吳 瓊,趙學濤

(環(huán)境保護部環(huán)境規(guī)劃院,北京 100012)

大氣中的氨主要來源可分為天然源和人為源2大類[1]。與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、畜禽養(yǎng)殖等人為源氨排放相比[2],火山噴發(fā)等天然源釋放的氨量有限[3]。人為源中,農(nóng)牧業(yè)貢獻了高達95%的氨排放,而其中畜禽養(yǎng)殖對農(nóng)牧業(yè)氨排放貢獻約為50%。歐洲、美國和日本畜禽養(yǎng)殖氨排放量分別占該地區(qū)或國家人為排放總量的80%～90%、56%和64%,我國畜禽養(yǎng)殖氨排放占人為源排放的比例在40%～50%之間[1,4-6]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放主要來自于畜禽舍、糞污堆置、運輸和糞污處理場所[7],其中畜禽舍和糞肥利用排放量貢獻超過1/3[8]。農(nóng)場和區(qū)域尺度氨排放核算是畜禽養(yǎng)殖精準治污、布局優(yōu)化的基本前提。

1 畜禽養(yǎng)殖業(yè)氨排放核算方法和模型

1.1 基于區(qū)域總量的核算方法

基于區(qū)域總量的核算方法是從氮循環(huán)的角度出發(fā),考慮氮元素攝入—消化—排出全過程氮元素的形態(tài)以及在體內(nèi)留存和排出的氮總量的分配情況,最終建立起氮含量與氨排放量的聯(lián)系,計算得到單個(只)或單位質(zhì)量某種畜禽的平均氨排放因子,以該種畜禽平均氨排放因子乘以區(qū)域?qū)用嬖摲N畜禽養(yǎng)殖數(shù)量(即活動水平)計算得到區(qū)域?qū)用嬖摲N畜禽養(yǎng)殖整體氨排放量的方法。自COWELLA等[9]1998年首次開發(fā)了基于糞便全過程管理的區(qū)域氨排放削減策略費用曲線評估模型(Model for the Assessment of Regional Cost Curves for Abatement Strategies,MARACCAS)以來,核算方法從最初的基于氮元素流核算[10-11]衍生出多種以總氨態(tài)氮(total ammoniacal nitrogen,TAN)為核心的氨排放核算體系[12]。這里所說的TAN,指包括游離氨、離子銨、尿素、尿酸在內(nèi)的可以轉(zhuǎn)化成NH3和NH4+的一切銨態(tài)化合物,較通常意義說的僅包括游離氨和離子銨的氨氮(NH3-N)范圍更廣[12]。

國際組織以及大部分國家開發(fā)的基于氮元素流的氨排放核算模型大多與其他污染管理模型集成在一起。區(qū)域空氣污染信息和模擬模型(Regional Air Pollution Information and Simulation,RAINS)是奧地利國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所為管理跨界污染、評估污染排放和各項措施效果而開發(fā)出的以氮元素流核算為核心的綜合評價模型[13]。瑞士氨排放分布動態(tài)估算(The Swiss DYNamic Ammonia Model,DYNAMO)模型以氮元素流核算為核心[14],該模型利用總氮百分比來計算放牧和畜禽舍排放,應(yīng)用逐步回歸分析法修正了隨著牲畜吃草時間長短變化的畜禽舍排放因子,提出了按照表面積計算貯藏階段排放因子的方法[15]。區(qū)域氮循環(huán)(IPCC Asia-specific Parameter-N,IAP-N)是在《2006年政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)國家溫室氣體清單指南》[16]基礎(chǔ)上建立的以畜禽活動水平基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依托的N2O排放因子核算模型,ZHENG等[17]在對氨揮發(fā)速率和排放因子進行本地化的基礎(chǔ)上,修正得到基于總氮的適用于亞洲的糞便氨排放核算系數(shù)。美國化肥施用氨排放清單(Ammonia Emission Inventory for Fertilizer Application,AEIFA)模型是在化肥施用氨排放清單模型基礎(chǔ)上加入畜禽養(yǎng)殖氨排放核算模塊[18],根據(jù)養(yǎng)殖方式、糞便管理模式和活動水平數(shù)據(jù)[19],結(jié)合氮排泄率、排放因子進行畜禽養(yǎng)殖氨排放核算[4]。N-Calculator評估的是從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入、農(nóng)業(yè)人口食物消費到農(nóng)業(yè)自然過程氮足跡的全過程氮元素流的變化[20],對于化肥氨揮發(fā)、糞便無害化處理過程中的氨排放都有所評估。

