菏泽市农业源氨排放特征研究

肖培平 徐 雄

(山东省菏泽生态环境监测中心,山东 菏泽 274000)

当前,细颗粒物(PM2.5)是环境空气的重要污染物之一,是形成雾霾的重要原因,对环境空气质量有着重要影响。PM2.5的形成机制十分复杂,但氨(NH3)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)被公认为是形成PM2.5的重要前体物[1],对PM2.5具有重要贡献。然而,由于NH3未被列入环境质量考核指标体系,因此NH3对空气质量的影响常被忽略,这是导致环境空气质量在SO2、NOx改善到一定程度后难以再显著改善的重要原因之一。

氨作为大气微量气体组成,是参与大气氮循环的关键成分,它不仅能与大气中其他二次气溶胶组分发生化学反应形成硝酸铵和(亚)硫酸铵等二次颗粒物而使空气中PM2.5浓度增加[2],促进霾的形成,还会引起温室效应、土壤酸化、水体富营养化等一系列环境问题[3-4]。

近年来,国内外学者对氨排放及其特征的研究逐渐增多,且研究结果普遍认为农业源是大气氨排放的主要来源,占到氨排放总量的80%～90%[5]。农业生态系统中氨排放不仅造成农作物营养大量流失,而且对环境、特别是大气环境构成严重威胁,因此,对一个地区而言,大气环境质量的改善有赖于农业源氨排放控制,而农业源氨排放量估算则是农业源排放控制的首要前提。

菏泽市位于京津冀大气传输通道,其大气污染物浓度的高低直接影响首都空气质量的好坏,降低其大气污染物浓度对改善首都大气环境质量意义尤为重大。近年来该市通过采取一系列针对工业、城建、交通等领域的大气颗粒物治理措施,PM2.5浓度实现了大幅下降,但截至2021年PM2.5浓度依然较国家二级标准限值高37%。当前工业、城市、交通等领域治理PM2.5的措施已经比较完善,今后仅仅依靠这些传统治理方式以实现PM2.5的达标难度将非常大,因此亟需改变策略,通过控制氨排放,特别是农业源氨排放来降低PM2.5浓度,进而实现大气环境质量的改善。但要推进农业源氨排放控制,当前最紧要的工作就是开展农业源氨排放估算,弄清其排放特征,然而目前几乎未见有关当地的研究报道。为此,以2017—2021年菏泽市统计年鉴所提供的数据为基础,收集、整理相关数据并估算了菏泽市十三五(2016—2020年)期间农业源氨排放量,并对十四五末氨排放量进行了预测,旨在为该地区全面掌握农业源氨排放状况及变化趋势,开展合理施肥、畜禽养殖污染治理、改善环境质量等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与数据来源

研究区域为山东省菏泽市,包括七县二区,即牡丹区、定陶区、曹县、成武县、单县、巨野县、郓城县、鄄城县、东明县。参照生态环境部《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》[6]有关要求,并结合菏泽市农业发展特点,以2017—2021年《菏泽市统计年鉴》为基础,收集、统计了菏泽地区十三五期间畜禽养殖、氮肥施用、生物质燃烧、农业人口、土壤本底5方面活动水平数据,并据此计算菏泽地区农业源氨排放量。

1.2 氨排放量计算公式

采用排放因子法对农业源氨排放量进行估算,计算公式如下:

Ei,j,y=Ai,j,y×fEi,j,y

(1)

式中,i代表地区,j代表排放源,y代表年份,Ei,j,y代表y年i地区j排放源的氨排放量,Ai,j,y代表相应排放源的活动水平,fEi,j,y代表相应排放源的排放系数。

1.3 不同农业源活动水平及排放因子

本研究针对畜禽养殖、氮肥施用、生物质燃烧、土壤本底和农业人口5类排放源进行氨排放估算。通过收集相应源活动水平,再依据《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》中各类源排放因子的参考值以及氨排放量估算公式分别计算各类源的氨排放量。

1.3.1 畜禽养殖源活动水平及NH3排放因子

以《菏泽市统计年鉴》(2017-2021)中牛、羊、猪、鸡、鸭、鹅、马、骡、驴、兔等畜禽数据作为菏泽市2016—2020年畜禽养殖业活动水平数据,如表1。相应排放因子参考邓明君等[7]的研究成果,如表2。

