青海東部城市群大氣氨排放清單研究

張津建， 李廣英， 張元勛，3*， 何躍君

1.中國科學院大學資源與環(huán)境學院， 北京 101400 2.青海省生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和環(huán)保技術中心， 青海 西寧 810000 3.中國科學院大學， 燕山地球關鍵帶與地表通量觀測研究站， 北京 101408 4.北華航天工業(yè)學院， 河北 廊坊 065000

氨(NH3)是大氣中重要的堿性氣體，是參與大氣氮循環(huán)的重要成分[1]，對大氣環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)都有重要意義. 氨能與大氣中SO2和NOx等酸性物質發(fā)生反應，在底層大氣環(huán)境中起重要的緩沖作用[2]，反應生成的硝酸銨和硫酸銨等物質是大氣細顆粒物PM2.5的重要組成部分[3-6]. 此外，氨還可以沉降到土壤或水體中造成土壤酸化和水體富營養(yǎng)化等諸多環(huán)境問題[7-9]. 青海省位于青藏高原東北部，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，有重要的生態(tài)價值，掌握該地區(qū)氨排放水平和排放特征對于控制區(qū)域內大氣污染、保護生態(tài)環(huán)境有積極意義.

國內外相關研究[10-14]表明，農業(yè)源中畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用是大氣中氨的主要排放來源，占總排放量的60%～80%. 王文興等[15]考慮了畜禽養(yǎng)殖、氮肥施用、化工生產和人體糞便4個排放源，計算了1991年我國氨排放量，其中青海省氨排放量為179.645×103t，排放強度為0.3 t/km2. 董文煊等[16]計算了相同的4個排放源，得到2006年青海省氨排放量為81.88×103t，排放強度為0.11 t/km2，并發(fā)現(xiàn)1991—2006年青海省氨排放量降低了約50%. Huang等[17]統(tǒng)計了畜禽養(yǎng)殖、氮肥施用、化工生產和人體糞便4個排放源，以及土壤本底、固氮植物、秸稈堆肥、生物質燃燒、廢物處理和交通源的氨排放，計算得到2006年青海省氨排放量為103.7×103t，與曹國良等[18]通過計算廢物處置、農業(yè)過程、工業(yè)過程和化肥生產4種排放源得到的2007年青海省氨排放量(162×103t)相差較大. 綜上，不同的氨排放量研究結果之間有較大差異，主要由于不同研究考慮的排放源和使用的基礎數(shù)據(jù)不同. 雖然國內外學者在大氣污染源清單的研究工作中對青海省有所涉及，但是往往考慮的是全省的氨排放，針對西寧市的氨排放研究相對較少，而西寧市所在的青海東部地區(qū)是青海省人口最集中的區(qū)域，農業(yè)和工業(yè)發(fā)展水平與省內其他地區(qū)有明顯差別，因此研究該地區(qū)氨排放情況有重要意義.

青海省東部城市群是青海省“十二五”規(guī)劃中確定的以西寧市為核心的城市群，城市群沿湟水流域分布，屬于高原大陸性氣候. 區(qū)域內集中了青海省約60%的人口和60%的耕地面積，有豐富的生物資源、礦產資源和旅游資源，在省內具有重要的經濟意義，對全國有重要的生態(tài)意義. 該研究參考國內外相關研究[19-22]，根據(jù)當?shù)卣嘘P統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用排放因子法建立2017年青海省東部城市群大氣氨排放清單，以期為當?shù)丨h(huán)境污染評估和環(huán)境政策的制定提供支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和對象

以2017年作為研究基準年，研究區(qū)域為青海省東部城市群(見圖1)，包括西寧市的城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)、湟中區(qū)、湟源縣、大通回族土族自治縣，以及海東市的平安區(qū)、樂都區(qū)、互助土族自治縣、民和回族土族自治縣共11個區(qū)縣. 計算的氨排放源分為農業(yè)源和非農業(yè)源，其中農業(yè)源包括農田生態(tài)系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖，非農業(yè)源包括生物質燃燒、人體排放、化工生產、廢物處理、機動車尾氣.

