江蘇省農業(yè)源氨排放分布特征

劉春蕾， 姚利鵬

(江蘇省南京市環(huán)境保護科學研究院，江蘇南京 210013)

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江蘇省農業(yè)源氨排放分布特征

劉春蕾， 姚利鵬

(江蘇省南京市環(huán)境保護科學研究院，江蘇南京 210013)

[目的]研究江蘇省氨排放分布特征。[方法]根據江蘇省農業(yè)源活動水平數據，采用排放因子法，建立了2014年江蘇省農業(yè)源大氣氨排放清單，利用GIS軟件分析了江蘇省農業(yè)源氨排放的分布特征。[結果]2014年江蘇省農業(yè)源氨排放總量為679.23 kt，排放強度為6.61 t/km2；畜禽養(yǎng)殖是江蘇省農業(yè)源氨排放的最大貢獻源，占總排放量的67.80%，氮肥施用是第二大貢獻源，占29.29%；雞是江蘇省畜禽養(yǎng)殖氨排放最大的貢獻源，其次是豬，分別貢獻了41.15%和30.17%。[結論]江蘇省農業(yè)源氨排放無論是排放量還是排放強度都呈現出由南向北遞增的空間分布特征，蘇北地區(qū)是江蘇省最需要控制的農業(yè)源氨排放貢獻區(qū)。

氨排放；特征；江蘇省

隨著社會經濟的快速發(fā)展，區(qū)域大氣污染日益加重，灰霾、臭氧和酸雨等區(qū)域性大氣污染問題日益突出，對人民群眾的身體健康和生態(tài)安全構成威脅，2015年冬季頻發(fā)的重度霧霾天氣更是把PM2.5推上了新的高度。國務院于2013年9月公布的《大氣污染防治行動計劃》中明確提出對 PM2.5、PM10的控制，2015年3月環(huán)保部發(fā)布了《關于開展源排放清單編制試點工作的通知》(環(huán)辦〔2015〕14號)，選取了14個具有一定源排放清單工作基礎和地域代表性的城市，以頒發(fā)的《城市大氣污染物排放清單編制指南》(以下簡稱《指南》)為指導，開展源排放清單編制工作，以支撐全國大氣污染防治工作，大氣氨排放清單是其中的重要組成部分。歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)對氨的研究起步較早，研究內容從氨排放清單的建立、貢獻源分析等基礎研究發(fā)展到側重農業(yè)氨源對空氣污染的影響，尤其是對PM2.5二次粒子形成的影響。研究結果顯示，減少農業(yè)源氨排放可有效降低空氣中PM2.5濃度，控制氨排放是降低大氣顆粒物濃度最經濟有效的辦法[1]。近年來，歐盟、美國已經將研究成果應用于環(huán)境管理中，開始了對養(yǎng)殖場氨排放的控制[2]。我國對氨排放研究起步較晚，研究尺度由全國[3]、長三角[4]、珠三角[5]、內陸川渝[6]等大尺度逐步向單一城市[7-9]小尺度發(fā)展，研究內容也從源清單編制到特征分析、減排潛力研究[10]和對顆粒物形成貢獻[11]逐步深入。國內研究結果一致表明，畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用是國內兩大氨排放貢獻源，控制二次粒子可能是目前控制大氣PM2.5污染一個最為有效的突破點[12]。開展氨排放對PM2.5的影響研究以及采取相應的控制措施是國內大氣污染防治的發(fā)展方向。江蘇省地處長江三角洲，是我國人口最為密集、經濟最為發(fā)達區(qū)域之一，是顆粒物污染最嚴重的地區(qū)之一，也是氨排放強度較高的地區(qū)之一[3]。截至目前，江蘇省尚無完整且詳細的氨排放研究成果。筆者根據收集的江蘇省農業(yè)氨源數據，選取了國內修正后的較貼近實情的排放因子，編制了2014年江蘇省農業(yè)源氨排放清單，利用GIS軟件對氨排放量分布、氨排放強度分布特征進行了分析，以期為探索江蘇省大氣污染形成機制及PM2.5達標治理提供科學支撐。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)域為江蘇省，位于我國大陸東部沿海中心、長江下游。東南與浙江、上海毗鄰，西接安徽，北接山東。包括南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江、泰州、南通、揚州、徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷共13個市。省內社會經濟發(fā)展區(qū)域化明顯，目前形成了三大區(qū)域——蘇南(南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江)、蘇中(南通、泰州、揚州)、蘇北(徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城)。

