氮排放量评估及降氮潜力研究——以浙江省为例

吕　越，陈忠清

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江　绍兴　312000；2.绍兴文理学院岩石力学与地质灾害实验中心，浙江　绍兴　312000)

氮排放量评估及降氮潜力研究

——以浙江省为例

吕越1,2，陈忠清1,2

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000；2.绍兴文理学院岩石力学与地质灾害实验中心，浙江绍兴312000)

摘要：基于密集的交通工业设施、高投入的农业生产等情况，以人类生活产生的氮排放为切入点，研究了浙江省氮排放变化及时空氮排放差异、降氮潜力和规模，以及氮排放驱动因素。结果表明：氮排放量以杭州、宁波、温州、嘉兴、湖州、绍兴和金华地区居高；杭州、宁波、温州、嘉兴为降氮规模最大的地区，对浙江省可降氮量有较强的拉动力；提高环境治理强度及科研投资力度、优化能耗、产业与对外贸易开放结构、合理控制工业化水平，对降低氮排放有积极作用。

关键词：氮排放；降氮潜力和规模；驱动因素；浙江

1引言

目前，减少氮排放并发展低氮经济已是政府关注的重点。薛建福等[1]利用作物施肥和灌溉新技术分析了农作新措施对生态系统氮排放量的影响；樊庆锌等[2]通过设置人工湿地方法降低氮排放量和氮源污染；方华军等[3]研究了森林土壤氧化亚氮排放对增氮的时序变化规律；Tan等[4]揭示了栽培技术对稻田氧化亚氮排放的影响规律；蔡睿堃等[5]通过健康风险模型评价了氮污染对人体的潜在健康风险；赵银慧等[6]通过专项监测指出总氮是影响污水处理厂达标的主要污染因子；岳建华等[7]通过氮溶出模型预测了日常生活垃圾中氮在水体中的排放量及其速率；Bruna等[8]研究了食物消耗各形态氮的转化规律和排出方式。但是，鲜有研究从氮排放量的本质因素考虑降氮潜力和规模。本研究基于地区差异和动态趋势，研究浙江省氮排放量及其影响因素、降氮潜力和规模，目的在于为不同地区经济发展水平和实际情况制定和实施有效的降氮政策措施。

2研究区域与方法

2.1研究区域

浙江地处东南沿海长江三角洲，陆地和海域面积分别约为11万和26万平方公里。2014年常住人口约5500万人，人均GDP约为75000元，均高于全国平均水平。目前为浙江省生态环境保护的关键期，但以高耗能和高排放为主的产业结构带来的生态环境问题未得到根本性治理。

2.2数据来源

本研究数据来源于浙江省统计年鉴、农业统计年报、发展统计汇编、环保署水质保护处、国民经济和社会发展统计公报、浙江国土资源厅网站数据库等。

2.3研究方法

(1)氮排放计算方法。据Shi等[9]的方法，公式为：

N=NA+NU

(1)

式中，N为氮排放总量，NA和NU分别为农业和城市系统氮排放量。

农业系统氮排放量包括水产品养殖、家禽养殖和农作物种植[10]，公式为：

NA=NAQ+NL+NF

(2)

式中，NAQ、NL与NF分别为水产品养殖、家禽养殖和农作物种植。其中，NAQ包括饲料中和水产品含氮量，NL包括各类家禽粪便含氮量，NF包括含农作物固氮、肥料使用、灌溉用水、农作物秸秆还田和农作物收获含氮量。

城市系统氮排放量包括交通运输、工业生产、人类生活[11]，公式为：

Nu=NT+NI+NH

(3)

式中，NT、NI与NH分别为交通运输、工业生产与人类生活氮排放量。其中，NT包括水运、公路、航空交通所消耗的化石燃料和废气含氮量，NI包括工业废水和固体废弃物含氮量，NH包括生活污水和固体垃圾、人类粪便含氮量。