部分國家開發(fā)了基于TAN的氨排放核算模型。德國氣態(tài)排放模型(GASeous EMissions,GAS-EM)使用TAN進行畜禽養(yǎng)殖全過程平均氨排放核算,考慮了糞肥儲存過程中氮的礦化和固化作用[5],同時兼具核算溫室氣體(如甲烷)、顆粒物排放的功能[21]。英國國家氨減排措施評價系統(tǒng)(The National Ammonia Reduction Strategy Evaluation System,NARSES)是通過利用以TAN為基礎(chǔ)的最大理論排放量與各削減因子(土壤pH、土地利用類型、氮肥施用率、降雨和溫度等)的乘積來計算氨排放量,從而評估土壤和環(huán)境變量對氨排放量的影響[10];冰島國家氨排放核算模型與此模型核心一致[22]。荷蘭畜禽養(yǎng)殖氨排放核算模型都是以TAN為核心的氨排放核算模型:糞肥和氨排放模型(Manure and Ammonia Emission Model,MAM)最初被用于國家尺度上的糞肥管理,通過計算分析農(nóng)場水平的糞肥盈余或不足來實現(xiàn)糞肥分配的均衡;畜禽養(yǎng)殖氨排放(National Emission Model for Ammonia,NEMA)模型在MAM模型基礎(chǔ)上將淋溶流失的硝酸鹽和揮發(fā)氨量也納入核算框架,核算和評估更全面準確[12,23]。在此基礎(chǔ)上,MENZI等[ 24]、KUPPER等[25-27]開發(fā)了提供更多氨排放情景的AGRAMMON模型,用于國家層面氨排放評估,農(nóng)場尺度氨排放模擬結(jié)果準確性也得到了相應(yīng)提升。丹麥氨排放模型(Danmark Ammonia Emission Inventory Model,DanAm)是基于TAN排放因子核算、結(jié)合Alfam統(tǒng)計模型開發(fā)而來[28],通過計算飼料氮消耗量減去動物組織生長或乳汁中的氮得到動物排泄的氮量從而得到氨排放量[11],該模型分別核算了放牧動物圈養(yǎng)期和放牧期2個時段氨排放,修正了液態(tài)糞肥還田系數(shù),給出了季節(jié)性的排放因子[29-30]。2014年8月,中國環(huán)境保護部印發(fā)《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》(環(huán)境保護部公告2014年 第55號)。該指南以動物排泄物氨排放核算為基礎(chǔ),給出了不同溫度條件下不同階段基于TAN百分比的畜禽養(yǎng)殖氨排放系數(shù)及參數(shù),考慮了糞便存儲過程中不同形態(tài)氮之間的相互轉(zhuǎn)化,對室內(nèi)和戶外畜禽養(yǎng)殖氨排放量核算的主要技術(shù)方法、技術(shù)流程等做了詳細闡述。歐洲環(huán)境局《歐盟空氣污染排放清單編制指南2016》(EMEP/EEA Air Pollutant Emission Inventory Guidebook-2016)提出了進行氨排放估算的3種方法[31],并指出:基于行業(yè)平均活動水平的排放因子法無法區(qū)分氨排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié);基于不同技術(shù)的排放因子法可進行不同控制措施的氨排放控制效率評價;而利用排放建模及使用設(shè)施數(shù)據(jù)輸入模型的動態(tài)模型法,能夠模擬工藝過程計算排放量,較前2種更準確。

1.2 基于階段管理的核算方法

基于階段管理的氨排放估算方法基本遵循以單個養(yǎng)殖場(Animal Feeding Operations，AFO)氨排放核算為基礎(chǔ)。農(nóng)場尺度氨排放核算模型(Model for Ammonia System Transfers at the Farm Scale,MAST)包括放牧、圈養(yǎng)、糞肥儲存、還田施用和氮肥5個子模塊(圖1)。該模型從氮元素流入手,重點關(guān)注畜禽養(yǎng)殖糞污收集和糞污還田的氨排放系數(shù),分析不同形態(tài)氮的流向,研究模擬不同控制情景下的氨排放[32]。該模型模擬過程涉及大量觀測數(shù)據(jù)(如每3 h記錄1次排泄物量),在提高模型模擬結(jié)果準確性的同時降低了一定的效率。

