重庆市主城区农业源氨排放研究

张 灿，翟崇治，周志恩，卢 露

重庆市环境科学研究院重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆401147

细颗粒物PM2.5已成为国内关注和控制的主要大气污染物，NH3是PM2.5中二次粒子的重要前体物质之一，在大气中与 SO2、NOx生成的H2SO4、HNO3反应生成二次粒子硫酸铵和硝酸铵，硫酸铵和硝酸铵会降低城市能见度，引发灰霾。此外，由于氨具有强的挥发性，易挥发到空气中经氧化等反应生成二次污染物，因此氨是光化学烟雾的成因之一［1］。同时，NH3和 NH+4是大气酸沉降的重要组成部分，同时还会导致土壤酸化和水体富营养化［2］。

大气中氨的来源很多，可分为人为源和自然源。自然源主要有土壤挥发、海水蒸发、森林火灾、植被释放和野生动物排泄物释放等。人为源主要包括畜禽养殖、放牧过程中粪尿排泄物和农业氮肥施用、农作物分解等农业源，以及人类自身排泄物和吸烟释放、宠物排泄物释放、生物质燃烧、污水处理、垃圾填埋、合成氨和氮肥生产等工业工艺过程、交通源、燃料(煤、燃料油、柴油和燃气等)和废物燃烧等非农业源［3-6］。

全球氨排放中，家畜排放占40.2%，氮肥使用排放占16.8%，生物质燃烧排放占11.0%［7］;欧洲各国研究表明，动物排放的贡献可达人为源氨排放的75%，其次是使用化肥［8］。2008年美国NEI(national emission inventory)数据表明［9］，氨排放中畜禽排放占56%，其次是肥料施用为27%。亚洲日本畜禽排泄物释放占人为源氨排放的64.3%，氮肥施用占4.6%［10］。中国由于活动数据和排放因子的差异，不同年份贡献比例不同，例如孙庆瑞［11］1997年的研究表明，1993年中国畜禽动物NH3排放贡献最大，占52%，氮肥施用占33%;王文兴等［12］估算的1991年全国氨的排放总量为8.92 Mt，其中畜禽、氨肥施用排氨量分别为64%、18%，氨的排放强度最大的地区在中东部和四川的成渝地区。Street等［13］的研究报告中显示中国2000年人为氨排放主要来自于氮肥施用50%，占农业源氨排放的88%;清华大学［14］估算的1994—2006年，全国大气氨排放总量从11.06 Mt增长到16.07 Mt，2006年全国人为源氨排放组成中，最大氨来源为化肥施用，占54%，其次是牲畜养殖，占41.4%。从全球以及世界其他国家的NH3排放估算可以看出，畜牧养殖和化肥施用等农业源是NH3主要的贡献来源。

按照统计，2012年，重庆市主城区PM2.5超级监测站点年均浓度为60 ug/m3，超出国家二级标准(《环境空气质量标准》(GB 3095—2012))71.4%，其中NH+4占到PM2.5质量浓度的7.6%，仅次于SO2－4。重庆市主城九区总面积为5 473 km2，其中城市规划区为2 617 km2，其余未建设用地中，存在农田、畜禽养殖等农业污染源。因此，该文采用排放因子法，估算主城区各类农业源对NH3排放量的贡献，并对其区域分布特征进行分析，以便控制细颗粒物PM2.5污染提供依据。

1 排放源和计算方法

农业源NH3排放主要包括畜禽养殖业、氮肥施用、生物质燃烧和农作物释放排放。根据环保部公布的国家卫星气象中心提供的《卫星遥感监测秸秆焚烧信息列表》和环保部卫星中心提供的《秸秆焚烧遥感监测日报》(2010—2012年)来看，主城区未发现生物质燃烧火点，因此不考虑生物质燃烧源。

1.1 计算方法

NH3排放量的估算主要采用排放因子法，计算公式:

式中:Ei为每种排放源的NH3排放量，Ai为每种排放源的活动水平，EFi为每种排放源的排放因子，E为NH3总排放量。

1.2 NH3排放因子

1.2.1 畜禽养殖业

动物排泄物中不同的有机氮在微生物的作用下以不同的速度转化为无机氮，无机氮中的一部分以氨的形式排出。动物的NH3排放因子是以NH3形式排放的N的百分数，也可以用单个动物平均一年的NH3(或N)来表示(单位kg/a)［11］。

