郎建壘, 范曉菡, 李 昂, 邊澤君, 聞超玉, 周 穎, 毛書帥

(北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部區(qū)域大氣復合污染防治北京市重點實驗室, 北京 100124)

大量的排放清單研究結(jié)果表明,NH3排放存在多種自然和人為排放源,包括農(nóng)田施肥、固氮植物、秸稈堆肥、畜禽養(yǎng)殖、室外或室內(nèi)秸稈焚燒、人體排泄、廢棄物處理、工業(yè)生產(chǎn)、機動車尾氣等[4, 16-18]。受人為活動影響,各類排放源之間的排放特征存在較大的時空分布差異。農(nóng)業(yè)源是NH3排放量占比最大的排放源[19],而京津冀地區(qū)因其經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的特征,城市地區(qū)的機動車NH3排放占據(jù)主導地位,由于尚未有研究對比農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放對空氣質(zhì)量的影響,兩者的差異性影響規(guī)律并不清晰。因此,探究農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放及其對空氣質(zhì)量的影響差異,對提升科學認知、制定優(yōu)化減排方案具有重要意義。本研究以2017年為基準年,建立了京津冀農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3排放清單,分析其排放和時空分布特征。進一步的,通過WRF-CAMx-PSAT模型和Brute-Force法對京津冀農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3排放對大氣PM2.5空氣質(zhì)量的影響進行模擬和分析,研究可為NH3排放控制和京津冀空氣質(zhì)量的改善提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 排放清單建立方法

為探究京津冀農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放對大氣PM2.5貢獻的差異,本研究以2017年為基準年,基于排放因子法分別建立了京津冀農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放清單,其中農(nóng)業(yè)NH3源包括農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖2個主要農(nóng)業(yè)NH3排放源,NH3排放的總量為活動水平和排放因子的乘積,計算公式為

Ei,j,y=Ai,j,y×EFi,j,y×γ

(1)

式中:i為地區(qū)(北京、天津、河北);j為排放源;y為年份,本研究年份為2017年;Ei,j,y為y年i地區(qū)j排放源的排放量,t;A為活動水平數(shù)據(jù);EF為排放因子;γ為氮-大氣氨轉(zhuǎn)換系數(shù),畜禽養(yǎng)殖排放源取1.24,農(nóng)田施肥和機動車排放源取1.00。

1.1.1 活動水平

農(nóng)田施肥的排放估算中,農(nóng)作物類型分別為小麥、玉米、水稻、棉花、大豆、油菜、花生、甘蔗、馬鈴薯、甜菜、烤煙、西紅柿、黃瓜、茄子、大白菜、蘿卜、豇豆和水果。其余活動水平數(shù)據(jù),如作物播種面積、施肥率等均來自《2018年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[20]和《2018年全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[21]。不同作物的基追肥比例來自于文獻調(diào)研[22],根據(jù)基追肥比例,可將農(nóng)田施肥的排放計算至逐旬。

畜禽養(yǎng)殖的排放估算參考《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》(以下簡稱《指南》),其中養(yǎng)殖方式包括散養(yǎng)、集約和放牧;畜禽種類包括肉豬、母豬、肉牛、奶牛、山羊、綿羊、蛋雞、蛋鴨、蛋鵝、肉雞、肉鴨、肉鵝、馬、驢、騾和駱駝;本研究的糞便管理階段包括戶外、圈舍、存儲、施肥。各畜禽存欄或出欄量、畜禽養(yǎng)殖周期、畜禽集約和放牧飼養(yǎng)量均來自《2018年中國畜牧獸醫(yī)年鑒》[23]和《2018年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[20]。

機動車NH3排放的估算中,車型包括小型客車、大型客車、輕型貨車、重型貨車和摩托車;機動車排放標準包括國1前、國1、國2、國3、國4、國5、國6標準。2017年機動車保有量和歷年機動車新增量的數(shù)據(jù)來自《2018年中國統(tǒng)計年鑒》[24]。各地區(qū)各類車型年均行駛里程數(shù)據(jù)來自文獻調(diào)研[25]。

1.1.2 排放因子

農(nóng)田施肥的排放因子根據(jù)施用的肥料類型分為尿素、碳銨、其他氮肥、二銨復合肥、三元素復合肥、其他復合肥和混配肥,其中尿素和碳銨的排放因子主要來自《指南》中推薦的排放因子,并根據(jù)不同地區(qū)的土壤酸堿性、氣溫以及施肥方式對排放因子進行了修正。根據(jù)Zhou等[8]的研究,二銨復合肥、三元素復合肥、其他復合肥和混配肥的排放因子分別取6.0%、4.1%、3.3%和3.3%。畜禽養(yǎng)殖的排放因子參考《指南》推薦值。機動車排放計算方法參考郎建壘等[26]的研究,排放因子來自文獻調(diào)研,參考Lang等[27]、Li等[28],由COPERT V模型得到,單位為mg/km。

