2008—2020年泛珠三角區域大氣氨排放清單及分布特征

方利江，虞丹君，余朝毅，楊一群，葉觀瓊

1. 舟山市生態環境保護技術中心，浙江 舟山 316000

2. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316000

氨(NH3)是大氣中含量最多的堿性氣體，是形成細顆粒物(PM2.5)的重要前體物[1-3]. 由氨形成的硝酸鹽、銨鹽和硫酸鹽等二次無機氣溶膠占PM2.5的25%～75%，形成的PM2.5污染可以引起人體呼吸道和心血管疾病[4-7]，促進表皮生長因子受體(EGFR)基因突變而提高肺癌發生率[8-10]. 盡管我國持續深入推進大氣污染防治，2013-2022年我國PM2.5濃度下降了57%，重污染天數減少了92%[11]，但當遇到不利的氣象條件時，重污染天氣仍多發、頻發，許多城市PM2.5濃度與世界衛生組織(WHO)在2021年版《全球空氣質量指南》提出的PM2.5年均濃度指導值(5 μg/m3)仍存在較大差距[12-14]. 與進一步控制二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)相比，減少氨排放已被證實是具有成本效益的降低PM2.5濃度的直接有效方法[15-16]，氨減排40%可減少10%～20%的PM2.5峰值濃度，農業尤其是畜牧業氨減排有助于削弱冬季大氣PM2.5污染峰值[17].

大氣污染物排放清單是空氣質量模型構建的重要數據基礎. 研究[18]指出，受農場和動物養殖中化肥使用和糞便處理的持續增加，全球氨排放量已從2000年的59×106t增至2008年的65×106t，預計到2100年將達到132×106t. 我國氨排放量從1978年的6.11×106t增至2017年的12.35×106t，占全國土地面積12%的華北平原、長江中下游和四川盆地貢獻了全國超70%的氨排放量[19]. 京津冀及周邊地區的氨排放量從2008年的3 170.21×103t降至2020年的2 767.59×103t，其中農業源貢獻率為92.21%～93.38%[20].珠三角地區2006年氨排放量為194.8×103t，畜禽養殖貢獻率為62.1%，氮肥施用貢獻率為21.7%[21]. 隨著經濟社會的發展，大氣氨排放的變化趨勢和空間分布將發生改變，及時更新排放清單有助于識別區域氨排放的主要貢獻源并評估氨減排的重點與潛力.

泛珠三角區域擁有我國約1/5的面積、1/3的人口和1/3以上的經濟總量，國務院《關于深化泛珠三角區域合作的指導意見》提出，泛珠三角區域要“完善污染物排放總量控制制度，加強二氧化硫、氮氧化物、PM2.5等主要大氣污染物的聯防聯治”. 目前，針對該區域的氨排放清單較少，局限在福建省[22-23]、廣東省[24-25]、四川省[26]等個別地區，且基準年多為2013年《大氣污染防治行動計劃》實施以前，已不能客觀反映研究區大氣污染治理現狀. 鑒于此，該研究采用排放因子法估算了2008-2020年泛珠三角地區9省份的大氣氨排放清單，分析了其歷史趨勢和空間分布特征，闡明了畜禽養殖和氮肥施用等重要人為源的氨排放貢獻，為研究區落實國家大氣污染聯防聯治要求和制定精細化減排措施提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區域與對象

研究區域包括福建省、江西省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區、海南省、四川省、貴州省、云南省等9省份，研究對象涉及10種人為源，分為農業源和非農業源. 其中，農業源主要有畜禽養殖、氮肥施用、土壤本底、固氮植物和生物質燃燒等5種，非農業源主要有人體排放、工業生產、廢物處理、燃料燃燒和道路移動源等5種.

