专题文章
畜牧业相关的空气问题：北美透视
在一份美国农业科学技术委员会（CAST）的报告中，学术专家检测了大量数据并对大量此范围问题提供了分析，从绿色气体（GHG）排放到储粪设施的合理性。这里我们提供了该报告的摘要以及家禽生产分节部分。摘要
本CAST议题论文的目的不只是概括空气质量相关的主题以及列举其带来的大量劣迹。来自六个大学的专家检测了大量数据，最后将问题和焦点聚集在重要的畜牧领域：猪、家禽、奶牛和肉牛。他们重点分析了从绿色气体（GHG）排放到储粪设施的合理性等一系列广泛的问题。美国环境保护机构（EPA）正在加大努力监控农业气体的排放，所以进一步研究对各方相关人士都很重要，而本文提供了可靠的，以科学为依据的信息。
研究表明大型畜牧养殖场的存在使得畜牧场4.8公里范围内的居住价值下降。其他经济研究还表明，养殖场也促进了国家和州之间的经济活动。为了农村地区的利益，需要借助常见方法，可考虑利用规章和市场力量在畜牧生产的正负面影响上达成折中。
畜牧业的气体排放包括有味的气体混合物以及与粪便和动物管理有关的颗粒物质。虽然与气味有关的局部问题趋于突出，但是具有局部或区域影响的气体化合物如氨气以及全球关注的如GHG正成为巨大的监管问题。
本文着眼于一些用于降低空气污染物作用效果的减缓技术。作者还检测了GHG排放的EPA估值结果以及美国粮农组织(FAO)的发现之间的不一致性。
许多特殊发现包括：日粮组成对排放量具有显著的影响，缓解方法，如遮盖住储粪池表面可大大降低有味气体的排放或利用粪便的厌氧发酵也减少了有味气体但这样做成本较高。引用较多的名为Livestock’s Long Shadow（畜牧的长期阴影）一文将集约化饲养和宽松养殖进行了区分，美国的生产是集约化的，所以没有与较差的饲料质量和森林采伐有关的GHG排放问题。
禽舍和粪便管理系统
氨 (NH3) 是家禽生产中主要的有害气体，来自粪便中尿酸的生物降解。在空气中暴露的时间越长禽舍内氨浓度也相应增加，这给家禽健康（如呼吸系统）以及生产力（如采食量、体增重、产蛋量、饲料转化率）带来了不利影响。禽舍内推荐的室内氨气水平是低于25ppm（MidWest Plan Service 1990; United Egg Producers 2010）。室内氨气产生以及浓度受鸡舍和粪便管理方法影响很大。
肉鸡和火鸡（肉用型鸡）通常采用在铺有垫料的地板上平养。大多数垫料一般都会在几批鸡群生产中反复使用（已知为新旧组合垫料），而两批鸡群之间沿着饲料和饮水系结块的垫料（湿、硬的表层垫料）通常会采用特定设备清除。有些家禽生产者在去除结块的垫料后通常会添上新的垫料（表层添加），而有些生产者不这样做，这取决于舍内垫料的量以及垫料的使用情况和成本。例外的是火鸡育雏阶段（不到5周龄），这里会将旧的垫料完全清除并给每批鸡群铺上新的垫料。从火鸡育雏舍清除的垫料用于育成舍直至鸡上市。根据地理位置，肉鸡和火鸡舍使用的垫料材料包括稻壳、小麦或黑麦壳、锯末或者刨花、花生壳、沙子以及在某些情况下，会使用花秸或玉米秸。
在北美95%的商业蛋生产都是采用笼养方式，要么是采用多层笼养(HR)要么是粪便传送带(MB)舍养系统。在HR鸡舍内母鸡粪便通常在舍内较低的地方储藏一年，在秋季成为固体粪便清除并施用于作物土壤，而MB鸡舍的粪便则每天或每周清除到比禽舍低的独立的储粪池或堆肥舍。HR系统的舍内储粪与MB系统经常清除粪便相比，MB鸡舍室内空气质量通常会好一些且氨气排放也低于HR鸡舍。除了这两个种常用鸡舍类型（HR和MB），少许蛋鸡还采用非笼养系统(CF)。由于CF明显降低了鸡群密度，因此在CF系统中体热产生较少，这样对于CF鸡舍维持良好的空气质量平衡以及舒适的舍内温度则是此种鸡舍在冬季面临的挑战（Green等，2009）。
常见的舍内氨气和颗粒物浓度