1.1.3 時空分配方法

對于農(nóng)田施肥源,初始清單的時間分辨率為旬。對于畜禽養(yǎng)殖源和機動車源,初始清單的時間分辨率為年,根據(jù)月分配系數(shù)分配至月排放。

本研究所計算的初始排放清單為省級清單,根據(jù)不同排放源的排放特征,選擇各市/縣的農(nóng)用化肥施用量、牧業(yè)產(chǎn)值、GDP等依據(jù)將排放分配至區(qū)縣;再選擇適當?shù)? km分配依據(jù)(如水田面積、旱田面積、人口、GDP等)將區(qū)縣排放分配至1 km網(wǎng)格。

1.2 空氣質(zhì)量影響研究方法

1.2.1 模型設(shè)置

本研究使用的是WRF 3.5.1和CAMx 6.30,并使用顆粒物源來源識別模塊(PSAT)來分析特定源區(qū)的顆粒物來源。模擬的第1層網(wǎng)格覆蓋中國東部地區(qū),空間分辨率為27 km×27 km,第2層網(wǎng)格包括京津冀及周邊地區(qū)(河南、山西、山東和內(nèi)蒙古部分地區(qū)),空間分辨率為9 km×9 km,具體模擬范圍見圖1。WRF模式輸入的初始氣象場和邊界信息采用FNL(final operational global analysis)全球再分析數(shù)據(jù)。FNL數(shù)據(jù)由國家環(huán)境預測中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)提供,時間分辨率為6 h,空間分辨率為1°×1°。地形條件和土地利用數(shù)據(jù)使用美國地質(zhì)調(diào)查局生成的全球地形數(shù)據(jù)。輸入模型的排放清單選擇清華大學2017年中國多尺度排放清單(MEIC,http:∥www.meicmodel.org/)以及本研究建立的京津冀農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3排放清單。WRF和CAMx模式參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 WRF和CAMx參數(shù)設(shè)置

圖1 WRF-CAMx-PSAT模式模擬區(qū)域及受體網(wǎng)格設(shè)置Fig.1 WRF-CAMx-PSAT simulated domain and location of tagged receptor grids

在本研究中,模擬2017年的1月和6月分別作為冬季和夏季的代表月。為探究農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3對空氣質(zhì)量影響的差異性,對農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3進行了不同比例的減排情景設(shè)置(10%、30%、50%、70%、100%),具體模擬方案設(shè)置如表2所示。受體網(wǎng)格選擇為監(jiān)測站點所在的網(wǎng)格,具體設(shè)置詳見圖1。

表2 模擬方案設(shè)置

1.2.2 模型評估

為評估模型的準確性,氣象參數(shù)選擇了溫度、濕度和風速進行對比驗證。空氣質(zhì)量模型對SO2、NO2和PM2.5進行驗證。氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)服務中心(http:∥data.cma.cn/en)。SO2、NO2和PM2.5的空氣質(zhì)量國控站點污染物濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站實時發(fā)布的常規(guī)污染物濃度數(shù)據(jù)(http:∥www.cnemc.cn)。模型性能評估參數(shù)包括相關(guān)系數(shù)(R)、歸一化平均偏差(NMB)和歸一化平均誤差(NME),公式為

(2)

(3)

(4)

表3為WRF模式和CAMx模式的驗證結(jié)果。WRF模擬的溫度、濕度、風速的相關(guān)性均較好,R值在0.85以上,NMB、NME均在±50%以內(nèi)。PM2.5、NO2、SO2的模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的R值均在0.5以上。1月各污染物的R、NMB和NME分別在0.59～0.84、-11.5%～20.1%和24.2%～31.5%。6月各污染物R、NMB和NME分別在0.56～0.71、-42.6%～33.2%和31.4%～32.9%,模擬結(jié)果與監(jiān)測值進行對比,誤差在合理范圍之內(nèi)[29-30],可用于后續(xù)的結(jié)果分析。

表3 模擬濃度與監(jiān)測濃度對比結(jié)果

1.2.3 NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù)

根據(jù)排放清單估算結(jié)果可知,不同NH3源的排放量存在差異,而排放量的差異會對濃度產(chǎn)生影響,無法直接衡量減排不同NH3源對空氣質(zhì)量的改善效果,為消除排放量的影響,本研究提出了NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù),其中以104t NH3計為1個單位的減排量,其計算公式為

(5)

NI=|CN-CN0|

(6)

