2018, Vol. 38
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2. 上海市环境科学研究院, 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治重点实验室, 上海 200233;
3. 环境保护部华南环境科学研究所城市生态环境研究中心, 广州 510655
2. Shanghai Academy of Environmental Sciences, State Environment Protection Key Laboratory of Formation and Prevention of the Urban Air Complex, Shanghai 200233;
3. Urban Environment and Ecology Research Center, South China Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655
近年来, 我国大气污染已呈区域性、复合型特征(程钟等, 2016).大气污染物排放清单是了解地区大气污染物排放状况及其特征的重要基础资料, 而农业源排放清单调查是其中一个重要组成部分.我国对农业源大气污染物排放清单研究起步较晚(刘春蕾等, 2016), 近年来开始逐渐得到重视, 主要集中在氨排放研究领域.在全国层面, 有学者(李新艳等, 2012)根据我国不同氨源的数量、燃料消费量和相应的氨排放因子, 计算了我国大陆地区1995-2004年历年的氨排放量, 在此基础上模拟了2006-2010年的N排放量, 并分析了NH3和N排放强度的空间分布.在区域层面, 川渝地区、珠三角、长三角、江苏省均有学者建立过农业源氨的清单(李富春等, 2009；尹沙沙等, 2010；黄成等, 2011；刘春蕾等, 2016).在城市层面上, 随着国家城市清单指南的发布, 诸如南通市、重庆市、南京市、上海市、常州市、苏州市等城市均有研究者研究了农业源NH3排放情况(王平, 2012；张灿等, 2014；刘春蕾等, 2015；房效凤等, 2015；程钟等, 2016；周静等, 2016).上述研究成果对农业源氨的污染防治指导提供了有益的参考.
杭州是我国东南沿海重点城市, 但该区域农业源的大气污染物排放研究并不多.杭州市区2010年1 km×l km大气污染物排放清单中涉及到部分农业源的排放计算(叶贤满等, 2015), 但对杭州农业源氨的排放清单作高分辨率研究目前尚未见诸报道.本研究以杭州市全市域为研究对象, 基于杭州市农业2015年大数据分析, 主要调查杭州市畜禽养殖、氮肥施用、秸秆堆肥、秸秆燃烧4类排放环节, 研究NH3排放情况, 利用ArcGIS空间分析技术及杭州市区域图建立农业源氨排放的1 km×1 km高分辨率网格化清单, 分析其排放特征, 旨在为杭州市农业源的氨污染防治提供更加翔实的数据支持.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域本研究区域为杭州市全域, 包括上城区、下城区、江干区、拱墅区、西湖区、萧山区、余杭区、富阳区、滨江区、下沙经济技术开发区(简称下沙)、之江旅游度假区(简称之江)、大江东产业集聚区(简称大江东)、临安市、建德市、桐庐县、淳安县等16个区市县, 市域面积约为1.66×104 km2.
2.2 研究对象根据《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》(国家环保部, 2014)相关要求, 杭州市农业源主要涉及畜禽养殖、氮肥施用、秸秆燃烧、秸秆堆肥4类排放环节.
2.3 计算方法本研究采用排放因子法估算各类污染源排放量.排放因子法的基本结构是排放因子乘以活动水平数据, 通常如公式(1)所示:
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(1) |
式中, E为某类污染物排放量, 本研究指的是畜禽养殖量、农田氮肥施用量、秸秆堆肥、农作物秸秆焚烧.i, j分别为地区, 源类别；A为排放源活动水平, 如不同化肥施肥量(kg、t)、畜禽数量(头、只)、秸秆焚烧量等；EF为各类污染源的排放因子, 本研究为NH3的排放因子.
2.4 排放因子确定 2.4.1 畜禽养殖、秸秆堆肥和秸秆燃烧本研究中畜禽养殖、秸秆堆肥和秸秆燃烧的计算方法均参照《大气氨源排放清单研究技术指南(试行)》(国家环保部, 2014)中提供的相关方法及排放系数进行计算.秸秆堆肥和秸秆燃烧的氨排放因子采用0.32 g·kg-1和0.52 g·kg-1；本研究涉及到的母猪、生猪、奶牛、蛋禽、肉禽和肉牛(羊)在养殖过程中氨的排放因子具体见表 1.