注： CD—城東區(qū)；CZ—城中區(qū)；CX—城西區(qū)；CB—城北區(qū)；HZD—湟中區(qū)；HY—湟源縣；DT—大通回族土族自治縣；PA—平安區(qū)；LD—樂都區(qū)；HZC—互助土族自治縣；MH—民和回族土族自治縣.圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Location and administrative divisions of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所涉及的活動水平數(shù)據(jù)來自政府的統(tǒng)計資料，氮肥施用量、人口數(shù)據(jù)、羊和馬等畜類養(yǎng)殖量、耕地面積和農作物產量等數(shù)據(jù)來源于《2018年西寧市統(tǒng)計年鑒》[23]和《2018年海東市統(tǒng)計年鑒》[24]，化工產品產量、廢水處理量、垃圾填埋量、豬牛雞等畜禽養(yǎng)殖量以及機動車保有量等數(shù)據(jù)來源于青海省生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與環(huán)保技術中心提供的青海省第二次污染源普查數(shù)據(jù).

1.3 清單計算方法

青海省東部城市群氨排放量采用排放因子法[25]進行計算，計算公式：

Ei,j=Ai,j×EFi,j×γ

(1)

式中：Ei,j為i地區(qū)j排放源的NH3排放量，t；A為活動水平；EF為排放因子；γ為氮-大氣氨轉換系數(shù)，針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)取1.214，其他行業(yè)取1.0. 不同排放源的活動水平數(shù)據(jù)不同，排放因子主要根據(jù)《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]和相關實測值進行選取.

1.3.1農田生態(tài)系統(tǒng)

農田生態(tài)系統(tǒng)包含氮肥施用、土壤本底、秸稈堆肥和固氮植物4個二級排放源. 氮肥施用主要指含有氮元素的肥料在進入農田之后經微生物的作用和自身分解，最終向大氣中排放氨[26]. 氮肥主要包括尿素、碳酸氫銨、硝酸銨、硫酸銨和其他含氮肥料. 氮肥種類、施肥方式、土壤條件以及氣象條件都是影響氨揮發(fā)的主要因素. 氮肥施用的氨排放因子計算公式：

EFnf=EFbase×m×n

(2)

式中：EFnf為氮肥施用排放因子，kg/t；EFbase為基準排放因子，kg/t；m為施肥率校正因子；n為施肥方式校正因子. 根據(jù)獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將氮肥種類分為尿素和復合肥，并根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、施肥方式進行校正，校正后尿素、復合肥的排放因子分別為40.51、18.23 kg/t.

土壤本底排放指自然情況下每畝耕地每年向大氣排放氨的量，根據(jù)《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]其排放因子為0.12 kg/(畝·年). 秸稈堆肥排放指農作物產生的秸稈在堆肥過程中向大氣釋放氨，青海省東部城市群內農作物秸稈主要用作動物飼料，根據(jù)《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]其排放因子為0.32 kg/t. 固氮植物一般指大豆、花生、綠肥這三類[25]，青海省東部城市群由于自然氣候等原因農作物以馬鈴薯、小麥、油菜和玉米為主，因此暫不考慮固氮植物的排放.

1.3.2畜禽養(yǎng)殖

畜禽養(yǎng)殖中氨排放主要來自圈養(yǎng)、放牧、廄肥保存和施肥4個階段中動物排泄的糞尿[27-28]. 根據(jù)各類統(tǒng)計資料和研究區(qū)域內現(xiàn)有數(shù)據(jù)，計算了蛋雞、肉雞、肉牛、奶牛、生豬、山羊、綿羊、馬、驢、騾共10類畜禽的氨排放. 養(yǎng)殖方式上，規(guī)模以上養(yǎng)殖認為是集約化養(yǎng)殖，規(guī)模以下養(yǎng)殖認為是散養(yǎng)，不同養(yǎng)殖方式下氨排放因子來源于《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]，如表1所示.