式中:A代表不同NH3源,包括農(nóng)業(yè)NH3源、機動車NH3源;a代表不同減排比例(基準、10%、30%、50%、70%、100%);p代表污染物,PM2.5;r代表受體個數(shù),詳見圖1;CA,a,p,r代表A源在減排比例a下,對受體r污染物p的質(zhì)量濃度貢獻,μg/m3;ENH3,a代表不同減排比例下NH3的減排量,104t;CN代表情景a下,單位NH3排放(104t)對污染物p的質(zhì)量濃度貢獻,μg/m3;CN0代表基準情景下,單位NH3排放(104t)對污染物p的質(zhì)量濃度貢獻,μg/m3;NI代表NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù),即減排情景CN與基準情景CN0的差值的絕對值,μg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 京津冀農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放

2.1.1 排放量特征

2017年京津冀的農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖和機動車源的NH3排放量見表4。北京、天津、河北的農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放量總量分別占比3.9%、6.6%和89.5%。其中,北京市的農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖、機動車源排放量占比分別為31.8%、64.4%和3.9%,天津市相應分別為38.8%、60.0%和1.2%,河北省相應分別為41.0%、58.0%和0.9%。

表4 京津冀的農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖和機動車源的NH3排放量

畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田施肥的排放是最主要的農(nóng)業(yè)NH3排放源,進一步對其排放特征進行分析。圖2為農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖中各類化肥種類和畜禽的排放量占比。從圖中可以看出,農(nóng)田施肥源中尿素的排放占比最大,達到了68.3%,排放量為21.2萬t。主要是因為我國施用氮肥時尿素使用量占比最大,且在溫度較高的酸性或堿性土壤條件下,尿素的排放因子較大,因此尿素排放量較高[31]。其次化肥施用排放量較大的化肥種類依次為碳銨、三元素復合肥、二銨復合肥。

圖2 不同畜禽養(yǎng)殖種類和不同化肥種類排放占比Fig.2 Percentage of emissions from different types of livestock and fertilizers

對于畜禽養(yǎng)殖,雞、肉牛、綿羊、奶牛這4種畜禽的NH3排放量較大,分別為11.6萬、7.9萬、7.7萬、6.9萬t,總占比達到76.1%。這主要是因為雞、牛、羊等牲畜的消費量和需求量較大,且生長周期短,導致這些牲畜的飼養(yǎng)量較多,排放量較大。

2.1.2 時空分布特征

圖3為京津冀農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖和機動車源的1 km空間分布圖。圖中可以看出,京津冀地區(qū)的NH3排放在空間上整體呈現(xiàn)東南部高、西北部低的特征,農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖的空間分布主要與人口、作物種植面積以及地理分布有關(guān)(河北西部為太行山,其人為活動較少)。機動車NH3排放的空間分布主要在各城市的中心區(qū)域,這與城市人口以及車流量相比農(nóng)村地區(qū)更大有關(guān)。

圖4為京津冀NH3排放月分布圖。從圖中可以看出,京津冀NH3排放存在著明顯的季節(jié)差異,春季和夏季的排放量大,秋季和冬季排放量小,特別是在4月份,NH3排放量呈現(xiàn)出最高值。從4月份NH3源的占比來看,4月份的農(nóng)業(yè)施肥排放占比71.6%,尤其是河北的施肥排放量較大,主要是因為4月初為大多數(shù)農(nóng)作物播種(同時施加基肥)的物候期,如春玉米、春小麥、棉花等播種面積較大的農(nóng)作物,從而使得4月份排放量較大。另外,NH3的排放在夏季6月和10月均有高值出現(xiàn),這與夏季溫度較高,秋季部分作物和蔬菜施加追肥有關(guān)。

圖4 京津冀農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖和機動車排放月分布Fig.4 Monthly distribution of fertilizer, livestock and vehicle sources

2.1.3 排放清單對比和不確定性分析

為驗證清單的準確性,本研究將計算的京津冀農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖、機動車源排放清單與其他研究結(jié)果進行對比。表5為本研究排放清單與其他研究估算的清單結(jié)果。本研究與Cheng等[32]計算的2017年京津冀農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖的結(jié)果相近,農(nóng)田施肥估算結(jié)果僅相差1.3%,畜禽養(yǎng)殖結(jié)果相差10%左右。同樣對比2017年阿達力別克等[33]估算的結(jié)果,農(nóng)田施肥相差較小,畜禽養(yǎng)殖結(jié)果相差較大,可能是因為使用的排放因子存在較大差別,以及活動水平的統(tǒng)計來源不同所導致的。對比Zhou等[8]、董文煊等[34]的排放清單,其估算的農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖排放量均高于本研究,原因可能是一方面排放清單的年份較早(分別為2010年和2006年),近些年化肥施用種類結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及整體的化肥施用量相比較早年份均有所降低,同時科學的施肥指導和各類緩釋化肥的應用使得化肥得到高效的利用,最終導致農(nóng)田NH3揮發(fā)的減少;另一方面,各研究農(nóng)田施肥源的活動水平(如作物種類、施肥率等)和應用的排放因子存在差異。整體來看,本研究估算的排放總體可接受。

