北京市典型农业区域大气环境氨浓度动态变化分析

董婧,孙长虹,王永刚*，王旭，李明蔚，伍娟丽

1.北京市环境保护科学研究院，北京 100037 2.国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037 3.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084



北京市典型农业区域大气环境氨浓度动态变化分析

董婧1,2,3,孙长虹1,2,王永刚1,2*，王旭1,2，李明蔚1,2，伍娟丽1,2

1.北京市环境保护科学研究院，北京 100037 2.国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037 3.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084

2015年对不同季节北京市某农业区域大气环境氨浓度进行了监测分析，结果表明：养殖场和有机肥料厂为农业区域内最重要的氨排放源，其厂界下风向氨的最高浓度分别可达3.52和4.27 mg/m3。农业区域内大气氨浓度季节性和昼夜变化明显，夏秋季节高，冬春季节低；午后高，夜间低。农业区域内日间大气氨浓度由高到低依次为有机肥料厂、养殖场、农田、道路、居住区、林地；夜间有机肥料厂和养殖场的大气氨浓度依旧较高，但影响范围显著降低，农田、居住区和道路附近大气氨浓度显著降低。农业区域内居住区周边大气氨浓度远低于GB 14554—93《恶臭污染物排放标准》，并不会对人体造成影响。

氨；农业源；养殖场；有机肥料厂；农业区域；北京市

农业区域是指以从事农业生产为主的地区。北京市农业区域主要分布在城六区以外的远郊区县，区域内有农业生产和生活的各种地域，包括畜禽养殖场、有机肥料厂、农田、林地、居住区以及街区道路等。顺义区是北京市的典型农业区域，是畜禽养殖和种植业发达的区县之一，其规模化猪、肉牛、肉鸡养殖量分别占全市规模化养殖总量的28.7%、22.2%和17.2%。顺义区畜禽养殖粪便排放量占全市的17.3%，氨排放量占全市的20.1%。顺义区的总种植面积占全市的15.4%。

农业区域包括了大气氨的主要排放源，如养殖业、种植业、交通源和生活源等，笔者主要考察了农业区域内不同排放源和用地性质地区大气氨浓度水平及动态变化，分析排放源的污染特性，以期为后续氨减排和污染控制工作的开展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 监测点概况

为考察不同季节、不同时间大气环境氨浓度的变化，选取北京市顺义区某镇不同用地类型进行采样监测，监测点共24个，分别布设在养殖场周边、有机肥料厂周边、农田、林地、道路、居住区(图1)。养殖场选择镇上5家规模化养殖场，其中包括4家养猪场和1家奶牛场(养殖场1～5)。养殖场周边监测点布设于厂界下风向5 m处，平行布设3个监测点，采样高度为1.5 m。有机肥料厂年产有机肥约2×104t，堆肥原料主要有猪粪、鸡粪和蘑菇渣，采用好氧堆肥方式生产有机肥，监测点布设于厂界下风向5 m处，与养殖场周边布点方式相同，平行布设3个监测点，采样高度为1.5 m。当地农田主要种植玉米和小麦，在夏冬季收获，监测点布设于农田边缘下风向处(监测点2、9、12、13、15、16)。林地选取种植杨树为主的人工林地，监测点布设在林地中(监测点1、11、17、18)，采样高度为1.5 m。道路选取当地主干路，该道路中间不设隔离护栏，也不区分人行道与机动车道，监测点布设于道路旁，临近绿化带(监测点3、5、6、14)。居住区的监测点布设在村镇中心位置(监测点4、7、8、10)。2015年对24个监测点进行监测分析，考察春夏秋冬四季不同属性地区大气环境氨浓度动态变化。采样选择在风速不超过3 m/s的静风或微风天气，以尽量避免风速对大气氨浓度的影响。

图1 监测点分布Fig.1 Distribution diagram of monitoring sites

1.2 样品的采集和分析

大气环境氨样品的采集使用液体吸收法，通过大气采样器(AMAE，EM-1500)进行采样，每天等间隔采样4次，采样时间分别为02:00、08:00、14:00、20:00。样品的氨浓度检测分析使用纳氏试剂分光光度法(UNIC，UV-2100)进行。