图1和2给出了在商业家禽生产中在不同的生产季节舍内氨气浓度。相比氨气数据，PM浓度数据更有限。而图3和4说明了在商业化肉鸡或火鸡舍不同生产季节PM的白天变化。如数据所示，氨气和PM浓度全天变化很大，尤其是在秋冬季节，此时白天室外温度存在变化，因此鸡舍需维持室内所需温度的通风率。
(Li, H. 2009，个人交流)
(Li等，2008a)
(Burns等，2008a)
(Li等，2008a)
禽舍的通风率通常受室内温度控制但是通风是最常见的用于降低室内氨气浓度的方法。但是，增加通风通常会导致风扇使用的能源以及燃料（主要是LP气体）成本的使用增加。此外，降低氨气浓度不代表降低了氨气的排放率。相反，增加舍内通风率导致排放量增加。
室外（下风向）浓度
与家禽生产有关的下风向气体或PM浓度的信息不足。
在爱荷华州自然资源部门在离AFOs（牛、蛋和猪）设定的距离处进行了下风向监控并将此结果与某些人类健康作用值（HEVs，每小时平均30ppb H2S）和健康作用标准（每年7个HEV日超出数）(IDNR n.d.)进行了比较。Fairchild (2008)报道了管道通风肉鸡舍的下风口的氨气浓度，表明读数为94%的氨气浓度比离排出风扇150米下风口处低1ppm。
禽场气体排放
在2000年之前，文献中气体排出数据主要来自欧洲家禽生产场所收集的数据。在过去6-8年期间，为了回应之前提及的2003年国家科学委员会报道的推荐值，美国研究人员在收集美国生产条件下的基准气体排放数据上向前迈出了很大一步。到目前为止最广泛的基于家禽气体排放的实地研究是Liang等(2006)报道的在爱荷华州和宾夕法尼亚州一年内10个产蛋鸡舍的氨气和二氧化碳排放量，然后是Wheeler等(2006)报道了肯塔基州和宾夕法尼亚州12个肉鸡舍一年的氨气和二氧化碳排放量，Burns等(2008a,b) 报道了肯塔基州2个肉鸡舍一年的氨气、二氧化碳、硫化氢、甲烷、二氧化氮、TSP、PM10以及PM2.5 （PM，气体动力学直径不到或低于2.5µm）。
禽舍气体排放
表2总结了在不同国家产蛋鸡舍的氨气排放量，而表3总结了美国不同地区肉鸡和火鸡舍的氨气排放量。相气体排放量的数据，特定物质排放量的数据更有限。表4总结了家禽的一些有用的文献信息。有关GHG排放的数据更有限。Burns等 (2008b)报道了在美国东南部肉鸡舍每只上市鸡的GHG排放量为3.41g甲烷 (等于85.3 g 二氧化碳)和1.72g一氧化氮（等于513g二氧化碳）。相比鸡只呼出的二氧化碳（4.64g），一氧化碳和一氧化氮分别占总二氧化碳等价物排放的9.8%和1.6%。
| 表2. 不同国家不同类型和管理方法的蛋鸡舍内氨气排放率的总结(1 AU=500kg活重)。 (Liang等2006) |
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| 国家 | 禽舍类型（季节） | 清除粪便 | NH3 ER | 参考（年） |
|---|---|---|---|---|
| 英格兰 | 深坑（冬季） | 无可用信息 | 192 | Wathes 等 (1997) |
| 英格兰 | 深坑（夏季） | 无可用信息 | 290 | Wathes等(1997) |
| 英格兰 | 深坑(N/A) | 无可用信息 | 239 | Nicholson, Chambers和Walker (2004) |
| 美国(俄亥俄州) | 多层（3月） | 每年 | 523 | Keener, Elwell和Grande (2002) |
| 美国(俄亥俄州) | 多层（7月） | 每年 | 417 | Keener, Elwell和Grande (2002) |
| 美国(俄亥俄州) | 多层（全年） | 每年 | 299 | Yang, Lorimor和Xin (2000) |
