吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放現(xiàn)狀及時空規(guī)律分析

祝延立王鑫趙新穎張頔周亞榮關法春那偉

(1.吉林省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)村能源與生態(tài)研究所，吉林 長春 130033；2.長春市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測中心，吉林 長春 130032)

溫室氣體濃度的升高是引起全球大氣溫度增加的重要因素，對人類生產(chǎn)、生活造成的不利影響越來越突出。大氣中的溫室氣體主要有二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等[1]，氧化亞氮的溫室效應是二氧化碳的300倍左右。農(nóng)業(yè)是大氣中氧化亞氮溫室氣體的主要來源[2]，農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放對大氣總氧化亞氮的貢獻率達到70%以上[3]，土壤中的大部分氧化亞氮由生物硝化和反硝化作用產(chǎn)生，減少農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的重要內(nèi)容。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排必須把握好降低排放與穩(wěn)產(chǎn)保供的關系，瞄準主要排放源及重點區(qū)域，有針對性的實施減排措施及對策，促進農(nóng)業(yè)活動向綠色低碳轉(zhuǎn)型。吉林省是農(nóng)業(yè)大省，我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便資源非常豐富。但隨著糧食生產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的農(nóng)業(yè)溫室氣體(CH4和N2O)。其中，農(nóng)業(yè)氧化亞氮(N2O)排放占吉林省農(nóng)業(yè)溫室氣體排放總量的60%以上，是吉林省農(nóng)業(yè)主要溫室氣體，特別是近年來，隨著超量施用高氮化肥以及畜禽養(yǎng)殖糞污隨意排放引起的氧化亞氮排放呈上升趨勢[4]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要達到溫室氣體減排目標，減少農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放是重點。準確估計農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量，理清重點排放源及排放區(qū)域，是有針對性制定氧化亞氮減排政策，推廣氧化亞氮減排措施的基礎。本文采用IPCC《指南》提供的公式及方法，量化評估吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放總量和現(xiàn)狀特征。結(jié)合各地區(qū)氧化亞氮排放量，分析吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放時空分布規(guī)律和演化特征，確定重點排放源及排放區(qū)域，為吉林省不同區(qū)域有針對性的實施農(nóng)業(yè)氧化亞氮減排技術措施，制定減少農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放政策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 估算方法與數(shù)據(jù)來源

農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放源包括農(nóng)用地及動物糞便管理，本文采用《IPCC指南》提供的方法，根據(jù)公式、活動水平數(shù)據(jù)、排放因子，核算吉林省2011—2020年農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放總量及2012年、2016年、2020年各地區(qū)的排放量，分析農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放時空分布規(guī)律和演化特征。

1.1 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量估算方法

1.1.1 農(nóng)用地氧化亞氮排放量估算方法[5]

吉林省農(nóng)用地氧化亞氮排放總量計算公式：

EN2O=∑(N輸入×EF)

(1)

式中，EN2O為吉林省農(nóng)用地氧化亞氮排放總量；N輸入為農(nóng)用地各排放過程氮輸入量；EF為氧化亞氮排放因子。

1.1.1.1 農(nóng)用地氧化亞氮直接排放量計算[6]

吉林省農(nóng)用地氧化亞氮直接排放量公式：

N2O直接=(N化肥+N糞肥+N秸稈)×EF直接

(2)

式中，N2O直接為農(nóng)用地氧化亞氮直接排放量；N化肥為化肥氮；N糞肥為糞肥氮；N秸稈為秸稈還田氮。

1.1.1.2 農(nóng)用地氧化亞氮間接排放量計算

農(nóng)用地氧化亞氮間接排放主要包括大氣氮沉降引起的排放和淋溶徑流引起的排放，計算方法如下。

大氣氮沉降引起的氧化亞氮間接排放，大氣氮沉降引起的氧化亞氮排放量計算公式：

N2O沉降=(N農(nóng)村排泄×20%+N農(nóng)田輸入×10%)×0.01

(3)

式中，N農(nóng)田輸入=N化肥+N糞肥+N秸稈；N農(nóng)村排泄為畜禽和人排泄總氮量。根據(jù)《指南》及吉林省實際情況，由于吉林省沒有相關實測數(shù)據(jù)，N農(nóng)村排泄和N農(nóng)田輸入采用20%和10%，排放因子采用《指南》默認值0.01。