表1 畜禽養(yǎng)殖氨排放因子

1.3.3非農業(yè)源

非農業(yè)源包括化工生產、廢物處理、人體排放、生物質燃燒和機動車尾氣五類排放源. 化工生產排放主要指合成氨和氮肥制造企業(yè)在產品的生產過程中向大氣進行的氨排放，也包含石油煉焦、制氣等化工行業(yè)的氨排放，根據(jù)調研結果，研究區(qū)域內化工生產只涉及合成氨和氮肥制造企業(yè). 廢物處理可分為廢水處理、固廢處理、廢氣處理，指污水處理廠、垃圾填埋廠在進行廢棄物處理，以及火力發(fā)電和工業(yè)企業(yè)在生產中由煙氣脫硝設施產生的氨排放，不同廢物處理工藝有不同的排放因子，其中《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]中推薦的污水處理廠氨排放因子為0.003 g/m3，考慮到污水廠處理工藝、污水水質、環(huán)境溫度、管理水平等多因素的影響，該研究采用國內學者通過實測得到的污水處理廠氨排放因子(0.28 g/m3)[29]進行計算. 人體排放指人體活動向大氣中排放的氨，包括呼吸、汗液和糞尿等方式，排放因子根據(jù)《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》[25]選取. 生物質燃燒所需的秸稈焚燒量根據(jù)《生物質燃燒源大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)》[30]進行計算，相關系數(shù)的選取參考文獻[31-32]. 機動車尾氣的氨排放根據(jù)不同的車型和燃油類型[33-34]分別進行計算，分為輕型汽油車、輕型柴油車、重型汽油車、重型柴油車和摩托車. 非農業(yè)源的排放因子如表2 所示.

表2 非農業(yè)源氨排放因子[25，29-34]

2 結果與討論

2.1 青海省東部城市群氨排放清單

2017年青海省東部城市群氨排放清單如表3所示，11個區(qū)縣氨排放量為44.92×103t. 畜禽養(yǎng)殖和農田生態(tài)系統(tǒng)是青海省東部城市群氨排放量較大的2個源，氨排放量分別為36.41×103和3.19×103t，占總排放量的81.07%和7.12%. 農田生態(tài)系統(tǒng)中氮肥施用排放量占比最大，與其他城市研究結果[10-14]一致. 在非農業(yè)源中廢物處理、人體排放和化工生產的氨排放貢獻均較大，分別占總排放量的4.79%、3.68%和2.45%. 可見，農業(yè)源是青海省東部城市群大氣氨排放的主要來源，占總排放量的88.19%. 主要原因是，青海省東部城市群位于青藏高原地區(qū)，工業(yè)發(fā)展水平與我國東部沿海城市相比較為薄弱，化工生產企業(yè)與氮肥制造企業(yè)較少，導致非農業(yè)源氨排放占比小于我國平均水平. 研究區(qū)域雖然位于湟水流域谷地，擁有青海省約60%的耕地面積，但區(qū)域內土地類型仍以山地為主，并且受到高原大陸性氣候條件的影響，花生和大豆等固氮植物基本沒有種植，加上當?shù)鼐用竦娘嬍沉晳T對于畜禽的需求量較大，導致畜禽養(yǎng)殖是農業(yè)源中最大的氨排放源.

表3 2017年青海省東部城市群氨排放清單

由于畜禽養(yǎng)殖是研究區(qū)域內氨排放占比最大的排放源，對其排放特征做進一步分析(見圖2). 由圖2可見：就畜禽種類來說，綿羊對大氣氨排放量的貢獻最大，氨排放量達12.51×103t，占畜禽養(yǎng)殖氨排放量的34.15%，這與綿羊的大量養(yǎng)殖有關；其次是奶牛和肉牛，二者的氨排放分別占氨排放總量的25.71%和21.41%，雖然牛類養(yǎng)殖量小于綿羊和生豬，但由于每頭牛的排放因子高于其他畜禽，導致牛類是區(qū)域內氨排放的主要畜禽種類. 此外，雖然蛋雞和肉雞的養(yǎng)殖量遠大于馬、驢、騾的養(yǎng)殖量，但是由于排放因子的差異，導致蛋雞和肉雞的氨排放量相差較小，并且均小于其他畜禽種類. 考慮不同畜禽的養(yǎng)殖量及其對應的排放因子，對綿羊和肉牛加大集約化養(yǎng)殖程度，對于減少區(qū)域氨排放有一定積極作用.

