畜禽养殖氨排放清单研究现状与实证

王文林，童 仪，杜 薇，高 岩，刘 筱，关 雷，曾杰亮，范军旗，吴 琼，李文静，何 斐，刘 波①，赵学涛②

(1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042;2.南通大学地理科学学院，江苏 南通 226007;3.环境保护部环境规划院，北京 100012)

氨(NH3)作为大气中唯一的碱性气体，在大气化学和气溶胶形成过程中起着重要作用，对酸沉降、能见度和水体富营养化等都有直接或间接的影响，特别是在雾霾形成中扮演着重要角色[1-3]。氨与二氧化硫、氮氧化物形成细颗粒物(PM2.5)的重要前体物[4-6]，同时在气态氨参与下会加快细粒子的生成速度[7-9]。由此可见，从源头上控制氨的排放，对降低大气二次无机盐和PM2.5浓度水平，控制雾霾污染，大幅提升环境空气质量显得尤为重要[10]。国内外氨排放研究结果表明，畜禽养殖是大气氨的主要排放源。欧洲畜禽养殖氨排放量占总排放量的74%以上[11]，美国56%的氨排放来自于畜禽养殖，亚洲日本畜禽排泄物释放量占人为源氨排放量的64.3%[12]，我国畜禽养殖氨排放量占总排放量的54.06%[13]。可见，控制畜禽养殖业氨排放对于削减人为源氨排放起到关键作用，进而对改善空气质量有着重要意义。

畜禽养殖氨排放清单是氨排放源在一定的时间跨度和空间区域内向大气中排放的大气污染物量的集合，制定科学准确的氨排放清单，是有效控制畜禽养殖氨排放的前提和基础。大气氨排放清单作为空气质量模型的重要输入参数，可以协助分析大气污染物的时空特征，弥补监测在时空分辨率上的不足[14]。基于大气氨排放清单，结合空气质量模型，定量评估不同氨排放控制水平下的细粒子污染状况，可为制定有效的氨减排政策提供技术支持和科学依据。笔者就现有畜禽氨排放清单进行系统总结，结合实测数据分析中国本土化氨排放清单存在的问题并提出建议，旨在为中国开展本土化畜禽养殖氨排放清单编制及氨污染控制提供参考。

1 畜禽养殖氨排放清单研究现状

1.1 畜禽氨排放清单编制方法概述

1.1.1整体系数法(total factor method)

畜禽养殖的第一个氨排放清单计算方法(整体系数法，图1)是由Buijsman在1987年提出的，其主要基于畜禽氨排放源的排放因子(单位畜禽氨排放系数)和养殖活动水平(畜禽养殖数量)这两个因素。以单个(只)畜禽的氨排放系数乘以对应畜禽的养殖数量(活动水平)获得区域该种畜禽养殖氨排放量[12]。基于氮元素流核算思想，此方法认为氨大多由畜禽粪尿中总氨态氮〔即粪尿中可以转化为NH4+和NH3的一切铵态化合物，total ammoniacal nitrogen(TAN)〕所释放而来的，通过核算畜禽粪便中TAN分解量，结合氨挥发率核算氨排放量，并将氨排放量分摊至单位牲畜量得到每头动物的氨排放系数，区域畜禽养殖数量则主要通过统计数据获取。该方法运用简便，数据简单，但忽略了如栏舍、粪污处理、还田等不同氨排放节点因动物粪便理化性质改变而导致TAN变化及氨挥发率变化，从而导致氨排放系数精度不高，进而影响区域氨排放量测算结果。

1.1.2阶段系数法(stage factor method)

为解决不同氨排放节点因动物粪便理化性质改变而导致TAN变化及氨挥发率变化的问题，阶段系数法(图1)应运而生，考虑了放牧、圈养、粪肥管理和粪肥播散4个阶段排放因子差异，即根据不同氨排放节点动物粪便TAN量及氨挥发率核算不同阶段氨排放量，并将氨排放量分摊至单位牲畜量得到每头动物在不同阶段的氨排放系数。整体系数法养殖活动水平只需获取区域畜禽养殖数量，而阶段系数法还需获取区域内栏舍类型、粪污处理和粪污还田等情况，以便于分别计算各排放节点区域氨排放量，最终获取区域总氨排放量。