2 结果与讨论

2.1 养殖场周边大气氨浓度变化

养殖场是农业区域内重要的氨排放源。2015年四季大气氨浓度的监测结果(取15个监测点的平均值)如图2所示。由图2可见，养殖场周边大气氨浓度有着显著的季节性变化，夏季最高，秋季次之，冬季最低。春夏秋冬四季养殖场周边大气氨浓度的日间变化规律一致，早晚大气氨浓度较低，午后最高。大气氨浓度的季节性变化和日间变化规律主要与温度相关，温度对氨挥发的影响是多方面的：在一定范围内升高温度可以促使液相中氨态氮和铵态氮的平衡向氨态氮的方向迁移；温度升高有利于增加氨的扩散速率；对养殖场尿素具有分解作用的脲酶，其活性随温度的升高而增加，使氨氮产生量随之增加[8]。因此，养殖场周边大气氨浓度在夏季午后最高，为3.52 mg/m3。畜舍内、粪便处理过程的氨气排放量主要受到畜舍结构、粪污清理和饲喂管理方式、环境温度、饲养阶段以及饲料和粪尿成分等的影响[9]。畜舍氨浓度随养殖量、季节、通风方式、清粪方式等不同有较大变化，通常氨排放浓度为0.5～50 mg/m3[10-12]。

图2 养殖场周边大气氨浓度变化Fig.2 Variation of the ammoina concentration arround livestock farm

根据GB 3095—2012《环境空气质量标准》农村地区在环境空气功能区分类属于二类地区，GB 14554—93《恶臭污染物排放标准》二类区内执行二级排放标准，1994年6月1日新扩改建的企业厂界标准值是对无组织排放源的限值，对氨气的厂界值为1.5 mg/m3，而夏季和秋季全天养殖场厂界氨平均浓度分别为2.52和1.51 mg/m3，普遍高于排放标准，四季午后厂界氨平均浓度也高于排放标准限值。因此养殖场是重要的氨排放源。

式中，1(k+1)=(x0(1)-(z/a))e-ak+(z/a)(k=1,2,…,n)为时间响应函数对应的序列模型，其中x0(1)为非线性原始数据序列X0=(x0(1),x0(2),…,x0(k))的初值，a为发展灰数，z为内生控制灰数[12]。

2.2 有机肥料厂周边大气氨浓度变化

有机肥料厂是农业区域内重点氨排放源。在堆肥过程中，氨挥发是氮损失的主要途径[8]。在猪粪的堆肥过程中，氨挥发损失的氮占氮损失总量的80%[13]。以牛粪为堆肥原料，在整个堆肥过程中氨挥发损失的氮占总含氮量的20%～50%[14]。因此，考察有机肥料厂周边大气氨浓度随时间的变化具有重要意义。

2015年四季有机肥料厂大气氨浓度的监测结果如图3所示。由图3可见，厂界下风向大气氨浓度在夏季午后最高，为4.27 mg/m3。与养殖场周边的大气氨浓度变化规律相同，夏季有机肥料厂周边大气氨浓度最高，冬季最低(0.55 mg/m3)。春季的浓度也相对较高，这是由于春季是农作物施肥的高峰期，有机肥料厂翻堆生产更加频繁，因此有机肥料厂周边大气氨浓度也会有所提高。有机肥料厂翻堆生产春夏季一般1 d 1次，而秋冬季节由于气温较低，一般2～3 d翻堆生产1次。以猪粪进行条垛堆肥在高温期氨排放通量最高，而且翻堆频率增加会导致氨气排放的增加[15]。由于氨气主要是在原料堆存和发酵生产过程中产生的，春夏季气温较高的原料露天堆存过程挥发的氨气较高，导致厂界外大气氨浓度升高；有机肥料厂生产过程中，通常上午09:00左右开始翻堆，由于厂房不密闭，导致大量的氨气溢出，进而导致中午前后厂界外大气氨浓度显著提高。

图3 有机肥料厂周边大气氨浓度变化Fig.3 Variation of the ammoina concentration arround fertilizer factory

