吉林省农业氧化亚氮排放现状及时空规律分析
2024-01-03祝延立王鑫赵新颖张頔周亚荣关法春那伟
祝延立王鑫赵新颖张頔周亚荣关法春那伟
(1.吉林省农业科学院农村能源与生态研究所，吉林 长春 130033；2.长春市农产品质量安全与检测中心，吉林 长春 130032)
温室气体浓度的升高是引起全球大气温度增加的重要因素，对人类生产、生活造成的不利影响越来越突出。大气中的温室气体主要有二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等[1]，氧化亚氮的温室效应是二氧化碳的300倍左右。农业是大气中氧化亚氮温室气体的主要来源[2]，农业氧化亚氮排放对大气总氧化亚氮的贡献率达到70%以上[3]，土壤中的大部分氧化亚氮由生物硝化和反硝化作用产生，减少农业氧化亚氮排放是实现农业温室气体减排的重要内容。实现农业温室气体减排必须把握好降低排放与稳产保供的关系，瞄准主要排放源及重点区域，有针对性的实施减排措施及对策，促进农业活动向绿色低碳转型。吉林省是农业大省，我国重要的商品粮生产基地，农作物秸秆和畜禽粪便资源非常丰富。但随着粮食生产及畜禽养殖快速发展，产生了大量的农业温室气体(CH4和N2O)。其中，农业氧化亚氮(N2O)排放占吉林省农业温室气体排放总量的60%以上，是吉林省农业主要温室气体，特别是近年来，随着超量施用高氮化肥以及畜禽养殖粪污随意排放引起的氧化亚氮排放呈上升趋势[4]，农业生产要达到温室气体减排目标，减少农业氧化亚氮排放是重点。准确估计农业氧化亚氮排放量，理清重点排放源及排放区域，是有针对性制定氧化亚氮减排政策，推广氧化亚氮减排措施的基础。本文采用IPCC《指南》提供的公式及方法，量化评估吉林省农业氧化亚氮排放总量和现状特征。结合各地区氧化亚氮排放量，分析吉林省农业氧化亚氮排放时空分布规律和演化特征，确定重点排放源及排放区域，为吉林省不同区域有针对性的实施农业氧化亚氮减排技术措施，制定减少农业氧化亚氮排放政策提供数据依据。
1 估算方法与数据来源
农业氧化亚氮排放源包括农用地及动物粪便管理，本文采用《IPCC指南》提供的方法，根据公式、活动水平数据、排放因子，核算吉林省2011—2020年农业氧化亚氮排放总量及2012年、2016年、2020年各地区的排放量，分析农业氧化亚氮排放时空分布规律和演化特征。
1.1 吉林省农业氧化亚氮排放量估算方法
1.1.1 农用地氧化亚氮排放量估算方法[5]
吉林省农用地氧化亚氮排放总量计算公式：
EN2O=∑(N输入×EF)
(1)
式中，EN2O为吉林省农用地氧化亚氮排放总量；N输入为农用地各排放过程氮输入量；EF为氧化亚氮排放因子。
1.1.1.1 农用地氧化亚氮直接排放量计算[6]
吉林省农用地氧化亚氮直接排放量公式：
N2O直接=(N化肥+N粪肥+N秸秆)×EF直接
(2)
式中，N2O直接为农用地氧化亚氮直接排放量；N化肥为化肥氮；N粪肥为粪肥氮；N秸秆为秸秆还田氮。
1.1.1.2 农用地氧化亚氮间接排放量计算
农用地氧化亚氮间接排放主要包括大气氮沉降引起的排放和淋溶径流引起的排放，计算方法如下。
大气氮沉降引起的氧化亚氮间接排放，大气氮沉降引起的氧化亚氮排放量计算公式：
N2O沉降=(N农村排泄×20%+N农田输入×10%)×0.01
(3)
式中，N农田输入=N化肥+N粪肥+N秸秆；N农村排泄为畜禽和人排泄总氮量。根据《指南》及吉林省实际情况，由于吉林省没有相关实测数据，N农村排泄和N农田输入采用20%和10%，排放因子采用《指南》默认值0.01。
淋溶径流引起的氧化亚氮间接排放，农田氮淋溶和径流引起的氧化亚氮间接排放量计算公式：
N2O淋溶或径流=N农田输入×20%×0.0075
