陈雯，薛志钢，营娜，张皓，续鹏，杨丽，杜谨宏，石应杰

环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

氨是大气中唯一的碱性气体，是二次无机气溶胶重要的前体物[1]，可以与大气中的酸性气体(如硝酸、硫酸)反应生成硝酸铵和硫酸铵[2]，二次硫酸盐、硝酸盐质量占PM2.5的25%～60%[3]。这些细颗粒物会导致区域性重污染天气[4]；提高心血管疾病与呼吸系统疾病的发病率与死亡率[5]；通过影响光散射降低大气能见度[6]；直接散射太阳短波辐射、改变云的短波反射性质来增加行星反照率，从而产生行星冷却效应[7]；大气中的氨对气溶胶粒子的成核具有重要影响[8-9]。此外，排放到大气中的氨会通过干沉降、湿沉降的方式进入土壤和水体[10]，导致土壤酸化[11]、水体富营养化[12]，影响生态系统质量。

为了控制环境污染，建立氨排放清单十分必要。众多学者采用自下而上的排放因子法对我国氨排放量进行了估算，揭示了畜禽养殖与氮肥施用是最主要的排放源。如Zhao等[13]对亚洲的氨排放进行了估算，发现农业氨排放主要来源于畜禽养殖、氮肥施用、能源消耗。Huang等[14]研究了中国2006年覆盖畜禽养殖等10个源的氨排放清单，结果表明畜禽养殖与氮肥施用是较大的2个排放源。Zhang等[15]通过自上而下、自下而上相结合的方法建立了中国2008年氨排放清单，发现夏季氨排放量比春季、秋季高约50%。Ma[16]研究发现，1978—2017年我国氨排放量增加了102%，人口增长是重要的驱动因子。Xu等[17]为了提高氨排放量估算的准确性，建立了更为精细的氮肥施用排放因子。除了建立中国氨排放清单，一系列学者开展了区域尺度和城市尺度的氨排放研究。如董艳强等[18-20]对长江三角洲、珠江三角洲、京津冀地区的氨排放清单进行了研究，均发现畜禽养殖与氮肥施用是最主要的氨排放源。覃思等[21-23]对湖北省、江苏省、河南省的氨排放进行了年际变化分析和地理单元分析。刘春蕾等[24-26]建立了南京市、苏州市、西安市更为详细的氨排放清单。此外，董婧等[27]对不同季节北京市某农业区域大气环境氨浓度进行了监测，发现养殖场和有机肥料厂为该区域最重要的氨排放源，且氨浓度呈现明显的季节、昼夜变化。以上研究分别从国家、区域和城市角度揭示了农业源，尤其是畜禽养殖与氮肥施用是较大的氨排放源，因此笔者聚焦于分析农业氨排放，建立农业氨排放清单。

黄淮平原位于河南省东部、山东省西部黄河以南及安徽省、江苏省淮河以北地区，主要由黄河、淮河下游泥沙冲积而成，地势低平、湖泊众多。黄淮平原以亚热带季风气候与温带季风气候为主，四季分明、土壤肥沃，稻麦一年两熟，盛产棉花、花生、大豆等经济作物；豫鲁皖苏四省畜牧产值位居全国前列，为全国各地输送大量的肉奶禽蛋产品，是我国重要的农牧业生产基地。研究表明[13-27]，以畜禽养殖与氮肥施用为主的农业源是氨排放最主要的来源，因此对于种植业和养殖业都发达的地区而言，建立农业氨排放清单，可为政府部门制定合适的大气氨污染控制措施提供理论依据。亳州市居于黄淮平原中心，种植业和养殖业都较为发达，但亳州市农业氨排放清单的相关研究较为鲜见，因此，笔者以亳州市为例，研究该市氨排放结构、空间分布、变化趋势及不确定性，以期为黄淮平原城市农业氨排放特征研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

