2015—2019年北京市农业氧化亚氮排放变化与分析*

2023-03-24王安吉马文林吴建繁贾小红

中国农业资源与区划 2023年1期

王安吉，马文林 ※，吴建繁，贾小红

（1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；2.北京应对气候变化研究和人才培养基地，北京 100044；3.北京低碳农业协会，北京 100107；4.北京市耕地建设保护中心，北京 100101）

0 引言

《巴黎协定》提出到2100年末将全球平均气温升幅控制在不超过工业化前水平2°C，并努力控制在1.5°C之内[1]。CO2、CH4和N2O是导致全球升温起主要作用的前三位温室气体。其中，N2O能长期存在于大气中，需要150年才能被完全分解[2]。依据IPCC发布的第四次气候变化评估报告，N2O的全球增温潜势为CO2的298倍[3]，这个数值为同年公布的甲烷增温潜势的11.92倍。在目前的情况下，大气中N2O含量每增加1倍，全球气温将提高0.44℃[4]。2019年全球农业总计排放温室气体59亿tCO2e[5]，N2O的贡献率为34.4%。同年，中国农业的温室气体排放量占到全球农业总排放的11.2%，其中N2O排放占农业自身总排放的45.9%[5]，而中国农田土壤N2O直接和间接排放分别占全国N2O排放总量的55.8%和15.1%[6]。由此可见，为了实现《巴黎协定》的承诺，正确对待农业N2O排放问题具有十分重要的意义。

目前，有许多研究者针对我国农业温室气体排放问题进行了研究。韦良焕等[7]依据《省级温室气体清单编制指南（试行）》（以下简称“省级清单”）研究了中国省级区域农业N2O的排放情况；李阳等[8]运用STIPART模型预测了中国省域农业源N2O排放量；李庚欣等[9]研究了湖北省农业碳排放空间分布特征；徐聪[10]研究了华北平原长期施用氮肥与秸秆还田的N2O排放特征；李长卓[11]利用Meta分析研究了耕作方式与麦田N2O排放的关系；陈炜等[12]依据种植业物料投入情况分析了1997—2015年中国种植业碳排放时空分布规律的特征；白义鑫等[13]分析了贵阳市农业碳排放与农业GDP的脱钩关系；Htun等[13]研究了中国西北地区秸秆与氮素管理对雨养农业N2O与CH4排放的影响[14]；Su等[15]研究了中国东北地区典型雨养玉米田N2O通量的时态模式；Yang等[16]研究了中国西北地区雨养麦田不同施肥方式下的N2O排放情况；赵晓强等[17]分析了2006—2015年山西省农业温室气体排放情况；王心宇等[18]分析了财政投入与农业减排的关系；马文林等[19]研究了长期施粪肥对青贮玉米田N2O排放的影响；万小南等[20]研究了秸秆还田对杨凌区冬小麦—夏玉米田N2O排放的关系，上述研究人员分别采用不同研究方法、从不同角度对农业温室气体排放做了相关研究。对于北京区域而言，张哲瑜等[21]对北京市规模化生猪养殖企业温室气体排放进行了计算；刘月仙等[22]分析了北京市畜禽养殖温室气体的时空变化。目前尚缺少针对北京地区农业N2O排放的全面研究。文章以IPCC《国家温室气体清单指南》（2006）（以下简称“国家清单”）、“省级清单”和北京市相关地方标准《种植农产品温室气体排放核算指南》（DB11/T 1564-2018）与《温室气体排放核算指南畜牧养殖企业》（DB11/T 1422-2017）为核算方法，利用2015—2019年北京市种植业与畜牧业相关数据，对2015—2019年北京市农业N2O排放量进行核算并对核算结果进行相应分析。

1 研究方法

1.1 核算范围与核算对象选取

该研究以2015—2019年为评估期，核算目标是评估期内北京全市与各区种植业和畜牧业的N2O排放量。

1.1.1 核算范围与核算对象

种植业N2O排放核算范围包括农田土壤施肥和秸秆处置利用导致的N2O排放直接排放、氮挥发间接排放和氮淋溶/径流间接排放，畜牧业N2O排放放核算范围为粪便管理导致的N2O排放。

1.1.2 核算对象选择

施肥N2O排放核算对象包括化肥与有机肥。根据调查，北京市主要在小麦、玉米与蔬菜种植中使用有机肥。依据《北京统计年鉴2020》中列出的主要农作物，将秸秆还田N2O排放核算对象确定为水稻、小麦、玉米、蔬菜、大豆、薯类、花生和棉花。

