趙國梁 常景云 成杰民 魏 敏 許鵬舉#

(1.山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工農(nóng)業(yè)向大氣中排放的氨增多，大氣中氨的輸入量已經(jīng)高于氨的凈化量[1-2]?？諝庵邪睗舛冗^高會使對流層中的羥基自由基消耗量加大，進(jìn)而對甲烷在大氣中的氧化作用產(chǎn)生消極影響，從而加劇溫室效應(yīng)等一系列環(huán)境問題[3]。氨會參與大氣二次顆粒物的生成，轉(zhuǎn)化為顆粒物中的銨鹽類成分，成為PM2.5的重要組成成分，進(jìn)而促進(jìn)了霾的形成[4]。大氣中過量的氨會隨降水進(jìn)入水體，易造成水體富營養(yǎng)化[5]；隨降水進(jìn)入土壤，在硝化作用下轉(zhuǎn)化為酸，使土壤酸化程度加重[6]。大氣中氨的來源可分為自然源和人為源兩大類。人為源主要包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)兩大主要排放源，同時也包括生物質(zhì)燃燒、人體糞便、化工生產(chǎn)、廢物處理、交通排放等其他排放源[7]。從全球氨源排放量估計可以看出，人為源所造成的氨排放在總排放中占主導(dǎo)地位[8]。

國外對氨排放的研究開始較早，且方法較為成熟[9]。SUTTON等[10]最早建立起國家層面的天然源、農(nóng)業(yè)源和非農(nóng)業(yè)源的氨排放清單。CHINKIN等[11]對人為源氨排放的時間序列進(jìn)行了詳細(xì)研究。在國內(nèi)，王文興等[12]、孫慶瑞等[13]在20世紀(jì)末運用排放因子法分別估算了我國氨的排放量和時空分布。李富春等[14]、董艷強等[15]、尤翔宇等[16]分別研究了川渝、長江三角洲、長株潭地區(qū)人為源氨排放清單及分布特征。董文煊等[17]運用排放因子法分析了我國氨排放的歷史變化趨勢和地理分布特征。就目前已知的研究成果來看，國內(nèi)外對于氨排放清單進(jìn)行估算的主流方法為排放因子法[18]。我國以往的研究多為直接采用國外的排放因子進(jìn)行取值，不能準(zhǔn)確地反映中國氨排放現(xiàn)狀。2014年，原國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南(試行)》(以下簡稱《指南》)，為我國本土氨排放清單的建立提供了技術(shù)借鑒。

山東省是我國人口和經(jīng)濟(jì)大省，主要大氣污染物排放量與排放強度長期居全國各省市前列，本研究以2008—2018年山東統(tǒng)計年鑒(以下簡稱統(tǒng)計年鑒)中的數(shù)據(jù)為支撐，以《指南》和相關(guān)研究為指導(dǎo)，基于本地化的排放因子，采用排放因子法對山東省2008—2018年人為源氨排放清單及其時空分布與行業(yè)分布特征進(jìn)行了研究，旨在為相關(guān)研究及管理工作提供借鑒。

1 材料與方法

基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，研究的人為源主要包括氮肥施用、土壤本底、畜禽養(yǎng)殖、生物質(zhì)燃燒、固氮植物、人體排放、化工生產(chǎn)、廢物處理和移動源9個方面。

本研究將根據(jù)《指南》中的排放因子法進(jìn)行估算，其計算公式見式(1)：

Ei,j=Ai,j×EFi,j×γ

(1)

式中：Ei,j為i地區(qū)j排放源的排放量；Ai,j為i地區(qū)j排放源的活動水平；EFi,j為i地區(qū)j排放源的排放因子；γ為氮-氨轉(zhuǎn)換系數(shù)，畜禽養(yǎng)殖業(yè)取1.214，其他行業(yè)取1.0。

Ei,j、Ai,j和EFi,j的單位視具體情況而定。

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 氮肥施用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥施用后，部分氮元素會以氨的形式釋放到大氣中去，是大氣氨排放的重要來源。各項研究表明，氮肥的種類、施放方式以及土壤的酸堿性、理化性質(zhì)對氨的排放有不同程度的影響[19]。本研究依據(jù)最新土壤數(shù)據(jù)將山東省耕層土壤酸堿性細(xì)化到每個地級市[20]，分為酸性和堿性兩種土壤，分別選取相應(yīng)排放因子進(jìn)行統(tǒng)計。依據(jù)《指南》，將氮肥分為碳酸氫銨、尿素、硝酸銨、硫酸銨、其他氮肥，共5類。統(tǒng)計年鑒中未對氮肥的種類進(jìn)行細(xì)分，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者研究成果[21-23]，計算出山東省氮肥中不同種類氮肥施用比例(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)如下：尿素占86.24%，碳酸氫銨占13.01%，硝酸銨占0.33%，硫酸銨占0.04%，其他氮肥占0.38%。