淋溶徑流引起的氧化亞氮間接排放，農(nóng)田氮淋溶和徑流引起的氧化亞氮間接排放量計算公式：

N2O淋溶或徑流=N農(nóng)田輸入×20%×0.0075

(4)

其中，氮淋溶和徑流損失的氮量占農(nóng)用地總氮輸入量的20%來估算，排放因子采用《指南》提供的0.0075計算。

1.1.2 動物糞便管理氧化亞氮排放量估算方法

各種動物糞便管理氧化亞氮排放量等于不同動物糞便管理方式下氧化亞氮排放因子乘以動物飼養(yǎng)數(shù)量，相加可得總排放量，計算公式：

EN2O，糞便，i=EFN2O，糞便，i×APi×10-7

(5)

1.2 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放數(shù)據(jù)來源

復合肥施用純量、氮肥施用純氮量來源于《2012—2021年中國統(tǒng)計年鑒》[7]。作物產(chǎn)量、動物年末存欄量數(shù)據(jù)來源于《2012—2021年吉林統(tǒng)計年鑒》及各地區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[8]。花生分地區(qū)種植面積根據(jù)吉林省分地區(qū)油料作物種植面積折算，吉林省玉米、大豆、水稻秸稈還田率來源文獻數(shù)據(jù)[9]，其他作物秸稈還田率來源于專家咨詢數(shù)據(jù)。農(nóng)作物參數(shù)[10]、動物排泄系數(shù)采用《指南》提供的推薦值及文獻數(shù)據(jù)[11，12]，動物放牧飼養(yǎng)量來源于畜牧部門調(diào)查數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放現(xiàn)狀

2011—2020年吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮平均排放量為45708t·a-1，高于平均值的5個年份為2012—2016年，其余年份低于平均值。吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放總量由2011年的44684t減少到2020年的42747t，減少了1937t，下降4.53%。從圖1可以看出，農(nóng)用地是吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮的重點排放源，農(nóng)用地排放量年均占比為83.28%，糞便管理排放年均所占比重為16.72%。2011—2020年吉林省農(nóng)用地氧化亞氮年均排放量為38066t·a-1，2011年排放總量36492t，2020年排放量為36137t，減少了355t，高于平均值的5個年份為2013—2017年。畜禽糞便管理氧化亞氮平均排放量為7642t·a-1，2011年排放量為8192t，2020年排放量為6610t，減少了1582t，下降了23.9%。其中高于平均值的6個年份為2011—2016年。

圖1 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放現(xiàn)狀圖

2.2 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放的時空規(guī)律

2.2.1 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放時間演化規(guī)律分析

從表1、圖1可以看出，2011—2020年吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮總量經(jīng)歷了緩慢增長、快速下降的2個演化階段。第一階段，2011—2015年緩慢增長階段，農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量由2011年44684t增加到2015年48574t，增長了8.7%；第二階段，2015—2020年為快速下降階段，農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量由2015年48574t下降到2020年42747t，下降了13.6%。2011—2015年，吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)畜禽養(yǎng)殖規(guī)模擴大，化肥使用量不斷增加，導致農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量不斷增長。

表1 2011—2020年吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放總量

從各類排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占農(nóng)業(yè)氧化亞氮全部排放的49.36%，其次為動物糞便管理排放，占16.72%，糞肥氮排放，占12.34%，大氣沉降氮排放，占9.58%；淋容徑流排放占8.57%；秸稈還田排放比重最低，為3.42%。通過排放結(jié)構(gòu)可以看出，吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放主要以化肥施用產(chǎn)生的氮排放為主。因此，未來降低農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放主要以減少化肥施用量，提高化肥利用率為主，同時提高畜禽養(yǎng)殖糞便管理的現(xiàn)代化和標準化水平。

從排放源分類比重演化上看，化肥氮排放所占全部氧化亞氮排放比重由2011年的46.9%提升到2020年的50.6%。淋溶徑流和秸稈還田氮排放數(shù)量增長有限，所占比重增幅分別增長了0.6百分點和0.5百分點。其他排放源排放量所占比重均有不同程度的下降，動物糞便管理、糞肥氮、大氣沉降氮所占比重均下降2.87%、1.62%和0.24%。說明吉林省農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提高依賴于化肥施用的持續(xù)增長，而化肥利用效率低又導致淋溶徑流氮排放的增加。因此吉林省更加重視糞肥等有機肥的高效利用，提升糞肥等有機肥的利用水平可以有效抑制N20的排放。

