江蘇省農業源甲烷排放清單研究

徐興英，段華平，張麗，王梁，孫秀娟，卞新民

目前以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為全球生態環境研究的熱點，而溫室氣體濃度的逐年增加是引起全球變化的主要原因[1]。CH4作為重要的溫室氣體組成，在地球氣候系統中起著重要的作用，其對于全球溫室效應的貢獻約為15%[2]。就目前來說，估計大氣中70%的CH4來源于農業活動和土地利用方式的轉換等過程[3]。據IPCC第四次評估報告，2004年農業源溫室氣體排放占全球人為源溫室氣體排放的13.5%，農業排放甲烷占由人類活動造成的甲烷排放總量的47%。因此，農業作為重要的甲烷排放源，其對溫室效應的影響不容忽視。

已有研究表明，涉及整個農業源甲烷排放的研究多數局限在全國尺度；省域尺度的研究相對較少，而且多為單因素研究[4-7]。水稻和畜禽養殖甲烷排放研究相對較早，在二十世紀八、九十年代，就有相關研究資料；秸稈燃燒甲烷排放研究較少，在為數不多的省域尺度單因素研究中，最新研究為劉麗華等[7]利用實地調研和實驗結合，測算了2006-2008年間江蘇省農業殘留物燃燒甲烷排放。鑒于此，本文針對江蘇省農業生產的實際情況，以2009年數據為基礎，采用IPCC推薦的排放因子法，對江蘇省13個市的各類農業甲烷排放源進行分類識別，估算主要排放源的排放量，初步建立江蘇省農業源甲烷排放清單，為農業生產的節能減排提供依據。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究區域概況

江蘇省位于我國大陸東部沿海中心，是長江三角洲地區重要的組成部分。全省氣候溫和，年均氣溫在13.5℃-16.0℃，全年日照時數為2000h-2600h，降水量在800mm-1200mm之間。該地區農業資源豐富，以種植業和養殖業為主，而良好的自然條件為農業發展提供有利條件。

1.2 計算方法

采用排放因子法對甲烷排放進行估算。排放因子的確定，參考IPCC指南和國內外研究資料，如果國內有甲烷排放因子的研究成果資料，則優先使用國內資料，反之參照IPCC缺省值或國外研究資料。甲烷農業排放源主要包括稻田種植、畜禽養殖、秸稈焚燒。農業源甲烷排放量計算公式如下：

式中，E為江蘇省農業源甲烷排放總量，Gg/a；E稻田為稻田在無秸稈還田條件下年度CH4排放，Gg/a；E稻田s為秸稈還田甲烷排放因子修正后CH4排放量，Gg/a；E畜禽為畜禽CH4排放總量，Gg/a；E秸桿為秸稈燃燒 CH4排放量，Gg/a。

（1）稻田生態系統甲烷排放量估算

本文僅從有機物添加量（有無秸稈還田）方面對甲烷的排放進行研究。江蘇省水稻種植類型主要以中稻和單季晚稻為主，由于秸稈還田面積還不到水稻種植面積的1/3，旱地秸稈還田忽略不計。假設全生育期內水稻只施用化學氮肥，除秸稈外無其他有機物添加。參照IPCC推薦的計算方法[8]，無秸稈還田稻田甲烷排放計算公式為：

式中，E稻田為稻田在無秸稈還田條件下種植中CH4排放，Gg/a；EF為在無秸稈還田條件下稻田的季節性排放因子，kg/hm2；Ai為無秸稈還田條件下水稻的種植面積，103hm2。

IPCC[9]還提出了稻田甲烷排放修正系數，用于修正秸稈還田后稻田甲烷排放因子，還田后甲烷排放可通過修正后因子計算：

式中，E稻田s為秸稈還田甲烷排放因子修正后CH4排放量，Gg/a；As為秸稈還田條件下水稻種植面積，103hm2。

稻田甲烷修正系數SF0計算：SF0=(1+ROA×CFOA)0.59（4）

式中，ROA為秸稈干物質還田量，即作物產量與谷草比和干物質含量的乘積（表1)，t/hm2；CFOA為有機物轉化為甲烷的系數，即水稻種植前施用秸稈的甲烷轉化系數，IPCC缺省值為1，秸稈為全量還田。

公式（2）、（3）、（4）中的參數通過相關文獻和資料獲取，EF=216.3kgCH4/hm2[10]，谷草比為 1∶1.2，干物質含量 0.85，秸稈還田面積、干物質還田量和SF0見表1。