1.1.2 土壤本底

土壤本底排放因子采用《指南》中的推薦值，活動水平數(shù)據(jù)為各市農(nóng)作物的播種面積。

1.1.3 畜禽養(yǎng)殖

對豬、羊、家禽、兔和牛5類代表性種群進(jìn)行氨排放清單的建立。奶牛選用存欄量作為活動水平數(shù)據(jù)，肉牛選用出欄量作為活動水平數(shù)據(jù)；生豬選用出欄量作為活動水平數(shù)據(jù)，母豬(能繁殖)選用存欄量作為活動水平數(shù)據(jù)；蛋禽選用存欄量作為活動水平數(shù)據(jù)，肉禽選用出欄量作為活動水平數(shù)據(jù)；羊和兔以出欄量作為活動水平數(shù)據(jù)。通過對畜禽的糞、尿排泄量進(jìn)行計算，再考慮畜禽糞便不同管理階段的氨揮發(fā)率，計算得到不同畜禽的氨排放因子(相關(guān)計算參數(shù)參考文獻(xiàn)[24])，研究過程中認(rèn)為氨充分揮發(fā)。

1.1.4 生物質(zhì)燃燒

生物質(zhì)燃燒主要包括秸稈焚燒、森林大火和草原大火。山東省森林和草原火災(zāi)較少發(fā)生，所以本研究不將其計算在內(nèi)。依據(jù)山東省農(nóng)耕習(xí)慣，主要考量小麥、玉米、大豆和稻谷秸稈燃燒的氨排放，參考文獻(xiàn)[25]、[26]計算氨排放量，氨排放因子的相關(guān)計算參數(shù)參考文獻(xiàn)[27]。

1.1.5 固氮植物

山東省廣泛種植的固氮植物為花生和大豆，其活動水平數(shù)據(jù)為種植面積，排放因子參見《指南》。

1.1.6 人體排放

大氣中的氨一部分來自于人類活動，主要的活動方式為呼吸、糞便和汗液3種。就目前而言，在基礎(chǔ)設(shè)施和衛(wèi)生條件方面，農(nóng)村和城市之間還存在一定差距，因此，氨排放量也會有差異。參考文獻(xiàn)[28]，城市人口氨排放因子取0.250 kg/(人·a)，農(nóng)村人口氨排放因子參考《指南》，取0.787 kg/(人·a)。

1.1.7 化工生產(chǎn)

化工生產(chǎn)主要包括合成氨工藝和氮肥生產(chǎn)、石油加工、制氣等，排放因子參見《指南》。

1.1.8 廢物處理

廢物處理主要包括廢水處理、固廢填埋、固廢堆肥、固廢焚燒和煙氣脫硝。城市污水處理廠處理污水、企業(yè)對煙氣脫硝過程中都會有氨的排放。《2017—2022年中國固廢處理行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示，我國目前固廢處理技術(shù)分布為：衛(wèi)生填埋占62.55%，焚燒占35.10%，其他方式占2.35%。因此，本研究僅對由填埋和焚燒這兩種方式所產(chǎn)生的氨排放量進(jìn)行計算，填埋和焚燒的活動水平數(shù)據(jù)選取固廢處置量，排放因子參見《指南》。

1.1.9 移動源

目前，城市中交通源也逐漸成為氨排放的關(guān)注點，車輛對于氨排放的貢獻(xiàn)不可忽視。本研究參考文獻(xiàn)[29]、[30]，將機(jī)動車分為輕型載客汽車、重型載客汽車、輕型載貨汽車、重型載貨汽車和摩托車5類。在綜合各學(xué)者對機(jī)動車的研究[31-33]后，選用的機(jī)動車行駛里程見表1。各地級市機(jī)動車保有量可從統(tǒng)計年鑒中獲取，與對應(yīng)的行駛里程的乘積即為機(jī)動車污染物排放的活動水平，排放因子相關(guān)計算數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[15]、[29]、[30]。

1.2 不確定性分析

在排放清單估算過程中也存在很多不確定性因素，《指南》中雖然給出了具體的排放因子，但是由于地區(qū)差異，一些數(shù)據(jù)(活動水平和排放因子)的缺乏則會導(dǎo)致結(jié)果具有一定的偏差[34]。本研究中所有的活動水平數(shù)據(jù)均來源于統(tǒng)計年鑒，排放因子根據(jù)山東省的實際情況進(jìn)行選取，但還是無法做到完全本地化。氮肥施用的氨排放還會受土壤理化性質(zhì)和當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懀矔黾咏Y(jié)果的不確定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 2018年山東省人為源大氣氨排放清單