亳州市地处黄淮平原中部(115°53′E～116°49′E，32°51′N～35°05′N)，土地面积为852 120 hm2，包括涡阳、蒙城、利辛和谯城3县1区。亳州市土壤肥沃，粮食作物以小麦、玉米、大豆为主，平原地势与暖温带半湿润季风气候为农牧业发展提供了良好的基础，是安徽省重要的农产品出口基地。该市地形、气候、土壤等自然条件与农牧业发展水平在黄淮平原具有代表性。

1.2 研究方法

亳州市农业氨排放清单的计算采用自下而上的排放因子法，估算亳州市氮肥施用、畜禽养殖、固氮植物、土壤本底、秸秆堆肥、人体粪便6类农业源的氨排放量。排放因子主要参考2014年原环境保护部发布的《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》[28]及国内外相关研究成果，优先选择本地化、认可度较高的排放因子。计算公式如下：

(1)

式中：E为氨排放量，t；i为地区；j为源类别；A为农业源活动水平，t或头、m2、人；EF为排放因子；γ为氮-大气氨转换系数，畜禽养殖取1.214，其他排放源取1.0[22]。

1.2.1氮肥施用

我国是一个拥有广袤农业用地和传统耕作方式的农业大国，每年需消耗氮肥超过20×106t。研究表明[29]，肥料中10%～30%的氮会通氨挥发的方式损失。氨的挥发主要取决于氮肥种类、土壤酸碱度、施肥方式、使用量、用水量及当地温度[17]。2011—2018年亳州市的月均气温及年均气温来自《亳州市统计年鉴》，全国年均气温来自中国气象局年气候公报，土壤酸碱度及施肥方式来自当地农业农村局。将氮肥归为尿素、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、其他氮肥5种，采用Xu等[17]的环境修正因子对氮肥排放因子进行修正：

EFk=EFωk×AFpH×AFmethod×AFrate×AFwater×AFtemp

(2)

式中：EFk为特定条件下的排放因子；EFωk为k类氮肥的排放因子参考值；AFpH、AFmethod、AFrate、AFwater、AFtemp分别为不同土壤酸碱度、施肥方式(包括覆土深施和表面撒施)、使用量、施水时间与施水量及环境温度下的修正因子。具体参数见表1。

表1 氮肥施用排放因子(EFωk)与修正系数[17]Table 1 Emission factors(EFωk) and correction coefficients of nitrogen fertilizer application

1.2.2畜禽养殖

畜禽养殖是为了获得各种畜禽产品而从事的动物饲养活动，是大气中氨排放的重要来源[30]。研究表明[31]，1980—2012年畜禽养殖是我国氨排放的最大来源。畜禽粪便管理阶段包括户外、圈舍内、粪便存储处理和后续施肥。畜禽排泄物释放的大气氨包含户外、圈舍-液态、圈舍-固态、存储-液态、存储-固态、施肥-液态、施肥-固态7个部分。由于畜禽排泄物释放的氨受畜禽种类影响，所以确定养殖畜禽的种类是构建畜禽氨排放清单的关键[21]。根据《安徽省统计年鉴》及《亳州市统计年鉴》获得奶牛、肉牛、马、驴、骡、肉猪、母猪、山羊、蛋鸡、蛋鸭、肉鸡、肉鸭等12个子排放源的活动水平。对于饲养周期大于1年的畜禽(如奶牛、母猪、蛋禽等)，选用年末存栏数作为畜禽活动水平；对于饲养期小于1年的畜禽(如肉猪、肉牛、肉禽等)，选用当年出栏量作为活动水平。由于年末出栏的黄牛一般计于肉牛的年末存栏数中，因此用当年出栏量作为肉牛的活动水平[30]。由于《亳州市统计年鉴》中只对蛋禽、肉禽总量进行了统计，故根据当地农业农村局统计的2018年蛋鸡、蛋鸭、肉鸡、肉鸭活动水平，对2011—2018年的畜禽量进行推算。

