2015—2019年北京市農業氧化亞氮排放變化與分析*

王安吉 ，馬文林 ※，吳建繁 ，賈小紅

（1.北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044；2.北京應對氣候變化研究和人才培養基地，北京 100044；3.北京低碳農業協會，北京 100107；4.北京市耕地建設保護中心，北京 100101）

0 引言

《巴黎協定》提出到2100年末將全球平均氣溫升幅控制在不超過工業化前水平2°C，并努力控制在1.5°C之內[1]。CO2、CH4和N2O是導致全球升溫起主要作用的前三位溫室氣體。其中，N2O能長期存在于大氣中，需要150年才能被完全分解[2]。依據IPCC發布的第四次氣候變化評估報告，N2O的全球增溫潛勢為CO2的298倍[3]，這個數值為同年公布的甲烷增溫潛勢的11.92倍。在目前的情況下，大氣中N2O含量每增加1倍，全球氣溫將提高0.44℃[4]。2019年全球農業總計排放溫室氣體59億tCO2e[5]，N2O的貢獻率為34.4%。同年，中國農業的溫室氣體排放量占到全球農業總排放的11.2%，其中N2O排放占農業自身總排放的45.9%[5]，而中國農田土壤N2O直接和間接排放分別占全國N2O排放總量的55.8%和15.1%[6]。由此可見，為了實現《巴黎協定》的承諾，正確對待農業N2O排放問題具有十分重要的意義。

目前，有許多研究者針對我國農業溫室氣體排放問題進行了研究。韋良煥等[7]依據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》（以下簡稱“省級清單”）研究了中國省級區域農業N2O的排放情況；李陽等[8]運用STIPART模型預測了中國省域農業源N2O排放量；李庚欣等[9]研究了湖北省農業碳排放空間分布特征；徐聰[10]研究了華北平原長期施用氮肥與秸稈還田的N2O排放特征；李長卓[11]利用Meta分析研究了耕作方式與麥田N2O排放的關系；陳煒等[12]依據種植業物料投入情況分析了1997—2015年中國種植業碳排放時空分布規律的特征；白義鑫等[13]分析了貴陽市農業碳排放與農業GDP的脫鉤關系；Htun等[13]研究了中國西北地區秸稈與氮素管理對雨養農業N2O與CH4排放的影響[14]；Su等[15]研究了中國東北地區典型雨養玉米田N2O通量的時態模式；Yang等[16]研究了中國西北地區雨養麥田不同施肥方式下的N2O排放情況；趙曉強等[17]分析了2006—2015年山西省農業溫室氣體排放情況；王心宇等[18]分析了財政投入與農業減排的關系；馬文林等[19]研究了長期施糞肥對青貯玉米田N2O排放的影響；萬小南等[20]研究了秸稈還田對楊凌區冬小麥—夏玉米田N2O排放的關系，上述研究人員分別采用不同研究方法、從不同角度對農業溫室氣體排放做了相關研究。對于北京區域而言，張哲瑜等[21]對北京市規?；i養殖企業溫室氣體排放進行了計算；劉月仙等[22]分析了北京市畜禽養殖溫室氣體的時空變化。目前尚缺少針對北京地區農業N2O排放的全面研究。文章以IPCC《國家溫室氣體清單指南》（2006）（以下簡稱“國家清單”）、“省級清單”和北京市相關地方標準《種植農產品溫室氣體排放核算指南》（DB11/T 1564-2018）與《溫室氣體排放核算指南 畜牧養殖企業》（DB11/T 1422-2017）為核算方法，利用2015—2019年北京市種植業與畜牧業相關數據，對2015—2019年北京市農業N2O排放量進行核算并對核算結果進行相應分析。

1 研究方法

1.1 核算范圍與核算對象選取

該研究以2015—2019年為評估期，核算目標是評估期內北京全市與各區種植業和畜牧業的N2O排放量。

1.1.1 核算范圍與核算對象

種植業N2O排放核算范圍包括農田土壤施肥和秸稈處置利用導致的N2O排放直接排放、氮揮發間接排放和氮淋溶/徑流間接排放，畜牧業N2O排放放核算范圍為糞便管理導致的N2O排放。