表1 干物質還田量和修正系數

（2）畜禽養殖甲烷排放量估算

在畜禽養殖中，甲烷排放主要來自各畜種的腸胃，其中以反芻動物牛、羊等最多，非反芻動物中豬、兔的飼養數量較大，總的排放量也不容忽視；禽類胃腸發酵甲烷排放量極微，IPCC和FAO不予考慮，本研究也不進行考慮。畜禽廢棄物存儲或管理的同時也產生大量甲烷，排泄物通過無氧降解產生大量的甲烷[9，11]。動物腸道發酵及其糞便管理中甲烷排放量的估算，計算公式為：

式中，E畜禽為畜禽 CH4排放總量，Gg/a；EFj,k為 j排放源第k種牲畜種群排放因子（表2），kg/頭或只·a；Nk為牲畜種類k的頭數；j為動物腸道發酵或動物糞便管理；k為牲畜種類。

表2 畜禽養殖甲烷排放因子

（3）秸稈焚燒甲烷排放量的估算

農作物秸稈等農業廢棄物是生物質能源最重要的組成部分[12]。2009年江蘇省秸稈綜合利用率達到59%，但還是40%的秸稈被廢棄在田間地頭，焚燒比例約占廢棄量的50%。由農作物秸稈燃燒造成的甲烷排放可通過作物產量、秸稈產出系數、干物質含量、甲烷排放因子[7,13-15]和秸稈露天焚燒比例來估算（表3），計算公式如下：

式中，E秸桿為秸稈燃燒中 CH4排放量，Gg；Cr為作物產量，t；Ra為秸稈產出系數；Cf為燃燒因子即干物質含量；Gef為排放因子，g/kg；MB燃燒比例。

表3 秸稈燃燒甲烷排放計算參數

注：①來源農業污染源普查技術資料[15]。②以《農作物秸稈資源調查與評價技術規范》中標準含量為基礎。

1.3 數據來源

數據主要來源于《江蘇省農村統計年鑒（2010）》、《江蘇省統計年鑒（2010）》、江蘇省畜牧業報表（2009）、中國農業機械化信息網。其中水稻種植面積、畜禽（除兔）年末存欄量等數據來自《江蘇省農村統計年鑒（2010）》及《江蘇省統計年鑒（2010）》，兔年末存欄量數據來自江蘇省畜牧業報表。

2 結果與分析

2.1 甲烷排放基本參數

2009年江蘇省耕地面積5429.96×103hm2，其中，水稻種植面積2242.55×103hm2，小麥種植面積2188.54×103hm2。江蘇農作物秸稈主要包括水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花等。據估算，全省每年僅稻麥秸稈產量就達到了37.67Tg[16]。且隨著農作物單產的提高，秸稈產量也將隨之增加。按照表3中的草谷比計算，2009年秸稈總產量約為43.65Tg，各作物秸稈產量詳細分布見表4。

表4 江蘇省各地市主要作物秸稈產量分布 （單位：Gg）

2009年，江蘇省畜禽養殖年末牛存欄量為4.516×105頭，其中，奶牛存欄量最大的為徐州市，占全省奶牛存欄量的29.47%，其次為蘇州市和南京市，分別占13.43%和10.19%；羊存欄1.858×107頭，徐州市和南通市存欄數所占份額最大，占總存欄量的65.69%；生豬存欄6.050×106只，主要集中在鹽城市、南通市和徐州市，所占比例分別為18.67%、15.78%和13.4%；家禽存欄3.586×108萬羽，份額最大是徐州市和鹽城市；兔存欄量1.49×107只，93.72%分布在蘇北5市，蘇南和蘇中總份額僅為6.28%。

2.2 江蘇省農業源甲烷排放量

由公式（1）、（2）、（3）、（5）和（6）計算，2009 年江蘇省農業源甲烷排放量990.347Gg（表5）。13個城市中有5個城市農業源甲烷年總排放量超過了100Gg。淮安市甲烷排放量在全省居首位，排放量達136.135Gg，占全省總排放量的13.75%；另外4市依次為徐州市、鹽城市、南通市和宿遷市，排放量分別為 127.633 Gg、115.189 Gg、107.873 Gg 和 102.058Gg，占農業源甲烷總排放量的12.89%、11.63%、10.89%和10.31%；蘇南4市的排放量都很小，總和還沒達到徐州市的排放量，排放份額占全省12.92%。

2.3 源排放貢獻及排放量分析

由圖1可見，稻田甲烷排放對農業源甲烷排放的貢獻最大，占全省農業源排放總量的83.77%；其次為畜禽甲烷排放，占14.54%，其中，包括畜禽腸道發酵和糞便管理，腸道發酵甲烷排放稍微高于糞便管理；秸稈燃燒排放貢獻在4個排放源中排放貢獻最小，僅為1.69%。

