中国省域农业源N2O排放清单及特征分析

韦良焕，林 宁，莫治新

(喀什大学 化学与环境科学学院，新疆生物质类固废资源化工程技术研究中心，新疆 喀什 844006)

由温室气体增加引发的全球气候变暖问题越来越受到各国学者的关注，相应地，温室气体的核算也成为相关研究的热点之一[1]。其中，氧化亚氮(N2O)因为增温潜势大、在大气中滞留时间长、会破坏臭氧层等而备受关注，是仅次于CO2和CH4的第三大温室气体[2-3]。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)，以及《省级温室气体清单编制指南(试行)》中提供的温室气体核算方法，大气中N2O的来源主要有农业部门的农用地N2O排放和动物粪便管理N2O排放，以及废弃物处理部门废水处理过程的N2O排放。其中，农业是与氮素使用关系最密切的部门，大约有70%以上的氮排放量来自农业生产[4]。国内外很多学者从不同角度核算和分析了区域农业、农田、化肥使用，以及秸秆还田等过程中的N2O排放。在国外，Barnard等[5]分析了土壤硝化作用和反硝化作用对全球气候变化的影响；Babu等[6]利用DNDC模型对印度水稻生产系统中甲烷和N2O的排放进行了分析验证。在国内，尹释玉[7]分析了农田N2O的排放机理、影响因素和测定方法；尹高飞等[8]分析了河北省农田施肥存在的主要问题，以及不同作物、不同硝化抑制剂和不同土壤环境条件(氮素供应、温度、含水量)对土壤N2O排放的影响；汤勇华[9]对中国不同农田(水稻、小麦、玉米、大豆、棉花和油菜)化学氮肥施用和生产中产生的主要温室气体(N2O和CO2)排放及其减排潜力进行了分析计算；营娜等[10]评估了我国2008年农田肥料N2O的直接和间接排放；刘韵等[11]研究了不同施肥方式对冬小麦和夏玉米轮作土壤N2O排放的影响；蒋光福等[12]采用排放因子法比较了中国和印度小麦、玉米和水稻农田化肥氮源N2O的排放，并对中国农田N2O排放的时空变化进行了分析研究；张冉等[13]分析了中国农田秸秆还田对土壤N2O排放的影响，并利用Meta分析方法对不同影响因素进行了解析；温慧洋等[14]针对内蒙古河套灌区4种盐碱程度土壤的N2O排放途径及其贡献率进行研究，结果表明，N2O累积排放量随着土壤盐碱程度的升高而升高；张旭[15]对重庆市和四川省的农田N2O排放量进行估算，发现重庆市和四川省的N2O排放量在1990—2004年间呈上升趋势；周涛等[4]对广东省的农业氮足迹进行分析，结果表明，广东省农业氮足迹的主要来源是种植业化肥和养殖业饲料。本研究拟以省域为研究对象，对除我国香港、澳门、台湾以外的31个省(市、自治区)2000—2016年的农业源N2O排放进行核算和比较，分析不同省域农业源N2O排放量的时空变化，旨在探明全国(港、澳、台除外，下同)和各省域的农业源N2O排放清单及其特征，以期为我国农业源N2O减排提供参考。

1 材料与方法

参照《省级温室气体清单编制指南(试行)》中提供的温室气体核算方法开展研究。农业源N2O的计算主要包括农用地N2O的直接和间接排放，以及禽畜粪便管理N2O排放。其中，农用地N2O的直接排放主要计算了化肥施用的氮排放和基于主要农作物经济产量的农作物秸秆还田氮排放，间接排放主要是指大气氮沉降和氮淋溶、径流损失引起的氮排放；畜禽粪便管理N2O的排放数据主要基于牛、马、驴、骡、猪、骆驼、山羊和绵羊年底的数量进行测算，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。相关数据均来自《中国统计年鉴》，计算中涉及的排放因子来源于《省级温室气体清单编制指南(试行)》，氮肥的折纯比例来源于文献[16]。

2 结果与分析

2.1 省域农用地N2O排放

经测算，2000—2016年31个省(市、自治区)农用地N2O排放量如表1所示，其中主要包括秸秆还田氮排放和化学氮肥施用过程中的N2O直接排放，间接排放所占的比例较小。从表1可以看出，广西的农用地N2O排放量最高，2016年达到45.320 2×104t，与2000年的18.058 3×104t相比，增幅为150.97%，年均增长5.92%，远高于其他省份；其次是广东和云南，2016年农用地N2O排放量分别为9.200 6×104、7.090 6×104t，与2000年的8.177 2×104、5.804 8×104t相比，增幅分别为12.52%和22.15%，年均增长0.74%和1.25%。广西、广东和云南的农用地N2O排放量比较高，是因为其甘蔗产量较大，农用地N2O直接排放中秸秆还田的N2O排放量较高。农用地N2O排放量最少的是西藏，2016年为0.005 3×104t，青海、北京、上海、天津、宁夏紧随其后，2016年的农用地N2O排放量分别是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直接排放为主。