1.2.3固氮植物

我国种植最广泛的固氮植物是大豆、花生、绿肥，其活动水平即3种植物的年种植面积，由于《亳州市统计年鉴》中缺少绿肥种植的数据，故只考虑大豆、花生的氨贡献。大豆、花生的氨生产系数分别为1.05×10-4与1.2×10-4kg/(m2·a)[28]。

1.2.4土壤本底

土壤中生物参与有机物分解排泄出氨或形成易水解为氨的氮类化合物[21]，土壤本底活动水平为2011—2018年亳州市年初耕地面积，氨产生系数为1.8×10-4kg/(m2·a)[28]。

1.2.5秸秆堆肥

可用于秸秆堆肥的农作物有8种，分别为水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、花生、油菜籽和其他粗粮[32]，本研究暂不考虑其他粗粮用于堆肥对氨排放的贡献。根据《亳州市统计年鉴》提供的堆肥作物的经济产量，通过下式计算用于堆肥的秸秆量：

Ma=Na×Pa×R

(3)

式中：a为农作物种类；Ma为用于堆肥秸秆量，t/a；Na为农作物谷草比；Pa为农作物经济产量，t/a；R为秸秆施肥比例，亳州市取12%[33]。

1.2.6人体粪便

人体排放氨主要通过呼吸、汗液、粪尿排出[19]，其排放量与人口数量及卫生处理设施水平有关。由于呼吸和汗液排放量较少，故仅计算排泄粪便产生的氨排放量。此外，我国城市地区大多具有卫生处理措施，且人体排泄氨在污水处理中计算，因此该部分仅基于农村常住人口计算。

1.3 数据来源

土壤本底活动数据来自2011—2018年《安徽省统计年鉴》，畜禽养殖、氮肥施用、秸秆堆肥、固氮植物、人体粪便等活动数据来自亳州市农业农村局及2011—2018年《亳州市统计年鉴》，具体数据见表2。

表2 亳州市6类农业源的活动水平数据Table 2 Activity level data of six agriculture sources in Bozhou City

2 结果与分析

2.1 2018年亳州市农业氨排放特征

2018年亳州市农业氨排放清单如表3所示。由表3可见，6类源氨排放总量为27 529.19 t/a，其中排放量最大的是畜禽养殖，为18 943.89 t/a，贡献率达68.81%。亳州市养殖业发达，主要物种饲养量较大，使得畜禽养殖源的氨排放贡献率较大。其次是氮肥施用，排放量为4 637.73 t/a，贡献率为16.85%。亳州市氮肥年施用量为6×104t/a左右，以尿素为主，挥发率较高，因此氮肥施用的氨排放量也较大。

表3 2018年亳州市农业氨排放清单Table 3 Agricultural ammonia emission inventory by categories in Bozhou City in 2018

鉴于畜禽养殖源在农业氨排放中贡献率较大，对该源中不同物种的氨排放贡献率进行单独分析，结果如图1所示(贡献率小于0.1%的源在图中不予显示)。从图1可以看出，畜禽养殖源中氨排放贡献率较大的前三位依次是母猪、山羊、奶牛，分别为31.25%、20.34%、19.62%。蛋禽中贡献率最大的是蛋鸡，为10.05%。

图1 2018年亳州市畜禽养殖源氨排放贡献率Fig.1 Contribution rate of livestock and poultry breeding in Bozhou City in 2018

2.2 2018年亳州市农业氨排放空间结构

亳州市2018年农业氨排放空间分布如图2所示。从图2可看出，利辛县与谯城区的氨排放总量较大，蒙城县与涡阳县的氨排放总量较小。6类排放源中，固氮植物、秸秆堆肥、土壤本底3类源的氨排放量与耕地面积有关，从《亳州市统计年鉴》中得知，涡阳县的耕地面积最大，导致该地区的固氮植物、秸秆堆肥、土壤本底3类源氨排放量较大。氮肥施用氨排放量与氮肥施用量有关，谯城区氮肥施用量最大，因此该源氨排放量的最大值出现在谯城区。根据式(1)可知，人体排泄所导致的氨排放量与农村常住人口成正比，而谯城区的农村常住人口最多，所以该源氨排放量最大值出现在该区。畜禽养殖的氨排放量与畜禽养殖量、畜禽种类有关，利辛县拥有大量的肉禽、蛋禽饲养厂，对氨排放贡献较大的奶牛、山羊饲养量也最大，导致利辛县畜禽养殖氨排放量占全市的35%。

