农业对空气质量和气候变化的影响

-25-农业对空气质量和气候变化的影响VineyP.AnejaWilliamH.SchlesingerJanWillemErisman有关农业空气质量的科学研究（例如对温室气体排放和固碳的估算），是环境科学的一个重要新兴领域，给政府部门制定政策法规带来了重大挑战。对这一新兴领域来说，在测定、模拟、排放控制和农业耕作管理等方面尚有许多工作要做。由于农业关系到人类的基本需求（例如粮食），控制农业生产的气体和颗粒物排放尤为困难。目前，与此相关的政策是在综合一些不同行业的、尚不完整的科学认识和某些社会与政治因素的基础上建立起来的。同时，农业排放不仅包括点源污染，也包括非点源污染。在美国，农业排放物在与环境和公众健康有关的大气传输过程中占主导地位。这些大气过程对当地和区域环境质量都有影响，包括恶臭、颗粒物、富营养化、酸化、有毒物质、气候和病原体等。农业排放对全球温室气体的排放也有贡献。农业排放具有一定的地域性和时间性，并且，因不同的排放过程和媒介而各异。就美国而言，最重要的农业排放物为氨（农业占总排放量的90%左右）、还原态硫（未定量）、PM2.5（约占16%）、PM10（约占18%）、甲烷（约占29%）、氧化亚氮（约占72%）、恶臭和病原体（均未定量）等。在农业生产中，还通过化石燃料的燃烧，生产化肥和进行农业耕作，随之释放CO2、NOx、SOx和颗粒物等。当前，与之相关的研究热点包括点源和非点源的定量、生物圈和大气圈之间的氨交换、还原态硫化物、挥发性有机物、温室气体、恶臭和病原体、景观形成过程的定量以及颗粒物的一次和二次排放。考虑到农业气体排放的总量及其影响，必须抓紧制定相应的政策和法规，以实质性地减少排放和由此引起的环境影响。引言全球人口从20世纪初的15亿猛增至今天的68亿。为满足人口快速增长对粮食的需求，“集约化农业”也得到了迅速的发展，并导致了一系列负面的环境影响。据估计，在接下来的50年里，地球人口将超过90亿，对植物性和动物性农产品的需求量都将增加。如果不进行科学研究为决策提供支撑的话，负面的环境问题将会伴随未来农业的增长而增加。美国和欧洲的农艺家们主张通过提高生产力来增加食物产量。20世纪40~90年代，农民依靠氮肥显著提高了农业产出（当前全球化肥年产量超过9千万吨（以纯氮计），而50年前这一数字仅为100万吨）。农业产出的提高也是放弃传统耕作采用机械化、使用化学农药、培育边缘土地、杂交和转基因以及生产效率提高的共同结果。这其中的大多数变革都来自于公众的投资。不仅如此，费用不高的化石燃料被用于制造化肥、为机械化耕作和原材料及产品运输提供能源。美国和西欧政府中鼓励集约化和商业化的农业政策加剧了这一效应。农民通过长期使用化肥、扩大耕地面积、提高畜禽饲养密度（如集中化动物养殖农场）不断增加农业强度。农民不再使用休耕和轮作等传统耕作方式，使得豆科类的饲料缺乏而改用青贮玉米喂养畜禽。农业专门化和集约化导致农场数量减少，农业雇员削减。同时，农业过分注重生产，致使农业多样性骤减。随着公众和管理者对农业环境的关注，人们已经认识到农业活动所排放的污染物及其对空气、水体、土壤、生物多样性和农业生态系统可持续性的负面影响。人们对于农业环境现状影响和预测迫使农民降低农业的集约化程度。为了制定旨在减少农业环境影响的政策，我们必须认识农业排放行为及其污染物在环境中的迁移转化和归宿（图1略）。出于此领域的研究需要，许多政府机构、大学和研究组织于2006年6月共同资助举办了有关农业空气质量的国际研讨会，综合分析和评价现有的关于农业空气质量的测定和模拟结果，确定凸现的研究问题。本文分析了农业空气质量的科研状况，农业污染及其对空气质量、人体健康和区域气候影响的主要研究方向。文中，我们主要关注氨排放和现存农业空气质量模型的主要缺陷。-26-农业对不同环境问题的贡献在美国，农业生产各式各样，既有大规模的高度集约化和专门化的商业控股农场，也有家庭型以传统耕作方式为主的独立小农庄。