1.1.2 核算對象選擇

施肥N2O排放核算對象包括化肥與有機肥。根據調查，北京市主要在小麥、玉米與蔬菜種植中使用有機肥。依據《北京統計年鑒2020》中列出的主要農作物，將秸稈還田N2O排放核算對象確定為水稻、小麥、玉米、蔬菜、大豆、薯類、花生和棉花。

依據《北京統計年鑒2020》與各區統計年鑒中列出的主要畜禽種類，結合北京市畜牧養殖特點，將糞便管理N2O排放對象確定為豬、肉牛、奶牛、羊和家禽。

1.2 核算方法與數據來源

1.2.1 核算方法

該文參考“國家清單”“省級清單”、DB11/T 1564-2018和DB11/T 1422-2017進行種植業和畜牧業N2O排放核算，秸稈還田N2O排放按式（1）計算，施肥N2O排放按式（2）至（5）計算，糞便管理N2O排放按式（6）計算。

式(1)中，E秸稈為作物秸稈還田產生的N2O排放，單位為萬tCO2e；F秸稈為作物秸稈還田氮量，單位為kgN；EF1為農田N2O直接排放因子，單位為kgN2O-N/kgN；Frac淋溶/徑流為氮淋溶/徑流損失系數；EF3為農田氮投入淋溶/徑流N2O間接排放因子，單位為kgN2O-N/kgN；R為秸稈還田率；為N2O-N轉化為N2O的系數；298為N2O增溫潛勢；10-3為kg轉化為t的系數。

式（2）中，EFN為農田施肥產生的N2O排放，單位為萬tCO2e；EFND為農田施肥N2O直接排放，單位為萬tCO2e；EFNI-ATD為肥料因氮揮發產生的N2O排放，單位為萬tCO2e；EFNI-L為肥料因氮淋溶/徑流產生的N2O排放，單位為萬tCO2e。

式（3）中，EFND為農田施肥產生的N2O直接排放，單位為萬tCO2e；F化肥為農田施入化肥含氮量，單位為kgN；F有機肥為農田施入有機肥含氮量，單位為kgN；EF1為農田N2O直接排放因子，單位為kgN2O-N/kgN；為N2O-N轉化為N2O的系數；298為N2O增溫潛勢；10-3為kg轉化為t的系數。

式（4）中，EFN-ATD為肥料因氮揮發產生的N2O排放，單位為萬tCO2e；F化肥為農田施入化肥含氮量，單位為kgN；FracGASF為化肥氮揮發系數；F有機肥為農田施入有機肥含氮量，單位為kgN/年；FracGASM為有機物料氮揮發系數；EF2為農田施肥氮揮發N2O間接排放因子，單位為kgN2O-N/kgN；為N2O-N轉化為N2O的系數；298為N2O增溫潛勢；10-3為kg轉化為t的系數。

式（5）中，EFN-L為肥料因氮淋溶/徑流產生的N2O排放，單位為萬tCO2e；F化肥為農田施入化肥含氮量，單位kgN；F有機肥為農田施入有機肥含氮量，單位kgN；FracLEACH-(H)為氮淋溶徑流損失系數；EF3為農田氮投入淋溶/徑流N2O間接排放因子，單位為kgN2O-N/kgN；為N2O-N轉化為N2O的系數；298為N2O增溫潛勢；10-3為kg轉化為t的系數。

式（6）中，EMN為動物糞便管理N2O排放，單位為萬tCO2e；AP為動物年末存欄量，單位為頭；EFMN為動物的糞便管理N2O排放因子，單位為kgN2O/(頭·年)；298為N2O增溫潛勢；10-3為kg轉化為t的系數。

1.2.2 數據來源

（1）活動數據：活動數據來源包括《北京統計年鑒》（2016—2020）、《北京區域統計年鑒》（2016—2020）、北京市各區的地方統計年鑒以及北京市農業相關管理部門的調研數據，如表1所示。將活動數據根據來源分為3個優先級，第一級為各區統計年鑒，第二級為《北京統計年鑒》和《北京區域統計年鑒》，第三級為北京市農業相關管理部門的調研數據。由于東城、西城和石景山區不進行農業生產，因此核算范圍不包括此3區。