依据《北京统计年鉴2020》与各区统计年鉴中列出的主要畜禽种类，结合北京市畜牧养殖特点，将粪便管理N2O排放对象确定为猪、肉牛、奶牛、羊和家禽。

1.2 核算方法与数据来源

1.2.1 核算方法

该文参考“国家清单”“省级清单”、DB11/T 1564-2018和DB11/T 1422-2017进行种植业和畜牧业N2O排放核算，秸秆还田N2O排放按式（1）计算，施肥N2O排放按式（2）至（5）计算，粪便管理N2O排放按式（6）计算。

式(1)中，E秸秆为作物秸秆还田产生的N2O排放，单位为万tCO2e；F秸秆为作物秸秆还田氮量，单位为kgN；EF1为农田N2O直接排放因子，单位为kgN2O-N/kgN；Frac淋溶/径流为氮淋溶/径流损失系数；EF3为农田氮投入淋溶/径流N2O间接排放因子，单位为kgN2O-N/kgN；R为秸秆还田率；为N2O-N转化为N2O的系数；298为N2O增温潜势；10-3为kg转化为t的系数。

式（2）中，EFN为农田施肥产生的N2O排放，单位为万tCO2e；EFND为农田施肥N2O直接排放，单位为万tCO2e；EFNI-ATD为肥料因氮挥发产生的N2O排放，单位为万tCO2e；EFNI-L为肥料因氮淋溶/径流产生的N2O排放，单位为万tCO2e。

式（3）中，EFND为农田施肥产生的N2O直接排放，单位为万tCO2e；F化肥为农田施入化肥含氮量，单位为kgN；F有机肥为农田施入有机肥含氮量，单位为kgN；EF1为农田N2O直接排放因子，单位为kgN2O-N/kgN；为N2O-N转化为N2O的系数；298为N2O增温潜势；10-3为kg转化为t的系数。

式（4）中，EFN-ATD为肥料因氮挥发产生的N2O排放，单位为万tCO2e；F化肥为农田施入化肥含氮量，单位为kgN；FracGASF为化肥氮挥发系数；F有机肥为农田施入有机肥含氮量，单位为kgN/年；FracGASM为有机物料氮挥发系数；EF2为农田施肥氮挥发N2O间接排放因子，单位为kgN2O-N/kgN；为N2O-N转化为N2O的系数；298为N2O增温潜势；10-3为kg转化为t的系数。

式（5）中，EFN-L为肥料因氮淋溶/径流产生的N2O排放，单位为万tCO2e；F化肥为农田施入化肥含氮量，单位kgN；F有机肥为农田施入有机肥含氮量，单位kgN；FracLEACH-(H)为氮淋溶径流损失系数；EF3为农田氮投入淋溶/径流N2O间接排放因子，单位为kgN2O-N/kgN；为N2O-N转化为N2O的系数；298为N2O增温潜势；10-3为kg转化为t的系数。

式（6）中，EMN为动物粪便管理N2O排放，单位为万tCO2e；AP为动物年末存栏量，单位为头；EFMN为动物的粪便管理N2O排放因子，单位为kgN2O/(头·年)；298为N2O增温潜势；10-3为kg转化为t的系数。

1.2.2 数据来源

（1）活动数据：活动数据来源包括《北京统计年鉴》（2016—2020）、《北京区域统计年鉴》（2016—2020）、北京市各区的地方统计年鉴以及北京市农业相关管理部门的调研数据，如表1所示。将活动数据根据来源分为3个优先级，第一级为各区统计年鉴，第二级为《北京统计年鉴》和《北京区域统计年鉴》，第三级为北京市农业相关管理部门的调研数据。由于东城、西城和石景山区不进行农业生产，因此核算范围不包括此3区。

表1 数据来源

（2）排放因子：该文所用各项排放因子及相关参数如表2至表4所示。

表2 主要农作物参数[23]

表4 动物粪便管理N2O排放因子[25]

表3 土壤氮投入排放因子[24]

2 结果与分析

2.1 种植业N2O排放

2.1.1 秸秆还田N2O排放

秸秆还田率采用秸秆肥料化利用情况的调研数据。评估期北京市农作物秸秆还田N2O排放情况如图1所示。从图1可以看出，2015—2019年全市秸秆还田N2O排放量从1.30万tCO2e下降至0.77万tCO2e，降幅高达40.65%，年均减排率为12.27%。2019年秸秆还田N2O直接排放量为0.55万tCO2e，约为其间接排放量（0.22万tCO2e/年）的2.5倍。

图1 2015—2019年北京市秸秆还田N2O排放

2.1.2 施肥N2O排放

（1）化肥N2O排放：评估期北京市农作物种植施化肥的N2O排放情况如图2所示。其中，N2O间接排放包含氨挥发和氮淋溶渗滤两种途径。从图2可以看出，2015—2019年北京市化肥N2O排放量从20.34万tCO2e下降至9.58万tCO2e，呈稳定下降趋势，降幅高达52.91%，年均减排率为17.16%。2019年化肥N2O直接排放量为6.10万tCO2e，约为其间接排放量（3.48万tCO2e）的1.75倍。

