中國農業系統 N2O 排放量評估及低碳措施

張學智 王繼巖 張藤麗 李柏霖 焉莉

摘要：? 為評估中國農業系統目前氧化亞氮（ N 2 O ）排放量和各區域分布特點，采用聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）推薦方法，結合官方統計數據，對全國各區域農作物種植及糞便管理過程中產生的氧化亞氮排放量進行評估。結果表明：2018年全國農業活動帶來的氧化亞氮排放量為 7.333× 10 5 t，其中農用地的氧化亞氮排放量最大，約占總排量的62.69%;禽畜糞便管理過程中估算的 N 2 O 排放量約占總排放量的37.31%。從空間分布上看，各地域氧化亞氮排放量差異明顯，其中中南地區排放量最大，其次是華東、西南、東北和華北地區，西北地區排放量最小。針對中國種植業及畜牧業相關特點，建議通過合理施氮及改善灌溉模式來提高田間管理措施;通過適當調整養殖結構、改善存儲環境和改進糞便處理方式來降低氧化亞氮排放量，探索種養結合、循環利用等低碳新農業模式，實現氧化亞氮減排和科學管控。

關鍵詞：? 氧化亞氮; 溫室氣體; 農業

中圖分類號：? S181??? 文獻標識碼： A??? 文章編號：? 1000-4440（2021）05-1215-09

Assessment of nitrous oxide emissions from Chinese agricultural system and low-carbon measures

ZHANG Xue-zhi， WANG Ji-yan， ZHANG Teng-li， LI Bo-lin， YAN Li

（College of Resources and Environment， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

Abstract：?? To evaluate the emission amount of nitrous oxide of Chinese agriculture system and its regional distribution characteristics in different regions of China， methods recommended by Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC） combined with official statistical data were adopted to evaluate emission amount of nitrous oxide generated in the process of crop planting and manure management. The results showed that， in 2018， the emission amount of nitrous oxide from agricultural activities in China was ?7.333× 10? 5 ?t， of which the emission from the farmland was the largest， which accounted for 62.69% of the total emissions; emission amount of nitrous oxide from livestock manure management accounted for 37.31% of the total emissions. From the perspective of spatial distribution， there were obvious differences in nitrous oxide emissions among different regions. In view of the nitrous oxide emissions， the middle South region of China was the largest， followed by the East， Southwest， Northeast and North regions of China， the Northwest region of China had the least emission. According to the characteristics of planting industry and animal husbandry in China， it is suggested to improve the field management measures by reasonable nitrogen application and improving irrigation mode; it is also suggested to reduce the emissions of nitrous oxide by appropriately adjusting the breeding structure， improving the storage environment and perfecting the manure treating mode， and it is suggested to explore new agricultural modes with low carbon emissions such as combination of planting and breeding， cyclic utilization to achieve emission reduction and scientific control of nitrous oxide.

Key words：? nitrous oxide; greenhouse gas; agriculture

氧化亞氮（ N 2 O ）是僅次于二氧化碳（CO? 2 ）和甲烷（CH? 4 ）的全球第三大溫室氣體， N 2 O 雖然排放量較低，但其溫室效應潛力卻是CO? 2 的296倍，且 N 2 O 是一種長期存在的氣體? [1-2] ，其造成全球變暖的潛力不容小覷。 N 2 O 同時也是破壞臭氧層的重要氣體之一，其能力與氫氯氟碳化物相當? [3] 。Syakila等? [4] 對全球 N 2 O 的研究結果表明， N 2 O 具有多種排放源，其中農業是產生氧化亞氮的最大來源，農業在為我們提供糧食的同時也在不斷釋放溫室氣體改變著環境。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第4次評估報告也指出，農業排放的 N 2 O 逐年增加，其中種植業農用地排放和畜牧業糞便排放是其主要排放方式。中國作為世界最大的化肥消費國和第二大肉類生產國，氮肥總消耗量約占世界總消耗量的30%? [5] ，禽肉產量已接近全球第一，是全球 N 2 O 排放的主要來源國。因此評估中國目前的氧化亞氮排放量和各區域分布特點對控制溫室氣體排放及制定各區域有針對性的減排措施、實現可持續發展有重要意義。