表1 數據來源

（2）排放因子：該文所用各項排放因子及相關參數如表2至表4所示。

表2 主要農作物參數[23]

表4 動物糞便管理N2O排放因子[25]

表3 土壤氮投入排放因子[24]

2 結果與分析

2.1 種植業N2O排放

2.1.1 秸稈還田N2O排放

秸稈還田率采用秸稈肥料化利用情況的調研數據。評估期北京市農作物秸稈還田N2O排放情況如圖1所示。從圖1可以看出，2015—2019年全市秸稈還田N2O排放量從1.30萬tCO2e下降至0.77萬tCO2e，降幅高達40.65%，年均減排率為12.27%。2019年秸稈還田N2O直接排放量為0.55萬tCO2e，約為其間接排放量（0.22萬tCO2e/年）的2.5倍。

圖1 2015—2019年北京市秸稈還田N2O排放

2.1.2 施肥N2O排放

（1）化肥N2O排放：評估期北京市農作物種植施化肥的N2O排放情況如圖2所示。其中，N2O間接排放包含氨揮發和氮淋溶滲濾兩種途徑。從圖2可以看出，2015—2019年北京市化肥N2O排放量從20.34萬tCO2e下降至9.58萬tCO2e，呈穩定下降趨勢，降幅高達52.91%，年均減排率為17.16%。2019年化肥N2O直接排放量為6.10萬tCO2e，約為其間接排放量（3.48萬tCO2e）的1.75倍。

圖2 2015—2019年北京市化肥N2O排放

（2）有機肥N2O排放：有機肥含氮量統一以1%計。評估期北京市農作物種植施有機肥的N2O排放情況如圖3所示。從圖3可以看出，2015—2019年北京市有機肥N2O排放量從19.52萬tCO2e下降至5.28萬tCO2e，總體呈下降趨勢，降幅高達73%，年均減排率為27.88%。2019年有機肥N2O直接排放量為3.02萬tCO2e，約為其間接排放量（2.26萬tCO2e）的1.34倍。

圖3 2015—2019年北京市有機肥N2O排放

2.1.3 種植業N2O總排放

（1）全市種植業N2O排放：評估期北京市種植業N2O總排放情況如圖4所示。由圖4可知，2015—2019年北京種植業N2O排放量從41.16萬tCO2e下降至15.63萬tCO2e，總體呈下降趨勢，排放降幅高達62.0%。施肥是種植業N2O排放的重要排放源（年均排放占比95.6%）。在各類種植業N2O排放源中，化肥在種植業N2O排放中占比最大（年均53.8%），其次為有機肥（年均42.7%），秸稈還田（年均3.5%）最小。2019年這三者產生的N2O排放量較2015年分別減少了52.9%、73.0%和40.7%。

圖4 2015—2019年北京市種植業N2O排放

（2）各區種植業N2O排放：2019年北京市各區種植業N2O排放情況如圖5所示，相對于2015年的減排率見表5。從圖5可以看出，2019年大興區種植業N2O排放量（3.65萬tCO2e）居全市首位，占全市種植業N2O排放量的23.4%。根據表5，通州區2019年較2015年種植業N2O減排率最高（78.1%），年均減排率為31.6%。

表5 2019年北京市各區種植業N2O減排率（以2015年為基準年）

圖5 2019年北京市各區種植業N2O排放

2.2 畜牧業N2O排放

2.2.1 全市畜牧業N2O排放情況

評估期北京市畜牧業N2O總排放情況和各畜種N2O排放比例分別如圖6和圖7所示。

從圖6可以看出，2015—2019年北京市畜牧業N2O排放量從32.04萬tCO2e下降至10.59萬tCO2e，總體呈遞減趨勢，總減排率為66.9%，年均減排率24.2%；在各畜種N2O排放中，豬N2O排放的減排量最高，減排8.17萬tCO2e，降幅92.0%。