(2)降氮潜力计算方法。据Wang等[12]的方法，公式为：

NPPit=(ANPit-TNPit)/ANPit

(4)

式中，ANPit为i地区t时期实际氮排放量，TNPit为前沿面上目标点的氮排放量。NPPit数值越大，氮排放过度量越多，该地区降氮潜力和规模越大。

(3)氮排放影响因素分析方法。

①影响因素的选择。据以往研究[13]选取变量,能源结构(ES)：化石燃料消耗量占能源消耗总量的比重；工业化水平(IL)：工业增加值占GDP的比重；对外开放度(OD)：人民币表示的进出口贸易总额占GDP的比重；环境治理强度(EMD)：工业污染治理投资额占GDP的比重；技术进步(TP)：研发经费支出占GDP的比重；产业结构(IS)：第三产业增加值占GDP的比重。

②回归结果及分析。氮排放为被解释变量，上述6个影响因素为解释变量，建立面板数据计量模型：

MNPit=a0+a1·ESit+a2·ILit+a3·ODit+a4·EMDit+a5·TPit+a6·ISit+bit

(5)

式中，i和t分别为区域和时期，a0和bit分别为不可观测的区域和时间效应，a1～a6为回归系数。

3结果与分析

3.1农业系统和城市系统氮排放

(1)农业系统氮排放。由图1可知，首先，农作物种植氮排放比重高于水产品养殖和家禽养殖。其中，肥料氮排放虽然在农作物种植部分中比重最高，但近十年来呈降低态势；农作物收获时和秸秆还田的氮排放量均逐年减少；农作物固氮维持在稳定水平。其次，水产品和家禽养殖氮排放量之和为4.32万～5.22万吨。总体上，农作物种植(91.2%)为农业排氮的主要部分。

图1　2005—2014年农业系统氮排放量变化

年份含氮肥使用灌溉用水农作物收获农作物固定秸秆还田作物种植总排放2005141.841.4435.287.5619.80120.602006140.041.4436.368.2818.72115.562007132.481.4433.4810.0818.36108.722008137.881.4428.8010.8018.00117.362009133.201.4428.089.3614.76111.962010132.841.4429.169.7215.12110.522011131.401.4425.569.3612.24110.162012124.201.4427.009.7212.24100.802013126.361.4428.809.3613.32102.962014125.641.4427.009.3612.96103.68

通过比较地区十年氮排放均值(见图2)，作物种植和动物养殖的氮排放量均以杭州、宁波、温州等地区居高，年均值分别在10万吨和1万吨以上，衢州、舟山和台州次之，年均值分别在5万吨和0.5万吨以上。

图2　2005—2014年农业系统氮排放区域均值差异

(2)城市系统氮排放。人类生活(生活污水和固体垃圾、人类粪便)、工业生产(工业废水和固体废弃物)、交通运输(化石燃料和废气)的氮排放量均逐年减少(见图3)。总体上，人类生活(93.7%)为城市排氮的主要部分。

图3　2005—2014年城市系统氮排放量变化

通过比较地区十年氮排放均值(见图4)，人类生活、交通运输和工业生产的氮排放量均以杭州、宁波、温州等地区居高，年均值分别在2.5万吨、0.10万吨和0.10万吨以上，衢州、舟山和台州次之，年均值分别在2.0万吨、0.08万吨和0.07万吨以上。

图4　2005—2014年城市系统氮排放区域均值差异

3.2氮降排潜力的测算与分析

降氮潜力是可降氮量占实际氮排放量的比重，比重值越大，降氮空间越大；降氮量是在既定投入和产出基础下的可降氮量。根据式(4)，计算i区域在t时期的可降氮量和降氮潜力(见表2)。

