清单的研究大多直接采用国内外已有的经验系数，因此计算获取的大区域尺度的清单结果存在较大的不确定性。

针对以上存在的问题，本研究以长三角地区典型规模化奶牛场为研究对象，通过在线高分辨率监测系统对典型规模化奶牛场的棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存环节进行连续监测，获取不同环节、不同季节的氨排放信息，并计算得到本地化氨排放系数及排放强度，并以此为基础核算了“江浙沪皖”三省一市整体牛类养殖氨气排放量，为长三角地区氨排放清单的制定和农业源氨减排潜力的评估提供理论依据与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点位和监测时间

本研究试验地点位于上海市金山区吕巷镇振华奶牛场。该奶牛场为自繁自养型奶牛场，总占地面积约2 hm，截至2018 年末奶牛存栏量为1 180 头，品种为荷斯坦，平均产奶量为11.3 t·头·a。养殖棚舍为半敞开式结构，地面为混凝土防渗地面，棚舍采用人工清粪的清理方式，棚内粪便经清粪车运送至场内干湿分离处进行干湿分离处理，养殖棚舍内清洗水及奶牛尿液经棚内下水管网流至固液分离处进行分离。分离后的污水经过厌氧发酵后在污水贮存池露天贮存，待农作物施肥季节泵送至周边农田及果园进行还田利用。粪便经堆肥棚堆肥后，其中小部分在该场配套的农田还田利用，大部分另送至外部农田利用。总体而言，该奶牛场棚舍结构、粪污处理过程、生产管理方式等均能代表长三角地区典型规模化奶牛场的养殖模式，具体信息如表1所示。

表1 养殖棚舍、粪便堆肥棚和污水贮存池情况Table 1 Specifications for each monitoring area

分别针对棚舍养殖、粪便堆肥、污水贮存3 大环节开展氨排放监测，选取奶牛场内典型的养殖棚舍和粪便堆肥棚舍各1 间，以及污水贮存池作为试验监测点位。监测时间为2018 年4 月至2019 年2 月，其中，因粪污处理系统及污水贮存池升级改造，污水贮存环节冬季氨排放特征未监测，各环节具体的监测时段及因子如表2所示。

表2 试验期间不同季节的主要气象因子Table 2 Mereological factors in different seasons

1.2 样品采集与分析

1.2.1 在线监测

养殖环节氨排放监测：采用在线电化学传感器对奶牛场棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 大主要环节的气态氨进行连续在线监测，传感器型号为德尔格公司的HC-6809645，量程为0～75 mg·m，精度为0.01 mg·m，数据分辨率最高可达5 s 一组数据。棚舍养殖、粪便堆肥环节的传感器分别设置于棚舍中间离地约3 m 处，污水贮存环节的传感器设置在污水贮存池边缘离地面约1.5 m 处，根据上海市不同季节主导风向变化调整传感器处于污水贮存池下风向位置。在线电化学传感器的数据分辨率设置为每5 s 一组，工控机数据采集系统间隔设置为每5 min 记录一组数据，1 h 共获取12 组数据，剔除因设备校准、断电、特殊天气等影响而产生的异常数据，经处理获得不同环节相应的氨小时浓度均值和日均值水平。

奶牛场背景氨排放监测：利用台湾章嘉公司生产的IGAC 在线气体与气溶胶成分监测仪（In-situ Gas and Aerosol Compositions monitor）监测获取奶牛场背景氨浓度水平。该系统可以连续全自动地监测分析气体与气溶胶中水溶性离子成分。整个系统分为前处理器与离子层析仪两个部分。前处理器由两部分组成：湿式同心圆管溶蚀器（简称2WAD）和气溶胶处理器。离子层析仪即常见的离子色谱，为ICS-3000 型离子色谱，内置两台电导检测器，可同时对阴离子与阳离子进行分析。IGAC 安装在场区的几何中心楼顶位置，西侧是一个密闭的大型牛棚，东侧即草料堆放场。采样头安装在房顶离地面约10 m 处，周边无树木、楼房等阻挡，大气流动畅通，可代表奶牛场区域内的背景氨排放浓度。监测期间按照相关要求定期对设备进行校准维护，剔除相关异常数据后获取相应的背景氨排放浓度水平，数据分辨率为每1 h一组。

采用深圳拓普瑞公司生产的超声波气象五参数仪监测获取试验期间的温度、湿度、风速、风向、大气压等主要气象数据，并通过全球天气精确预报网（www.wunderground.com）获得区域环境气象数据作为比对，确保数据准确可靠。

