陳曉芳 王曉旭 衛(wèi)凱平 黃莉

摘? ?要? ?采用生命周期評(píng)價(jià)方法以化肥生產(chǎn)及小麥種植過程中化肥施用為系統(tǒng)邊界，構(gòu)建基于生命周期評(píng)價(jià)化肥施用碳排放分析模型，分析了安徽省2000—2016年小麥化肥施用過程中產(chǎn)生的碳排放量。結(jié)果表明，2000—2016年小麥化肥施用總量不斷增加，增長(zhǎng)了約38.6%，但小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量沒有明顯的增加或減少的趨勢(shì)，主要原因在于化肥施用種類發(fā)生了變化。為了減少小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放，建議生產(chǎn)最適合小麥生長(zhǎng)所需養(yǎng)分最佳配比的專用型復(fù)合肥。

關(guān)鍵詞? ?安徽省;小麥：化肥;碳排放

中圖分類號(hào)：F222.3;X839.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.34.026

我國(guó)作為世界人口大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的不斷增加，耕地的逐年減少，糧食安全成為國(guó)家安全的關(guān)鍵，而提高糧食單產(chǎn)則成為解決我國(guó)糧食安全問題的主要途徑[1]。長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)實(shí)踐證明，施用化肥是糧食增產(chǎn)的關(guān)鍵因素，且隨著化肥施用量的逐漸增加，糧食的產(chǎn)量也在增加?；首鳛檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食增收的重要貢獻(xiàn)者功不可沒，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)逐年遞增的施用量、較低的利用率又使其成為我國(guó)環(huán)境污染，尤其是水體污染的重要面源之一[2]。因此，十分有必要對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥施用帶來的環(huán)境影響進(jìn)行分析，為減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為環(huán)境帶來的負(fù)擔(dān)和化肥的高效利用提供理論依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)農(nóng)田化肥施用造成的環(huán)境影響進(jìn)行了大量研究，Amalia Zucaro等通過生命周期評(píng)價(jià)方法成功地分析了意大利南部地中海玉米作物在傳統(tǒng)施肥模式和環(huán)境友好型施肥模式下產(chǎn)生的不同環(huán)境影響，并提出有利于減少環(huán)境影響的方案[3];Quirós R利用生命周期方法分析花椰菜和西紅柿種植輪作順序中有機(jī)、無機(jī)肥料施用對(duì)環(huán)境的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性發(fā)展提供理論基礎(chǔ)[4];李貞宇對(duì)我國(guó)不同區(qū)域小麥?zhǔn)┓试斐傻馁Y源環(huán)境影響進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，在幾種資源環(huán)境影響中，潛力大小依次是富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化、溫室效應(yīng)、土地利用和能源消耗，其中施用氮肥引起的氨揮發(fā)是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化和酸化的主要因素[5]。

本文采用LCA方法，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)包括農(nóng)資和種植過程中的化肥施用為研究對(duì)象，構(gòu)建基于生命周期評(píng)價(jià)化肥施用環(huán)境影響分析模型，并以安徽省為例，比較和分析安徽省2000—2016年小麥生產(chǎn)系統(tǒng)化肥施用造成的碳排放環(huán)境影響，以期為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施肥，減少資源的浪費(fèi)，降低環(huán)境的污染等提供理論參考，指導(dǎo)作物產(chǎn)品的清潔生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域狀況

安徽省地處華東腹地，地跨淮河、長(zhǎng)江、新安江三個(gè)流域，是中國(guó)農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史較長(zhǎng)的地區(qū)之一[6]。2016年安徽省土地總面積為140 140 km2，耕地面積58 730 km2，約占42%，化肥施用總量高達(dá)327萬噸[7];農(nóng)作物每公頃化肥平均施用量達(dá)556.8 kg，是國(guó)際上公認(rèn)的化肥施用安全上限（225 kg）的2.47倍。

