青海东部城市群大气氨排放清单研究

张津建， 李广英， 张元勋，3*， 何跃君

1.中国科学院大学资源与环境学院， 北京 101400 2.青海省生态环境规划和环保技术中心， 青海 西宁 810000 3.中国科学院大学， 燕山地球关键带与地表通量观测研究站， 北京 101408 4.北华航天工业学院， 河北 廊坊 065000

氨(NH3)是大气中重要的碱性气体，是参与大气氮循环的重要成分[1]，对大气环境和生态系统都有重要意义. 氨能与大气中SO2和NOx等酸性物质发生反应，在底层大气环境中起重要的缓冲作用[2]，反应生成的硝酸铵和硫酸铵等物质是大气细颗粒物PM2.5的重要组成部分[3-6]. 此外，氨还可以沉降到土壤或水体中造成土壤酸化和水体富营养化等诸多环境问题[7-9]. 青海省位于青藏高原东北部，是长江、黄河、澜沧江的发源地，有重要的生态价值，掌握该地区氨排放水平和排放特征对于控制区域内大气污染、保护生态环境有积极意义.

国内外相关研究[10-14]表明，农业源中畜禽养殖和氮肥施用是大气中氨的主要排放来源，占总排放量的60%～80%. 王文兴等[15]考虑了畜禽养殖、氮肥施用、化工生产和人体粪便4个排放源，计算了1991年我国氨排放量，其中青海省氨排放量为179.645×103t，排放强度为0.3 t/km2. 董文煊等[16]计算了相同的4个排放源，得到2006年青海省氨排放量为81.88×103t，排放强度为0.11 t/km2，并发现1991—2006年青海省氨排放量降低了约50%. Huang等[17]统计了畜禽养殖、氮肥施用、化工生产和人体粪便4个排放源，以及土壤本底、固氮植物、秸秆堆肥、生物质燃烧、废物处理和交通源的氨排放，计算得到2006年青海省氨排放量为103.7×103t，与曹国良等[18]通过计算废物处置、农业过程、工业过程和化肥生产4种排放源得到的2007年青海省氨排放量(162×103t)相差较大. 综上，不同的氨排放量研究结果之间有较大差异，主要由于不同研究考虑的排放源和使用的基础数据不同. 虽然国内外学者在大气污染源清单的研究工作中对青海省有所涉及，但是往往考虑的是全省的氨排放，针对西宁市的氨排放研究相对较少，而西宁市所在的青海东部地区是青海省人口最集中的区域，农业和工业发展水平与省内其他地区有明显差别，因此研究该地区氨排放情况有重要意义.

青海省东部城市群是青海省“十二五”规划中确定的以西宁市为核心的城市群，城市群沿湟水流域分布，属于高原大陆性气候. 区域内集中了青海省约60%的人口和60%的耕地面积，有丰富的生物资源、矿产资源和旅游资源，在省内具有重要的经济意义，对全国有重要的生态意义. 该研究参考国内外相关研究[19-22]，根据当地政府有关统计数据，采用排放因子法建立2017年青海省东部城市群大气氨排放清单，以期为当地环境污染评估和环境政策的制定提供支持.

1 材料与方法

1.1 研究区域和对象

以2017年作为研究基准年，研究区域为青海省东部城市群(见图1)，包括西宁市的城东区、城中区、城西区、城北区、湟中区、湟源县、大通回族土族自治县，以及海东市的平安区、乐都区、互助土族自治县、民和回族土族自治县共11个区县. 计算的氨排放源分为农业源和非农业源，其中农业源包括农田生态系统和畜禽养殖，非农业源包括生物质燃烧、人体排放、化工生产、废物处理、机动车尾气.

