重慶市主城區農業源氨排放研究

張 燦，翟崇治，周志恩，盧 露

重慶市環境科學研究院重慶市環境監測中心城市大氣環境綜合觀測與污染防控重慶市重點實驗室，重慶401147

細顆粒物PM2.5已成為國內關注和控制的主要大氣污染物，NH3是PM2.5中二次粒子的重要前體物質之一，在大氣中與 SO2、NOx生成的H2SO4、HNO3反應生成二次粒子硫酸銨和硝酸銨，硫酸銨和硝酸銨會降低城市能見度，引發灰霾。此外，由于氨具有強的揮發性，易揮發到空氣中經氧化等反應生成二次污染物，因此氨是光化學煙霧的成因之一［1］。同時，NH3和 NH+4是大氣酸沉降的重要組成部分，同時還會導致土壤酸化和水體富營養化［2］。

大氣中氨的來源很多，可分為人為源和自然源。自然源主要有土壤揮發、海水蒸發、森林火災、植被釋放和野生動物排泄物釋放等。人為源主要包括畜禽養殖、放牧過程中糞尿排泄物和農業氮肥施用、農作物分解等農業源，以及人類自身排泄物和吸煙釋放、寵物排泄物釋放、生物質燃燒、污水處理、垃圾填埋、合成氨和氮肥生產等工業工藝過程、交通源、燃料(煤、燃料油、柴油和燃氣等)和廢物燃燒等非農業源［3-6］。

全球氨排放中，家畜排放占40.2%，氮肥使用排放占16.8%，生物質燃燒排放占11.0%［7］;歐洲各國研究表明，動物排放的貢獻可達人為源氨排放的75%，其次是使用化肥［8］。2008年美國NEI(national emission inventory)數據表明［9］，氨排放中畜禽排放占56%，其次是肥料施用為27%。亞洲日本畜禽排泄物釋放占人為源氨排放的64.3%，氮肥施用占4.6%［10］。中國由于活動數據和排放因子的差異，不同年份貢獻比例不同，例如孫慶瑞［11］1997年的研究表明，1993年中國畜禽動物NH3排放貢獻最大，占52%，氮肥施用占33%;王文興等［12］估算的1991年全國氨的排放總量為8.92 Mt，其中畜禽、氨肥施用排氨量分別為64%、18%，氨的排放強度最大的地區在中東部和四川的成渝地區。Street等［13］的研究報告中顯示中國2000年人為氨排放主要來自于氮肥施用50%，占農業源氨排放的88%;清華大學［14］估算的1994—2006年，全國大氣氨排放總量從11.06 Mt增長到16.07 Mt，2006年全國人為源氨排放組成中，最大氨來源為化肥施用，占54%，其次是牲畜養殖，占41.4%。從全球以及世界其他國家的NH3排放估算可以看出，畜牧養殖和化肥施用等農業源是NH3主要的貢獻來源。

按照統計，2012年，重慶市主城區PM2.5超級監測站點年均濃度為60 ug/m3，超出國家二級標準(《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012))71.4%，其中NH+4占到PM2.5質量濃度的7.6%，僅次于SO2－4。重慶市主城九區總面積為5 473 km2，其中城市規劃區為2 617 km2，其余未建設用地中，存在農田、畜禽養殖等農業污染源。因此，該文采用排放因子法，估算主城區各類農業源對NH3排放量的貢獻，并對其區域分布特征進行分析，以便控制細顆粒物PM2.5污染提供依據。

1 排放源和計算方法

農業源NH3排放主要包括畜禽養殖業、氮肥施用、生物質燃燒和農作物釋放排放。根據環保部公布的國家衛星氣象中心提供的《衛星遙感監測秸稈焚燒信息列表》和環保部衛星中心提供的《秸稈焚燒遙感監測日報》(2010—2012年)來看，主城區未發現生物質燃燒火點，因此不考慮生物質燃燒源。

1.1 計算方法

NH3排放量的估算主要采用排放因子法，計算公式:

式中:Ei為每種排放源的NH3排放量，Ai為每種排放源的活動水平，EFi為每種排放源的排放因子，E為NH3總排放量。

1.2 NH3排放因子

1.2.1 畜禽養殖業

動物排泄物中不同的有機氮在微生物的作用下以不同的速度轉化為無機氮，無機氮中的一部分以氨的形式排出。動物的NH3排放因子是以NH3形式排放的N的百分數，也可以用單個動物平均一年的NH3(或N)來表示(單位kg/a)［11］。