| 表 1 畜禽养殖各阶段氨排放因子 Table 1 Ammonia emission factors at each stage of livestock and poultry breeding |
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研究表明氮肥施入土壤后, 被作物吸收利用只占施入量的30%~41%(朱兆良, 2000), 大部分损失于环境中, 其中氨挥发是肥料氮损失的一个重要途径(朱兆良, 2000; Bouwman et al., 2002; Mosier et al., 2001).农田种植氮肥施用氨排放系数的确定来自两部分:一是通过NARSES模型参考张美双等的修正方法(张美双等, 2009), 结合杭州本地的环境气象因子得到, 通过折纯氮量估算相应的氨排放量, 同时, 根据上海市试点开展的微气象学水平通量法实测研究, 对稻季麦季施肥期间的氨排放损失率进行了修正, 具体如表 2所示, 因此本研究氮肥施用的排放因子采用0.1494 kg·kg-1.
| 表 2 稻季氨排放通量特征和排放量的比较 Table 2 Comparison of the flux characteristics and emissions of the rice season |
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畜禽养殖、氮肥施用数据均来自杭州市各区县市农业局的统计调查库数据, 其中畜禽养殖调查统计内容主要包括养殖场所属区县、镇别、养殖场名称、经纬度位置、畜禽种类、养殖规模、存栏天数、圈舍粪便量(液态、固态)、粪便堆肥量等, 经过采集、导入和预处理共挖掘整理7167条有效数据.氮肥施用调查统计库主要包括区县名称、镇别、种植/施肥面积、化肥类型、施肥量、N折纯量、施肥周期等内容, 经采集、导入和预处理共挖掘整理4522条有效数据.
秸秆堆肥和秸秆燃烧量来自杭州市农业局对农作物秸秆资源状况的统计及对农作物秸秆综合利用的统计情况.调查内容包括:区县市名称、农作物秸秆合计量、农作物产量, 及秸秆产生量(分水稻、麦类、玉米、豆类、薯类、油菜、棉花、甘薯、蔬菜、果用瓜)、用作堆肥量、用作饲料量、用作食用菌基料量、用作能源量、用作炊事燃料量和用做其他量.经采集、导入和预处理共挖掘整理相关数据300余条.
2.6 空间分配方法本研究将排放源分为点源和面源, 采用GIS工具对各类排放源进行空间分配, 空间分配的网格精度为1 km×1 km.其中, 畜禽养殖场污染源根据经纬度信息按点源在GIS中进行落地, 秸秆堆肥、氮肥施用、秸秆焚烧等农业源为面源, 主要以1 km×1 km精度的土地类型参数作为空间权重因子进行分配.数据统计分析采用SPSS17.0和Office2016等相关软件.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 活动水平分析 3.1.1 畜禽养殖本研究着重考虑重点畜禽养殖源氨排放状况, 综合各类划分方法, 这里将主要畜禽养殖源分为母猪、生猪、奶牛、蛋鸡、肉鸡、肉牛(羊)6大类, 根据收集到的数据, 具体各区县数量如表 3所示.
| 表 3 2015年杭州各区县主要畜禽存栏、出栏数量(头、羽/年) Table 3 Number of major livestock and poultry deposits and slaughter in Hangzhou, 2015(head, feather/year) |
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由表 3可见, 杭州各区县市养殖业各有特色, 其中建德市养殖量最大, 主要类型是蛋禽类；萧山区肉禽类数量比较多, 余杭区主要养殖胡羊, 而临安市养殖数量相对较少.
3.1.2 农田种植通过杭州市农业部门提供的数据来源获得各区县氮肥折纯量水平, 如表 4所示.
| 表 4 2015年杭州各区县氮肥折纯量使用数量 Table 4 Amount of nitrogen fertilizer used in quantity in Hangzhou, 2015 |
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可见, 氮肥施用活动水平较高的区县分别为萧山区、建德市、淳安县, 主城区城市开发进程比较大, 农田已经很少, 整个主城区氮肥施用水平则较低, 总量为1135 t·a-1.
3.1.3 秸秆堆肥杭州市秸秆目前主要用作肥料、饲料、食用菌基料、能源及其它, 据统计秸秆用作肥料的量有75.6×104 t, 各区县堆肥情况见图 1.萧山区、富阳区和余杭区的秸秆堆肥量相对较大.
