四川盆地2018年畜禽养殖氨排放清单研究

冯小琼, 陈军辉，姜 涛，熊文朋，梅林德

(1. 四川省生态环境科学研究院，成都 610041；2. 四川省环保科技工程有限责任公司，成都 610041)

引 言

排放源清单是环境空气质量管理的重要基础数据, 既是科学描述空气污染影响的出发点，也是最终落实污染控制对策的归宿[1～3]。氨对灰霾污染的形成有重要作用[4]，同时氨的排放还会破坏甲烷氧化加剧温室效应[5]。氨排放清单是研究氨对大气环境影响的基础工作，2014年环保部发布了《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》(以下简称《指南》)，以支撑全国大气污染防治工作。国外对氨排放清单研究起步较早，目前在清单建立、排放因子测试、时空分布、对空气质量影响等方面均开展了大量的研究工作[6～10]。随着我国对大气灰霾污染研究的深入，氨排放清单工作也日益受到重视。董文煊等人[11]建立了1994 ～ 2006 年全国人为源氨排放清单，此外，在华北平原[12]、珠三角[13]、长三角[14]、四川省[15-16]、西安市[17]、苏州市[18]等区域和城市尺度上均建立了人为源氨排放清单及其分布特征。由于农业源为氨主要排放来源，长三角[19]、江苏省[20]、山东省[21]、浙江省[22]、兰州市[23]、上海市[24]等地区专门开展了农业源氨排放研究。

四川盆地是中国四大盆地之一，位于中国西南部，是四川省灰霾污染最严重的地区[25-26]。以往针对农业源氨的研究均采用排放因子法，没有考虑养殖方式、养殖阶段、饲养周期等因素的影响[27]。本研究通过实地调研获得四川盆地畜禽养殖详细活动水平数据，根据《指南》对不同阶段、不同养殖方式的氨排放清单进行全面细致的研究，以期为该地区灰霾污染防治提供科学参考和决策依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域

本研究基准年为2018年，研究区域为四川盆地(四川部分)，经济发展区域化明显，目前已形成三大区域——成都平原地区(成都市、德阳市、绵阳市、眉山市、资阳市、乐山市、遂宁市、雅安市)、川南地区(自贡市、泸州市、内江市、宜宾市)、川东北地区(广元市、南充市、达州市、广安市、巴中市)。

1.2 研究对象及数据来源

本研究估算的畜禽种类根据《指南》，结合四川盆地实际养殖情况，分为肉牛、奶牛、山羊、绵羊、肉猪、肉鸡、肉鸭、肉鹅、蛋鸡、蛋鸭、蛋鹅、母猪、兔、马，活动水平数据来自四川盆地17市农业局。

1.3 估算方法

本研究采用排放系数法对四川盆地畜禽养殖氨排放清单进行估算，公式为：

Eijy=Ai,j,y×EFi,j,y×γ

式中E为排放量，i 为区(县)，j 为排放源，y 为年份，Ei,j,y为y 年i区(县)j 排放源的排放量。 A为活动水平，指畜禽排泄物在不同管理阶段、粪便不同形态中含有的总铵态氮量。EF 为排放系数，γ 为氮-大气氨转换系数，取1.214。

1.3.1 排放系数

不同畜禽种类NH3排放系数如表1 所示，兔由于《指南》中未给出排放系数，本研究选取北京大学杨志鹏对我国畜牧业氨排放因子的修正结果[5]，排放系数为0.24kg/头。

表1 畜禽养殖业氨TAN 排放系数Tab.1 Ammonia emission factors from livestock and poultry breeding industry (%)

续表1

1.3.2 活动水平

畜禽养殖业中的氨排放主要由动物排泄物释放，包括户外、圈舍内、粪便存储处理和后续施肥这4 个阶段。本研究按照《指南》中分类方法，通过实地调研获取了14类牲畜活动水平数据，包括不同养殖方式(规模化养殖和散养)下的饲养量、饲养周期。根据《指南》中的计算方法，规模化畜禽养殖和散养两种养殖方式分别进行计算，养殖阶段分为户外、圈舍、存储和施肥这4 个阶段，排泄物种类分为液态和固态。

1.3.2.1 不同养殖方式室内、户外的总铵态氮

TAN室内，户外=畜禽年内饲养量×单位畜禽排泄量×含氮量×铵态氮比例×室内户外比

式中，畜禽年内饲养量通过实地调研获取，单位为只/头，排泄量、含氮量和铵态氮比例取值见表2。室内户外比指畜禽排泄物在室内和户外的比例，单位为%，散养时各占50%，集约化养殖条件下室内占100%。

