2008—2020年泛珠三角区域大气氨排放清单及分布特征

方利江，虞丹君，余朝毅，杨一群，叶观琼

1. 舟山市生态环境保护技术中心，浙江 舟山 316000

2. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316000

氨(NH3)是大气中含量最多的碱性气体，是形成细颗粒物(PM2.5)的重要前体物[1-3]. 由氨形成的硝酸盐、铵盐和硫酸盐等二次无机气溶胶占PM2.5的25%～75%，形成的PM2.5污染可以引起人体呼吸道和心血管疾病[4-7]，促进表皮生长因子受体(EGFR)基因突变而提高肺癌发生率[8-10]. 尽管我国持续深入推进大气污染防治，2013-2022年我国PM2.5浓度下降了57%，重污染天数减少了92%[11]，但当遇到不利的气象条件时，重污染天气仍多发、频发，许多城市PM2.5浓度与世界卫生组织(WHO)在2021年版《全球空气质量指南》提出的PM2.5年均浓度指导值(5 μg/m3)仍存在较大差距[12-14]. 与进一步控制二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)相比，减少氨排放已被证实是具有成本效益的降低PM2.5浓度的直接有效方法[15-16]，氨减排40%可减少10%～20%的PM2.5峰值浓度，农业尤其是畜牧业氨减排有助于削弱冬季大气PM2.5污染峰值[17].

大气污染物排放清单是空气质量模型构建的重要数据基础. 研究[18]指出，受农场和动物养殖中化肥使用和粪便处理的持续增加，全球氨排放量已从2000年的59×106t增至2008年的65×106t，预计到2100年将达到132×106t. 我国氨排放量从1978年的6.11×106t增至2017年的12.35×106t，占全国土地面积12%的华北平原、长江中下游和四川盆地贡献了全国超70%的氨排放量[19]. 京津冀及周边地区的氨排放量从2008年的3 170.21×103t降至2020年的2 767.59×103t，其中农业源贡献率为92.21%～93.38%[20].珠三角地区2006年氨排放量为194.8×103t，畜禽养殖贡献率为62.1%，氮肥施用贡献率为21.7%[21]. 随着经济社会的发展，大气氨排放的变化趋势和空间分布将发生改变，及时更新排放清单有助于识别区域氨排放的主要贡献源并评估氨减排的重点与潜力.

泛珠三角区域拥有我国约1/5的面积、1/3的人口和1/3以上的经济总量，国务院《关于深化泛珠三角区域合作的指导意见》提出，泛珠三角区域要“完善污染物排放总量控制制度，加强二氧化硫、氮氧化物、PM2.5等主要大气污染物的联防联治”. 目前，针对该区域的氨排放清单较少，局限在福建省[22-23]、广东省[24-25]、四川省[26]等个别地区，且基准年多为2013年《大气污染防治行动计划》实施以前，已不能客观反映研究区大气污染治理现状. 鉴于此，该研究采用排放因子法估算了2008-2020年泛珠三角地区9省份的大气氨排放清单，分析了其历史趋势和空间分布特征，阐明了畜禽养殖和氮肥施用等重要人为源的氨排放贡献，为研究区落实国家大气污染联防联治要求和制定精细化减排措施提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区域与对象

研究区域包括福建省、江西省、湖南省、广东省、广西壮族自治区、海南省、四川省、贵州省、云南省等9省份，研究对象涉及10种人为源，分为农业源和非农业源. 其中，农业源主要有畜禽养殖、氮肥施用、土壤本底、固氮植物和生物质燃烧等5种，非农业源主要有人体排放、工业生产、废物处理、燃料燃烧和道路移动源等5种.

1.2 估算方法和数据来源

研究区氨排放量采用排放因子法估算，计算公式：

式中：Ei为i地区的氨排放量，t；Ai,j为i地区j排放源的活动水平；EFi,j为i地区j排放源的排放因子；γ为氮-大气氨转换系数，畜禽养殖取1.214，其他行业取1.0. 各排放源活动水平取自2008-2020年政府官方统计年鉴，相关数据来源见文献[20]. 氨排放因子除个别单独注释引用外，其余均取自《大气氨源排放清单编制技术指南(试行)》[27].

