畜禽养殖氨排放系数监测布点方法研究

王文林，刘 波，贺德春，韩宇捷，杜 薇，童 仪，李文静，施常洁，戴铄蕴，田 媛，刘亚丽，罗 丹，罗开洪，吴根义①

(1.生态环境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.生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510655)

近年来，我国雾霾天气频发，氨作为大气中PM2.5形成的重要前体物，在雾霾形成中起着关键作用[1-3]。欧美发达国家PM2.5控制实践表明，在二氧化硫、氮氧化物基本得到控制的情况下，通过对气态氨排放进行同步削减，可以大幅度降低大气环境中细粒子浓度，实现环境空气质量的大幅提升[4]。研究表明，我国农业源氨排放量占人为源氨排放总量的80%以上，而畜禽养殖氨排放又是农业源氨的最主要来源[5-8]。2018年启动的第二次全国污染源普查(以下简称“二污普”)中，首次将畜禽养殖氨纳入普查。第一次全国污染源普查(以下简称“一污普”)建立了养殖场典型清粪工艺(产污因素)与处理模式(排放因素)相结合的水污染物排放系数体系及对应的普查报表制度[9]，因此，基于畜禽养殖氨排放特点，开展氨排放系数监测布点方法研究，建立与畜禽养殖水污染物普查框架下的普查报表相适应的氨排放系数体系，对于实现二污普畜禽养殖气、水协同普查目标具有重要意义。

一污普鉴于畜禽养殖污水末端排放特点，提出了养殖场整体排放系数[9]，而氨等气体污染物的排放贯穿于圈舍、粪污存储与处置各个环节[8]，氨排放系数监测布点如何满足系数代表性要求？一污普构建了全国分大区监测、按体重获取畜禽水污染物产排污系数的方法[10]，但也带来了由于系数精度较粗而导致大区间相邻县(区)同种养殖类型产排污系数差异巨大以及系数无法动态更新等问题[11]，氨排放系数监测布点如何满足系数高时空分辨率要求？在实际监测过程中，由于畜禽生长阶段不同会带来很大的结果差异[12]。此外，养殖场内存在不同育雏阶段牲畜，如育肥猪与母猪、产奶牛与育雏牛等，而排放系数一般只针对某一类畜禽，氨排放系数监测布点如何满足系数标准化、归一性要求？我国幅员辽阔，氨排放系数之间差异较大[8]，且畜禽养殖氨监测方法众多[13-14]，氨排放系数监测布点如何满足系数准确性要求？

针对上述问题，在深入分析畜禽氨排放特征及关键影响因素的基础上，结合我国畜禽养殖业生产实际，提出了基于畜禽氨分段式系数结构监测的总体思路，设计了获取氨排放与重要影响因素响应关系模型的常规监测点，获取畜禽不同生产阶段、育雏类型系数率定参数的系数率定监测点以及验证系数率定结果准确性的系数验证监测点，并进行应用，从而为第二次全国污染源普查畜禽氨排放系数监测提供技术支持。

1 畜禽氨排放系数监测布点方法构建

1.1 畜禽氨排放特征及关键影响因素分析

养殖规模按养殖场所养殖畜禽数量可分为规模化养殖和规模以下养殖户养殖。由于养殖户养殖一般为普通农户自家养殖，相比规模化养殖场，缺少必要的清粪手段与完整规范的粪污存储处理流程，其单位畜禽氨排放量较规模化养殖场更高[8]。

养殖场氨排放关键节点为圈舍与粪污存储处理设施，影响各节点畜禽养殖氨排放的因素众多。圈舍环节氨排放的影响因素主要有饲喂、环境因素、圈舍结构、清粪工艺和养殖类型[15-17]。饲料是畜禽养殖产氨的源头[18]，饲料中50%～70%的氮以粪氮和尿氮方式排出体外，所含尿素可水解为碳铵，并以氨形式挥发至大气中[19]。畜禽粪尿中的含氮物质主要是饲料中蛋白质在动物消化道中通过各种酶的作用而分解的氨基酸[20]。研究表明，氨排放量与环境温度呈正相关且与湿度呈负相关[21-22]，较高温度能提高尿酶活性，促进粪尿中含氮物质分解进而增大氨释放，氨气水溶解度很高，随着环境湿度的增加氨的释放量减小[23]。圈舍结构(指圈舍封闭程度)直接影响圈舍内外气体交换方式和通风量，一方面决定圈舍的氨直接排放量，另一方面通过对舍内温度、湿度等环境因子产生作用进而影响舍内氨的产生与排放。由于不同清粪方式(干清粪、水冲粪、水泡粪和垫草垫料)对存积在禽舍内粪尿的混合比例、暴露面积和积存周期等的影响不同，进而导致舍内氨的释放差异[24-25]。畜禽养殖类型因素主要包括畜禽类型、生长阶段和育雏关系(母猪与育肥猪，产奶牛与非产奶牛)。就不同畜禽类型、相同畜禽的不同生长阶段及育雏类型而言，由于对应的进食量、体重、日常活动、粪尿排泄量等生理过程不同，导致氨排放存在明显差异[26]。