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| 图 1 2015年杭州市各区县市秸秆堆肥情况 Fig. 1 Amount of straw compost in Hangzhou, 2015 |
2015年杭州市秸秆主要来自水稻、麦类、玉米、豆类、油菜、甘蔗和蔬菜等, 产生量为128.88×104 t, 秸秆综合利用量为117.64×104 t, 主要用作肥料、饲料、食用菌基料、能源及其他, 秸秆焚烧量为11.24×104 t, 见表 5.秸秆焚烧主要散布在城郊区县.
| 表 5 秸秆产生和利用情况 Table 5 Amount of straw for production and utilization |
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表 6给出了杭州市2015年农业源氨排放量.畜禽养殖氨排放是杭州市农业源NH3最大排放贡献源, 占总排放量86.7%；种植业氮肥施用氨挥发是农业源氨第二大排放源, 达12.8%；两者排放量之和占农业源氨排放总量的99%以上.这主要是由于杭州地区对畜禽日常消费需求较高, 活动水平数据大, 而且畜禽源氨排放因子相对较大；另外由于我国氮肥施用主要是尿素和碳酸氢铵, 也较容易以氨的形式挥发.具体各排放源氨分担率见图 2.
| 表 6 2015杭州市年各类农业源氨排放清单 Table 6 Agricultural NH3 emission inventory in Hangzhou, 2015 |
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| 图 2 杭州市农业源氨排放各类源分担率状况 Fig. 2 Emission contributions of Agricultural ammonia |
表 7给出了各区县畜禽养殖源的氨排放量, 可见建德市畜禽养殖氨排放量最大, 占畜禽养殖氨排放总量的62.2%, 其次为余杭区和萧山区, 分别占比为12.1%和9.1%.显然, 控制畜禽养殖氨排放应重点抓上述3个地区的污染防治.通过分析畜禽粪便在圈舍内、贮存过程及作为肥料施肥等3个过程氨的排放强度, 在圈舍过程中氨的排放最为显著, 占畜禽养殖排放总量的52.8%, 其次为存贮过程, 占35.1%, 应重点控制圈舍和存贮两个过程氨的排放.固态畜禽粪便氨排放强度均显著高于液态, 因此应该结合不同形态来控制氨的排放.
| 表 7 2015年杭州各区县主要畜禽氨排放量水平 Table 7 Ammonia discharge of major livestock and poultry by districts and counties and cities in Hangzhou, 2015 |
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图 3给出了养殖场实际点位的氨排放量1 km×1 km空间分布图.其更加直观显示畜禽养殖氨排放量大的点位主要分布于建德市、余杭区和萧山区, 根据活动水平调查发现这3个地区的养殖场比较多, 分别有281家、110家和300家, 其中建德大型养殖场分布较多, 氨年排放量在150 t以上的养殖场, 建德市、余杭区、萧山区分别有51家、6家和3家.应加强重点地区大型养殖场的氨排放污染防控.
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| 图 3 2015年杭州各区县市畜禽养殖排放分布 Fig. 3 Distribution of the ammonia emission of livestock and poultry by districts and counties and cities in Hangzhou, 2015 |
表 8给出了各区县种植业氨的排放量.萧山区是种植业氨排放量最大的区域, 占种植业氨排放总量的24.2%, 其次贡献区域为建德市、临安市和余杭区, 占比分别为20.6%、15.2%和12.6%.
| 表 8 2015年杭州市各区县市种植业氨排放清单 Table 8 Ammonia emission inventory of crop farming by districts and counties and cities in Hangzhou, 2015 |
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图 4给出了种植业氨的排放空间分布图, 由图可知, 杭州种植业氨排放强度高主要分布在杭绍甬运河两岸陆域、浦阳江两岸陆域、钱塘江两岸陆域、苕溪两岸陆域范围, 种植业因水而兴的特征较为明显.但千岛湖陆域总体排放较低, 主要是由于该地区地形地貌均为山体分布, 不适宜种植.
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| 图 4 2015年杭州各区县市农田种植氨排放分布 Fig. 4 Distribution of ammonia emission in farmlandg by districts and counties and cities in Hangzhou, 2015 |
图 5给出了杭州市各区县市各类农业源氨排放量.杭州市不同区域经济发展和产业布局的差异, 使得主城区及各区县市农业源氨排放水平及来源构成也呈现不同特征.建德市农业源氨的排放量贡献最大, 占杭州农业源排放总量的56.7%, 其次为余杭区和萧山区, 分别占12.1%和11.1%, 淳安县、桐庐县和临安市基本相当, 主城区相对排放量小.因此, 控制农业源氨的排放, 应重点控制建德市、余杭区和萧山区, 其中又以突出控制畜禽养殖和农业种植为主.
