测量方法、测量高度和采样位置对常规仔猪保育舍中二氧化碳和氨气浓度的影响

《Veterinary and Animal Science》：Influence of measurement method, measurement height, and sampling location on carbon dioxide and ammonia concentration in a conventional piglet nursery

　　

低空气质量及有害气体（如氨气）的存在会对猪的健康和福利产生不利影响。在传统养殖系统的负压通风猪舍中，这些气体的浓度过高尤为常见。有多种设备和指南可用于测量此类环境中的有害气体。在本研究中，研究人员使用三种不同设备测量了氨气和二氧化碳。测量覆盖了四个生产周期，在六个猪栏内进行，高度分别为0.6米（测试栏内）和1.5米（代表人类工作高度）。三种方法获得的氨气和二氧化碳测量结果彼此间存在显著差异。两种测量高度的比较显示，氨气浓度无显著差异，但测量高度对二氧化碳浓度有显著影响。此外，采样点（测试栏）在猪舍隔间内的位置对氨气和二氧化碳的测量浓度均有显著影响，表明存在空间变异性。评估猪舍空气质量时，建议对氨气和二氧化碳使用两种不同的测量系统以确保结果可靠。氨气测量不一定必须在动物高度进行，因为其垂直分布在隔间内是均匀的。然而，采样点的位置显著影响氨气和二氧化碳浓度。因此，应在隔间内的多个位置进行测量以捕捉空间变异性，并为固定式传感器确定最合适的安装位置。

**论文解读文章：测量方法、测量高度和采样位置对常规仔猪保育舍中二氧化碳和氨气浓度的影响**

**研究背景与问题**

在集约化养殖系统中，猪舍空气质量对猪只健康与福利至关重要。氨气（NH₃）和二氧化碳（CO₂）是猪舍中常见的有害气体：CO₂来自猪只呼吸及粪便、尿液中有机物分解；NH₃则由尿液中的尿素经微生物脲酶水解生成。高浓度NH₃和CO₂可导致猪只呼吸系统损伤、生长性能下降及行为异常，并引发系统性健康问题。在德国，虽推荐NH₃上限为20 ppm、CO₂上限为3000 ppm，但这些并非法律强制标准，且缺乏对采样点位置和测量方法的统一规范。现有测量设备多种多样，包括电化学传感器、比色传感器、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析仪等，但低成本设备（如便携式电化学和比色传感器）在现场条件下的精度及相互间差异鲜有研究。此外，有害气体在猪舍内的空间分布受通风、温度、季节、栏位布局等多种因素影响，已有研究结果存在矛盾：部分研究显示NH₃在垂直和水平方向存在显著梯度，而另一些则未发现垂直差异。同时，测量高度通常建议在动物水平，但实际中因设备保护或操作便利，常在上方位置测量。因此，本研究旨在评估不同测量方法（三种设备）、不同测量高度（0.6 m与1.5 m）及不同采样位置（隔间内六个测试栏）对猪仔保育舍内NH₃和CO₂浓度测量的影响，为优化现场气体监测提供实践依据。本论文发表在《Veterinary and Animal Science》。

**研究内容与关键技术方法**

研究人员在德国西北部一家常规猪仔保育舍（2019年建成，对称布局，中央走廊两侧各7个隔间，每个隔间约30 m × 7 m，含20个栏，每栏25头仔猪）进行了为期四个生产周期（2021年1月至8月）的测量。研究采用三种测量设备：（1）数字手持多气体测量仪（DHH，Dr?ger X-am 5600），配备电化学传感器（NH₃，0–300 ppm）和红外传感器（CO₂，0–5%体积分数）；（2）手持式泵吸测量装置（PMD，Accuro泵+Dr?gerTubes?），通过比色法测定NH₃（5–70 ppm）和CO₂（0.1–1.2%体积分数）；（3）连续测量传感器系统（CMS，Clevabit GmbH），包含NH₃传感器（ECsense EC4-NH₃，0–100 ppm）和CO₂传感器（Sensirion SCD30，0–40,000 ppm）。测量在隔间内六个测试栏（位置固定）进行，每个栏内设置两个高度（0.6 m和1.5 m），每周一次（共31个时间点）。同时记录温湿度、气压、风速（垂直和水平）等气候参数。研究人员使用广义混合模型（GLIMMIX过程）分析CO₂和NH₃浓度的影响因素，并通过Tukey-Kramer检验进行事后比较。此外，采用CO₂质量平衡法（基于Pedersen模型）估算通风流量，用于评估通风是否充足。