2.2.2 吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放空間演化規(guī)律分析

為探明吉林省農(nóng)業(yè)活動氧化亞氮排放空間變化特征，核算了2012年、2016年和2020年各地區(qū)農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量，分析了吉林省各地區(qū)農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放的空間特征。結(jié)果表明，2012年、2016年和2020年農(nóng)業(yè)活動氧化亞氮排放空間分布特征以中部高、東西低為主，以中部為核心并依次向東西兩側(cè)下降為主空間分布。中部地區(qū)的長春市是農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量最大的地區(qū)，排放量分別為12987t、14024t和12309t；其次是松原市、四平市和吉林市。以中部為主體，排放量依次是向西部白城市、東部的通化市、延邊朝鮮族自治州下降。農(nóng)用地和畜禽糞便管理排放的空間分布特征基本上與農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放空間分布相類似。吉林省中部地區(qū)是松遼平原腹地，是吉林省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖的核心地區(qū)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、規(guī)模化、標準化水平程度較高，農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量大，是未來吉林省降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動氧化亞氮的重點區(qū)域，見表2。

表2 2012年、2016年、2020年吉林省各地區(qū)農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量

3 結(jié)論

2011—2020年吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮年均排放量為45708t·a-1，排放總量由2011年的44684t減少到2020年的42747t，下降了4.53%。吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放總量中，農(nóng)用地排放年均占比重為83.28%，糞便管理排放年均占比重為16.72%。2011—2020年吉林省農(nóng)用地氧化亞氮年均排放量為38066t·a-1，畜禽糞便管理氧化亞氮平均排放量為7642t·a-1。因此，農(nóng)用地是吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放的主要排放源，采用有力措施降低農(nóng)用地氧化亞氮排放量是減少本省溫室氣體排放的重點內(nèi)容。

2011—2020年吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮總量經(jīng)歷了緩慢增長、快速下降的2個演化階段。第一階段，2011—2015年緩慢增長階段；第二階段，2015—2020年為快速下降階段。從排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占農(nóng)業(yè)氧化亞氮全部排放的49.36%，其次為動物糞便管理排放，糞肥氮排放，大氣沉降氮排放，淋容徑流排放，秸稈還田排放比重最低。通過排放結(jié)構(gòu)可以看出，吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放主要以化肥施用產(chǎn)生的氮排放為主。因此，未來降低農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放主要以減少化肥施用量，提高化肥利用率為主，同時提高畜禽養(yǎng)殖糞便管理的現(xiàn)代化和標準化水平。

吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放空間分布特征以中部高、東西低為主，以中部為核心并依次向東西兩側(cè)下降為主的空間分布。中部地區(qū)的長春市是農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放量最大地區(qū)，其次為松原市、四平市和吉林市。吉林省中部地區(qū)是畜牧養(yǎng)殖的核心地區(qū)，是未來吉林省降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)氧化亞氮的重點區(qū)域。

4 建議

根據(jù)吉林省農(nóng)業(yè)氧化亞氮重點排放源及分布區(qū)域，針對不同區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點，對減少氧化亞氮排放提出以下建議。要在做好農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放的核算、監(jiān)測等工作的基礎上，明確各地區(qū)農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放的底數(shù)，確定適宜小范圍的排放參數(shù)，編制或完善縣級及更小范圍的農(nóng)業(yè)氧化亞氮排放清單，為分解農(nóng)業(yè)減排任務提供數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)階段化肥氮依舊是吉林省農(nóng)田氧化亞氮排放的主要貢獻源，應在中部地區(qū)重點推廣糞肥、秸稈還田技術、水肥一體化等減氮技術措施[13]，提高化肥的利用效率，加強有機肥與化肥配合施用，提升農(nóng)業(yè)資源利用效率。應大力推廣保護性耕作、秸稈全量還田等先進耕作技術，根據(jù)區(qū)域特點，在相應地區(qū)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，推廣輪作、間作等種植模式[14]。在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū)推廣厭氧發(fā)酵沼氣技術、糞肥堆肥還田等技術，優(yōu)化飼料配方，降低養(yǎng)殖氮排泄量，進一步減少農(nóng)業(yè)氧化亞氮的排放。