1.2研究對象包括氮肥施用、土壤本底、畜禽養(yǎng)殖、生物質燃燒、秸稈堆肥5項農業(yè)源?；鶞誓隇?014年。

1.3數據來源各市行政區(qū)域面積來源于2014年江蘇省統計年鑒[13]，2014年各市主要農作物種植面積及產量、農村人口數、畜禽養(yǎng)殖數據來自江蘇省農業(yè)委員會。

1.4估算方法農業(yè)源氨排放量的估算主要采用排放因子法，計算公式為：

Ei,j=∑ (Ai,j×EFj)

(1)

式中，E為氨排放量；i，j分別為地區(qū)和源類別；Ai為活動水平；EF為排放因子。

1.4.1氮肥施用。江蘇省各城市氮肥施用量根據江蘇省各城市小麥、水稻[14]、油菜[15]平均施氮量計算得出，氮肥施用比例取自國內學者研究結果的平均值[4]，碳銨、硝銨、硫胺、尿素和其他氮肥的比例分別為13%、7%、4%、65%和11%，排放因子根據各市農作物施肥時間、土壤性質選擇自《指南》(表1)。

表1　氮肥施用基準排放系數

1.4.2秸稈堆肥。2008年蘇南、蘇中、蘇北秸稈肥料化利用率分別為31.10%、22.00%、21.20%，蘇南地區(qū)肥料化水平領先全省，無錫市達50.00%，鎮(zhèn)江市達41.00%，蘇州市達33.00%。據江蘇省秸稈利用發(fā)展規(guī)劃，到2012年，江蘇省秸稈肥料化利用率達32.00%。該研究以50.00%、41.00%、33.00%和32.00%作為無錫、鎮(zhèn)江、蘇州及其他地區(qū)的肥料化比例來估算各城市秸稈堆肥量。

1.4.3畜禽養(yǎng)殖。畜禽養(yǎng)殖數據包括黃牛、奶牛、水牛、馬、驢、騾、能繁母豬、生豬、山羊、綿羊、蛋雞、肉雞、肉蛋兼用型雞、蛋鴨、肉鴨、鵝、兔共17項。根據數據特點，該研究選取了楊志鵬[16]的研究成果，該成果是以物質流方法為指導，根據我國家畜糞便學、家畜環(huán)境衛(wèi)生學和植物營養(yǎng)學等相關研究的大量基礎數據，核定了符合我國畜牧生產實踐的畜禽氮排泄量，然后利用糞、尿進入糞肥管理過程(圈養(yǎng)、放牧、儲存、還田4個階段)后的不同氮揮發(fā)率，修正了畜禽的氨排放系數，與其他清單中畜禽源排放因子及分類參考國外文獻相比更符合國內實情。畜禽數量根據飼養(yǎng)周期決定，飼養(yǎng)周期大于1 a的，取當年存欄量作為該畜禽品種數量，飼養(yǎng)周期小于1 a的，取當年出欄量作為該畜禽品種數量(表2)。

表2　畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放因子

1.4.4生物質燃燒。該研究估算的生物質燃燒包括露天燃燒和戶用生物質燃燒，生物質燃燒活動水平計算公式為：

A=P×N×R×η

(2)

式中，A為生物質燃燒量；P為主要農作物產量；N為農作物谷草比；R為燃燒比例；η為燃燒率。生物質燃燒活動水平可直接由主要農作物秸稈產生量、燃燒比例、燃燒率來估算，農作物秸稈燃燒率取0.9，燃燒比例取各市2014年政府公報及新聞報道數據。

