吉林省農業氧化亞氮排放現狀及時空規律分析

祝延立王鑫趙新穎張頔周亞榮關法春那偉

(1.吉林省農業科學院農村能源與生態研究所，吉林 長春 130033；2.長春市農產品質量安全與檢測中心，吉林 長春 130032)

溫室氣體濃度的升高是引起全球大氣溫度增加的重要因素，對人類生產、生活造成的不利影響越來越突出。大氣中的溫室氣體主要有二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等[1]，氧化亞氮的溫室效應是二氧化碳的300倍左右。農業是大氣中氧化亞氮溫室氣體的主要來源[2]，農業氧化亞氮排放對大氣總氧化亞氮的貢獻率達到70%以上[3]，土壤中的大部分氧化亞氮由生物硝化和反硝化作用產生，減少農業氧化亞氮排放是實現農業溫室氣體減排的重要內容。實現農業溫室氣體減排必須把握好降低排放與穩產保供的關系，瞄準主要排放源及重點區域，有針對性的實施減排措施及對策，促進農業活動向綠色低碳轉型。吉林省是農業大省，我國重要的商品糧生產基地，農作物秸稈和畜禽糞便資源非常豐富。但隨著糧食生產及畜禽養殖快速發展，產生了大量的農業溫室氣體(CH4和N2O)。其中，農業氧化亞氮(N2O)排放占吉林省農業溫室氣體排放總量的60%以上，是吉林省農業主要溫室氣體，特別是近年來，隨著超量施用高氮化肥以及畜禽養殖糞污隨意排放引起的氧化亞氮排放呈上升趨勢[4]，農業生產要達到溫室氣體減排目標，減少農業氧化亞氮排放是重點。準確估計農業氧化亞氮排放量，理清重點排放源及排放區域，是有針對性制定氧化亞氮減排政策，推廣氧化亞氮減排措施的基礎。本文采用IPCC《指南》提供的公式及方法，量化評估吉林省農業氧化亞氮排放總量和現狀特征。結合各地區氧化亞氮排放量，分析吉林省農業氧化亞氮排放時空分布規律和演化特征，確定重點排放源及排放區域，為吉林省不同區域有針對性的實施農業氧化亞氮減排技術措施，制定減少農業氧化亞氮排放政策提供數據依據。

1 估算方法與數據來源

農業氧化亞氮排放源包括農用地及動物糞便管理，本文采用《IPCC指南》提供的方法，根據公式、活動水平數據、排放因子，核算吉林省2011—2020年農業氧化亞氮排放總量及2012年、2016年、2020年各地區的排放量，分析農業氧化亞氮排放時空分布規律和演化特征。

1.1 吉林省農業氧化亞氮排放量估算方法

1.1.1 農用地氧化亞氮排放量估算方法[5]

吉林省農用地氧化亞氮排放總量計算公式：

EN2O=∑(N輸入×EF)

(1)

式中，EN2O為吉林省農用地氧化亞氮排放總量；N輸入為農用地各排放過程氮輸入量；EF為氧化亞氮排放因子。

1.1.1.1 農用地氧化亞氮直接排放量計算[6]

吉林省農用地氧化亞氮直接排放量公式：

N2O直接=(N化肥+N糞肥+N秸稈)×EF直接

(2)

式中，N2O直接為農用地氧化亞氮直接排放量；N化肥為化肥氮；N糞肥為糞肥氮；N秸稈為秸稈還田氮。

1.1.1.2 農用地氧化亞氮間接排放量計算

農用地氧化亞氮間接排放主要包括大氣氮沉降引起的排放和淋溶徑流引起的排放，計算方法如下。

大氣氮沉降引起的氧化亞氮間接排放，大氣氮沉降引起的氧化亞氮排放量計算公式：

N2O沉降=(N農村排泄×20%+N農田輸入×10%)×0.01

(3)

式中，N農田輸入=N化肥+N糞肥+N秸稈；N農村排泄為畜禽和人排泄總氮量。根據《指南》及吉林省實際情況，由于吉林省沒有相關實測數據，N農村排泄和N農田輸入采用20%和10%，排放因子采用《指南》默認值0.01。