注： CD—城东区；CZ—城中区；CX—城西区；CB—城北区；HZD—湟中区；HY—湟源县；DT—大通回族土族自治县；PA—平安区；LD—乐都区；HZC—互助土族自治县；MH—民和回族土族自治县.图1 研究区域示意图Fig.1 Location and administrative divisions of study area

1.2 数据来源

研究所涉及的活动水平数据来自政府的统计资料，氮肥施用量、人口数据、羊和马等畜类养殖量、耕地面积和农作物产量等数据来源于《2018年西宁市统计年鉴》[23]和《2018年海东市统计年鉴》[24]，化工产品产量、废水处理量、垃圾填埋量、猪牛鸡等畜禽养殖量以及机动车保有量等数据来源于青海省生态环境规划与环保技术中心提供的青海省第二次污染源普查数据.

1.3 清单计算方法

青海省东部城市群氨排放量采用排放因子法[25]进行计算，计算公式：

Ei,j=Ai,j×EFi,j×γ

(1)

式中：Ei,j为i地区j排放源的NH3排放量，t；A为活动水平；EF为排放因子；γ为氮-大气氨转换系数，针对畜禽养殖业取1.214，其他行业取1.0. 不同排放源的活动水平数据不同，排放因子主要根据《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]和相关实测值进行选取.

1.3.1农田生态系统

农田生态系统包含氮肥施用、土壤本底、秸秆堆肥和固氮植物4个二级排放源. 氮肥施用主要指含有氮元素的肥料在进入农田之后经微生物的作用和自身分解，最终向大气中排放氨[26]. 氮肥主要包括尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵和其他含氮肥料. 氮肥种类、施肥方式、土壤条件以及气象条件都是影响氨挥发的主要因素. 氮肥施用的氨排放因子计算公式：

EFnf=EFbase×m×n

(2)

式中：EFnf为氮肥施用排放因子，kg/t；EFbase为基准排放因子，kg/t；m为施肥率校正因子；n为施肥方式校正因子. 根据获得的统计数据，将氮肥种类分为尿素和复合肥，并根据当地气候条件、施肥方式进行校正，校正后尿素、复合肥的排放因子分别为40.51、18.23 kg/t.

土壤本底排放指自然情况下每亩耕地每年向大气排放氨的量，根据《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]其排放因子为0.12 kg/(亩·年). 秸秆堆肥排放指农作物产生的秸秆在堆肥过程中向大气释放氨，青海省东部城市群内农作物秸秆主要用作动物饲料，根据《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]其排放因子为0.32 kg/t. 固氮植物一般指大豆、花生、绿肥这三类[25]，青海省东部城市群由于自然气候等原因农作物以马铃薯、小麦、油菜和玉米为主，因此暂不考虑固氮植物的排放.

1.3.2畜禽养殖

畜禽养殖中氨排放主要来自圈养、放牧、厩肥保存和施肥4个阶段中动物排泄的粪尿[27-28]. 根据各类统计资料和研究区域内现有数据，计算了蛋鸡、肉鸡、肉牛、奶牛、生猪、山羊、绵羊、马、驴、骡共10类畜禽的氨排放. 养殖方式上，规模以上养殖认为是集约化养殖，规模以下养殖认为是散养，不同养殖方式下氨排放因子来源于《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]，如表1所示.

表1 畜禽养殖氨排放因子

1.3.3非农业源

非农业源包括化工生产、废物处理、人体排放、生物质燃烧和机动车尾气五类排放源. 化工生产排放主要指合成氨和氮肥制造企业在产品的生产过程中向大气进行的氨排放，也包含石油炼焦、制气等化工行业的氨排放，根据调研结果，研究区域内化工生产只涉及合成氨和氮肥制造企业. 废物处理可分为废水处理、固废处理、废气处理，指污水处理厂、垃圾填埋厂在进行废弃物处理，以及火力发电和工业企业在生产中由烟气脱硝设施产生的氨排放，不同废物处理工艺有不同的排放因子，其中《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]中推荐的污水处理厂氨排放因子为0.003 g/m3，考虑到污水厂处理工艺、污水水质、环境温度、管理水平等多因素的影响，该研究采用国内学者通过实测得到的污水处理厂氨排放因子(0.28 g/m3)[29]进行计算. 人体排放指人体活动向大气中排放的氨，包括呼吸、汗液和粪尿等方式，排放因子根据《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》[25]选取. 生物质燃烧所需的秸秆焚烧量根据《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[30]进行计算，相关系数的选取参考文献[31-32]. 机动车尾气的氨排放根据不同的车型和燃油类型[33-34]分别进行计算，分为轻型汽油车、轻型柴油车、重型汽油车、重型柴油车和摩托车. 非农业源的排放因子如表2 所示.