1.2 估算方法和數據來源

研究區氨排放量采用排放因子法估算，計算公式：

式中：Ei為i地區的氨排放量，t；Ai,j為i地區j排放源的活動水平；EFi,j為i地區j排放源的排放因子；γ為氮-大氣氨轉換系數，畜禽養殖取1.214，其他行業取1.0. 各排放源活動水平取自2008-2020年政府官方統計年鑒，相關數據來源見文獻[20]. 氨排放因子除個別單獨注釋引用外，其余均取自《大氣氨源排放清單編制技術指南(試行)》[27].

1.2.1 畜禽養殖

研究區納入計算的畜禽種類主要有母豬、生豬、奶牛、肉牛、羊、肉羊、兔、肉兔、馬、驢、騾、蛋雞、蛋鴨、肉雞、肉鴨、肉鵝等16類. 考慮了散養、集約化養殖和放牧3種養殖方式，以及戶外、圈舍內、糞便存儲處理和后續施肥4個糞便管理階段，計算了包括戶外、圈舍-液態、圈舍-固態、存儲-液態、存儲-固態、施肥-液態、施肥-固態共7類糞便形態的氨排放量. 散養和放牧的畜禽排泄物在室內、戶外各占50%，集約化養殖條件下畜禽排泄物在室內、戶外的占比分別為100%和0%. 豬、牛、家禽、羊和兔的非集約化占比分別為10%、5%、5%、50%和5%[28]. 馬、驢和騾等大型牲畜的排泄物在室內、戶外各占50%. 肉雞、肉鴨、肉鵝數量占肉禽比例分別為75.73%、18.65%、5.62%；雞蛋、鴨蛋數量占比分別為85%、10%[29-30]. 兔和肉兔的氨排放因子分別取0.58和0.24 kg/(d·只)[28].

1.2.2 氮肥施用

根據《全國農產品成本收益資料匯編》中大豆、花生、稻谷、棉花、小麥、油菜籽和玉米這7種主要農作物在全國的每畝化肥折純用量并結合其播種面積，得到歷年氮肥和復合肥各成分比例[20]. 從中國土壤數據庫中1:1 000 000數字化土壤圖提供的各土壤類型百分比，獲得研究區酸性和堿性土壤比例，其中福建省、江西省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區、海南省、四川省、貴州省和云南省pH≤7的土壤占比分別為94.18%、91.43%、83.03%、91.99%、72.64%、89.59%、67.37%、65.94%和81.65%. 氮肥施用實際排放因子采用校準后的基準排放因子，具體方法詳見文獻[27]，結果如表1所示.

1.2.3 土壤本底

選用研究區耕地面積作為活動水平，其排放因子為1.80 kg/hm2.

1.2.4 固氮植物

研究區廣泛種植的固氮植物主要有大豆和花生，以播種面積作為活動水平，其排放因子分別為1.05和1.20 kg/hm2.

1.2.5 人體排放

人體氨排放量與人口數量及處理條件密切相關，考慮與城市地區相比，農村地區衛生處理設施存在不完善，以農村人口結合農村衛生廁所普及率作為活動水平，排放因子取0.787 kg/人.

1.2.6 生物質燃燒

生物質燃燒主要涉及秸稈灶膛燃燒、薪柴燃燒、秸稈露天燃燒(田間堆肥)和森林(草原)火災.自2013年《大氣污染防治行動計劃》實施后，各級政府相繼出臺農作物秸稈綜合利用和禁燒政策，至2015年全國秸稈綜合利用率已達80.1%，堆肥比例為4.92%[31-32]. 因此，該研究將秸稈處置利用劃分為2個階段，分別為露天焚燒(2008-2015年)和田間堆肥(2016-2020年).

1.2.7 工業生產

氮肥生產和合成氨是主要工業生產的氨排放源，相關數據來自統計年鑒和中國產業信息網(https://www.chyxx.com)，合成氨排放因子為0.01 kg/t，氮肥生產排放因子為5.0 kg/t.

1.2.8 廢物處理

廢物處理主要分為污水處理、固廢填埋、焚燒和堆肥等，排放因子分別為0.003 g/m3、0.56 kg/t、0.21 kg/t和1.275 kg/t.

