2023, Vol. 44
2. 国家城市环境污染控制工程技术研究中心, 北京 100037
2. National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037, China
随着全球经济和社会的快速发展, 温室气体(greenhouse gas, GHG)过量排放引起的气候变化已经成为全球最受关注的环境问题之一.农业是重要的GHG排放源, 联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告显示, 全球农林源温室气体排放占所有人为源温室气体排放总量的23%[1].我国是农业大国, 2014年农业活动温室气体排放量为8.3亿t当量的二氧化碳(CO2), 成为仅次于能源活动、工业生产活动的第三大温室气体排放来源[2].
农业生产排放的温室气体主要为非CO2温室气体, 即甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O), 二者具有很高的全球升温潜势GWP100(27.9和273)[1].此外, 农业温室气体来源广、排放量大, 因此越来越受到国内外政府和学者的广泛关注.国外学者的研究主要侧重于GHG减排措施的潜力研究.如, 有学者认为深层施肥可显著降低地表N2O排放, 25 cm和35 cm的施肥深度比5 cm分别减少了30.8%和59.3%的N2O排放[3].Boland等[4]发现, 饲料中添加亚麻籽油可使奶牛胃中甲烷杆菌丰度降低, 可减少16.4%的肠道CH4排放.有研究发现, 添加生物炭可以同时降低猪粪堆肥过程中CH4和N2O排放19.0%和37.5%[5]. Den Toorn等[6]针对肠道发酵、粪便管理和肥料施用设计了44项优化措施, 最高可将养殖肉牛、奶牛、猪、羊和施用合成肥料的CH4和N2O减少57%、47%、70%、48%和44%; 此外, IPCC报告也认为, 通过改善和提高反刍动物的营养结构, 加强水稻等农作物的综合管理, 可以使来自农业生产中的CH4排放减少15%~56%, N2O排放减少9%~26%[1].
国内学者对农业GHG排放的研究主要集中在排放特征和影响因素方面.有研究采用IPCC清单方法, 预测了不同地区农业GHG排放量, 并利用数学模型分析其排放特征[7~13].影响因素方面, 有研究发现不同清粪工艺和粪便管理方式对畜禽养殖GHG排放影响巨大[14], 另有研究发现施肥模式和有机肥种类可明显影响稻田CH4排放[15, 16], 还有研究认为秸秆还田深度、施氮量和土壤侵蚀条件是小麦和玉米种植过程GHG排放的重要影响因素[17~19].国内外对农业GHG的研究多偏重于区域排放特征和单一或多个减排措施的影响和潜力研究, 在分析区域尺度应用多种措施后的综合减排潜力方面鲜有涉及.
“十四五”时期是北京市实现“双碳”目标的关键期和窗口期, 而农业农村是“双碳”战略实施的重要突破口.同时北京市面临着抓好“米袋子”和“菜篮子”等稳产保供任务, 农业生产活动水平呈增长态势, 势必会明显增加GHG排放量.然而, 目前关于北京市农业GHG排放评估相关文献资料较少, GHG排放量不明确, 空间分布不清晰, 减排潜力相关研究也相对缺乏.因此, 亟需开展北京市农业GHG排放评估及减排潜力研究, 以更好地应对“十四五”期间农业领域面临的减污降碳压力与挑战.本文通过收集北京市农业活动水平数据, 计算和筛选相应排放因子, 评估2020年农业GHG排放量和排放特点; 筛选适宜的优化措施, 预测“十四五”时期GHG减排潜力及分布, 分析优化措施减排效果, 并提出相关政策建议, 以期为建立更精准的GHG排放清单提供数据支撑, 并为北京市“十四五”时期农业减污降碳政策和措施的制定提供理论参考.
1 材料与方法 1.1 数据来源本研究采用排放因子法对北京市农业GHG排放量进行核算评估, 核算过程中对活动水平数据获取途径的优先次序依次为: 统计部门数据、行业部门数据、文献发表数据和专家咨询数据.其中, 2020年北京市各行政区不同作物产量和乡村人口数据来源于北京市统计年鉴和北京市农村统计年鉴; 不同作物种植面积、不同种类畜禽存栏量和氮肥用量等活动水平数据来源于北京市农业局; 不同种类畜禽排泄量和含氮量数据参考《大气氨源排放清单编制技术指南》(试行); 根据《北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》《北京市“十四五”时期乡村振兴战略实施规划》等相关规划对农产品稳产保供能力的要求, 预测2025年北京市不同作物种植面积、畜禽养殖规模和氮肥用量等活动水平.
