江苏省农业源甲烷排放清单研究

徐兴英，段华平，张丽，王梁，孙秀娟，卞新民

目前以全球变暖为主要特征的气候变化已成为全球生态环境研究的热点，而温室气体浓度的逐年增加是引起全球变化的主要原因[1]。CH4作为重要的温室气体组成，在地球气候系统中起着重要的作用，其对于全球温室效应的贡献约为15%[2]。就目前来说，估计大气中70%的CH4来源于农业活动和土地利用方式的转换等过程[3]。据IPCC第四次评估报告，2004年农业源温室气体排放占全球人为源温室气体排放的13.5%，农业排放甲烷占由人类活动造成的甲烷排放总量的47%。因此，农业作为重要的甲烷排放源，其对温室效应的影响不容忽视。

已有研究表明，涉及整个农业源甲烷排放的研究多数局限在全国尺度；省域尺度的研究相对较少，而且多为单因素研究[4-7]。水稻和畜禽养殖甲烷排放研究相对较早，在二十世纪八、九十年代，就有相关研究资料；秸秆燃烧甲烷排放研究较少，在为数不多的省域尺度单因素研究中，最新研究为刘丽华等[7]利用实地调研和实验结合，测算了2006-2008年间江苏省农业残留物燃烧甲烷排放。鉴于此，本文针对江苏省农业生产的实际情况，以2009年数据为基础，采用IPCC推荐的排放因子法，对江苏省13个市的各类农业甲烷排放源进行分类识别，估算主要排放源的排放量，初步建立江苏省农业源甲烷排放清单，为农业生产的节能减排提供依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区域概况

江苏省位于我国大陆东部沿海中心，是长江三角洲地区重要的组成部分。全省气候温和，年均气温在13.5℃-16.0℃，全年日照时数为2000h-2600h，降水量在800mm-1200mm之间。该地区农业资源丰富，以种植业和养殖业为主，而良好的自然条件为农业发展提供有利条件。

1.2 计算方法

采用排放因子法对甲烷排放进行估算。排放因子的确定，参考IPCC指南和国内外研究资料，如果国内有甲烷排放因子的研究成果资料，则优先使用国内资料，反之参照IPCC缺省值或国外研究资料。甲烷农业排放源主要包括稻田种植、畜禽养殖、秸秆焚烧。农业源甲烷排放量计算公式如下：

式中，E为江苏省农业源甲烷排放总量，Gg/a；E稻田为稻田在无秸秆还田条件下年度CH4排放，Gg/a；E稻田s为秸秆还田甲烷排放因子修正后CH4排放量，Gg/a；E畜禽为畜禽CH4排放总量，Gg/a；E秸杆为秸秆燃烧 CH4排放量，Gg/a。

（1）稻田生态系统甲烷排放量估算

本文仅从有机物添加量（有无秸秆还田）方面对甲烷的排放进行研究。江苏省水稻种植类型主要以中稻和单季晚稻为主，由于秸秆还田面积还不到水稻种植面积的1/3，旱地秸秆还田忽略不计。假设全生育期内水稻只施用化学氮肥，除秸秆外无其他有机物添加。参照IPCC推荐的计算方法[8]，无秸秆还田稻田甲烷排放计算公式为：

式中，E稻田为稻田在无秸秆还田条件下种植中CH4排放，Gg/a；EF为在无秸秆还田条件下稻田的季节性排放因子，kg/hm2；Ai为无秸秆还田条件下水稻的种植面积，103hm2。

IPCC[9]还提出了稻田甲烷排放修正系数，用于修正秸秆还田后稻田甲烷排放因子，还田后甲烷排放可通过修正后因子计算：

式中，E稻田s为秸秆还田甲烷排放因子修正后CH4排放量，Gg/a；As为秸秆还田条件下水稻种植面积，103hm2。

稻田甲烷修正系数SF0计算：SF0=(1+ROA×CFOA)0.59（4）

式中，ROA为秸秆干物质还田量，即作物产量与谷草比和干物质含量的乘积（表1)，t/hm2；CFOA为有机物转化为甲烷的系数，即水稻种植前施用秸秆的甲烷转化系数，IPCC缺省值为1，秸秆为全量还田。

公式（2）、（3）、（4）中的参数通过相关文献和资料获取，EF=216.3kgCH4/hm2[10]，谷草比为 1∶1.2，干物质含量 0.85，秸秆还田面积、干物质还田量和SF0见表1。