**研究结果**

**1. 二氧化碳浓度的影响因素**
广义混合模型显示，CO₂浓度显著受测量高度（p = 0.0278）、气温（p = 0.0117）、测量方法（p < 0.01）、相对湿度（p < 0.01）、测试栏（p = 0.0495）和日期（p < 0.01）影响，而垂直风速无显著效应（p > 0.05）。事后比较表明，三种方法（DHH、PMD、CMS）的CO₂测量值两两间均存在显著差异（DHH vs. PMD: p = 0.0011；DHH vs. CMS: p < 0.0001；PMD vs. CMS: p < 0.0001）。CMS测得的CO₂浓度普遍低于其他两种方法（均值约2750 ppm，而DHH约3100 ppm，PMD约3300 ppm）。测量高度方面，1.5 m处的CO₂浓度显著高于0.6 m（均值相差约100 ppm），但实际差异较小。各测试栏之间虽在模型中显著，但事后比较未发现两两间显著差异。

**2. 氨气浓度的影响因素**
模型显示，NH₃浓度显著受测量方法（p < 0.0001）、测试栏（p < 0.0001）和日期（p < 0.0001）影响，而测量高度（p = 0.5698）、气温（p = 0.5747）和垂直风速（p = 0.0947）无显著影响。三种方法间均存在显著差异（DHH vs. PMD: p = 0.0475；DHH vs. CMS: p < 0.0001；PMD vs. CMS: p < 0.0001）。CMS测得的NH₃均值（约30 ppm）显著高于DHH（约27 ppm）和PMD（约27 ppm）。测量高度无显著差异，表明NH₃在0.6 m和1.5 m之间分布均匀。多个测试栏之间存在显著差异，其中位于隔间中部的栏2和栏5（图4）显示最高的NH₃中位数（>30 ppm），而栏1和栏6浓度较低。空间变异明显，提示隔间内气体分布不均匀。

**3. 通风流量估算**
基于CO₂质量平衡法计算的通风流量在每头动物3至22 m3/h之间（图6）。较高流量（>10 m3/h）出现在温暖季节（5月下旬至8月中旬），并在生产周期初期增加，部分周期末期下降。冬季和初期流量较低，接近或低于DIN 18910:2017-08推荐的仔猪通风量。这解释了日期对气体浓度的显著影响：冬季生产周期（2–4月）CO₂平均3860 ppm、NH₃平均27 ppm；夏季（7–8月）CO₂平均2487 ppm、NH₃平均21 ppm。

**讨论与结论**

**讨论总结**
本研究发现，三种测量方法在NH₃和CO₂浓度上存在显著差异，其中CMS系统（首次在猪舍测试）显著高估NH₃、低估CO₂，原因不明，可能受其他污染物或高湿度影响。PMD和DHH是已确认的现场气体检测设备，但仍有变异。空间变异方面，隔间中部栏位（栏2和栏5）气体浓度最高，可能与气流模式、粪污管理、动物活动、排气口位置等因素有关，但均匀空气质量应作为目标。测量高度对CO₂有显著影响，但实际差异小（约100 ppm），可能源于动物活动引起的湍流混合不足；对NH₃无影响，与Jerez等（2010）结论一致，但与CFD模拟结果（垂直梯度）不同。本研究中NH₃和CO₂浓度频繁超过EFSA推荐阈值（NH₃ <10–15 ppm，CO₂ 3000 ppm），尤其在冬季和生长周期初期，与通风量低有关。高NH₃可能损害猪只呼吸健康、增加支原体肺炎风险、影响行为与生长性能。建议使用多个采样点捕捉空间变异，并优化固定传感器位置；连续监测系统对于捕捉日变化和阈值超标预警更有效。

**结论翻译**
本研究结果清楚表明，三种测量设备在氨气和二氧化碳测量中彼此间存在显著差异。在猪舍常规或官方检查中使用这些设备时，应结合这些设备间差异来解读测量结果，任何阈值超标应通过其他测量方法确认。此外，本研究结果证明，多种因素显著影响猪舍内二氧化碳和氨气浓度。因此，应在每个隔间内选择多个采样点以充分捕捉空间变异性，并确定最佳传感器位置。尽管测量高度对二氧化碳浓度有显著影响，但实际意义似乎有限。相比之下，氨气浓度不受测量高度影响。由于本研究仅在一个隔间中进行，需在不同猪舍设计下开展进一步研究。虽然动物区域外测量可能适用于连续监测，但建议在动物高度进行点检以确保数据可靠性。