國內常用歐盟的RAINS模型來計算畜牧養殖業NH3排放因子和排放量。該模型以計算氣體排放因子為出發點，進而估算研究氣體排放量。國內劉東等［15］、楊志鵬等［16］利用該模型計算了豬、雞養殖的本地排放因子。計算公式如下:

式中:ef1，ef2，ef3，ef4為各個環節中 NH3損失，千克/頭·年，畜舍(ef1)，儲藏(ef2)，農田施用(ef3)，放牧(ef4);EF為“畜舍－儲藏 －農田施用”及放牧整個過程的NH3總損失，千克/頭·年，即該畜禽的NH3排放因子;Nx1為N排泄量，千克/頭·年，Nx1=Mx1·n·t，其中 Mx1為每天的糞便排泄量，t為處在各階段的時間長度，n為糞便中氮的含量百分比;v1、v2、v3為各個環節中NH3揮發系數(即NH3揮發量占全N的百分比)，畜舍(v1)，儲藏過程(v2)，農田施用(v3)。

那一刻，我忘記呼吸，入骨三分的迷戀。她幽怨的呼吸聲彌漫在森冷的空氣里，與亡靈一起起伏，生命轉入墳墓的瞬間，已經意味著消亡。一切的悲鳴，都是生者的自我感傷。她在水池旁清洗著雙水，似乎離我很遠，又很近，她存在于另一個世界，我的心是把懸掛的琴，輕輕一撥就錚錚有聲，我暗自哽咽了。

畜禽在各個環節中的NH3揮發系數見表1。

表1 各個環節中的NH3揮發系數［16］ %

根據畜禽排泄量、含氮量［17］及飼養周期計算得到N排泄量，見表2。

根據重慶市污染源更新調查數據統計得到，主城區豬保育、育成育肥和繁殖階段的平均飼養周期為56、126和347 d，蛋雞的飼養周期超過365 d，肉雞的飼養周期為54 d，奶牛的飼養周期超過365 d，肉牛的飼養周期約300 d，因此按照365、182、365、300、365、54 d 計算母豬、生豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞每年的N排泄量。

表2 畜禽N排泄量

根據N排泄量和各個環節的揮發系數計算各個環節的NH3排放因子，由于主城區畜牧養殖不存在“放牧”環節，因此，只考慮畜舍、儲藏和農田施用三個環節，其中肉牛、肉雞的NH3揮發系數根據表1中“其他?！焙汀捌渌仪荨钡南禂颠M行計算，結果見表3。

表3 畜禽養殖NH3排放因子 kg/a

表4總結了文獻中的畜禽養殖NH3排放因子，可以看出，除了肉雞和生豬的排放因子偏小之外，其余與其他文獻中的排放因子相當。

表4 排放因子對比 kg/a

1.2.2 化肥施用

與NH3排放相關的化肥主要是氮肥和復合肥，氮肥包括尿素、碳酸氫銨、硫酸銨、硝酸銨、氯化銨和氨水，復合肥主要是磷酸一銨、磷酸二銨、三元復合肥［14］，施放到農田后，通過微生物作用或者自身的分解向大氣排放出NH3。

各文獻中排放因子及引用情況見表5。董文煊等［14］對氮肥排放因子進行了比較詳細的分類，其中尿素的排放因子最高，與Klaassen G等［23］的結果類似。

表5 化肥施用NH3排放因子

由于不清楚重慶市主城區農業施用的化肥種類及其施用量，因此根據各種類型化肥產量確定主要施用肥類型，有尿素、復合肥和其他肥料，該文 NH3排放因子分別選取尿素 121.4 kg/t［23］、其他復合肥3%(N含量)，即 30×17/14=36.4 kg/t［14］、其他肥料 60.7 kg/t［23］。

農作物釋放NH3受化學、生物和人為因素的影響。目前，沒有確切的數據證明不同農作物的排放因子不同，也沒有數據能證明溫帶和熱帶氣候下農作物 NH3系數有所不同［7］，因此選用250 kg/km2［7］作為主城區農作物NH3排放因子，肖紅偉等［1］引用該因子計算了貴陽地區農作物NH3排放量。

2 結果及討論

2.1 活動水平

2.1.1 畜牧養殖業

生豬的飼養周期小于1年，其數量用當年的出欄量;母豬一般當年不出欄，數量按照存欄量算;奶牛一般當年不出欄，年末存欄量即可視為當年飼養數量;肉牛的飼養數量一般用當年的出欄量;蛋雞飼養周期大于1年，數量按照當年存欄量算;肉雞飼養周期小于1年，數量按照當年出欄量算［17］。根據2010年污染源普查動態更新調查數據統計，主城區畜禽養殖中，生豬數量為46.8萬只，母豬數量為1.9萬只;奶牛數量為0.86萬頭;肉牛數量為950頭;蛋雞數量為107.9萬只;肉雞數量為525.8萬只。

