中國省域農(nóng)業(yè)源N2O排放清單及特征分析

韋良煥，林 寧，莫治新

(喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆生物質(zhì)類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844006)

由溫室氣體增加引發(fā)的全球氣候變暖問題越來越受到各國學(xué)者的關(guān)注，相應(yīng)地，溫室氣體的核算也成為相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一[1]。其中，氧化亞氮(N2O)因?yàn)樵鰷貪搫?shì)大、在大氣中滯留時(shí)間長、會(huì)破壞臭氧層等而備受關(guān)注，是僅次于CO2和CH4的第三大溫室氣體[2-3]。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)，以及《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》中提供的溫室氣體核算方法，大氣中N2O的來源主要有農(nóng)業(yè)部門的農(nóng)用地N2O排放和動(dòng)物糞便管理N2O排放，以及廢棄物處理部門廢水處理過程的N2O排放。其中，農(nóng)業(yè)是與氮素使用關(guān)系最密切的部門，大約有70%以上的氮排放量來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]。國內(nèi)外很多學(xué)者從不同角度核算和分析了區(qū)域農(nóng)業(yè)、農(nóng)田、化肥使用，以及秸稈還田等過程中的N2O排放。在國外，Barnard等[5]分析了土壤硝化作用和反硝化作用對(duì)全球氣候變化的影響；Babu等[6]利用DNDC模型對(duì)印度水稻生產(chǎn)系統(tǒng)中甲烷和N2O的排放進(jìn)行了分析驗(yàn)證。在國內(nèi)，尹釋玉[7]分析了農(nóng)田N2O的排放機(jī)理、影響因素和測(cè)定方法；尹高飛等[8]分析了河北省農(nóng)田施肥存在的主要問題，以及不同作物、不同硝化抑制劑和不同土壤環(huán)境條件(氮素供應(yīng)、溫度、含水量)對(duì)土壤N2O排放的影響；湯勇華[9]對(duì)中國不同農(nóng)田(水稻、小麥、玉米、大豆、棉花和油菜)化學(xué)氮肥施用和生產(chǎn)中產(chǎn)生的主要溫室氣體(N2O和CO2)排放及其減排潛力進(jìn)行了分析計(jì)算；營娜等[10]評(píng)估了我國2008年農(nóng)田肥料N2O的直接和間接排放；劉韻等[11]研究了不同施肥方式對(duì)冬小麥和夏玉米輪作土壤N2O排放的影響；蔣光福等[12]采用排放因子法比較了中國和印度小麥、玉米和水稻農(nóng)田化肥氮源N2O的排放，并對(duì)中國農(nóng)田N2O排放的時(shí)空變化進(jìn)行了分析研究；張冉等[13]分析了中國農(nóng)田秸稈還田對(duì)土壤N2O排放的影響，并利用Meta分析方法對(duì)不同影響因素進(jìn)行了解析；溫慧洋等[14]針對(duì)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)4種鹽堿程度土壤的N2O排放途徑及其貢獻(xiàn)率進(jìn)行研究，結(jié)果表明，N2O累積排放量隨著土壤鹽堿程度的升高而升高；張旭[15]對(duì)重慶市和四川省的農(nóng)田N2O排放量進(jìn)行估算，發(fā)現(xiàn)重慶市和四川省的N2O排放量在1990—2004年間呈上升趨勢(shì)；周濤等[4]對(duì)廣東省的農(nóng)業(yè)氮足跡進(jìn)行分析，結(jié)果表明，廣東省農(nóng)業(yè)氮足跡的主要來源是種植業(yè)化肥和養(yǎng)殖業(yè)飼料。本研究擬以省域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)除我國香港、澳門、臺(tái)灣以外的31個(gè)省(市、自治區(qū))2000—2016年的農(nóng)業(yè)源N2O排放進(jìn)行核算和比較，分析不同省域農(nóng)業(yè)源N2O排放量的時(shí)空變化，旨在探明全國(港、澳、臺(tái)除外，下同)和各省域的農(nóng)業(yè)源N2O排放清單及其特征，以期為我國農(nóng)業(yè)源N2O減排提供參考。