淋溶徑流引起的氧化亞氮間接排放，農田氮淋溶和徑流引起的氧化亞氮間接排放量計算公式：

N2O淋溶或徑流=N農田輸入×20%×0.0075

(4)

其中，氮淋溶和徑流損失的氮量占農用地總氮輸入量的20%來估算，排放因子采用《指南》提供的0.0075計算。

1.1.2 動物糞便管理氧化亞氮排放量估算方法

各種動物糞便管理氧化亞氮排放量等于不同動物糞便管理方式下氧化亞氮排放因子乘以動物飼養數量，相加可得總排放量，計算公式：

EN2O，糞便，i=EFN2O，糞便，i×APi×10-7

(5)

1.2 吉林省農業氧化亞氮排放數據來源

復合肥施用純量、氮肥施用純氮量來源于《2012—2021年中國統計年鑒》[7]。作物產量、動物年末存欄量數據來源于《2012—2021年吉林統計年鑒》及各地區的統計數據[8]。花生分地區種植面積根據吉林省分地區油料作物種植面積折算，吉林省玉米、大豆、水稻秸稈還田率來源文獻數據[9]，其他作物秸稈還田率來源于專家咨詢數據。農作物參數[10]、動物排泄系數采用《指南》提供的推薦值及文獻數據[11，12]，動物放牧飼養量來源于畜牧部門調查數據。

2 結果與分析

2.1 吉林省農業氧化亞氮排放現狀

2011—2020年吉林省農業氧化亞氮平均排放量為45708t·a-1，高于平均值的5個年份為2012—2016年，其余年份低于平均值。吉林省農業氧化亞氮排放總量由2011年的44684t減少到2020年的42747t，減少了1937t，下降4.53%。從圖1可以看出，農用地是吉林省農業氧化亞氮的重點排放源，農用地排放量年均占比為83.28%，糞便管理排放年均所占比重為16.72%。2011—2020年吉林省農用地氧化亞氮年均排放量為38066t·a-1，2011年排放總量36492t，2020年排放量為36137t，減少了355t，高于平均值的5個年份為2013—2017年。畜禽糞便管理氧化亞氮平均排放量為7642t·a-1，2011年排放量為8192t，2020年排放量為6610t，減少了1582t，下降了23.9%。其中高于平均值的6個年份為2011—2016年。

圖1 吉林省農業氧化亞氮排放現狀圖

2.2 吉林省農業氧化亞氮排放的時空規律

2.2.1 吉林省農業氧化亞氮排放時間演化規律分析

從表1、圖1可以看出，2011—2020年吉林省農業氧化亞氮總量經歷了緩慢增長、快速下降的2個演化階段。第一階段，2011—2015年緩慢增長階段，農業氧化亞氮排放量由2011年44684t增加到2015年48574t，增長了8.7%；第二階段，2015—2020年為快速下降階段，農業氧化亞氮排放量由2015年48574t下降到2020年42747t，下降了13.6%。2011—2015年，吉林省農業生產畜禽養殖規模擴大，化肥使用量不斷增加，導致農業氧化亞氮排放量不斷增長。

表1 2011—2020年吉林省農業氧化亞氮排放總量

從各類排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占農業氧化亞氮全部排放的49.36%，其次為動物糞便管理排放，占16.72%，糞肥氮排放，占12.34%，大氣沉降氮排放，占9.58%；淋容徑流排放占8.57%；秸稈還田排放比重最低，為3.42%。通過排放結構可以看出，吉林省農業氧化亞氮排放主要以化肥施用產生的氮排放為主。因此，未來降低農業氧化亞氮排放主要以減少化肥施用量，提高化肥利用率為主，同時提高畜禽養殖糞便管理的現代化和標準化水平。

從排放源分類比重演化上看，化肥氮排放所占全部氧化亞氮排放比重由2011年的46.9%提升到2020年的50.6%。淋溶徑流和秸稈還田氮排放數量增長有限，所占比重增幅分別增長了0.6百分點和0.5百分點。其他排放源排放量所占比重均有不同程度的下降，動物糞便管理、糞肥氮、大氣沉降氮所占比重均下降2.87%、1.62%和0.24%。說明吉林省農業產量的提高依賴于化肥施用的持續增長，而化肥利用效率低又導致淋溶徑流氮排放的增加。因此吉林省更加重視糞肥等有機肥的高效利用，提升糞肥等有機肥的利用水平可以有效抑制N20的排放。