有机肥料厂厂界的氨排放浓度在春季、夏季和秋季除凌晨外，其余时间段均远高于GB 14554—93的厂界二级标准值(1.5 mg/m3)。春季、夏季和秋季全天氨的厂界平均浓度分别为2.37、2.92和1.81 mg/m3，均高于GB 14554—93的厂界浓度限值。因此，有机肥料厂也成为重点的氨排放源。

2.3 农田周边大气氨浓度变化

农田在农业区域内所占面积最多，冬小麦-玉米轮作农田周边大气氨浓度变化如图4所示。由图4可见，与有机肥料厂和养殖场相比，农田周边氨浓度非常低，最高值不超过0.15 mg/m3。农田周边氨浓度季节差异明显，秋季最高，夏季次之，春季最低(0.02 mg/m3)；日间变化与温度密切相关，午后浓度最高。农田周边大气氨浓度的季节性变化与多种因素相关，如温度、降水、施肥情况、作物种植及生长情况。农田大气氨主要来源于土壤和作物的氨挥发。氨挥发是土壤中氮肥气态损失的重要途径[16]。夏季传统的玉米种植施氮方式氨挥发率高于40%[17]。肥料类型、土壤含水率、施肥深度等均对土壤氨挥发特征有重要影响[18]。冬小麦体内的氮素累积量在开花期达到高峰，此后开始减少，在成熟期氨挥发速率和数量成倍升高；氮减少量可达高峰期累积量的20%～40%[19]。

图4 农田周边大气氨浓度变化Fig.4 Variation of the ammoina concentration at cropland site

2.4 道路周边大气氨浓度变化

道路周边大气氨浓度变化如图5所示。由图5可见，道路周边大气氨浓度最高值可达0.11 mg/m3，最低值为0.02 mg/m3，平均值约为0.06 mg/m3。北京市北五环路边的氨浓度为6.4～32.2 μg/m3[20]。农业区域的主干道路，车流量虽然不大，但大多为货运汽车，其尾气排放浓度较高，导致该区域的大气氨浓度相对较高。

图5 道路周边大气氨浓度变化Fig.5 Variation of the ammoina concentration at avenue

交通源氨排放也存在着明显的季节变化，夏季浓度高于冬季，北京地区夏季的气温最高，交通源附近的氨浓度也最高。Ianniello等[21-22]的研究表明，交通源附近PM2.5浓度一般较高，大气中氨浓度与PM2.5呈显著相关。

2.5 居住区周边大气氨浓度变化

居住区周边大气氨浓度变化如图6所示。由图6可见，居住区一天中大气氨浓度最高值出现在午后，这是由于此时气温较高且人类活动较多，浓度最高值为0.13 mg/m3，最低值为0.03 mg/m3，平均值为0.08 mg/m3。夏、秋季浓度略高。居住区的氨排放来源于人类生活，由于农业地区居住区不仅存在畜禽的分散养殖，也包括车辆等交通源的排放，同时还包括污水存储等人为源氨排放。

图6 居住区周边大气氨浓度变化Fig.6 Variation of the ammoina concentration at residential district

由于环境空气质量标准中没有关于大气氨污染物限值的规定，在环境影响评价中普遍采用TJ 36—79《工业企业设计卫生标准》中居住区大气氨最高容许浓度0.2 mg/m3。居住区内或居住区附近没有重点的氨排放源，大气中的氨浓度较低，四季中大气氨浓度最高值没有超过0.2 mg/m3，不会对人体健康产生影响。

2.6 林地周边大气氨浓度变化

图7 林地周边大气氨浓度变化Fig.7 Variation of the ammoina concentration at forest land

2.7 大气氨浓度时空分布

应用ArcGIS软件中反距离权重插值法绘制出某镇日间及夜间大气氨浓度的空间分布，如图8所示。由图8可见，农业区域大气氨浓度分布存在规律性变化。日间，由于养殖场和有机肥料厂是最主要的氨排放源，其周边的氨浓度远高于其他排放源，同时其排放的氨气可以对周边区域产生较大的影响，大气氨浓度的分布以养殖密集区域(养殖场和有机肥料厂)为中心向外扩散、逐渐降低，大片农田地区浓度也相对较高，偏远的林地区域浓度相对较低。日间大气氨浓度由高到低依次为养殖场和有机肥料厂、农田、道路、居住区、林地。夜间，氨排放源养殖场、有机肥料厂周边大气氨浓度依然较高，但其影响的程度均显著降低，农田、居住区和道路附近大气氨浓度显著降低。