表1 干物质还田量和修正系数

（2）畜禽养殖甲烷排放量估算

在畜禽养殖中，甲烷排放主要来自各畜种的肠胃，其中以反刍动物牛、羊等最多，非反刍动物中猪、兔的饲养数量较大，总的排放量也不容忽视；禽类胃肠发酵甲烷排放量极微，IPCC和FAO不予考虑，本研究也不进行考虑。畜禽废弃物存储或管理的同时也产生大量甲烷，排泄物通过无氧降解产生大量的甲烷[9，11]。动物肠道发酵及其粪便管理中甲烷排放量的估算，计算公式为：

式中，E畜禽为畜禽 CH4排放总量，Gg/a；EFj,k为 j排放源第k种牲畜种群排放因子（表2），kg/头或只·a；Nk为牲畜种类k的头数；j为动物肠道发酵或动物粪便管理；k为牲畜种类。

表2 畜禽养殖甲烷排放因子

（3）秸秆焚烧甲烷排放量的估算

农作物秸秆等农业废弃物是生物质能源最重要的组成部分[12]。2009年江苏省秸秆综合利用率达到59%，但还是40%的秸秆被废弃在田间地头，焚烧比例约占废弃量的50%。由农作物秸秆燃烧造成的甲烷排放可通过作物产量、秸秆产出系数、干物质含量、甲烷排放因子[7,13-15]和秸秆露天焚烧比例来估算（表3），计算公式如下：

式中，E秸杆为秸秆燃烧中 CH4排放量，Gg；Cr为作物产量，t；Ra为秸秆产出系数；Cf为燃烧因子即干物质含量；Gef为排放因子，g/kg；MB燃烧比例。

表3 秸秆燃烧甲烷排放计算参数

注：①来源农业污染源普查技术资料[15]。②以《农作物秸秆资源调查与评价技术规范》中标准含量为基础。

1.3 数据来源

数据主要来源于《江苏省农村统计年鉴（2010）》、《江苏省统计年鉴（2010）》、江苏省畜牧业报表（2009）、中国农业机械化信息网。其中水稻种植面积、畜禽（除兔）年末存栏量等数据来自《江苏省农村统计年鉴（2010）》及《江苏省统计年鉴（2010）》，兔年末存栏量数据来自江苏省畜牧业报表。

2 结果与分析

2.1 甲烷排放基本参数

2009年江苏省耕地面积5429.96×103hm2，其中，水稻种植面积2242.55×103hm2，小麦种植面积2188.54×103hm2。江苏农作物秸秆主要包括水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花等。据估算，全省每年仅稻麦秸秆产量就达到了37.67Tg[16]。且随着农作物单产的提高，秸秆产量也将随之增加。按照表3中的草谷比计算，2009年秸秆总产量约为43.65Tg，各作物秸秆产量详细分布见表4。

表4 江苏省各地市主要作物秸秆产量分布 （单位：Gg）

2009年，江苏省畜禽养殖年末牛存栏量为4.516×105头，其中，奶牛存栏量最大的为徐州市，占全省奶牛存栏量的29.47%，其次为苏州市和南京市，分别占13.43%和10.19%；羊存栏1.858×107头，徐州市和南通市存栏数所占份额最大，占总存栏量的65.69%；生猪存栏6.050×106只，主要集中在盐城市、南通市和徐州市，所占比例分别为18.67%、15.78%和13.4%；家禽存栏3.586×108万羽，份额最大是徐州市和盐城市；兔存栏量1.49×107只，93.72%分布在苏北5市，苏南和苏中总份额仅为6.28%。

2.2 江苏省农业源甲烷排放量

由公式（1）、（2）、（3）、（5）和（6）计算，2009 年江苏省农业源甲烷排放量990.347Gg（表5）。13个城市中有5个城市农业源甲烷年总排放量超过了100Gg。淮安市甲烷排放量在全省居首位，排放量达136.135Gg，占全省总排放量的13.75%；另外4市依次为徐州市、盐城市、南通市和宿迁市，排放量分别为 127.633 Gg、115.189 Gg、107.873 Gg 和 102.058Gg，占农业源甲烷总排放量的12.89%、11.63%、10.89%和10.31%；苏南4市的排放量都很小，总和还没达到徐州市的排放量，排放份额占全省12.92%。

2.3 源排放贡献及排放量分析

由图1可见，稻田甲烷排放对农业源甲烷排放的贡献最大，占全省农业源排放总量的83.77%；其次为畜禽甲烷排放，占14.54%，其中，包括畜禽肠道发酵和粪便管理，肠道发酵甲烷排放稍微高于粪便管理；秸秆燃烧排放贡献在4个排放源中排放贡献最小，仅为1.69%。