2.2.2 吉林省農業氧化亞氮排放空間演化規律分析

為探明吉林省農業活動氧化亞氮排放空間變化特征，核算了2012年、2016年和2020年各地區農業氧化亞氮排放量，分析了吉林省各地區農業氧化亞氮排放的空間特征。結果表明，2012年、2016年和2020年農業活動氧化亞氮排放空間分布特征以中部高、東西低為主，以中部為核心并依次向東西兩側下降為主空間分布。中部地區的長春市是農業氧化亞氮排放量最大的地區，排放量分別為12987t、14024t和12309t；其次是松原市、四平市和吉林市。以中部為主體，排放量依次是向西部白城市、東部的通化市、延邊朝鮮族自治州下降。農用地和畜禽糞便管理排放的空間分布特征基本上與農業氧化亞氮排放空間分布相類似。吉林省中部地區是松遼平原腹地，是吉林省農業生產、畜牧養殖的核心地區，農業現代化、規模化、標準化水平程度較高，農業氧化亞氮排放量大，是未來吉林省降低農業生產活動氧化亞氮的重點區域，見表2。

表2 2012年、2016年、2020年吉林省各地區農業氧化亞氮排放量

3 結論

2011—2020年吉林省農業氧化亞氮年均排放量為45708t·a-1，排放總量由2011年的44684t減少到2020年的42747t，下降了4.53%。吉林省農業氧化亞氮排放總量中，農用地排放年均占比重為83.28%，糞便管理排放年均占比重為16.72%。2011—2020年吉林省農用地氧化亞氮年均排放量為38066t·a-1，畜禽糞便管理氧化亞氮平均排放量為7642t·a-1。因此，農用地是吉林省農業氧化亞氮排放的主要排放源，采用有力措施降低農用地氧化亞氮排放量是減少本省溫室氣體排放的重點內容。

2011—2020年吉林省農業氧化亞氮總量經歷了緩慢增長、快速下降的2個演化階段。第一階段，2011—2015年緩慢增長階段；第二階段，2015—2020年為快速下降階段。從排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占農業氧化亞氮全部排放的49.36%，其次為動物糞便管理排放，糞肥氮排放，大氣沉降氮排放，淋容徑流排放，秸稈還田排放比重最低。通過排放結構可以看出，吉林省農業氧化亞氮排放主要以化肥施用產生的氮排放為主。因此，未來降低農業氧化亞氮排放主要以減少化肥施用量，提高化肥利用率為主，同時提高畜禽養殖糞便管理的現代化和標準化水平。

吉林省農業氧化亞氮排放空間分布特征以中部高、東西低為主，以中部為核心并依次向東西兩側下降為主的空間分布。中部地區的長春市是農業氧化亞氮排放量最大地區，其次為松原市、四平市和吉林市。吉林省中部地區是畜牧養殖的核心地區，是未來吉林省降低農業生產氧化亞氮的重點區域。

4 建議

根據吉林省農業氧化亞氮重點排放源及分布區域，針對不同區域農業生產特點，對減少氧化亞氮排放提出以下建議。要在做好農業氧化亞氮排放的核算、監測等工作的基礎上，明確各地區農業氧化亞氮排放的底數，確定適宜小范圍的排放參數，編制或完善縣級及更小范圍的農業氧化亞氮排放清單，為分解農業減排任務提供數據支撐。現階段化肥氮依舊是吉林省農田氧化亞氮排放的主要貢獻源，應在中部地區重點推廣糞肥、秸稈還田技術、水肥一體化等減氮技術措施[13]，提高化肥的利用效率，加強有機肥與化肥配合施用，提升農業資源利用效率。應大力推廣保護性耕作、秸稈全量還田等先進耕作技術，根據區域特點，在相應地區調整種植結構，推廣輪作、間作等種植模式[14]。在養殖業發達地區推廣厭氧發酵沼氣技術、糞肥堆肥還田等技術，優化飼料配方，降低養殖氮排泄量，進一步減少農業氧化亞氮的排放。