圖1 MAST模型基本框架Fig.1 The basic framework of MAST model

農(nóng)場排放模型(Farm Emission Model, FEM)包括牧場、畜禽舍、糞污貯存系統(tǒng)和還田4個模塊[33]。FEM模型基本框架見圖2。模型從糞污管理全過程排放因子入手,考慮溫度和風速對氨揮發(fā)速率的影響以及不同氣候、放牧方式對最終氨排放結(jié)果的影響,建立了隨時間變化的農(nóng)場尺度氨排放核算體系。

圖2 FEM模型基本框架Fig.2 The basic framework of FEM model

在該模型的基礎(chǔ)上,引入統(tǒng)計模塊,綜合考慮區(qū)域糞污管理系統(tǒng)的位置、牲畜數(shù)量和氣候等數(shù)據(jù)可建立區(qū)域?qū)用姘迸欧徘鍐巍＝y(tǒng)計模塊有動物分配處理模塊(Animal Allocation Processor,AAP)和統(tǒng)計模塊(National Practices Model,NPM)2類。AAP模塊的引入拓展了畜禽氨排放核算時間和空間尺度,使測算小時、日均、月均、年均單個或多個畜禽養(yǎng)殖場的氨排放量成為可能[34]。由FEM模塊獲得養(yǎng)殖場尺度的氨排放速率,再結(jié)合不同區(qū)域養(yǎng)殖模式和種類信息數(shù)據(jù),可計算得到區(qū)域?qū)用姘迸欧趴偭縖35]。統(tǒng)計模塊NPM是基于回歸分析的模型預(yù)測,以來自國家動物健康監(jiān)測項目(National Animal Health Monitoring System,NAHMS)的調(diào)查結(jié)果作為模型參數(shù),預(yù)測非調(diào)查范圍內(nèi)的不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)各類農(nóng)場設(shè)施所占比例[36]。在NPM模塊中,輸入月溫度和降水均值、地理位置、畜禽數(shù)量及不同規(guī)模農(nóng)場分布情況等影響因素,利用農(nóng)場類型進行加權(quán),結(jié)合FEM模塊計算結(jié)果,核算得到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的排放因子,可以得到區(qū)域?qū)用姘迸欧藕怂憬Y(jié)果[37]。

脫氮-分解耦合(Denitrification-decomposition,DNDC)模型最早開發(fā)用于模擬農(nóng)業(yè)土壤中的N2O、CO2和N2排放[38],后來經(jīng)過不斷完善和改進,引入?yún)捬跚蚰M土壤氧化還原過程[39],新增NH3揮發(fā)功能模擬和畜禽養(yǎng)殖與糞便管理模塊[40],實現(xiàn)對整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的模擬。Manure-DNDC模型(圖3)能夠模擬圈舍養(yǎng)殖和放牧2種方式,以及堆肥、沼氣池、氧化塘和消化池等多種畜禽糞便處理過程,部分學者在此基礎(chǔ)上新增了不同畜種養(yǎng)殖、飼養(yǎng)階段、固液分離和固體糞便貯存模塊,結(jié)合污染物產(chǎn)生和遷移轉(zhuǎn)化過程,用于不同環(huán)境因子條件下污染物的時空分布差異預(yù)測[41-42]。

圖3 Manure-DNDC模型基本框架Fig.3 The basic framework of Manure-DNDC model

2 不同方法和模型的適用性評價

2.1 核算思路的適用性評價

與傳統(tǒng)的單一排放因子法相比,優(yōu)先選用分階段的排放因子核算方法。按照放牧、圈養(yǎng)、糞肥管理和糞肥播散4個階段排放因子差異來評估每頭動物氨排放情況的模型模擬和清單編制方法,相比于傳統(tǒng)做法而言,考慮了由于飼料不同、氮排泄不同、各個國家和地區(qū)的糞肥管理不同造成氨排放的差異,核算得到的氨排放量與實際排放情況更吻合,一定程度上提高了核算的準確性。