國內外一直高度重視氧化亞氮的管控，2012年12月習近平主席于氣候雄心峰會上發表題為《繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程》的重要講話，在溫室氣體減排方面再度作出新承諾并倍受關注。近年來已有許多學者對氧化亞氮排放進行了相關研究。Jagadeesh等? [6] 利用DNDC模型對印度水稻系統? N 2 O? 進行了分析。Paula等? [7] 研究分析了阿根廷農業? N 2 O? 排放的空間變化。Shahar等? [8] 研究發現，利用納米材料處理灌溉水可以減少 N 2 O 的排放。李艷春等? [9] 采用區域氮循環模型對福建省農業系統 N 2 O 排放進行了評估分析。王智平? [10] 利用IPCC方法對中國農田 N 2 O 排放量進行了估算，同時提出了提高? N 2 O? 排放量估算準確性的合理化建議。張冉等? [11] 對農田秸稈還田土壤 N 2 O 排放進行了分析，并對其影響因素進行了Meta分析。王曉等? [12] 從國民飲食結構改變的角度分析了其對農業 N 2 O 排放的影響。但目前的研究多聚焦在田塊尺度或某單一作物，或集中于對過往趨勢進行分析，而缺少對區域尺度氧化亞氮排放的風險評估和消減途徑的探索。本研究利用IPCC方法及《省級溫室氣體清單指南》推薦方法對全國農業系統各省域 N 2 O 排放量進行估算，對各省域排放空間差異進行分析討論，針對各區域的特點，對種植業農用地及畜牧業糞便管理低碳減排提出可行化建議，為全國各省有針對性地制定碳減排計劃提供參考。

1 材料與方法

1.1 ?N 2 O 排放量估算方法

全國農業系統氧化亞氮主要來源于種植業農用地的排放和畜牧業糞便管理所產生的排放。其中種植業農用地氧化亞氮排放主要分為直接排放和間接排放兩方面。直接排放是由農用地當季氮輸入引起的排放，間接排放包括大氣氮沉降引起的氧化亞氮排放和氮淋溶徑流損失引起的氧化亞氮排放。計算公式如下：

E?? N 2O =∑（? N 2O? ??直接 +? N 2O? ??沉降 +? N 2O? ??淋溶 + E?? N 2O? manure? ）

式中： E?? N 2O 為農業系統氧化亞氮排放總量，×10? 4 ?t;? ?N 2O? ???直接 代表種植業農用地氧化亞氮直接排放 量，×10? 4 ?t ;? ?N 2O? ???沉降 代表大氣氮沉降引起的氧化亞氮間接排放量，×10? 4 ?t;? ?N 2O? ???淋溶 為淋溶徑流引起的氧化亞氮間接排放量，×10? 4 ?t; E?? N 2O? manure? 為禽畜糞便管理氧化亞氮排放量，×10? 4 ?t。

1.2 種植業 N 2 O 估算方法

1.2.1 農用地氧化亞氮直接排放? 農用地氧化亞氮直接排放主要來自含氮化肥及秸稈還田產生的氮，計算公式如下：

N 2O? ??直接 =（ N?? 化肥 + N?? 秸稈 ）× EF?? 直接

式中：? ?N 2O? ???直接 為種植業農用地氧化亞氮直接排放量，×10? 4 ?t; N?? 化肥 為農用地化肥施用量（氮肥和復合肥），×10? 4 ?t; N?? 秸稈 為秸稈還田氮（地上秸稈還田氮及地下根氮），×10? 4 ?t; EF?? 直接 為農用地氧化亞氮直接排放因子（表1）。