因此，对环境的影响也随着农业生产的规模和强度而不同，有可能是正面的也有可能是负面。然而，证据不断表明，越大规模和高强度的农场和集中式动物养殖场增加了恶臭物质（如有机酸）、痕量气体（如CO2、CH4、N2O、NOx、NH3）和还原态硫化物（如H2S）的排放。据估计，全球畜禽养殖（肉牛、奶牛、猪和家禽）占温室气体排放总量的18％（CO2当量），N2O人为排放的65％，CH4人为排放的37％和NH3人为排放的64％。从全球来看，畜禽养殖是滥伐森林的主要驱动力，同时也是导致土地退化、污染、气候变化、沿海沉积、外来物种入侵的因素之一。除全球化的环境影响以外，美国不受控制的农业排放会影响国家履行《清洁空气法》中规定的法律义务的能力。例如，NH3在PM2.5（空气动力学直径小于或等于2.5μm的气溶胶）形成过程中扮演了一个重要角色，持续增加的NH3可能会增加PM2.5的浓度，从而削弱了近期在减少SOx和NOx排放中所取得的进展。NH3驱动的PM2.5将对美国国家环保署所发布的国家空气质量标准（NAAQS）中严格规定的PM2.5的24小时平均浓度35μg/m3提出挑战。美国过去半个世纪的空气质量研究大多数集中在NOx、SO2、O3和颗粒物（PM2.5和PM10）上面。很少有人注意到还原态的含N、S和C的化合物。NH3、H2S和挥发性有机物（VOCs）等化合物在有控制标准的化合物（如对流层O3、SO2和PM2.5）以及生态系统酸化和富营养化形成的过程中扮演相当重要的角色。这些化合物在大气中互相反应（如气体与颗粒物互相转变）通过风的输送和干湿沉降又返还地表。其中许多化合物对人体健康和环境都有不利的影响。农业活动，包括畜禽养殖、化肥使用、土地利用方式改变和生物质燃烧，成为还原态气体和颗粒物的主要来源。全球大约90％的氨排放来自畜禽养殖业和种植业，其中很多都来自美国和欧洲。美国尚没有监测农业温室气体（如N2O、CH4等）、NOx、还原态硫化物、VOCs和NH3排放的全国性网络。与之相对的是，美国拥有评价石化燃料燃烧引起的大气化学变化的庞大网络。举例来说，自1978年以来，国家大气沉降项目/国家趋势网络（NADP/NTN）一直在监测硫酸根、硝酸根和铵离子的湿沉降，至今已建成250个监测点。同样地，自1987年来，清洁空气状况和趋势网络（CASTNET）已经在70个点监测硝酸根、铵离子和硝酸（不包括氨气和NO）的干沉降，这些点主要分布在美国东部。畜禽养殖造成了成百上千种已知的VOCs的排放，包括许多酸、醇、醛、氨基、胺、芳香族、酯、醚、卤代烃、烃、酮、腈、其他含氮化合物、苯酚、含硫化合物和类固醇。其中某些化合物引起的臭味会对动物和人类的舒适度、健康度和生产效率产生负面的影响。畜禽养殖业的主要排放物H2S，是一种无色致命的、在猪粪分解过程中释放的气体。H2S是在粪便厌氧分解过程中产生的，在硫还原细菌的作用下，造成有机硫化物的矿化和氧化态的无机硫化物（如硫酸盐）的还原。美国疾病控制中心（CDC）警告，在高浓度H2S的短期暴露可导致昏迷和死亡。Campagna等曾报道，空气中高H2S浓度和呼吸道疾病发病率之间有相关性。Donham等报道，H2S和“粪便气体”是主要的当人们急性暴露在液体粪便产生的气体中引起死亡和疾病的毒性物质。H2S是养猪场排放的主要气体之一，其臭味阈值为0.0005~0.3，由于具有特殊的“臭鸡蛋味”而招致诸多怨言。H2S是从集约化动物养殖过程中排放的主要硫化物，但是我们对其他的气态硫化物知之甚少，如甲硫醇（CH3SH）、二甲硫醇（(CH3)2S）、二甲二硫醇（(CH3)2S2）、硫化羰（COS）和二硫化碳。N2O是一种温室气体，其在大气圈的生命周期约为120年。在100年尺度下，N2O的温室潜势约为CO2的310倍。N2O可在土壤含氮化合物经微生物反硝化与硝化作用下而自然产生。这种自然排放可随着农业活动和耕作方式的改变而增加，如化肥和有机肥的施用、固氮作物的种植、有机土壤培育、畜禽粪便还田和还牧。施用肥料种植生物燃料作物而排放的N2O，完全抵消了作为清洁能源的生物燃料对减缓气候变化的贡献。