海峡两岸休闲农业发展(海南)研
农业氨排放估算方法研究进展
加强农业农村科技人才的培养
调度农业产业结构调整工作
聚焦农业农村优先发展

农业氨排放估算方法研究进展

2020-10-31 15:10 主页 来源:未知
农业氨排放估算方法研究进展

 


 

来源:《生态学报》2018年22期

作者:李静1,3,* ,曾伟斌2,周翼飞2,陈心宇2

单位:1.中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室; 2.南昌大学资源环境与化工学院; 3.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室

摘要:农业大量施用氮肥以及持续扩大的禽畜养殖业是我国氨污染的最大来源。近年来大气环境问题备受关注,氨排放研究的重要性日益凸显,如何客观、科学定量的评估我国区域氨排放的问题尤为重要。通过检索已报道的国内外氨排放估算的研究进展,对我国的氨排放研究进行梳理,比对了氨排放主要估算方法的特点,对其所使用数据类型、获取途径,参数的定量取值方法及不确定性产生等方面进行了分析。针对国内氨排放估算存在计算方法单一,排放因子本地化不足等问题,提出了进一步改善的意见和建议。研究结果以期为我国做好氨排放控制基础研究,开展控制技术试验,制定相关政策文件,加强政府引导和扶持等提供科学依据。

农牧业源是农业活动直接排放氨(NH3)的排放源的统称, 包括畜禽养殖、化肥施用、生物质燃烧、秸秆堆肥等方面。在实际研究农业氨排放过程中, 往往也包括了人体粪便这一排放源。已有研究表明, 我国大气氨排放主要来自化肥施用与畜禽养殖, 两者排放量之和占人为源氨排放总量比值达80%。农业生态系统的氨排放是全球氮素循环的重要组成部分, 在使农作物营养物质大量流失的同时, 也对环境产生了重要的影响。作为大气中唯一的常见气态碱, NH3易溶于水, 能与大气中硫酸气溶胶能够形成(NH4)2SO4或NH4HSO4, 这些二次颗粒物的产生对大气PM2.5污染和霾的形成有着重要影响。高层大气中氨参与了一系列自由基反应, 氨的排放量也存在加剧温室效应的可能性。此外, 氨在土壤酸化及水体富营养化上也有着直接或间接的影响。

从20世纪末开始, 国内外学者对NH3排放清单及其对大气污染影响的研究越来越多, 也出现较多关于农业氨排放的研究工作。在欧洲及美国, 畜禽养殖和氮肥施用的NH3排放量占总排放量的80%-90%, 在大部分亚洲国家二者则占到总量的77%左右。同时, 相关行政部门建立了包括NH3在内的排放清单。具有代表性的氨排放研究中, Paina等采用排放因子法估算了英国农业氨排放量, 该地区全年农业氨排放量为197 Gg, 畜禽养殖与化肥施用氨排放分别占排放总量的31%和16%。在实际过程中, 面对较为复杂的生态系统氮循环, 模型法在综合考虑氨的排放、迁移、转化过程时, 具有一定优势。目前, 国外使用广泛的模型估算法由早期的排放因子法发展而来。英国开发的国家氨减排措施评价体系(Nation Ammonia Reduction Strategy Evaluation System, NARSES), 是一个用于估算农业氨排放规模、时空分布规律以及检测相关政策方案实行可能性的模型。1991年农业氨排放被加入其中的区域空气污染信息和模拟模型(Regional Air Pollution Information and Simulation Model, RAINS Model), 由国际应用系统分析学会(IIASA)开发。Klimont运用RAINS模型对1990年和1995年中国氨排放总量进行估算, 结果显示, 1990与1995年中国氨排放总量为970万t和1170万t, 预计到2030年NH3的排放量将增加到近2000万t。氨排放主要贡献来自氮肥施用和牲畜, 分别占90年代总排放量的52%和41%。化肥施用氨排放的比例预计在2030年将增加到约61%, 而牲畜的份额则下降到33%。Streets等基于RAINS模型, 参考了Klimont等的计算方法, 估算2000年的中国NH3排放量为13.6Tg, 其中50%来自化肥施用, 占农业氨排放的88%。丹麦的氨排放清单体模型(Danmark Ammonia Emission Inventory Model, DanAm), 在建立各排放源排放因子时, 考虑了季节因素对排放因子的影响, 同时化肥氮施用的氨排放因子为综合试验结果与经验值得到。除此之外, 由政府间气候专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)提供的IPCC方法(活动水平数据模型)是目前国际上应用最广泛的模型, 其划分了详细的氨排放源, 给出了各种氨排放源和氨排放估算的指导方法, 同时提供了大量全球各地可以选用的默认参数及排放因子。目前, 欧洲国家定期报告氨排放量估算, 并承诺按照规定的路径实现国家排放限额。在美国, 一些报告中有排放要求, 美国环境保护局最近提出将氨纳入空气质量标准。对于发展中国家来说, 近五年来发表的关于氨排放的研究越来越多, 尤其是在中国。尽管如此, 对于南美洲而言, 关于氨排放量的唯一信息是全球数据库中报告的信息。最近关于拉丁美洲和加勒比地区短期气候污染物的研究报告(只有摘要可供利用), 采用GAINS模型以及国家一级的信息估算了氨排放量。