戶用生物質燃料包括薪柴和秸稈燃燒。戶用薪柴燃燒量依據文獻[17]計算，蘇南、蘇中、蘇北薪柴人均消費量分別為203.2、226.9、323.0 kgce/(人·a)。戶用秸稈消耗量按各市農村直接生活燃料利用率計算。排放因子參考《指南》，秸稈和薪柴分別為0.53、1.30 g/kg，小麥、水稻和其他秸稈因子為0.37、0.53 g/kg。

2　結果與分析

2.1江蘇省農業(yè)源氨排放清單根據上述研究方法和數據，建立了2014年江蘇省農業(yè)源氨排放清單。由表3可見，2014年江蘇省農業(yè)源氨排放總量為679 228.34 t，從排放源分擔率來看，畜禽養(yǎng)殖是最大的農業(yè)氨排放貢獻源，占總排放量的67.80%，氮肥施用是第二大排放源，占29.29%，兩者合計占農業(yè)源氨排放總量的97.09%。江蘇省常駐人口總體呈低速增長的態(tài)勢，隨著人民收入和生活水平的提高，對畜禽產品的需求量逐年增加。近年來，隨著上海市控制畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和數量，江蘇省在一定程度上還擔當了上海市的畜禽產品的供應地[18]，自身和外地的雙重需求，導致了畜禽養(yǎng)殖量的居高不下。江蘇省作為傳統的肉羊、生豬、禽類養(yǎng)殖大省，肉羊和生豬的排放因子相對較高，氨排放貢獻率也大。

氮肥施用是第二大農業(yè)氨排放源與全省的氮肥施用量量大密不可分。我國氮肥施用超標，耕地僅占全世界9%，但氮肥消費量卻“占全世界總消費量的1/3”，且超標施用的氮肥主要集中在東部農業(yè)發(fā)達地區(qū)[19]。無論是單位農田面積還是單位播種面積，江蘇省的氮肥施用量在全國來看都是處于最高等級的地區(qū)[20]，而且江蘇省絕大部分地區(qū)的土壤性質為堿性，土壤pH是影響農田氨揮發(fā)的主要因素，施用于堿性土壤的氨揮發(fā)率遠遠高于酸性土壤，另外，國內氮肥施用缺乏精細化管理，主要是表面撒施方式，長期過量施氮肥導致氨排放總量偏大。

生物質燃燒氨排放量僅占總排放量的1.91%，這與江蘇省高度重視秸稈綜合利用，積極推進秸稈禁燒工作密切相關。近年來，江蘇省連續(xù)出臺了《江蘇省秸稈禁燒考核辦法》、《全面推進農作物秸稈綜合利用意見》等相關政策，2015年全省基本形成秸稈收貯利用體系，秸稈綜合利用率達到90.00%，基本杜絕露天焚燒秸稈。2014年蘇南地區(qū)秸稈綜合利用率已達到95.00%以上，秸稈露天燃燒較嚴重的蘇北地區(qū)也達到了85.00%以上，未來生物質燃燒氨排放對全省氨排放總量的貢獻將進一步減小。

表32014年江蘇省農業(yè)源氨排放清單

Table 3List of agricultural ammonia emissions in Jiangsu Province in 2014

排放源Emissionsource排放量Emissionamount∥t分擔率Sharerate∥%畜禽養(yǎng)殖Livestockbreeding460500.7067.80氮肥施用Nitrogenfertilizerapplication198977.3829.29生物質燃燒Biomassburning12996.221.91秸稈堆肥Strawcompost5752.130.85土壤本底Soilbackground1001.910.15合計Total679228.34100

筆者對江蘇省農業(yè)源氨排放的最大排放源——畜禽養(yǎng)殖源進行了進一步分析。從圖1可以看出，雞是江蘇省畜禽養(yǎng)殖氨排放最大的貢獻源，其次是豬和羊，分別貢獻了41.15%、30.17%和16.38%，其他畜禽僅貢獻了1成多。結合飼養(yǎng)量來看，占總年內飼養(yǎng)量92.78%的家禽[雞(71.6%)、鴨、鵝]排放了46.49%的氨，占年內飼養(yǎng)量僅4.36%的大型家畜(豬(3.16)、牛、羊、馬驢騾)卻排放了51.43%的氨?？梢?，大型家畜由于糞便排放量大，含氮高，相應的氨排放量也大。在控制江蘇省畜禽養(yǎng)殖氨排放時，建議重點控制畜禽品種為養(yǎng)殖數量最大的雞和養(yǎng)殖量少但是排放量占比最大的豬。

