京津冀農(nóng)業(yè)源氨排放對PM2.5的影響

程 龍,郭秀銳,程水源,王曉琦 (北京工業(yè)大學(xué),區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點實驗室,北京 100124)

氨是大氣中重要的微量氣體組分之一,也是參與大氣氮循環(huán)的關(guān)鍵成分[1].此外,氨還是大氣二次氣溶膠重要的前體物,其能通過大氣化學(xué)反應(yīng)與其他二次氣溶膠組分生成硫酸銨(亞硫酸銨)和硝酸銨等[2].國外學(xué)者已開展大量 NH3排放的研究,所建立的全球氨排放清單表明,畜禽養(yǎng)殖與氮肥施用所占比例最高[3];Ni[4]的研究表明,歐洲地區(qū)動物廢棄物和化肥的氨排放占總排放量的90%以上;Battye等[5]的研究也表明,美國大氣中氨的最大來源是畜禽排泄物.我國近年來也逐步開展了一些氨排放的相關(guān)研究,董艷強等[6]、Zhou等[7]、尹沙沙[8]分別對長江三角洲、京津冀、珠江三角洲人為源氨排放進(jìn)行了估算;薛文博等[9]使用 WRF-CMAQ 模型定量分析了中國氨排放對 PM2.5污染的影響;陳東升等[10]使用WRF-CMAQ模型研究了不同氨排放情景對華北典型地區(qū)冬季二次無機鹽的非線性影響.目前國內(nèi)針對氨的研究大多集中于排放清單的建立方面,針對氨排放對細(xì)粒子污染影響方面的研究近年來逐漸增多,而針對氨排放的最大來源農(nóng)業(yè)源氨排放對細(xì)粒子污染的研究則較少.

本研究通過對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放主要來源,即農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖等活動水平進(jìn)行收集,選取合理的計算方法與排放因子,建立了 2014年京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放清單,對其分布特征進(jìn)行了分析,并使用 WRF-CMAQ 模型模擬了其對京津冀地區(qū)PM2.5污染的影響,以期為京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排方案與政策的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 氨排放清單估算方法

目前國內(nèi)外人為源氨排放清單的建立主要采用排放因子法進(jìn)行計算,本文采用排放因子乘以對應(yīng)的活動水平即得到氨排放量.總排放量由各地區(qū)各污染源排放量加和得到,具體計算公式如下:

式中:E為氨的總排放量,t;Ei為每種污染源的排放量,t;Ai為污染源的活動水平,頭;EFi為排放因子,kg/(頭·a).

1.2 數(shù)據(jù)收集

1.2.1 活動水平 本研究活動水平數(shù)據(jù)來源于《北京市統(tǒng)計年鑒 2015》[11]、《河北經(jīng)濟年鑒2015》[12]和《天津市統(tǒng)計年鑒2015》[13].畜禽養(yǎng)殖業(yè)方面,各畜禽統(tǒng)計數(shù)量包括存欄量和出欄量,由于各畜禽的飼養(yǎng)周期不同,因此采用以下方法來確定其當(dāng)年的飼養(yǎng)量:飼養(yǎng)周期不滿 1a的,其出欄量作為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量,飼養(yǎng)周期超過1a的,其存欄量為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量.豬、肉牛和家禽(不包括蛋雞)的飼養(yǎng)周期一般不超過 1a,其出欄量即為當(dāng)年飼養(yǎng)數(shù)量;蛋雞、羊和奶牛當(dāng)年一般不出欄,其年末存欄量即為當(dāng)年的飼養(yǎng)量[14].農(nóng)田施肥方面,統(tǒng)計年鑒中所統(tǒng)計的化肥施用量(折純量)即為其活動水平數(shù)據(jù).京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)源活動水平數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)源活動水平數(shù)據(jù)Table 1 Data of agricultural source activity level in BTH

1.2.2 排放因子 畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放主要來源于畜禽在養(yǎng)殖階段糞尿的揮發(fā),影響畜禽氨排放的因素有很多,例如飼料的類型、含氮量、氨基酸相對含量、動物的年齡、飼養(yǎng)方式、糞便的儲存方式以及糞肥施用后土壤的酸堿度、含水量和溫度等[15].國外學(xué)者結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況,對畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放因子有較為深入的研究,而國內(nèi)在這方面的研究較為缺乏,鮮見有關(guān)于氨排放因子本地化方面的研究,因此國內(nèi)與畜禽氨排放清單有關(guān)的文獻(xiàn)大多參考國外排放因子.京津冀地區(qū)與歐洲地區(qū)溫度、年降水量等氣候方面都較為類似,而且二者規(guī)模化養(yǎng)殖比例均較高,因此,本研究中畜禽排放因子的選取主要參考了歐洲環(huán)保署制定的《EMEP/EEA 2013年空氣污染排放清單指南手冊》[16],其取值見表2.