2005—2014年浙江省降氮潜力地区差异较大，年降氮潜力均超过10%的地区包括杭州、宁波、温州等地。从2010年起，衢州和丽水也超过10%，表明这些地区有10%以上的氮是过度排放。其中，杭州、宁波、温州和嘉兴从2010年起均达到了15%以上，是氮降排的重点监控地区。分析可降氮量和规模，杭州、宁波、温州和嘉兴每年可降氮量占浙江省的比重均超过了5%，为降氮重点区域。湖州、绍兴和金华2012年起可降氮量所占比重超过了浙江省的5%，衢州、舟山、台州和丽水自2012年可降氮量超过了浙江省的3%，是需进一步关注与监控的降氮重点地区。杭州、宁波、温州、嘉兴为浙江省降氮规模最大的地区，对浙江省可降氮量具有较强的拉动力。

表2　2005—2014年地区降氮潜力和规模

注：由于版面所限，本表仅列出3年计算结果，降氮规模指地区可降氮量占浙江省可降氮量的比重。

从动态趋势看(见图5)，各地区降氮潜力经历了2005—2009年的波动和2009年后的逐渐提高。因为从2009年起浙江迎来了新一轮经济高速增长期，伴随着煤炭钢铁水泥等建材高能耗、重污染行业过度发展，能源消耗和氮排放量剧增而环保净化设施缺失，加剧了氮排放在内的污染物排放量。

中国政府已明确到2030年浙江省氮排放比2005年至少降低5%，结合氮排放量和降氮潜力计算结果，仅杭州、宁波、温州、嘉兴、湖州、绍兴和金华可以完成目标，衢州、舟山、台州和丽水还需进一步挖掘降氮潜力。

图5　2005—2014年地区降氮潜力趋势

3.3氮排放的影响因素分析

以固定效应模型计算结果为说明对象，回归结果见表3。能源结构、工业化水平和对外开放度回归系数为正。能源结构显著为正(1%水平)，化石燃料消费所占比重每降低一个百分点，氮排放量降低0.61个百分点，说明化石燃料消耗量降低有利于降低氮排放。工业化水平显著为正(10%水平)，现阶段重工业产值所占比重增加不利于降低氮排放。对外开放度显著为正(1%水平)，进出口贸易会产生恶化效应和技术引进效应，而进出口贸易隐藏的氮排放对环境的恶化效应大于技术引进效应。

政府环境治理强度、技术进步和产业结构回归系数为负，其优化均会改善氮排放。环境治理强度所占比重显著为负(5%水平)，表明政府通过提高污染治理投资度，可显著减少污染物排放和氮排放。研发投资所占比重每提高一个百分点，氮排放量降低0.26个百分点，说明通过提高科研投资(尤其是能源环境领域)，可明显降低氮排放。第三产业所占比重显著为负(1%水平)，每提高一个百分点，氮排放量降低0.2155个百分点，说明优化产业结构对降低氮排放有显著推动作用。

表3　氮排放影响因素回归结果

注：回归区间为2005—2014年，***、**和*分别在1%、5% 和10%水平上显著。

4结论

(1)农作物种植和人类生活分别为农业和城市系统氮排放的主要部分，农作物种植和动物养殖、人类生活、交通运输和工业生产的氮排放量均以杭州、宁波、温州、嘉兴、湖州、绍兴和金华地区居高。

(2)浙江省各城市氮排放量、降氮潜力和规模存在差异，应据各地区的异质性制定并实施差异化的氮降排政策。对氮排放量大、降氮潜力和规模较大的城市，应在已有基础上继续提高环境规制强度和标准并制定降氮目标。同时，通过政府给予技术、资金等的扶持，以推进清洁生产技术，使其成为浙江省氮降排的主要贡献者。对于氮排放量相对较小、降氮潜力和规模较小的城市，在现有技术条件下挖掘降氮潜力的空间不大，可着重进行低氮技术的开发和推广研究，逐步成为中国低氮技术开发与应用和国际先进水平接轨的主要贡献者。