表2 非农业源氨排放因子[25，29-34]

2 结果与讨论

2.1 青海省东部城市群氨排放清单

2017年青海省东部城市群氨排放清单如表3所示，11个区县氨排放量为44.92×103t. 畜禽养殖和农田生态系统是青海省东部城市群氨排放量较大的2个源，氨排放量分别为36.41×103和3.19×103t，占总排放量的81.07%和7.12%. 农田生态系统中氮肥施用排放量占比最大，与其他城市研究结果[10-14]一致. 在非农业源中废物处理、人体排放和化工生产的氨排放贡献均较大，分别占总排放量的4.79%、3.68%和2.45%. 可见，农业源是青海省东部城市群大气氨排放的主要来源，占总排放量的88.19%. 主要原因是，青海省东部城市群位于青藏高原地区，工业发展水平与我国东部沿海城市相比较为薄弱，化工生产企业与氮肥制造企业较少，导致非农业源氨排放占比小于我国平均水平. 研究区域虽然位于湟水流域谷地，拥有青海省约60%的耕地面积，但区域内土地类型仍以山地为主，并且受到高原大陆性气候条件的影响，花生和大豆等固氮植物基本没有种植，加上当地居民的饮食习惯对于畜禽的需求量较大，导致畜禽养殖是农业源中最大的氨排放源.

表3 2017年青海省东部城市群氨排放清单

由于畜禽养殖是研究区域内氨排放占比最大的排放源，对其排放特征做进一步分析(见图2). 由图2可见：就畜禽种类来说，绵羊对大气氨排放量的贡献最大，氨排放量达12.51×103t，占畜禽养殖氨排放量的34.15%，这与绵羊的大量养殖有关；其次是奶牛和肉牛，二者的氨排放分别占氨排放总量的25.71%和21.41%，虽然牛类养殖量小于绵羊和生猪，但由于每头牛的排放因子高于其他畜禽，导致牛类是区域内氨排放的主要畜禽种类. 此外，虽然蛋鸡和肉鸡的养殖量远大于马、驴、骡的养殖量，但是由于排放因子的差异，导致蛋鸡和肉鸡的氨排放量相差较小，并且均小于其他畜禽种类. 考虑不同畜禽的养殖量及其对应的排放因子，对绵羊和肉牛加大集约化养殖程度，对于减少区域氨排放有一定积极作用.

图2 2017年青海省东部城市群不同畜禽种类氨排放量占比Fig.2 Ammonia emission proportion of different livestocks of eastern urban agglomeration of Qinghai Province in 2017

2.2 青海省东部城市群氨排放的地区差异

2017年青海省东部城市群各区县氨排放量、排放强度和各排放源分担率如图3和表4所示. 氨排放量较大的区县有湟中区和大通回族土族自治县，氨排放量分别占研究区域总排放量的29.2%和24.5%，畜禽养殖是其主要排放源. 西宁市的城中区、城西区、城东区、城北区4个地区的氨排放量显著低于青海省东部城市群内其他区县，城中区的主要氨排放源为畜禽养殖和废物处理，城西区的主要氨排放源是机动车尾气，城东区和城北区的主要氨排放源均为废物处理，与这4个地区人口密度较大、建筑用地占比较大、畜禽养殖量较少有关. 湟源县、平安区、乐都区、互助土族自治县和民和回族土族自治县的氨排放均以畜禽养殖为主. 可见，由于各区县产业结构和经济发展情况不同，氨排放量和各排放源贡献率也有明显区别.

