江蘇省農(nóng)業(yè)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(tài)環(huán)境研究的熱點(diǎn)，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(tǒng)中起著重要的作用，其對(duì)于全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約為15%[2]。就目前來說，估計(jì)大氣中70%的CH4來源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)和土地利用方式的轉(zhuǎn)換等過程[3]。據(jù)IPCC第四次評(píng)估報(bào)告，2004年農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全球人為源溫室氣體排放的13.5%，農(nóng)業(yè)排放甲烷占由人類活動(dòng)造成的甲烷排放總量的47%。因此，農(nóng)業(yè)作為重要的甲烷排放源，其對(duì)溫室效應(yīng)的影響不容忽視。

已有研究表明，涉及整個(gè)農(nóng)業(yè)源甲烷排放的研究多數(shù)局限在全國(guó)尺度；省域尺度的研究相對(duì)較少，而且多為單因素研究[4-7]。水稻和畜禽養(yǎng)殖甲烷排放研究相對(duì)較早，在二十世紀(jì)八、九十年代，就有相關(guān)研究資料；秸稈燃燒甲烷排放研究較少，在為數(shù)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(shí)地調(diào)研和實(shí)驗(yàn)結(jié)合，測(cè)算了2006-2008年間江蘇省農(nóng)業(yè)殘留物燃燒甲烷排放。鑒于此，本文針對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，以2009年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用IPCC推薦的排放因子法，對(duì)江蘇省13個(gè)市的各類農(nóng)業(yè)甲烷排放源進(jìn)行分類識(shí)別，估算主要排放源的排放量，初步建立江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放清單，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能減排提供依據(jù)。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中心，是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)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(shí)數(shù)為2000h-2600h，降水量在800mm-1200mm之間。該地區(qū)農(nóng)業(yè)資源豐富，以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，而良好的自然條件為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有利條件。

1.2 計(jì)算方法

采用排放因子法對(duì)甲烷排放進(jìn)行估算。排放因子的確定，參考IPCC指南和國(guó)內(nèi)外研究資料，如果國(guó)內(nèi)有甲烷排放因子的研究成果資料，則優(yōu)先使用國(guó)內(nèi)資料，反之參照IPCC缺省值或國(guó)外研究資料。甲烷農(nóng)業(yè)排放源主要包括稻田種植、畜禽養(yǎng)殖、秸稈焚燒。農(nóng)業(yè)源甲烷排放量計(jì)算公式如下：

式中，E為江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放總量，Gg/a；E稻田為稻田在無(wú)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(tài)系統(tǒng)甲烷排放量估算

本文僅從有機(jī)物添加量（有無(wú)秸稈還田）方面對(duì)甲烷的排放進(jìn)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(jì)。假設(shè)全生育期內(nèi)水稻只施用化學(xué)氮肥，除秸稈外無(wú)其他有機(jī)物添加。參照IPCC推薦的計(jì)算方法[8]，無(wú)秸稈還田稻田甲烷排放計(jì)算公式為：

式中，E稻田為稻田在無(wú)秸稈還田條件下種植中CH4排放，Gg/a；EF為在無(wú)秸稈還田條件下稻田的季節(jié)性排放因子，kg/hm2；Ai為無(wú)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(shù)，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(jì)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(shù)SF0計(jì)算：SF0=(1+ROA×CFOA)0.59（4）

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

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

表1 干物質(zhì)還田量和修正系數(shù)

（2）畜禽養(yǎng)殖甲烷排放量估算

在畜禽養(yǎng)殖中，甲烷排放主要來自各畜種的腸胃，其中以反芻動(dòng)物牛、羊等最多，非反芻動(dòng)物中豬、兔的飼養(yǎng)數(shù)量較大，總的排放量也不容忽視；禽類胃腸發(fā)酵甲烷排放量極微，IPCC和FAO不予考慮，本研究也不進(jìn)行考慮。畜禽廢棄物存儲(chǔ)或管理的同時(shí)也產(chǎn)生大量甲烷，排泄物通過無(wú)氧降解產(chǎn)生大量的甲烷[9，11]。動(dòng)物腸道發(fā)酵及其糞便管理中甲烷排放量的估算，計(jì)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(shù)；j為動(dòng)物腸道發(fā)酵或動(dòng)物糞便管理；k為牲畜種類。

表2 畜禽養(yǎng)殖甲烷排放因子

（3）秸稈焚燒甲烷排放量的估算

農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物是生物質(zhì)能源最重要的組成部分[12]。2009年江蘇省秸稈綜合利用率達(dá)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(nóng)作物秸稈燃燒造成的甲烷排放可通過作物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)出系數(shù)、干物質(zhì)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(jì)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(chǎn)量，t；Ra為秸稈產(chǎn)出系數(shù)；Cf為燃燒因子即干物質(zhì)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(jì)算參數(shù)