1.2.2 离线监测

氨排放离线监测采样设备为北京科安劳保生产的QC-2 型大气采样仪，于各环节传感器所在位置同步采集相应的大气氨样品，采样流量为1.0 L·min，吸收液为0.01 mol·L稀HSO，相关分析采用纳氏试剂分光光度法（HJ 533—2009）。试验开展前期，分别在不同环节开展在线传感器和离线监测的对比验证工作，并根据结果对传感器进行调校；试验期间则选取各季节典型天气进行连续3 d 取样分析，用作在线监测数据和离线监测数据的定期比对。将离线采样与在线监测同步获得的氨浓度小时均值数据进行比对分析，两者的结果呈现出良好的相关性，达到0.976 4。同时，在养殖棚舍和粪便堆肥棚的上风向区域定期手工采集背景点和进风口处的氨样品，再结合IGAC 在线气体与气溶胶成分监测仪获取的背景氨浓度，进行排放模型的计算分析。

1.3 数据处理

1.3.1 棚舍内自然通风模式下氨排放通量

春、秋、冬三季自然通风模式下氨排放通量的计算参考纪英杰等的方法，即棚舍内单位时间氨气通气量取决于棚舍内的即时氨气浓度与单位时间的棚舍通风总量。

式中：Q为自然通风条件下每头奶牛每日氨排放通量，g·d·头；G为棚舍内第小时的平均通风速率，kg·s；c为第小时所测得的棚舍内氨体积浓度，%；为舍内奶牛数量，头。

棚舍通风速率计算参照KAVOLĖLIS 等的研究方法，即：

式中：为棚舍通气速率，kg·s；C为棚舍通风口排放系数；为棚舍通风口面积，m；为棚舍内空气密度，kg·m；为重力加速度，m·s；为进、排风口高度差，m；为棚舍内外温度差，℃；为棚舍内热力学温度，K；V为环境风速，m·s；、为棚舍内外的风压系数，=0.7、=-0.3。

1.3.2 棚舍内机械通风模式下氨排放通量

本研究中，夏季奶牛棚舍采用24 h 全天机械通风，共配备20台风机。采用串联模式，每10台风机串联成一排，通风量为20 000 m·h，则机械通风情况下棚舍内总通风量为40 000 m·h。

氨排放通量计算公式为：

式中：Q为机械通风条件下每头奶牛每日氨排放通量，g·d·头；为每小时通风量，=40 000 m·h；C为第小时时棚舍内所测得的氨浓度，mg·m；为棚舍中饲养的奶牛量，头。

1.3.3 堆肥棚氨排放通量

堆肥棚的氨气通气量测定采用MISSELBROOK等的研究方法，即：

1.3.4 污水贮存环节氨排放通量

奶牛场污水贮存池为开阔环境，四周通风，与露天农田氨排放模式相似。因此，本研究采用适用于大田氨排放通量计算的单一高度法，在污水池上方1.5 m 处测得污水贮存环节的氨排放浓度与气象风速。污水贮存环节氨排放通量的计算公式为：

式中：为常数，0.085；为风速，m·s；为1.5 m 处的氨浓度，mg·m；为1.5 m处的背景氨浓度，mg·m。

1.4 长三角地区规模化牛场氨气排放情况

畜禽养殖业氨排放的测算通常使用排放系数法。

式中：E为各市牛养殖氨排放量，t·a；为活动水平，为各地级市或直辖市，A依据2018 年各省、直辖市或地级市发布的统计年鉴中奶牛及肉牛存栏量数据（表3）；为氨排放系数，采用本研究中基于金山奶牛场监测结果所得氨排放系数，t·头·a。部分地区统计年鉴并未将奶牛与肉牛进行细化，或未对规模化与非规模化养殖进行区分，考虑到长三角地区非规模化牛养殖占总体牛养殖比例较小（小于5%），因此本研究中暂不对奶牛与肉牛、规模化与非规模化作进一步区分。

表3 2018年长三角各地级市牛类养殖存栏量（万头）Table 3 Stock numbers of beef cattle and cow for cities in Yangtze River Delta in 2018（104 head）