图3 2017年青海省东部城市群各区县氨排放量及贡献率Fig.3 Ammonia emission and contribution in different districts of eastern urban agglomeration of Qinghai Province in 2017

表4 青海省东部城市群各区县氨排放情况

从排放强度来看，氨排放强度最高的是湟中区，最低的是乐都区. 城中区、城东区、城北区虽然氨排放量均较小，但是由于区域面积较小，导致氨排放强度高于氨排放量较高的平安区、互助土族自治县等地区. 大通回族土族自治县虽然氨排放量较大，但是由于行政区域面积远大于其他地区，因此大通回族土族自治县的氨排放强度低于城北区和湟中区. 从不同区县每亿元GDP产生的氨排放量来看，从高到低依次为湟源县、大通回族土族自治县、湟中区、互助土族自治县、民和回族土族自治县、乐都区、平安区、城北区、城中区、城东区、城西区. 湟源县和大通回族土族自治县每亿元GDP氨排放量远高于青海省东部城市群平均水平，并且氨排放以畜禽养殖为主，一定程度上说明了当地畜牧业发达，且第二、三产业较为薄弱的情况. 湟中区虽然氨排放量和氨排放强度均位于第一位，但是每亿元GDP氨排放量低于大通回族土族自治县和湟源县，这可能与湟中区内有一家合成氨和氮肥制造企业有关.

图4 青海省东部城市群氨排放点源空间分布情况Fig.4 Spatial distribution of ammonia emission point sources in the eastern urban agglomeration of Qinghai Province

规模以上畜禽养殖、废物处理和化工生产的点源信息以及地表覆盖信息如图4所示. 由图4可见：青海省东部城市群城市主要集中于湟水流域谷地，自西向东分布；城东区、城中区、城西区、城北区4个市辖区位于谷地中心，城市化程度最高，畜禽养殖较少；大通回族土族自治县、湟中区和湟源县3个区县内畜禽养殖较多，位置多分布在地势较为平缓的耕地上；化工生产企业只有一家位于湟中区内；废物处理企业主要自西向东沿湟水流域分布，与城市的地理位置分布保持一致. 综上，地形地势以及地表覆盖类型的不同对于青海省东部城市群不同区县氨排放有一定影响.

2.3 不同氨排放清单对比

根据王文兴等[15-18]研究显示，1991年和2006年青海省畜禽养殖氨排放占比分别为95.3%和86%，笔者研究计算得到的青海东部城市群畜禽养殖氨排放占比为81.07%，畜禽养殖氨排放占比有一定程度的减小，主要是由于选取的研究区域集中了青海省约60%的人口和耕地，也是青海省内工业较为集中的地区，所以农田生态系统和非农业源排放较省内其他地区大，导致畜禽养殖氨排放的相对比例较低. 利用青海东部城市群的统计结果推算青海省全省的氨排放量，东部城市群内牲畜饲养量约占全省的10%～20%，该研究取20%来计算青海省畜禽养殖的氨排放量，其余排放源按照东部城市群人口和耕地占青海省的比例(60%)来计算，估算得到2017年青海省氨排放量为196.26×103t，其中畜禽养殖排放占比达92.78%. 笔者计算的青海省氨排放量高于王文兴等[15-18]研究结果，虽然结果存在主观性误差，但仍可以说明青海省内氨排放主要来源于畜禽养殖，因此氨排放控制政策应以针对畜禽养殖业为主，如提倡科学的养殖方式、建立完善的畜禽粪便处理系统等.

将笔者研究结果与我国其他地区2017年的氨排放清单[35-37]进行对比，结果如表5所示. 由表5可见，在青海省东部城市群、天津市、云南省红河哈尼族彝族自治州、浙江省等4个地区中，青海省东部城市群的氨排放量最低，4个地区最大的氨排放源均为农业源，其中，浙江省农业源氨排放占比约为60%，其余3个地区为83%～88%. 青海省东部城市群的氨排放强度(2.80 t/km2)高于浙江省(1.16 t/km2)，低于天津市(4.81 t/km2)，与云南省红河哈尼族彝族自治州(3.0 t/km2)较为接近. 青海东部城市群氨排放强度高于浙江省，主要由于青海省东部城市群区域面积远小于浙江省，同时2个地区畜禽养殖排放量较接近，说明单位面积上青海省东部城市群畜牧业较浙江省活跃. 青海东部城市群的氨排放强度低于天津市，主要由于青海省东部城市群农田生态系统以及人口数量、化工企业活动水平均低于天津市，且青海省东部城市群的行政区域面积大于天津市. 青海东部城市群排放强度与云南省红河哈尼族彝族自治州较为接近，红河哈尼族彝族自治州在畜禽养殖氨排放量、氨排放总量以及行政区域面积上均约为青海东部城市群的2倍，在一定程度上表明红河哈尼族彝族自治州与青海东部城市群的经济结构较为接近.

