農業源氨排放控制對策初步研究

張增杰　張雙　韓玉花　王軍玲　王阿婧　畢海濤

摘要：闡述了歐洲、美國的農業源氨排放控制框架和采取的主要控制措施，并結合我國實際，基于種養結合、源頭控制、過程減排和末端治理的理念，提出了我國農業源的氨排放控制框架，以及化肥施用和畜禽養殖方面可采取的主要氨排放控制措施。化肥施用氨排放控制，可從化肥品種選擇、施用強度控制和施肥方式選擇3方面著手，結合土壤特性、氣候條件、作物種類和生長需求采取相應的控制措施。畜禽養殖氨排放控制，可基于糞便管理系統的氮物質流，從飼喂、畜禽圈舍、糞污存儲和糞肥土地利用方面采取相應的控制措施。

關鍵詞：農業源；氨；排放；控制對策

中圖分類號：X71 文獻標志碼：A 文章編號：1002—1302（2016）01—0439—04

氨（NH3）是大氣中細顆粒物PM_2.5形成的重要前體物，它可以與二氧化硫和氮氧化物等經大氣化學反應生成硫酸銨和硝酸銨等二次粒子。研究表明，北京環境空氣中銨根離子占PM_2.5質量濃度的11%，且在重污染天氣下，空氣中銨根離子質量濃度明顯高于非污染天氣。因此，為治理PM_2.5污染必須加強對氨排放的控制。

大氣氨人為源主要包括農田生態系統、畜禽養殖業、生物質燃燒、人體活動、化工生成、廢物處理以及移動源等，其中農業源（畜禽養殖、化肥施用）是最大的氨排放源。2011年歐洲環保署33個成員國氨排放總量為428萬t，其中農業源占氨排放總量的93.7%；2011年美國氨排放總量為392萬t，其中農業源占排放總量的81.8%（畜禽養殖占54.3%、化肥施用占27.5%）；國內學者對我國不同區域氨排放清單的研究結果也表明，我國農業源氨排放量占排放總量的80%以上。當前，我國大氣污染控制重點仍在常規污染物上，缺乏對氨排放控制的研究和實踐。因此，本研究針對主要氨農業排放源，介紹了歐洲和美國的控制框架和控制措施，并對我國農業源氨排放控制工作提出了建議，旨在為我國開展農業源氨排放控制提供參考。

1歐洲農業源氨排放控制措施

針對農業帶來的環境問題，歐盟出臺了一系列農業管理方面的政策法規、標準以及其他規范性文件。1999年，歐洲和北美簽訂的“哥德堡協議”是最早的針對氨排放控制的國際條約。該協議規定，到2010年公約簽署國的氨排放量較1990年削減約20%。2001年，歐盟又頒布了《大氣污染物國家排放限值指令》（2001/81/EC），并于2006年進行了修訂，該指令直接確定了歐盟氨氣的排放總量和各國分攤目標，要求最遲到2010年27個成員國的氨排放總量限值不超過429.4萬t，并保證在2010年之后也不超過。同時，為指導各國開展氨排放控制工作，歐盟還先后制定了預防和減少氨排放的相關指導文件。

歐盟實施種養結合的農業發展模式，考慮土地對糞污的消納容量，合理布局畜禽養殖場，控制養殖密度，并根據土地糞肥消納容量以及作物不同生長階段的需求，限定了糞肥施用時間和施用量。歐盟法令規定在1 hm²土壤中可施人的畜禽糞便氮的總量不超過170 kg/年。此外，歐盟還對畜禽養殖和化肥施用提出了針對性的氨排放控制措施。