国内常用欧盟的RAINS模型来计算畜牧养殖业NH3排放因子和排放量。该模型以计算气体排放因子为出发点，进而估算研究气体排放量。国内刘东等［15］、杨志鹏等［16］利用该模型计算了猪、鸡养殖的本地排放因子。计算公式如下:

式中:ef1，ef2，ef3，ef4为各个环节中 NH3损失，千克/头·年，畜舍(ef1)，储藏(ef2)，农田施用(ef3)，放牧(ef4);EF为“畜舍－储藏 －农田施用”及放牧整个过程的NH3总损失，千克/头·年，即该畜禽的NH3排放因子;Nx1为N排泄量，千克/头·年，Nx1=Mx1·n·t，其中 Mx1为每天的粪便排泄量，t为处在各阶段的时间长度，n为粪便中氮的含量百分比;v1、v2、v3为各个环节中NH3挥发系数(即NH3挥发量占全N的百分比)，畜舍(v1)，储藏过程(v2)，农田施用(v3)。

那一刻，我忘记呼吸，入骨三分的迷恋。她幽怨的呼吸声弥漫在森冷的空气里，与亡灵一起起伏，生命转入坟墓的瞬间，已经意味着消亡。一切的悲鸣，都是生者的自我感伤。她在水池旁清洗着双水，似乎离我很远，又很近，她存在于另一个世界，我的心是把悬挂的琴，轻轻一拨就铮铮有声，我暗自哽咽了。

畜禽在各个环节中的NH3挥发系数见表1。

表1 各个环节中的NH3挥发系数［16］ %

根据畜禽排泄量、含氮量［17］及饲养周期计算得到N排泄量，见表2。

根据重庆市污染源更新调查数据统计得到，主城区猪保育、育成育肥和繁殖阶段的平均饲养周期为56、126和347 d，蛋鸡的饲养周期超过365 d，肉鸡的饲养周期为54 d，奶牛的饲养周期超过365 d，肉牛的饲养周期约300 d，因此按照365、182、365、300、365、54 d 计算母猪、生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡和肉鸡每年的N排泄量。

表2 畜禽N排泄量

根据N排泄量和各个环节的挥发系数计算各个环节的NH3排放因子，由于主城区畜牧养殖不存在“放牧”环节，因此，只考虑畜舍、储藏和农田施用三个环节，其中肉牛、肉鸡的NH3挥发系数根据表1中“其他牛”和“其他家禽”的系数进行计算，结果见表3。

表3 畜禽养殖NH3排放因子 kg/a

表4总结了文献中的畜禽养殖NH3排放因子，可以看出，除了肉鸡和生猪的排放因子偏小之外，其余与其他文献中的排放因子相当。

表4 排放因子对比 kg/a

1.2.2 化肥施用

与NH3排放相关的化肥主要是氮肥和复合肥，氮肥包括尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、氯化铵和氨水，复合肥主要是磷酸一铵、磷酸二铵、三元复合肥［14］，施放到农田后，通过微生物作用或者自身的分解向大气排放出NH3。

各文献中排放因子及引用情况见表5。董文煊等［14］对氮肥排放因子进行了比较详细的分类，其中尿素的排放因子最高，与Klaassen G等［23］的结果类似。

表5 化肥施用NH3排放因子

由于不清楚重庆市主城区农业施用的化肥种类及其施用量，因此根据各种类型化肥产量确定主要施用肥类型，有尿素、复合肥和其他肥料，该文 NH3排放因子分别选取尿素 121.4 kg/t［23］、其他复合肥3%(N含量)，即 30×17/14=36.4 kg/t［14］、其他肥料 60.7 kg/t［23］。

农作物释放NH3受化学、生物和人为因素的影响。目前，没有确切的数据证明不同农作物的排放因子不同，也没有数据能证明温带和热带气候下农作物 NH3系数有所不同［7］，因此选用250 kg/km2［7］作为主城区农作物NH3排放因子，肖红伟等［1］引用该因子计算了贵阳地区农作物NH3排放量。

2 结果及讨论

2.1 活动水平

2.1.1 畜牧养殖业

生猪的饲养周期小于1年，其数量用当年的出栏量;母猪一般当年不出栏，数量按照存栏量算;奶牛一般当年不出栏，年末存栏量即可视为当年饲养数量;肉牛的饲养数量一般用当年的出栏量;蛋鸡饲养周期大于1年，数量按照当年存栏量算;肉鸡饲养周期小于1年，数量按照当年出栏量算［17］。根据2010年污染源普查动态更新调查数据统计，主城区畜禽养殖中，生猪数量为46.8万只，母猪数量为1.9万只;奶牛数量为0.86万头;肉牛数量为950头;蛋鸡数量为107.9万只;肉鸡数量为525.8万只。