表5 排放清單結(jié)果與其他研究對比

2.2 農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放源對空氣質(zhì)量的影響

圖5為農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3在不同減排比例下對京津冀不同污染物的影響。對比農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3的減排情景,整體來看,由于農(nóng)業(yè)NH3排放顯著高于機動車NH3排放,因此減排農(nóng)業(yè)NH3對于京津冀空氣質(zhì)量的影響更大。

圖5 不同減排情景下污染物濃度變化率Fig.5 Pollutant concentration change rates at different reduction scenarios

2.3 農(nóng)業(yè)和機動車NH3的減排效率對比

根據(jù)方法部分的定義計算PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù)。圖6為農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3減排情景下PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率。結(jié)果表明,盡管城市地區(qū)的機動車NH3排放量小于農(nóng)業(yè)NH3排放量,但控制同樣機動車NH3排放(以104t計)比控制單位農(nóng)業(yè)NH3排放帶來的空氣質(zhì)量改善效率更高,說明機動車(城市地區(qū))NH3減排對于PM2.5的改善效率高于農(nóng)業(yè)(鄉(xiāng)村地區(qū))NH3減排,且在1月份的改善效率更為明顯。除6月份農(nóng)業(yè)NH3減排比例無顯著變化外,其余減排情景下PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率隨減排比例的增加而增加。

圖6 不同情景下PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù)Fig.6 NH3 emission reduction air quality improvement efficiency index of PM2.5 under different scenarios

在農(nóng)業(yè)NH3減排情景下,PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率指數(shù)在1月份和6月份分別為0.3～0.7 μg/m3和0.03～0.04 μg/m3。在機動車NH3減排情景下,PM2.5的NH3減排空氣質(zhì)量改善效率在1月份和6月份分別為1.1～1.3 μg/m3和0.08～0.10 μg/m3。對比2種減排情景下的變化量,同樣控制104t的NH3,機動車NH3減排情景下的PM2.5的改善效率在1月和6月分別是農(nóng)業(yè)NH3減排情景的2.0～4.2倍和2.2～3.3倍。機動車NH3與農(nóng)業(yè)NH3減排空氣質(zhì)量改善效率的差異可能與城市、農(nóng)村地區(qū)大氣NH3的過量差異情況有關(guān)。一般來講,NH3過量越嚴重,NH3減排效果越不明顯[13, 38]。目前華北地區(qū)主要處于NH3過量狀態(tài),且根據(jù)排放清單的估算量可知,農(nóng)村地區(qū)的NH3排放遠大于城鎮(zhèn)機動車NH3排放,城鎮(zhèn)地區(qū)的NH3過量情況弱于農(nóng)村地區(qū)。因此,當減排同樣量的農(nóng)業(yè)和機動車NH3時,城鎮(zhèn)地區(qū)的機動車NH3源的減排效率更明顯。綜上,當控制同樣排放量的農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3,機動車NH3減排帶來的減排效果更好。因此,雖然機動車NH3的排放量較小,但對其排放與控制也不可忽視。

3 結(jié)論

1) 2017年北京市的農(nóng)田施肥、畜禽養(yǎng)殖、機動車源排放量分別為0.9萬、1.9萬和0.1萬t;天津市相應分別為2.0萬、3.0萬和0.1萬t;河北省相應分別為28.1萬、39.8萬和0.6萬t。其中,農(nóng)田施肥和畜禽養(yǎng)殖中占比最大的分別為尿素使用和家禽雞的排放。京津冀的農(nóng)業(yè)和機動車NH3排放空間分布呈現(xiàn)出東南高、西北低的特征,其時間分布在4月份呈現(xiàn)出峰值,季節(jié)上呈現(xiàn)出春夏季高、秋冬季低的特征。

3) NH3減排空氣質(zhì)量改善效率的結(jié)果表明,當農(nóng)業(yè)NH3和機動車NH3減排量相同(104t)時,機動車NH3減排對于PM2.5改善效率高于農(nóng)業(yè)NH3減排,且在1月份的改善效率更為明顯,在1月和6月分別可達到農(nóng)業(yè)NH3減排情景的2.0～4.2倍和2.2～3.3倍。