表2 畜禽粪便排泄物铵态氮量的估算相关参数Tab.2 Related parameters of ammonium nitrogen estimation of livestock manure

1.3.2.2 不同粪便管理阶段铵态氮量

A户外=TAN户外

A圈舍=TAN室内×X

A存储=A圈舍-A圈舍×EF圈舍

A施肥=[A存储-A存储×EF存储-ENN损失]× (1-R饲料)

式中，X 为液态或固态粪肥占总粪肥的质量比重，散养畜禽均取11%，集约化养殖中畜类取50%，禽类取0；R饲料为粪肥用作生态饲料的比重，牛、羊、猪、鸡，取值分别为20%、20%、30%、50%，其它畜禽取值为0。ENN损失为存储过程中氮的损失，包括N2O、NO 和N2的排放，排放系数见表3。

表3 存储过程中氮的损失排放系数Tab.3 Loss emission factor of nitrogen in stored procedure (%)

2 结果与讨论

2.1 畜禽养殖量分析

本研究共获取14 495家规模化养殖场信息和各区县畜禽散养量，总体上四川盆地肉鸡养殖量最大，在所有畜禽养殖量中的占比为40%，其次为肉鸭、蛋鸡和兔。图1显示了各城市畜禽养殖量，成都市、宜宾市、眉山市和绵阳市养殖量较高，其中成都市、眉山市和绵阳市肉鸡、肉鸭、蛋鸡养殖量均较高，宜宾市除肉鸡和肉鸭养殖量较大外，兔养殖量也较高，占比为20%。

图1 四川盆地2018年各城市畜禽养殖量Fig.1 The amount of livestock in each city in 2018

2.2 不同畜禽TAN分布

表4显示了在饲养量均为1的情况下，不同畜禽种类不同饲养周期不同阶段的TAN计算结果。规模化养殖下各类畜禽TAN大小顺序均为圈舍>储存>施肥，散养则是户外=圈舍>储存>施肥。饲养周期越长，TAN越大，这主要与排泄量有关。饲养量大于1年的奶牛TAN最大，其次为饲养量大于1年的肉牛，主要是因为这两类畜禽每天排泄量较大。因此在饲养量相同的情况下，排泄量是影响TAN的主要因素。

表4 不同饲养阶段TAN计算结果Tab.4 TAN at different feeding stages (%)

2.3 氨排放清单

四川盆地2018年畜禽养殖氨排放量为37.3万t(见表5)，散养排放量远高于规模化养殖场，占比为76%。规模化养殖氨排放主要集中在施肥阶段，占比为57%，其次为圈舍；散养氨排放主要集中在施肥阶段，占比为35%，其次为户外和储存。不同养殖阶段氨排放量主要与TAN 排放系数和畜禽养殖量有关，不同类型畜禽施肥阶段TAN 排放系数均为最高，使得该阶段氨排放量高于其他阶段。

表5 四川盆地2018年畜禽养殖氨排放量Tab.5 Livestock NH3 emission of Sichuan basin in 2018 (t/a)

不同类型畜禽氨排放如图2所示。可以看出，肉猪为四川盆地氨排放量最高的牲畜，为12.7万t，占畜禽养殖氨总排放量的34%，其次为肉牛和山羊，占比分别为29%和11%。虽然肉鸡、肉鸭、蛋鸡和兔饲养量较高，但这类畜禽年均氮排泄量远低于猪、牛、羊等牲畜，因此氨排放量较低。

注：其他包括蛋鸭、肉鸭、蛋鹅、肉鹅、绵羊、马

2.3 氨排放地域分布

不同城市氨排放及其来源构成如图3所示。从图中可以看出，广元市畜禽养殖氨排放量最高，为4.6万t，占四川盆地畜禽养殖氨总排放量的12%，其次是宜宾市和绵阳市。广元市畜禽养殖量并不高，氨排放量最高的原因在于其肉牛和肉猪养殖量均为盆地内最高，养殖量在盆地内的占比分别为17%和11%，而这两类畜禽氨排放因子较大。从排放强度来看，遂宁市最高，为4.4 t/km2，其次为眉山市和宜宾市。主要原因在遂宁市辖区面积为盆地内最小，而氨排放量位于盆地内第七位。