圖2 2017年青海省東部城市群不同畜禽種類氨排放量占比Fig.2 Ammonia emission proportion of different livestocks of eastern urban agglomeration of Qinghai Province in 2017

2.2 青海省東部城市群氨排放的地區(qū)差異

2017年青海省東部城市群各區(qū)縣氨排放量、排放強度和各排放源分擔率如圖3和表4所示. 氨排放量較大的區(qū)縣有湟中區(qū)和大通回族土族自治縣，氨排放量分別占研究區(qū)域總排放量的29.2%和24.5%，畜禽養(yǎng)殖是其主要排放源. 西寧市的城中區(qū)、城西區(qū)、城東區(qū)、城北區(qū)4個地區(qū)的氨排放量顯著低于青海省東部城市群內其他區(qū)縣，城中區(qū)的主要氨排放源為畜禽養(yǎng)殖和廢物處理，城西區(qū)的主要氨排放源是機動車尾氣，城東區(qū)和城北區(qū)的主要氨排放源均為廢物處理，與這4個地區(qū)人口密度較大、建筑用地占比較大、畜禽養(yǎng)殖量較少有關. 湟源縣、平安區(qū)、樂都區(qū)、互助土族自治縣和民和回族土族自治縣的氨排放均以畜禽養(yǎng)殖為主. 可見，由于各區(qū)縣產業(yè)結構和經濟發(fā)展情況不同，氨排放量和各排放源貢獻率也有明顯區(qū)別.

圖3 2017年青海省東部城市群各區(qū)縣氨排放量及貢獻率Fig.3 Ammonia emission and contribution in different districts of eastern urban agglomeration of Qinghai Province in 2017

表4 青海省東部城市群各區(qū)縣氨排放情況

從排放強度來看，氨排放強度最高的是湟中區(qū)，最低的是樂都區(qū). 城中區(qū)、城東區(qū)、城北區(qū)雖然氨排放量均較小，但是由于區(qū)域面積較小，導致氨排放強度高于氨排放量較高的平安區(qū)、互助土族自治縣等地區(qū). 大通回族土族自治縣雖然氨排放量較大，但是由于行政區(qū)域面積遠大于其他地區(qū)，因此大通回族土族自治縣的氨排放強度低于城北區(qū)和湟中區(qū). 從不同區(qū)縣每億元GDP產生的氨排放量來看，從高到低依次為湟源縣、大通回族土族自治縣、湟中區(qū)、互助土族自治縣、民和回族土族自治縣、樂都區(qū)、平安區(qū)、城北區(qū)、城中區(qū)、城東區(qū)、城西區(qū). 湟源縣和大通回族土族自治縣每億元GDP氨排放量遠高于青海省東部城市群平均水平，并且氨排放以畜禽養(yǎng)殖為主，一定程度上說明了當?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)達，且第二、三產業(yè)較為薄弱的情況. 湟中區(qū)雖然氨排放量和氨排放強度均位于第一位，但是每億元GDP氨排放量低于大通回族土族自治縣和湟源縣，這可能與湟中區(qū)內有一家合成氨和氮肥制造企業(yè)有關.