從氨排放核算方式來看,選用基于TAN的核算模型較基于氮元素流的核算模型結(jié)果更可信。主要原因在于:(1)NH3與TAN之間的作用較NH3和總氮之間的聯(lián)系更緊密;(2)飼料成分的變化既影響排泄的總氮量,也影響TAN占總氮比例,使用總氮量核算忽略了由于TAN占總氮比例變化引起的該部分NH3排放量,導(dǎo)致總氮法核算結(jié)果較TAN法結(jié)果更小;(3)畜禽舍糞便管理模式影響TAN占總氮比例,使用TAN方法計算得到的結(jié)果更準確;(4)在貯藏期間,糞便中有機氮通過礦化轉(zhuǎn)化成TAN,但對總氮影響不大,簡單的采用總氮計算方法容易丟失該部分氨排放量[1,12,19]。

2.2 核算尺度的適用性評價

基于TAN和氮元素流分析的各類模型適合國家和區(qū)域?qū)用娴陌迸欧趴偭抗浪?不適用于點源氨排放總量估算。歐盟和IPCC等機構(gòu)發(fā)布的氨排放核算模型和核算手冊,大部分是從種類牲畜平均氨排放角度進行核算,給出一個區(qū)域范圍內(nèi)不同種類畜禽的平均排放系數(shù),乘以活動水平得到相應(yīng)結(jié)果,思路和排放因子法沒有本質(zhì)區(qū)別(表1)。這些核算結(jié)果對于宏觀政策分析有一定的積極意義,但對于養(yǎng)殖場尺度的氨排放控制參考價值有限。

階段管理模型適合養(yǎng)殖場尺度氨排放核算。階段管理模型對畜禽養(yǎng)殖全過程進行管理分節(jié),根據(jù)不同的影響因素對相應(yīng)階段的氨排放因子進行調(diào)整,最終按階段加總獲得養(yǎng)殖場尺度的氨排放核算結(jié)果。這種方法能夠方便地獲悉畜禽養(yǎng)殖全過程產(chǎn)排污的關(guān)鍵節(jié)點,便于分析不同控制措施對于氨排放削減的作用,符合未來精細化管理需求。與此同時,采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的統(tǒng)計模型,考慮畜禽養(yǎng)殖類別、主流糞便管理技術(shù)、降雨等其他影響因素對氨排放總量的影響,能夠由下至上獲得鄉(xiāng)鎮(zhèn)和地市層面的畜禽養(yǎng)殖氨排放情況,對于區(qū)域污染控制具有積極意義。養(yǎng)殖場和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度核算模型匯總見表2。

3 我國畜禽養(yǎng)殖氨排放核算新思路

目前國內(nèi)氨排放研究大部分停留在國家和區(qū)域尺度層面,養(yǎng)殖場尺度研究較少。多數(shù)研究僅針對某一種畜禽或者某種肥料的排放系數(shù)進行微觀研究,沒有考慮到畜禽養(yǎng)殖全過程各個環(huán)節(jié)的產(chǎn)排污情況，對糞污利用過程的氨排放關(guān)注較少,缺乏“從產(chǎn)生至還田”全過程污染物排放控制。氨排放因子的準確性直接影響氨排放量估算結(jié)果的準確性[35],土壤性質(zhì)、氣溫等環(huán)境條件均會對當?shù)匕迸欧女a(chǎn)生顯著影響[43-44],單純地照搬國外研究結(jié)果對于我國氨排放清單編制并不適用[1,34]?！洞髿獍痹磁欧徘鍐尉幹萍夹g(shù)指南》的核心是排泄物氨排放核算,對于畜禽養(yǎng)殖全過程來說,還不夠全面。從這個角度出發(fā),構(gòu)建全面的本地化氨排放核算模型十分必要。

表1 國家和區(qū)域尺度核算模型匯總Table 1 Models for ammonia emission accounting on national and regional scales

表2 養(yǎng)殖場和鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度核算模型匯總 Table 2 Models for ammonia emission accounting on farm and local scales