畜禽養殖控制措施。畜禽養殖氨排放控制措施主要涉及飼喂、畜禽圈舍、糞便存儲和糞肥土地利用4個階段：（1）飼喂措施包括階段性飼喂、減少超額蛋白質供給和日糧中粗蛋白的比例、定制基于易消化/有效養分配比的飲食、采用低蛋白氨基酸補充飲食以及喂食添加劑/補充劑等；（2）畜禽圈舍措施主要通過減少糞肥暴露的表面積，頻繁地移除糞肥到禽舍外的存儲區以及降低家禽糞便含水量來減少氨排放，如對豬舍采用漏縫地板、對于大規模養殖場采用濕式洗滌器處理廢氣、減少家禽飲水系統的溢漏等；（3）糞污儲存措施主要是提供糞污儲罐或筒倉一個“緊蓋”、頂蓋或頂棚，以減少與空氣的交換；（4）糞肥土地應用措施主要是通過施肥機械降低液態糞便的表面面積或迅速將糞肥（液態、固態）翻耕入土壤中，如使用糞液肥注入機、犁或耕耘機等。

化肥施用控制措施。因尿素相對于其他氮肥氨排放量較大，歐盟要求減少尿素肥料的使用，提倡對硝酸銨肥料的使用。當施用尿素肥料時，可添加使用脲酶抑制劑或緩釋涂層（如包裹尿素顆粒的聚合物），采用注入土壤、快速混入土壤或灌溉施肥的方式，以減少氨的排放。此外，硫酸銨或磷銨施用于石灰質土壤時也應采取與尿素同樣的施肥方式。2美國農業源氨排放控制措施

美國畜禽污染防治體系較為成熟，從聯邦、州到地方逐層細化。地方法規要求，在制定地方區劃和土地利用計劃時，要對牲畜飼養數量控制提出一系列具體要求，地方區劃也要把畜牧企業的規模與土地面積緊密地聯系起來，以保證有足夠土地用于處理牲畜糞便。在美國，要求單個畜禽場每天氨氣排放量不能超過45.4 kg。為控制和預防氨排放，美國環保局控制技術中心還于1995年編制了《氨排放控制和污染防治方法報告》（EPA-456/R-95-002）。該報告中闡述了對牲畜管理方面的氨排放控制，主要包括牲畜養殖過程和糞肥農田施用過程2個階段。

牲畜養殖過程中氨排放的控制。牲畜糞便厭氧分解產生氨氣，有時會引起臭氣問題，研究表明，糞便的氨排放量與臭氣強度相對應。針對該問題，美國有些州基于可達到的控制技術制定了臭氣排放限值。同時，為減少牲畜糞便導致的臭氣，可采取的措施包括：（1）使用有充足容量的厭氧塘對糞便進行處理，通過沖洗、刮除或者排水來頻繁收集糞便，可有效地吸收臭氣和消除糞便儲存所的厭氧條件；（2）使用濕式洗滌器、土壤過濾系統等來捕獲和處理臭氣；（3）讓氣體在設施的下風向蔓延，這樣會降低臭氣的排放強度。

糞肥農田施用過程中氨排放的控制。牲畜和家禽的排泄物施用于農田引起的氨排放與土壤類型、排泄物的特征、通風條件以及施用方法有關。研究表明，土壤吸附和保持銨離子的能力隨陽離子交換能力的增加而增加，因此具有強陽離子交換能力的土壤將抑制氨的揮發；糞肥施用于濕潤的土壤比干燥的土壤氨排放量大；較高的溫度和風速也會造成氨氣的大量揮發。因此，為盡可能地減少糞肥施用過程中氨的排放，在施用糞肥時要綜合考慮上述因素。

3我國農業源氨排放控制對策研究

目前，我國養殖業和種植業發展結合不足，引發的農業面源污染日益嚴重。我國是畜禽養殖大國，每年產生大量的畜禽糞便，但因養殖布局和規模未充分考慮土地配置，畜禽糞肥得不到及時消納，利用率很低，產生大量氨排放。在畜禽養殖場環境管理上也較發達國家具有一定的差距，未充分考慮對氨的控制。此外，我國化肥過量施用現象嚴重，作物肥料吸收率低，這不僅導致了大量的氨排放，而且也減少了畜禽糞肥的出路。因此，針對上述問題，在借鑒國外經驗的基礎上，提出了我國農業源氨排放控制建議。