图3 各城市畜禽养殖氨排放量Fig.3 Livestock NH3 emission and sources in each city

不同城市畜禽养殖氨排放来源不尽相同，每个城市肉猪和肉牛排放量均较高，占比分别为20%～64%和7%～48%。此外，山羊氨排放量在巴中市、泸州市、眉山市、绵阳市、内江市、遂宁市、资阳市、自贡市中的占比也较高，均大于10%；肉鸡氨排放量在眉山市中占比较高，为20%；兔氨排放量在乐山市、内江市和自贡市中占比较高，均为15%。不同城市畜禽养殖氨排放构成与冯小琼等人[27]2014年研究结果无明显差异，表明四川盆地近几年畜禽养殖结构变化不大。

2.4 空间分布

本研究基于ArcGIS空间分析技术和数据调研，规模化养殖根据养殖场经纬度进行分配，散养按照农村居民点权重因子进行分配，建立了四川盆地3km×3km畜禽养殖氨排放网格化清单。如图4(a)所示。从图中可以看出，宜宾、眉山、雅安、成都、绵阳、遂宁、广元和巴中分布有较多高值点，多分布在城市周边。目前文献中[13～15]大多按照农村居民点权重因子进行分配，按照此方法得到的四川盆地畜禽养殖氨空间分布如图4(b)所示。两种分配方法比较来看，规模化养殖场按照经纬度分配后更为分散，由于散养均采用农村居民点分配，且散养排放量大于规模化养殖，因此高值点分布无明显变化，但成都、泸州等城市排放量大于500t的网格点有所减少。

图4 畜禽养殖氨排放空间分布Fig.4 NH3 spatial distribution of livestock

2.5 研究结果比较

将本研究与其他地区的研究结果进行比较，如表6所示。本研究结果高于江苏省2017年和浙江省2013年研究结果，低于江苏省2014年和山东省2015年研究结果。从主要排放来源看，四川盆地猪和牛为畜禽养殖氨排放主要来源，江苏省、浙江省和山东省均为猪和家禽。

表6 不同地区研究结果比较分析Tab.6 NH3 emission comparison of different regions

不同地区畜禽养殖氨排放量的差异与基准年、估算的畜禽种类、排放因子、地域范围等有关。本研究、江苏省2017年和浙江省均根据《指南》中的推荐方法，考虑了不同养殖方式、不同养殖阶段的影响，而其他研究结果直接采用排放因子法进行计算。此外，不同省份畜禽养殖量存在较大差异，如浙江省与本研究均采用相同的计算方法，不同类型畜禽养殖量的差异是造成氨排放量相差较大的原因，以牛为例，浙江省2013年牛饲养量为17.5万头[22]，而本研究中牛(包括肉牛和奶牛)饲养量为149.4万头。

本研究与文献27中的活动水平如图5所示。可以看出，除母猪外(文献中未计算母猪排放量)，本研究中各类畜禽养殖量均低于文献，这是造成排放量低于文献的原因之一。此外，如前所述，畜禽排泄量是影响畜禽养殖氨排放量的重要因素，本研究根据实际饲养天数计算氨排放量，比采用统一排放因子计算的结果更贴合实际。以排放量最高的肉猪为例，本研究调研获得的肉猪饲养周期为60～260d，平均氨排放因子为2.69kg/头，比文献中低5%。

图5 四川盆地2014年和2018年畜禽养殖量比较Fig.5 Comparison of livestock breeding in Sichuan basin between 2014 and 2018

3 结 论

3.1 四川盆地2018年畜禽养殖氨排放量为37.3万t，氨排放主要集中在施肥阶段，占比为40%，户外、圈舍、储存氨排放量基本相当。

3.2 肉猪氨排放量最高，占比为34%，其次为肉牛和山羊。

3.3 广元市畜禽养殖氨排放量最高，占四川盆地畜禽养殖氨总排放量的12%，其次是宜宾市和绵阳市。各城市肉猪和肉牛排放量均较高，占比分别为20%～64%和7%～48%，部分城市山羊、肉鸡、兔氨排放量也较高。

3.4 在养殖量相同的情况下，排泄量是影响畜禽养殖氨排放量的主要因素，根据不同饲养周期计算的排放量更贴合实际情况。

3.5 规模化养殖场按照经纬度分配比按面源权重因子分配更为分散，提高了空间分布准确性。