氨减排问题随着我国环境问题的凸显, 显得愈来愈重要, 如何客观、科学定量的评估我国区域氨排放量的问题尤为重要。因此, 本研究在查阅国内外相关研究的基础上, 从国内氨排放的估算方法发展历程、估算必需的数据类型与来源、参数取值以及不确定性产生等方面, 比较了具有代表性的氨排放研究方法与结果, 并与国外研究进行对比, 提出了使区域氨排放估算进一步量化、精准的改进建议, 以期为我国做好氨排放控制基础研究, 制定相关管理政策等提供科学依据。

1我国氨排放估算研究进展

我国氨排放估算领域起步于20世纪90年代。表1对比了我国各个地区的氨排放研究结果。早期相关的氨排放研究, 大多从氨排放角度建立排放清单, 排放清单以氮肥施用、畜禽养殖等农业氨排放源为主。早期由于国内各类源排放因子数据的缺乏, 研究者一方面参考欧洲地区相关研究, 选用其中具有代表性的排放因子计算氨排放。例如, 王文兴等计算得到1991年全国氨的排放总量为8918 Gg, 其中畜禽、氨肥施用、人粪便与氮肥生产的排氨量占比分别为64%、18%、17%和1%, 全国平均氨排放强度为9 kg/hm2。徐新华采用类似方法, 使用国外排放因子进行计算了江浙沪地区人为氨排放量。由于这些研究使用的排放因子来自于国外, 研究结果的准确性可能会有偏差。另一方面,通过实地试验得到观测结果对氨的排放进行研究。朱兆良等和蔡贵信等在江苏丹阳、河南封丘等地运用了15N示踪技术和微气象学的方法对氨的挥发结果进行测定, 研究发现石灰性稻田和酸性稻田土壤中氨挥发的情况差异明显, 在酸性稻田区域, 碳氨和尿素的氨挥发率分别为19.5%和8.8%;而在石灰性稻田土壤中, 碳氨和尿素的氨挥发率分别达到39%和30%。孙庆瑞等在估算氮肥施用氨排放时, 选取朱兆良等和蔡贵信等的氨排放观测数据作为我国氮肥施用氨排放因子, 并将计算结果与欧洲地区氨排放量进行比较, 结果显示, 同期中国氨排放量大于全欧洲的排放量。以上为使用我国实地试验结果数据作为相关源氨排放因子的早期研究实例。Xing和Zhu基于运用微气象学方法得到的研究结果, 计算了1990年我国的农田氨排放量, 并根据统计数据计算了不同氮肥(尿素和碳酸氢铵)分别在不同耕作方式下的氨挥发率。由于不同地区的气候条件, 地理环境等影响农业发展的因素差异较大, 加上已报道的排放因子数据非常有限, 所以依靠单一的排放因子得到的计算结果存在较大的不确定性。因此, 在后来的研究中, 越来越多的研究者在考虑区域差异性和排放因子本地化等方面进行了探索。

 

 

Zheng等首次将模型法运用于我国的氨排放估算中。在对亚洲地区氮循环研究中, Zheng等通过建立区域氮循环模型IAP-N-1.0模型, 分析了1961-2030年亚洲各国家、地区的氮收支情况。在计算国内氨排放时, 施肥农田部分采用已报道的国内旱地与水田施肥农田的氨排放因子, 畜禽养殖排放因子选用IPCC推荐值, 人体粪便部分则根据文献值计算。李富春等在IAP-N模型基础上, 综合考虑农田氮的输入量与氨的排放量。从粪便管理、施肥农田、秸秆燃烧等方面计算了川渝地区氨的排放量, 并将计算结果分成3个时间段, 分析该地区时间与空间的氨排放分布规律。张美双等采用NARSES模型, 对2001年我国种植业氮肥施用氨排放量进行估算, 得到我国氨排放强度时空分布。房效凤等在排放因子法的基础上, 引入模型法对排放因子进行修正, 在计算畜禽养殖氨排放时, 通过RAINS模型计算出畜禽的NH3实际排放因子, 结合NARSES模型对氮肥施用氨排放排放因子进行修正, 计算出2011年上海市农业源氨排放清单。类似地, Huang等在结合本地实验结果和修正排放因子的基础上, 编制得到2006年我国氨排放清单。排放因子通过考虑环境温度、土壤酸度等参数得到, 这能够使排放因子更加符合区域的地理环境。Kang等则在Huang等的基础上, 参考其估算方法, 计算了1980-2012年我国的氨排放清单。此外, Wang等在2012年至2013年期间建立了全国范围内稻田氨排放的监测网络, 并使用标准化的测量方法连续2年测量氨排放。该网络包括东北, 东南和长江流域等中国主要水稻种植区域。结果表明, 排放的氨占施用氮素的比例达17.7%, 2013年中国稻田的氨总排放量估计为1.7 Tg N/a。总体来讲, 我国农业氨排放估算方法可以分为3个发展阶段(图1), 2011年至今, 国内氨排放研究领域取得一定的进步, 排放因子的本地化与模型法估算得到了推广, 研究结果的不确定性由早期(80年代末-90年代末)仅有单一的定性评估发展为定量评估, 现有的利用多因素校正排放因子的方法和模型估算法具有较高的准确性。与国外的氨排放估算研究对比, 国内在估算过程中仍是更多地依赖原有的单一排放因子法以及由国外开发的模型估算法, 而对于适用于我国实地农业发展状况的模型以及根据不同地区影响因素修正的排放因子还需要进一步完善。