图8 日间和夜间大气氨浓度空间分布Fig.8 Spatial distribution of ammonia concentration in daytime and night

农业区域内居住区和生产区没有明显的界限区分，通常养殖场、农田等氨排放源距离居住区很近，会对居民的生活和身体健康产生影响。

对照图1和图8发现，受养殖场和有机肥料厂氨排放影响，养殖场1、3、5和有机肥料厂周边建设用地区域的大气氨浓度较高。农业区域内的密集居住区基本远离养殖场和有机肥料厂这类重点的氨排放源，因此居住区内大气氨的来源并不是养殖场和有机肥料厂，而是周边道路和人类活动所产生的氨气。

3 结论

(1)北京市典型农业区域不同属性的地区大气环境氨浓度有较大差别，养殖场、有机肥料厂是重点的氨排放源，其周边大气氨浓度与季节变化、时间变化、以及生产规律显著相关，大气氨浓度均为夏季午后最高，冬季最低。养殖场和有机肥料厂周边大气氨浓度最高值分别为3.52和4.27 mg/m3。

(2)农田、道路、居住区和林地周边大气氨浓度在秋季午后最高，分别为0.15、0.11、0.13和0.09 mg/m3。

(3)日间大气氨浓度由高到低依次为有机肥料厂、养殖场、农田、道路、居住区、林地；夜间，养殖场附近大气氨浓度依然较高，农田、居住区和道路附近大气氨浓度显著降低。

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Dynamics of atmospheric ammonia concentrations over representative agricultural region in Beijing

DONG Jing1,2,3, SUN Changhong1,2, WANG Yonggang1,2, WANG Xu1,2, LI Mingwei1,2, WU Juanli1,2

1.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China 2.National Engineering Research Center for Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037, China 3.Institute of Nuclear and Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China

The spatial-temporal variability of ammonia in the atmosphere over representative agricultural region in Beijing during 2015 was monitored. The results showed that the livestock farm and fertilizer factory are both the most important ammonia sources in agricultural region, with the highest ammonia concentrations reaching 3.52 and 4.27 mgm3at the downwind of the fence line, respectively. The ammonia concentrations at agricultural region presented significant difference between seasons as well as day and night, which were higher in summer and autumn, and lower in winter and spring, meanwhile higher at afternoon and lower at night. During the daytime, the ammonia concentrations present descending order at fertilizer factory, livestock farm, cropland, avenue, residential district, and forest land. At night, the ammonia concentrations were still high at fertilizer factory and livestock farm, but the affected scope was significantly reduced, while the ammonia concentrations obviously decreased at cropland, residential district, and avenue. The ammonia concentrations at residential district in the agricultural region were much lower than theEmissionStandardsforOdorPollutants, and would not affect human health.

NH3;agricultural source;livestock farm;fertilizer factory;agricultural region;Beijing

2016-08-31

北京市自然科学基金项目(8164054)；北京市环境保护局科研项目；中国博士后科学基金项目(2015M581018)

董婧(1984—)，女，助理研究员，博士，主要从事畜禽养殖业污染治理研究，dongjing1098@sina.com

*责任作者：王永刚(1978—)，男，副研究员，主要从事环境污染控制技术研究，edward8848@163.com

X511

1674-991X(2017)03-0262-06

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.03.038

董婧,孙长虹,王永刚，等.北京市典型农业区域大气环境氨浓度动态变化分析[J].环境工程技术学报,2017,7(3):262-267.

DONG J, SUN C H, WANG Y G, et al.Dynamics of atmospheric ammonia concentrations over representative agricultural region in Beijing[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(3):262-267.