图2 2015—2019年北京市化肥N2O排放

（2）有机肥N2O排放：有机肥含氮量统一以1%计。评估期北京市农作物种植施有机肥的N2O排放情况如图3所示。从图3可以看出，2015—2019年北京市有机肥N2O排放量从19.52万tCO2e下降至5.28万tCO2e，总体呈下降趋势，降幅高达73%，年均减排率为27.88%。2019年有机肥N2O直接排放量为3.02万tCO2e，约为其间接排放量（2.26万tCO2e）的1.34倍。

图3 2015—2019年北京市有机肥N2O排放

2.1.3 种植业N2O总排放

（1）全市种植业N2O排放：评估期北京市种植业N2O总排放情况如图4所示。由图4可知，2015—2019年北京种植业N2O排放量从41.16万tCO2e下降至15.63万tCO2e，总体呈下降趋势，排放降幅高达62.0%。施肥是种植业N2O排放的重要排放源（年均排放占比95.6%）。在各类种植业N2O排放源中，化肥在种植业N2O排放中占比最大（年均53.8%），其次为有机肥（年均42.7%），秸秆还田（年均3.5%）最小。2019年这三者产生的N2O排放量较2015年分别减少了52.9%、73.0%和40.7%。

图4 2015—2019年北京市种植业N2O排放

（2）各区种植业N2O排放：2019年北京市各区种植业N2O排放情况如图5所示，相对于2015年的减排率见表5。从图5可以看出，2019年大兴区种植业N2O排放量（3.65万tCO2e）居全市首位，占全市种植业N2O排放量的23.4%。根据表5，通州区2019年较2015年种植业N2O减排率最高（78.1%），年均减排率为31.6%。

表5 2019年北京市各区种植业N2O减排率（以2015年为基准年）

图5 2019年北京市各区种植业N2O排放

2.2 畜牧业N2O排放

2.2.1 全市畜牧业N2O排放情况

评估期北京市畜牧业N2O总排放情况和各畜种N2O排放比例分别如图6和图7所示。

从图6可以看出，2015—2019年北京市畜牧业N2O排放量从32.04万tCO2e下降至10.59万tCO2e，总体呈递减趋势，总减排率为66.9%，年均减排率24.2%；在各畜种N2O排放中，猪N2O排放的减排量最高，减排8.17万tCO2e，降幅92.0%。

图6 2015—2019年北京市畜牧业N2O排放

图7展示了评估期各类畜禽种N2O排放占比情况，可以得出评估期家禽N2O排放都居全市畜牧业各畜种N2O排放首位，年均占比42.8%。

图7 2015—2019年北京市畜牧业各畜种N2O排放比例

2.2.2 各区畜牧业N2O排放情况

2019年各区畜牧业N2O排放情况及其较2015年减排情况分别见图8和表6。

从图8看，丰台区的排放量降为0，因其将畜禽养殖全部取缔；平谷区畜牧业N2O排放量为3.29万tCO2e，居全市首位，对全市畜牧业N2O贡献率达31.1%。其余各区对全市畜牧业N2O排放贡献率由大到小排序依次为顺义区、密云区、延庆区、房山区、通州区、大兴区、怀柔区、昌平区、海淀区、朝阳区和门头沟区。

图8 2019年北京市各区畜牧业N2O排放

由表6可知，丰台区畜牧业N2O排放减排率最高，为100%。其余各区按畜牧业N2O减排率由高到低排序依次为怀柔区、门头沟区、海淀区、大兴区、通州区、昌平区、朝阳区、延庆区、顺义区、延庆区、密云区和平谷区。

表6 2019年北京市各区畜牧业N2O减排率（以2015年为基准年）

2.3 农业N2O排放

2.3.1 全市农业N2O排放情况

评估期北京市农业N2O排放情况如图9所示。由图9可看出，2015—2019年北京市农业N2O排放总体呈下降趋势，从73.2万tCO2e下降至26.22万tCO2e，减少了46.98万tCO2e，减排率高达64.2%，年均减排率为22.6%。

图9 2015—2019年北京市农业N2O排放

2.3.2 各区农业N2O排放情况

2019年各区农业N2O排放如图10所示，较2015年减排情况如表7所示。

表7 2019年较2015年北京市各区农业N2O减排率

从图10可知，顺义区农业N2O排放量为4.85万tCO2e，居各区农业N2O排放之首，对全市农业N2O贡献率为18.5%；丰台区的排放最低，为0.03万tCO2e；怀柔区的排放量较2015年降幅最为显著，减排率达82.7%，年均减排率为35.5%。

