空间电场对冬春季畜舍温室气体的净化效果

郭 娜，于志慧，唐家琦，王成杰

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010011）

我国北方地区冬春季气候寒冷，在冬春季节圈舍饲养家畜是我国北方草地畜牧业普遍采用的生产方式，是防止草原退化、保护草原生态环境和实现草地畜牧业可持续发展的重要措施［1］。在冬春季舍饲家畜时，环境卫生控制不好，会产生大量有毒有害气体、粉尘和有害微生物，单独或综合对家畜机体产生作用和影响［2］。如果有害的因素超过家畜机体所能忍受的限度，则会导致家畜机能失调，引发疾病甚至死亡，因此，科学有效地控制并保持家畜圈舍良好的环境卫生是保持家畜健康、预防疾病、提高生产性能和降低饲养成本的有力保障。

通风是减少畜舍内有毒有害气体、粉尘和有害微生物的主要方法。但在北方寒冷的季节，牧民为了保持畜舍的温度会尽可能减少通风，从而导致畜舍内有害物的浓度严重超标。空间电场是一种家畜圈舍空气电净化防疫技术和粪道等离子除臭灭菌技术的有机结合，应用于畜禽圈舍，可以起到净化空气的作用［3-4］。在畜舍内建立一个静电场（空间电场），可有效除尘、除臭、净化空气、灭菌消毒、防病、防疫和促进钙质吸收［4］。等离子体具有强氧化性，可以有效分解氨气并杀灭细菌，缓解畜舍内臭气污染，对家畜疾病进行预防和控制。这种自动防疫系统多应用于规模化养猪场和养鸡场中，并取得良好的效果。该试验将空间电场技术应用于内蒙古乌兰察布市四子王旗查干补力格苏木一牧户的羊圈中，研究空间电场对冬春季畜舍温室气体的净化效果，以期为该技术的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于内蒙古乌兰察布市四子王旗查干补力格苏木王府一队，羊圈四周建设结构为1.5 m高的混凝土围墙，上面架设透明采光板，建设结构为拱形。圈舍长28 m、宽16 m、高4 m（见图1），试验期间容纳绵羊220只，饲养方式为人工定时饲喂，每日上午、下午各投料1次，投料之后在水槽中放水，畜舍内的羊群可自由饮水，每周进行人工清粪。

图1 畜舍剖面与实景图

1.2 空间电场布设与工作方式

1.2.1 试验设备

试验选用3DDF-450型空间电场（大连亿佳田园环境科技有限公司产品），该设备也称空气电净化自动防疫系统，工作原理是在畜舍内建立一个静电场，以除尘、除臭、净化空气和灭菌消毒、防病防疫。选用AS108A温湿度仪（山东仁科测控技术有限公司产品）连续自动测定舍内外温度和湿度，该仪器温度精度为±0.1℃，相对湿度精度为±1.5%，在-40～80℃可以连续监测。

1.2.2 设备布设

在畜舍内布置2列空间电场的阻燃塑料绝缘子（空间电场发生器），每列7个，间距4 m；主机悬挂在北侧墙上。在畜舍内外各布设3个采集气体的点，采集高度分别为0 m、0.5 m、1.0 m和1.5 m。温湿度仪安装在畜舍的中间位置（Y2处，距地面高度3 m）（见图2）。

图2 空间电场布设和测试采样点平面图

1.2.3 工作方式与测试项目

表1 空间电场运行与气体样品采集时间

温湿度仪连续工作，每隔10 min记录1次环境温度和湿度数据（2021年3月15—21日供电设备损坏，温湿度仪停止工作，故该时期无温湿度数据）。

1.3 数据处理

该试验将N2O、CH4、CO2和NH3等温室气体的体积浓度单位（cm3/m3）统一换算为质量浓度单位mg/m3（1cm3/m3的N2O、CH4、CO2和NH3的气体换算系数分别为1.964、0.714、1.965和0.759）［5］。畜舍内外的温室气体浓度和空间电场运行与停止阶段的气体浓度比较，均采用单因素方差分析，空间电场处理和高度对畜舍内测定温室气体浓度的影响采用双因素方差分析。