2 结果与讨论

2.1 不同环节氨浓度季节变化特征

图1为规模化奶牛场不同环节、不同季节氨排放变化趋势及浓度水平。棚舍养殖环节春、夏、秋、冬4个季节氨浓度日均值变化范围分别为1.44～2.93、3.16～4.32、2.13～4.89 mg·m和1.37～1.82 mg·m，氨浓度日均值分别为（2.00±0.43）、（3.52±0.29）、（3.06±0.58）mg·m和（1.54±0.12）mg·m，表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季达到冬季的2.29 倍，该规律与张祎和代小蓉的研究结果一致。研究表明，温度是影响养殖棚舍内氨浓度的主要因素。畜禽排放的氨主要来自于粪便中含氮物质的分解，动物饲料中的蛋白质在动物消化系统中各种酶的分解作用下产生的氨基酸会通过粪便排出体外，夏、秋季较高的温度会提高粪便中的脲酶活性，促进粪便中含氮物质的分解，使得养殖棚舍内氨浓度水平升高；与此同时，温度也会影响畜禽的排泄行为进而间接影响氨排放水平，图1 为本研究观测期间养殖棚舍内温度、相对湿度及风速的变化情况。奶牛场的养殖棚舍为半开放自然通风结构，舍内的气象因子受环境气象条件的影响较大，各季节氨排放日均浓度水平基本与温度呈相同的变化趋势，监测期间春、夏、秋、冬4 个季节的平 均 温 度 分 别 为（23.0±3.3）、（29.8±1.6）、（24.4±2.7）℃和（6.4±1.7）℃，夏季、秋季和春季的温度显著大于冬季，较高的温度是导致这3 个季节氨浓度水平较高的主要原因。此外，研究表明通风量也会对畜禽养殖棚舍内氨浓度产生影响，较大的通风量有利于养殖棚舍内氨的扩散，从而降低了氨浓度水平。刘杨等的研究表明，典型规模化猪场棚舍养殖环节氨浓度的季节变化趋势为冬季＞秋季＞春季＞夏季，这可能是由于夏季猪场的养殖棚舍采用密闭式机械通风和水帘降温模式，棚舍内的通风量（10.73×10m·d）达到其他季节（3.13×10～5.17×10m·d）的2～3 倍，导致棚舍内的氨迅速被带走而呈现较低的水平，与此同时，密闭的棚舍环境也隔绝了外界的高温，使得棚舍内部的温度总体低于外界。而本研究中奶牛场养殖棚舍虽然夏季通风量（9.6×10m·d）与猪场接近，但不同于猪场的封闭式棚舍，奶牛棚舍主要采用通风量更大的半敞开式建筑结构，在夏季高温天气，即使采用了机械通风和喷雾系统结合的加湿降温措施，但由于缺少墙体隔热，棚舍内温度仍较高，从而导致环境中氨气排放始终维持在较高的浓度水平。

图1 不同环节各季节氨排放浓度水平Figure 1 Monitored ammonia concentration ranges in the three sheds in different seasons

粪便堆肥环节春、夏、秋、冬4 个季节的氨浓度日均值变化范围分别为1.44～2.47、2.97～8.38、1.56～5.26 mg·m和0.76～2.86 mg·m，氨 浓 度 日 均 值 分别 为（1.84±0.32）、（5.24±1.32）、（2.41±0.73）mg·m和（1.25±0.40）mg·m，表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季显著高于其他3 个季节，达到冬季的4.19 倍。和养殖棚舍相似，粪便堆肥棚为半开放自然通风结构，氨浓度水平主要受温度、湿度、通风量等因素的综合影响。夏、秋季温度总体较高，微生物活性较高，堆粪周期较短，为20～30 d，粪便中的含氮物质迅速转化并排放到大气中，导致氨挥发速率和浓度水平也较高；而春、冬季温度相对较低，微生物活性也较低，整个堆粪周期总体长于夏、秋季，为50～60 d，氨排放过程总体较为缓慢，因而氨挥发速率和浓度水平较低。除气象因素影响外，粪便堆肥的氨排放水平还受堆肥过程本身的氨排放过程影响。夏季的氨排放监测开始于新鲜粪便堆肥初期，此时氨排放浓度达到（10.5±0.4）mg·m，随着堆肥的进行和粪便的不断腐熟，堆肥末期的氨排放浓度为（5.6±0.9）mg·m，仅为堆肥初期的1/2 左右。此外，堆肥过程中的翻堆活动也对该环节氨挥发有重要影响，在春季监测的第3 天、夏季的第8 天、秋季的第6 天和冬季的第9 天，翻堆作业均造成氨浓度水平大幅上升，较前1 d 分别上升了47.0%、16.6%、133.8%和267.3%。