表5 2017年我国不同地区氨排放清单比较

2.4 不确定性分析

清单编制的不确定性主要来源于活动水平数据和排放因子的不确定性[38-39]. 畜禽养殖、人体排放、化工生产和废物处理的活动水平数据主要来自相关政府部门调查数据，活动水平数据的不确定性较小. 排放因子的选取主要来源于生态环境部发布的《大气氨排放清单编制技术指南(试行)》及文献调研，农田生态系统根据研究地区的温度、海拔、土壤酸碱度等因素对排放因子做了本地化处理，以得到更加准确的排放清单研究结果. 利用蒙特卡罗方法对清单的不确定性进行分析，污染源的活动水平数据一般认为满足正态分布，排放因子则可能满足Gamma分布、Weibull分布或对数正态分布等类型，排放因子的分布类型和参数设置参考巫玉杞[40]的研究结果. 设置重复模拟 10 000 次，在95%的置信区间下得到的清单不确定性如表6所示. 不确定度较大的源有机动车尾气和生物质燃烧源，主要是由于机动车尾气的活动水平数据中不同车辆排放标准(国Ⅰ、国Ⅱ、国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ)和车辆行驶里程根据《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南》进行分类和计算，与统计年鉴的调查数据相比，其误差较大；生物质燃烧源计算时需要的秸秆焚烧量是根据农作物草谷比计算得到，活动水平数据也有较大误差. 因此，在进行蒙特卡罗模拟时对机动车尾气和生物质燃烧的活动水平数据分布设置了较大的标准差. 虽然机动车尾气和生物质燃烧源的不确定性较大，但是由于其排放量占总排放量的比例较低，所以对于整体清单而言影响不大. 调查、统计获取各污染源真实准确的活动水平信息，建立青海省本地化的排放因子数据库，对于改进大气污染源清单的准确性有重要意义. 该研究计算的氨排放源较为全面，各排放源贡献与其他研究结果基本一致，研究结果能较为客观地反映青海省东部城市群的氨排放情况，为环境污染情况评估和相关环境政策的制定提供科学支撑.

表6 排放清单的不确定性

3 结论

a) 2017年青海省东部城市群氨排放量为44.92×103t，氨排放强度为2.80 t/km2. 农业源是最大的氨排放源，占比为88.19%，其中畜禽养殖的氨排放贡献最大，主要的氨排放畜禽种类有绵羊、奶牛和肉牛.

b) 青海省东部城市群氨排放量最高的区县是湟中区和大通回族土族自治县，氨排放量分别达13.11×103t和11.01×103t，排放量较低的是城东区、城中区、城北区、城西区. 氨排放强度最高的是湟中区(5.39 t/km2)，最低的是乐都区(1.13 t/km2).

c) 青海省东部城市群11个区县中，城西区的主要氨排放源为机动车尾气，城东区、城北区的主要排放源为废物处理源，其余区县均为畜禽养殖源. 污染源分布受当地地形地势影响，多沿湟水流域分布，并且也受不同区县之间产业结构的影响.

d) 青海省东部城市群氨排放量低于天津市、浙江省和云南省红河哈尼族彝族自治州，主要与区域内污染源活动水平有关. 在氨排放强度上，青海省东部城市群和红河哈尼族彝族自治州较为接近，低于天津市，高于浙江省，主要与不同地区内经济结构和发展水平有关.

e) 利用蒙特卡罗方法对清单进行不确定性分析，结果表明，机动车尾气和生物质燃烧受活动水平影响存在较大误差，总清单在95%置信区间下不确定度为-9.8%～17.1%.