圖4 青海省東部城市群氨排放點源空間分布情況Fig.4 Spatial distribution of ammonia emission point sources in the eastern urban agglomeration of Qinghai Province

規(guī)模以上畜禽養(yǎng)殖、廢物處理和化工生產的點源信息以及地表覆蓋信息如圖4所示. 由圖4可見：青海省東部城市群城市主要集中于湟水流域谷地，自西向東分布；城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)、城北區(qū)4個市轄區(qū)位于谷地中心，城市化程度最高，畜禽養(yǎng)殖較少；大通回族土族自治縣、湟中區(qū)和湟源縣3個區(qū)縣內畜禽養(yǎng)殖較多，位置多分布在地勢較為平緩的耕地上；化工生產企業(yè)只有一家位于湟中區(qū)內；廢物處理企業(yè)主要自西向東沿湟水流域分布，與城市的地理位置分布保持一致. 綜上，地形地勢以及地表覆蓋類型的不同對于青海省東部城市群不同區(qū)縣氨排放有一定影響.

2.3 不同氨排放清單對比

根據(jù)王文興等[15-18]研究顯示，1991年和2006年青海省畜禽養(yǎng)殖氨排放占比分別為95.3%和86%，筆者研究計算得到的青海東部城市群畜禽養(yǎng)殖氨排放占比為81.07%，畜禽養(yǎng)殖氨排放占比有一定程度的減小，主要是由于選取的研究區(qū)域集中了青海省約60%的人口和耕地，也是青海省內工業(yè)較為集中的地區(qū)，所以農田生態(tài)系統(tǒng)和非農業(yè)源排放較省內其他地區(qū)大，導致畜禽養(yǎng)殖氨排放的相對比例較低. 利用青海東部城市群的統(tǒng)計結果推算青海省全省的氨排放量，東部城市群內牲畜飼養(yǎng)量約占全省的10%～20%，該研究取20%來計算青海省畜禽養(yǎng)殖的氨排放量，其余排放源按照東部城市群人口和耕地占青海省的比例(60%)來計算，估算得到2017年青海省氨排放量為196.26×103t，其中畜禽養(yǎng)殖排放占比達92.78%. 筆者計算的青海省氨排放量高于王文興等[15-18]研究結果，雖然結果存在主觀性誤差，但仍可以說明青海省內氨排放主要來源于畜禽養(yǎng)殖，因此氨排放控制政策應以針對畜禽養(yǎng)殖業(yè)為主，如提倡科學的養(yǎng)殖方式、建立完善的畜禽糞便處理系統(tǒng)等.

將筆者研究結果與我國其他地區(qū)2017年的氨排放清單[35-37]進行對比，結果如表5所示. 由表5可見，在青海省東部城市群、天津市、云南省紅河哈尼族彝族自治州、浙江省等4個地區(qū)中，青海省東部城市群的氨排放量最低，4個地區(qū)最大的氨排放源均為農業(yè)源，其中，浙江省農業(yè)源氨排放占比約為60%，其余3個地區(qū)為83%～88%. 青海省東部城市群的氨排放強度(2.80 t/km2)高于浙江省(1.16 t/km2)，低于天津市(4.81 t/km2)，與云南省紅河哈尼族彝族自治州(3.0 t/km2)較為接近. 青海東部城市群氨排放強度高于浙江省，主要由于青海省東部城市群區(qū)域面積遠小于浙江省，同時2個地區(qū)畜禽養(yǎng)殖排放量較接近，說明單位面積上青海省東部城市群畜牧業(yè)較浙江省活躍. 青海東部城市群的氨排放強度低于天津市，主要由于青海省東部城市群農田生態(tài)系統(tǒng)以及人口數(shù)量、化工企業(yè)活動水平均低于天津市，且青海省東部城市群的行政區(qū)域面積大于天津市. 青海東部城市群排放強度與云南省紅河哈尼族彝族自治州較為接近，紅河哈尼族彝族自治州在畜禽養(yǎng)殖氨排放量、氨排放總量以及行政區(qū)域面積上均約為青海東部城市群的2倍，在一定程度上表明紅河哈尼族彝族自治州與青海東部城市群的經濟結構較為接近.