N?? 秸稈 =∑ ?n?? i=1?? （M? i /L? i -M? i ）×β? i ×K? i +M? i /L? i ×α? i ×K? i

式中： N?? 秸稈 為秸稈還田氮，×10? 4 ?t; M? i? 為第 i 種作物籽粒產量，×10? 4 ?t; L? i? 為第 i 種作物的經濟系數; β? i? 為第 i 種作物的秸稈還田率; K? i? 為第 i 種作物的秸稈含氮率; α? i? 為第 i 種作物的根冠比。詳細參數見表2。由于數據有限，各類農作物秸稈還田比例難以精確到省份，故本研究均采用該農作物主要產區秸稈還田率進行計算分析。

1.2.2 農用地氧化亞氮間接排放? 農用地氧化亞氮間接排放源于施肥土壤和畜禽糞便氮氧化物和氨揮發經過大氣氮沉降引起的氧化亞氮排放以及土壤氮淋溶或徑流損失進入水體而引起的氧化亞氮排放。

（1）大氣氮沉降引起的氧化亞氮間接排放，計算公式如下：

N 2O? ???沉降 =（ N?? 禽畜 ×20%+ N?? 輸入 ×10%）×0.01

式中：? ?N 2O? ???沉降 為大氣氮沉降引起的氧化亞氮間接排放量，×10? 4 ?t; N?? 禽畜 為禽畜糞便的氮輸入量，×10? 4 ?t; N?? 輸入 為農用地氮輸入量，×10? 4 ?t。20%和10%分別為 N?? 禽畜 和 N?? 輸入 的揮發率推薦值，0.01為大氣氮沉降引起的氧化亞氮排放因子推薦值? [13] 。

（2）淋溶徑流引起的氧化亞氮間接排放，計算公式如下：

N 2O? ???淋溶 = N?? 輸入 ×20%× 0.007 5

式中：? ?N 2O? ???淋溶 為淋溶徑流引起的氧化亞氮間接排放量，×10? 4 ?t; N?? 輸入 為農用地氮輸入量，×10? 4 ?t;氮淋溶和徑流損失的氮量按占農用地總氮輸入量的 20%來估算。 0.007 5 為淋溶徑流引起的氧化亞氮排放因子推薦值? [13] 。

1.3 畜牧業 N 2 O 估算方法

畜禽糞便管理氧化亞氮的排放包括施入土壤前存儲及處理所產生的氧化亞氮。計算公式如下：

E?? N 2O? manure? =∑ ?n i=1?? EF?? N 2O? manure? × AP i ×10? -7

式中： E?? N 2O? manure? 為畜禽糞便管理氧化亞氮排放量，×10? 4 ?t; EF?? N 2O? manure? 為 i 類畜禽糞便管理排放因子，具體參數見表3; AP i 為 i 類畜禽的數量，×10? 4 頭，具體參數見表4。