粪污存储处理设施节点氨排放主要受处理工艺和环境因素影响[27]。粪污存储处理工艺相对应的粪污周转周期、配套设施的暴露面积和作业扰动强度存在差异，进而影响粪污氨排放。温度和湿度对粪污存储处理阶段氨排放影响同样显著[28]。

综上，对畜禽养殖氨排放影响因素进行梳理分解，畜禽养殖的氨排放主导因素可分为4类：(1)养殖规模因素，即规模化养殖与养殖户养殖；(2)养殖模式因素，主要包括圈舍结构、圈舍清粪方式和粪污处理方式；(3)环境因素，即环境温度和湿度，通风因素则被纳入圈舍结构统一考虑；(4)畜禽养殖类型因素，包括畜禽类型、畜禽生长阶段及畜禽育雏类型关系。

1.2 基于畜禽氨分段式系数结构全覆盖监测的总体思路

考虑养殖规模因素，将畜禽养殖氨排放系数分为规模化养殖场排放系数和养殖户排放系数(图1)。规模化养殖场系数包括圈舍系数、液态粪污处理设施系数和固态粪污处理设施系数，分段开展监测形成独立分段系数。养殖户氨排放系数为综合系数(圈舍加粪污处理设施)，分段开展监测形成综合系数。畜禽养殖业氨排放系数单位分为两种形式：(1)以全年出栏量(头·a-1)统计的生猪、肉牛、肉鸡的氨排放系数单位为kg·头(或羽)- 1；(2)以年底存栏量(头或羽)统计奶牛、蛋鸡的氨排放系数单位为kg·头(或羽)- 1·a-1。

考虑养殖模式因素，对不同类型圈舍、液态粪污处理设施和固态粪污处理设施进一步细分，目前我国畜禽养殖圈舍通风方式主要有封闭式和开放式，清粪方式包括人工干清粪、机械干清粪、垫草垫料、高床养殖、水冲粪和水泡粪等，液态粪污处理方式主要有肥水储存、固液分离、厌氧发酵、好氧处理、液体有机肥生产、氧化塘处理、人工湿地、膜处理和无处理等，固态粪污处理方式主要有堆肥发酵、固态有机肥生产、生产沼气、生产垫料和生产基质等[10]。这些类型系数得到了全覆盖监测，系数代表性得到显著提升。

图1 畜禽氨排放系数结构概览

1.3 畜禽氨排放监测点布点设计

考虑环境因素，设置系数常规监测点开展各养殖模式各排放节点氨排放特征监测。首先获取不同养殖模式在不同温度、湿度条件下氨气排放温湿度响应关系模型，模型数据来源于不同区域不同季节符合该温度、湿度条件的监测点实地监测的畜禽养殖氨气排放数据，其次将全国各县(区)实际平均温度、湿度代入对应的氨气排放温湿度响应关系模型，核算该区域不同养殖模式全年氨气排放量，进而获取氨排放系数，通过更新区域温度、湿度实现系数高时空分辨率更新。

考虑畜禽养殖类型因素，设置畜禽率定因素监测点，获取部分畜禽种类(生猪、肉鸡、肉牛)不同饲养阶段，即生长阶段氨排放线性关系、畜禽育肥与繁育阶段氨排放关系，通过消除畜禽饲养阶段等影响修正畜禽氨排放温湿度响应关系原始模型，获取各类畜禽不同模式各个温湿度段氨排放响应关系标准模型用于率定全国各区氨排放系数，进而获得单位标准畜禽氨排放系数，实现了系数标准化和归一化。

通过设置系数验证监测点，并校核监测方法和全国各区氨排放系数，可以保证系数的准确性。

2 畜禽氨排放系数监测布点方法应用

2.1 常规系数监测点

在分析、归纳全国温湿度分布特征的基础上对全国温湿度段进行分区，根据温湿度分区结果，在各个季节代表性温湿度段布设监测点，获取各类畜禽不同模式各个温湿度段的氨排放温湿度响应关系原始模型。