(4)
其中，氮淋溶和径流损失的氮量占农用地总氮输入量的20%来估算，排放因子采用《指南》提供的0.0075计算。
1.1.2 动物粪便管理氧化亚氮排放量估算方法
各种动物粪便管理氧化亚氮排放量等于不同动物粪便管理方式下氧化亚氮排放因子乘以动物饲养数量，相加可得总排放量，计算公式：
EN2O，粪便，i=EFN2O，粪便，i×APi×10-7
(5)
1.2 吉林省农业氧化亚氮排放数据来源
复合肥施用纯量、氮肥施用纯氮量来源于《2012—2021年中国统计年鉴》[7]。作物产量、动物年末存栏量数据来源于《2012—2021年吉林统计年鉴》及各地区的统计数据[8]。花生分地区种植面积根据吉林省分地区油料作物种植面积折算，吉林省玉米、大豆、水稻秸秆还田率来源文献数据[9]，其他作物秸秆还田率来源于专家咨询数据。农作物参数[10]、动物排泄系数采用《指南》提供的推荐值及文献数据[11，12]，动物放牧饲养量来源于畜牧部门调查数据。
2 结果与分析
2.1 吉林省农业氧化亚氮排放现状
2011—2020年吉林省农业氧化亚氮平均排放量为45708t·a-1，高于平均值的5个年份为2012—2016年，其余年份低于平均值。吉林省农业氧化亚氮排放总量由2011年的44684t减少到2020年的42747t，减少了1937t，下降4.53%。从图1可以看出，农用地是吉林省农业氧化亚氮的重点排放源，农用地排放量年均占比为83.28%，粪便管理排放年均所占比重为16.72%。2011—2020年吉林省农用地氧化亚氮年均排放量为38066t·a-1，2011年排放总量36492t，2020年排放量为36137t，减少了355t，高于平均值的5个年份为2013—2017年。畜禽粪便管理氧化亚氮平均排放量为7642t·a-1，2011年排放量为8192t，2020年排放量为6610t，减少了1582t，下降了23.9%。其中高于平均值的6个年份为2011—2016年。
图1 吉林省农业氧化亚氮排放现状图
2.2 吉林省农业氧化亚氮排放的时空规律
2.2.1 吉林省农业氧化亚氮排放时间演化规律分析
从表1、图1可以看出，2011—2020年吉林省农业氧化亚氮总量经历了缓慢增长、快速下降的2个演化阶段。第一阶段，2011—2015年缓慢增长阶段，农业氧化亚氮排放量由2011年44684t增加到2015年48574t，增长了8.7%；第二阶段，2015—2020年为快速下降阶段，农业氧化亚氮排放量由2015年48574t下降到2020年42747t，下降了13.6%。2011—2015年，吉林省农业生产畜禽养殖规模扩大，化肥使用量不断增加，导致农业氧化亚氮排放量不断增长。
表1 2011—2020年吉林省农业氧化亚氮排放总量
从各类排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占农业氧化亚氮全部排放的49.36%，其次为动物粪便管理排放，占16.72%，粪肥氮排放，占12.34%，大气沉降氮排放，占9.58%；淋容径流排放占8.57%；秸秆还田排放比重最低，为3.42%。通过排放结构可以看出，吉林省农业氧化亚氮排放主要以化肥施用产生的氮排放为主。因此，未来降低农业氧化亚氮排放主要以减少化肥施用量，提高化肥利用率为主，同时提高畜禽养殖粪便管理的现代化和标准化水平。
从排放源分类比重演化上看，化肥氮排放所占全部氧化亚氮排放比重由2011年的46.9%提升到2020年的50.6%。淋溶径流和秸秆还田氮排放数量增长有限，所占比重增幅分别增长了0.6百分点和0.5百分点。其他排放源排放量所占比重均有不同程度的下降，动物粪便管理、粪肥氮、大气沉降氮所占比重均下降2.87%、1.62%和0.24%。说明吉林省农业产量的提高依赖于化肥施用的持续增长，而化肥利用效率低又导致淋溶径流氮排放的增加。因此吉林省更加重视粪肥等有机肥的高效利用，提升粪肥等有机肥的利用水平可以有效抑制N20的排放。
