日本蛋鸡舍大气氨浓度测量与排放清单模型研究

《Atmospheric Environment: X》：Atmospheric ammonia concentration measurements in Japanese laying hen buildings and modeling for emission inventory

为解决当前氨（NH3）排放清单多依赖欧洲数据，其在亚洲的适用性未知的问题，研究人员在日本无窗蛋鸡舍开展了为期两年的NH3浓度时空分布观测。研究发现，排放主要受气温和通风率驱动，并随清粪后时间变化。基于此建立的统计模型表明，日本的排放因子（EF）因气温变化差异显著（0.11–0.52 kgNH3y?1head?1），且夏季月度变化系数（Mf）高于荷兰，提示需发展基于区域气候和管理实践的本地化排放清单以提高模拟准确性。

　　

氨（NH₃）是大气中一种重要的活性氮气体，它不仅是形成二次无机气溶胶（SIA）和PM2.5的关键前体物，加剧空气污染，还通过干湿沉降过程向陆地和水体输送氮素，导致水体富营养化和土壤酸化等生态环境问题。在全球范围内，农业活动，特别是畜禽粪便管理，是人为NH₃排放的主要来源。为了评估和预测NH₃的环境影响，大气化学传输模型（CTMs）被广泛使用，而模型的准确性高度依赖于其输入数据——排放清单的质量。

然而，当前许多排放清单，包括那些用于亚洲国家模拟的清单，由于缺乏本地直接观测数据，往往采用基于欧洲环境条件开发的排放因子（EF，指每头牲畜每年的NH₃排放量）和月度变化系数（M_f，用于表征排放的季节性波动）。这种“拿来主义”存在一个明显问题：欧洲与亚洲（如日本）在气候条件、畜禽养殖模式（例如，日本近60%的主要养殖场采用现代无窗式鸡舍）及粪便管理方式上可能存在显著差异。因此，直接套用欧洲参数可能导致对亚洲地区NH₃排放量及其时空格局的错误估计，进而影响空气质量模拟和污染管控政策的制定。为了填补这一知识空白，并为建立更准确的区域性排放清单提供实证依据，一项针对日本典型蛋鸡舍的NH₃排放观测与建模研究应运而生。

这项研究由日本茨城大学的研究人员完成，成果发表在《Atmospheric Environment: X》上。为了精准揭示日本蛋鸡舍的NH₃排放特征，研究团队在2022年5月至10月及2023年9月，对一个商业化运营的无窗式隧道通风蛋鸡舍（饲养约4万只蛋鸡）开展了系统的观测。研究采用了被动采样法测定鸡舍内NH₃浓度的空间分布和月际变化，并利用滤膜包法进行了昼夜连续观测以捕捉排放的日变化规律。同时，研究人员持续监测了鸡舍内外的温度、通风风扇的运行数量等环境与管理参数。基于这些详实的观测数据，他们构建了一个统计模型，将NH₃排放速率与室外环境温度、通风率以及清粪后天数等关键驱动因子联系起来。最后，他们将该模型应用于日本十个主要家禽产区的典型月均气温数据，估算了不同气候条件下的EF和M_f值，并与现有基于欧洲数据的排放清单进行了对比分析。

研究结果

1. 鸡舍内NH₃浓度的空间分布及其影响因素

观测显示，鸡舍内的NH₃浓度分布并不均匀，在通风风扇附近浓度较低。无论在一层还是二层，白天观测到的NH₃浓度均与测点气温呈显著正相关。这表明，温度是驱动鸡舍内NH₃浓度空间差异和月际变化的一个主要因素。此外，在启用冷却垫的月份（如8月、9月），靠近墙壁的区域因外部冷空气进入，温度较低，NH₃浓度也相应较低。

2. 月度NH₃排放速率及相关环境因子

对通风风扇前NH₃浓度和通风量的月度分析表明，夏季由于温度高，通风风扇开启数量多，通风量显著大于春、秋季。计算得到的NH₃排放速率在夏季月份较高，但在某些月份（如6月）也出现了高值，暗示除温度外还有其他影响因素。相关性分析发现，NH₃浓度与饮水供应量、蛋鸡周龄、标准体重、采食量和产蛋量等因素均无显著相关。

3. NH₃浓度的昼夜变化

在为期数天的密集观测中，研究捕捉到了NH₃排放的动态细节。最为突出的发现是，在粪便清理带运行后的当天，鸡舍出口的NH₃浓度迅速下降至清理前水平的约20%。而在未进行清粪操作的日子，NH₃浓度在夜间会升高。这直接证明了清粪操作是影响鸡舍内NH₃累积和排放的关键管理措施，清粪后粪便堆积时间越长，潜在的NH₃挥发量越大。

4. NH₃排放统计模型的建立

基于观测数据，研究人员成功构建了一个经验模型。该模型仅需输入室外环境温度和清粪后天数，即可通过一系列回归方程，推算出鸡舍风扇前的温度、运行的通风风扇数量、通风量、NH₃浓度，最终计算出NH₃排放速率。模型将清粪后天数（i）分为0、1、2天三种情景，并量化了其对NH₃浓度的影响倍数（E_DAR,i）。验证表明，模型能够较好地再现不同通风条件下的观测数据。

5. 模型应用于不同气候条件及对排放清单的启示

将模型应用于日本从北（北海道）到南（鹿儿岛）十个主要家禽产区的气候数据后，研究得出了重要结论：首先，计算出的日本蛋鸡舍NH₃排放因子（EF）范围很广（0.11–0.52 kgNH₃y^?1head^?1），并随年均气温升高呈指数增长。相比之下，当前日本排放清单中采用的、源自荷兰的EF值（0.19 kgNH₃y^?1head^?1）更接近日本北部寒冷地区的估算值，但对于南部温暖地区来说，该值可能被严重低估。其次，模型估算的夏季M_f峰值高于欧洲数据，且全年M_f的变化幅度大于现有清单（如EAGrid2000-Japan, REASv3.2）。这表明，基于欧洲气候（如荷兰）季节性温度变化推导的M_f可能无法准确反映日本更显著的夏季排放特征。

结论与意义

本研究通过首次在日本现代无窗蛋鸡舍开展系统观测，明确了环境温度、通风率和粪便清理管理是影响舍内NH₃浓度和排放速率的三个关键可控因素。基于此建立的简化统计模型，为利用广泛可得的气象数据预测畜禽舍NH₃排放提供了实用工具。

最重要的发现在于对当前排放清单的反思：研究结果表明，直接沿用源自欧洲温带海洋性气候条件的EF和M_f参数来估算日本（特别是温暖地区）的畜禽NH₃排放，可能存在显著偏差。这会导致化学传输模型（CTMs）在模拟东亚地区大气氨浓度、氮沉降以及二次颗粒物形成时产生不确定性。因此，要提高区域排放清单的准确性，必须在不同气候区和养殖体系下开展类似的本地化观测，以获取符合实际情况的排放参数。

这项工作不仅为改进日本的氨排放清单提供了关键数据和模型方法，也为其他面临类似数据短缺问题的亚洲国家和地区树立了范例。它强调，在应对跨区域空气污染和氮沉降等环境挑战时，发展基于本地实证研究的、精细化的排放清单，是实现精准模拟和有效治理的科学基石。未来，需要将此类研究扩展至畜禽养殖的其他环节（如粪便存储和土地施用）以及其他牲畜种类，以构建更为完整和准确的区域性农业氨排放清单。