注：①來源農(nóng)業(yè)污染源普查技術(shù)資料[15]。②以《農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)含量為基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒（2010）》、《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒（2010）》、江蘇省畜牧業(yè)報(bào)表（2009）、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化信息網(wǎng)。其中水稻種植面積、畜禽（除兔）年末存欄量等數(shù)據(jù)來自《江蘇省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒（2010）》及《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒（2010）》，兔年末存欄量數(shù)據(jù)來自江蘇省畜牧業(yè)報(bào)表。

2 結(jié)果與分析

2.1 甲烷排放基本參數(shù)

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(nóng)作物秸稈主要包括水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花等。據(jù)估算，全省每年僅稻麥秸稈產(chǎn)量就達(dá)到了37.67Tg[16]。且隨著農(nóng)作物單產(chǎn)的提高，秸稈產(chǎn)量也將隨之增加。按照表3中的草谷比計(jì)算，2009年秸稈總產(chǎn)量約為43.65Tg，各作物秸稈產(chǎn)量詳細(xì)分布見表4。

表4 江蘇省各地市主要作物秸稈產(chǎn)量分布 （單位：Gg）

2009年，江蘇省畜禽養(yǎng)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(shù)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(wàn)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(nóng)業(yè)源甲烷排放量

由公式（1）、（2）、（3）、（5）和（6）計(jì)算，2009 年江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放量990.347Gg（表5）。13個(gè)城市中有5個(gè)城市農(nóng)業(yè)源甲烷年總排放量超過了100Gg?；窗彩屑淄榕欧帕吭谌【邮孜?，排放量達(dá)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(nóng)業(yè)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(dá)到徐州市的排放量，排放份額占全省12.92%。

2.3 源排放貢獻(xiàn)及排放量分析

由圖1可見，稻田甲烷排放對(duì)農(nóng)業(yè)源甲烷排放的貢獻(xiàn)最大，占全省農(nóng)業(yè)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(fā)酵和糞便管理，腸道發(fā)酵甲烷排放稍微高于糞便管理；秸稈燃燒排放貢獻(xiàn)在4個(gè)排放源中排放貢獻(xiàn)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(jié)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?；窗彩泻托熘菔?，稻田甲烷總排放量較大，分別達(dá)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%?；窗彩泻托熘菔兄饕堑钧溳喿?，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(dá)到了133.33×103hm2和111.60×103hm2。

表5 2009年江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放量 （單位：Gg/a）

源自畜禽養(yǎng)殖的甲烷排放是僅次于水稻種植甲烷排放貢獻(xiàn)另一重要排放源，排放量為144.059Gg，其中，糞便管理系統(tǒng)中甲烷的排放稍稍高于動(dòng)物腸道發(fā)酵產(chǎn)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(guó)良等[18]對(duì)江蘇省甲烷排放的估算結(jié)果（18.8Gg），造成這一結(jié)果的主要原因是近幾年政府提出的禁燒政策及對(duì)秸稈還田技術(shù)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(qiáng)度及空間分布

排放強(qiáng)度廣義是指特定活動(dòng)中特定污染物相對(duì)某一源的平均排放率，結(jié)合該地區(qū)的排放總量，綜合考慮該區(qū)域的污染負(fù)荷狀況。

2009年江蘇省甲烷排放強(qiáng)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(qiáng)度最大的4個(gè)城市分別是揚(yáng)州、淮安、南通市和泰州市，排放強(qiáng)度最大的是揚(yáng)州市為13.88t/km2·a，淮安市和南通市排放強(qiáng)度相差不大，分別為13.52t/km2·a和13.48t/km2·a，泰州市排放強(qiáng)度為12.29t/km2·a，以上4個(gè)城市甲烷排放強(qiáng)度明顯高于江蘇省平均排放強(qiáng)度9.63t/km2·a，排放強(qiáng)度最小的是無(wú)錫市僅為 4.33t/km2·a。由空間分布圖（圖3）明顯看出農(nóng)業(yè)源甲烷主要分布在蘇北，這與排放強(qiáng)度明顯不同，決定這一現(xiàn)象的主要因素是各城市土地面積和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)差異。