1.4 數據來源

各類農作物產量、氮肥及復合肥施用量及禽畜數量等數據均來源于國家統計局、《中國畜牧獸醫年鑒》? [20] 及《中國農業年鑒》? [21] 。

2 結果與分析

2.1 全國農用地氧化亞氮排放量

2018年全國種植業農用地氧化亞氮排放量為 4.597× 10 5 t，直接排放占據絕對地位，其中化肥施用途徑的氧化亞氮排放量占88.34%，秸稈還田途徑的氧化亞氮排放量占11.28%，間接排放量僅占0.38%。從區域排放角度分析種植業氧化亞氮直接排放量可知，中南地區排放量最高，占排放總量的33.61%，其中以河南和兩廣地區為主要排放省份，但從國家統計局糧食產量的數據看，中南地區的糧食產量僅占全國的23.14%（圖1），由此可見該地區排放系數較大，如能科學施肥、把握正確的田間管理措施，其減排潛力巨大。其次是華東地區，氧化亞氮直接排放量占總排放量的25.95%，其中江蘇和安徽兩省氧化亞氮直接排放量占華東地區氧化亞氮直接排放量的50.00%以上。東北和西南地區氧化亞氮直接排放量相近，分別占總排放量的13.92%和13.04%，東北地區氧化亞氮直接排放量分布較為平均，西南地區以四川和云南兩省較為突出。氧化亞氮直接排放量較少的為華北和西北地區，分別僅占總排放量的7.43%和6.04%。從省域角度看，河南省氧化亞氮直接排放量最高，廣西次之，其中河南省以小麥和蔬菜為主要種植農作物并且產量在全國范圍內領先，隨之帶來的化肥投入量也較高，尤其是蔬菜的化肥過量投入現象更為明顯，合理施肥、發展精準農業是重要的減排手段，而廣西則是由于其排放因子較高，從而造成排放量較大。氧化亞氮的間接排放與直接排放情況相似，從區域排放角度看，中南地區和華東地區氧化亞氮間接排放量最大，分別占總排放量的31.24%和25.18%，其中以山東省、河南省及兩廣地區最為突出，這4個省份的氧化亞氮間接排放量占總排放量的4成以上。西南和東北地區氧化亞氮間接排放量接近，分別占總排放量的14.71%、13.01%，其中西南地區仍以四川省和云南省為主要排放省份，而東北地區排放量相對均衡。華北和西北地區氧化亞氮間接排放量較低，分別占總排放量的8.93%、5.93%（圖2）。雖然氧化亞氮的間接總排放量不高，但氮沉降和氮淋溶對酸雨和地下水硝酸鹽含量升高有重要影響，亦不可忽略。綜上所述，造成種植業氧化亞氮排放量大的主要原因是氮肥的大量施用。

2.2 全國畜禽糞便管理過程中估算的氧化亞氮排放量

由圖3可以看出，2018年全國畜禽糞便管理的氧化亞氮排放量為 2.736× 10 5 t。從區域排放角度看，畜禽糞便管理過程中估算的氧化亞氮排放量空間分布與種植業農用地氧化亞氮排放量的空間分布相似，同樣表現為中南地區排放量最高，占總排放量的26.24%，其中除海南省由于禽畜數量較少外，其余各省份的排放量相差不大。其次為華東地區，其中山東省占42.00%，為最主要的排放省份。之后依次為西南、華北和東北地區，其中西南地區氧化亞氮排放量占18.21%，以四川省與云南省排放量較高。華北和東北地區氧化亞氮排放量相近，分別占總排放量的12.10%和11.10%，其中河北省、內蒙古自治區和遼寧省為主要排放省份。西北地區氧化亞氮排放量最少，僅占總排放量的8.78%。從省級角度看，山東省作為家禽第一大省，家禽飼養量較高，氧化亞氮排放量突出，緊隨其后的河南省、四川省都是重要的豬肉產地，這3個省份的氧化亞氮排放量便占總排放量的23.78%。

從畜禽種類角度看，家禽養殖產生糞便中的氧化亞氮排放量最高，占總排放量的33.49%，主要集中在山東省;其次為牛，糞便 N 2O 排放量占總排放量的29.20%（奶牛9.55%，肉牛19.65%）;豬糞便 N 2O 排放量占總排放量的27.67%，以河南和四川2省為主要省份;羊糞便 N 2O 排放量占總排放量的9.13%（綿羊4.82%，山羊4.31%），其中牛羊主要集中于四川、云南、內蒙古等天然牧草豐富的地區。而其他畜禽（馬、騾、駱駝）的糞便 N 2O 排放量非常少，對整體排放量的影響十分有限。