1.2.9 燃料燃燒

燃料燃燒主要分為工業和生活消耗的煤炭、油品和天然氣等燃燒過程. 根據《中國能源統計年鑒》中“能源平衡表”獲取研究區上述3種燃料的工業和生活消耗量，其中工業消耗量包括終端消費量和用于加工轉換其他能源的消費量，生活消耗量只涉及終端消費量. 燃料燃燒排放因子如表2所示.

表2 燃料燃燒源氨排放因子[33]Table 2 Ammonia emission factors from fuel combustion sources[33]

1.2.10 道路移動源

機動車尾氣中的氨是汽油車三元催化器或柴油車選擇性催化還原裝置將氮氧化物(NOx)轉化為氮氣(N2)和氧氣(O2)過程中的二次產物[34]. 機動車氨排放在人口和交通密集的城市核心區高度集中，其在北京、上海市區的氨排放貢獻率分別達86%和45%[35]，車流密集的中心城區較郊區道路高約1.12倍[36]，呈現典型的高峰現象. 機動車分為大型客車、小型客車、大型貨車、小型貨車和摩托車等5類. 排放因子和年均行駛里程如表3所示.

表3 各車型年均行駛里程和排放因子[37]Table 3 Average annual average mileages and emission factors by various types of vehicles [37]

2 結果與討論

2.1 泛珠三角區域各排放源氨排放量

2008-2020年泛珠三角區域氨排放清單如表4、圖1所示. 研究區氨排放量總體比較穩定，介于2 685.40×103～2 839.35×103t之間，年變化率為-1.42%～1.88%. 農業源占氨排放總量的92.23%～93.79%，其氨排放量介于2 476.80×103～2 654.21×103t之間，其中，畜禽養殖在氨排放總量中的貢獻率為69.46%～78.76%，并呈逐年上升趨勢，從2008年的1 865.17×103t增至2020年的2 212.28×103t，年均增長率為1.43%；氮肥施用在氨排放總量中的貢獻率為9.54%～12.67%. 非農業源占氨排放總量的6.21%～7.77%，其氨排放量介于171.35×103～212.14×103t之間，其中，人體排放的貢獻率從3.34%(89.76×103t)降至0.82%(22.95×103t)，年均下降率為-10.74%；道路移動源的貢獻率則從0.42%逐年增至1.98%，隨著近年來我國新能源汽車的推廣普及，預計今后其氨排放量將穩步下降. 相較2008年，2020年畜禽養殖和生物質燃燒的氨排放量變化較大，分別增長347.12×103t和下降174.46 ×103t，主要是由于蛋雞、肉牛和肉雞的氨排放量增幅較明顯，分別增長169.16×103、71.50×103和66.72×103t，而秸稈、薪柴燃燒和堆肥的氨排放量分別減少87.28×103、60.96×103和20.68×103t.

圖1 2008—2020年泛珠三角區域氨排放總量及各排放源貢獻率Fig.1 Total ammonia emissions and the contribution of each emission source in PPRD Region from 2008 to 2020

表4 2008—2020年泛珠三角區域各排放源的氨排放量Table 4 Inventory of ammonia emissions from different emission sources in PPRD Region from 2008 to 2020

2.2 泛珠三角區域各地區年際氨排放量

2008-2020年泛珠三角區域不同地區氨排放量如表5所示. 四川省、湖南省、云南省、廣西壯族自治區和廣東省年排放量較大，分別在675.83×103～743.71×103、369.27×103～403.64×103、340.89×103～413.04×103、331.08×103～350.49×103和312.14×103～335.00×103t之間，貢獻率分別為24.53%～27.40%、13.75%～14.25%、12.69%～14.70%、11.93%～12.67%和11.08%～12.14%. 海南省年排放量最小，為51.68×103～61.98×103t，貢獻率為1.84%～2.20%，其中主要貢獻源為畜禽養殖(68.78%～72.73%). 相較2008年，2020年云南省、福建省、湖南省、貴州省和江西省的氨排放量均有所升高，分別提高72.15×103、43.48×103、21.18×103、20.04×103和17.02×103t，四川省則下降46.75×103t，廣東省、廣西壯族自治區和海南省基本維持不變.