1.2.1 畜禽养殖

研究区纳入计算的畜禽种类主要有母猪、生猪、奶牛、肉牛、羊、肉羊、兔、肉兔、马、驴、骡、蛋鸡、蛋鸭、肉鸡、肉鸭、肉鹅等16类. 考虑了散养、集约化养殖和放牧3种养殖方式，以及户外、圈舍内、粪便存储处理和后续施肥4个粪便管理阶段，计算了包括户外、圈舍-液态、圈舍-固态、存储-液态、存储-固态、施肥-液态、施肥-固态共7类粪便形态的氨排放量. 散养和放牧的畜禽排泄物在室内、户外各占50%，集约化养殖条件下畜禽排泄物在室内、户外的占比分别为100%和0%. 猪、牛、家禽、羊和兔的非集约化占比分别为10%、5%、5%、50%和5%[28]. 马、驴和骡等大型牲畜的排泄物在室内、户外各占50%. 肉鸡、肉鸭、肉鹅数量占肉禽比例分别为75.73%、18.65%、5.62%；鸡蛋、鸭蛋数量占比分别为85%、10%[29-30]. 兔和肉兔的氨排放因子分别取0.58和0.24 kg/(d·只)[28].

1.2.2 氮肥施用

根据《全国农产品成本收益资料汇编》中大豆、花生、稻谷、棉花、小麦、油菜籽和玉米这7种主要农作物在全国的每亩化肥折纯用量并结合其播种面积，得到历年氮肥和复合肥各成分比例[20]. 从中国土壤数据库中1:1 000 000数字化土壤图提供的各土壤类型百分比，获得研究区酸性和碱性土壤比例，其中福建省、江西省、湖南省、广东省、广西壮族自治区、海南省、四川省、贵州省和云南省pH≤7的土壤占比分别为94.18%、91.43%、83.03%、91.99%、72.64%、89.59%、67.37%、65.94%和81.65%. 氮肥施用实际排放因子采用校准后的基准排放因子，具体方法详见文献[27]，结果如表1所示.

1.2.3 土壤本底

选用研究区耕地面积作为活动水平，其排放因子为1.80 kg/hm2.

1.2.4 固氮植物

研究区广泛种植的固氮植物主要有大豆和花生，以播种面积作为活动水平，其排放因子分别为1.05和1.20 kg/hm2.

1.2.5 人体排放

人体氨排放量与人口数量及处理条件密切相关，考虑与城市地区相比，农村地区卫生处理设施存在不完善，以农村人口结合农村卫生厕所普及率作为活动水平，排放因子取0.787 kg/人.

1.2.6 生物质燃烧

生物质燃烧主要涉及秸秆灶膛燃烧、薪柴燃烧、秸秆露天燃烧(田间堆肥)和森林(草原)火灾.自2013年《大气污染防治行动计划》实施后，各级政府相继出台农作物秸秆综合利用和禁烧政策，至2015年全国秸秆综合利用率已达80.1%，堆肥比例为4.92%[31-32]. 因此，该研究将秸秆处置利用划分为2个阶段，分别为露天焚烧(2008-2015年)和田间堆肥(2016-2020年).

1.2.7 工业生产

氮肥生产和合成氨是主要工业生产的氨排放源，相关数据来自统计年鉴和中国产业信息网(https://www.chyxx.com)，合成氨排放因子为0.01 kg/t，氮肥生产排放因子为5.0 kg/t.

1.2.8 废物处理

废物处理主要分为污水处理、固废填埋、焚烧和堆肥等，排放因子分别为0.003 g/m3、0.56 kg/t、0.21 kg/t和1.275 kg/t.

1.2.9 燃料燃烧

燃料燃烧主要分为工业和生活消耗的煤炭、油品和天然气等燃烧过程. 根据《中国能源统计年鉴》中“能源平衡表”获取研究区上述3种燃料的工业和生活消耗量，其中工业消耗量包括终端消费量和用于加工转换其他能源的消费量，生活消耗量只涉及终端消费量. 燃料燃烧排放因子如表2所示.

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

1.2.10 道路移动源

机动车尾气中的氨是汽油车三元催化器或柴油车选择性催化还原装置将氮氧化物(NOx)转化为氮气(N2)和氧气(O2)过程中的二次产物[34]. 机动车氨排放在人口和交通密集的城市核心区高度集中，其在北京、上海市区的氨排放贡献率分别达86%和45%[35]，车流密集的中心城区较郊区道路高约1.12倍[36]，呈现典型的高峰现象. 机动车分为大型客车、小型客车、大型货车、小型货车和摩托车等5类. 排放因子和年均行驶里程如表3所示.