3.1種養結合

畜禽糞肥是一種優質的有機肥源，施于農田有助于改良土壤結構、提高土壤有機質含量、促進農作物增產、減少化肥施用量。因此，應當基于種養結合的理念，即采用“畜禽養殖—糞污還田—種植”的種養模式，在確保有足夠的農田來消納畜禽糞污的條件下，調整畜禽養殖布局和規模，提高農田有機肥施用比例，從而達到糞污資源化利用，減少氨排放。如固液分離-液體厭氧發酵處理下，安全消納萬頭豬場（存欄）的有機肥和沼液，需要配置的最少農田面積分別為糧油作物地299～313 hm²，或茄果類蔬菜地145～179 hm²，或果樹苗木地553～1 366 hm²。如果某區域沒有足夠的土地來消納畜禽糞污，應當建立具有廢氣處理系統的有機肥廠，對糞便進行集中處理。

3.2農田化肥施用

農田化肥施用控制對策包括選擇適宜的化肥類型、控制化肥施用強度、采用合理的施肥方式3個方面。

3.2.1化肥類型 常用的氮肥類型主要有尿素、硫酸銨、硝酸銨、磷酸銨、碳酸氫銨、氯化銨等，應當根據土壤特性、氮肥特性、作物種類、氣候條件選擇適宜的化肥品種。如硫酸銨、磷酸銨、碳酸氫銨施用于堿性土壤如石灰質土壤時，氨排放率會大大增加；尿素氨揮發率較高，在滿足條件的情況下應當盡量選擇使用其他類型的氮肥；銨態氮肥不能與堿性肥料如草木灰混合使用；稻田不宜選用硫酸銨和硝態氮肥，因為硫酸根在水田中易還原為硫化氫，使稻根發黑甚至腐爛，硝酸根在水田易隨水淋失及發生反硝化作用造成氮的損失；氣溫較高的地區或時期，不宜使用銨態氮肥等。同時，應當提高緩釋肥的使用，我國《大氣污染防治行動計劃》也明確指出，要積極開發緩釋肥料新品種，減少化肥施用過程中氨的排放。

3.2.2化肥施用強度 發達國家為防止化肥污染設置化肥施用量安全上限為225 kg/hm²，農業部提出我國適宜的氮磷比（N：P₂O₅）在1：0.4左右。因此，在不考慮鉀肥的情況下，氮肥施用強度最高為161 kg/hm²。美國、西歐氮肥施用強度分別為69、124 kg/hm²。而我國中東部和東南部地區，包括北京、河南、江蘇、湖北、福建、廣東等，其單位農田面積施氮量均高于350 kg/hm²，遠高于國際公認的安全施用上限。因此，為減少化肥施用產生的氨排放，需對氮肥施用強度進行控制。氮肥施用量與作物種類、目標產量、土壤養分狀況以及有機肥輸入情況等因素有關。在確定施用強度時，應當做好土壤測試、氮素供需分析等相關基礎工作，避免過量施氮現象。

3.2.3施肥方式 施肥方式主要分為表層撒施和覆土深施2類，其中氮肥表層撒施氨排放率明顯高于覆土深施。英國國家氨減排措施評價體系（NARSES）模型中顯示，氮肥表面撒施是撒施后深耕以及穴施的氨排放率的5倍，2014年環保部制定的《大氣氨源排放清單編制技術指南（試行）》中也表明，氮肥表面撒施約是覆土深施的3倍。如尿素撒施在地表，常溫下要經過4～5 d轉化過程才能被作物吸收，大部分氮素在銨化過程中被揮發掉，利用率只有30%左右。而氮肥覆土深施時，可通過土壤膠粒對銨離子的吸附作用，減少氨的揮發損失。因此，施用氮肥時應當盡量采用覆土深施的方式。同時，為減少氨排放，《化肥使用環境安全技術導則》（HJ 555—2010）指出，施用尿素時可加施脲酶抑制劑以延緩尿素的水解。