图10 2019年北京市各区农业N2O排放

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）不同区存在较大排放差异：北京市各区农业N2O排放差异较为显著，其主要原因为各区肥料施用量与畜禽养殖量存在显著差异。以2019年丰台区与顺义区为例，丰台区化肥施用折纯量为74.8t、无畜禽养殖，顺义区化肥施用折纯量为13 390.5t、各类畜禽76.8万只。这两个区由于化肥施用与畜禽养殖规模的不同使2019年农业N2O产生了3.9万tCO2e的排放差异。

（2）种植规模和氮投入水平不断降低：依据《北京统计年鉴》数据，2015年北京市农作物播种面积为17.7万hm2，2019年减少到9.2万hm2，减少率为48.02%；同期全市农田化肥施用折纯氮量从4.852 4万t减少到2.248 13万t，下降率为53.67%。对二者进行比较，氮投入量下降率大于播种面积的减少率，说明北京种植业N2O排放减少的主要原因有两方面，最主要的是播种面积的下降，同时单位面积氮投入水平的下降，也具有一定的影响。2016年北京市发布了《北京市“十三五”时期都市现代农业发展规划》，规划中明确要减少化肥使用量、逐步退出高耗水粮食作物种植，这对北京市化肥氮投入量的减少产生了积极影响。

在北京市有种植业生产的13个区中，只有门头沟区2019年的种植业N2O排放比2015年增加。依据《北京区域统计年鉴》，2015年门头沟区施用化肥折纯量为148.4t，2019年增加到931.7t，使得该区2019年化肥N2O排放较2015年增加了0.11万tCO2e。而调查数据表明该区同期有机肥投入量和秸秆还田量变化都不大。因此，2019年门头沟区化肥施用量增加是该区种植业N2O排放增加的根本原因。对此，可以通过有机肥替代化肥、施用缓释肥与长效肥等方法减少N2O的排放[19,26]，此外有研究表明施用生物炭可提高土壤健康水平并降低因细菌途径产生的N2O[27]。

（3）畜牧业N2O排放的快速减少：评估期北京市畜牧业N2O排放年均减排率高于种植业，这与禁养政策和畜禽疫病捕杀有着紧密的关联。2016年环境保护部与原农业部共同发布了《畜禽养殖禁养区划定技术指南》，2017年北京市出台了《北京市畜禽养殖禁养区划定工作方案》《关于尽快开展禁养区内规模化畜禽养殖场（小区）关闭或搬迁工作的函》等系列文件，明确了禁养区划定原则和范围以及关闭或搬迁工作的具体措施。随后各区先后划定了畜禽禁养区，北京市畜禽快速缩小。

畜禽养殖存栏量的减小是畜牧业N2O减排的直接因素。依据《北京统计年鉴》数据，2016—2019年全市猪存栏量分别为上一年的99.8%、67.9%、40.5%和29%。2018年受非洲猪瘟影响，大量生猪遭到捕杀，猪年底存栏量为45.4万头，较2017年减少了69万头，直到2019年生猪养殖规模依然在减小。由此得出，在不减少畜禽产品生产量前提下，如果可以提高畜禽生产效率，就可以减少养殖量，起到减排的效果。因此，培育高产品种、提高饲养管理水平、降低畜禽养殖病死率、增加繁殖率等措施，对减少畜禽养殖N2O排放具有显著作用。

（4）不确定性分析：受核算对象、方法与数据来源的影响，该文核算结果存在一定的不确定性。此次核算采用的所有排放因子均为现行标准中所列的缺省值，因而核算结果较真实排放量有一定差异。文中所用活动数据为公开发表的年鉴数据或从北京农业管理部门调研所得，可信度较高。但因部分活动数据和排放因子数值与其他研究者所用参数存在差异，使得核算结果不相同，甚至于有较大差距。

例如，2019年的一项研究得出2016年北京市畜禽粪便N2O排放量为646 t N2O[7]，折合19.25万t CO2e，该文核算得出同年北京畜禽N2O排放量为29.27万t CO2e，造成这种差异的最主要原因是由于选用了不同的排放因子。以奶牛粪便管理N2O排放因子为例，该研究选取DB11/T 1422-2017提供的缺省值1.94 kg/(头·年)，而该研究取“省级清单”中奶牛、非奶牛和水牛粪便管理N2O排放因子之平均值，经计算，该平均值为0.88 kg/(头·年)。

此外，数据来源对于核算结果的影响同样不可忽视。该文所用数据为北京市及各市辖区统计年鉴数据与北京市农业管理部门提供的调研数据，并且在数据收集方面考虑了有机肥使用情况与秸秆利用情况。而2019年的研究[7]不仅针对北京市，还包括中国其他省份，因而该研究以《中国统计年鉴》作为数据来源，且氮肥折纯比例采用了宁夏的数据[28]。这些数据来源的不同，使该文对农用地N2O排放的核算结果是已有的研究[7]结果的5倍。