圖1　 2014年江蘇省各畜禽源氨排放貢獻率和養(yǎng)殖數量占比Fig. 1　Ammonia emission contributions of livestock source and quantity proportion in Jiangsu Province in 2014

2.2農業(yè)源氨排放的城市分布從圖2可以看出，江蘇省各城市農業(yè)源氨排放呈現一定的地域分布特征。鹽城市是江蘇省農業(yè)源氨排放的最大城市，占總排放量的22.60%，其次為徐州和宿遷，分別占16.67%和11.70%，3個城市排放占全省總量的50.97%。無錫、常州、蘇州是前3個排放量最低的城市，排放量占比均小于2.00%，南京市是蘇南地區(qū)排放量最大的城市。蘇中城市中，南通的排放量最大，排放量接近蘇北地區(qū)的連云港、淮安。蘇北、蘇中、蘇南的農業(yè)源氨排放占全省份額約7∶2∶1。

造成江蘇省農業(yè)源氨排放明顯的地域差異的原因是各城市地理位置及社會經濟發(fā)展不平衡，區(qū)域化明顯。蘇南地區(qū)位處長三角地區(qū)，基礎條件優(yōu)越，受經濟總量位居大中華區(qū)第1位的上海市的輻射，經濟發(fā)展水平高，第二、三產業(yè)發(fā)達，第一產業(yè)占GDP比重低，為1.60%～4.40%，畜牧業(yè)占農林牧漁業(yè)總產值比重低，僅21.95%。蘇北地區(qū)經濟發(fā)展相對落后，第一產業(yè)占GDP比重高，為9.70%～14.50%，且與畜禽養(yǎng)殖大省山東省接壤，畜牧業(yè)產值占農業(yè)總產值的比重高，達41.50%。

圖2　2014年江蘇省各城市農業(yè)源氨排放量及構成Fig. 2　Ammonia emission contribution and composition of agricultural sources in Jiangsu Province in 2014

2.3氨排放量和排放強度空間分布特征排放強度是指一個地區(qū)單位面積污染物的排放量，衡量某個地區(qū)污染物排放情況不僅要考慮該地區(qū)的排放總量，同時也應該結合該地區(qū)的排放強度，綜合進行考慮，才能更準確地反應該區(qū)域的污染情況。

從圖3可以看出，無論是排放量還是排放強度，從全省看，均呈現由南向北遞增的空間分布特征。從區(qū)域內部看，蘇北地區(qū)呈現東西高、中部低，蘇中地區(qū)呈由東往西遞減，蘇南地區(qū)呈由西往東遞減的空間分布特征。蘇北地區(qū)無疑是江蘇省農業(yè)源氨排放的主要貢獻區(qū)，特別是鹽城、徐州、宿遷的排放量和排放強度都是前3名，是江蘇省農業(yè)源氨排放最嚴重的3個城市。蘇南地區(qū)中蘇、錫、常3市是農業(yè)源氨排放量最少、排放強度最小的3個城市。蘇北地區(qū)的排放量是蘇南地區(qū)的6.6倍，是蘇中地區(qū)的3.57倍，因此，在削減氨排放總量時，應重點控制蘇北地區(qū)特別是鹽城、徐州、宿遷3市即可取得可觀的減排效果。

從圖4可以看出，畜禽養(yǎng)殖氨排放量較大的城市分別是鹽城、徐州、宿遷、連云港、南通、淮安；蘇北、蘇中、蘇南的排放份額分別為73.25%、17.61%和9.14%；從排放強度來看，徐州、鹽城、宿遷、南通依次是畜禽養(yǎng)殖氨排放較嚴重的城市。

從圖5可以看出，氮肥施用排放量較大的城市分別是鹽城、淮安、徐州、宿遷、連云港、泰州、揚州；蘇北、蘇中、蘇南的排放份額分別為62.21%、24.39%和13.39%；從排放強度來看，泰州、淮安、連云港、揚州、宿遷依次是氮肥施用氨排放較嚴重的城市。