2.1.1全国温湿度分区划定

2017年全国温度范围为-26.09～33.45 ℃，平均为14.22 ℃；湿度范围为13.05%～93.47%，平均为67.79%，具体见表1。

表1 2017年全国温湿度范围

基于全国温湿度范围，将温度划分为4个区段，每个温度段下设置2个湿度段，即按温湿度将全国分为8个区段(表2)，其中，春季占8个区段，夏季占5个区段，秋季占7个区段，冬季占7个区段。根据全国各大区不同季节平均温湿度，主要分布的温湿度段为F、H和D温湿度段(表3)。

表2 全国温湿度分区

表3 全国各大区不同季节温湿度段分布

2.1.2基于全国温湿度分区的系数常规监测点布设

首先应遵循布点可操作原则，布点以区域为管理单元，规模化畜禽养殖圈舍和粪污处理设施监测布点应尽可能在同一养殖小区，便于组织管理，同时综合考虑区域畜禽养殖种类、数量特征及4季温湿度范围；其次应遵循均匀布点原则，全国各大区各季节5类畜种主要养殖模式均匀布点全覆盖；最后应遵循温湿度区段氨排放与温湿度响应关系综合拟合原则，即所有符合全国各大区某一温湿度段的监测点数据均纳入该温湿度段统一进行拟合，最终分别获取8个温湿度区段氨排放与温湿度响应关系模型。

以生猪规模化干清粪圈舍模式为例，假设该养殖模式在全国布设24个监测点。全年4季东北、华北、华东、华南、西北和西南各设1个监测点。根据全国各大区不同季节温湿度段分布(表3)。全年F温湿度段为9个监测点，占比为37.50%，H温湿度段为6个监测点，占比为25.00%，D温湿度段为4个监测点，占比为16.67%，A、B、C、E和G温湿度段均为1个监测点，占比为4.17%。每个监测点记录每次监测中平均养殖体重等基础数据和各单位时段内氨排放通量及对应的温度、湿度，以获取氨排放通量和温湿度实测数据。

在对氨排放与温湿度响应关系进行模型拟合时，以D温湿度段(温度为0～10 ℃，湿度>50%)为例，该温湿度段包含东北春季、秋季，华东冬季及西南冬季4个监测点数据(表4)，以对应的温度和湿度为自变量，以氨排放通量为因变量，拟合获得D温湿度段内生猪规模化干清粪圈舍氨排放温湿度响应关系原始模型：y=21.946x1-1.775x2+319.414，r为0.856，n为2 506，P<0.001。其中，x1为温度，℃；x2为湿度，%；y为氨排放通量，mg·h-1·头-1。

表4 D温湿度段范围内典型数据结果汇总

2.2 系数率定因素监测点布设

2.2.1生长阶段率定监测点布设

针对生猪、肉牛和肉鸡布设生长阶段率定监测点，在同时段、同区域，针对上述畜禽从保育、育肥至出栏不同生长阶段开展同步监测。其中，生猪生长周期为152 d，共分4段(仔猪与妊娠母猪同栏，故将其出生至第28天仔猪纳入妊娠母猪氨排放进行核算)；肉牛生长周期为660 d，共分4段；肉鸡生长周期为48 d，共分4段(表5)。通过布点监测获取畜禽不同生长阶段氨排放关系，为该类型畜禽系数常规监测点率定标准体重畜禽个体氨排放系数提供校正参数。在生长阶段校核监测点除满足常规监测点选择要求外，在监测周期上应满足以下条件：生猪，从保育、育肥至出栏全过程；肉鸡，涵盖育雏、育成和出栏全过程。

表5 生长阶段率定监测点

2.2.2育雏类型率定监测点布设

由育雏类型率定因素监测点可获取育肥畜禽、繁育畜禽和育雏畜禽氨排放关系，将繁育、育雏阶段畜禽排放因素统一纳入育肥(入户普查口径)畜禽排放系数。在同时段、同区域，针对生猪(育肥猪和母猪)、奶牛(产奶牛和育雏牛)布设监测点开展同步监测，分析其氨排放关系，为该类型畜禽系数常规监测点率定氨排放系数提供校正参数。

2.3 系数验证监测点

针对5个畜种、主要养殖模式和全国主体气候分区设置验证监测点进行系数质量控制。系数验证监测点分为两种类型：一类用于校核系数常规监测点获取的各养殖模式氨排放与温度、湿度之间的响应关系，为修订获得各类畜禽不同模式各个温湿度段的氨排放温湿度响应关系原始模型提供参数；另一类为权威监测方法验证监测点，校核不同监测方法的监测结果。

