中國省域農業源N2O排放清單及特征分析

韋良煥，林 寧，莫治新

(喀什大學 化學與環境科學學院，新疆生物質類固廢資源化工程技術研究中心，新疆 喀什 844006)

由溫室氣體增加引發的全球氣候變暖問題越來越受到各國學者的關注，相應地，溫室氣體的核算也成為相關研究的熱點之一[1]。其中，氧化亞氮(N2O)因為增溫潛勢大、在大氣中滯留時間長、會破壞臭氧層等而備受關注，是僅次于CO2和CH4的第三大溫室氣體[2-3]。

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)，以及《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》中提供的溫室氣體核算方法，大氣中N2O的來源主要有農業部門的農用地N2O排放和動物糞便管理N2O排放，以及廢棄物處理部門廢水處理過程的N2O排放。其中，農業是與氮素使用關系最密切的部門，大約有70%以上的氮排放量來自農業生產[4]。國內外很多學者從不同角度核算和分析了區域農業、農田、化肥使用，以及秸稈還田等過程中的N2O排放。在國外，Barnard等[5]分析了土壤硝化作用和反硝化作用對全球氣候變化的影響；Babu等[6]利用DNDC模型對印度水稻生產系統中甲烷和N2O的排放進行了分析驗證。在國內，尹釋玉[7]分析了農田N2O的排放機理、影響因素和測定方法；尹高飛等[8]分析了河北省農田施肥存在的主要問題，以及不同作物、不同硝化抑制劑和不同土壤環境條件(氮素供應、溫度、含水量)對土壤N2O排放的影響；湯勇華[9]對中國不同農田(水稻、小麥、玉米、大豆、棉花和油菜)化學氮肥施用和生產中產生的主要溫室氣體(N2O和CO2)排放及其減排潛力進行了分析計算；營娜等[10]評估了我國2008年農田肥料N2O的直接和間接排放；劉韻等[11]研究了不同施肥方式對冬小麥和夏玉米輪作土壤N2O排放的影響；蔣光福等[12]采用排放因子法比較了中國和印度小麥、玉米和水稻農田化肥氮源N2O的排放，并對中國農田N2O排放的時空變化進行了分析研究；張冉等[13]分析了中國農田秸稈還田對土壤N2O排放的影響，并利用Meta分析方法對不同影響因素進行了解析；溫慧洋等[14]針對內蒙古河套灌區4種鹽堿程度土壤的N2O排放途徑及其貢獻率進行研究，結果表明，N2O累積排放量隨著土壤鹽堿程度的升高而升高；張旭[15]對重慶市和四川省的農田N2O排放量進行估算，發現重慶市和四川省的N2O排放量在1990—2004年間呈上升趨勢；周濤等[4]對廣東省的農業氮足跡進行分析，結果表明，廣東省農業氮足跡的主要來源是種植業化肥和養殖業飼料。本研究擬以省域為研究對象，對除我國香港、澳門、臺灣以外的31個省(市、自治區)2000—2016年的農業源N2O排放進行核算和比較，分析不同省域農業源N2O排放量的時空變化，旨在探明全國(港、澳、臺除外，下同)和各省域的農業源N2O排放清單及其特征，以期為我國農業源N2O減排提供參考。

1 材料與方法

參照《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》中提供的溫室氣體核算方法開展研究。農業源N2O的計算主要包括農用地N2O的直接和間接排放，以及禽畜糞便管理N2O排放。其中，農用地N2O的直接排放主要計算了化肥施用的氮排放和基于主要農作物經濟產量的農作物秸稈還田氮排放，間接排放主要是指大氣氮沉降和氮淋溶、徑流損失引起的氮排放；畜禽糞便管理N2O的排放數據主要基于牛、馬、驢、騾、豬、駱駝、山羊和綿羊年底的數量進行測算，其中，牛的排放因子取奶牛、非奶牛和水牛排放因子的平均值。相關數據均來自《中國統計年鑒》，計算中涉及的排放因子來源于《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》，氮肥的折純比例來源于文獻[16]。