3.3畜禽養殖

基于畜禽養殖糞便管理系統的氮物質流，針對氨排放環節采取相應的控制措施，主要包括以下幾個方面。

3.3.1飼喂 加強飼喂管理，從源頭控制氨排放。畜禽飼養普遍存在著蛋白質攝入量過剩問題，應當根據畜禽的生理階段調整飼料配比、設定蛋白質供給量推薦值，進行階段性飼喂，減少超額的蛋白質供給。也可通過添加合成氨基酸（如賴氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、色氨酸）或特殊的飼料組分優化氨基酸的供應，減少日糧的粗蛋白質含量。據研究證實，按照理想蛋白質模式以可消化氨基酸為基礎來配制符合豬營養需要的平衡日糧，可將傳統日糧的粗蛋白質水平降低3百分點，而日糧中粗蛋白水平每降低1百分點，氨的排放量降低10%。在飼料中添加適量的粗纖維以及沸石、益生菌、酶制劑、酸制劑、絲蘭提取物等，也可降低畜禽的氨氣排放。如在飼料中添加0.05%～0.2%的含有枯草桿菌、芽孢桿菌的益生菌添加劑可使氨氣排放減少50%。此外，通過改進日糧中配料的加工工藝，以改善飼料原料的粒度、混合均勻度等指標，也可提高氮的消化率，其中膨化方式最為有效。

3.3.2畜禽圈舍 畜禽圈舍是畜禽氨排放的重要環節，該部分氨排放量約占總量的30%～40%，應加強對畜舍的控制。在進行畜舍設計時，應從幾何結構上對地板、糞坑和清除系統進行整合，來確定畜舍飲水區和排便區的組合。畜禽圈舍可采用的控制措施主要有：（1）采用干清糞工藝，糞尿分離，分開進行后續的糞污處理和處置；（2）提高糞便清除頻率，及時將畜舍內糞便轉移到密閉的存儲設施內，采用該措施的豬場氨排放可減少25%；（3）采用可吸附糞污、利于糞污綜合利用的墊料模式，常用的墊料有稻草、沙子、鋸末、谷糠等，其中在自然通風的育肥豬舍中采用60%沙土和40%稻草混合物為墊料代替切碎的稻草時，可以減少氨氣排放60%；（4）使用漏縫地板，減少糞便污染的畜舍地板面積，特別是板條具有金屬或塑料涂層的，糞便可更快速、完全地落入下面的深坑中，研究表明采用鑄鐵、金屬或塑料代替水泥制作地板，氨排放可減少10%～40%；（5）強制干燥家禽糞便，當通過強制通風快速干燥糞便至干物質含量為60%～70%時可降低氨的形成，層疊式雞籠通過強制空氣干燥，氨減排率最高可達94%，同時也可通過減少飲水系統的溢漏來保持家禽糞便的干燥，如雞場可采用乳頭式飲水器；（6）對于大規模的封閉式管理的養殖場，如豬場、雞場等，對廢氣進行收集，采用酸式洗滌器或生物滴濾器進行處理，酸式洗滌器主要用硫酸作為吸收劑，將氨轉化為硫酸銨，生物滴濾器主要利用生物將氨轉換為硝酸鹽，其氨減排率為70%～95%。此外，在滿足動物福利要求和保障產品品質的前提下，盡量降低舍內溫度、減少通風率，也可減少氨的排放。

3.3.3糞污存儲 將糞污分為液態糞便和固態糞便分別進行存儲處理。液態糞便可存儲在混凝土或鋼制的儲罐或筒倉內，或具有良好防滲措施（將黏土、不滲水的塑料膜填在土坑內等）的氧化塘內。對于儲罐或筒倉糞便存儲設施，減少氨排放的最好方法是設置密閉頂蓋、頂板或帳篷結構等，以加強密閉性減少空氣交換，但也要做好排氣設施，以防止甲烷等易燃氣體的積累。對于小型的氧化塘，因其表面積較大，可以用塑料、帆布或其他材料形成浮動蓋，以減少表面的空氣流動，采用此方法氨減排率可達60%。家禽糞便相對比較干燥，可存儲在具有防滲地板、通風較好的建筑物中。