圖6 2015—2019年北京市畜牧業N2O排放

圖7展示了評估期各類畜禽種N2O排放占比情況，可以得出評估期家禽N2O排放都居全市畜牧業各畜種N2O排放首位，年均占比42.8%。

圖7 2015—2019年北京市畜牧業各畜種N2O排放比例

2.2.2 各區畜牧業N2O排放情況

2019年各區畜牧業N2O排放情況及其較2015年減排情況分別見圖8和表6。

從圖8看，豐臺區的排放量降為0，因其將畜禽養殖全部取締；平谷區畜牧業N2O排放量為3.29萬tCO2e，居全市首位，對全市畜牧業N2O貢獻率達31.1%。其余各區對全市畜牧業N2O排放貢獻率由大到小排序依次為順義區、密云區、延慶區、房山區、通州區、大興區、懷柔區、昌平區、海淀區、朝陽區和門頭溝區。

圖8 2019年北京市各區畜牧業N2O排放

由表6可知，豐臺區畜牧業N2O排放減排率最高，為100%。其余各區按畜牧業N2O減排率由高到低排序依次為懷柔區、門頭溝區、海淀區、大興區、通州區、昌平區、朝陽區、延慶區、順義區、延慶區、密云區和平谷區。

表6 2019年北京市各區畜牧業N2O減排率（以2015年為基準年）

2.3 農業N2O排放

2.3.1 全市農業N2O排放情況

評估期北京市農業N2O排放情況如圖9所示。由圖9可看出，2015—2019年北京市農業N2O排放總體呈下降趨勢，從73.2萬tCO2e下降至26.22萬tCO2e，減少了46.98萬tCO2e，減排率高達64.2%，年均減排率為22.6%。

圖9 2015—2019年北京市農業N2O排放

2.3.2 各區農業N2O排放情況

2019年各區農業N2O排放如圖10所示，較2015年減排情況如表7所示。

表7 2019年較2015年北京市各區農業N2O減排率

從圖10可知，順義區農業N2O排放量為4.85萬tCO2e，居各區農業N2O排放之首，對全市農業N2O貢獻率為18.5%；豐臺區的排放最低，為0.03萬tCO2e；懷柔區的排放量較2015年降幅最為顯著，減排率達82.7%，年均減排率為35.5%。

圖10 2019年北京市各區農業N2O排放

3 討論與結論

3.1 討論

（1）不同區存在較大排放差異：北京市各區農業N2O排放差異較為顯著，其主要原因為各區肥料施用量與畜禽養殖量存在顯著差異。以2019年豐臺區與順義區為例，豐臺區化肥施用折純量為74.8t、無畜禽養殖，順義區化肥施用折純量為13 390.5t、各類畜禽76.8萬只。這兩個區由于化肥施用與畜禽養殖規模的不同使2019年農業N2O產生了3.9萬tCO2e的排放差異。

（2）種植規模和氮投入水平不斷降低：依據《北京統計年鑒》數據，2015年北京市農作物播種面積為17.7萬hm2，2019年減少到9.2萬hm2，減少率為48.02%；同期全市農田化肥施用折純氮量從4.852 4萬t減少到2.248 13萬t，下降率為53.67%。對二者進行比較，氮投入量下降率大于播種面積的減少率，說明北京種植業N2O排放減少的主要原因有兩方面，最主要的是播種面積的下降，同時單位面積氮投入水平的下降，也具有一定的影響。2016年北京市發布了《北京市“十三五”時期都市現代農業發展規劃》，規劃中明確要減少化肥使用量、逐步退出高耗水糧食作物種植，這對北京市化肥氮投入量的減少產生了積極影響。

在北京市有種植業生產的13個區中，只有門頭溝區2019年的種植業N2O排放比2015年增加。依據《北京區域統計年鑒》，2015年門頭溝區施用化肥折純量為148.4t，2019年增加到931.7t，使得該區2019年化肥N2O排放較2015年增加了0.11萬tCO2e。而調查數據表明該區同期有機肥投入量和秸稈還田量變化都不大。因此，2019年門頭溝區化肥施用量增加是該區種植業N2O排放增加的根本原因。對此，可以通過有機肥替代化肥、施用緩釋肥與長效肥等方法減少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細菌途徑產生的N2O[27]。