2 結果與分析

2.1 省域農用地N2O排放

經測算，2000—2016年31個省(市、自治區)農用地N2O排放量如表1所示，其中主要包括秸稈還田氮排放和化學氮肥施用過程中的N2O直接排放，間接排放所占的比例較小。從表1可以看出，廣西的農用地N2O排放量最高，2016年達到45.320 2×104t，與2000年的18.058 3×104t相比，增幅為150.97%，年均增長5.92%，遠高于其他省份；其次是廣東和云南，2016年農用地N2O排放量分別為9.200 6×104、7.090 6×104t，與2000年的8.177 2×104、5.804 8×104t相比，增幅分別為12.52%和22.15%，年均增長0.74%和1.25%。廣西、廣東和云南的農用地N2O排放量比較高，是因為其甘蔗產量較大，農用地N2O直接排放中秸稈還田的N2O排放量較高。農用地N2O排放量最少的是西藏，2016年為0.005 3×104t，青海、北京、上海、天津、寧夏緊隨其后，2016年的農用地N2O排放量分別是0.011 0×104、0.011 7×104、0.016 4×104、0.025 7×104、0.048 5×104t，以氮肥施用中的N2O直接排放為主。

整體來看，研究區的農用地N2O排放中直接排放所占比例較高，占69%～87%。其中，北京、天津、河北、山西、內蒙古、山東、河南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆的直接排放占比約為69%，遼寧、吉林、黑龍江、重慶、四川、貴州、云南、上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南的直接排放占比約為80%，福建、廣東、廣西、海南的直接排放占比約為87%。在農用地N2O直接排放中，大部分省域化學氮肥施用過程中的N2O直接排放是主要貢獻者，如四川和黑龍江氮肥施用過程中的N2O排放量占農用地N2O排放量的50%～60%，安徽、河南、重慶、青海、江蘇、內蒙古、吉林、上海、湖北氮肥施用過程中的N2O排放量占農用地N2O排放量的60%～80%，西藏、陜西、甘肅、寧夏、新疆、北京、天津、河北、山西、山東、遼寧氮肥施用過程中的N2O排放量占農用地N2O排放量的80%～90%，而其他省域氮肥施用過程中的N2O排放量占農用地N2O排放量的比例在50%以下，尤其是云南、廣西、海南、廣東，該比例不足5%，主要是因為這些省域的甘蔗種植量較大，甘蔗還田造成其秸稈還田N2O排放量遠高于其他省域，秸稈還田氮占比較大。

2.2 省域畜禽糞便管理N2O排放

2000—2016年31個省(市、自治區)畜禽糞便管理N2O的排放量如表2所示，其中，2016年四川畜禽糞便管理N2O排放量最高，為2.136 3×104t，其次為河南、內蒙古、云南、山東，分別為1.875 3×104、1.573 1×104、1.533 8×104、1.359 6×104t；上海的畜禽糞便管理N2O排放量最低，為0.027 2×104t，北京、天津、浙江、海南緊隨其后，畜禽糞便管理N2O排放量分別為0.064 6×104、0.087 3×104、0.131 5×104、0.154 1×104t。

以2000年為基準，各省域2000—2016年畜禽糞便管理N2O排放量的變化可以分為2種情況：(1)波動下降，包括北京、天津、河北、山西、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、河南、廣東、廣西、海南、重慶、四川、湖南、湖北、貴州、云南、陜西。其中，安徽降幅最大，從2000年的1.113 3×104t下降到2016年的0.542 8×104t，降幅為51.25%；其次為上海、浙江，降幅分別為49.78%和49.05%。排放量排名前5的省域中除內蒙古外均波動下降，但降幅不大。各省域中，四川的降幅最小，從2000年的2.164 7×104t下降到2016年2.136 3×104t，降幅僅有1.32%，云南、重慶的降幅也比較小，分別為5.18%和11.50%。(2)波動上升，包括內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、湖北、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆。其中，內蒙古的增幅最大，從2000年的1.044 7×104t增加到2016年的1.573 1×104t,,增幅為50.58%；其次是寧夏，增幅為42.99%；湖南的畜禽糞便管理N2O排放量從2000年的1.174 4×104t增加到2005年的1.458 4×104t，然后又波動下降到2016年的1.192 5×104t，總體增幅最小，僅1.54%。湖北的增幅也較小，僅為3.25%。

2.3 省域農業源N2O排放總量

2000—2016年31個省(市、自治區)的農業源N2O排放總量如表3所示。其中，2016年農業源N2O排放量最高的是廣西、廣東、云南，分別為46.172 2×104、9.795 6×104、8.624 5×104t，較2000年的增幅分別為137.14%、9.14%和16.20%；排放量最低的是天津、上海、北京和寧夏，分別為0.113 0×104、0.043 6×104、0.076 3×104、0.218 6×104t，較2000年分別增加14.26%、減少70.15%、減少37.54%、增加39.95%。

調查的31個省(市、自治區)中，北京、天津、河北、山西、內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江西、山東、河南、重慶、貴州、湖南、四川、西藏、青海、甘肅、山西、寧夏、新疆、上海、安徽、湖北的畜禽糞便管理N2O排放是農業源N2O排放的主要來源，占比達60%以上，其中，上海、安徽和湖北的占比波動較大，但到2016年仍然以畜禽糞便管理N2O排放為主，而江蘇、浙江、福建、云南、廣東、廣西、海南則是以農用地N2O排放為其農業源N2O排放的主要來源，占比達60%以上。