1.2 計(jì)算方法

根據(jù)ISO提出的LCA方法構(gòu)建基于生命周期評(píng)價(jià)化肥施用環(huán)境影響分析模型，由小麥?zhǔn)┓十a(chǎn)生的碳排放足跡，確定圖1所示的小麥生產(chǎn)化肥施用系統(tǒng)邊界。本文以種植面積和產(chǎn)量較多的小麥為研究對(duì)象，功能單位分別為每年生產(chǎn)1 hm2作物。評(píng)價(jià)的環(huán)境影響中，碳排放用CO2表示。

化肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放參考陳舜《中國(guó)氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算》給出不同種類化肥生產(chǎn)產(chǎn)生的碳排放量[8]。種植環(huán)節(jié)碳足跡計(jì)算方法及相關(guān)參數(shù)均來源于《2006 年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南》。

CFi=CEi（input）+CEi（N2O）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

（1）式中，CFi為小麥每公頃每年產(chǎn)生的總碳排放量，單位kg;CEi（input）為小麥與化肥投入相關(guān)的溫室氣體排放量每公頃每年的間接總量，單位kg;CEi（N2O）為小麥種植階段內(nèi)每公頃每年轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量的N2O排放量的累積量，單位kg。

CEi（input）的計(jì)算公式為：

（2）

（2）式中，k1、k2、k3分別為氮肥、磷肥、鉀肥的養(yǎng)分含量，氮肥以N計(jì)，磷肥以P2O5計(jì)，鉀肥以K2O計(jì)，且k1=46.5%、k2=13.6%、k3=52.4%;e1、e2、e3分別為氮肥、磷肥、鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)，且e1=2.041（kg CE/kg N）、e2=0.195（kg CE/kg P2O5）、e3=0.168（kg CE/kg K2O），CE=12/44×CO2-eq。

CEi（N2O）的計(jì)算公式為：

CEi（N2O）= FN-input×ε×44 /28×310? ? ? ? ? ? （3）

FN-input為作物種植階段每公頃每年施用氮肥和復(fù)合肥中氮含量，單位kg;ε是施用氮肥誘導(dǎo)的N2O排放因子（N2O-N/kg氮肥），據(jù)IPCC（2006）估計(jì)，ε干旱農(nóng)田為0.01，水稻田為0.003，因此ε取值0.01。

1.3 數(shù)據(jù)來源

各類作物的化肥施用量的具體數(shù)據(jù)來自《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2000—2017》，其他參數(shù)取自公開發(fā)表的文獻(xiàn)。因2002年的安徽省小麥?zhǔn)┓示唧w量沒有記載，故無法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

安徽省施用的復(fù)（混）合肥大多數(shù)養(yǎng)分比例為N∶P2O5∶K2O = 1∶15∶15，磷肥主要成分為過磷酸鈣，氮肥主要成分為尿素，鉀肥主要成分為氯化鉀。如圖2所示，小麥化肥施用總量從2000年至2016年總體不斷增加，其中復(fù)合肥的施用量不斷增加，從2000年的300 kg·hm-2增至2016年的415.8 kg·hm-2，增長(zhǎng)了38.6%;氮肥施用量逐漸減少，從2000年的200.5 kg·hm-2減至2016年的99 kg·hm-2;且磷肥和鉀肥的施用量也在不斷減少。磷肥和鉀肥不斷減少的原因是復(fù)合肥施用量的增加，復(fù)合肥中含有豐富的磷養(yǎng)分和鉀養(yǎng)分。化肥生產(chǎn)需要消耗磷、硫、鉀、氨和水資源，以及煤、石油和天然氣等能源，世界上每年有84%～90%的磷礦用于生產(chǎn)各種磷肥，90%～93%的鉀鹽用于生產(chǎn)鉀肥。石油、煤、天然氣是合成氨的重要原料，世界大約有80%的合成氨以天然氣為原料[9]。施用量既高，同時(shí)又是生產(chǎn)過程中大量消耗化石燃料的高能耗產(chǎn)品，化肥自然成為了農(nóng)作物種植過程中最重要的非直接碳排放源之一[10]。