2.3 2020年泛珠三角區域各地區不同排放源氨排放量

2020年泛珠三角區域各地區不同排放源的氨排放量如表6所示. 由表6可見：四川省氨排放量最大，為689.07×103t，占研究區氨排放總量的24.53%；其次為云南省和湖南省，分別為413.04×103和390.45×103t，貢獻率分別為14.70%和13.90%. 農業源是各地區主要貢獻源，其氨排放量介于45.52×103～649.38×103t之間，占各地區氨排放總量的84.68%～96.15%；非農業源氨排放量介于6.16×103～39.69×103t之間，貢獻率為5.56%～15.32%，氨排放量較大的省份分別為四川省(39.69×103t)、廣東省(35.14×103t)和貴州省(33.30×103t). 廣東省道路移動源氨排放量達16.32×103t，遠高于其他地區，占研究區道路移動源氨排放量的29.35%，主要原因是廣東省小型客車保有量(2 210.65×104輛)較高，其產生的氨排放量達14.89×103t.

表6 2020年泛珠三角區域各地區氨排放清單Table 6 Inventory of ammonia emissions from various sources in PPRD Region in 2020

2.4 2020年主要貢獻源的氨排放特征

畜禽養殖是研究區最主要的氨排放源，各類畜禽在不同管理階段和地區的氨排放量如表7和表8所示.從畜禽類別看，蛋雞、肉牛和生豬是主要貢獻源，其氨排放量分別為661.75×103、339.88×103和310.97×103t，貢獻率分別為29.91%、15.36%和14.06%，馬、驢和騾等大型牲畜的貢獻率較低，僅占1.43%. 從4個管理階段看，圈舍和施肥的氨排放量較大，分別為895.60×103和881.96×103t，貢獻率分別為40.48%和39.87%. 在圈舍階段，蛋雞的氨排放量達436.70×103t，貢獻率為48.76%，其次為肉雞和生豬，貢獻率分別為12.72%和12.58%. 四川省是研究區畜禽養殖氨排放量最大的省份，為573.21×103t，貢獻率為25.91%；其次為云南省、湖南省、廣西壯族自治區和廣東省，介于10.47%～14.81%之間. 肉禽、蛋禽等禽類在廣東省、福建省、廣西壯族自治區、海南省和江西省的養殖規模較大，其氨排放量在各地區畜禽養殖排放源中的貢獻率為53.07%～73.34%，豬、牛、羊是四川省、貴州省、云南省的主要畜禽養殖氨排放貢獻源，貢獻率分別為56.97%、67.34%、75.64%. 有研究指出，在低氮施肥、綜合措施、低排放畜舍、低氮飼料和糞肥覆蓋儲存等5種減排情景下，氨排放量分別降低37.3%、32.1%、29.7%、25.6%和18.9%[38]，在飼喂階段采用酸性鈣鹽取代碳酸鈣的減排潛力最大，減排率為26%～53%[39].

表7 2020年泛珠三角區域不同畜禽種類氨排放量和貢獻率Table 7 Ammonia emissions and contribution of livestock and poultry by species in PPRD Region in 2020

表8 2020年泛珠三角區域各地區不同畜禽種類氨排放量Table 8 Ammonia emissions of different livestock and poultry by species of various provinces in PPRD Region in 2020