2.3 全國農業系統氧化亞氮排放量

2018全國農業系統氧化亞氮排放總量為 7.333× 10 5 t，其中以種植業農用地氧化亞氮排放量為主，占總排放量的62.69%，可見中國農業系統氧化亞氮排放主要來自種植業。從區域排放量角度看，中南地區為氧化亞氮排放量最高的區域，占總排放量的30.86%，原因在于中南地區地理環境優異，適合農作物多季生長，施肥量大，從而使其氧化亞氮排放量高，同時家禽及豬的飼養數量也很大;其次為華東地區，氧化亞氮排放量占總排放量的25.06%，其中以山東和安徽2省排放量最為突出。西南地區氧化亞氮排放量占總排放量的總排放量的14.97%，其主要原因在于四川省畜牧業相對發達，從而在畜禽糞便管理過程中估算的排放量較高。之后為東北地區，氧化亞氮排放量占12.87%，東北三省由于地理位置及發展戰略相似，在氧化亞氮的排放量方面也相對平均，其中吉林省略高于其他2省。最后是華北和西北地區，氧化亞氮排放量分別占總排放量的9.17%、7.06%，其中分別以河北、內蒙古和陜西、新疆為主要排放省份，北京和天津等發達地區排放量相對較少（圖4）。

3 討 論

從種植業農用地氧化亞氮產生機理角度看，農用地氧化亞氮的形成途徑包括硝化作用、反硝化作用（生物反硝化、化學反硝化）、硝態氮異化還原為氨等作用。其中最主要的是硝化和反硝化作用，可占總排放量的 70%～ 90%。因此控制農用地氧化亞氮的排放主要在于對硝化作用的抑制，采用地下滴灌處理提高微生物活性和通過硝化抑制劑對硝化菌進行抑制是十分有效的控制措施? [1] 。中國水稻種植面積大且氧化亞氮的排放系數高，在進行滴灌時，灌溉水的用量也對氧化亞氮的排放具有一定的影響，在生產過程中控制灌溉和淺水灌溉的氧化亞氮排放量比長期灌溉低，原因在于選擇控制和淺水灌溉可以使硝化作用和反硝化作用交替進行? [22] 。因此，正確的水分管理，是控制稻田氧化亞氮排放的一項重要措施。湖北省、黑龍江省及華東地區的江蘇省和安徽省均為中國水稻重要產區，可以重點參考此措施以減少種植業農用地氧化亞氮排放量。從種植業農用地氧化亞氮排放量評估因子角度看，由于中國農作物種植面積大、施肥量高，而農田氧化亞氮排放量與氮肥施肥量呈直線正相關關系? [23] ，因此想要減少農用地氧化亞氮的排放量，當著重考慮降低施肥量、提高肥料利用效率以及調整肥料結構，通過合理施氮，在實現提高產量、保持產品質量、保護土壤與氧化亞氮減排之間尋找平衡點，從而實現多贏。中國農業農村部在《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》中已提出2020年實現化肥施用量負增長，該政策的提出將為溫室氣體減排提供新的契機。有研究者指出，采用尿素深埋方式產生的氧化亞氮排放量比尿素廣播方式少近30%，同時可以提高近48%的凈生態效益? [24] 。Xia等? [25] 研究發現，采用測土配方法合理施用氮肥可有效降低31.20%氧化亞氮排放量，同時可提升農民2.90%的凈收益，采用少量多次施肥的方式，不但能夠有效避免氮流失，還可以提高作物產量。因此，合理地控制施肥的時期和方法，找尋適合的種植模式，對氧化亞氮的減排和氮素利用率的提高有很大的幫助，還可以有效增加農戶效益? [26] 。中國南方地區多季種植水稻及各類蔬菜? [27-29] ，不僅施肥量大而且高溫會造成肥料氨揮發增強，因此選擇正確的施肥時間和方法尤為重要。另一方面，使用有機肥、添加氮肥增效劑及生物質炭也是一種降低土壤氧化亞氮排放量的有效手段。生物質炭可以降低氧化亞氮排放量達54%，其主要原理在于其氧化還原能力可以將氧化亞氮還原為氮氣，從而降低排放量? [30-31] 。