污水贮存环节春、夏、秋3 个季节的氨浓度日均值变化范围分别为1.76～6.03、2.74～6.24 mg·m和1.48～4.33 mg·m，氨浓度日均值分别为（3.34±1.24）、（4.02±0.93）mg·m和（2.46±0.64）mg·m，表现为夏季＞春季＞秋季。与棚舍养殖和粪便堆肥环节春季氨浓度水平小于秋季的结果不同，污水贮存环节春季的氨排放浓度均值大于秋季。污水贮存池为露天全敞开式结构，氨排放水平受温度、风速的影响较大，但监测表明，春季和秋季的温度分别为（23.0±3.3）℃和（24.4±2.7）℃，风速分别为（4.0±1.1）m·s和（4.0±1.5）m·s，总体较为接近；进一步研究发现，上海地区春季和秋季的主导风向分别为东南风和东北风，污水贮存池位于养殖棚舍和粪便堆肥棚的西北偏西方向，因此在春季东南风向为主导的情况下，养殖棚舍和粪便堆肥棚的氨排放也一定程度影响了下风向的污水贮存点位，这可能是导致该环节春季氨排放浓度水平高于秋季的潜在原因。

从全年范围来看，棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的氨排放浓度水平分别达到了（2.53±0.88）、（2.68±1.72）mg·m和（2.44±1.73）mg·m，粪便堆肥环节的氨排放浓度水平最高，其次是棚舍养殖和污水贮存环节。需要说明的是，污水贮存环节由于贮存池工程改造，冬季的监测数据缺失，由于冬季温度整体较低，氨排放浓度水平相对较低，因此该环节全年的氨排放浓度水平可能存在一定的高估。

1.3.4 情感支持疗法 该疗法要求医护人员多和患者交流，耐心倾听患者的倾诉，给予患者情感上的支持，树立其与疾病斗争的信念，同时对患者进行适当的疼痛宣教，均能够使患者焦虑情绪减轻，最终达到治疗疼痛的目的［13］。

2.2 不同环节氨浓度日小时变化特征

图2至图4 为规模化奶牛场不同环节、不同季节氨排放日小时变化趋势及浓度水平。养殖棚舍氨浓度日小时变化与日气温变化基本呈一致的变化趋势，在温度较高的春、夏和秋3 个季节，棚舍内的氨浓度从上午8：00 起开始逐渐上升，下午14：00—16：00 时达到最大值，分别达到了（2.63±0.55）、（4.65±0.51）mg·m和（4.13±0.59）mg·m，之后开始逐渐下降，总体呈现出白天高、夜间低的特征。而冬季典型日内氨浓度小时变化则较为平稳，总体氨排放水平较低，最大值出现在上午07：00—08：00，仅为（1.69±0.32）mg·m，这可能是因为冬季对棚舍四周采取了覆盖保温的措施，从而导致冬季棚舍内的温度受外界气温影响较小，氨浓度与气温相关度较低。除日温度变化趋势影响外，养殖棚舍内奶牛的日常活动也会对氨浓度日变化产生较大影响。凌晨和午夜奶牛的活动量较少，新陈代谢较低，与此同时较低的温度也导致粪便排放速率低于粪便结块速率，从而影响了夜间氨的排放水平。此外，清粪管理等活动对养殖棚舍内氨浓度日小时变化也有重要的影响。如图2 所示，不同季节8：00—10：00 氨浓度均出现一个峰值，这主要与该时段养殖棚舍内的清粪活动有关。在清粪过程中刮粪板对粪便不断搅动，破坏了粪便表皮，使内部粪便暴露出来，处于自然发酵状态下的粪便中的氨逸散到空气中，导致粪便中的氨挥发速率加快，使得舍内氨浓度在较短时间内迅速积累而不断增大。随着清粪活动结束，舍内粪便量减少，氨挥发速率下降，使得舍内氨浓度又出现一个短暂的下降过程。之后随着奶牛进食、排泄等日常活动，新鲜粪便持续的加入，以及白天温度的持续上升，导致舍内氨浓度又再次上升[36]。

图2 棚舍养殖环节氨排放小时变化Figure 2 Hourly changes of ammonia concentration in monitored animal shed