整体来看，研究区的农用地N2O排放中直接排放所占比例较高，占69%～87%。其中，北京、天津、河北、山西、内蒙古、山东、河南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆的直接排放占比约为69%，辽宁、吉林、黑龙江、重庆、四川、贵州、云南、上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南的直接排放占比约为80%，福建、广东、广西、海南的直接排放占比约为87%。在农用地N2O直接排放中，大部分省域化学氮肥施用过程中的N2O直接排放是主要贡献者，如四川和黑龙江氮肥施用过程中的N2O排放量占农用地N2O排放量的50%～60%，安徽、河南、重庆、青海、江苏、内蒙古、吉林、上海、湖北氮肥施用过程中的N2O排放量占农用地N2O排放量的60%～80%，西藏、陕西、甘肃、宁夏、新疆、北京、天津、河北、山西、山东、辽宁氮肥施用过程中的N2O排放量占农用地N2O排放量的80%～90%，而其他省域氮肥施用过程中的N2O排放量占农用地N2O排放量的比例在50%以下，尤其是云南、广西、海南、广东，该比例不足5%，主要是因为这些省域的甘蔗种植量较大，甘蔗还田造成其秸秆还田N2O排放量远高于其他省域，秸秆还田氮占比较大。

2.2 省域畜禽粪便管理N2O排放

2000—2016年31个省(市、自治区)畜禽粪便管理N2O的排放量如表2所示，其中，2016年四川畜禽粪便管理N2O排放量最高，为2.136 3×104t，其次为河南、内蒙古、云南、山东，分别为1.875 3×104、1.573 1×104、1.533 8×104、1.359 6×104t；上海的畜禽粪便管理N2O排放量最低，为0.027 2×104t，北京、天津、浙江、海南紧随其后，畜禽粪便管理N2O排放量分别为0.064 6×104、0.087 3×104、0.131 5×104、0.154 1×104t。

以2000年为基准，各省域2000—2016年畜禽粪便管理N2O排放量的变化可以分为2种情况：(1)波动下降，包括北京、天津、河北、山西、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、山东、河南、广东、广西、海南、重庆、四川、湖南、湖北、贵州、云南、陕西。其中，安徽降幅最大，从2000年的1.113 3×104t下降到2016年的0.542 8×104t，降幅为51.25%；其次为上海、浙江，降幅分别为49.78%和49.05%。排放量排名前5的省域中除内蒙古外均波动下降，但降幅不大。各省域中，四川的降幅最小，从2000年的2.164 7×104t下降到2016年2.136 3×104t，降幅仅有1.32%，云南、重庆的降幅也比较小，分别为5.18%和11.50%。(2)波动上升，包括内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、湖北、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆。其中，内蒙古的增幅最大，从2000年的1.044 7×104t增加到2016年的1.573 1×104t,,增幅为50.58%；其次是宁夏，增幅为42.99%；湖南的畜禽粪便管理N2O排放量从2000年的1.174 4×104t增加到2005年的1.458 4×104t，然后又波动下降到2016年的1.192 5×104t，总体增幅最小，仅1.54%。湖北的增幅也较小，仅为3.25%。

2.3 省域农业源N2O排放总量

2000—2016年31个省(市、自治区)的农业源N2O排放总量如表3所示。其中，2016年农业源N2O排放量最高的是广西、广东、云南，分别为46.172 2×104、9.795 6×104、8.624 5×104t，较2000年的增幅分别为137.14%、9.14%和16.20%；排放量最低的是天津、上海、北京和宁夏，分别为0.113 0×104、0.043 6×104、0.076 3×104、0.218 6×104t，较2000年分别增加14.26%、减少70.15%、减少37.54%、增加39.95%。

调查的31个省(市、自治区)中，北京、天津、河北、山西、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江西、山东、河南、重庆、贵州、湖南、四川、西藏、青海、甘肃、山西、宁夏、新疆、上海、安徽、湖北的畜禽粪便管理N2O排放是农业源N2O排放的主要来源，占比达60%以上，其中，上海、安徽和湖北的占比波动较大，但到2016年仍然以畜禽粪便管理N2O排放为主，而江苏、浙江、福建、云南、广东、广西、海南则是以农用地N2O排放为其农业源N2O排放的主要来源，占比达60%以上。