2.4 全國農業源N2O排放量

全國2000—2016年的農業源N2O排放總量如圖1所示。可以看出，2000—2016年農業源N2O排放量波動上升，其中，2014年排放量最高，為103.813 6×104t，與2000年的71.801 3×104t相比，增幅為44.58%，到2016年又下降為95.354 9×104t。2000—2016年農業源N2O排放量增幅為32.80%，年均增長1.79%。其中，農用地N2O排放是全國農業源N2O排放的主要來源，2000—2016年農用地N2O排放量從45.572 3×104t波動增加到72.300 7×104t，約占農業源N2O總排放量的63.47%～77.26%。在農用地N2O排放中，直接排放是主要來源，占農用地N2O排放量的84.73%～85.87%，而間接排放僅占14.13%～15.27%。2000—2016年的畜禽糞便管理N2O排放可分為2個階段：第一階段(2000—2006年)呈現增長趨勢，從26.240 6×104t增加到28.898 8×104t；第二階段(2007—2016年)逐年下降，到2016年畜禽糞便管理N2O排放量下降為23.0602×104t，占農業源N2O總排放量的24.18%。

圖1 2000—2016年全國農業源N2O排放量變化Fig.1 Dynamic of national agricultural N2O emissions in 2000—2016

3 結論與討論

有研究表明，不同灌溉方式[17]、不同耕作措施[18]、不同施肥措施[2，11]，以及不同鹽堿化程度[5，15]對土壤N2O的排放都會產生影響。張賀等[19]研究了不同施肥方式(有機肥與化肥配施、秸稈還田)和不同耕作方式(常規耕作、旋耕、免耕)等對華北平原冬小麥地土壤CO2與N2O排放的影響，結果表明，冬小麥生育期N2O排放高峰出現在施肥后，且與常規耕作相比，免耕顯著降低了N2O排放通量。薛建福等[20]研究發現，灌溉、施肥、耕作等農作措施能夠改變稻田生態系統的土壤微環境，影響土壤的硝化與反硝化過程，進而影響N2O的排放。本研究基于《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》比較分析了31個省(市、自治區)的農業源N2O排放。囿于數據的可獲得性，糞肥數據資料未能獲取，因此農用地N2O直接排放中只計算了秸稈還田和氮肥施用過程中產生的N2O，這使得本研究的測算結果偏小。另外，在計算畜禽糞便管理N2O排放時，牛的排放因子取奶牛、非奶牛和水牛排放因子的平均值，也會使計算結果出現偏差。

本研究對全國及各省域2000—2016年的農業源N2O排放進行了計算、比較和分析，主要結論如下。

(1)各省域農用地N2O排放以廣西最高，2016年為45.320 2×104t，西藏最少，2016年為0.005 3×104t。研究的31個省(市、自治區)的農用地N2O排放以直接排放為主，占69%～87%，其中，北京、天津等22個省(市、自治區)的氮肥使用中N2O排放是直接排放的主要貢獻者，而其他省域則以秸稈還田N2O排放為直接排放的主要來源，尤其是廣西、廣東、云南和海南，其秸稈還田N2O排放量占N2O直接排放量的95%以上。

(2)各省域2000—2016年畜禽糞便管理N2O排放變化趨勢主要有2種：一種是波動下降，包括北京、天津、河北等22個省(市、自治區)，另一種是波動上升，包括內蒙古、遼寧、吉林等9省(自治區)。分省域來看，2016年畜禽糞便管理N2O排放以四川、河南、內蒙古、云南、山東最高，上海、北京、天津、浙江、海南最少。

(3)各省域農業源N2O排放存在明顯的區域差異性。廣西、廣東、云南的農業源N2O排放量最高，遠高于北京、上海、天津。北京、天津等24個省(市、自治區)的畜禽糞便管理N2O排放是農業源N2O排放的主要來源，而江蘇、浙江、福建、云南、廣東、廣西、海南則是農用地N2O排放占農業源N2O排放的主體。

(4)全國農業源N2O排放總量從2000年的71.801 3×104t波動增加到2016年的95.354 9×104t，增幅為32.80%，年均增長1.79%。其中，農用地N2O排放量波動增加，是農業源N2O排放的主要來源(占比63.47%～77.26%)，其中，直接排放N2O是農用地N2O排放的主要貢獻者，占比84.73%～85.87%。