氮肥主要包括尿素、碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸銨、氨水以及其他復(fù)合肥.氮肥施用后一部分氮以氨的形式釋放到大氣中,研究表明,氮肥種類、施肥方式、施肥量、土壤特性和氣候等因素對氨排放有著重要影響[17].本研究根據(jù)中國土壤數(shù)據(jù)庫中1:1000000數(shù)字化土壤圖所提供的京津冀地區(qū)不同類型土壤面積占比數(shù)據(jù),計算得出北京市pH≤7土壤占 12.19%,天津市pH≤7土壤占2.87%,河北省 pH≤7土壤占 18.01%.由于統(tǒng)計年鑒中所給的化肥施用量為折純量,因此本研究根據(jù)表3中歐洲環(huán)保署提供的排放因子[16],結(jié)合京津冀地區(qū)不同氮肥的施用量計算氮肥施用的平均排放因子為18.5%.

表2 畜禽養(yǎng)殖氨排放因子Table 2 Ammonia emission factors of livestock

表3 氮肥施用氨排放因子Table 3 Ammonia emission factor of nitrogen application

1.3 農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5影響的模擬

本研究選取 WRF-CMAQ耦合模式系統(tǒng)模擬農(nóng)業(yè)氨減排對京津冀地區(qū) PM2.5污染的影響,CMAQ(通用多尺度空氣質(zhì)量模式)是第三代空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)Models-3的核心部分,它通過化學(xué)反應(yīng)將大氣中各種污染物和各類污染過程緊密聯(lián)系起來,同時模擬多種污染物和污染問題[18].因此,CMAQ模擬結(jié)果可以較好的表達(dá)氨減排對PM2.5污染的影響.

表4 WRF模型參數(shù)設(shè)置Table 4 Parameters setting of WRF

表5 CMAQ模型參數(shù)設(shè)置Table 5 Parameters setting of CMAQ

WRF-CMAQ耦合模式系統(tǒng)參數(shù)如表 4、5所示,模型采用兩層嵌套網(wǎng)格對京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)行模擬,模擬時段為2014年1、4、7、10月4個代表月.地圖投影采用蘭勃托投影,模擬區(qū)域以(39.245°N,117.691°E)為中心,嵌套區(qū)域外層27km×27km 網(wǎng)格分辨率,內(nèi)層為 9km×9km 網(wǎng)格分辨率,包括河北省、北京市、天津市、以及河南省、山西省、山東省、遼寧省和內(nèi)蒙古部分區(qū)域(主要覆蓋京津冀地區(qū)).模擬情景為基準(zhǔn)情景和農(nóng)業(yè)氨完全減排情景.京津冀區(qū)域源排放數(shù)據(jù)采用課題組研究建立高時空分辨率源排放清單[19],周邊省市排放信息采用清華大學(xué)發(fā)布的MEIC清單[20].其中京津冀區(qū)域農(nóng)業(yè)氨排放數(shù)據(jù)采用本研究建立的清單,通過月不均勻系數(shù)對其進(jìn)行時間上的分配,根據(jù)各區(qū)縣農(nóng)村人口密度數(shù)據(jù)和耕地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間上的分配.

2 結(jié)果與討論

2.1 京津冀地區(qū)2014年農(nóng)業(yè)氨排放量

表6 京津冀地區(qū)各市農(nóng)業(yè)氨排放量Table 6 Emissions of agricultural ammonia from BTH

表6為2014年京津冀區(qū)域各市農(nóng)業(yè)氨排放量,結(jié)果表明,2014年京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)源氨排放總量為 1750695t,其中河北省、北京市和天津市農(nóng)業(yè)氨排放量分別為1594087t、58822t和97786t.從排放總量上來看,石家莊、邯鄲、保定 3市是京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放量最高的城市,其排放量分別為255751t、222804t和186536t,而廊坊、秦皇島、北京3市是京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放量最低的城市,其排放量分別為82466t、73268t和58822t.畜禽養(yǎng)殖業(yè)方面,石家莊、邯鄲、唐山 3市排放量最高,廊坊、秦皇島、北京3市排放量最低;農(nóng)田施肥方面,邯鄲、石家莊、保定 3市排放量最高,北京、承德、張家口3市氨排放量最低.