表3 各车型年均行驶里程和排放因子[37]Table 3 Average annual average mileages and emission factors by various types of vehicles [37]

2 结果与讨论

2.1 泛珠三角区域各排放源氨排放量

2008-2020年泛珠三角区域氨排放清单如表4、图1所示. 研究区氨排放量总体比较稳定，介于2 685.40×103～2 839.35×103t之间，年变化率为-1.42%～1.88%. 农业源占氨排放总量的92.23%～93.79%，其氨排放量介于2 476.80×103～2 654.21×103t之间，其中，畜禽养殖在氨排放总量中的贡献率为69.46%～78.76%，并呈逐年上升趋势，从2008年的1 865.17×103t增至2020年的2 212.28×103t，年均增长率为1.43%；氮肥施用在氨排放总量中的贡献率为9.54%～12.67%. 非农业源占氨排放总量的6.21%～7.77%，其氨排放量介于171.35×103～212.14×103t之间，其中，人体排放的贡献率从3.34%(89.76×103t)降至0.82%(22.95×103t)，年均下降率为-10.74%；道路移动源的贡献率则从0.42%逐年增至1.98%，随着近年来我国新能源汽车的推广普及，预计今后其氨排放量将稳步下降. 相较2008年，2020年畜禽养殖和生物质燃烧的氨排放量变化较大，分别增长347.12×103t和下降174.46 ×103t，主要是由于蛋鸡、肉牛和肉鸡的氨排放量增幅较明显，分别增长169.16×103、71.50×103和66.72×103t，而秸秆、薪柴燃烧和堆肥的氨排放量分别减少87.28×103、60.96×103和20.68×103t.

图1 2008—2020年泛珠三角区域氨排放总量及各排放源贡献率Fig.1 Total ammonia emissions and the contribution of each emission source in PPRD Region from 2008 to 2020

表4 2008—2020年泛珠三角区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 泛珠三角区域各地区年际氨排放量

2008-2020年泛珠三角区域不同地区氨排放量如表5所示. 四川省、湖南省、云南省、广西壮族自治区和广东省年排放量较大，分别在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之间，贡献率分别为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，为51.68×103～61.98×103t，贡献率为1.84%～2.20%，其中主要贡献源为畜禽养殖(68.78%～72.73%). 相较2008年，2020年云南省、福建省、湖南省、贵州省和江西省的氨排放量均有所升高，分别提高72.15×103、43.48×103、21.18×103、20.04×103和17.02×103t，四川省则下降46.75×103t，广东省、广西壮族自治区和海南省基本维持不变.

2.3 2020年泛珠三角区域各地区不同排放源氨排放量

2020年泛珠三角区域各地区不同排放源的氨排放量如表6所示. 由表6可见：四川省氨排放量最大，为689.07×103t，占研究区氨排放总量的24.53%；其次为云南省和湖南省，分别为413.04×103和390.45×103t，贡献率分别为14.70%和13.90%. 农业源是各地区主要贡献源，其氨排放量介于45.52×103～649.38×103t之间，占各地区氨排放总量的84.68%～96.15%；非农业源氨排放量介于6.16×103～39.69×103t之间，贡献率为5.56%～15.32%，氨排放量较大的省份分别为四川省(39.69×103t)、广东省(35.14×103t)和贵州省(33.30×103t). 广东省道路移动源氨排放量达16.32×103t，远高于其他地区，占研究区道路移动源氨排放量的29.35%，主要原因是广东省小型客车保有量(2 210.65×104辆)较高，其产生的氨排放量达14.89×103t.

表6 2020年泛珠三角区域各地区氨排放清单Table 6 Inventory of ammonia emissions from various sources in PPRD Region in 2020

2.4 2020年主要贡献源的氨排放特征

畜禽养殖是研究区最主要的氨排放源，各类畜禽在不同管理阶段和地区的氨排放量如表7和表8所示.从畜禽类别看，蛋鸡、肉牛和生猪是主要贡献源，其氨排放量分别为661.75×103、339.88×103和310.97×103t，贡献率分别为29.91%、15.36%和14.06%，马、驴和骡等大型牲畜的贡献率较低，仅占1.43%. 从4个管理阶段看，圈舍和施肥的氨排放量较大，分别为895.60×103和881.96×103t，贡献率分别为40.48%和39.87%. 在圈舍阶段，蛋鸡的氨排放量达436.70×103t，贡献率为48.76%，其次为肉鸡和生猪，贡献率分别为12.72%和12.58%. 四川省是研究区畜禽养殖氨排放量最大的省份，为573.21×103t，贡献率为25.91%；其次为云南省、湖南省、广西壮族自治区和广东省，介于10.47%～14.81%之间. 肉禽、蛋禽等禽类在广东省、福建省、广西壮族自治区、海南省和江西省的养殖规模较大，其氨排放量在各地区畜禽养殖排放源中的贡献率为53.07%～73.34%，猪、牛、羊是四川省、贵州省、云南省的主要畜禽养殖氨排放贡献源，贡献率分别为56.97%、67.34%、75.64%. 有研究指出，在低氮施肥、综合措施、低排放畜舍、低氮饲料和粪肥覆盖储存等5种减排情景下，氨排放量分别降低37.3%、32.1%、29.7%、25.6%和18.9%[38]，在饲喂阶段采用酸性钙盐取代碳酸钙的减排潜力最大，减排率为26%～53%[39].

