菏澤市農業源氨排放特征研究

肖培平 徐 雄

(山東省菏澤生態環境監測中心,山東 菏澤 274000)

當前,細顆粒物(PM2.5)是環境空氣的重要污染物之一,是形成霧霾的重要原因,對環境空氣質量有著重要影響。PM2.5的形成機制十分復雜,但氨(NH3)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)被公認為是形成PM2.5的重要前體物[1],對PM2.5具有重要貢獻。然而,由于NH3未被列入環境質量考核指標體系,因此NH3對空氣質量的影響常被忽略,這是導致環境空氣質量在SO2、NOx改善到一定程度后難以再顯著改善的重要原因之一。

氨作為大氣微量氣體組成,是參與大氣氮循環的關鍵成分,它不僅能與大氣中其他二次氣溶膠組分發生化學反應形成硝酸銨和(亞)硫酸銨等二次顆粒物而使空氣中PM2.5濃度增加[2],促進霾的形成,還會引起溫室效應、土壤酸化、水體富營養化等一系列環境問題[3-4]。

近年來,國內外學者對氨排放及其特征的研究逐漸增多,且研究結果普遍認為農業源是大氣氨排放的主要來源,占到氨排放總量的80%～90%[5]。農業生態系統中氨排放不僅造成農作物營養大量流失,而且對環境、特別是大氣環境構成嚴重威脅,因此,對一個地區而言,大氣環境質量的改善有賴于農業源氨排放控制,而農業源氨排放量估算則是農業源排放控制的首要前提。

菏澤市位于京津冀大氣傳輸通道,其大氣污染物濃度的高低直接影響首都空氣質量的好壞,降低其大氣污染物濃度對改善首都大氣環境質量意義尤為重大。近年來該市通過采取一系列針對工業、城建、交通等領域的大氣顆粒物治理措施,PM2.5濃度實現了大幅下降,但截至2021年PM2.5濃度依然較國家二級標準限值高37%。當前工業、城市、交通等領域治理PM2.5的措施已經比較完善,今后僅僅依靠這些傳統治理方式以實現PM2.5的達標難度將非常大,因此亟需改變策略,通過控制氨排放,特別是農業源氨排放來降低PM2.5濃度,進而實現大氣環境質量的改善。但要推進農業源氨排放控制,當前最緊要的工作就是開展農業源氨排放估算,弄清其排放特征,然而目前幾乎未見有關當地的研究報道。為此,以2017—2021年菏澤市統計年鑒所提供的數據為基礎,收集、整理相關數據并估算了菏澤市十三五(2016—2020年)期間農業源氨排放量,并對十四五末氨排放量進行了預測,旨在為該地區全面掌握農業源氨排放狀況及變化趨勢,開展合理施肥、畜禽養殖污染治理、改善環境質量等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與數據來源

研究區域為山東省菏澤市,包括七縣二區,即牡丹區、定陶區、曹縣、成武縣、單縣、巨野縣、鄆城縣、鄄城縣、東明縣。參照生態環境部《大氣氨源排放清單編制技術指南(試行)》[6]有關要求,并結合菏澤市農業發展特點,以2017—2021年《菏澤市統計年鑒》為基礎,收集、統計了菏澤地區十三五期間畜禽養殖、氮肥施用、生物質燃燒、農業人口、土壤本底5方面活動水平數據,并據此計算菏澤地區農業源氨排放量。

1.2 氨排放量計算公式

采用排放因子法對農業源氨排放量進行估算,計算公式如下:

Ei,j,y=Ai,j,y×fEi,j,y

(1)

式中,i代表地區,j代表排放源,y代表年份,Ei,j,y代表y年i地區j排放源的氨排放量,Ai,j,y代表相應排放源的活動水平,fEi,j,y代表相應排放源的排放系數。

1.3 不同農業源活動水平及排放因子

本研究針對畜禽養殖、氮肥施用、生物質燃燒、土壤本底和農業人口5類排放源進行氨排放估算。通過收集相應源活動水平,再依據《大氣氨源排放清單編制技術指南(試行)》中各類源排放因子的參考值以及氨排放量估算公式分別計算各類源的氨排放量。

1.3.1 畜禽養殖源活動水平及NH3排放因子

以《菏澤市統計年鑒》(2017-2021)中牛、羊、豬、雞、鴨、鵝、馬、騾、驢、兔等畜禽數據作為菏澤市2016—2020年畜禽養殖業活動水平數據,如表1。相應排放因子參考鄧明君等[7]的研究成果,如表2。