农业源（包括种植业和养殖业）占美国N2O人为排放的72％。-27-向土壤中随意加入N素也会造成N2O排放。肥料和粪便中的氮以氨气和NOx挥发，然后在下风向区域以含铵颗粒物、硝酸和NOx的形式沉积，可被认为是N2O的间接排放。N素通过地表径流和渗漏流失到地表水和地下水中，也会导致下游生态系统的间接N2O排放。从全球来看，农业（种植和养殖业）是最重要的甲烷人为排放源。畜禽养殖中的反刍动物（牛、水牛、绵羊、山羊和骆驼）在他们正常的消化过程中产生了大量的甲烷。畜禽粪便，尤其是储存在泻湖和畜粪池中的有机质，在厌氧消化过程中也会释放甲烷，泻湖畜粪在美国大型养猪场中较为典型。畜禽养殖场人为甲烷排放占全球总排放量的37％左右。而在种植业中，水稻田是甲烷的主要来源。在美国，农业生产排放的一次颗粒物占PM2.5总排放量的16％，占PM10总排放量的18％。然而，这一数据并没有把农业排放的可通过二次反应形成细颗粒物的前体气体估计在内。当前研究表明，区域性农业活动集中排放氨气所导致的颗粒物排放被低估了，而模型模拟和颗粒物实测浓度之间的巨大差距可以解释为过低估计农业源的排放所致。PM2.5包括直接排放的颗粒物（如土、扬尘）和二次颗粒物（由前体气体在大气中反应产生）。主要的前体气体包括SO2、NOx、VOCs和NH3。因此PM2.5大部分是硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳、黑碳和土尘的混合物。大量证据表明，细颗粒物暴露水平和对人体的不利影响之间存在关联。美国农业源排放的一次PM2.5约为94.6万吨/年，其中施肥和畜禽养殖约为4000吨，翻耕和采收约为71.7万吨，农业废弃物焚烧约为22.5万吨。而全美不同来源所排放的PM2.5大约是603.1万吨/年。NH3、硫酸、硝酸、HCl和水之间的反应是最重要的气体/颗粒物参与和形成铵盐的平衡反应，占大气中PM2.5的20％。一旦形成，这些颗粒物成为云凝结核，通过形成云和降雨，对全球辐射总量和气候产生影响。NH3的水溶态化学反应也可作为一种机理，为还原态氮在大颗粒物和小颗粒物间的重新分配，进而形成新的超细颗粒物（空气动力学直径小于0.1μm）的过程作出解释。农业排放的PM10约为403.2万吨/年，其中，翻耕和畜禽养殖尘土排放约为375.1万吨，农田秸秆焚烧为26.5万吨，畜禽废物还田和施肥为1.5万吨。而2002年全美PM10初级排放约为2191.9万吨。NH3排放控制和政策导向美国目前没有控制农业NH3排放的联邦法规。国家总体上不对任何农业源的NH3排放做出限制，即使这种限制是允许的。EPA并没有把应用在SO2、NOx和人为VOCs上的清洁空气法许可体系和污染控制措施推广至NH3（表略）。当前，旨在减少农业标准污染物的激励措施主要集中在防止风蚀而不是减少气体排放。相比较而言，在欧洲，人们对农业气态污染物对健康和环境消极影响的担忧，致使立法决策者执行氨气减排策略。例如，荷兰的畜禽养殖必须达到非常严格的NH3排放目标。然而美国农业部和EPA更倾向于采取氨气的自愿减排策略（如最佳管理措施等），其中某些措施已经开始实施。无论如何，美国没有关于氨气和硫化氢的国家环境空气质量标准（NAAQS），而且，适用于控制集中式动物养殖场排放的法规条款也相当薄弱。个别州（如加利福尼亚州）目前正在制定控制氨气和硫化氢排放的法规。美国《综合环境响应、赔偿和责任法》（CERCLA，也叫超级基金项目）和《应急规划和公众知情权法》（EPCRA）中，对集中式动物养殖场的氨气和硫化氢排放的监管也予以了豁免。是否对集中式动物养殖场实施CERCLA和EPCRA中的规定一直以来都存在争议，过去几年来一直都有使畜禽粪便管理豁免于法规监管的法律尝试。虽然这些法律上的努力持续失败，但EPA最近通过了对养殖业有害物质排放申报的有限行政豁免议案。该豁免从2009年1月20日开始生效，对所有农场都实行对CERCLA第103款的豁免。最后一条