图2 2018年亳州市各区县农业氨排放量来源统计Fig.2 Source statistics of agricultural ammonia emissions in various districts and counties of Bozhou City in 2018

2.3 2011—2018年亳州市农业氨排放量的变化趋势

利用排放因子法得到2011—2018年亳州市农业氨排放量的变化趋势(图3)。从图3可以看出，2011—2018年，亳州市农业氨排放量呈先上升后下降的趋势，畜禽养殖与氮肥施用一直是亳州市农业氨排放主要的2个源，历年合计贡献率为85%～90%。总体来看，亳州市农业氨排放量在2011—2014年小幅上升，由35 097.97 t/a升至38 441.13 t/a，年增长率为3.18%，主要体现在畜禽养殖氨排放，年增长近1 000 t；2015—2017年，氨排放量变化不大；2018年降至27 529.19 t/a，较2017年的降幅为11 172 t，其中畜禽养殖氨排放量下降了11 159 t。这主要是因为在2018年安徽省爆发非洲猪瘟，挫伤了养殖户的积极性，生猪产能严重下滑[34]，并且2018年亳州进行畜禽规模养殖场整改，环保不达标企业关停，使得饲养量出现不同程度的降幅，氨排放量也随之下降[35]。

图3 2011—2018年亳州市农业氨排放量变化趋势Fig.3 Variation trend of agricultural ammonia emissions in Bozhou City from 2011 to 2018

2.4 不确定性分析

排放清单的不确定性主要来自排放因子和活动水平数据。活动水平数据主要来自2011—2018年《亳州市统计年鉴》《安徽省统计年鉴》与亳州市农业农村局；排放因子主要采用文献[17，28]中的推荐值。利用蒙特卡罗模拟法分析2011—2018年亳州市农业氨排放清单的不确定性，通过Crystal Ball软件设置排放源活动水平与排放因子等参数，基于活动水平与排放因子的概率分布类型进行不少于10 000次的随机重复抽样，将输入参数的不确定性传递给输出结果，以量化结果的不确定性[36]。不确定性分析结果如图4所示。从图4可以看出，2011—2018年亳州市农业氨排放清单的不确定性为-22%～26%，清单不确定性较小，其中不同年份的不确定性水平变化较小。畜禽养殖的不确定性最大，为-22%～26%；其次是秸秆堆肥与氮肥施用，不确定性分别为-22%～25%和-19%～21%。畜禽养殖的不确定性最大，主要是由于畜禽养殖部分缺少集约化养殖资料，本研究默认集约化养殖比例为100%，另外，《亳州市统计年鉴》中缺少蛋禽、肉禽详细种类数据，根据2018年亳州市农业农村局提供的蛋禽、肉禽数据推算出2011—2018年蛋鸡、蛋鸭、肉鸡、肉鸭饲养量，这增加了排放清单结果的不确定性。秸秆堆肥缺少其他粗粮数据也会对结果造成一定影响。此外，氮肥施用的不确定性主要来自计算时采用的推荐因子值，涉及多种排放因子修正参数，不同参数间不确定性的传递导致了氨排放结果不确定性较大。土壤本底、固氮植物、人体粪便的活动水平数据皆来自《亳州市统计年鉴》，数据来源可靠且推荐因子无需修正，因此不确定性相对较小。

图4 ±95%置信区间下各类源氨排放的不确定性Fig.4 Uncertainty in emission estimation of ammonia from various sources under ±95% confidence intervals