表2 不同畜禽在集約化及散養條件下的NH3排放因子 單位:kg·只-1·a-1

1.3.2 氮肥源活動水平及NH3排放因子

農業生產中氮肥施用后,受土壤類型、耕作條件、植物根系、微生物菌群以及溫度、濕度、光照等一系列物理、化學、生物作用,會釋放出大量的氨并進入大氣。其產生量的高低主要由氣候、土壤類型、氮肥種類及施用量等因素影響。菏澤市農業生產中施用的化肥主要有尿素、碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸銨等種類,但在菏澤市統計年鑒中沒有各種類型氮肥的年施用量統計數據,為此參考楊新明等[8]的文獻,將尿素、碳酸氫銨、硝銨、硫銨、其他氮肥施用量在化肥總施用量中所占份額分別按43%、48%、3%、1%、5%進行估算,各類氮肥活動水平見表3,排放因子見表4。

表3 菏澤市2016—2020年氮肥源活動水平相關統計數據 單位:萬t·a-1

表4 不同種類氮肥在不同溫度下NH3基準排放因子 單位:氮肥施用量的百分比

1.3.3 土壤本底源活動水平及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]比較活躍,其活動的結果是產生部分氨并釋放到空氣中,故土壤本底是影響大氣中氨含量的重要因素之一。而影響氨排放量的主要因素為耕地面積,因此土壤本底活動水平即當年耕地面積,NH3排放因子則參考《大氣氨源排放清單編制技術指南》,取0.12kg·畝-1·a-1。土壤本底活動水平如表5。

表5 不同年份土壤本底源活動水平

1.3.4 生物質燃燒源活動水平及排放因子

根據菏澤農業種植結構特點并結合統計年鑒中的有關統計量,將生物質燃燒活動水平確定為小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花秸稈焚燒量(Yi),主要通過這些農作物產量(Pi)、谷草比(Ci)、秸稈綜合利用率(D)、NH3排放因子等進行估算,其中小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花的谷草比分別按1.366、2、1.5、0.5、2、3計算[11],小麥、玉米秸稈的排放因子分別取0.37 gNH3·kg-1、0.68 gNH3·kg-1,其余作物秸稈取0.52 gNH3·kg-1[6]。各類作物秸稈焚燒量估算公式為:Yi=Pi×Ci×(1-D)。生物質燃燒活動水平有關數據如表6。

表6 生物質燃燒有關計算數據

1.3.5 農業人口源活動水平及排放因子

菏澤市作為山東省的農業大區,農業人口多,且農村發展普遍滯后,衛生廁所比例極低,因此必須充分考慮農業人口對氨排放量的影響。在估算氨排放量時,以農業人口數量為活動水平,其排放因子取0.787 kgNH3·a-1·人-1。菏澤市2016—2020年農業人口數量如表7。

表7 菏澤市2016—2020年農業人口數量

2 結果與分析

2.1 菏澤市2016—2020年不同農業源氨排放量

按照公式(1)并結合不同農業源活動水平及其排放因子(表1-表7)計算2016—2020年各年份畜禽養殖、氮肥施用、土壤本底、生物質燃燒、農業人口5類農業源氨排放量,結果如表8。由于畜禽養殖和氮肥施用兩類農業源的氨排放因子都與月均氣溫有關,因此估算這兩類農業源的氨排放量時須先核算一年內月均氣溫<10℃、10℃-20℃、20℃-30℃、>30℃幾種情形下的天數。為此,查閱了菏澤市氣象資料,發現該地區無月均氣溫>30℃的情形,而月均氣溫<10℃的月份為1、2、11、12月,月均氣溫10℃-20℃的月份為3、4、10月,月均氣溫20℃-30℃的月份為5、6、7、8、9月,三種溫度條件下的天數分別為120天、92天、153天。

表8 菏澤市2016—2020年不同農業源氨排放量

畜禽養殖的方式會直接影響氨的排放量,但統計年鑒中未對畜禽的養殖方式進行分類,因而根據菏澤市畜禽養殖業的實際,在進行氨排放量估算時,將羊、馬、騾、驢的養殖方式按散養算,其他畜禽的養殖方式均按集約化養殖方式算。

氮肥源氨排放量受施肥率及施肥方式影響,因而在估算氮肥源氨排放量時應將表4中的基準排放因子轉化為實際排放因子,其轉化方法如下:

實際排放因子=基準排放因子×施肥率校正系數×施肥方式校正系數

由于菏澤地區每畝耕地施肥量大于13kgN,故施肥率校正系數取1.18;施肥方式都是覆土深施,故施肥方式校正系數取0.32[6]。

從表8可以看出,2016—2020年,農業源氨排放量呈現逐漸降低的趨勢,從2016年的16.62萬t·a-1下降至2020年的11.82萬t·a-1,五年下降28.9%。其中2020年較2019年下降最為明顯,一年下降3.15萬t·a-1,下降幅度達21.0%。這可能與2019年包括豬肉在內的多種大宗肉、蛋、禽產品價格大幅下跌,2020年部分養殖戶棄養有關。從此表還可看出,不同的農業源氨排放量各不相同,畜禽養殖源>氮肥源>農業人口源>土壤本底源>生物質燃燒源。表明畜禽養殖和氮肥施用對氨排放有著非常重要的影響。就畜禽養殖源而言,不同類畜禽對氨的排放影響也差異明顯(如表9),其中羊的貢獻最大,除2020年其氨排放量占畜禽氨排放量的38.1%外,其余年份貢獻均大于50%,2016年貢獻更是達到60.4%,表明養羊業在畜禽養殖源的氨排放中占有主導地位。此外,雞、牛、豬在畜禽養殖業中也是重要的氨排放源,前兩者的貢獻均超過10%,后者的貢獻均超過6%。

表9 不同畜禽氨排放量及占比

在五類農業源中,畜禽養殖源氨排放量五年變幅最大,生物質燃燒源變幅次之,其余變幅相對較小。為此,比較了不同生物質燃燒源氨排放量(如表10),發現小麥、玉米是生物質燃燒源中最主要源,兩類秸稈燃燒所排放的氨在整個生物質燃燒源中占比超過90%。因此,若要通過秸稈禁燒控制氨排放,必須重點抓住小麥和玉米的秸稈禁燒工作。

表10 不同生物質燃燒源氨排放量及占比

2.2 菏澤市不同農業源對氨排放量的貢獻

研究區2016—2020年期間農業源氨排放量均超過10萬t·a-1以上,就以最低的2020年作參考,其氨排放量比已報道的上海[12]、河北邯鄲[13]以及濟南等山東省內其它市[8]都高,僅比河南駐馬店[14]等少數城市略低。根據氨對PM2.5的影響機制,可以推斷菏澤市的農業源氨排放對當地PM2.5的貢獻較國內、山東省內很多城市都大,這可能也是近年來菏澤PM2.5濃度在全國各地級城市中排名靠前的原因之一。

為了進一步細分不同農業源對氨排放量的貢獻,繪制了各類源氨排放量在農業源氨總排放量中的占比圖,如圖1。從該圖可以看出,2016—2020年畜禽養殖源氨排放量在農業源氨排放量中的占比為51.54%～60.53%,貢獻最大;氮肥源的占比為35.11%～42.93%,貢獻次之;農業人口源的占比為2.90%～3.89%,貢獻再次之;土壤本底源和生物質燃燒源的占比分別為0.90%～1.26%、0.39%～0.56%,貢獻都很小。不同年份,各類源貢獻的占比有所波動,但總體基本穩定。其中畜禽養殖源和氮肥源的占比都分別遠遠超過其余三類源占比的總和,屬于菏澤市氨排放中最重要的兩類農業源,在五類源中占有絕對優勢。因此若要削減農業源氨排放,必須著重針對畜禽養殖和氮肥施用兩個方面采取控制措施。

圖1 不同年份各農業源氨排放占比

2.3 菏澤市不同年份農業源氨排放強度及變化趨勢

為研究氨對PM2.5的影響,必須先將氨排放的絕對量轉化為氨排放強度,即單位面積的氨排放量,因此計算了2016—2020年菏澤市不同農業源氨排放強度,如表11。從該表可以看出,2016—2020年,菏澤市農業源氨排放強度為9.66t·km-2～13.58t·km-2,且呈逐年下降的趨勢。五類源的排放強度在不同年份有所差異,但各類源排放強度大小排序相對穩定,表現為畜禽養殖源>氮肥源>農業人口源>土壤本底源>生物質燃燒源,而且除土壤本底源外,其他源均基本呈不斷下降趨勢,其原因主要與畜禽養殖數量逐年下降,農業化肥減施、農村人口數量下降、秸稈禁燒等導致的農業源活動水平下降有關。