2018年山東省各地級市與各行業(yè)人為源氨排放分析見表2和圖1。2018年山東省人為源氨排放總量為75.823萬t。各主要排放源中，畜禽養(yǎng)殖的氨排放量最大，占人為源排放總量的67.2%；其次為氮肥施用，占人為源排放總量的17.4%；人體排放、土壤本底、化工生產(chǎn)和移動源產(chǎn)生的氨排放量分別占人為源排放總量的6.2%、2.6%、2.3%和2.0%；廢物處理、生物質(zhì)燃燒和固氮植物產(chǎn)生的氨排放量相對較小，共占人為源排放總量的2.3%。綜上所述，山東省人為源氨排放的主要來源為畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用，兩者之和占人為源氨排放總量的84.6%。畜禽養(yǎng)殖中，氨排放量最大的為豬，約占畜禽養(yǎng)殖氨排放量的60%，其次為牛，約占畜禽養(yǎng)殖氨排放量的38%，家禽、羊和兔的氨排放量合計約占畜禽養(yǎng)殖氨排放量的2%。

表1 不同種類機(jī)動車年均行駛里程

表2 2018年山東省人為源氨排放清單1)

注：肉禽和兔的氨排放量占比低于0.1%，在圖(b)中不予顯示。圖1 2018年山東省人為源氨排放情況Fig.1 Anthropogenic ammonia emissions in Shandong Province in 2018

2.2 人為源大氣氨排放的區(qū)域分布

因為所獲取到的關(guān)于化工生產(chǎn)所造成的人為源氨排放量未具體細(xì)分到各地級市，所以區(qū)域分布研究時不考慮化工生產(chǎn)氨排放。

2018年山東省17個地級市人為源氨排放情況見圖2。2018年山東省17個地級市平均人為源氨排放量為4.358萬t。德州市、菏澤市、濰坊市和臨沂市的人為源氨排放量位居全省前4名，均超過7萬t，分別為10.989萬、9.282萬、7.136萬、7.041萬t，4市共占全省人為源氨排放總量的45.4%。濟(jì)寧市和濱州市的人為源氨排放量緊隨其后，均超過5萬t。人為源氨排放量為3萬～5萬t的地級市有聊城市、濟(jì)南市、煙臺市和青島市，泰安市、東營市、淄博市、日照市和棗莊市的人為源氨排放量介于1.5萬～3.0萬t，威海市和萊蕪市的人為源氨排放量低于1.5萬t，其中，萊蕪市人為源氨排放量最小，為0.657萬t。排名靠前的4個地級市擁有的土地面積在全省也是排名靠前，農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)比較發(fā)達(dá)，同時工業(yè)為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)，因此氨的排放量比較大。

圖2 2018年山東省17個地級市人為源氨排放量Fig.2 Anthropogenic ammonia emission in 17 cities of Shandong Province in 2018

2018年山東省17個地級市人為源氨排放強度分布見圖3。山東省全省平均人為源氨排放強度為4.80 t/km2。17個地級市中，德州市的人為源氨排放強度最高，為10.61 t/km2；菏澤市的人為源氨排放強度次于德州市，為7.64 t/km2；濱州市、濟(jì)寧市、聊城市和濟(jì)南市的人為源氨排放強度亦超過全省的平均排放強度。濰坊市和臨沂市的氨排放量很高，但排放強度卻低于全省的平均排放強度。所以，從氨的減排管控角度考慮，濱州市、濟(jì)寧市、聊城市和濟(jì)南市也應(yīng)作為關(guān)注重點。從地理角度來看，山東省西北部及西南部具有較高排放強度。

圖3 2018年山東省17個地級市人為源氨排放強度分布Fig.3 Anthropogenic ammonia emission intensity distribution in 17 cities of Shandong Province in 2018

2.3 2008—2018年山東省人為源氨排放年際變化

2008—2018年山東省人為源氨排放變化趨勢見圖4。11年間，山東省人為源氨排放量在2008—2012年呈上升趨勢，于2012年達(dá)到最高排放量(102.875萬t)后直至2018年呈快速下降趨勢，并降至11年間的最低值。

圖4 2008—2018年山東省人為源氨排放量變化Fig.4 Change of anthropogenic ammonia emissions in Shandong Province from 2008 to 2018

2008—2018年山東省各方面人為源氨排放量的變化見圖5。由圖5(a)可見，畜禽養(yǎng)殖氨排放量也

圖5 2008—2018年山東省各方面人為源氨排放量變化Fig.5 Change of anthropogenic ammonia emission of various aspects in Shandong Province from 2008 to 2018