CH4和N2O排放因子主要来自《省级温室气体清单编制指南》(试行), 部分行业排放因子来自本课题组实地监测结果, 措施优化后排放因子参考《IPCC 2006年国家温室气体清单指南2019修订版》、本课题组前期研究结果和文献[1, 3~6, 17, 20~23].
本研究通过文献调研、实地踏勘和专家咨询等方式, 详细调研了北京市种植业和养殖业生产现状, 总结其在生产管理、污染控制等方面存在的问题.在此基础上, 结合北京市气候和自然条件, 充分考虑合理性和可操作性, 筛选适宜和高效的农业GHG减排措施.
1.2 计算方法 1.2.1 GHG排放核算方法根据IPCC的定义, 农业GHG来源主要包括5部分: 水稻种植CH4排放、动物肠道发酵CH4排放和动物粪便管理CH4排放; 农用地(化肥施用、粪肥施用、秸秆还田)N2O排放和动物粪便管理N2O排放.另据生态环境部《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》, 2014年中国农业GHG排放来源包括动物肠道发酵CH4排放、粪便管理CH4和N2O排放、稻田CH4排放、农用地N2O排放和农业废弃物田间焚烧产生的CH4和N2O排放[2].因近些年北京市严格控制和管理农业废弃物田间焚烧, 故本研究不考虑农业废弃物田间焚烧产生的CH4和N2O排放.综上, 本研究农业GHG核算范围包括: 水稻种植CH4排放、动物肠道发酵CH4排放、动物粪便管理CH4和N2O排放、农用地N2O排放.
GHG年排放总量计算公式如下:
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(1) |
式中, EGHG为农业GHG排放总量(以CO2-eq计), t·a-1; EF(CH4), i为i排放源CH4排放因子, kg·hm-2或kg·(头·a)-1; Ni为i排放源的活动水平; EF(N2O), j为j排放源N2O排放因子(以N计), kg·kg-1或kg·(头·a)-1; Nj为j排放源的活动水平.
水稻种植CH4、动物肠道发酵CH4、动物粪便CH4和N2O管理和农用地N2O排放量计算方法参照《省级温室气体清单编制指南》(试行).
1.2.2 减排潜力计算方法将北京市2020年农业GHG排放情况设为基础情景.根据《北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》 《北京市“十四五”时期乡村振兴战略实施规划》和《十四五土壤、地下水和农村生态环境保护规划》等规划中关于发展绿色低碳农业的相关要求, 基于北京市种植业、养殖业生产和管理现状, 筛选“十四五”期间GHG减排优化措施并预测2025年农业GHG排放量, 将其设为减排情景.减排情景与基础情景GHG排放量之差即为“十四五”时期北京市农业GHG减排潜力.计算公式如下:
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(2) |
式中, ΔY为“十四五”时期GHG减排潜力(以CO2-eq计), t; E2025为减排情景(2025年)GHG排放量(以CO2-eq计), t; E2020为基础情景(2020年)GHG排放量(以CO2-eq计), t.
2 结果与讨论 2.1 GHG排放核算评估 2.1.1 排放量与行业分布北京市2020年农业GHG排放情况如表 1和图 1所示.经核算, 北京市2020年农业GHG排放总量(以CO2-eq计, 下同)为45.6万t.从排放行业来看, 动物肠道发酵排放量为23.1万t, 占排放总量的50.6%, 为最大排放源; 其次为动物粪便管理和农用地, 排放量分别为12.2万t和10.2万t, 占比分别为26.7%和22.4%; 水稻种植排放量为0.1万t, 占比仅为0.3%.
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表 1 北京市2020年农业GHG排放量1) Table 1 Agricultural GHG emission amount in Beijing in 2020 |
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图 1 北京市2020年农业GHG排放情况 Fig. 1 Overview of agricultural GHG emissions in Beijing in 2020 |
从气体构成来看, GHG排放总量中59.1%为CH4, 40.9%为N2O. CH4排放主要来源于动物肠道发酵, 而来源于农用地和动物粪便管理的N2O则排放量相当.