3 讨论

畜禽污染物排放系数是指在典型的正常生产和管理条件下，单个畜禽单位时间产生的原始污染物经处理设施消减或利用后，或未经处理利用而直接排放到环境中的污染物量[10]。针对畜禽水污染物，二污普主要通过原始产污系数监测和相关粪污处理设施处理效率监测获取排污系数，这就对普查报表制度中粪污处理设施处理参数填报提出了更高要求[29]。针对氨，由于采用了畜禽种类、圈舍种类和粪污处理模式全覆盖监测原则，对畜禽生长阶段、畜禽育雏等因素进行了归一化处理，获取了畜禽养殖全类型氨排放系数。系数制定的复杂化带来了报表制度填报的简单化，地方非专业普查员只需勾选养殖模式并统计填报每种养殖模式对应畜禽的年出栏数或存栏数[29]，乘以对应模式的氨排放系数即可得到排放量，极大地提升了氨排放清单核算精度[27]，也实现了畜禽养殖气、水污染物报表制度协同普查目标。

将全国县(区)2017年4季平均温湿度纳入全国4季温湿度各区段的结果(表6)表明，全国各大区不同季节主要出现的温湿度段为F、H和D温湿度段，出现频次占比分别为34.29%、28.36%和18.89%，其他温湿度出现频次均较少，最高仅为5.95%(B温湿度段)，各温湿度段出现频次与不同温湿度段涵盖的监测点数量占比高度一致(表6)。这表明监测点布设在全国各大区均匀布设的前提下较好地反映了全国气候分区状况，且由于某养殖模式单一温湿度段内包含了全国各大区监测点，充分反映了各大区不同的畜禽养殖管理水平差异，拟合出的氨排放温湿度响应关系更符合全国畜禽养殖的平均状况，因此具有很强的代表性。

氨排放系数随温湿度等气候条件差异显著[30]。我国幅员辽阔，各个大区内部气候条件存在显著差异。以华北地区为例，其由南往北跨越22个纬度，根据全国各县(区)2017年平均温湿度，分别代入全国8个温湿度段氨排放响应关系模型，获取各县(区)不同养殖模式氨排放系数，既体现了全国各大区内部不同区域的排放差异，也消除了过去大区内仅一套系数导致的不同大区相邻县(区)系数差距较大的问题。当然，运用该方法进行畜禽养殖氨排放系数监测获得的排放系数还存在一定的不确定性。我国幅员辽阔，各地温湿度差异极大，2017年全国温度范围为-26.09～33.45 ℃，平均为14.22 ℃；湿度范围为13.05%～93.47%，平均为67.79%。在监测点布设过程中，按温湿度仅将全国分为8个区段(每10 ℃为一个温度段，每50%为一个湿度段)，温湿度范围还是过于宽泛，尚不能高频覆盖全国温湿度区域，如部分地区温湿度因处于2个相邻温湿度分段界限处，而被强行纳入一个温湿度段，部分极端高温高湿、低温低湿区域不能在全国分区段中较好体现。

目前，工业大气污染物排放清单制定较为精细，基本实现动态化，部分区域时空分辨率较高，为实现农业氨高效同步减排[4]，对制定农业氨高分辨排放清单提出了更高要求[27]。基于氨排放与温湿度响应关系模型的核算方法实现了畜禽氨排放系数的时空高分辨率动态更新。由于养殖活动水平动态变化难以获取，因而制约了高分辨率清单的制定，下一步应重点加强相关研究。

表6 将全国区域层面各县(区)4季温湿度纳入温湿度段的结果

4 结论

根据养殖模式和氨排放节点设计系数结构，通过布设系数率定因素监测点，开展畜禽育肥过程及繁育阶段氨排放监测，将畜禽复杂因素统一纳入系数率定工作，提出单位标准畜禽排放系数监测率定思路。基于不同养殖模式畜禽养殖氨排放主要受温湿度影响的特征，构建了基于县(区)尺度的既满足地理分区要求又满足气候分区要求的布点方法，摒弃了传统的地理分区率定方法。实践发现，采用该布点监测方法获得的畜禽氨排放系数既体现了全国各大区内部不同区域的排放差异，又消除了不同大区相邻县(区)系数差距较大的问题，同时也简化了报表设计和系数手册使用流程，能有效提升氨排放核算精度，满足精准化环境管理要求，可为第二次全国污染源普查畜禽氨排放系数监测提供有效的技术支持。