2.4 全国农业源N2O排放量

全国2000—2016年的农业源N2O排放总量如图1所示。可以看出，2000—2016年农业源N2O排放量波动上升，其中，2014年排放量最高，为103.813 6×104t，与2000年的71.801 3×104t相比，增幅为44.58%，到2016年又下降为95.354 9×104t。2000—2016年农业源N2O排放量增幅为32.80%，年均增长1.79%。其中，农用地N2O排放是全国农业源N2O排放的主要来源，2000—2016年农用地N2O排放量从45.572 3×104t波动增加到72.300 7×104t，约占农业源N2O总排放量的63.47%～77.26%。在农用地N2O排放中，直接排放是主要来源，占农用地N2O排放量的84.73%～85.87%，而间接排放仅占14.13%～15.27%。2000—2016年的畜禽粪便管理N2O排放可分为2个阶段：第一阶段(2000—2006年)呈现增长趋势，从26.240 6×104t增加到28.898 8×104t；第二阶段(2007—2016年)逐年下降，到2016年畜禽粪便管理N2O排放量下降为23.0602×104t，占农业源N2O总排放量的24.18%。

图1 2000—2016年全国农业源N2O排放量变化Fig.1 Dynamic of national agricultural N2O emissions in 2000—2016

3 结论与讨论

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]，以及不同盐碱化程度[5，15]对土壤N2O的排放都会产生影响。张贺等[19]研究了不同施肥方式(有机肥与化肥配施、秸秆还田)和不同耕作方式(常规耕作、旋耕、免耕)等对华北平原冬小麦地土壤CO2与N2O排放的影响，结果表明，冬小麦生育期N2O排放高峰出现在施肥后，且与常规耕作相比，免耕显著降低了N2O排放通量。薛建福等[20]研究发现，灌溉、施肥、耕作等农作措施能够改变稻田生态系统的土壤微环境，影响土壤的硝化与反硝化过程，进而影响N2O的排放。本研究基于《省级温室气体清单编制指南(试行)》比较分析了31个省(市、自治区)的农业源N2O排放。囿于数据的可获得性，粪肥数据资料未能获取，因此农用地N2O直接排放中只计算了秸秆还田和氮肥施用过程中产生的N2O，这使得本研究的测算结果偏小。另外，在计算畜禽粪便管理N2O排放时，牛的排放因子取奶牛、非奶牛和水牛排放因子的平均值，也会使计算结果出现偏差。

本研究对全国及各省域2000—2016年的农业源N2O排放进行了计算、比较和分析，主要结论如下。

(1)各省域农用地N2O排放以广西最高，2016年为45.320 2×104t，西藏最少，2016年为0.005 3×104t。研究的31个省(市、自治区)的农用地N2O排放以直接排放为主，占69%～87%，其中，北京、天津等22个省(市、自治区)的氮肥使用中N2O排放是直接排放的主要贡献者，而其他省域则以秸秆还田N2O排放为直接排放的主要来源，尤其是广西、广东、云南和海南，其秸秆还田N2O排放量占N2O直接排放量的95%以上。

(2)各省域2000—2016年畜禽粪便管理N2O排放变化趋势主要有2种：一种是波动下降，包括北京、天津、河北等22个省(市、自治区)，另一种是波动上升，包括内蒙古、辽宁、吉林等9省(自治区)。分省域来看，2016年畜禽粪便管理N2O排放以四川、河南、内蒙古、云南、山东最高，上海、北京、天津、浙江、海南最少。

(3)各省域农业源N2O排放存在明显的区域差异性。广西、广东、云南的农业源N2O排放量最高，远高于北京、上海、天津。北京、天津等24个省(市、自治区)的畜禽粪便管理N2O排放是农业源N2O排放的主要来源，而江苏、浙江、福建、云南、广东、广西、海南则是农用地N2O排放占农业源N2O排放的主体。

(4)全国农业源N2O排放总量从2000年的71.801 3×104t波动增加到2016年的95.354 9×104t，增幅为32.80%，年均增长1.79%。其中，农用地N2O排放量波动增加，是农业源N2O排放的主要来源(占比63.47%～77.26%)，其中，直接排放N2O是农用地N2O排放的主要贡献者，占比84.73%～85.87%。