2 结果

2.1 冬春季舍饲期间畜舍内外几种温室气体浓度特征

试验测定期间，冬春季畜舍内外的温室气体浓度结果显示：畜舍内N2O气体浓度变化范围在0.71～1.16 mg/m3，畜舍外（对照区）N2O的浓度变化范围为0.71～0.78 mg/m3，畜舍内的N2O的气体浓度显著（P<0.01，见图3A）高于畜舍外，平均相差0.20 mg/m3；畜舍内外CH4气体的浓度差异显著（P<0.001，见图3B），畜舍内外CH4气体浓度平均相差可达11.79 mg/m3；畜舍内NH3气体浓度显著（P<0.001，见图3C）高于室外，室内的平均NH3浓度（0.17 mg/m3）比室外NH3气体浓度（0.08 mg/m3）高一倍；畜舍内平均CO2气体浓度较室外高出48.7%，差异显著（P<0.01，见图3D）；说明畜舍在冬春季室内的几种温室气体浓度均显著（P<0.01或P<0.001）高于室外（见图3）。将前4次取气时间段定义为冬季舍饲期，后4次（3月21日之后）取气的时间定义为春季舍饲期，结果显示（见图4），畜舍内冬季舍饲期间的N2O、CH4、CO2和NH34种温室气体浓度显著（P<0.05或P<0.01）高于春季。

图3 冬春季畜舍内外温室气体浓度对比

图4 畜舍内冬春季温室气体浓度对比

2.2 空间电场对畜舍内几种温室气体浓度的影响

监测冬春季空间电场运行和停止期间畜舍内的N2O、CH4、NH3和CO2气体浓度，结果显示，CH4气体在空间电场运行期间的平均值为10.16 mg/m3，较停止运行期间的CH4气浓度（16.88 mg/m3）降低了39.8%，差异显著（P=0.00，见表2）。畜舍内使用空间电场期间显著（P=0.01，见表2）降低了NH3的气体浓度，降低幅度达26.3%；畜舍内CO2的浓度正常情况下平均约为1 412.07 mg/m3，使用空间电场期间降低了24.0%（P<0.000 1，见表2）。而N2O在空间电场设备运行期间与停止期间无统计学差异（P=0.39，见表2）。

同时，该试验在取气时测定了畜舍内不同高度的气体浓度，结果显示，0～1.5 m的4个不同高度上，N2O、CH4、NH3和CO2等几种温室气体并无显著（P>0.05，见表2）差异，但NH3从0～1.5 m气体浓度有逐渐降低的趋势。

表2 畜舍内空间电场处理对温室气体的影响分析

2.3 空间电场对畜舍内温湿度的影响

冬季监测结果显示：环境温湿度在一天内呈现节律性变化（见图5）；冬季（主要为12月中下旬）空间电场运行时可以显著（P<0.05）降低畜舍内20：00—8：00（饲养动物休息期间）和12：00—15：00的环境湿度（见图6A），其中20：00—8：00畜舍内的湿度降低了4.5%，12：00—15：00的畜舍内的湿度降低了15.3%；9：00—11：00和16：00—19：00虽然有降低趋势但差异不显著（P>0.05，见图6A）。说明空间电场设备可有效调节冬季畜舍内夜间和中午的环境湿度。同时，由于空气中湿度的降低，显著（P<0.05，见图6B）提高了冬季畜舍内的一定时间段（如20：00—8：00和12：00—15：00）的空气温度。

图5 冬春季畜舍内环境温湿度日动态

春季监测结果显示：畜舍内9：00—17：00，设备运行时，平均空气湿度（18.83%）较设备停运时（27.65%）平均降低了31.9%，差异显著（P<0.05，见图6C）；其余时间段内，虽无显著（P>0.05）差异，但空间电场运行处理下舍内的湿度比停止期间低。同时，9：00—17：00的环境温度显著（P<0.05，见图6D）提高。