注：a為農業(yè)源氨排放量；b為排放強度。Note: a was the emission load of agricultural source; b was the emission intensity. 圖3　2014年江蘇省農業(yè)源氨排放量和排放強度空間分布Fig.3　Spatial allocation of agricultural ammonia emission and intensities in Jiangsu Province in 2014

注：a為農業(yè)源氨排放量；b為排放強度。Note: a was the emission load of agricultural source; b was the emission intensity. 圖4　2014年江蘇省畜禽養(yǎng)殖氨排放量和排放強度空間分布Fig. 4　Spatial allocation of livestock ammonia emission and intensities in Jiangsu Province in 2014

3　結論與討論

(1)該研究結果表明，2014年江蘇省農業(yè)源氨排放總量為679 228.34 t，排放強度為6.61 t/km2;畜禽養(yǎng)殖是江蘇省農業(yè)源氨排放的最大貢獻源，占總排放量的67.80%，氮肥施用是第二大貢獻源，占29.29%;雞是江蘇省畜禽養(yǎng)殖氨排放最大的貢獻源，其次是豬，分別貢獻了41.15%和30.17%;江蘇省農業(yè)源氨排放無論是排放量還是排放強度均呈現出從南往北遞增的空間分布特征，蘇北地區(qū)是江蘇省最需要控制的農業(yè)源氨排放貢獻區(qū)。

(2)據調查，我國90%以上的規(guī)模化養(yǎng)殖場缺乏必要的污染治理措施，大量畜禽糞便不經處理就排放到環(huán)境中[21]，結合該研究結果，江蘇省農業(yè)源氨排放控制的重點首先是畜禽養(yǎng)殖，其次是氮肥施用。分城市看，揚州市的氮肥施用氨排放量是氮肥施用的近2倍，是唯一一個氮肥施用氨排放量大于畜禽養(yǎng)殖氨排放的城市，該市應當重點控制氮肥施用源。南京市、無錫市、南通市、連云港市、鹽城市、宿遷市、徐州市的畜禽養(yǎng)殖氨排放量是氮肥施用源的2～4倍，這些城市應當重點控制畜禽養(yǎng)殖源。鎮(zhèn)江市、淮安市、蘇州市、常州市、泰州市氮肥施用和畜禽養(yǎng)殖氨排放量大致持平。

(3)隨著江蘇省畜牧業(yè)專業(yè)化程度不斷提高，區(qū)域特色逐步顯現，畜禽養(yǎng)殖種類發(fā)展不平衡，地區(qū)分布差異明顯[22-23]。從各城市畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放量及各畜禽排放分擔情況來看，雞、豬、羊3種畜禽是各城市最主要的貢獻源，三者合計氨排放量占各市的74.87%以上，但是各市的最大貢獻畜禽品種不同。除了其他城市為雞，蘇州、泰州、連云港3個城市為豬的貢獻最大。因此，在實際管理時，需梳理各城市的優(yōu)先控制源及主要控制畜禽品種，各城市區(qū)別對待，“對癥下藥”。

[1] PINDER R W,ADAMAS P J,PANDIS S N. Ammonia emission controls as cost-effective strategy for reducing atmospheric particulate matter in the Eastern United State[J].Environmental science & technology,2007,41:380-386.

[2] 錢曉雍，郭小品，林立，等.國內外農業(yè)源NH3排放影響PM2.5形成的研究方法探討[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2013,32(10)：1908-1914.

[3] 王文興，盧筱鳳，龐燕波，等.中國氨的排放強度地理分布[J]. 環(huán)境科學學報，1997,17(1): 1059-1064.

[4] 董艷強,陳長虹,黃成，等.長江三角洲地區(qū)人為源氨排放清單及分布特征[J].環(huán)境科學學報，2009，29(8):1611-1617.

[5] 尹沙沙,鄭君瑜,張禮俊,等. 珠江三角洲人為氨源排放清單及特征[J].環(huán)境科學，2011,31(5):1146-1151.