粪便堆肥环节的氨浓度日小时变化趋势如图3所示，与棚舍养殖环节相似，该环节同样呈现出白天高、夜间低的变化趋势，与日间的气温变化趋势同步。每日峰值基本出现在16：00—19：00 之间，春、夏、秋、冬4 个季节每日氨浓度最高值分别为（2.47±0.87）、（4.09±1.19）、（2.92±2.04）mg·m和（1.35±0.45）mg·m。在氨排放水平较高的春季、夏季和秋季，氨浓度受气温的日变化趋势影响较为显著，但在冬季的变化趋势则较为平稳。夏、秋两个季节的温度总体较高，粪便堆肥周期相对较短，基本在20～30 d之间，粪便中的氨排放转化效率较高，导致该环节的氨浓度水平也较高；而在春、冬季，环境温度日内波动范围较小，总体处于较低水平，堆粪棚内堆体自身产热使堆体在24 h内的温度较为稳定，粪便堆肥周期也相对较长，达到了50～60 d，氨的转化排放过程总体也较为缓慢，因此氨日小时浓度变化较其他季节相比更为稳定。

图3 粪便堆肥环节氨排放小时变化Figure 3 Hourly changes of ammonia concentration in monitored composting shed

污水贮存环节的氨浓度日小时变化趋势如图4所示，与棚舍养殖环节和粪便堆肥环节不同，污水贮存环节的氨排放趋势主要受奶牛场生产作业管理活动影响。在所监测的春、夏、秋3 个季节中，每日氨浓度在污水输送和粪尿分离作业时段（上午6：00—8：00 与下午17：00—19：00）较高，其他时段则较为平稳，日最高值的出现均在每日17：00—19：00 之间，春、夏、秋3 个季节分别为（4.57±3.35）、（5.71±2.44）mg·m和（4.12±1.75）mg·m。与其他环节稍有不同的是，污水贮存环节日均氨浓度值波动幅度较大，尤其是春、夏两季，最高浓度和最低浓度的比值分别达到了3.45和2.13，这可能与污水贮存池每日均有污水注入有关。当污水被泵入贮存池时，局部受到搅动，促进了氨气的液气传质，使得氨浓度监测值呈现较大的波动。由于冬季场内对粪污处理系统进行升级改造，本研究未对污水贮存环节冬季的氨浓度进行监测。基于前期相关畜禽养殖场各环节氨排放的研究结果，可以预测在其他管理模式没有重大变更的情况下，由于冬季气温低，微生物活动受抑制，污水贮存环节氨排放浓度水平较春、夏、秋3季低。

图4 污水贮存环节氨排放小时变化Figure 4 Hourly changes of ammonia concentration in monitored sewage storage tank area

2.3 氨排放影响因素

研究表明，畜禽养殖场内的氨排放浓度是多因素综合作用的结果，如棚舍结构、地面类型、清粪频率、通风模式和气象条件等均会影响畜禽养殖场氨的产生。本研究重点探讨了温度、相对湿度、风速和大气压强等主要气象因子对奶牛场关键环节中氨浓度的影响，相关关系如表4 所示。结果表明，棚舍养殖、粪便堆肥、污水贮存3 个环节的氨浓度水平与温度均呈极显著的正相关关系（＜0.01），相关系数分别达到了0.914、0.817 和0.942，表明温度是影响奶牛养殖不同环节氨排放的主要气象因素。畜禽排放的氨主要来自于粪便中含氮物质的分解，较高的温度会提高粪便中的脲酶活性，促进粪便中含氮物质的分解，使得氨浓度水平升高。具体来看，污水贮存环节氨浓度与温度的相关性最高，其次是棚舍养殖环节，粪便堆肥环节与温度的相关性相对较低。本研究中奶牛场的污水贮存池为露天全敞开结构，受环境温度的直接影响相对较大，而养殖棚舍和堆肥棚舍为半敞开式结构，棚舍内部与外部环境存在一定的温差，因此与污水贮存环节相比受外界温度的影响相对较小，这可能是造成其与温度的相关性略差于污水贮存环节的重要原因。除此之外，粪便堆肥环节的氨排放除受环境温度变化的影响外，还受到堆肥进程特别是堆体自身产热过程对氨排放的影响，因此其与温度的相关关系在3个环节中相对较差。

表4 棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存环节氨浓度与主要气象因子的相关系数Table 4 Correlation between ammonia concentration in shed housing，manure composting and sewage storage with meteorologic factors

棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的氨浓度水平与风速均呈显著的负相关关系，相关系数分别达到了-0.686（＜0.01）、-0.533（＜0.05）和-0.695（＜0.01）。通常风速主要会影响气态污染物的扩散水平，进而影响其浓度水平，在奶牛养殖不同环节中，较大的风速稀释或带走了较高浓度的气态氨而降低了其浓度水平，从而与氨浓度水平呈显著的负相关关系。具体来看，污水贮存环节氨浓度与风速的负相关关系最高，其次是棚舍养殖环节，粪便堆肥环节与风速的负相关性相对较低。与温度对氨排放的影响相似，污水贮存池为露天全敞开结构，环境风速对氨浓度的直接影响相对较大，因此相关性也相对最高；而养殖棚舍和堆粪棚舍为半敞开式结构，氨排放过程受风速的影响相对污水贮存环节小，相关性也相对较差。需要说明的是，本研究中养殖棚舍为首尾侧面均通风的半敞开式结构，而粪便堆肥棚为长条式的首尾通风半敞开式结构，后者的通风条件和通风量总体低于前者，这也可能是造成粪便堆肥环节风速与氨浓度的相关性低于其他两个环节的重要原因。

除此之外，研究发现大气压强与棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3个环节的氨浓度水平均呈极显著的负相关关系（＜0.01），相关系数分别达到了-0.827、-0.822 和-0.900。大气压强通常呈明显的季节变化趋势，本研究监测时段春、夏、秋、冬4 个季节的大气压强平均水平分别达到了（101.0±0.5）、（100.4±0.4）、（101.5±0.3）kPa 和（102.7±0.4）kPa，相关性分析表明，研究期间的大气压强与大气温度变化呈极显著负相关关系，达到了0.894（＜0.01），由上文可知，氨浓度水平主要受温度变化的影响，二者呈极显著的正相关关系，因此氨浓度总体上也与大气压强呈显著的负相关关系。

相比温度、风速和大气压强，相对湿度与棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的氨浓度水平相关性总体均较差，这可能与不同季节、不同环节相对湿度与氨浓度的相关性差异较大有关。在春季，棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的氨浓度水平与相对湿度总体呈一定的负相关关系，分别达到了0.140、0.201和0.132，一方面，较高的湿度容易吸收去除空气中的气态氨，降低氨浓度水平，另一方面，较高的湿度通常出现在降水等天气，温度相对较低，这也不利于氨的排放。而在夏季，棚舍养殖环节采用的机械通风和喷雾系统结合的加湿降温措施，使得养殖棚舍内部的相对湿度总体大于其他季节，其氨排放浓度的负相关系数总体高于其他3 个季节。值得注意的是，春、夏和冬季的相对湿度均与氨浓度水平呈一定的负相关关系，而秋季的相对湿度则与棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的氨浓度水平呈正相关关系，分别达到了0.612、0.340 和0.409，这也表明秋季相对湿度对各环节氨排放水平的影响不同。研究发现，监测期间春、夏、冬3 个季节的相对湿度水平分别为（73.7±13.1）%、（75.9±7.5）%和（73.9±13.2）%，而在秋季的相对湿度水平为（69.1±10.9）%，低于其他3 个季节，较低的相对湿度条件下，空气中的水汽含量相对减少，从而导致其对氨浓度水平的影响减弱，温度等其他因子的影响比重增加，这可能是造成该季节相对湿度与氨浓度水平呈正相关的重要原因。

2.4 不同环节、不同季节氨排放系数

表5为规模化奶牛场棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 大环节不同季节的氨排放系数水平。棚舍养殖环节春、夏、秋、冬4 个季节的氨排放系数分别为（12.61±5.52）、（17.17±1.40）、（13.40±3.24）、（6.13±2.19）kg·头·a，夏季氨排放系数最大，是冬季的近3倍，全年氨排放系数为（13.14±5.17）kg·头·a。粪便堆肥环节春、夏、秋、冬4 个季节的氨排放系数分别为（4.64±1.93）、（13.23±3.77）、（4.20±1.49）、（3.68±1.40）kg·头·a，与棚舍养殖环节相似，夏季氨排放系数最高，达到了冬季的4 倍左右。污水贮存环节春、夏、秋、冬4 个季节的氨排放系数分别为（8.58±5.08）、（12.18±4.12）、（7.36±2.28）、3.33 kg·头·a，全年氨排放系数为（9.72±4.47）kg·头·a。需要说明的是，冬季奶牛场污水贮存池进行改造升级，未能获得该环节氨浓度数据，其排放系数基于监测秋冬季棚舍内和污水贮存池氨气浓度比例关系估算获得。从排放环节来看，全年范围内棚舍养殖的氨排放系数最高，污水贮存环节其次，粪便堆肥氨排放系数最低；从季节变化来看，氨排放系数的季节变化趋势总体与温度变化趋势较为一致，再次证明温度是影响各环节氨浓度水平与氨排放系数的首要气象因素。