由表 6可知,從單位面積排放強度來看,邯鄲、石家莊、衡水 3市的排放強度最高,分別為18.57,16.14,13.70t/km2,遠(yuǎn)高于京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放強度平均值 8.09t/km2,北京、承德、張家口 3市的排放強度最低,分別為 3.58,2.55,2.41t/km2.結(jié)合圖 1(從左到右分別為農(nóng)業(yè)氨總排放強度、農(nóng)田施肥氨排放強度、畜禽養(yǎng)殖氨排放強度)可以看出,京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放主要分布在京津冀南部的華北平原地區(qū),而且京津冀南部地區(qū)無論是從氨排放總量上來看,還是從單位面積排放強度上來看,均高于北部地區(qū).

由圖 1可知,石家莊和邯鄲地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放強度遠(yuǎn)高于其他地區(qū),而且這兩個地區(qū)的氨排放總量也遠(yuǎn)高于其他地區(qū),因此需要關(guān)注該地區(qū)畜禽養(yǎng)殖氨排放的治理工作.農(nóng)田施肥氨排放強度較高的地區(qū)主要集中在保定、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水和唐山地區(qū),總體呈現(xiàn)出南部高于北部,平原高于山區(qū),主要是因為京津冀地區(qū)南部多平原,耕地面積較大,種植業(yè)發(fā)達(dá),使得化肥施用量較大導(dǎo)致.

圖1 京津冀區(qū)域農(nóng)業(yè)氨排放強度分布特征Fig.1 Distribution characteristics of agricultural ammonia emissions in BTH

2.2 污染源貢獻(xiàn)率分析

畜禽養(yǎng)殖與農(nóng)田施肥是農(nóng)業(yè)氨排放最主要來源,研究結(jié)果表明,京津冀地區(qū) 2014年畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放量 1065182t,農(nóng)田施肥氨排放量685513t,分別占農(nóng)業(yè)源排放總量的 60.84%和39.16%.由圖2可知,京津冀地區(qū)各市畜禽養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)氨排放中所占比例均超過 50%,其中承德市占比最高,達(dá)到79.19%,其次為張家口、石家莊和北京,畜禽養(yǎng)殖所占比例分別為 76.20%、64.64%和63.39%,而保定和邢臺畜禽養(yǎng)殖所占比例最低,分別為53.00%和50.10%.

圖2 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放來源比例Fig.2 Sources of agricultural ammonia emission in BTH

圖3 京津冀地區(qū)畜禽養(yǎng)殖業(yè)不同畜禽氨排放貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of livestock and poultry ammonia emissions in BTH

由于畜禽源是京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放的主要來源,本研究針對畜禽源的不同類別進(jìn)行了進(jìn)一步的貢獻(xiàn)率分析,如圖3所示.豬和蛋雞是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中氨排放的主要來源,分別占 31.29%和26.07%;其次是家禽、奶牛、肉牛和羊,分別占畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放量的 18.67%、17.65%、3.71%和 2.61%.通過對各市畜禽養(yǎng)殖業(yè)不同畜禽氨排放貢獻(xiàn)率分析發(fā)現(xiàn),各市畜禽養(yǎng)殖業(yè)中豬、蛋雞和禽類三者貢獻(xiàn)率之和為 54.61%～90.01%不等,其中有五個城市超過了 80%,天津市最高,為90.01%,張家口最低,為 54.61%,而北京市為80.02%.因此京津冀區(qū)域需重點加強對蛋雞家禽和生豬養(yǎng)殖業(yè)的氨排放治理工作,而張家口、廊坊、承德等牛羊氨排放比例較高的城市應(yīng)加強對牛羊養(yǎng)殖企業(yè)氨排放的監(jiān)管.