阶段系数法中氨排放系数核算历经两个发展历程。首先，以MSAT模型为例，直接独立利用养殖场不同氨排放节点动物粪便的氨挥发率核算氨排放系数[15]，即以养殖场不同管理阶段氨排放因子代替每头动物的排放因子。在计算过程中各环节排放是相互独立的，排放总量是各环节的线性和。该方法无法体现畜禽养殖粪尿处理过程的连续性，不能反映养殖过程中粪尿理化性质连续变化而导致动物粪便TAN及氨挥发率的变化情况，所以其对养殖场在早期环节(如栏舍环节)添加氨减排措施而带来的后期(存储处理、还田环节)氨减排潜力的识别力低。为此，有学者提出利用氮从饲料摄入到贯穿整个粪污管理过程的清单方法，即氮物质流方法，这显著提升了阶段系数法的核算精度。阶段系数法最先在欧盟区域得到运用，如欧盟梳理了主要畜禽种类粪尿的全氮含量，基于典型养殖模式及氮物质流，规定了栏舍、粪污处理及还田等连续养殖过程粪尿中TAN量及氨挥发率，提出了栏舍、粪污处理及还田等过程的氨排放系数[16]4-13。

在阶段系数法运用过程中，围绕阶段系数法的氨排放节点动物粪便TAN量及氨挥发率的获取问题，各国(区域)根据实际应用需求进行本土化修正。如根据畜禽年龄大小进行更细致的分类，添加温度因素对氨排放的影响，考虑粪污存储过程中氮矿化和固化作用以及N2、NO和N2O等非氨气排放的损失过程等，最终在各环节对TAN量及氨挥发率进行调整，显著提高了各氨排放节点TAN量及氨挥发率的精度，从而提升各节点氨排放系数的准确性。但是，由于该方法的养殖活动水平基量数据较整体系数法获取难度显著增大而降低了效率(表1)。

图1 氨排放清单编制方法示意

表1氨排放清单编制方法比较

Table1Comparisonofthemethodsofammoniaemissioninventory

方法类型适用条件优点缺点精度整体系数法缺乏系统的畜禽活动水平基量数据、主流养殖品种或区域内非主流养殖品种数据应用简便,应用范围较广排放系数精度不高低阶段系数法 基本方法畜禽活动水平基量数据较为完备的畜禽品种获取各节点氨排放系数,提升了区域清单核算准确性养殖活动水平基量数据获取难度较大高 本土化修正畜禽养殖活动基量数据非常完备的畜禽品种提升各节点氨排放系数准确性,本土情况得以体现养殖活动水平基量数据获取难度大,设计复杂,操作难度大最高

1.2 国内外畜禽氨排放清单应用情况

1.2.1欧盟

早在2001年，欧盟颁布了《大气污染物国家排放限值指令》(2001/81/EC)，并于2006 年进行修订。该指令直接确定了欧盟氨气的排放总量和各国分摊目标，要求28个成员国的氨排放总量限值不超过429.4万t。为此，《EMEP/EEA大气污染物排放清单编制指南》[16]14-33规定了畜禽氨排放清单的编制方法，并于2013和2016年更新过两次。该指南中畜禽氨排放清单制定方法包括整体系数法和阶段系数法(含本土化修正阶段系数法)，用于指导本区域的氨排放清单编制工作。由于各成员国发展水平不同，如东欧各国缺乏系统的畜禽活动水平基量数据，往往选用整体系数法核算本国畜禽氨排放量；阶段系数法由于已经给定了畜禽养殖场养殖过程各阶段畜禽粪便中TAN量及氨挥发率，只要各国具备对应的畜禽活动水平数据，一般都会选用此法，因此在欧盟内部应用最为广泛；而对于畜禽养殖活动水平统计非常完备的国家，为提高清单核算精度，对氨排放系数进行本土化修正。

在本土化系数修正过程中，各国主要针对氮排泄量、TAN产生量及各个环节的氨挥发率与氮其他损失过程进行修正以精确化本国的清单模型。在栏舍与放牧环节，英国MAST模型[17]通过增加测定频次(8次·d-1)获取准确的畜禽排泄量，但在提高模型准确性的同时增加了数据获取的难度，降低了使用效率。荷兰MAM模型[18]针对放牧动物(牛、羊等)提出氮排泄量与栏舍和放牧时间的非线性关系，同时提出了温度、湿度和环境风速等因子与氨挥发率的关系。丹麦的DanAm模型[19]辨析了反刍动物与非反刍动物氮排泄量差异，为两者提供不同氨排放因子；该模型为了解决温度变化对氨排放影响的问题，根据丹麦气象的平均状况得出春、夏、秋、冬这4个季节性排放因子。在粪污存储处理环节，荷兰FARMMIN模型[20]增加了硝酸盐淋溶流失的非氨损失环节，英国NARSES模型[21]和德国GASeous Emissions模型[22]增加了氮的矿化过程和固化过程对氨损失的作用，欧盟IPCC模型对存储环节中非氨损失进行了估算。在粪污还田环节，丹麦CEC模型[23]增加了土壤阳离子交换对氨损失的作用，英国MAST模型针对不同的粪肥还田模式(粪肥的表施与注施)提出相应的氨排放系数。