| 美国（爱荷华州和宾夕法尼亚州） | 多层（全年） –标准日粮 |
每年 | 298 | Liang等(2006) |
| 美国（爱荷华州） | 多层（全年） –CP降低1%的日粮 |
每年 | 268 | Liang 等(2006) |
| 荷兰 | 粪传送带 (N/A) | 1周两次粪便不干燥 | 31 | Kroodsma, Scholten和Huis in’t Veld (1988) |
| 荷兰 | 粪传送带 (N/A) | 1周1次粪便干燥 | 28 | Kroodsma, Scholten和uis in’t Veld (1988) |
| 丹麦 | 粪传送带 (全年) | 无可用信息 | 52 | Groot Koerkamp等(1998) |
| 德国 | 粪传送带 (全年) | 无可用信息 | 14 | Groot Koerkamp等(1998) |
| 荷兰 | 粪传送带 (全年) | 无可用信息 | 39 | Groot Koerkamp等(1998) |
| 英格兰 | 粪传送带 (全年) | 每周 | 96 | Nicholson、Chambers和Walker (2004) |
| 英格兰 | 粪传送带 (全年) | 每天 | 38 | Nicholson、Chambers和Walker (2004) |
| 美国（爱荷华州） | 粪传送带 (全年) | 每天不用干燥粪便 | 17.5 | Liang等(2006) |
| 美国（宾夕法尼亚州） | 粪传送带 (全年) | 1周两次粪便干燥 | 30.8 | Liang等(2006) |
| 表3. 美国商业化肉鸡和火鸡舍内氨气排放情况 | |||||
| 美国州 | 品种 | 生长阶段，天 | 垫料 | g NH3/上市鸡只 | 参考（年） |
|---|---|---|---|---|---|
| 田纳西州 | 肉鸡 | 42 | 新旧组合 | 38.6 | Burns等(2003) |
| 得克萨斯州 | 肉鸡 | 49 | 新旧组合 | 30.9 | Lacey、Redwine和 Parnell (2003) |
| 特拉华州 | 肉鸡 | 42 | 新旧组合 | 49.6 | Seifert等(2004) |
| 肯塔基州和宾夕法尼亚州 | 肉鸡 | 42 | 新 | 19.7 | Wheeler等(2006) |
| 42 | 新旧组合 | 27.3 | |||
| 49 | 新旧组合 | 37.2 | |||
| 63 | 新旧组合 | 61.7 | |||
| 肯塔基州 | Broiler | 52 | 新 | 25.5 | Burns等(2008a) |
| 52 | 新旧组合 | 32.2 | |||
| 爱荷华州 | Tom火鸡 | 35–140 | 新和组合的 | 144±12 | Li等 (2008a) |
| 明尼苏达州 | 母火鸡 | 35–84 | 新和组合的 | 104±10 | Li等(2009) |
| 表4. 有限的关于不同国家禽舍PM ER的数据总结（1 AU=500 kg活重） | |||||
| 国家 | 家禽品种 | 通风 | PM大小 | ER (mg/h/AU) | 参考（年） |
|---|---|---|---|---|---|
| 英格兰 | 肉鸡 | 机械化 | 可吸入的；可呼吸的 | 6,218; 706 | Takai等(1998) |
| 荷兰 | 4,984; 725 | ||||
| 丹麦 | 1,856; 245 | ||||
| 德国 | 2,805; 394 | ||||
| 美国（明尼苏达州） | 火鸡 | 自然 | PM10 | 135~210 (W) | Schmidt、Jacobson和Janni (2002) |