表2 不同畜禽在集约化及散养条件下的NH3排放因子 单位:kg·只-1·a-1

1.3.2 氮肥源活动水平及NH3排放因子

农业生产中氮肥施用后,受土壤类型、耕作条件、植物根系、微生物菌群以及温度、湿度、光照等一系列物理、化学、生物作用,会释放出大量的氨并进入大气。其产生量的高低主要由气候、土壤类型、氮肥种类及施用量等因素影响。菏泽市农业生产中施用的化肥主要有尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵等种类,但在菏泽市统计年鉴中没有各种类型氮肥的年施用量统计数据,为此参考杨新明等[8]的文献,将尿素、碳酸氢铵、硝铵、硫铵、其他氮肥施用量在化肥总施用量中所占份额分别按43%、48%、3%、1%、5%进行估算,各类氮肥活动水平见表3,排放因子见表4。

表3 菏泽市2016—2020年氮肥源活动水平相关统计数据 单位:万t·a-1

表4 不同种类氮肥在不同温度下NH3基准排放因子 单位:氮肥施用量的百分比

1.3.3 土壤本底源活动水平及NH3排放因子

由于土壤微生物和土壤酶的大量存在,土壤中反硝化作用[9-10]比较活跃,其活动的结果是产生部分氨并释放到空气中,故土壤本底是影响大气中氨含量的重要因素之一。而影响氨排放量的主要因素为耕地面积,因此土壤本底活动水平即当年耕地面积,NH3排放因子则参考《大气氨源排放清单编制技术指南》,取0.12kg·亩-1·a-1。土壤本底活动水平如表5。

表5 不同年份土壤本底源活动水平

1.3.4 生物质燃烧源活动水平及排放因子

根据菏泽农业种植结构特点并结合统计年鉴中的有关统计量,将生物质燃烧活动水平确定为小麦、玉米、豆类、薯类、油料、棉花秸秆焚烧量(Yi),主要通过这些农作物产量(Pi)、谷草比(Ci)、秸秆综合利用率(D)、NH3排放因子等进行估算,其中小麦、玉米、豆类、薯类、油料、棉花的谷草比分别按1.366、2、1.5、0.5、2、3计算[11],小麦、玉米秸秆的排放因子分别取0.37 gNH3·kg-1、0.68 gNH3·kg-1,其余作物秸秆取0.52 gNH3·kg-1[6]。各类作物秸秆焚烧量估算公式为:Yi=Pi×Ci×(1-D)。生物质燃烧活动水平有关数据如表6。

表6 生物质燃烧有关计算数据

1.3.5 农业人口源活动水平及排放因子

菏泽市作为山东省的农业大区,农业人口多,且农村发展普遍滞后,卫生厕所比例极低,因此必须充分考虑农业人口对氨排放量的影响。在估算氨排放量时,以农业人口数量为活动水平,其排放因子取0.787 kgNH3·a-1·人-1。菏泽市2016—2020年农业人口数量如表7。

表7 菏泽市2016—2020年农业人口数量

2 结果与分析

2.1 菏泽市2016—2020年不同农业源氨排放量

按照公式(1)并结合不同农业源活动水平及其排放因子(表1-表7)计算2016—2020年各年份畜禽养殖、氮肥施用、土壤本底、生物质燃烧、农业人口5类农业源氨排放量,结果如表8。由于畜禽养殖和氮肥施用两类农业源的氨排放因子都与月均气温有关,因此估算这两类农业源的氨排放量时须先核算一年内月均气温<10℃、10℃-20℃、20℃-30℃、>30℃几种情形下的天数。为此,查阅了菏泽市气象资料,发现该地区无月均气温>30℃的情形,而月均气温<10℃的月份为1、2、11、12月,月均气温10℃-20℃的月份为3、4、10月,月均气温20℃-30℃的月份为5、6、7、8、9月,三种温度条件下的天数分别为120天、92天、153天。

表8 菏泽市2016—2020年不同农业源氨排放量

畜禽养殖的方式会直接影响氨的排放量,但统计年鉴中未对畜禽的养殖方式进行分类,因而根据菏泽市畜禽养殖业的实际,在进行氨排放量估算时,将羊、马、骡、驴的养殖方式按散养算,其他畜禽的养殖方式均按集约化养殖方式算。

氮肥源氨排放量受施肥率及施肥方式影响,因而在估算氮肥源氨排放量时应将表4中的基准排放因子转化为实际排放因子,其转化方法如下:

实际排放因子=基准排放因子×施肥率校正系数×施肥方式校正系数

由于菏泽地区每亩耕地施肥量大于13kgN,故施肥率校正系数取1.18;施肥方式都是覆土深施,故施肥方式校正系数取0.32[6]。

从表8可以看出,2016—2020年,农业源氨排放量呈现逐渐降低的趋势,从2016年的16.62万t·a-1下降至2020年的11.82万t·a-1,五年下降28.9%。其中2020年较2019年下降最为明显,一年下降3.15万t·a-1,下降幅度达21.0%。这可能与2019年包括猪肉在内的多种大宗肉、蛋、禽产品价格大幅下跌,2020年部分养殖户弃养有关。从此表还可看出,不同的农业源氨排放量各不相同,畜禽养殖源>氮肥源>农业人口源>土壤本底源>生物质燃烧源。表明畜禽养殖和氮肥施用对氨排放有着非常重要的影响。就畜禽养殖源而言,不同类畜禽对氨的排放影响也差异明显(如表9),其中羊的贡献最大,除2020年其氨排放量占畜禽氨排放量的38.1%外,其余年份贡献均大于50%,2016年贡献更是达到60.4%,表明养羊业在畜禽养殖源的氨排放中占有主导地位。此外,鸡、牛、猪在畜禽养殖业中也是重要的氨排放源,前两者的贡献均超过10%,后者的贡献均超过6%。

表9 不同畜禽氨排放量及占比

在五类农业源中,畜禽养殖源氨排放量五年变幅最大,生物质燃烧源变幅次之,其余变幅相对较小。为此,比较了不同生物质燃烧源氨排放量(如表10),发现小麦、玉米是生物质燃烧源中最主要源,两类秸秆燃烧所排放的氨在整个生物质燃烧源中占比超过90%。因此,若要通过秸秆禁烧控制氨排放,必须重点抓住小麦和玉米的秸秆禁烧工作。

表10 不同生物质燃烧源氨排放量及占比

2.2 菏泽市不同农业源对氨排放量的贡献

研究区2016—2020年期间农业源氨排放量均超过10万t·a-1以上,就以最低的2020年作参考,其氨排放量比已报道的上海[12]、河北邯郸[13]以及济南等山东省内其它市[8]都高,仅比河南驻马店[14]等少数城市略低。根据氨对PM2.5的影响机制,可以推断菏泽市的农业源氨排放对当地PM2.5的贡献较国内、山东省内很多城市都大,这可能也是近年来菏泽PM2.5浓度在全国各地级城市中排名靠前的原因之一。

为了进一步细分不同农业源对氨排放量的贡献,绘制了各类源氨排放量在农业源氨总排放量中的占比图,如图1。从该图可以看出,2016—2020年畜禽养殖源氨排放量在农业源氨排放量中的占比为51.54%～60.53%,贡献最大;氮肥源的占比为35.11%～42.93%,贡献次之;农业人口源的占比为2.90%～3.89%,贡献再次之;土壤本底源和生物质燃烧源的占比分别为0.90%～1.26%、0.39%～0.56%,贡献都很小。不同年份,各类源贡献的占比有所波动,但总体基本稳定。其中畜禽养殖源和氮肥源的占比都分别远远超过其余三类源占比的总和,属于菏泽市氨排放中最重要的两类农业源,在五类源中占有绝对优势。因此若要削减农业源氨排放,必须着重针对畜禽养殖和氮肥施用两个方面采取控制措施。

图1 不同年份各农业源氨排放占比

2.3 菏泽市不同年份农业源氨排放强度及变化趋势

为研究氨对PM2.5的影响,必须先将氨排放的绝对量转化为氨排放强度,即单位面积的氨排放量,因此计算了2016—2020年菏泽市不同农业源氨排放强度,如表11。从该表可以看出,2016—2020年,菏泽市农业源氨排放强度为9.66t·km-2～13.58t·km-2,且呈逐年下降的趋势。五类源的排放强度在不同年份有所差异,但各类源排放强度大小排序相对稳定,表现为畜禽养殖源>氮肥源>农业人口源>土壤本底源>生物质燃烧源,而且除土壤本底源外,其他源均基本呈不断下降趋势,其原因主要与畜禽养殖数量逐年下降,农业化肥减施、农村人口数量下降、秸秆禁烧等导致的农业源活动水平下降有关。