1.2.2美国

目前，美国正在使用2004年美国环境保护局编制的《畜牧业氨排放清单草案》[24]中提出的估算方法，采用整体系数法和本土化修正的阶段系数法相结合的方式，如绵羊、山羊、马等非主流养殖品种采用整体系数法，直接给出单位畜禽氨排放系数，根据养殖数量核算区域氨排放量；而生猪、奶牛、家禽和肉牛等主流养殖品种则采用本土化系数，根据本国实际情况对栏舍、粪污处理和粪污还田进行细致划分，并提出粪尿中TAN量及氨挥发率，可计算不同阶段的氨排放系数。

美国本土化修正的阶段系数法中以AEIFA模型最具代表性[25]。该方法类似于欧盟方法，通过调查不同养殖方式和粪便管理模式的畜禽年均数量，结合氮排泄率计算总量，再针对不同管理环节给出氨排放因子，最终计算得到氨排放量。该模型对时间和空间精度进行了部分修正，将以月为单位的农村层面活动水平和排放因子等数据应用于氨排放清单中，一定程度上提高了氨排放清单的模型适用性和准确性。

1.2.3中国

中国有关氨排放清单的研究起步较晚，始于20世纪90年代中后期[26]。2005年之后研究者开始对国家尺度及区域尺度的氨排放分布或氨排放清单的建立有了初步研究[27]，近年来氨排放清单研究逐渐受到关注[28-31]。但此类研究大多直接采用国外已有的估算方法及排放因子，还不能较准确地反映中国氨排放现状[32]。同时，近年来有些学者借鉴国外的研究方法，结合中国实际情况，对某些主要氨排放源的排放因子进行修正研究，开始尝试本土化排放因子研究。在畜禽氨排放清单研究方面，杨志鹏[33]结合国内的相关研究，对畜禽氮排泄量做了修正，并根据畜禽粪尿碳氮比来修正粪污的氨挥发率。刘东等[34]针对我国主流畜禽养殖品种，对氮排泄量进行了本土化修正，同时增加了栏舍地面结构、粪污处理方式因子研究其对氨排放的影响[35-36]。

中国环境保护部于2014年发布了《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》(以下简称中国指南)，旨在为中国本土的氨排放清单计算提供规范，以指导各省、市(县)、区域开展大气氨源排放清单编制工作。中国指南采用本土化系数法，依据欧盟的阶段系数法，立足于我国畜禽养殖情况，对主要畜禽品种年龄进行了更细致的分类，包含奶牛、肉牛、猪、羊、鸡、鸭、鹅和马等 21 种畜禽种类；划分了散养、集约化养殖和放牧养殖3类养殖模式，以及户外、圈舍内、粪便存储处理和后续施肥4个养殖阶段；提出了户外、圈舍-液态、圈舍-固态、存储-液态、存储-固态、施肥-液态和施肥-固态共7类氨排放系数。考虑到中国地域辽阔，通过增加温度因子研究其对栏舍氨排放的影响，同时在粪污存储过程中增加N2、NO和N2O等非氨气排放损失影响因子，由此提出了养殖过程中各氨排放节点如栏舍、粪污处理过程、还田等过程中TAN量及氨挥发率。此外，也提出在清单制定过程中如有地方TAN量及氨挥发率等监测数据应优先使用，从而有效提高了清单准确性及适用性。