1 材料與方法

參照《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》中提供的溫室氣體核算方法開展研究。農(nóng)業(yè)源N2O的計(jì)算主要包括農(nóng)用地N2O的直接和間接排放，以及禽畜糞便管理N2O排放。其中，農(nóng)用地N2O的直接排放主要計(jì)算了化肥施用的氮排放和基于主要農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的農(nóng)作物秸稈還田氮排放，間接排放主要是指大氣氮沉降和氮淋溶、徑流損失引起的氮排放；畜禽糞便管理N2O的排放數(shù)據(jù)主要基于牛、馬、驢、騾、豬、駱駝、山羊和綿羊年底的數(shù)量進(jìn)行測(cè)算，其中，牛的排放因子取奶牛、非奶牛和水牛排放因子的平均值。相關(guān)數(shù)據(jù)均來自《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》，計(jì)算中涉及的排放因子來源于《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》，氮肥的折純比例來源于文獻(xiàn)[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 省域農(nóng)用地N2O排放

經(jīng)測(cè)算，2000—2016年31個(gè)省(市、自治區(qū))農(nóng)用地N2O排放量如表1所示，其中主要包括秸稈還田氮排放和化學(xué)氮肥施用過程中的N2O直接排放，間接排放所占的比例較小。從表1可以看出，廣西的農(nóng)用地N2O排放量最高，2016年達(dá)到45.320 2×104t，與2000年的18.058 3×104t相比，增幅為150.97%，年均增長5.92%，遠(yuǎn)高于其他省份；其次是廣東和云南，2016年農(nóng)用地N2O排放量分別為9.200 6×104、7.090 6×104t，與2000年的8.177 2×104、5.804 8×104t相比，增幅分別為12.52%和22.15%，年均增長0.74%和1.25%。廣西、廣東和云南的農(nóng)用地N2O排放量比較高，是因?yàn)槠涓收岙a(chǎn)量較大，農(nóng)用地N2O直接排放中秸稈還田的N2O排放量較高。農(nóng)用地N2O排放量最少的是西藏，2016年為0.005 3×104t，青海、北京、上海、天津、寧夏緊隨其后，2016年的農(nóng)用地N2O排放量分別是0.011 0×104、0.011 7×104、0.016 4×104、0.025 7×104、0.048 5×104t，以氮肥施用中的N2O直接排放為主。

整體來看，研究區(qū)的農(nóng)用地N2O排放中直接排放所占比例較高，占69%～87%。其中，北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、山東、河南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆的直接排放占比約為69%，遼寧、吉林、黑龍江、重慶、四川、貴州、云南、上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南的直接排放占比約為80%，福建、廣東、廣西、海南的直接排放占比約為87%。在農(nóng)用地N2O直接排放中，大部分省域化學(xué)氮肥施用過程中的N2O直接排放是主要貢獻(xiàn)者，如四川和黑龍江氮肥施用過程中的N2O排放量占農(nóng)用地N2O排放量的50%～60%，安徽、河南、重慶、青海、江蘇、內(nèi)蒙古、吉林、上海、湖北氮肥施用過程中的N2O排放量占農(nóng)用地N2O排放量的60%～80%，西藏、陜西、甘肅、寧夏、新疆、北京、天津、河北、山西、山東、遼寧氮肥施用過程中的N2O排放量占農(nóng)用地N2O排放量的80%～90%，而其他省域氮肥施用過程中的N2O排放量占農(nóng)用地N2O排放量的比例在50%以下，尤其是云南、廣西、海南、廣東，該比例不足5%，主要是因?yàn)檫@些省域的甘蔗種植量較大，甘蔗還田造成其秸稈還田N2O排放量遠(yuǎn)高于其他省域，秸稈還田氮占比較大。

2.2 省域畜禽糞便管理N2O排放

2000—2016年31個(gè)省(市、自治區(qū))畜禽糞便管理N2O的排放量如表2所示，其中，2016年四川畜禽糞便管理N2O排放量最高，為2.136 3×104t，其次為河南、內(nèi)蒙古、云南、山東，分別為1.875 3×104、1.573 1×104、1.533 8×104、1.359 6×104t；上海的畜禽糞便管理N2O排放量最低，為0.027 2×104t，北京、天津、浙江、海南緊隨其后，畜禽糞便管理N2O排放量分別為0.064 6×104、0.087 3×104、0.131 5×104、0.154 1×104t。