2.3 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放月份變化特征

圖4 農(nóng)業(yè)氨排放月變化特征Fig.4 Monthly change characteristics of agricultural ammonia emission

氨排放主要受溫度、風(fēng)速和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響[8],本研究參考了課題組已有研究中畜禽養(yǎng)殖及氮肥施用氨排放月不均勻系數(shù)和其他學(xué)者的研究結(jié)果[7-8,21-23],在此基礎(chǔ)上考慮到京津冀地區(qū)2014年月均溫度的變化,以及主要農(nóng)作物冬小麥/夏玉米的施基肥和追肥的施肥特點,將京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放分配至每個月份.由如圖4可知,農(nóng)業(yè)氨排放的月變化與溫度變化趨勢較為一致.呈現(xiàn)出1～7月逐漸上升的趨勢,7～12月逐漸下降的趨勢,其中1～3月上升較為緩慢,4月以后上升幅度較大,主要是因為冬季較低的溫度使畜禽糞便的氨揮發(fā)受到了極大的抑制,而且冬季農(nóng)業(yè)活動較少,氮肥施用量低,10月下旬和來年的4月中下旬為京津冀地區(qū)冬小麥的施基肥和追肥期,而6月、7月、8月為京津冀地區(qū)夏玉米的施基肥和追肥期,氮肥施用量的增加以及溫度的上升有利于氨揮發(fā).因此,在控制農(nóng)業(yè)氨排放時可重點考慮在6～8月份加強控制措施.

2.4 與其他研究結(jié)果對比及不確定性分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研收集總結(jié)了不同學(xué)者對京津冀農(nóng)業(yè)氨排放清單的研究結(jié)果,如表4所示.本研究結(jié)果與董文煊[15]、Zhou[7]、張雙[24]和潘濤[25]等人的研究結(jié)果在數(shù)量級上一致,但略有區(qū)別,原因主要有兩方面,一是活動水平數(shù)據(jù)的可靠性以及年際變化,二是排放因子的準(zhǔn)確性.本研究的活動水平數(shù)據(jù)來源于各省市統(tǒng)計年鑒,能夠較好地保證數(shù)據(jù)的可靠性,相對而言排放因子的選取對研究結(jié)果帶來的不確定性較大.

表7 不同農(nóng)業(yè)氨排放清單比較Table 7 Comparison of different agricultural ammonia emission inventories

本研究使用蒙特卡羅模擬對所建立的京津冀地區(qū)2014年農(nóng)業(yè)氨排放清單進(jìn)行了不確定性分析,表8列出了在95%置信度水平下的模擬結(jié)果.農(nóng)業(yè)氨各排放源不確定度均在-90%～90%之間,京津冀地區(qū)2014年農(nóng)業(yè)氨排放量為1750695t,不確定度為(-30%,30%)其中氮肥施用氨排放量為 685513t,不確定度為(-53%,53%),畜禽養(yǎng)殖氨排放量為1065182t,不確定度為(-34%,34%).畜禽養(yǎng)殖業(yè)源中家禽源的不確定度較大,為(-90%,88%),主要是由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)中未將家禽源的活動水平及排放因子進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分.

表8 京津冀農(nóng)業(yè)氨排放清單不確定性分析Table 8 Uncertainty analysis of agricultural ammonia emission inventory in BTH

2.4 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排對 PM2.5濃度的影響

2.4.1 模型驗證 為驗證WRF-CMAQ模式準(zhǔn)確性,本研究采用北京市國控監(jiān)測站點2014年4個典型季節(jié)代表月的PM2.5監(jiān)測值與模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證,驗證結(jié)果如表9及圖5所示.四個典型代表月模擬值與監(jiān)測值的變化趨勢表現(xiàn)出良好的相似性,四個典型月標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差(NME)均小于50%,標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)均在-30%以內(nèi),除個別重污染時段模擬結(jié)果較低以外,其他時段都較為接近,造成模擬誤差的原因主要來自于污染源清單在9km網(wǎng)格上的不確定性,而且局地氣象條件的模擬誤差會增大模擬結(jié)果的不確定性[26].通過對模擬值與監(jiān)測值進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),除十月份相關(guān)性系數(shù)RC為63.30%外,其他月份均大于 70%,其中一月份模擬結(jié)果 RC大于80%.

為驗證 PM2.5組分模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,本研究采用課題組于2014年4個典型季節(jié)代表月在北京師范大學(xué)科技樓樓頂采集的PM2.5環(huán)境樣品的分析結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證,驗證結(jié)果如表10及圖6所示,除銨鹽NME為50.14%,NMB為-37.71%,稍微偏高以外,硫酸鹽、硝酸鹽NME及 NMB均在可接受范圍內(nèi);各組分相關(guān)性系數(shù)RC均大于60%.