2.1.2 排放空间分布北京市2020年农业GHG排放空间分布情况如图 2所示.顺义区、密云区、延庆区、房山区和通州区排放量名列前茅, 分别占北京市排放总量的25.5%、14.9%、13.4%、12.0%和10.1%, 其余各区排放量占比均不足10%.对比活动水平发现, 这些区的畜禽养殖规模较大, 这与上文中北京市农业GHG第一大排放来源为动物肠道发酵的结论相一致.
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图 2 北京市2020年农业GHG排放空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of agricultural GHG emissions in Beijing in 2020 |
CH4排放主要集中在顺义区、密云区、延庆区、房山区和通州区, 分别占北京市CH4排放总量的29.3%、16.3%、14.1%、11.9%和10.4%, 其余各区占比均不足10%.北京市CH4排放主要来源于动物肠道发酵, 而牛的肠道发酵CH4排放因子明显高于其他动物, 是CH4排放的主要动物种类.顺义区、密云区、延庆区、房山区和通州区的牛(奶牛和非奶牛)存栏量明显高于其他各区, 导致其CH4排放量占比较高.N2O排放主要集中在顺义区、平谷区、密云区、延庆区和房山区, 分别占北京市N2O排放总量的20.4%、17.7%、12.9%、12.3%和12.2%, 其余各区占比均不足10%.N2O排放主要来源于农用地和动物粪便管理, 而这些区的氮肥用量、秸秆还田量及畜禽存栏量相对较大, 是N2O排放量较高的原因.
2.2 GHG减排措施筛选 2.2.1 种植业北京市水稻种植面积为2.03 km2(2020年), 主要分布在海淀区、房山区和延庆区等, 灌溉方式沿用华北平原惯用的水层灌溉或浅湿灌溉.水分管理是影响稻田CH4排放的重要因素, 本研究充分考虑北京市自然条件和水稻种植特点, 建议优化灌溉方式, 推荐采用水稻覆膜节水灌溉技术(表 2).该技术在水分缺乏和早春低温的北方水稻种植地区, 不仅明显减少灌溉水用量, 同时还可提高籽粒产量和资源利用效率、降低GHG排放和增加土壤碳氮储量[24~26].
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表 2 农业GHG减排措施 Table 2 Optimized measurements of agricultural GHG emission reduction |
根据北京市统计年鉴数据计算, 北京市化肥用量约598 kg·hm-2(2020年), 远远高于115 kg·hm-2的世界平均水平.过量的化肥施用导致GHG排放、土壤板结和富营养化等诸多环境问题[27].且本研究实地调研发现, 撒施氮肥, 或撒施后灌水等传统施肥方式在北京市农户中仍占有较多比例, 且存在过量施肥的现象, 导致N2O排放和氮素严重流失等问题.因此, 本研究建议重点改进施肥方法, 扩大测土配方施肥范围、推广覆土深施和沟施等精细化施肥方式, 提高氮肥利用率, 减少农用地N2O排放.
2.2.2 养殖业北京市牛、羊等反刍动物养殖多采用传统饲料喂养, 仅有部分规模化养殖场采用全混合日粮(TMR)喂养.研究表明, 调整饲料营养结构, 是降低反刍动物CH4排放的有效手段之一[28, 29].本研究建议推广养殖场使用混合日粮喂养, 并增加日粮中精料比例, 在日粮中添加氨基酸代替部分蛋白质, 添加酶、酸制剂和植物提取物等提高蛋白质消化率, 采用青贮或秸秆氨化技术, 减少反刍动物CH4排放.
本研究通过实地调研发现, 北京市大部分畜禽养殖场已采用干清粪的清粪方式, 但畜舍清理出的粪便仍存在厂区内不规则堆放(无防渗和遮盖等措施), 定期或不定期外运的现象, 缺乏有效的处理或循环利用设施, 造成大量GHG排放和其他环境污染.本研究建议优化传统粪便管理方式, 强化粪污的规范化贮存和及时清运, 优先采用厌氧发酵产沼气和好氧堆肥等场内循环利用方式, 提高粪便综合利用率, 降低CH4和N2O排放[30~32].