表5 规模化奶牛场关键环节四季平均氨排放系数（kg·头-1·a-1）Table 5 Hourly average emission factor of each season for large-scale dairy farm of each stage（kg·head-1·a-1）

目前国内学者对我国各地区人为源氨排放清单的编制主要是采纳《大气氨源排放清单编制技术指南》中所提供的排放系数法，结合气温校正因子，从而估算各地区人为源氨气排放情况，对于规模化奶牛养殖的氨排放过程，其排放因子的选取范围基本在21.76～37.61 kg·头·a之间，而针对奶牛或其他畜禽养殖业的氨排放实测和本地化系数的研究工作总体相对较少。贾树云采用微气象法和模型估算法获取了河北地区两种管理模式的奶牛场氨排放系数水平，分别为12.95～53.77 kg·头·a和15.56～30.64 kg·头·a，与本研究的结果（30.57 kg·头·a）基本一致。YANG 等对京津冀地区两个奶牛场的氨排放进行监测，发现氨排放系数变化范围为44.6～51.0 kg·头·a，年均氨排放系数达到了48.7 kg·头·a，京津冀区域的年均温度总体低于长三角地区，但氨排放系数却大于本研究中获得的结果，原因主要有以下两方面：一方面，两个研究中的奶牛生产管理模式存在一定的差异，YANG 等的研究中奶牛场清粪频率为1～2 周1 次，较低的清粪频率使得粪污停留时间较长，更利于氨的排放，而本研究中的清粪频率为1 d 2～3 次，较高的清粪频率减少了粪污暴露环节的时长，进而减少了氨的排放，这可能是本研究中氨排放系数相对较低的重要原因；另一方面，YANG 等采用的是开路式激光光谱监测技术结合模型反演，而本研究采用的是电化学传感器监测技术，两种不同的监测技术和估算模型可能也是造成氨排放系数差异的重要原因。与国外的研究结果比较发现，MISSELBROOK 等的研究结果表明，英国奶牛场养殖棚舍和采奶棚中氨整体排放系数为4.9 kg·头·a，远低于本研究和国内其他研究的结果。一方面，国外奶牛场的管理模式与管理水平与国内存在一定的差异，另一方面，英国全年平均气温仅为12 ℃，而上海全年平均气温在21 ℃左右，两地的气候条件差异可能也是引起奶牛场氨排放系数差异较大的重要原因。这也再度表明温度是影响畜禽养殖氨排放强度的主要影响因子，粪尿中氨气挥发量随着温度升高而增加，当环境温度从4 ℃增加到20 ℃时，氨气的挥发量可提高3.6～5.8 倍。已往研究表明，欧美发达国家由于饲料中含氮量更高，导致其畜禽养殖业氨排放强度大于发展中国家，但从本研究的结果看，部分东南亚国家受限于经济成本，虽然含氮饲料投入量较低，但较高的气温等气象因素仍可能导致较高的氨排放水平。此外，将本研究奶牛场氨排放系数与上海地区其他畜禽类型进行比较，纪英杰等监测获取了上海地区规模化猪场的氨排放系数，夏季棚舍、夏季堆肥、秋季棚舍和秋季堆肥的氨排放系数分别为3.68、2.72、1.05 kg·头·a和0.87 kg·头·a，均明显低于本研究相同季节奶牛氨排放系数，这也表明相对于其他主要畜禽类型，奶牛养殖的氨排放系数水平总体较高，因此不容忽视。

2.5 长三角地区奶牛及肉牛养殖氨排放时空分布特征

2.5.1 氨排放总量及排放强度

基于本研究监测获得本地化排放系数，结合长三角地区（安徽省、江苏省、浙江省和上海市）各省市统计年鉴中奶牛与肉牛存栏量，建立了长三角地区规模化奶牛及肉牛养殖氨排放清单，如图5所示。2018年长三角地区奶牛和肉牛养殖排放总量约为3.39 万t·a，排放量由高到低依次为安徽省（2.17 万t·a）、江苏省（0.73 万t·a）、浙江省（0.34 万t·a）、上海市（0.15 万t·a）。从空间分布来看，氨排放主要集中在安徽省中北部和江苏省北部区域，主要由于这些地区集约化畜禽养殖规模较大，奶牛与肉牛存栏量远高于其他地区，这是造成氨排放强度远高于其他地区的重要原因，需要引起重视。从季节分布看，夏季氨排放总量和强度最高，达到了1.36 万t 和151 t·d，春季、秋季氨排放总量和强度接近，分别为8 230、7 950 t和91、88 t·d，相比而言，冬季的氨排放总量和强度最低，为4 190 t和47 t·d，仅为夏季的1/3左右。