以2000年為基準(zhǔn)，各省域2000—2016年畜禽糞便管理N2O排放量的變化可以分為2種情況：(1)波動(dòng)下降，包括北京、天津、河北、山西、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東、河南、廣東、廣西、海南、重慶、四川、湖南、湖北、貴州、云南、陜西。其中，安徽降幅最大，從2000年的1.113 3×104t下降到2016年的0.542 8×104t，降幅為51.25%；其次為上海、浙江，降幅分別為49.78%和49.05%。排放量排名前5的省域中除內(nèi)蒙古外均波動(dòng)下降，但降幅不大。各省域中，四川的降幅最小，從2000年的2.164 7×104t下降到2016年2.136 3×104t，降幅僅有1.32%，云南、重慶的降幅也比較小，分別為5.18%和11.50%。(2)波動(dòng)上升，包括內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、湖北、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆。其中，內(nèi)蒙古的增幅最大，從2000年的1.044 7×104t增加到2016年的1.573 1×104t,,增幅為50.58%；其次是寧夏，增幅為42.99%；湖南的畜禽糞便管理N2O排放量從2000年的1.174 4×104t增加到2005年的1.458 4×104t，然后又波動(dòng)下降到2016年的1.192 5×104t，總體增幅最小，僅1.54%。湖北的增幅也較小，僅為3.25%。

2.3 省域農(nóng)業(yè)源N2O排放總量

2000—2016年31個(gè)省(市、自治區(qū))的農(nóng)業(yè)源N2O排放總量如表3所示。其中，2016年農(nóng)業(yè)源N2O排放量最高的是廣西、廣東、云南，分別為46.172 2×104、9.795 6×104、8.624 5×104t，較2000年的增幅分別為137.14%、9.14%和16.20%；排放量最低的是天津、上海、北京和寧夏，分別為0.113 0×104、0.043 6×104、0.076 3×104、0.218 6×104t，較2000年分別增加14.26%、減少70.15%、減少37.54%、增加39.95%。

調(diào)查的31個(gè)省(市、自治區(qū))中，北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江西、山東、河南、重慶、貴州、湖南、四川、西藏、青海、甘肅、山西、寧夏、新疆、上海、安徽、湖北的畜禽糞便管理N2O排放是農(nóng)業(yè)源N2O排放的主要來源，占比達(dá)60%以上，其中，上海、安徽和湖北的占比波動(dòng)較大，但到2016年仍然以畜禽糞便管理N2O排放為主，而江蘇、浙江、福建、云南、廣東、廣西、海南則是以農(nóng)用地N2O排放為其農(nóng)業(yè)源N2O排放的主要來源，占比達(dá)60%以上。

2.4 全國農(nóng)業(yè)源N2O排放量

全國2000—2016年的農(nóng)業(yè)源N2O排放總量如圖1所示。可以看出，2000—2016年農(nóng)業(yè)源N2O排放量波動(dòng)上升，其中，2014年排放量最高，為103.813 6×104t，與2000年的71.801 3×104t相比，增幅為44.58%，到2016年又下降為95.354 9×104t。2000—2016年農(nóng)業(yè)源N2O排放量增幅為32.80%，年均增長1.79%。其中，農(nóng)用地N2O排放是全國農(nóng)業(yè)源N2O排放的主要來源，2000—2016年農(nóng)用地N2O排放量從45.572 3×104t波動(dòng)增加到72.300 7×104t，約占農(nóng)業(yè)源N2O總排放量的63.47%～77.26%。在農(nóng)用地N2O排放中，直接排放是主要來源，占農(nóng)用地N2O排放量的84.73%～85.87%，而間接排放僅占14.13%～15.27%。2000—2016年的畜禽糞便管理N2O排放可分為2個(gè)階段：第一階段(2000—2006年)呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，從26.240 6×104t增加到28.898 8×104t；第二階段(2007—2016年)逐年下降，到2016年畜禽糞便管理N2O排放量下降為23.0602×104t，占農(nóng)業(yè)源N2O總排放量的24.18%。