畜禽养殖在主城9区的分布如图1所示，由此可知，生猪、肉牛、蛋鸡、肉鸡养殖主要分布在巴南区和渝北区;奶牛养殖主要分布在渝北区和江北区;母猪养殖主要分布在巴南区、沙坪坝区和渝北区。

图1 畜禽养殖分布

2.1.2 化肥施用

根据重庆市2011年统计年鉴，2010年，城区化肥使用量为5.67万吨。由于不清楚主城区农业化肥施用的种类，因此按照2010年污染源普查动态更新调查数据中各类化肥生产量的比例分配化肥施用量，得到尿素施用量42 234.5万吨，复合肥14 078.2万吨，其他肥料340.4万吨，见表6。

表6 各类化肥施用量

由图2知，巴南区化肥施用量在主城化肥施用总量中所占比例最高，为29%，其次是渝北区23%。

图2 化肥施用分布

2.1.3 农作物释放

根据重庆市2011年统计年鉴，2010年主城区农作物播种面积为2 357.12 km2。由图3可知，巴南区农作物播种面积在主城农作物播种总面积中所占比例最高，为41%，其次是渝北区29%。

图3 农作物播种面积分布

2.2 NH3排放量及排放强度

根据主城区农业源NH3排放因子和排放源活动水平，得到各区NH3排放量。主城区农业源每年共计排放NH38 482 t，其中畜牧养殖业NH3排放量为2 233 kg，占农业源总排放量的26.3%;化肥施用NH3排放量为5 660 kg，占到总排放量的66.7%;农作物释放NH3排放量为589 kg，占排放总量的6.9%。主城区农业源NH3排放强度为1 552.1 kg/km2，具体见表 7、图 4。

从NH3排放量和排放强度分布来看，巴南区农业源NH3排放量最大，占主城区排放总量的41%;其次是渝北区，占主城区排放总量的28.6%;渝中区为零排放。各区农业源NH3排放均是以化肥施用为主，其次是畜牧养殖业，农作物释放 NH3最少。大渡口区排放强度最高，为3 513.9 kg/km2。除渝中区外，九龙坡区排放强度最低，为1 168.6 kg/km2。

表7 主城区农业源NH3排放清单

图4 农业源NH3排放量(kg)和排放强度分布(kg/km2)

2.3 与其他地区对比

该研究结果与全国及其他地区农业源NH3排放对比见表8。重庆主城区以及长三角地区与全国农业源NH3排放结构类似，只是畜禽养殖业NH3排放比例低于全国平均水平，化肥施用NH3排放比例高于全国平均水平。全国农业源NH3排放中，化肥施用所占比例最大，为56.4%，其次为畜禽养殖43.0%，生物质燃烧排放NH3最少。珠三角和贵阳地区均是畜禽养殖业NH3排放所占比例最高，在70%以上，其次是化肥施用，生物质燃烧最少，重庆主城区农作物释放NH3比例高于贵阳地区。

表8 与全国及其他地区农业源NH3排放对比

3 结论

1)主城区农业源NH3年排放量8 482 t，排放强度为1 552.1 kg/km2，化肥施用是主要的NH3排放农业源，占农业源总排放量的66.7%，畜牧养殖业占26.3%，农作物释放占6.9%。巴南区排放量最大，占主城区排放总量的41%，大渡口区排放强度最高。主城区与全国农业源NH3排放结构类似，但畜禽养殖业NH3排放比例低于全国平均水平。

2)建议加强对施用化肥的技术指导，合理施肥，鼓励采用长效缓释氮肥，防止NH3挥发;规范规模化畜禽养殖，推广先进可行的养殖技术;最大限度地减少翻耕对土壤的扰动等，减少NH3排放。

3)排放因子研究是长期而困难的工作，目前国内对NH3排放因子的研究很少，大量的环境、人为因素都会影响NH3排放，如化肥施用的排放因子取决于化肥施用地的土壤性质和日照时长、温度、湿度、降水量等;农作物NH3释放还可能与作物生长时期和长势有关;不同地区动物组成、动物年龄，以及动物粪便的储存形式等都会影响NH3排放。如果要做出更加准确的NH3排放因子，需要从最基础的监测和试验做起，进行排放因子本地化研究和精细化研究。

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