2 畜禽养殖氨排放清单应用实证

2.1 实证方法

以陈园[37]2016年对上海市奉贤区某典型集约化规模化养猪场栏舍及粪污存储环节的实测氨排放系数为验证对象。在阶段系数法基本方法的选取上，考虑到欧盟推荐的EEA方法目前在国际上运用广泛，而指南方法是目前中国官方推荐的本土化修正阶段系数法，故选择上述两个方法与实测结果进行对比。实证养猪场概况[37]：年出栏量为2.5万头，存栏量为1.3万头，育肥猪体重为42～85 kg；栏舍通风方式为自然通风，地面类型为水泥实心地面，清粪方式为干清粪；粪污处理方式为液态厌氧发酵、固态堆肥。根据该养殖场养殖特征，代入欧盟《EMEP/EEA大气污染物排放清单编制指南》中的阶段系数法(基本方法，以下称EEA方法)和中国指南方法(本土化修正的阶段系数法)规定的集约化养殖场相关参数，分别核算氨排放系数，即通过畜禽氮排泄量乘以TAN转化率核算畜禽粪尿中TAN量，再根据粪污固液比将总TAN量分为固、液两类，进而乘以栏舍氨挥发率得到栏舍氨排放量。在存储处理环节，根据栏舍内剩余TAN量乘以存储处理环节氨挥发率，核算存储处理环节氨排放系数，最后，将其与实测系数进行比较并分析差异。

EEA方法与中国指南方法中栏舍氨排放系数核算公式如式(1)～(4)，粪污存储环节氨排放系数核算公式如式(5)～(7)，参数取值见表2。

E栏舍=E栏舍-液态+E栏舍-固态，

(1)

E栏舍-液态=QTAN,室内×X液×F栏舍-液态×γ，

(2)

E栏舍-固态=QTAN,室内×(1-X液)×F栏舍-固态×γ，

(3)

QTAN,室内=QTN,室内×η。

(4)

式(1)～(4)中，E栏舍为栏舍环节单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；E栏舍-液态为栏舍环节液态粪污单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；E栏舍-固态为栏舍环节固态粪污单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；QTAN,室内为单位牲畜粪便铵态氮总量，kg·头-1·a-1；X液为液态粪肥质量占总粪肥质量的比例，%；F栏舍-液态、F栏舍-固态分别为栏舍室内环境下液态、固态粪便的氨挥发率，%；γ为畜禽养殖业氮-大气氨转换系数；QTN,室内为单位牲畜粪便氮排泄总量，kg·头-1·a-1；η为TAN转化率，即养猪业粪便氮排泄量中总铵态氮比例，%。

E存储=E存储-液态+E存储-固态，

(5)

E存储-液态=[QTAN,室内×X液×(1-F栏舍-液态)]×F存储-液态×γ，

(6)

E存储-固态=[QTAN,室内×(1-X液)×(1-F栏舍-固态)]×F存储-固态×γ。

(7)

式(5)～(7)中，E存储为存储环节单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；E存储-液态为存储环节液态粪污单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；E存储-固态为存储环节固态粪污单位牲畜氨排放系数，kg·头-1·a-1；F存储-液态、F存储-固态分别为存储室内环境下液态、固态粪便的氨挥发率，%。

表2EEA方法和中国指南方法依据的参数

Table2ParametersofEEAmethodandChineseguidemethod

方法QTN,室内/(kg·头-1·a-1)η/%X液/%F栏舍/%F存储/%F取值范围γEEA12.170502814固态1.2142745液态中国指南9.271)705018.53.8育肥猪>75 d,固态,10～20 ℃1.21418.54.6育肥猪>75 d,液态,10～20 ℃

QTN,室内为单位牲畜粪便氮排泄总量；η为TAN转化率；X液为液态粪肥质量占总粪肥质量的比例；F栏舍为栏舍室内环境下粪便的氨挥发率；F存储为存储室内环境下粪便的氨挥发率。1)根据中国指南本土化建议，QTN,室内取值来源于《第一次全国污染源普查产排污系数手册》华东区系数。

2.2 实证结果

养猪场氨排放系数实证结果见表3[37-39]。

表3养猪场氨排放系数实证结果

Table3Empiricalresultsofammoniaemissioncoefficientinpigfarms

方法氨排放系数/(kg·头-1·a-1)栏舍环节1)存储环节3)EEA2.832.21中国指南1.460.28实测[37]1.39～1.902)0.40～0.684)

1)热压通风法[38]测定；2)2016年春季(测定时平均气温为18.5 ℃)育肥猪舍实测结果；3)水平通量法[39]测定；4)2016年春季粪污存储设施实测结果。

由表3可知，按EEA方法核算的栏舍、存储环节氨排放系数显著高于中国指南核算结果和实测结果，栏舍环节氨排放系数高0.5～1倍，存储环节氨排放系数高2.2～6.9倍；中国指南核算结果与实测结果大致接近，其中，栏舍环节氨排放系数在实测范围内，存储环节氨排放系数略低于实测结果。