未來畜禽養(yǎng)殖氨排放核算模型可按照先單點核算后區(qū)域模擬的思路展開,形成自下而上的氨排放核算體系(圖4)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,以單個畜禽養(yǎng)殖場階段管理模型為基礎(chǔ),計算包括放牧、畜禽舍、糞污儲存和糞污還田等階段的畜禽養(yǎng)殖全過程的氨排放量。在此基礎(chǔ)上,以行政區(qū)劃、畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和養(yǎng)殖場分布等統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)輸入,構(gòu)建區(qū)域范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖分布管理模型,輸出網(wǎng)格化的畜禽養(yǎng)殖分布和糞污利用信息,得到區(qū)域?qū)用姘迸欧趴偭?為轄區(qū)畜禽養(yǎng)殖布局優(yōu)化、區(qū)域?qū)用婢珳手挝厶峁┗A(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

養(yǎng)殖場尺度的階段管理模型核心在于對養(yǎng)殖過程的分階段排放模擬,區(qū)域?qū)用娴慕y(tǒng)計模型核心在于養(yǎng)殖量、養(yǎng)殖場管理模式和環(huán)境因素影響。階段管理模型通過輸入養(yǎng)殖量,選擇飼料性質(zhì)、排泄物性質(zhì)和養(yǎng)殖管理模式等各類參數(shù)(表3),計算得到養(yǎng)殖場尺度NH3排放量,輸出結(jié)果即是區(qū)域統(tǒng)計模型的輸入數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)區(qū)域范圍內(nèi)不同畜禽種類的存欄量、出欄量、養(yǎng)殖場畜禽舍面積、糞污處理模式和氣象參數(shù)等輸入統(tǒng)計模型,計算得到區(qū)域尺度氨排放總量。

采用先養(yǎng)殖場尺度后區(qū)域尺度核算的思路,可以得到養(yǎng)殖場和區(qū)域尺度下畜禽養(yǎng)殖氨排放核算結(jié)果,通過氨排放核算關(guān)鍵因素識別,既能夠發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場尺度氨排放重點環(huán)節(jié)和關(guān)鍵因素,又能夠獲悉區(qū)域尺度氨排放總量主要來自哪些畜種、集中分布在哪些區(qū)域。核算結(jié)果既能滿足如低氨排放量糞污處理模式推廣、區(qū)域畜禽養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)調(diào)整等區(qū)域?qū)用鏅M向管理的需要,又能滿足如飼料選擇、排泄物管理要點和糞污處理管理關(guān)鍵環(huán)節(jié)農(nóng)場尺度縱向管理的需求。

圖4 氨排放核算新思路Fig.4 A reasonable new framework for ammonia emission accounting in China

表3 畜禽養(yǎng)殖階段管理模型和區(qū)域統(tǒng)計模型參數(shù)Table 3 The parameters of the process-based model and the regional statistical model for livestock production management

4 結(jié)論與展望

長期以來,我國畜禽養(yǎng)殖氨排放核算主要沿用國際上普遍適用的物質(zhì)流核算方法,自《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》發(fā)布以來,首次有了系統(tǒng)性的適用于我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的氨排放系數(shù)及參數(shù),重點關(guān)注的仍然是區(qū)域?qū)用姘迸欧趴偭俊！缎笄菀?guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》對我國畜禽養(yǎng)殖污染防治提出了更高要求,區(qū)域?qū)用娴暮暧^核算已滿足不了畜禽養(yǎng)殖精細化管理需求,迫切需要養(yǎng)殖場尺度氨排放核算等微觀數(shù)據(jù)支持。從這個角度出發(fā),結(jié)合畜禽養(yǎng)殖階段管理模型和區(qū)域統(tǒng)計模型的自下而上氨排放核算新思路能夠為我國畜禽養(yǎng)殖管理提供豐富數(shù)據(jù),為宏觀和微觀相結(jié)合的精細化管理提供基礎(chǔ)支撐和決策依據(jù)。未來我國畜禽養(yǎng)殖氨排放核算應(yīng)重點關(guān)注階段管理模型的精度、區(qū)域統(tǒng)計數(shù)據(jù)的豐富度和準確度、規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖管理模式分布情況和糞污處理技術(shù)等方面,據(jù)此得到我國畜禽養(yǎng)殖管理關(guān)鍵環(huán)節(jié)和糞污處理優(yōu)先推廣技術(shù)等系列產(chǎn)出,為我國畜禽養(yǎng)殖污染防治提供新參考。

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