表5 2017年我國不同地區(qū)氨排放清單比較

2.4 不確定性分析

清單編制的不確定性主要來源于活動水平數(shù)據(jù)和排放因子的不確定性[38-39]. 畜禽養(yǎng)殖、人體排放、化工生產和廢物處理的活動水平數(shù)據(jù)主要來自相關政府部門調查數(shù)據(jù)，活動水平數(shù)據(jù)的不確定性較小. 排放因子的選取主要來源于生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《大氣氨排放清單編制技術指南(試行)》及文獻調研，農田生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)研究地區(qū)的溫度、海拔、土壤酸堿度等因素對排放因子做了本地化處理，以得到更加準確的排放清單研究結果. 利用蒙特卡羅方法對清單的不確定性進行分析，污染源的活動水平數(shù)據(jù)一般認為滿足正態(tài)分布，排放因子則可能滿足Gamma分布、Weibull分布或對數(shù)正態(tài)分布等類型，排放因子的分布類型和參數(shù)設置參考巫玉杞[40]的研究結果. 設置重復模擬 10 000 次，在95%的置信區(qū)間下得到的清單不確定性如表6所示. 不確定度較大的源有機動車尾氣和生物質燃燒源，主要是由于機動車尾氣的活動水平數(shù)據(jù)中不同車輛排放標準(國Ⅰ、國Ⅱ、國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ)和車輛行駛里程根據(jù)《道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南》進行分類和計算，與統(tǒng)計年鑒的調查數(shù)據(jù)相比，其誤差較大；生物質燃燒源計算時需要的秸稈焚燒量是根據(jù)農作物草谷比計算得到，活動水平數(shù)據(jù)也有較大誤差. 因此，在進行蒙特卡羅模擬時對機動車尾氣和生物質燃燒的活動水平數(shù)據(jù)分布設置了較大的標準差. 雖然機動車尾氣和生物質燃燒源的不確定性較大，但是由于其排放量占總排放量的比例較低，所以對于整體清單而言影響不大. 調查、統(tǒng)計獲取各污染源真實準確的活動水平信息，建立青海省本地化的排放因子數(shù)據(jù)庫，對于改進大氣污染源清單的準確性有重要意義. 該研究計算的氨排放源較為全面，各排放源貢獻與其他研究結果基本一致，研究結果能較為客觀地反映青海省東部城市群的氨排放情況，為環(huán)境污染情況評估和相關環(huán)境政策的制定提供科學支撐.

表6 排放清單的不確定性

3 結論

a) 2017年青海省東部城市群氨排放量為44.92×103t，氨排放強度為2.80 t/km2. 農業(yè)源是最大的氨排放源，占比為88.19%，其中畜禽養(yǎng)殖的氨排放貢獻最大，主要的氨排放畜禽種類有綿羊、奶牛和肉牛.

b) 青海省東部城市群氨排放量最高的區(qū)縣是湟中區(qū)和大通回族土族自治縣，氨排放量分別達13.11×103t和11.01×103t，排放量較低的是城東區(qū)、城中區(qū)、城北區(qū)、城西區(qū). 氨排放強度最高的是湟中區(qū)(5.39 t/km2)，最低的是樂都區(qū)(1.13 t/km2).

c) 青海省東部城市群11個區(qū)縣中，城西區(qū)的主要氨排放源為機動車尾氣，城東區(qū)、城北區(qū)的主要排放源為廢物處理源，其余區(qū)縣均為畜禽養(yǎng)殖源. 污染源分布受當?shù)氐匦蔚貏萦绊?，多沿湟水流域分布，并且也受不同區(qū)縣之間產業(yè)結構的影響.

d) 青海省東部城市群氨排放量低于天津市、浙江省和云南省紅河哈尼族彝族自治州，主要與區(qū)域內污染源活動水平有關. 在氨排放強度上，青海省東部城市群和紅河哈尼族彝族自治州較為接近，低于天津市，高于浙江省，主要與不同地區(qū)內經濟結構和發(fā)展水平有關.

e) 利用蒙特卡羅方法對清單進行不確定性分析，結果表明，機動車尾氣和生物質燃燒受活動水平影響存在較大誤差，總清單在95%置信區(qū)間下不確定度為-9.8%～17.1%.