表7 2020年泛珠三角区域不同畜禽种类氨排放量和贡献率Table 7 Ammonia emissions and contribution of livestock and poultry by species in PPRD Region in 2020

表8 2020年泛珠三角区域各地区不同畜禽种类氨排放量Table 8 Ammonia emissions of different livestock and poultry by species of various provinces in PPRD Region in 2020

氮肥施用是研究区第二大氨排放源，贡献率为9.54%，低于京津冀及周边区域的比重(20.68%)[20]，在各地区的贡献率介于4.75%～15.28%之间. 由表9可见：尿素是主要贡献源，其氨排放量为260.374 16×103t，占氮肥施用氨排放量的97.17%；其次为碳铵(3.492 34×103t)和三元素复合肥(2.399 21×103t)，贡献率分别为1.30%和0.90%；二铵(1.683 45×103t)和其他氮肥(0.255 4×103t)的氨排放量较小，贡献率分别仅为0.63%和0.01%.广西壮族自治区的氮肥施用氨排放量最大，占研究区氮肥施用氨排放总量的19.21%，其次为四川省、广东省、云南省和湖南省，分别占18.88%、15.74%、14.66%和11.71%，海南省和江西省最小(分别占2.29%和3.71%). 研究[40-41]表明，农业规模化经营是影响我国化肥使用强度的一个重要因素，户均耕地面积每增加1%，每公顷化肥和农药施用量将分别减少0.3%和0.5%. 因此，通过集中小型耕地形成规模化种植，可以提高农用化肥的使用效率，从而达到氨减排目的.

表9 2020年泛珠三角区域各类型氮肥氨排放量Table 9 Ammonia emissions from different types of nitrogen fertilizers in PPRD Region in 2020

2.5 2020年泛珠三角区域氨排放空间分布特征

基于ArcGIS空间分析，结合中国科学院资源环境科学与数据中心1 km×1 km人口空间分布、农村居民点分布、土地利用类型、GDP分布、道路网等空间特征标准数据，建立了2020年泛珠三角区域在农业源氨排放、非农业源氨排放和人为源氨总排放条件下的高分辨率网格化空间分布. 由图2(a)可见，农业源氨排放高值区主要集中于四川省成都市、德阳市和绵阳市，湖南省北部和福建省东部(呈零星分布特征)，排放强度高达453.79 t/km2. 广东省沿海地区主要以中等强度排放为主，排放强度介于19.10～93.15 t/km2之间. 由图2(b)可见，非农业源氨排放高值区位于广东省珠三角区域、四川省成都市、云南省昆明市、湖南省长沙市和贵州省贵阳市，最大排放强度为27.23 t/km2. 由图2(c)可知：研究区人为源氨排放呈现显著的空间分布差异，高值区主要集中在四川省中部地区，排放强度高达481.03 t/km2，与农业源氨排放分布趋势相似；低值区则主要位于四川省西部的阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省西北部的迪庆藏族自治州、怒江傈僳族自治州等地区，排放强度低于1.17 t/km2. 在珠三角城市群，2006年人为源氨排放高值区主要分布在广州市、佛山市和肇庆市等相互交界的农村地区[42]，与笔者的研究结果基本一致，这主要是由于该区域存在一定规模的畜禽养殖场且地理位置历年相对较为固定和集中，以畜禽养殖为主的农业源在人为源氨排放分布中影响显著.