畜禽糞便中含有豐富的有機質、氮、磷、鉀及微量元素等營養成分，是制肥的有效原料。固態糞便一般進行堆肥處理，作為有機肥施用于農田。但研究表明，糞便堆肥常會增加氨的排放。因此，應當對堆肥條件進行調控，研究表明pH值介于5～6之間時保氮效果最好，堆肥過程中最佳C/N比為25-35，低C/N的堆肥氨揮發損失較高。同時要做好各處理設施的密閉性，對于規模較大的集中堆肥處理設施，可考慮將收集的廢氣采用空氣洗滌系統進行處理。

3.3.4糞肥土地利用 糞肥土地利用也是畜禽養殖氨排放的重要環節，且在氨排放控制上比畜禽圈舍具有更高的成本效益。該階段氨排放與糞肥成分、施用量、當時的氣象條件、土壤條件以及施肥方式有關。其中，氣象條件影響因素主要包括氣溫、風速、太陽輻射，土壤條件主要為土壤的人滲濾。糞肥施用于排水較好、質地粗糙和干燥的土壤，會比施用于濕潤和質地密實的土壤較快速地滲入土壤中，因此氨排放較低。糞肥施用于土壤表面時，會迅速造成氨的揮發（在幾個小時或幾天）。因此，應當依據糞肥類型（液態糞肥、固態糞肥）、土地利用類型（草地、耕地等）、土壤條件、氣象條件，采用適宜的施肥技術，通過盡量減少糞肥在空氣中暴露的表面積及暴露時間來降低氨的排放。液態糞肥施用可采用帶狀噴灑、從蹄式噴灑或注入（開槽式、閉槽式）的方式，其中閉槽式深層注入氨減排率可達80%；液態糞肥或固態糞肥施用于耕地時，應將表面撒施的糞肥在短時間內翻耕入土壤中，特別是在炎熱的中午，將糞肥快速混入土壤中對氨減排十分重要，其氨減排率可達90%。

4結語

我國是農業大國，農業源是主要的氨排放源，控制農業源氨排放是治理PM_2.5污染的重要工作之一。歐洲、美國均較早的開展了氨排放控制工作，具有成熟的氨排放控制框架和氨排放控制措施。基于當前我國農業發展存在的問題，通過借鑒國外經驗，建議我國采取的農業源氨排放控制對策為：（1）大力推行種養結合模式，調整畜禽養殖布局和規模，提高農田有機肥施用比例，減少化肥的施用；（2）施用化肥時，進行測土配方，選擇適宜的品種，提高緩釋肥的使用，控制施用強度，盡量采用覆土深施的施肥方式；（3）基于畜禽養殖糞便管理系統的氮物質流，從飼喂、畜禽圈舍、糞污存儲、糞肥土地利用4個方面著手采取相應的控制措施。其中，畜禽養殖氨控制措施主要包括：降低畜禽日糧中的粗蛋白質含量，從源頭上減少氮的攝入；合理設計畜禽圈舍，推行干清糞工藝，及時清除糞便，對規模化養殖場采用空氣洗滌系統處理廢氣；加強對糞污存儲處理設施的密閉，減少糞污表面的空氣流動；采用適宜的施肥技術，減少糞肥在空氣中的暴露等。

為更好地推進農業源的氨排放控制，我國也應當做好氨排放控制基礎研究，開展控制技術試驗，制定相關政策文件，加強政府引導和扶持。如種養統籌規劃，制定畜禽養殖區劃定方案，編制糞肥科學還田技術指南以及農業源氨排放控制指定文件等；經濟補貼扶持氨氣排放量大的規模化養殖場開展技術示范推廣，引導鼓勵農業生產綜合應用氨排放控制技術等。