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| 图 5 2015杭州市各区县市各类农业源氨排放清单 Fig. 5 Agricultural ammonia emission inventory by districts and counties and cities in Hangzhou, 2015 |
衡量某个地区污染物排放情况不仅要考虑该地区的排放总量, 同时也应该结合该地区的排放强度, 更准确地反应该区域的污染情况(王平, 2010).图 6a~6b比较可知, 无论是排放总量还是单位面积排放强度, 建德市、余杭区和萧山区均为杭州农业源氨排放的的主要贡献者.图 6c~6j可知, 比较排放总量和排放强度, 建德市排放强度贡献比其排放总量的贡献降低, 而萧山区和余杭区的排放强度贡献比其排放总量的贡献增大, 表明控制农业源氨排放应按区域分类施策, 畜禽养殖首要控制建德市, 农田种植和秸秆堆肥优先控制萧山区, 秸秆焚烧重点抓余杭区.
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| 图 6 2015年杭州市农业源氨排放总量及排放强度分担率对比图 (a.农业源氨总排放量, b.农业源氨总排放强度, c.畜禽养殖氨排放量, d.畜禽养殖氨排放强度, e.农田种植氨排放量, f.农田种植氨排放强度, g.秸秆堆肥氨排放量, h.秸秆堆肥氨排放强度, i.秸秆焚烧氨排放量, j.秸秆焚烧氨排放强度) Fig. 6 Contrast between ratio of total amount of ammonia emission and the ratio of emission intensity in hangzhou, 2015 |
本研究将农业源氨排放与杭州市往年的研究以及近年来其他城市进行比较, 结果见表 9.
| 表 9 典型城市农业源氨排放清单比较 Table 9 Agricuhural ammonia emission inventory in typical cities |
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由表 9可见, 与杭州市2010年的研究结果相比, 本研究氨排放总量较大, 主要因本研究范围包括所有行政区域, 但来源构成基本相似.比较其它城市, 各地农业源氨排放总量存在较大差异性, 主要是由于不同研究时间的各城市农业产业结构、活动水平数据差异导致.但从各类农业源氨总量排放贡献的比例来看, 各城市的研究结果基本相似, 畜禽养殖和氮肥施用是最主要的排放贡献源, 均占排放总量的90%以上, 说明降低农业氨源排放应首要解决畜禽养殖和氮肥施用氨排放问题.
4 结论(Conclusions)1) 根据前期的研究成果, 杭州市2015年大气氨排放总量为6.01×104 t, 其中农业源氨排放达到5.48×104 t, 占杭州市总氨排放量的90.0%以上.畜禽养殖氨排放是杭州市农业源NH3最大排放贡献源, 占总排放量86.7%；种植业氮肥施用氨挥发是第二大排放源, 占12.8%；两者累计占农业源氨排放总量的99.0%.秸秆堆肥和秸秆焚烧与秸秆综合利用率高低密切相关, 两者氨排放量占有率不高, 占杭州市农业源氨排放总量的1%以下.
2) 由于杭州市不同区域经济发展和产业布局的差异, 建德市、余杭区、萧山区氨排放量分别占杭州农业源氨排放总量的56.7%、12.1%和11.1%.从排放强度分析, 控制农业源氨排放应按区域分类施策, 畜禽养殖首要控制建德市, 农田种植和秸秆堆肥优先控制萧山区, 秸秆焚烧重点抓余杭区.
3) 在畜禽养殖各主要环节的氨排放过程中, 贡献较大的主要为圈舍和粪便存储过程的氨排放.其中, 圈舍固态粪便的氨排放贡献量最大, 占总氨排放量的52.8%；其次是存储固态, 占总氨排放量的35.1%, 对于这两大环节的氨排放控制应予以重视和加强.
4) 萧山区、建德市、临安市、余杭区依次是杭州市氮肥施用氨排放量最大的4个地区, 其排放分担比例分别为24.2%、20.6%、15.2%、12.6%, 氨排放总量占到全市农田种植氨排放的72.6%.
5) 各城市的研究结果总体相似, 畜禽养殖和氮肥施用是最主要的排放贡献源, 均占排放总量的90%以上, 农业氨源排放应重点控制畜禽养殖和氮肥施用氨排放.
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