(3)氮排放的影响因素涉及能源结构、工业化水平、对外开放度、政府环境治理强度、技术进步和产业结构方面。考虑目前经济发展阶段的特殊性，挖掘降氮潜力以降低氮排放量，应做到几个方面：①加大环境治理强度，培育低氮生活方式，尤其是加强低氮技术、清洁生产技术的开发；②重视科技进步对降低氮排放量的支撑作用，创新低氮技术以及高氮产业的低氮化技术改造，健全推动低氮科技创新的激励机制；③优化产业结构、能源消费结构和对外贸易开放结构，创建低氮产业发展模式和能源消费模式，加强能源利用对氮排放的抑制作用，加快对外贸易的低氮转型；④融合工业化和经济，发展低氮经济并建立以低氮为特征的工业体系，针对性制定与发展阶段相关的政策及相应措施。

参考文献：

[1]薛建福，濮超，张冉，等.农作措施对中国稻田氧化亚氮排放影响的研究进展[J].农业工程学报，2015，31(11)：1-9.

[2]樊庆锌，孟婷婷，李金梦，等.江川灌区旱田改水田加剧水体氮磷污染[J].农业工程学报，2014，30(12)：79-86.

[3]方华军，程淑兰，于贵瑞，等.森林土壤氧化亚氮排放对大气氮沉降增加的响应研究进展[J].土壤学报，2015，52(2)：262-271.

[4]TAN X M，HUANG S，XIONG C，et al.Studies on the influences of different planting patterns on the emissions of methane and nitrous oxide in the paddy field[J].Agricultural science & technology，2015，16(5)：968-972.

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[9]SHI Y，XIA Y F，LU B H，et al.Emission inventory and trends of N for China，2000—2020[J].Journal of Zhejiang university-science a(applied physics & engineering)，2014，15(6)：454-465.

[10]CHEN D，FU X Q，WANG C，et al.Nitrous oxide emissions from a masson pine forest soil in subtropical central China[J].Pedosphere，2015，25(2)：263-274.

[11]闫兰玲，徐海岚，唐伟，等.城市大气污染物排放与产业发展关系研究:基于杭州市EKC曲线的实证分析[J].中国人口·资源与环境，2014，24(5):147-150.

[12]WANG F F，DING Y H，GE L，et al.Effect of high-strength ammonia nitrogen acclimation on sludge activity in sequencing batch reactor[J].Journal of environmental sciences，2010，22(11)：1683-1690.

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(责任编辑沈蓉)

Study on Nitrogen Emissions Evaluation and Nitrogen Reduction Potential:A Case Study of Zhejiang

Lyn Yue1，2，Chen Zhongqing1，2

(1.School of Civil Engineering，Shaoxing University，Shaoxing 312000，China；2.Centre of Rock Mechanics and Geological Disaster，Shaoxing University，Shaoxing 312000，China)

Abstract：Based on concentrated traffic industry and intense agriculture in Zhejiang province and taking the nitrogen(N)emissions from human life as the breakthrough point，the temporal trend of N emissions，N reduction potential，the scale of each province，and the driving factors of N emissions were studied.The results indicate that:Hangzhou，Ningbo，Wenzhou，Jiaxing，Huzhou，Shaoxing and Jinhua are high N emissions areas；Hangzhou，Ningbo，Wenzhou and Jiaxing are the areas with largest scale of N reduction，which had a strong pull power to reduce N emissions in Zhejiang；Enhancing environmental governance and research investment intensity，optimizing the structure of consumption，industry and opening-up foreign trade，and controlling reasonably industrialization level have positive effect on reducing N emissions.

Key words:Nitrogen emissions；Nitrogen reduction potential and size；Driving factor；Zhejiang province

基金项目：绍兴文理学院科研启动项目(20145013、20155010)。

收稿日期：2015-10-08

作者简介：吕越(1982-)，女，浙江绍兴人，博士，讲师；研究方向：生态环境与可持续发展。

中图分类号:X32

文献标识码:A