表11 菏澤市不同年份不同農業源氨排放強度

2.4 菏澤市農業源氨排放強度與大氣PM2.5濃度的相關性

氨作為PM2.5的重要前體物質之一[15],在大氣中比較活潑,可與SO2、NO2等酸性氣體反應生成銨鹽,進而形成氣溶膠,從而影響PM2.5濃度,因此氨與PM2.5具有密切關系。通過收集當地同時期PM2.5濃度數據并對照氨排放強度,制作了2016—2020年菏澤市PM2.5和氨排放強度變化趨勢圖,如圖2。從該圖可以看出PM2.5濃度與氨排放強度的變化趨勢基本一致,都隨著時間的推移而下降。為定量分析氨排放強度與PM2.5的相關程度,利用SPSS17.0軟件計算了兩者的皮爾遜相關系數,結果發現兩者具有明顯的正相關關系,相關系數達到0.793,雖未達到顯著水平,但可以看出兩者關系密切,表明農業源氨排放強度對空氣中PM2.5濃度有重要影響,這與翟冬玉[13]、楊顯玉等[16]的研究結果一致。因此若要實現空氣質量的改善,特別是PM2.5濃度的下降,就必須重視農業源氨排放。值得注意的是,導致菏澤市空氣質量較差的首要污染物是PM2.5,而該地氨排放強度高,有較大的下降空間,故可在農業氨排放上采取有效措施盡量降低氨排放強度,進而降低PM2.5濃度,從而實現空氣質量的改善。

圖2 菏澤市2016—2020年PM2.5與NH3排放強度變化趨勢

2.5 菏澤市2025年農業源氨排放量估算

對未來農業氨排放量進行預測是有針對性地制定空氣質量控制措施或減排計劃的前提與基礎,為此在趨勢照常模式下,即在畜禽養殖、氮肥施用的模式和增長趨勢與現在基本一致、秸稈禁燒政策和現在保持不變的情況下,根據“十三五”各農業源活動水平變化趨勢估算“十四五”末農業源氨排放量,將對制定當地環境發展規劃、空氣質量改善計劃等具有十分重要的意義。因此,在趨勢照常模式下估算了十四五末農業源氨排放量和排放強度,如表12。

表12 趨勢照常模式下十四五末菏澤市農業源氨排放情況

從該表可以看出,至2025年菏澤市農業源氨排放量將達到13.76萬t·a-1,雖低于2016年,但較2020年高1.94萬t·a-1,增幅達16.4%;其排放強度也較2020年增加,達到11.25t·a-1,較2020年高1.59t·a-1。仔細比較可以發現,五類農業源中,土壤本底源氨排放量2025年與2020年無變化,這主要是菏澤地處華北平原,境內土地基本都屬于基本農田,建設用地均實行占補平衡政策,自2018年起菏澤耕地面積就保持不變,故在現有政策保持不變情況下2025年該地區耕地面積不會變化,來自土壤本底源的氨排放量也自然不會變化。氮肥源、農業人口源、生物質燃燒源2025年氨排放量均較2020年下降,這與化肥減施、城鎮化縱深推進、秸稈禁燒等政策和措施的實施有關。畜禽養殖源氨排放量2025年達到8.90萬t·a-1,排放強度達到7.27t·km-2,較2020年分別高2.81萬t·a-1和2.29t·km-2,是氨排放量和排放強度較2020年增加的唯一農業源。究其原因主要是在進行2025年畜禽養殖數量估計時采用了2019年的數量作為基準,并根據2016—2019年的畜禽年增長率計算得出。之所以采用2019年的數據作基準,主要是因為2020年是在2019年畜禽相關產品價格顯著下跌,導致大量養殖戶棄養后形成的養殖低谷期,畜禽養殖量明顯偏離正常值,故采用2019年的數據更為科學。

總的來說,按照當前發展模式,2025年菏澤市農業源氨排放量及排放強度將較2020年有明顯增加,很可能會在一定程度上推高PM2.5濃度,對空氣質量造成不利影響。對此,必須未雨綢繆提前采取相應措施努力控制農業源氨排放量的增加,最大程度降低其對PM2.5的影響。

3 結論

(1)十三五期間菏澤市農業源氨排放量均大于10萬t·a-1,處于11.82萬t·a-1～16.62萬t·a-1之間,且隨著時間推移呈逐年下降趨勢,2020年氨排放量較2016年下降28.9%。

(2)不同農業源氨排放量差異明顯,表現為畜禽養殖源>氮肥源>農業人口源>土壤本底源>生物質燃燒源,且畜禽養殖源和氮肥源在農業源中占絕對優勢,對農業源氨排放量貢獻最大,兩類源的氨排放量在農業源氨排放量中的占比超過90%。

(3)菏澤市農業源氨排放強度與PM2.5呈正相關關系,其相關系數達到0.793,表明氨排放強度對PM2.5濃度具有明顯影響。

(4)按趨勢照常模式對菏澤市2025年農業源氨排放情況進行估算的結果為氨排放量13.76萬t·a-1,氨排放強度11.25t·km-2,均高于2020年水平。建議當地政府盡快采取有針對性措施控制農業源氨排放以避免空氣質量的惡化。