表9 模擬值與監(jiān)測值誤差及相關(guān)性分析Table 9 Comparison of statistical indicators between simulation values and monitoring values

綜合考慮各項指標(biāo),并與其他文獻(xiàn)對比,本研究的模擬誤差在可接受范圍內(nèi),模擬結(jié)果能較好反映出2014年京津冀地區(qū)PM2.5濃度及組分變化情況[27].

表10 PM2.5組分觀測值與模擬值誤差及相關(guān)性分析Table 10 Comparison of statistical indicators between simulation values and monitoring values of PM2.5 component

圖5 PM2.5監(jiān)測值與模擬值對比Fig.5 Comparison of PM2.5 monitoring values with analog values

2.4.2 農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5濃度的影響 圖7為農(nóng)業(yè)氨減排對京津冀地區(qū)典型城市PM2.5影響的模擬結(jié)果,結(jié)果表明,農(nóng)業(yè)氨減排使京津冀地區(qū)PM2.5的年均濃度下降12.04μg/m3,下降比例約為18.36%,在北京、天津、石家莊、唐山、保定、邯鄲幾個典型地區(qū),農(nóng)業(yè)氨減排使保定市 PM2.5年均濃度下降最高,為 13.59μg/m3,邯鄲市 PM2.5年均濃度下降最低,為 7.93μg/m3;同時,北京市PM2.5年均濃度下降比例最高,為 21.65%,邯鄲市PM2.5年均濃度下降比例最低,為 12.88%.通過與其他學(xué)者對京津冀地區(qū)鋼鐵、電力、散煤燃燒、機動車等行業(yè)污染物對PM2.5貢獻(xiàn)的研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),農(nóng)業(yè)氨排放已成為影響京津冀地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的重要因素之一[28-32].

由圖7還可以看出,PM2.5受農(nóng)業(yè)氨減排影響的季節(jié)性差異十分顯著,1月、4月、7月、10月4個典型月京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排使PM2.5月均濃度分別下降 5.43,15.77,12.74,14.21μg/m3,下降比例分別為 5.93%、21.59%、24.32%、21.59%.總體上來看,4月份農(nóng)業(yè)氨減排使PM2.5月均濃度下降最高,7月份農(nóng)業(yè)氨減排使PM2.5月均濃度下降比例最高,而1月份農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5的影響最低,這與農(nóng)業(yè)氨排放量時間分布差異有關(guān).由于農(nóng)業(yè)氨排放量主要受溫度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的影響,首先,京津冀地區(qū)1月份溫度較低不利于氨揮發(fā)[33];其次,4月、6月、7月、8月和10月為京津冀主要農(nóng)作物冬小麥/夏玉米的施基肥和追肥期,由于尿素等氮肥 90%氨揮發(fā)發(fā)生在施肥后的前7天,從而導(dǎo)致1月份氮肥施用氨排放量遠(yuǎn)低于4、7、10月份[33-35];最后,1月份臨近中國傳統(tǒng)節(jié)日春節(jié),京津冀地區(qū)大量外來人員集中返鄉(xiāng)導(dǎo)致對畜禽產(chǎn)品需求量的減少也是影響 1月份農(nóng)業(yè)氨排放量的因素之一[8].

2.4.3 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排對無機鹽濃度影響的分析 圖 8為京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排對無機鹽影響的模擬結(jié)果.結(jié)果表明,農(nóng)業(yè)氨減排使硫酸鹽的年均濃度僅下降 0.34μg/m3,年均濃度下降比例為4.67%,1、4、7、10月4個典型月下降的濃度和下降比例并無明顯差異,說明農(nóng)業(yè)氨減排對硫酸鹽的影響較小.農(nóng)業(yè)氨減排使銨鹽的年均濃度下降 2.27μg/m3,年均濃度下降比例為40.40%,4個典型月的月均下降濃度和下降比例從大到小依次為7月、10月、4月和1月;農(nóng)業(yè)氨減排使硝酸鹽的年均濃度下降 7.37μg/m3,年均濃度下降比例為63.27%,4個典型月的月均下降濃度從大到小依次為 4月、7月、10月和 1月,月均濃度下降比例從大到小依次為 7月、4月、10月和1月.由此可見,農(nóng)業(yè)氨減排對硝酸鹽的影響最大,銨鹽次之,硫酸鹽最小,這與尹沙沙[8]、薛文博[9]、陳東升[10]、Wu[36]等人的研究結(jié)論基本相似.農(nóng)業(yè)氨減排使無機鹽(硫酸鹽+銨鹽+硝酸鹽)的年均濃度下降 10μg/m3,年均濃度下降比例為41.84%,1、4、7、10月4個典型月的月均下降濃度分別為 4.37,15.28,10.36,9.90μg/m3,月均濃度下降比例分別為 16.89%、51.60%、54.67%、47.30%.從月均下降濃度來看,4月份農(nóng)業(yè)氨減排對無機鹽的影響最大,1月份則最小;從月均濃度下降比例來看,7月份農(nóng)業(yè)氨減排對無機鹽的影響最大,1月份則最小,這與農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5的影響較為類似.