图2 泛珠三角区域2020年氨排放空间分布情况(1 km×1 km)Fig.2 Spatial distribution (1 km×1 km) of ammonia emissions in PPRD Region in 2020

2.6 相同地区氨排放清单比较

对比同一时期其他学者在福建省[22]、广东省[25]和四川省[26]的氨排放清单(见表10)，笔者研究的氨排放量的计算结果分别偏低107.35×103、228.45×103和277.33×103t，差异较大的氨排放源主要为氮肥施用，笔者研究结果分别偏低98.75×103、190.72×103和156.43×103t. 分析原因主要是笔者研究中对于尿素、碳铵、其他氮肥、二铵、三元素复合肥等5种含氮化肥的排放因子基于施肥方式、施肥率、土壤酸碱性、气温等因素进行了本地化校正，其他学者[22,25-26]多直接引用国内文献或国外研究成果，导致相关省份的氮肥施用氨排放量存在明显高估现象. 例如，在四川省的研究中，文献[26]采用的排放因子为我国不同地区不同时期下的农田作物实测所得的氮肥氨挥发率平均值[43]，笔者采用文献[26]的排放因子计算后的氨排放量为237.88×103t，仅相差7.68×103t；在广东省的研究中，文献[25]采用的排放因子主要参考了奥地利国际应用系统分析学会(IIASA)编制的氨排放因子手册[44]，笔者采用文献[25]的排放因子计算后的氨排放量为255.71×103t，相差17.12×103t；在福建省的研究中，经上述相同方法计算后的氨排放量相差27.21×103t. 人体排放源也存在一定差异，笔者研究相较文献[22]、文献[25]和文献[26]分别偏低12.11×103、31.00×103和51.91×103t，这主要是由于笔者研究以年末农村人口数为活动水平，并额外考虑了当地农村卫生厕所普及率(例如，福建省、广东省和四川省在2013年、2010年和2012年的卫生厕所普及率分别为90.67%、85.79%和67.43%). 对于畜禽养殖、生物质燃烧、工业生产、废物处理、燃料燃烧、道路移动源等其他排放源，清单结果总体较为一致.

表10 与其他研究中氨排放结果对比Table 10 Comparisons of ammonia emission results with other studies

2.7 不确定性分析

假设各排放源的活动水平和排放因子符合对数正态分布，利用蒙特卡罗模拟随机运算10 000次，对2008-2020年泛珠三角区域氨排放量的不确定性进行定量评价. 在95%置信区间上，2008-2020年研究区氨排放量的不确定性总体保持不变，区间负值、正值范围分别为-18.66%～-17.87%和20.50%～21.33%，模拟最小值和最大值分别为2 160.93×103～2 329.30×103t和3 207.04×103～3 436.48×103t. 由表11可见，2020年，研究区模拟的氨排放量平均值为2 810.28×103t，不确定度范围为-18.08%～20.97%，相比其他学者在珠三角地区的研究结果(不确定度为-43%～50%[42]和-33%～40%[45])，笔者研究模拟结果相对较好. 各排放源的不确定度在-18.09%～21.22%之间，其中畜禽养殖和燃料燃烧的不确定度较低，分别为-7.43%～8.15%和-9.50%～10.32%.

3 结论

a) 2008-2020年泛珠三角区域氨排放量年变化率在-1.42%～1.88%之间，介于2 685.40×103～2 839.35×103t之间. 农业源占氨排放总量的92.23%～93.79%，非农业源贡献率为6.21%～7.77%，畜禽养殖氨排放量呈逐年上升趋势，年均增长率1.43%. 四川省、湖南省、云南省、广西壮族自治区和广东省的氨年排放量较大，分别占氨排放总量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，为689.07×103t，占研究区氨排放总量的24.53%，其次为云南省和湖南省，分别为413.04×103和390.45×103t，贡献率分别为14.70%和13.90%. 畜禽养殖排放源中，蛋鸡、肉牛和生猪是主要贡献源，其氨排放量分别为661.75×103、339.88×103和310.97×103t. 尿素是氮肥施用最大的排放源，其氨排放量为260.37×103t，占氮肥施用氨排放量的97.17%.

c) 2020年，泛珠三角区域氨排放呈现显著的空间分布差异，高值区主要集中在四川省中部地区，排放强度高达481.03 t/km2. 低值区主要位于四川省西部的阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省西北部的迪庆藏族自治州、怒江傈僳族自治州等地区，排放强度低于1.17 t/km2. 农业源氨排放高值区主要集中于四川省成都市、德阳市和绵阳市.

d) 对比其他学者在福建省、广东省和四川省的氨排放清单，笔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计算，导致致分别偏低98.75×103、190.72×103和156.43×103t外，其余排放源的氨排放量与文献结果总体较为一致. 在95%置信区间上，2020年氨排放量的不确定度为-18.08%～20.97%，各排放源的不确定度在-18.09%～21.22%之间.