2.3 “十四五”时期GHG减排潜力预测 2.3.1 减排情景排放分析经预测, 北京市2025年农业GHG排放总量为34.9万t(表 3).其中, 动物肠道发酵依然为第一大排放源, 排放量为17.1万t, 占比为49.1%; 其次为农用地和动物粪便管理, 排放量分别为9.2万t和8.5万t, 占比为26.2%和24.4%; 水稻种植排放量为0.09万t, 仅占0.3%(图 3).从气体构成来看, CH4排放占总排放量的59.9%, N2O排放占40.1%.其中, CH4排放主要来源于动物肠道发酵, 而N2O排放则主要来源于农用地.
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表 3 减排情景(2025年)农业GHG排放量预测结果1) Table 3 Prediction of agricultural GHG emissions under reduction condition (2025) |
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图 3 北京市减排情景(2025年)农业GHG排放情况 Fig. 3 Agricultural GHG emissions in Beijing under reduction condition (2025) |
经计算, “十四五”时期北京市农业GHG综合减排潜力为10.7万t(图 4).从不同措施减排效果来看, 调整饲料营养结构对动物肠道发酵的GHG减排效果最明显, 减排量为5.97万t, 占总减排潜力的56.2%.这一结果是由GHG排放结构和减排效果共同作用而成: 首先, 动物肠道发酵无论在基础情景(2020年)或减排情景(2025年), 都是北京市农业GHG最大的排放源(占比分别为50.6%和49.1%), 减排空间巨大; 其次, 虽然减排情景(2025年)北京市畜禽养殖规模提升幅度较大, 但采用调整反刍动物饲料营养结构措施, 如调节日粮精粗比例和能量与蛋白的平衡, 或添加调节剂提高蛋白质消化率, 对抑制反刍动物肠道CH4产生效果明显, 其减排效率能达到10%~69%[33~40], 可大幅削减CH4排放量.另外, 调整饲料结构简单易行, 成本相对较低, 是实施阻力较小的GHG减排手段[41, 42].目前, 北京市畜禽养殖企业尚未大规模采用全混合日粮、秸秆氨化、混合添加剂等饲喂方法, 因此, 调整饲料营养结构措施减排潜力巨大.
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图 4 不同情景下北京市农业GHG排放情况 Fig. 4 Agricultural GHG emissions in Beijing under different conditions |
此外, 优化粪便管理方式对动物粪便管理GHG减排作用明显, 减排量为3.67万t, 占总减排比例的34.5%.虽然, 减排情景(2025年)北京市畜禽养殖规模的提升导致GHG排放源活动水平大幅增加, 但采取优化的动物粪便管理措施如规范贮存、粪便干湿分离、厌氧产沼气或好氧堆肥等, 可显著降低CH4和N2O排放因子(15.9%~76.5%)[43~47], 从而实现对CH4和N2O的协同减排[14, 31].目前北京市畜禽养殖场粪污处理水平参差不齐, 部分养殖场仍存在粪污不规范存储及处置的现象, 优化粪便管理方式措施减排潜力较大.
2.3.3 减排潜力分布北京市“十四五”期间农业GHG减排潜力主要来源于畜禽养殖规模较大的郊区, 如密云区、顺义区、延庆区、房山区和通州区, 减排潜力均在1.6万t以上, 分别占总减排潜力的16.5%、16.5%、15.2%、15.0%和13.0%(图 5).究其原因, 北京市农业GHG排放主要集中在动物肠道发酵和粪便管理, 对于畜禽养殖量相对较大的区域来说, 采取调整饲料营养结构、优化粪便管理方式等优化措施, 减排效果显著.平谷区虽然畜禽养殖规模也较大, 但主要是以禽类养殖为主, 反刍动物养殖量较少, 导致减排空间有限.值得说明的是, 丰台区的农业GHG排放源只有农用地, 减排情景中精细化施肥措施的减排效果不足以抵消种植业活动水平上升的影响, 此外, 还可能存在区域气体传输导致的外部输入, 受多因素影响, 丰台区的减排潜力为负值(-1.2 t).