圖1 2000—2016年全國農(nóng)業(yè)源N2O排放量變化Fig.1 Dynamic of national agricultural N2O emissions in 2000—2016

3 結(jié)論與討論

有研究表明，不同灌溉方式[17]、不同耕作措施[18]、不同施肥措施[2，11]，以及不同鹽堿化程度[5，15]對(duì)土壤N2O的排放都會(huì)產(chǎn)生影響。張賀等[19]研究了不同施肥方式(有機(jī)肥與化肥配施、秸稈還田)和不同耕作方式(常規(guī)耕作、旋耕、免耕)等對(duì)華北平原冬小麥地土壤CO2與N2O排放的影響，結(jié)果表明，冬小麥生育期N2O排放高峰出現(xiàn)在施肥后，且與常規(guī)耕作相比，免耕顯著降低了N2O排放通量。薛建福等[20]研究發(fā)現(xiàn)，灌溉、施肥、耕作等農(nóng)作措施能夠改變稻田生態(tài)系統(tǒng)的土壤微環(huán)境，影響土壤的硝化與反硝化過程，進(jìn)而影響N2O的排放。本研究基于《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》比較分析了31個(gè)省(市、自治區(qū))的農(nóng)業(yè)源N2O排放。囿于數(shù)據(jù)的可獲得性，糞肥數(shù)據(jù)資料未能獲取，因此農(nóng)用地N2O直接排放中只計(jì)算了秸稈還田和氮肥施用過程中產(chǎn)生的N2O，這使得本研究的測(cè)算結(jié)果偏小。另外，在計(jì)算畜禽糞便管理N2O排放時(shí)，牛的排放因子取奶牛、非奶牛和水牛排放因子的平均值，也會(huì)使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

本研究對(duì)全國及各省域2000—2016年的農(nóng)業(yè)源N2O排放進(jìn)行了計(jì)算、比較和分析，主要結(jié)論如下。

(1)各省域農(nóng)用地N2O排放以廣西最高，2016年為45.320 2×104t，西藏最少，2016年為0.005 3×104t。研究的31個(gè)省(市、自治區(qū))的農(nóng)用地N2O排放以直接排放為主，占69%～87%，其中，北京、天津等22個(gè)省(市、自治區(qū))的氮肥使用中N2O排放是直接排放的主要貢獻(xiàn)者，而其他省域則以秸稈還田N2O排放為直接排放的主要來源，尤其是廣西、廣東、云南和海南，其秸稈還田N2O排放量占N2O直接排放量的95%以上。

(2)各省域2000—2016年畜禽糞便管理N2O排放變化趨勢(shì)主要有2種：一種是波動(dòng)下降，包括北京、天津、河北等22個(gè)省(市、自治區(qū))，另一種是波動(dòng)上升，包括內(nèi)蒙古、遼寧、吉林等9省(自治區(qū))。分省域來看，2016年畜禽糞便管理N2O排放以四川、河南、內(nèi)蒙古、云南、山東最高，上海、北京、天津、浙江、海南最少。

(3)各省域農(nóng)業(yè)源N2O排放存在明顯的區(qū)域差異性。廣西、廣東、云南的農(nóng)業(yè)源N2O排放量最高，遠(yuǎn)高于北京、上海、天津。北京、天津等24個(gè)省(市、自治區(qū))的畜禽糞便管理N2O排放是農(nóng)業(yè)源N2O排放的主要來源，而江蘇、浙江、福建、云南、廣東、廣西、海南則是農(nóng)用地N2O排放占農(nóng)業(yè)源N2O排放的主體。

(4)全國農(nóng)業(yè)源N2O排放總量從2000年的71.801 3×104t波動(dòng)增加到2016年的95.354 9×104t，增幅為32.80%，年均增長1.79%。其中，農(nóng)用地N2O排放量波動(dòng)增加，是農(nóng)業(yè)源N2O排放的主要來源(占比63.47%～77.26%)，其中，直接排放N2O是農(nóng)用地N2O排放的主要貢獻(xiàn)者，占比84.73%～85.87%。