由圖3可知，2000—2016年小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量處于波動(dòng)狀態(tài)，沒有明顯的增長(zhǎng)或下降趨勢(shì)。平均每公頃每年小麥?zhǔn)┯没十a(chǎn)生的碳排放為1 175.52 kg（CO2），其中2010年小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量最少，為1 070.10 kg（CO2），2000年碳排放量最多，為1 276.32 kg（CO2），是2010年的1.19倍。農(nóng)資環(huán)節(jié)（即化肥生產(chǎn)過程）產(chǎn)生的碳排放量約占總碳排放量的62.1%。由氮肥（2.041 kg CE/kg N）、磷肥（0.195 kg CE/kg P2O5）和鉀肥（0.168 kg CE/kg K2O）的碳排放系數(shù)可知，生產(chǎn)氮肥產(chǎn)生的溫室氣體大于磷肥和鉀肥產(chǎn)生的溫室氣體量;且由計(jì)算模型知種植環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放與N2O有關(guān)，而N2O的產(chǎn)生與小麥氮肥及復(fù)合肥施用量有關(guān)，其施用量越多產(chǎn)生的N2O越多，氣候變化以CO2為參照物轉(zhuǎn)換為全球變暖潛力（以CO2當(dāng)量表示），N2O的當(dāng)量系數(shù)是310。觀察兩幅圖可知，2000年小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放最高，同期氮肥施用量也最高;2010年的氮肥施用量最低，同期小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量也最低。

由以上結(jié)果分析可以推斷，小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放與氮肥的施用量密切相關(guān)。氮肥的施用量隨著年份的增加逐漸減少，但隨著復(fù)合肥施用量的增加，總的碳排放量變化不大。我國(guó)復(fù)合肥中等養(yǎng)分配比（15-15-15）的通用型產(chǎn)品仍是主流[11]。因此，為了減少小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放，建議調(diào)整復(fù)合肥的養(yǎng)分配比，即應(yīng)該根據(jù)土壤養(yǎng)分測(cè)試結(jié)果開發(fā)專用配方復(fù)合肥，發(fā)展特定作物、特定生育期的系列專用型復(fù)合肥[11]。使用專用型復(fù)合肥，不僅可以減少碳排放，還可以減少資源浪費(fèi)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)種植環(huán)節(jié)的碳排放只考慮了化肥施用產(chǎn)生的碳排放，并沒有考慮機(jī)械和灌溉產(chǎn)生的碳排放。研究分析得出以下結(jié)論：1）安徽省2000—2016年小麥化肥施用總量不斷增加，小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量變化不大，其原因主要與化肥的使用類型有關(guān)。2）為了減少小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放量，建議生產(chǎn)最適合小麥生長(zhǎng)所需養(yǎng)分最佳配比的專用型復(fù)合肥。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張福鎖，馬文奇.肥料投入水平與養(yǎng)分資源高效利用的關(guān)系[J].土壤與環(huán)境，2000，9（2）：154-157.

[2] 黃文芳.農(nóng)業(yè)化肥污染的政策成因及對(duì)策分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（1）：193-198.

[3] Zucaro A， Ripa M， Mellino S， et al. Urban resource use and environmental performance indicators： an application of decomposition analysis[J]. Ecological Indicators， 2014， 47：16-25.

[4] Quirós R， Villalba G， Gabarrell X， et al. Life cycle assessment of organic and mineral fertilizers in a crop sequence of cauliflower and tomato[J]. International Journal of Environmental Science & Technology， 2015， 12（10）： 3299-3316.

[5] 李貞宇，王旭，高志嶺，等.我國(guó)不同區(qū)域小麥?zhǔn)┓寿Y源環(huán)境影響的生命周期評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（7）：1417-1422.

[6] 陳莉，張士云.安徽農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響因素分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004（2）：222-225.

[7] 安徽省統(tǒng)計(jì)局.安徽統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2015.

[8] 陳舜，逯非，王效科.中國(guó)氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（19）：6371-6383.

[9] 陳風(fēng)英，趙宏圖.國(guó)際戰(zhàn)略資源調(diào)查[M].北京：時(shí)事出版社，2005：275.

[10] Lal R. Carbon emission from farm operations[J]. Environment International， 2004， 30（7）： 981-990.

[11] 張衛(wèi)峰，李亮科，陳新平，等.我國(guó)復(fù)合肥發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題[J].磷肥與復(fù)肥，2009，24（2）：14-16.