从表5和图1可以看出，稻田甲烷排放是江苏省最大的甲烷排放源，总排放量（808.577Gg）明显高于徐新华等[17]1996年研究结果（675Gg），这主要是由江苏省轮作模式、秸秆还田率和水稻种植面积决定的。淮安市和徐州市，稻田甲烷总排放量较大，分别达到了123.842Gg和91.786Gg，占稻田甲烷总排放量的17.70%和14.79%，占全省排放总量的12.5%和9.27%。淮安市和徐州市主要是稻麦轮作，2009年两市水稻种植面积分别为286.76×103hm2和185.76×103hm2，小麦秸秆全量还田面积达到了133.33×103hm2和111.60×103hm2。

表5 2009年江苏省农业源甲烷排放量 （单位：Gg/a）

源自畜禽养殖的甲烷排放是仅次于水稻种植甲烷排放贡献另一重要排放源，排放量为144.059Gg，其中，粪便管理系统中甲烷的排放稍稍高于动物肠道发酵产生的量，分别为67.785Gg和76.274Gg。主要集中在徐州市、盐城市和南通市，排放总量分别为33.874 Gg、23.350 Gg和23.265Gg，占源排放总量的23.51%、16.21%和16.15%。

秸秆燃烧排放量较小，排放总量为16.711Gg，低于曹国良等[18]对江苏省甲烷排放的估算结果（18.8Gg），造成这一结果的主要原因是近几年政府提出的禁烧政策及对秸秆还田技术的推广。水稻和小麦秸秆燃烧是最主要因素，其甲烷排放总量占秸秆燃烧排放总量的74.96%，其他4种作物排放较小，约为秸秆燃烧甲烷排放总量的1/4。

2.4 甲烷排放强度及空间分布

排放强度广义是指特定活动中特定污染物相对某一源的平均排放率，结合该地区的排放总量，综合考虑该区域的污染负荷状况。

2009年江苏省甲烷排放强度和空间分布如图2和图3。由图2可知，江苏省甲烷排放强度最大的4个城市分别是扬州、淮安、南通市和泰州市，排放强度最大的是扬州市为13.88t/km2·a，淮安市和南通市排放强度相差不大，分别为13.52t/km2·a和13.48t/km2·a，泰州市排放强度为12.29t/km2·a，以上4个城市甲烷排放强度明显高于江苏省平均排放强度9.63t/km2·a，排放强度最小的是无锡市仅为 4.33t/km2·a。由空间分布图（图3）明显看出农业源甲烷主要分布在苏北，这与排放强度明显不同，决定这一现象的主要因素是各城市土地面积和农业结构差异。

3 结论与讨论

2009年江苏省农业源甲烷排放量为990.347Gg。各城市中农业源甲烷排放存在较大差异，甲烷排放量最大的5个城市为淮安市、徐州市、盐城市、南通市和宿迁市，排放量分别为136.135Gg，127.633 Gg，115.189 Gg，107.873 Gg 和102.058Gg，这5个城市甲烷排放总量占江苏省全年甲烷排放总量的59.46%。水稻种植对江苏省农业源甲烷的排放贡献最大，占全省农业源排放总量的83.77%；其次为畜禽甲烷排放，占14.54%，其中，畜禽肠道发酵和粪便管理甲烷排放贡献分别为7.70%和6.84%；秸秆燃烧排放贡献最小，仅为1.69%。江苏省农业源甲烷排放平均强度为9.63t/km2·a，甲烷排放强度最大的4个城市分别是扬州、淮安、南通市和泰州市，排放强度分别为 13.88t/km2·a、13.52 t/km2·a、13.48 t/km2·a 和 12.29t/km2·a。

本研究从四个方面估算了农业源甲烷排放，初步建立了江苏省农业源甲烷排放清单，为有针对性地制定排放控制政策和对策措施，降低农业源CH4排放量，改善区域环境空气质量提供基础资料；进而为制定合理的基于全国层面的农业源CH4排放减排对策提供参考。但是在清单估算中仍存在一定的不确定性，主要原因包括两个方面：首先是活动数据的不确定性，个别活动数据分类过于简略，未进行详细划分，或者活动数据缺失；其次，影响排放因子的因素比较复杂，选取IPCC推荐系数或我国研究资料均值，用以计算特定省份的甲烷排放量会存在一定偏差。要减少这些因素的影响，应全面检测本区域各排放源的甲烷排放系数。同时，本文仅对农业源甲烷排放进行估算，为了全面评价江苏省农业源温室气体排放情况及空间分布，在今后的研究中可以把重点放在氧化亚氮和二氧化碳排放源研究方面，并结合GIS技术从空间差异性方面对农业源温室气体排放进一步开展研究。

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