| 431~2,133 (SU) | |||||
| 美国（德克萨斯州） | 肉鸡 | 机械化/混合 | PM10 | 536 | Lacey、Redwine和Parnell (2003) |
| TSP | 10,210 | ||||
| 美国 (印地安那州) | 蛋鸡 | 机械化 | PM2.5 | 26 | Lim等(2003) |
| PM10 | 384 | ||||
| TSP | 1,512 | ||||
| 美国 (俄亥俄州) | 蛋鸡 | 机械化 | PM10 | 361~1,319 | Zhao等(2005) |
| TSP | 1,292~3,778 g/上市鸡只 |
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| 美国（肯塔基州） | Straight-run肉鸡生长至52日龄或2.73kg | 机械化 | PM2.5 | 0.25 (±0.02) | Burns等(2008a) |
| PM10 | 2.52 (±0.46) | ||||
| TSP | 6.0 (±0.29) | ||||
| 美国（爱荷华州） | Tom火鸡(35-140天，19.1 kg) | 机械化 | PM2.5 | 3.7 (±0.8) | Li等(2008a) |
| PM10 | 30 (±4) | ||||
| 美国（明尼苏达州） | 母火鸡（35-84日龄，6.8 kg) | 机械化 | PM10 | 5.0 (±2.6) | Li等(2009) |
家禽储粪池气体释放
粪便传送带鸡舍系统包括独立的储粪池，这也会释放气体。Li和Xin（2010）报道了实验室测量的母鸡储粪池的氨气、甲烷和一氧化氮气体的排放量。在评估中考虑的因素包括在商业生产条件下粪便的堆垛形状、粪便水分含量（MC）以及储粪池的周围温度。母鸡粪便在77%的MC下比50%MC释放更多的氨气（图5）。必须注意的是商业设定的储藏条件与实验室研究所控制的环境差异很大，必须进行长期实地测量。
(Li和Xin 2010)
家禽粪便土地施用中氨气的排放
家禽粪便一般会被作为肥料而施予土壤，虽然家禽垫料在电厂作为燃料在可再生能源生成上具有有限的作用。相比禽舍或储粪池的气体排放，由于在量化这种气体排放上存在技术困难以及施用条件的内在变化较大，家禽粪便施予突然相关的气体排放数据更有限。在土壤施肥中粪便中氨氮的损失表示为粪氮含量的百分比。引用EPA在畜牧和家禽粪便管理培训中内容，这种氨氮损失估计为干燥的产蛋母鸡粪便的7%（Lockyer和Pain，1989），为湿润的产蛋母鸡粪便的41.5%（Lockyer和Pain，1989）以及肉鸡垫料的25.1%（Cabera等，1994）。
缓解技术
为了改善室内空气质量并降低室内气体排放，研究人员已经积极研究可行的降低空气污染物的产生和/或排放的方法。已经研究的缓解技术包括日粮调控（Roberts等，2007；Xin, H. 2010。私人交流）、在家禽粪便中局部使用化学或矿物质添加剂（Li等，2008b），粒子的静电沉淀（Ritz等，2008），通过生物过滤器或湿的洗涤器对排出气体进行处理（Bandekar、Bajwa, 和Liang 2008；Manuzon等，2007；Melse和Ogink 2005；Shah等，2008），或植物性环境缓冲剂（Malone、VanWicklen和Collier，2008），以及土地施用粪便时能迅速渗入。
虽然这些预期缓解策略已经表现出在降低气体排放上的效用，但是在生产条件下这些技术的经济生存力还需要进一步评估。
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2011年6月