表11 菏泽市不同年份不同农业源氨排放强度

2.4 菏泽市农业源氨排放强度与大气PM2.5浓度的相关性

氨作为PM2.5的重要前体物质之一[15],在大气中比较活泼,可与SO2、NO2等酸性气体反应生成铵盐,进而形成气溶胶,从而影响PM2.5浓度,因此氨与PM2.5具有密切关系。通过收集当地同时期PM2.5浓度数据并对照氨排放强度,制作了2016—2020年菏泽市PM2.5和氨排放强度变化趋势图,如图2。从该图可以看出PM2.5浓度与氨排放强度的变化趋势基本一致,都随着时间的推移而下降。为定量分析氨排放强度与PM2.5的相关程度,利用SPSS17.0软件计算了两者的皮尔逊相关系数,结果发现两者具有明显的正相关关系,相关系数达到0.793,虽未达到显著水平,但可以看出两者关系密切,表明农业源氨排放强度对空气中PM2.5浓度有重要影响,这与翟冬玉[13]、杨显玉等[16]的研究结果一致。因此若要实现空气质量的改善,特别是PM2.5浓度的下降,就必须重视农业源氨排放。值得注意的是,导致菏泽市空气质量较差的首要污染物是PM2.5,而该地氨排放强度高,有较大的下降空间,故可在农业氨排放上采取有效措施尽量降低氨排放强度,进而降低PM2.5浓度,从而实现空气质量的改善。

图2 菏泽市2016—2020年PM2.5与NH3排放强度变化趋势

2.5 菏泽市2025年农业源氨排放量估算

对未来农业氨排放量进行预测是有针对性地制定空气质量控制措施或减排计划的前提与基础,为此在趋势照常模式下,即在畜禽养殖、氮肥施用的模式和增长趋势与现在基本一致、秸秆禁烧政策和现在保持不变的情况下,根据“十三五”各农业源活动水平变化趋势估算“十四五”末农业源氨排放量,将对制定当地环境发展规划、空气质量改善计划等具有十分重要的意义。因此,在趋势照常模式下估算了十四五末农业源氨排放量和排放强度,如表12。

表12 趋势照常模式下十四五末菏泽市农业源氨排放情况

从该表可以看出,至2025年菏泽市农业源氨排放量将达到13.76万t·a-1,虽低于2016年,但较2020年高1.94万t·a-1,增幅达16.4%;其排放强度也较2020年增加,达到11.25t·a-1,较2020年高1.59t·a-1。仔细比较可以发现,五类农业源中,土壤本底源氨排放量2025年与2020年无变化,这主要是菏泽地处华北平原,境内土地基本都属于基本农田,建设用地均实行占补平衡政策,自2018年起菏泽耕地面积就保持不变,故在现有政策保持不变情况下2025年该地区耕地面积不会变化,来自土壤本底源的氨排放量也自然不会变化。氮肥源、农业人口源、生物质燃烧源2025年氨排放量均较2020年下降,这与化肥减施、城镇化纵深推进、秸秆禁烧等政策和措施的实施有关。畜禽养殖源氨排放量2025年达到8.90万t·a-1,排放强度达到7.27t·km-2,较2020年分别高2.81万t·a-1和2.29t·km-2,是氨排放量和排放强度较2020年增加的唯一农业源。究其原因主要是在进行2025年畜禽养殖数量估计时采用了2019年的数量作为基准,并根据2016—2019年的畜禽年增长率计算得出。之所以采用2019年的数据作基准,主要是因为2020年是在2019年畜禽相关产品价格显著下跌,导致大量养殖户弃养后形成的养殖低谷期,畜禽养殖量明显偏离正常值,故采用2019年的数据更为科学。

总的来说,按照当前发展模式,2025年菏泽市农业源氨排放量及排放强度将较2020年有明显增加,很可能会在一定程度上推高PM2.5浓度,对空气质量造成不利影响。对此,必须未雨绸缪提前采取相应措施努力控制农业源氨排放量的增加,最大程度降低其对PM2.5的影响。

3 结论

(1)十三五期间菏泽市农业源氨排放量均大于10万t·a-1,处于11.82万t·a-1～16.62万t·a-1之间,且随着时间推移呈逐年下降趋势,2020年氨排放量较2016年下降28.9%。

(2)不同农业源氨排放量差异明显,表现为畜禽养殖源>氮肥源>农业人口源>土壤本底源>生物质燃烧源,且畜禽养殖源和氮肥源在农业源中占绝对优势,对农业源氨排放量贡献最大,两类源的氨排放量在农业源氨排放量中的占比超过90%。

(3)菏泽市农业源氨排放强度与PM2.5呈正相关关系,其相关系数达到0.793,表明氨排放强度对PM2.5浓度具有明显影响。

(4)按趋势照常模式对菏泽市2025年农业源氨排放情况进行估算的结果为氨排放量13.76万t·a-1,氨排放强度11.25t·km-2,均高于2020年水平。建议当地政府尽快采取有针对性措施控制农业源氨排放以避免空气质量的恶化。