從表5和圖1可以看出，稻田甲烷排放是江蘇省最大的甲烷排放源，總排放量（808.577Gg）明顯高于徐新華等[17]1996年研究結果（675Gg），這主要是由江蘇省輪作模式、秸稈還田率和水稻種植面積決定的。淮安市和徐州市，稻田甲烷總排放量較大，分別達到了123.842Gg和91.786Gg，占稻田甲烷總排放量的17.70%和14.79%，占全省排放總量的12.5%和9.27%。淮安市和徐州市主要是稻麥輪作，2009年兩市水稻種植面積分別為286.76×103hm2和185.76×103hm2，小麥秸稈全量還田面積達到了133.33×103hm2和111.60×103hm2。

表5 2009年江蘇省農業源甲烷排放量 （單位：Gg/a）

源自畜禽養殖的甲烷排放是僅次于水稻種植甲烷排放貢獻另一重要排放源，排放量為144.059Gg，其中，糞便管理系統中甲烷的排放稍稍高于動物腸道發酵產生的量，分別為67.785Gg和76.274Gg。主要集中在徐州市、鹽城市和南通市，排放總量分別為33.874 Gg、23.350 Gg和23.265Gg，占源排放總量的23.51%、16.21%和16.15%。

秸稈燃燒排放量較小，排放總量為16.711Gg，低于曹國良等[18]對江蘇省甲烷排放的估算結果（18.8Gg），造成這一結果的主要原因是近幾年政府提出的禁燒政策及對秸稈還田技術的推廣。水稻和小麥秸稈燃燒是最主要因素，其甲烷排放總量占秸稈燃燒排放總量的74.96%，其他4種作物排放較小，約為秸稈燃燒甲烷排放總量的1/4。

2.4 甲烷排放強度及空間分布

排放強度廣義是指特定活動中特定污染物相對某一源的平均排放率，結合該地區的排放總量，綜合考慮該區域的污染負荷狀況。

2009年江蘇省甲烷排放強度和空間分布如圖2和圖3。由圖2可知，江蘇省甲烷排放強度最大的4個城市分別是揚州、淮安、南通市和泰州市，排放強度最大的是揚州市為13.88t/km2·a，淮安市和南通市排放強度相差不大，分別為13.52t/km2·a和13.48t/km2·a，泰州市排放強度為12.29t/km2·a，以上4個城市甲烷排放強度明顯高于江蘇省平均排放強度9.63t/km2·a，排放強度最小的是無錫市僅為 4.33t/km2·a。由空間分布圖（圖3）明顯看出農業源甲烷主要分布在蘇北，這與排放強度明顯不同，決定這一現象的主要因素是各城市土地面積和農業結構差異。

3 結論與討論

2009年江蘇省農業源甲烷排放量為990.347Gg。各城市中農業源甲烷排放存在較大差異，甲烷排放量最大的5個城市為淮安市、徐州市、鹽城市、南通市和宿遷市，排放量分別為136.135Gg，127.633 Gg，115.189 Gg，107.873 Gg 和102.058Gg，這5個城市甲烷排放總量占江蘇省全年甲烷排放總量的59.46%。水稻種植對江蘇省農業源甲烷的排放貢獻最大，占全省農業源排放總量的83.77%；其次為畜禽甲烷排放，占14.54%，其中，畜禽腸道發酵和糞便管理甲烷排放貢獻分別為7.70%和6.84%；秸稈燃燒排放貢獻最小，僅為1.69%。江蘇省農業源甲烷排放平均強度為9.63t/km2·a，甲烷排放強度最大的4個城市分別是揚州、淮安、南通市和泰州市，排放強度分別為 13.88t/km2·a、13.52 t/km2·a、13.48 t/km2·a 和 12.29t/km2·a。

本研究從四個方面估算了農業源甲烷排放，初步建立了江蘇省農業源甲烷排放清單，為有針對性地制定排放控制政策和對策措施，降低農業源CH4排放量，改善區域環境空氣質量提供基礎資料；進而為制定合理的基于全國層面的農業源CH4排放減排對策提供參考。但是在清單估算中仍存在一定的不確定性，主要原因包括兩個方面：首先是活動數據的不確定性，個別活動數據分類過于簡略，未進行詳細劃分，或者活動數據缺失；其次，影響排放因子的因素比較復雜，選取IPCC推薦系數或我國研究資料均值，用以計算特定省份的甲烷排放量會存在一定偏差。要減少這些因素的影響，應全面檢測本區域各排放源的甲烷排放系數。同時，本文僅對農業源甲烷排放進行估算，為了全面評價江蘇省農業源溫室氣體排放情況及空間分布，在今后的研究中可以把重點放在氧化亞氮和二氧化碳排放源研究方面，并結合GIS技術從空間差異性方面對農業源溫室氣體排放進一步開展研究。

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