3 讨论

目前普遍采用的氨排放清单方法多是基于氮物质流模型构建的，畜禽排泄物中TAN以及TAN在各排放节点氨挥发率的准确测算是决定清单精度的关键问题。实证结果表明如果直接引用EEA方法核算中国区域畜禽养殖氨排放量可能会导致结果偏大，由于畜禽粪便TAN量是通过粪便氮排泄量乘以TAN转化率获得，EEA方法核算结果较高主要与其较高的粪便氮排泄量和各节点氨挥发率相关(表2)。欧盟与中国在畜禽饲养种类、饲料构成、规模化集约化程度、粪污处置方式及气候条件等方面均存在差异[19,21]，欧盟饲养猪种主要为切斯特白猪、蓝德瑞斯猪、波中猪等，而这些品种在中国并没有大规模饲养[40]。此外，饲料粗蛋白含量不同等均会导致畜禽氮排泄量差异。欧盟畜禽养殖集约化规模化水平显著高于中国，栏舍多为封闭机械通风模式[41]，舍内环境自动化控制程度高，粪污处理多为存储后直接还田[42]；而中国栏舍多为自然通风模式[36]，舍内温湿度等重要氨排放影响因子易受外界影响[41]，粪污处理则多通过厌氧发酵、堆肥等方式处理后还田，这些均导致各环节氨挥发率存在较大差异。

中国指南核算结果与实测结果大致接近，主要与中国指南对于关键参数进行本土化取值相关，中国指南提出了参数应优先选取中国本土测量的结果，其次也可采用国外同等条件下的测试结果，最后也可直接使用指南推荐值，如实证研究中粪便氮排泄量即采用了《第一次全国污染源普查产排污系数手册》华东区系数，从而有效提高了清单的准确性及适用性。但是由于氨排放因子测量的专业性和困难性，中国畜禽养殖业氨排放因子实测研究较少。由于缺乏相关实测资料，中国指南粪便氨挥发率推荐值大多还是参考国外同等条件下的实测结果。以猪为例，栏舍环节氨挥发率引用了国外学者[19,43-45]的实测结果，粪污处理环节氨挥发率引用了英国学者Webb的相关研究成果[46]，且实证研究中中国指南各环节氨挥发率推荐值适用温度为10～20 ℃(表2)，由于实测平均温度为18.5 ℃，接近上限，这些都可能导致中国指南核算结果特别是易受外界气候影响的存储环节氨排放系数略低于实测结果。此外，由于缺乏标准氨排放监测方法[47-48]，实地监测主要采用浓度实测、通风量模型估算方式核算氨排放通量及系数[37-38,49]，其结果往往也存在不确定性。

清单是氨排放源在一定的时间跨度和空间区域内向大气中排放的大气污染物量的集合，除氨排放系数外，畜禽养殖活动水平基量数据也非常重要。中国指南较全面地考虑了全国畜禽种类、养殖模式和养殖阶段等影响氨排放的主要因素，其系数核算的系统性非常完备。而中国畜禽养殖活动水平数据中目前最为系统的农业普查数据，仅包含生猪、能繁殖母猪、肉牛、奶牛、肉鸡、蛋鸡等主要养殖品种的存、出栏量及粪便产生储存处理信息，与中国指南完备的排放系数体系匹配度不高，养殖活动水平数据的缺乏严重制约了区域畜禽养殖氨排放清单的制定工作。

4 展望

建议加强清单基础核心参数的本土化研究。在充分识别中国养殖模式和暴露节点的基础上，根据中国各区域自然环境特征与养殖模式特点，重点围绕暴露节点氨排放影响因素，如环境因素(温度、湿度)、栏舍结构、清粪方式、粪污处理方式和还田方式等，针对畜禽排泄物中TAN量、氨挥发率和非氨挥发率等基础核心参数开展实测研究。此外，还应考虑栏舍内其他氨释放源对氨排放的影响，如饲料、动物活动等，通过实测获取栏舍其他氨排放源参数。辨析母猪(空怀和妊娠母猪)、肥猪(仔猪、保育猪和育肥猪)不同养殖阶段氨排放关系。通过辨析上述参数特征，为中国指南本土化参数取值提供科学依据。

建议进一步优化清单参数结构。考虑到中国农业普查数据、中国环境统计数据现有结构数据目前还难以满足中国指南核算需求的问题，今后应针对不同畜禽品种开展氨排放实测研究，根据畜禽养殖品种对氨排放贡献程度，优化清单氨排放系数结构，使之与农业普查数据和环境统计数据相匹配。由于中国地域广阔，故应根据区域的畜禽养殖模式、温度和湿度特点，探索建立分区清单，以有效提高清单适用性。