呈現(xiàn)出先增加后減小的總體趨勢，結(jié)合圖4可推斷出，畜禽養(yǎng)殖作為氨排放量最大的源頭，與山東省人為源氨排放量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.992。畜禽養(yǎng)殖氨排放量的變化與我國人民肉蛋奶消耗量增長、進(jìn)口產(chǎn)品替代、禽流感影響等因素密切相關(guān)，同時，飼料價格上漲及先進(jìn)養(yǎng)殖管理技術(shù)的運用對氨排放量降低也有一定的影響。氮肥施用所產(chǎn)生的氨排放量逐年降低，年均減少2.12%，這可能與有機(jī)肥料、生物肥料等替代肥料施用比例的逐年上升有關(guān)。

由圖5(b)可見，其他人為源的氨排放量均不超過6萬t。由于農(nóng)村與城鎮(zhèn)的生活方式存在一定的差異性，城鎮(zhèn)人口人均氨排放量明顯低于農(nóng)村人口，隨著農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)的遷移，山東省人體排放產(chǎn)生的氨排放量呈現(xiàn)下降趨勢?；どa(chǎn)氨排放量變化波動較大，主要是由氮肥生產(chǎn)量波動引起，2010—2013年，因為化肥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致氮肥產(chǎn)量降低，后因市場供應(yīng)不足而造成產(chǎn)量反彈；2013年后再呈現(xiàn)逐年下降趨勢。土壤本底、生物質(zhì)燃燒和固氮植物所產(chǎn)生的氨排放量也不容忽視，3種源的大氣氨排放量變化比較平穩(wěn)，年均氨排放量為2.023萬、0.803萬、0.108萬t。固廢的產(chǎn)生量不斷增加，導(dǎo)致了廢物處理過程中氨排放量總體呈現(xiàn)出上升趨勢。雖然移動源對人為源氨排放總量的貢獻(xiàn)率不高，但表現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢。

2008—2018年山東省主要地級市人為源氨排放量變化見圖6。其中，淄博市、濰坊市、濟(jì)寧市和聊城市11年內(nèi)人為源氨排放量變化呈先升高后降低的趨勢，與全省總量具有相似的變化趨勢，相關(guān)系數(shù)均高于0.95。濟(jì)南市、棗莊市、威海市和菏澤市的人為源氨排放量變化呈先穩(wěn)定后降低再穩(wěn)定的趨勢，與全省總量變化趨勢的相關(guān)系數(shù)高于0.90。萊蕪市的人為源氨排放量總體變化趨勢較為平緩。德州市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中工業(yè)偏重，燃煤使用量過多，地域廣闊的平原面積又為畜牧業(yè)發(fā)展提供了便利條件，從而使德州市的人為源氨排放量巨大。

2.4 各地排放清單比較

為了更好地分析山東省人為源氨排放情況，將本研究結(jié)果與其他省市人為源氨排放清單進(jìn)行對比，比較結(jié)果見表3。由于目前尚未形成統(tǒng)一的清單建立規(guī)則，對于排放源的細(xì)分、活動水平數(shù)據(jù)的獲取、排放因子的選取和計算方法均不統(tǒng)一，因此不同地級市的氨排放清單存在一定的差異性。大部分研究是以農(nóng)業(yè)源為主要來源進(jìn)行排放清單建立，因此不同區(qū)域畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用產(chǎn)生的氨排放量占比較高，綜合考慮農(nóng)業(yè)源和非農(nóng)業(yè)源，畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用仍是氨排放的主要來源，不同地域的兩者占比合計均為80%以上。與楊新明等[35]所建立的山東省2015年農(nóng)業(yè)源氨排放清單相比，本研究中氨排放量和排放強度均較低，可能是由于本研究在畜禽養(yǎng)殖和氮肥施用測算過程中采用了更精細(xì)化的排放因子。綜合考慮，本研究建立的山東省氨排放清單在一定程度上能夠反映山東省人為源氨排放的實際情況。

圖6 2008—2018年山東省地級市人為源氨排放量變化Fig.6 Change of anthropogenic ammonia emission in cities of Shandong Province from 2008 to 2018

表3 不同區(qū)域人為源氨排放清單對比

3 結(jié) 論

(1) 運用排放因子法計算得2018年山東省人為源氨排放總量為75.823萬t，平均排放強度為4.80 t/km2。

(2) 2018年德州市(10.989萬t)、菏澤市(9.282萬t)、濰坊市(7.136萬t)和臨沂市(7.041萬t)的人為源氨排放量位居全省前4位，德州市和菏澤市是人為源排放強度最高的兩個地級市。

(3) 畜禽養(yǎng)殖氨排放量最大，占67.2%；其次為氮肥施用，占17.4%。畜禽養(yǎng)殖排放中最大的源頭為豬和牛，兩者合計約占畜禽養(yǎng)殖氨排放量的98%。

(4) 2008—2018年山東省人為源氨排放量總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，畜禽養(yǎng)殖氨排放量的變化趨勢主導(dǎo)了全省人為源氨排放總量的變化趨勢。