圖6 無機鹽模擬值與觀測值對比Fig.6 Comparison of inorganic salt monitoring values with analog values

2.4.4 與其他研究結(jié)果對比 通過文獻(xiàn)調(diào)研收集了不同學(xué)者關(guān)于氨減排對PM2.5及其組分的影響,結(jié)果如圖9所示.許艷玲等[37]模擬了當(dāng)氨減排20%、40%、60%、80%和100%時,全國城市PM2.5年均濃度分別下降2.7%、6.3%、11.3%、19.0%和 29.8%,硝酸鹽年均濃度分別下降 11.0%、25.5%、45.4%、73.7%和99.8%,銨鹽年均濃度分別下降 6.0%、14.2%、26.4%、48.1%和 99.7%;許艷玲等人的研究結(jié)果還表明,氨減排與PM2.5、硝酸鹽、氨鹽呈非線性關(guān)系,且隨著氨減排比例的增加, PM2.5、硝酸鹽、氨鹽年均濃度呈加速下降的趨勢.

圖7 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5的影響Fig.7 Effects of agricultural ammonia emission reduction on PM2.5 in BTH

圖8 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨減排對無機鹽的影響Fig.8 Effects of agricultural ammonia emission reduction on inorganic salts in BTH

楊楠[38]模擬了當(dāng)氨減排 10%、30%和 50%時,保定市夏季 PM2.5組分中銨鹽濃度分別下降了1.28%、10.10%和20.87%,硝酸鹽濃度下降了1.91%、16.87%和 32.50%;本研究模擬了氨減排77%時(本研究模擬所用清單中典型月京津冀農(nóng)業(yè)源氨排放量約占人為源氨排放量的 77%,京津冀地區(qū) PM2.5年均濃度下降了 18.36%,硝酸鹽年均濃度下降了 63.27%,銨鹽年均濃度下降了40.40%.由圖9可知,本研究結(jié)果與許艷玲等[37]、楊楠[38]的研究結(jié)果在數(shù)量級上保持了較好的一致性,考慮到氨減排對 PM2.5及其組分濃度呈顯著的非線性關(guān)系,農(nóng)業(yè)氨排放清單在時間分配和空間分配上與真實情況的差異以及清單的年際變化和模型模擬具有一定的不確定性,本文農(nóng)業(yè)源氨排放對PM2.5及其組分的貢獻(xiàn)研究結(jié)果具有一定的可信度.

圖9 不同學(xué)者研究結(jié)果對比Fig.9 Comparison of different research results

3 結(jié)論

3.1 2014年京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)源氨排放總量為1750695t,其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放量 1065182t,農(nóng)田施肥氨排放量 685513t,分別占農(nóng)業(yè)源排放總量的60.84%和39.16%,石家莊、邯鄲、保定農(nóng)業(yè)氨排放量最高,廊坊、秦皇島、北京農(nóng)業(yè)氨排放量最低;京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)氨排放平均強度為8.09t/km2,邯鄲、石家莊、衡水 3市的排放強度較高,北京、承德、張家口3市的排放強度較低.畜禽養(yǎng)殖業(yè)中,豬和蛋雞是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中氨排放的主要來源,其次是家禽、奶牛、肉牛和羊.

3.2 農(nóng)業(yè)氨減排使京津冀地區(qū) PM2.5的年均濃度下降12.04μg/m3,下降比例約為18.36%,4月份農(nóng)業(yè)氨減排使PM2.5的下降濃度最高,7月份農(nóng)業(yè)氨減排使PM2.5月均濃度下降比例最高,而1月份農(nóng)業(yè)氨減排對PM2.5的影響最低.

3.3 農(nóng)業(yè)氨減排使無機鹽(硫酸鹽+銨鹽+硝酸鹽)的年均濃度下降 10μg/m3,年均濃度下降比例為 41.84%;農(nóng)業(yè)氨減排對硝酸鹽的影響最大,銨鹽次之,硫酸鹽最小.

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