图6 冬春季畜舍内不同时间段环境温湿度在空间电场运行和停止处理下的比较结果

3 讨论

3.1 空间电场对畜舍内温室气体浓度的影响

冬春季舍饲养殖家畜生产过程中，会排放大量的温室气体，主要包括N2O、CH4、NH3和CO2等气体，对家畜生存环境产生一定的影响［6］。家畜产生的温室气体会对全球气候变化产生重大影响，NH3是一种有毒气体，对人和舍内动物有潜在的危害［7］。根据地方标准，畜舍内NH3浓度不高于18 mg/m3，CO2等浓度不高于1 500 mg/m3［8］。该文的测定结果显示，在空间电场停止运行处理下，畜舍内NH3平均浓度为0.19 mg/m3，低于地方标准要求。李保明等［9］人在奶牛舍测定的NH3浓度为1～1.73 mg/m3，高于该试验测定的结果。但CO2平均浓度在空间电场停止运行期间的均值为1 412.07 mg/m3，虽然略低于地方标准的要求浓度，但是基本接近要求值，在12月24日空间电场停止使用期间的气体浓度均值达到1 812.38 mg/m3，明显高于地方标准要求的浓度阈值，有必要进行畜舍内的环境改善工作。

空间电场在电场力的作用下可以吸附或清除环境中的粉尘、飞沫等，从而使畜禽舍空气保持清洁［10］。结合实测的气体浓度数据可知，在空间电场运行阶段的畜舍内的CH4、NH3和CO2等有害温室气体浓度显著降低，降低幅度分别可达到39.8%、26.3%和24.0%，说明使用空间电场可有效降低畜舍内的温室气体浓度，尤其是NH3浓度的降低可有效消减恶臭气味，提高畜舍环境质量。吴媛媛［7］的研究探讨了安装光等离子体空气净化器与紫外灯装置结合净化猪舍空气质量的效果，研究方法与该文类似，但使用的净化设备不同，研究结果显示使用光等离子净化装置仅能降低21.7%的CO2浓度，该研究使用的空间电场设备降低幅度可达到24.0%。与该研究结果不同的是，徐鑫等［11］对鸡舍安装空间电场前后NH3平均质量浓度进行比较，二者差异不显著。而该研究中空间电场运行阶段的NH3浓度显著低于停止期间，说明在畜舍内使用空间电场对降低NH3浓度作用显著。

3.2 空间电场对畜舍内环境指标的影响

舍饲可有效解决冬春季家畜过冬问题，同时可缓解草地早春的放牧压力，对于草地资源可持续利用和畜牧业可持续发展具有重要意义。圈舍内温湿度的高低对舍内家畜的生长具有极大的影响，同时对圈舍内CH4等温室气体的浓度有很大影响［9］。根据山西省牛羊规模化养殖场地方标准的要求，成年羊畜舍内的环境温度应保持在5～30℃，湿度保持在30%～70%［8］。该研究在内蒙古四子王旗测定的结果显示，冬春季畜舍内的平均环境温度为-14.2～34.3℃，平均湿度在14.3%～98.3%波动。四子王旗2007—2018年的年均温度仅为3.9℃［12］，远低于山西省的年均温度，因此最低温度会较低。有研究利用光等离子体净化器改善夏季妊娠母猪舍高温高湿环境［7］，结果显示，在不同时间段，对照舍与净化舍环境温度和湿度的差异均不显著，效果均不理想。该研究结果显示，利用空间电场设备可以有效控制冬春季畜舍内的环境温湿度，冬季主要调控时间段为动物休息期间（20：00—8：00）和中午（12：00—15：00），该时段内运行空间电场时舍内湿度降低了4.5%～15.3%。春季可以降低9：00—17：00羊群活动期间舍内的环境湿度（31.9%）。同时降低湿度后，冬春季畜舍内的环境温度也会相应提高。冬春季节环境温度的升高和湿度的降低，有利于家畜维持自身正常活动的能量［1］。

4 结论

①冬春季畜舍内测定的4种温室气体浓度显著高于室外，且舍饲期间，冬季畜舍内N2O、CH4、NH3和CO2的浓度显著高于春季。

②利用空间电场设备显著降低了冬春季畜舍内NH3、CH4和CO2等3种气体的浓度，但对N2O气体浓度的影响不显著。

③畜舍内N2O、CH4、NH3和CO2的气体浓度在不同高度之间均无显著差异。

④空间电场在降低畜舍环境湿度方面的作用显著，且冬季和春季的调控时间段不同，冬季主要在夜间和中午的作用显著，春季主要可以调节羊群白天（9：00—17：00）活动期间的温湿度。