农业氨排放影响及减排途径(农田氨排放速率)

大量科学证据表明，灰霾主要是由碱性污染物氨（NH3）与酸性污染物二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）在空气中发生化学反应，生成硫酸铵和硝酸铵，形成PM2.5凝结核，吸水并结合其他污染物而形成（图1）。在NH3大量存在的条件下，SO2和NOx形成PM2.5的速度会急剧增加。NH3在灰霾形成中的重要性，引起了全社会的高度关注。基于国家重大科学计划项目“我国活性氮源及其对空气质量与气候变化的影响机理研究”和我们长期“氮素循环与环境影响”的研究结果，提出种植和畜牧养殖氨气减排措施，供政府灰霾治理决策参考。

图1 农业氨挥发对PM2.5形成的贡献

设定农业氨减排目标

中国目前每年大约排放1500万t的NH3（以纯氮计，下同），与酸性物质NOx（700万~800万t，以纯氮计）和SO2 （900万~1000万t，以硫计）排放量（《2015中国环境状况公报》）的酸当量相当，对灰霾的形成具有重要的贡献。中国农业源氨排放量占总排放的90%左右，其中种植和牲畜养殖业排放大约各半，牲畜养殖排放略高。

欧美国家很早注意到氨对空气质量的重要影响，欧洲在1999年签订的《哥德堡协议》中同时设定了对SO2、NOx和NH3的减排目标。在中国，无论是空气污染防治措施，还是农业发展规划，都没有设定NH3减排目标。中国当前治理灰霾集中于减少酸性污染物SO2和NOx的排放。为此，建议在国家及地方各级政府层面的环境治理目标规划中，设定农业（包括种植业和畜牧业生产）的氨减排近期和远期目标，并制订实现减排目标的具体措施。

逐步优化农业布局

当前中国的人口、工业、商业、养殖业等均集中于北京、河北、天津、山东、江苏、安徽、上海和浙江等灰霾最严重的中东部地区。酸碱物质排放源在空间上重叠是形成严重灰霾天气的重要原因。氨气是本地性、短距离传输的污染物，传输距离一般仅为几百公里。在空间上分离氨与酸性物质SO2和NOx的排放源，可以有效减少酸碱污染物结合的机会。中国中东部地区种植业和养殖业氨排放量分别达全国总排放量的49%和48%。由于种植业更依赖地理和气候因素，迁移比养殖业更难。因此，建议优先考虑减少中东部地区养殖业，逐步扩大东北饲料粮生产基地的养殖业规模。将中东部地区的养殖业转移至东北地区具有多重功效：1）养殖业是中东部地区水体的主要污染源，养殖业转移可同时减轻中东部地区的灰霾和水体污染，而且东北地区年均温低，生产同样的牲畜产品氨排放量低；2）饲料生产基地与养殖基地结合，可以减少运输及其由运输产生的污染；3）促进东北地区经济发展。

大力促进科学施肥科研成果的推广和应用

中国每年农田氮肥使用量大约3100多万t纯氮（国家统计局数据），当季利用率仅为35%左右，累计利用率50%~60%，损失率达40%~50%，其中氨挥发损失15%~20%，种植业氨排放大约420~580万t氮。科学工作者经过40余年的不懈努力，积累了提高氮肥利用率、减少氮素损失和氨挥发损失的大量科研成果。但是受社会和经济因素的制约，这些成果的推广和应用并不理想，氮肥利用率低、损失率高的状况未得到明显改变。限制科学施肥成果推广和应用的主要社会和经济因素包括：

1）农地经营规模小，田块分散，难以承载先进的科学技术。科学施肥方法和技术往往需要在有规模经营效益的农田实施，中国中东部地区农村家庭的农田面积小，致使新技术无法落地。同时，小规模农户从农产品上获取的收入只占家庭收入的小部分，他们的收入主要来之于外出打工，对应用新技术的意愿低。根据我们的研究，如果家庭农地经营规模可以从目前的平均0.4 hm2增加到4 hm2，氮肥利用效率可提高大约75%。建议通过合理的制度设计，健全土地流转的法律法规，保障土地流转后的经营稳定性，加快种植业适度规模经营的步伐，降低农田氨排放。