畜禽糞便管理中的氧化亞氮排放主要源于前期儲存和處理的堆肥狀態下硝化和反硝化過程。從畜禽種類角度看，不同種類畜禽的排泄物含氮量差異很大，從而造成排放量也有很大區別，奶牛、非奶牛、山羊和豬每年每頭氮排泄量分別為 60～ 100 kg、 40～ 70 kg、 12～ 20 kg和 16～ 20 kg? [32] 。同時，從排放因子角度也可以看出，牛羊的排放因子要明顯高于其他動物，其中奶牛的排放因子更是遠高于其他動物，而中國湖南省、湖北省及草原牧區均為牛羊主要供給區。因此適當地調整養殖結構，選擇排放因子低的畜禽顯然更有利于氧化亞氮的減排。從國際研究數據來看，俄羅斯畜禽供給與中國相似，以自給自足為主，2019年其人口約為 1.4× 10 8人，豬牛羊的養殖量約為 6.600× 10 7頭，且豬牛羊比例大致相同，而中國目前人口約為俄羅斯的10倍，豬牛羊的養殖量接近 8× 10 8頭，但豬牛羊數量比卻高達 7∶? 1∶ 5? [33] 。可見中國的豬牛羊養殖結構與國際趨勢還有很大差距。尤其是非洲豬瘟疫情帶來的影響正在縱深改變全球動物蛋白產業鏈和供應鏈的格局，全球豬肉產量驟降而禽肉產量飆升，未來牛羊養殖量將迅速增長，但從氧化亞氮排放角度來看牛羊養殖數量的增加對畜禽氧化亞氮排放的影響將十分顯著。因此，考慮到中國畜牧業實際需要及發展趨勢，從產生機理角度著手實現低碳減排將更加可行，改變存儲環境和處理方式是一種降低氧化亞氮排放量的有效手段。周靜等? [34] 的研究結果表明，厭氧條件下儲存糞便氧化亞氮的排放量要遠遠低于固定存儲和放牧條件下的排放量。同時，探索種養結合、實施畜禽糞便還田也是控制溫室氣體排放的重要保障性措施? [35] 。Xu等? [36] 研究發現，采用還田稻鴨共作模式可以使全球增溫潛勢（GWP）降低 8%～ 12%。

天氣情況、溫度、土壤和水質狀況對于農業系統氧化亞氮排放均具有一定的影響? [37] ，但其相對難以控制。因此因地制宜選擇適合當地實際情況的種養模式，制定有效的管理措施是減排的關鍵。同時，由于目前中國各省份及縣（區）的詳細數據獲取較為困難，考慮到中國種植模式多樣、參數因子不準確等現實因素，都對氧化亞氮的評估造成一定的影響和不確定性。因此，本研究綜合了多篇文獻? [10，38-40] 的參數因子以確保估算結果的相對準確性。已有研究結果表明，中國農業系統氧化亞氮的排放量多年來一直在 7.0× 10 5 t至 1.03× 10 6 t之間波動? [38] ，隨著中國減排措施和力度的不斷加強，2015年之后一直于排放區間內低位運行，本研究結果與該研究趨勢相同。

4 結 論

本研究采用IPCC推薦方法，結合官方統計數據，對全國各區域農作物種植及糞便管理所產生的氧化亞氮排放量進行評估。結果表明，2018年中國農業系統氧化亞氮排放量為 7.333× 10 5 t，其中種植業農用地氧化亞氮排放量為 4.597× 10 5 t，占總排放量的62.69%，且以直接排放為主;畜牧業糞便管理過程中估算的 N 2O 排放量為 2.736× 10 5 t，占總排放量的37.31%。從區域排放角度看，中南地區排放量最大，其次為華東、西南和東北地區，華北和西北地區排放量最少。從種植業管理角度看，合理施氮是關鍵，抑制化肥硝化作用和控制施肥時間，采用更為合理有效的灌溉模式來實現增產與減排雙贏;采用生物炭等新材料改善土壤環境也是控制氧化亞氮排放的一項有效途徑。在畜禽糞便管理方面，適當調整養殖結構是一種有效的低碳措施，但考慮到國家養殖業的實際需求和國際形勢，建議主要考慮調整改善存儲環境和改進糞便處理方式，采用厭氧條件等方式降低氧化亞氮排放量，探索種養結合新農業模式，從而科學控制氧化亞氮的排放。

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（責任編輯：張震林）