氮肥施用是研究區第二大氨排放源，貢獻率為9.54%，低于京津冀及周邊區域的比重(20.68%)[20]，在各地區的貢獻率介于4.75%～15.28%之間. 由表9可見：尿素是主要貢獻源，其氨排放量為260.374 16×103t，占氮肥施用氨排放量的97.17%；其次為碳銨(3.492 34×103t)和三元素復合肥(2.399 21×103t)，貢獻率分別為1.30%和0.90%；二銨(1.683 45×103t)和其他氮肥(0.255 4×103t)的氨排放量較小，貢獻率分別僅為0.63%和0.01%.廣西壯族自治區的氮肥施用氨排放量最大，占研究區氮肥施用氨排放總量的19.21%，其次為四川省、廣東省、云南省和湖南省，分別占18.88%、15.74%、14.66%和11.71%，海南省和江西省最小(分別占2.29%和3.71%). 研究[40-41]表明，農業規?；洜I是影響我國化肥使用強度的一個重要因素，戶均耕地面積每增加1%，每公頃化肥和農藥施用量將分別減少0.3%和0.5%. 因此，通過集中小型耕地形成規?；N植，可以提高農用化肥的使用效率，從而達到氨減排目的.

表9 2020年泛珠三角區域各類型氮肥氨排放量Table 9 Ammonia emissions from different types of nitrogen fertilizers in PPRD Region in 2020

2.5 2020年泛珠三角區域氨排放空間分布特征

基于ArcGIS空間分析，結合中國科學院資源環境科學與數據中心1 km×1 km人口空間分布、農村居民點分布、土地利用類型、GDP分布、道路網等空間特征標準數據，建立了2020年泛珠三角區域在農業源氨排放、非農業源氨排放和人為源氨總排放條件下的高分辨率網格化空間分布. 由圖2(a)可見，農業源氨排放高值區主要集中于四川省成都市、德陽市和綿陽市，湖南省北部和福建省東部(呈零星分布特征)，排放強度高達453.79 t/km2. 廣東省沿海地區主要以中等強度排放為主，排放強度介于19.10～93.15 t/km2之間. 由圖2(b)可見，非農業源氨排放高值區位于廣東省珠三角區域、四川省成都市、云南省昆明市、湖南省長沙市和貴州省貴陽市，最大排放強度為27.23 t/km2. 由圖2(c)可知：研究區人為源氨排放呈現顯著的空間分布差異，高值區主要集中在四川省中部地區，排放強度高達481.03 t/km2，與農業源氨排放分布趨勢相似；低值區則主要位于四川省西部的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省西北部的迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州等地區，排放強度低于1.17 t/km2. 在珠三角城市群，2006年人為源氨排放高值區主要分布在廣州市、佛山市和肇慶市等相互交界的農村地區[42]，與筆者的研究結果基本一致，這主要是由于該區域存在一定規模的畜禽養殖場且地理位置歷年相對較為固定和集中，以畜禽養殖為主的農業源在人為源氨排放分布中影響顯著.

圖2 泛珠三角區域2020年氨排放空間分布情況(1 km×1 km)Fig.2 Spatial distribution (1 km×1 km) of ammonia emissions in PPRD Region in 2020

2.6 相同地區氨排放清單比較

對比同一時期其他學者在福建省[22]、廣東省[25]和四川省[26]的氨排放清單(見表10)，筆者研究的氨排放量的計算結果分別偏低107.35×103、228.45×103和277.33×103t，差異較大的氨排放源主要為氮肥施用，筆者研究結果分別偏低98.75×103、190.72×103和156.43×103t. 分析原因主要是筆者研究中對于尿素、碳銨、其他氮肥、二銨、三元素復合肥等5種含氮化肥的排放因子基于施肥方式、施肥率、土壤酸堿性、氣溫等因素進行了本地化校正，其他學者[22,25-26]多直接引用國內文獻或國外研究成果，導致相關省份的氮肥施用氨排放量存在明顯高估現象. 例如，在四川省的研究中，文獻[26]采用的排放因子為我國不同地區不同時期下的農田作物實測所得的氮肥氨揮發率平均值[43]，筆者采用文獻[26]的排放因子計算后的氨排放量為237.88×103t，僅相差7.68×103t；在廣東省的研究中，文獻[25]采用的排放因子主要參考了奧地利國際應用系統分析學會(IIASA)編制的氨排放因子手冊[44]，筆者采用文獻[25]的排放因子計算后的氨排放量為255.71×103t，相差17.12×103t；在福建省的研究中，經上述相同方法計算后的氨排放量相差27.21×103t. 人體排放源也存在一定差異，筆者研究相較文獻[22]、文獻[25]和文獻[26]分別偏低12.11×103、31.00×103和51.91×103t，這主要是由于筆者研究以年末農村人口數為活動水平，并額外考慮了當地農村衛生廁所普及率(例如，福建省、廣東省和四川省在2013年、2010年和2012年的衛生廁所普及率分別為90.67%、85.79%和67.43%). 對于畜禽養殖、生物質燃燒、工業生產、廢物處理、燃料燃燒、道路移動源等其他排放源，清單結果總體較為一致.