（3）畜牧業N2O排放的快速減少：評估期北京市畜牧業N2O排放年均減排率高于種植業，這與禁養政策和畜禽疫病捕殺有著緊密的關聯。2016年環境保護部與原農業部共同發布了《畜禽養殖禁養區劃定技術指南》，2017年北京市出臺了《北京市畜禽養殖禁養區劃定工作方案》《關于盡快開展禁養區內規?；笄蒺B殖場（小區）關閉或搬遷工作的函》等系列文件，明確了禁養區劃定原則和范圍以及關閉或搬遷工作的具體措施。隨后各區先后劃定了畜禽禁養區，北京市畜禽快速縮小。

畜禽養殖存欄量的減小是畜牧業N2O減排的直接因素。依據《北京統計年鑒》數據，2016—2019年全市豬存欄量分別為上一年的99.8%、67.9%、40.5%和29%。2018年受非洲豬瘟影響，大量生豬遭到捕殺，豬年底存欄量為45.4萬頭，較2017年減少了69萬頭，直到2019年生豬養殖規模依然在減小。由此得出，在不減少畜禽產品生產量前提下，如果可以提高畜禽生產效率，就可以減少養殖量，起到減排的效果。因此，培育高產品種、提高飼養管理水平、降低畜禽養殖病死率、增加繁殖率等措施，對減少畜禽養殖N2O排放具有顯著作用。

（4）不確定性分析：受核算對象、方法與數據來源的影響，該文核算結果存在一定的不確定性。此次核算采用的所有排放因子均為現行標準中所列的缺省值，因而核算結果較真實排放量有一定差異。文中所用活動數據為公開發表的年鑒數據或從北京農業管理部門調研所得，可信度較高。但因部分活動數據和排放因子數值與其他研究者所用參數存在差異，使得核算結果不相同，甚至于有較大差距。

例如，2019年的一項研究得出2016年北京市畜禽糞便N2O排放量為646 t N2O[7]，折合19.25萬t CO2e，該文核算得出同年北京畜禽N2O排放量為29.27萬t CO2e，造成這種差異的最主要原因是由于選用了不同的排放因子。以奶牛糞便管理N2O排放因子為例，該研究選取DB11/T 1422-2017提供的缺省值1.94 kg/(頭·年)，而該研究取“省級清單”中奶牛、非奶牛和水牛糞便管理N2O排放因子之平均值，經計算，該平均值為0.88 kg/(頭·年)。

此外，數據來源對于核算結果的影響同樣不可忽視。該文所用數據為北京市及各市轄區統計年鑒數據與北京市農業管理部門提供的調研數據，并且在數據收集方面考慮了有機肥使用情況與秸稈利用情況。而2019年的研究[7]不僅針對北京市，還包括中國其他省份，因而該研究以《中國統計年鑒》作為數據來源，且氮肥折純比例采用了寧夏的數據[28]。這些數據來源的不同，使該文對農用地N2O排放的核算結果是已有的研究[7]結果的5倍。

3.2 結論

該研究對2015—2019年北京市農業源N2O排放進行了核算，并對核算結果進行了分析，主要結論如下。

（1）2015—2019年北京市農業N2O排放呈下降趨勢。種植業為北京市農業N2O最大排放源，其對北京市2015—2019年農業N2O年均貢獻率為58.3%。

（2）2015—2019年北京市種植業和畜牧業的N2O排放均呈下降趨勢，它們的最大排放源分別是化肥與家禽，二者對種植業和畜牧業的N2O排放年均貢獻率分別為54.1%和42.8%。

（3）2019年全市畜牧業N2O與種植業N2O排放量均較2015年有所下降。門頭溝區是2019年較2015年全市唯一種植業N2O排放有所增加的地區，原因是化肥施用量的增加。