畜禽養殖在主城9區的分布如圖1所示，由此可知，生豬、肉牛、蛋雞、肉雞養殖主要分布在巴南區和渝北區;奶牛養殖主要分布在渝北區和江北區;母豬養殖主要分布在巴南區、沙坪壩區和渝北區。

圖1 畜禽養殖分布

2.1.2 化肥施用

根據重慶市2011年統計年鑒，2010年，城區化肥使用量為5.67萬噸。由于不清楚主城區農業化肥施用的種類，因此按照2010年污染源普查動態更新調查數據中各類化肥生產量的比例分配化肥施用量，得到尿素施用量42 234.5萬噸，復合肥14 078.2萬噸，其他肥料340.4萬噸，見表6。

表6 各類化肥施用量

由圖2知，巴南區化肥施用量在主城化肥施用總量中所占比例最高，為29%，其次是渝北區23%。

圖2 化肥施用分布

2.1.3 農作物釋放

根據重慶市2011年統計年鑒，2010年主城區農作物播種面積為2 357.12 km2。由圖3可知，巴南區農作物播種面積在主城農作物播種總面積中所占比例最高，為41%，其次是渝北區29%。

圖3 農作物播種面積分布

2.2 NH3排放量及排放強度

根據主城區農業源NH3排放因子和排放源活動水平，得到各區NH3排放量。主城區農業源每年共計排放NH38 482 t，其中畜牧養殖業NH3排放量為2 233 kg，占農業源總排放量的26.3%;化肥施用NH3排放量為5 660 kg，占到總排放量的66.7%;農作物釋放NH3排放量為589 kg，占排放總量的6.9%。主城區農業源NH3排放強度為1 552.1 kg/km2，具體見表 7、圖 4。

從NH3排放量和排放強度分布來看，巴南區農業源NH3排放量最大，占主城區排放總量的41%;其次是渝北區，占主城區排放總量的28.6%;渝中區為零排放。各區農業源NH3排放均是以化肥施用為主，其次是畜牧養殖業，農作物釋放 NH3最少。大渡口區排放強度最高，為3 513.9 kg/km2。除渝中區外，九龍坡區排放強度最低，為1 168.6 kg/km2。

表7 主城區農業源NH3排放清單

圖4 農業源NH3排放量(kg)和排放強度分布(kg/km2)

2.3 與其他地區對比

該研究結果與全國及其他地區農業源NH3排放對比見表8。重慶主城區以及長三角地區與全國農業源NH3排放結構類似，只是畜禽養殖業NH3排放比例低于全國平均水平，化肥施用NH3排放比例高于全國平均水平。全國農業源NH3排放中，化肥施用所占比例最大，為56.4%，其次為畜禽養殖43.0%，生物質燃燒排放NH3最少。珠三角和貴陽地區均是畜禽養殖業NH3排放所占比例最高，在70%以上，其次是化肥施用，生物質燃燒最少，重慶主城區農作物釋放NH3比例高于貴陽地區。

表8 與全國及其他地區農業源NH3排放對比

3 結論

1)主城區農業源NH3年排放量8 482 t，排放強度為1 552.1 kg/km2，化肥施用是主要的NH3排放農業源，占農業源總排放量的66.7%，畜牧養殖業占26.3%，農作物釋放占6.9%。巴南區排放量最大，占主城區排放總量的41%，大渡口區排放強度最高。主城區與全國農業源NH3排放結構類似，但畜禽養殖業NH3排放比例低于全國平均水平。

2)建議加強對施用化肥的技術指導，合理施肥，鼓勵采用長效緩釋氮肥，防止NH3揮發;規范規模化畜禽養殖，推廣先進可行的養殖技術;最大限度地減少翻耕對土壤的擾動等，減少NH3排放。

3)排放因子研究是長期而困難的工作，目前國內對NH3排放因子的研究很少，大量的環境、人為因素都會影響NH3排放，如化肥施用的排放因子取決于化肥施用地的土壤性質和日照時長、溫度、濕度、降水量等;農作物NH3釋放還可能與作物生長時期和長勢有關;不同地區動物組成、動物年齡，以及動物糞便的儲存形式等都會影響NH3排放。如果要做出更加準確的NH3排放因子，需要從最基礎的監測和試驗做起，進行排放因子本地化研究和精細化研究。

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