表10 與其他研究中氨排放結果對比Table 10 Comparisons of ammonia emission results with other studies

2.7 不確定性分析

假設各排放源的活動水平和排放因子符合對數正態分布，利用蒙特卡羅模擬隨機運算10 000次，對2008-2020年泛珠三角區域氨排放量的不確定性進行定量評價. 在95%置信區間上，2008-2020年研究區氨排放量的不確定性總體保持不變，區間負值、正值范圍分別為-18.66%～-17.87%和20.50%～21.33%，模擬最小值和最大值分別為2 160.93×103～2 329.30×103t和3 207.04×103～3 436.48×103t. 由表11可見，2020年，研究區模擬的氨排放量平均值為2 810.28×103t，不確定度范圍為-18.08%～20.97%，相比其他學者在珠三角地區的研究結果(不確定度為-43%～50%[42]和-33%～40%[45])，筆者研究模擬結果相對較好. 各排放源的不確定度在-18.09%～21.22%之間，其中畜禽養殖和燃料燃燒的不確定度較低，分別為-7.43%～8.15%和-9.50%～10.32%.

3 結論

a) 2008-2020年泛珠三角區域氨排放量年變化率在-1.42%～1.88%之間，介于2 685.40×103～2 839.35×103t之間. 農業源占氨排放總量的92.23%～93.79%，非農業源貢獻率為6.21%～7.77%，畜禽養殖氨排放量呈逐年上升趨勢，年均增長率1.43%. 四川省、湖南省、云南省、廣西壯族自治區和廣東省的氨年排放量較大，分別占氨排放總量24.53%～27.40%、13.75%～14.25%、12.69%～14.70%、11.93%～12.67%和11.08%～12.14%.

b) 2020年，四川省氨排放量最大，為689.07×103t，占研究區氨排放總量的24.53%，其次為云南省和湖南省，分別為413.04×103和390.45×103t，貢獻率分別為14.70%和13.90%. 畜禽養殖排放源中，蛋雞、肉牛和生豬是主要貢獻源，其氨排放量分別為661.75×103、339.88×103和310.97×103t. 尿素是氮肥施用最大的排放源，其氨排放量為260.37×103t，占氮肥施用氨排放量的97.17%.

c) 2020年，泛珠三角區域氨排放呈現顯著的空間分布差異，高值區主要集中在四川省中部地區，排放強度高達481.03 t/km2. 低值區主要位于四川省西部的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省西北部的迪慶藏族自治州、怒江傈僳族自治州等地區，排放強度低于1.17 t/km2. 農業源氨排放高值區主要集中于四川省成都市、德陽市和綿陽市.

d) 對比其他學者在福建省、廣東省和四川省的氨排放清單，筆者研究中除氮肥施用排放源因采用本地化的校正排放因子計算，導致致分別偏低98.75×103、190.72×103和156.43×103t外，其余排放源的氨排放量與文獻結果總體較為一致. 在95%置信區間上，2020年氨排放量的不確定度為-18.08%～20.97%，各排放源的不確定度在-18.09%～21.22%之間.