2.5 毫州市与其他地区氨排放清单比较

为进一步阐述农业氨排放清单的合理性，将亳州市农业氨排放清单与其他地区清单结果进行对比，考虑到地理位置、地形区别，选取商丘市[23]、周口市[23]以及合肥市[37]、南京市[24]、苏州市[25]等城市作为参考，其中，商丘市、周口市位于黄淮平原，合肥市位于江淮平原，苏州市、南京市位于长江下游平原，对比结果如表4所示。从表4可以看出，各市农业氨排放清单受到养殖规模、耕地面积等活动水平影响，排放量存在一定差异，但隶属于同一平原的城市氨排放特征具有一致性。如畜禽养殖与氮肥施用是各地区最主要的氨排放来源，在地处黄淮平原的亳州市、商丘市、周口市的农业氨排放清单中，畜禽养殖与氮肥施用的氨排放量在农业氨总排放量中的占比均在80%以上；而南京市、苏州市位于长江下游平原，城镇化水平高，第二、三产业占比大，农牧业发展相对较弱，畜禽养殖与氮肥施用的氨排放量在农业氨排放量的占比较低，为58%～69%。氮肥施用方面，亳州市农业氨排放量与合肥市、商丘市、周口市相差较大，主要是因为氮肥施用量差异所致，畜禽养殖氨排放受养殖规模与养殖结构的影响，亳州市主要物种饲养量与合肥市相近，大于南京市、苏州市，但远小于商丘市与周口市，这也使得亳州市畜禽养殖的氨排放量与合肥市呈现相似规律。土壤本底由耕地面积决定，亳州市与合肥市耕地面积接近，是南京市的2.5倍，使得亳州市与合肥市氨排放量接近，与南京市氨排放量差异较大。值得注意的是，亳州市与合肥市秸秆堆肥的氨排放量存在较大差异，尽管两市主要作物产量接近，但在清单计算时选取了不同的堆肥比例，对秸秆堆肥氨排放量造成了一定影响。固氮植物氨排放受大豆、花生产量的影响，亳州市主要作物产量都远大于合肥市、南京市，使得亳州市固氮植物氨排放量也远大于合肥市、南京市。人体粪便氨排放与各市农村常住人口有关，南京市受到高度城市化的影响(城镇化率在80%以上)，农村常住人口数最少，且部分农村卫生设施完善，人体粪便氨排放量最低；亳州市农村常住人口高于南京市，低于商丘市与周口市，使得亳州市人体粪便氨排放量大于南京市、小于商丘市与周口市。此外，不同城市在清单编制时采用了不同的计算方法，也会对结果有所影响，如氮肥施用中，南京市、苏州市、合肥市根据文献[28]提供的排放因子推荐值计算氨排放量，亳州市采用文献[17]提供的计算方法，商丘市、周口市则根据文献[38]的排放因子公式计算氨排放量。因此，今后还需在国内进行大量实测和研究，建立统一的计算方法和本地化因子库。

表4 不同城市农业氨排放清单Table 4 Inventories of agricultural ammonia emissions in different cities

3 结论

(1)亳州市2018年农业氨排放总量为27 529.19 t/a，畜禽养殖与氮肥施用是氨排放的主要来源，排放量分别为18 943.89、4 637.73 t/a，占氨排放总量的85.66%。在畜禽养殖中，母猪、山羊、奶牛对畜禽养殖的贡献率较大，分别为31.25%、20.34%、19.62%。

(2)从亳州市农业氨排放的空间分布特征来看，利辛县氨排放总量最大，蒙城县氨排放总量最小。涡阳县固氮植物、秸秆堆肥、土壤本底3类源的氨排放量较大，谯城区氮肥施用、人体粪便氨排放量较大，利辛县畜禽养殖氨排放量较大。

(3)从年际变化趋势来看，亳州市氨排放量在2011—2014年小幅上升，由35 097.97 t/a升至38 441.13 t/a，年增长率为3.18%;2015—2017年，变化不大；2018年降至275 29.19 t/a。

(4)对亳州市2011—2018年农业氨排放清单进行不确定性分析，结果表明，6类农业源的不确定性为-22%～26%，清单不确定性较小。