3 結(jié)論與討論

2009年江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放量為990.347Gg。各城市中農(nóng)業(yè)源甲烷排放存在較大差異，甲烷排放量最大的5個(gè)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(gè)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(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷的排放貢獻(xiàn)最大，占全省農(nóng)業(yè)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(fā)酵和糞便管理甲烷排放貢獻(xiàn)分別為7.70%和6.84%；秸稈燃燒排放貢獻(xiàn)最小，僅為1.69%。江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放平均強(qiáng)度為9.63t/km2·a，甲烷排放強(qiáng)度最大的4個(gè)城市分別是揚(yáng)州、淮安、南通市和泰州市，排放強(qiáng)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(gè)方面估算了農(nóng)業(yè)源甲烷排放，初步建立了江蘇省農(nóng)業(yè)源甲烷排放清單，為有針對(duì)性地制定排放控制政策和對(duì)策措施，降低農(nóng)業(yè)源CH4排放量，改善區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量提供基礎(chǔ)資料；進(jìn)而為制定合理的基于全國(guó)層面的農(nóng)業(yè)源CH4排放減排對(duì)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(gè)方面：首先是活動(dòng)數(shù)據(jù)的不確定性，個(gè)別活動(dòng)數(shù)據(jù)分類過于簡(jiǎn)略，未進(jìn)行詳細(xì)劃分，或者活動(dòng)數(shù)據(jù)缺失；其次，影響排放因子的因素比較復(fù)雜，選取IPCC推薦系數(shù)或我國(guó)研究資料均值，用以計(jì)算特定省份的甲烷排放量會(huì)存在一定偏差。要減少這些因素的影響，應(yīng)全面檢測(cè)本區(qū)域各排放源的甲烷排放系數(shù)。同時(shí)，本文僅對(duì)農(nóng)業(yè)源甲烷排放進(jìn)行估算，為了全面評(píng)價(jià)江蘇省農(nóng)業(yè)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(diǎn)放在氧化亞氮和二氧化碳排放源研究方面，并結(jié)合GIS技術(shù)從空間差異性方面對(duì)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放進(jìn)一步開展研究。

[1] 黃耀,張穩(wěn),鄭循華,等.基于模型和GIS技術(shù)的中國(guó)稻田甲烷排放估計(jì)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(4):980-988.

[2]謝小立.南方紅壤地區(qū)稻田甲烷排放量及其機(jī)制的研究簡(jiǎn)報(bào)[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,1992,13(6):381-382.

[3] 董紅敏,李玉娥,陶秀萍,等.中國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放與減排技術(shù)對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(10):269-273.

[4] 董紅敏,林而達(dá),楊其長(zhǎng),等.中國(guó)反芻動(dòng)物甲烷排放量的初步估算及減緩技術(shù)[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境(學(xué)報(bào)),1995,11(3):4-7.

[5] 游玉波,董紅敏.家畜腸道和糞便甲烷排放研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(增2):193-196.

[6] 胡向東,王濟(jì)民.中國(guó)畜禽溫室氣體排放量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(20):247-252.

[7] 劉麗華,蔣靜艷,宗良綱,等.農(nóng)業(yè)殘留物燃燒溫室氣體排放清單研究:以江蘇省為例[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(5):1242-1248.

[9] OECD/OECD.Estimation of Greenhouse Gas Emission and Sinks Final Report[R].IPCC,2006.

[9] IPCC.2006IPCCGuidelinesfor National Greenhouse Gas Inventories Volume 4:Agriculture,Forestry and Other Land Use[R].Geneva,Switzerland.2006.

[10] 逯非,王效科,韓冰,等.稻田秸稈還田:土壤固碳與甲烷增排[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(1):99-108.

[11]IPCC.2006IPCCGuidelinesfor National Greenhouse GasInventories[R].General Guidanceand Reportingof Intergovernmental Panel on Climate Chapter 4:89-90.2006.

[12] 崔和瑞,邱大芳,任峰.我國(guó)秸稈發(fā)電項(xiàng)目推廣中的問題與政府責(zé)任及其實(shí)現(xiàn)路徑[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2012,33(1):69-73.

[13]U.S.EPA[EB/OL].http://www.epa.gov/ttn/chief/ap42/index.html.

[14] 趙建寧,張貴龍,楊殿林,等.中國(guó)糧食作物秸稈焚燒釋放碳量的估算[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(4):812-816.

[15] 段華平.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制區(qū)劃方法及其應(yīng)用研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[16] 平英華.江蘇秸稈綜合利用狀況及對(duì)策[J].江蘇農(nóng)村經(jīng)濟(jì),2008(5):57-58.

[17] 徐新華,姜紅,王昕,等.江浙滬地區(qū)稻田排放及減排措施[J].環(huán)境導(dǎo)報(bào).1996(6):1-3.

[18] 曹國(guó)良,張小曳,王丹,等.秸稈露天焚燒排放的TSP等污染物清單[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005,24(4):800-804.