2）机械化施肥水平低。氮肥深施、混施是提高利用率、减少损失率，特别是减少氨挥发损失极为有效的手段。由于缺乏深施和混施机械，特别缺乏追肥的深施机械，中国小规模分散管理的小片农田，目前大约60%的氮肥人工表施（图2）。表施的铵态氮肥暴露于空气，很大比例通过氨挥发排放到大气。由于无法精准控制施肥量，往往造成过量施肥的现象。建议根据中国作物生产特点，加大研制和推广机械施肥的力度，逐步杜绝氮肥表施现象。

图2 挥发大量氨气的农田化肥撒施以及牲畜养殖废弃物的露天风干

3）氮肥品种单一，基本都是铵态氮和产铵态氮肥料（如尿素）。铵态氮肥在中国北方碱性土壤上极易以氨的形态挥发到大气中。与此同时，铵态氮肥在土壤中会氧化成为硝态氮，该氧化过程同时排放大量温室气体N2O。改性硝酸铵比尿素的价格高10%~30%，由于其损失低，净花费并未增加。若施用改性硝态氮肥，既无氨挥发，也不因硝化过程而排放N2O。建议在加强监管的基础上，在中国北方，特别是华北平原，适当供应改性硝态氮肥，减少铵态氮肥的施用。

制订规模化畜禽养殖各个环节的操作规程和氨减排措施

中国畜禽养殖每年排泄的畜禽粪便大约1500万t纯氮，约为化学氮肥使用量的1/2。当前畜禽粪便氮素收集还田率大约为50%，其余大部分直接排放到大气和水体，成为重要的污染源（图2）。建议制订从饲料选择、畜舍构造、粪尿贮存、处理到田间施用等各个环节的操作规程和氨减排措施，作为规模化畜禽养殖操作和监管的依据。具体包括：

1）推广应用低蛋白含量的饲料品种。饲料中的碳氮比会显著影响牲畜粪便中的氮含量，加强对适应中国牲畜种类的低蛋白饲料品种研制和推广应用，有助于降低单位畜禽产品的氮素排泄量，可以从源头同时降低向地表水排放的氨氮以及向大气中排放的氨气。

2）控制规模化养殖场的氨气排放。规模化养殖圈舍氨气排放占牲畜养殖总氨气排放的10%~30%。采用合理的建筑设计可以降低圈舍的氨气排放，包括建设集中的排泄和粪便收集区域、快速的粪便清除系统、排泄区的温度控制以及酸性中和物质的使用等措施。建议通过引入合理技术标准规范控制新建养殖场的氨气排放；对已有的养殖场进行技术改造，安装现场在线氨浓度监测制备，加大对规模化养殖氨气排放的治理和监管，切实降低养殖场的氨气挥发。

3）推行规范化的粪便储存、堆沤和施用技术。中国目前的牲畜粪便处理倾向于固液分离，堆沤生产有机肥，减少向水体的排放，常忽略向大气的氨气排放。建议推广应用封闭式的粪便贮存、处理和施肥方式，降低粪便储存、处理和施用环节的氨排放。

上述4个方面建议和措施的实施，不仅可以控制氨排放引起的大气污染，还可减轻氮素流失导致的水体富营养化、硝酸盐淋洗引起的地下水污染、大量施用铵态氮和产铵态氮肥料导致的土壤酸化、大气氮沉降增加导致的生态环境退化，减少施用氮肥和有机肥引起的温室气体N2O的排放以及氮肥制造过程中巨大的化石能消耗和碳排放。因此，减少种植和养殖业的氨排放是一举多得的举措，也是治理活性氮大气和水体污染、保证食物生产安全的根本。（责任编辑 王丽娜）

本文作者：

巨晓棠，谷保静，蔡祖聪。

作者简介

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巨晓棠，中国农业大学资源与环境学院，教授；谷保静，浙江大学公共管理学院，研究员；蔡祖聪，南京师范大学地理科学学院，教授。

注：本文发表在2017年第13期《科技导报》，欢迎关注。