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图 5 北京市“十四五”期间农业GHG减排潜力空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of agricultural greenhouse gas emission reduction potential in Beijing during the 14th Five-Year Plan Period |
CH4减排潜力分布与GHG总减排潜力分布类似, 都集中在畜禽养殖规模相对较高的郊区, 由高到低依次为: 密云区、房山区、延庆区、通州区和顺义区, 减排潜力都在0.7万t以上.北京市CH4减排潜力主要来源于动物肠道发酵, 以牛(奶牛和非奶牛)的反刍排放为主, 采取减排措施后, 牛的肠道发酵CH4排放因子显著降低, 因此, 牛饲养量较大的区域, CH4减排潜力较大.N2O排放潜力分布与GHG总减排潜力分布略有不同, 分布在顺义区、平谷区、密云区、延庆区和房山区, 减排潜力都在0.5万t以上.北京市N2O减排潜力主要来自于粪便管理和农用地, 畜禽养殖规模、秸秆还田量及农田氮肥用量较大的区域, 减排潜力较大.
3 建议 3.1 加强减排技术研发和推广(1) 根据本研究结果, “十四五”时期北京市农业GHG减排潜力最大的行业为养殖业, 且最优减排措施为调整饲料结构.因此, 建议将养殖业作为管理重点, 引导养殖企业尽快改变传统饲喂方式, 采用调整饲料营养结构, 优化饲料品种等措施, 加强日粮营养调控, 推广秸秆氨化和青贮等技术, 精准控制蛋白摄入; 此外, 建议加强畜禽养殖粪污暂存处置的全过程管理, 提倡养殖场粪污存储和处理设施密闭或覆盖, 推广固体粪便覆膜堆肥、液体粪污密闭厌氧发酵, 完善粪肥深施还田技术, 进一步提升粪污循环利用比例.
(2) 种植业方面, 北京市属于典型高氮肥施入区域, 平均氮肥施用量高出世界平均水平约3.7倍[22], 应着重减少氮肥用量, 并提高氮肥利用率.建议改变施肥方式, 推广精细化施肥, 改表施和撒施为覆土深施或沟施; 全面推广测土配方施肥技术, 构建精准测土、科学配方和减量施用机制; 着力开发高效生物固氮肥料, 推广有机配施和水肥耦合等技术, 加大缓控释肥和水溶肥等新型肥料使用范围.
3.2 加快推广种养结合模式, 促进农业循环发展应充分考虑北京市农业生产特点, 兼顾经济效益和生态效益, 综合考量种植业和养殖业发展规划要求及环境承载力, 在建设“秸秆-畜禽养殖-有机肥”种养结合示范基地和循环农业示范园的基础上, 加快顺义、密云、延庆和房山等养殖大区的循环农业发展步伐, 建立“猪-沼-果”和“牛-沼-菜”等多位一体的特色种养结合模式[5, 39], 提升农业综合管理水平, 降低GHG排放量.
3.3 以实现“双碳”目标为契机, 构建农业减污降碳法规政策体系农业GHG与大气污染物, 尤其是氨(NH3)的排放属同根同源同过程, 建议将减污降碳作为农业现代化转型的重要内容, 在应对气候变化立法、大气污染条例修订及相关标准制定中明确农业减污降碳要求; 制定规模化养殖场和设施农业绿色低碳生产指南, 明确新建规模化养殖场建设、运行阶段的绿色低碳要求; 研究出台养殖业污染排放控制标准和规范, 构建符合首都农业特点的减污降碳协同治理法规政策体系.
4 结论(1) 采用排放因子法, 评估北京市2020年农业GHG排放情况: 排放总量为45.6万t, 以CH4排放为主, 主要分布在顺义区、密云区和延庆区等“养殖大区”.从排放源来看, 养殖业中反刍动物肠道发酵为最大排放源, 其次为养殖业畜禽粪便管理和种植业农用地.
(2) 针对种植业和养殖业分别筛选减排优化措施, 设定减排情景, 预测“十四五”期间北京市农业GHG减排潜力为10.7万t, 从行业和减排措施来看, 养殖业减排潜力巨大, 调整饲料结构和优化粪便管理方式为减排效果最明显的优化措施.
(3) 从区域分布来看, 密云区、顺义区、延庆区、房山区和通州区的减排潜力均占减排潜力的10%以上, 建议以这些减排潜力较大的区域为重点, 在全市范围加强饲料优化和粪污高效处理等技术研发和推广, 扩大种养结合模式范围促进循环农业发展.制定农业绿色低碳发展相关标准、指南和规范, 构建农业减污降碳法规政策体系.
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