图5 长三角地区规模化奶牛与肉牛养殖业氨挥发强度图Figure 5 Ammonia emission rates from large-scale dairy and beef production industry in Yangtze River Delta

2.5.2 排放清单比较

表6为长三角地区不同研究中畜禽养殖氨排放清单结果，由于所在的年份、采用的活动水平（畜禽存/出栏量）数据、排放因子不同，使研究结果间存在一定差异，但总体可以发现，在安徽省、江苏省和浙江省，规模化牛场氨排放总量占全部畜禽养殖氨排放量的比例相对较低，为3%～8%，这可能与这些地区生猪、蛋禽和肉禽等其他畜禽类型的养殖规模整体较高有关。相对而言，2018 年上海市规模化牛场（以奶牛养殖为主）占全市畜禽养殖业氨排放的比例高于江、浙、皖三省，约为12%，且该比例高于2004 年的4%和2011 年的8%，这也进一步说明了虽然生猪养殖的活动水平较大，导致的氨排放总量大于奶牛及肉牛养殖，但规模化牛场的氨排放系数及强度总体大于生猪养殖过程，未来随着社会经济不断发展，在居民奶制品和牛肉消耗逐渐增长的情境下，奶牛及肉牛养殖所引起的氨排放将持续增加，因此不容忽视。近20 年来，我国东部地区整体经济水平显著提高，氮素投入不足而导致的农业生产力低下的时代早已过去。相反，氮素过多和不适当投入所引起的环境问题才是制约目前我国农业可持续发展的关键。因此，亟需针对奶牛与肉牛养殖中氨挥发各关键环节，形成规模化养殖业全链条氨挥发减排技术体系，在保证乳制品产量、肉品供应和动物福利不受影响的情况下，优化养殖业饲料组成、提高氮营养素利用率；优化棚舍粪尿管理技术；形成末端粪污资源化高效利用体系，减少粪污处理、储存及还田过程中的氨挥发，这对于我国人为源大气氨减排、生态环境可持续发展也具有重要意义。

表6 基于文献调研的长三角地区氨排放清单结果对比Table 6 Comparison of ammonia emission inventory in Yangtze River Delta based on literatures investigation

3 结论

（1）规模化奶牛场棚舍养殖、粪便堆肥和污水贮存3 个环节的年均氨排放浓度分别为（2.53±0.88）、（2.68±1.72）mg·m和（2.44±1.73）mg·m，氨浓度季节变化趋势总体表现为夏季＞秋季＞春季＞冬季，夏季达到冬季的2.3～4.2 倍。各环节氨排放日小时变化存在明显差异，主要受日温度变化、畜禽活动和清粪管理等因素影响。

（2）基于在线观测获取的养殖棚舍、粪便堆肥和污水贮存3 个环节全年氨排放系数分别为（13.14±5.17）、（7.71±5.17）kg·头·a和（9.72±4.47）kg·头·a，全年合计氨排放系数为30.57 kg·头·a，该结果与国内相关的研究总体接近，却远高于国外的排放系数，表明国内奶牛养殖的氨排放贡献仍不容忽视。

（3）根据本地实测氨排放系数，建立了长三角地区规模化肉牛及奶牛养殖氨排放清单。2018 年长三角地区规模化牛场氨排放总量为3.39 万t·a。氨排放主要集中在安徽省中北部和江苏省北部等集约化畜禽养殖规模较大的地区。夏季氨排放总量和强度最高，是冬季的3倍多。

（4）通过梳理长三角地区不同研究中畜禽养殖氨排放清单的结果表明，规模化牛场养殖贡献的氨排放占全部畜禽养殖业氨排放的3%～12%。由于规模化牛场的氨排放系数及强度总体大于生猪养殖过程，未来随着社会经济不断发展，在居民奶制品和牛肉消耗逐渐增长的情境下，奶牛及肉牛养殖所引起的氨排放将持续增加，其影响不容忽视。