[6] 李富春，韓圣慧，楊俊，等.川渝地區(qū)農業(yè)生態(tài)系統NH3排放[J].環(huán)境科學，2009，30(10)：2823-2831.

[7] 王平.南通市人為源大氣氨排放清單及特征[J].環(huán)境科學與管理,2012,37(11):25-28.

[8] 葉賢滿，徐昶，洪盛茂，等.杭州市大氣污染物排放清單及特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015,31(2)：5-11.

[9] 房效鳳，沈根祥，徐昶，等.上海市農業(yè)源氨排放清單及分布特征[J].浙江農業(yè)學報，2015,27(12)：2177-2185.

[10] 沈興玲，尹沙沙，鄭君瑜，等.廣東省人為源氨排放清單及減排潛力研究[J].環(huán)境科學學報，2014,34(1)：43-52.

[11] 尹沙沙.珠江三角洲人為源氨排放清單及其對顆粒物形成貢獻的研究[D].廣州:華南理工大學,2011.

[12] 彭應登, 楊明珍, 申立賢. 北京氨源排放及其對二次粒子生產的影響[J]. 環(huán)境科學, 2000, 21(6)：101-103.

[13] 江蘇省統計局.江蘇省2014年統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2014.

[14] 馬立珩.江蘇省水稻、小麥施肥現狀的分析與評價[D].南京:南京農業(yè)大學,2011.

[15] 徐華麗,魯劍巍,李小坤，等.江蘇省油菜施肥狀況調查[J].土壤，2011，43(5):746-750.

[16] 楊志鵬.基于物質流方法的中國畜牧業(yè)氨排放估算及區(qū)域比較研究[D].北京:北京大學,2008.

[17] 王效華.江蘇農村家庭能源消費研究[J].中國農學通報，2012,28(26)：196-200.

[18] 張緒美，董元華，王輝，等.中國畜禽養(yǎng)殖結構及其糞便N污染負荷特征分析[J].環(huán)境科學，2007，28(6):1311-1318.

[19] 陳希廉，丘亮輝.治霾可以不考慮農村面源污染嗎？[N].中國冶金報，2015-07-29(002).

[20] 巨曉棠，谷保靜.我國農田氮肥施用現狀、問題及趨勢[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2014,20(4):783-795.

[21] 朱海生，陳志宇，欒冬梅.畜禽糞便的綜合利用[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2004(4):59-60.

[22] 梁永紅，管永祥，吳昊.江蘇省畜禽養(yǎng)殖污染減排措施與政策研究[J].農業(yè)資源與環(huán)境學報，2013,30(6): 7-13.

[23] 吳云波，田愛軍，邢雅囡.江蘇省畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染狀況分析及政策建議[J].江蘇農業(yè)學報，2013,29(5):1059-1064.

Agricultural Ammonia Emission Inventory and Its Distribution Characteristics in Jiangsu Province

LIU Chun-lei, YAO Li-peng

(Nanjing Academy of Environmental Science, Nanjing, Jiangsu 210013)

[Objective] To research the distribution characteristics of ammonia emission. [Method] Based on the activity data of agricultural ammonia emission sources, an agricultural ammonia emission inventory of Jiangsu in 2014 was compiled by using emission factor method. GIS software was used to analyze the distribution characteristics of agricultural ammonia emission. [Result] Emission amount of Jiangsu Province was approximately 679.23 kt in 2014, and the emission intensity was 6.61 t/km2. Livestock and poultry breeding and N fertilizer application were main contributor of agricultural NH3sources, accounting for 67.80% and 29.29% of total NH3emission, respectively. Meat chicken dominated the emission source of livestock and poultry with the percentage of 41.15%, followed by pork pig, which was accounted for 30.17%. [Conclusion] The agricultural ammonia emission is increasing from south to north in Jiangsu, and North Jiangsu is the area that must be controlled.

Ammonia emission; Characteristics; Jiangsu Province

劉春蕾(1986- )，女，江蘇南京人，工程師，碩士，從事大氣環(huán)境研究。

2016-06-22

S 181.3

A

0517-6611(2016)22-070-05