2.2.2 吉林省农业氧化亚氮排放空间演化规律分析
为探明吉林省农业活动氧化亚氮排放空间变化特征，核算了2012年、2016年和2020年各地区农业氧化亚氮排放量，分析了吉林省各地区农业氧化亚氮排放的空间特征。结果表明，2012年、2016年和2020年农业活动氧化亚氮排放空间分布特征以中部高、东西低为主，以中部为核心并依次向东西两侧下降为主空间分布。中部地区的长春市是农业氧化亚氮排放量最大的地区，排放量分别为12987t、14024t和12309t；其次是松原市、四平市和吉林市。以中部为主体，排放量依次是向西部白城市、东部的通化市、延边朝鲜族自治州下降。农用地和畜禽粪便管理排放的空间分布特征基本上与农业氧化亚氮排放空间分布相类似。吉林省中部地区是松辽平原腹地，是吉林省农业生产、畜牧养殖的核心地区，农业现代化、规模化、标准化水平程度较高，农业氧化亚氮排放量大，是未来吉林省降低农业生产活动氧化亚氮的重点区域，见表2。
表2 2012年、2016年、2020年吉林省各地区农业氧化亚氮排放量
3 结论
2011—2020年吉林省农业氧化亚氮年均排放量为45708t·a-1，排放总量由2011年的44684t减少到2020年的42747t，下降了4.53%。吉林省农业氧化亚氮排放总量中，农用地排放年均占比重为83.28%，粪便管理排放年均占比重为16.72%。2011—2020年吉林省农用地氧化亚氮年均排放量为38066t·a-1，畜禽粪便管理氧化亚氮平均排放量为7642t·a-1。因此，农用地是吉林省农业氧化亚氮排放的主要排放源，采用有力措施降低农用地氧化亚氮排放量是减少本省温室气体排放的重点内容。
2011—2020年吉林省农业氧化亚氮总量经历了缓慢增长、快速下降的2个演化阶段。第一阶段，2011—2015年缓慢增长阶段；第二阶段，2015—2020年为快速下降阶段。从排放方式看，化肥氮排放量比重最大，占农业氧化亚氮全部排放的49.36%，其次为动物粪便管理排放，粪肥氮排放，大气沉降氮排放，淋容径流排放，秸秆还田排放比重最低。通过排放结构可以看出，吉林省农业氧化亚氮排放主要以化肥施用产生的氮排放为主。因此，未来降低农业氧化亚氮排放主要以减少化肥施用量，提高化肥利用率为主，同时提高畜禽养殖粪便管理的现代化和标准化水平。
吉林省农业氧化亚氮排放空间分布特征以中部高、东西低为主，以中部为核心并依次向东西两侧下降为主的空间分布。中部地区的长春市是农业氧化亚氮排放量最大地区，其次为松原市、四平市和吉林市。吉林省中部地区是畜牧养殖的核心地区，是未来吉林省降低农业生产氧化亚氮的重点区域。
4 建议
根据吉林省农业氧化亚氮重点排放源及分布区域，针对不同区域农业生产特点，对减少氧化亚氮排放提出以下建议。要在做好农业氧化亚氮排放的核算、监测等工作的基础上，明确各地区农业氧化亚氮排放的底数，确定适宜小范围的排放参数，编制或完善县级及更小范围的农业氧化亚氮排放清单，为分解农业减排任务提供数据支撑。现阶段化肥氮依旧是吉林省农田氧化亚氮排放的主要贡献源，应在中部地区重点推广粪肥、秸秆还田技术、水肥一体化等减氮技术措施[13]，提高化肥的利用效率，加强有机肥与化肥配合施用，提升农业资源利用效率。应大力推广保护性耕作、秸秆全量还田等先进耕作技术，根据区域特点，在相应地区调整种植结构，推广轮作、间作等种植模式[14]。在养殖业发达地区推广厌氧发酵沼气技术、粪肥堆肥还田等技术，优化饲料配方，降低养殖氮排泄量，进一步减少农业氧化亚氮的排放。
