連炳瑞，李雅豪，王激清，楊俊剛，鄒國(guó)元

（1.河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；3.北京市緩控釋肥料工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

河北省是我國(guó)玉米生產(chǎn)和消費(fèi)大省，2007年全省玉米播種面積達(dá)286萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量1 423萬(wàn)t，到2016年玉米播種面積為319萬(wàn)hm2，占全國(guó)總播種面積的8.68%［1］，玉米產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大?；适羌Z食的“糧食”，施用化肥可以提高土壤肥力，還可以快速、大幅度地提高糧食產(chǎn)量，但氮、磷、鉀肥的過(guò)量施用，對(duì)環(huán)境的負(fù)荷也在快速增加。我國(guó)依靠投入大量化肥推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，由于化肥資源過(guò)多投入，造成肥料利用率不高，為我國(guó)環(huán)境帶來(lái)了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)［2］。在全國(guó)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的總目標(biāo)引領(lǐng)下，河北省玉米種植體系的產(chǎn)出與環(huán)境代價(jià)如何，日后發(fā)展需要在哪些方面改進(jìn)，都非常值得去深入分析和研究［3］。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥投入給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響進(jìn)行定量分析，可以為化肥的合理高效利用、生產(chǎn)糧食作物專(zhuān)用肥和減少化肥對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)提供科學(xué)依據(jù)。

生命周期評(píng)價(jià)法（life cycle assessment，簡(jiǎn)稱(chēng)LCA）是分析評(píng)價(jià)環(huán)境的一種工具，以玉米為例，對(duì)玉米在整個(gè)生命周期活動(dòng)內(nèi)的所有環(huán)境沖突，進(jìn)行有效的定量化數(shù)據(jù)分析，并對(duì)玉米從準(zhǔn)備種植開(kāi)始到收獲銷(xiāo)售完成，這個(gè)全過(guò)程所涉及的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)［4］。在國(guó)內(nèi)也有不少研究者對(duì)使用化肥造成的環(huán)境正負(fù)面影響進(jìn)行了大量的分析和研究。如陳曉芳等［5］采用生命周期方法分析了安徽省小麥化肥施用過(guò)程中排放的碳足跡，提出生產(chǎn)適合小麥的專(zhuān)用型復(fù)混肥的建議；李貞宇等［6］運(yùn)用LCA法比較了五省玉米施肥帶來(lái)的影響環(huán)境的潛力，建議采用合理施肥方式和降低氮的揮發(fā)是減少施肥對(duì)資源環(huán)境影響潛力的關(guān)鍵性技術(shù)途徑；陳中督等［7］使用氮足跡理論和生命周期系統(tǒng)分析表明節(jié)省肥料是促進(jìn)我國(guó)油菜綠色、健康和可持續(xù)發(fā)展的必要措施。當(dāng)前對(duì)河北省玉米生產(chǎn)的LCA內(nèi)容報(bào)告還比較少，因此利用生命周期評(píng)價(jià)法定量分析河北省玉米體系產(chǎn)生的活性氮排放和碳足跡對(duì)于河北省農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本研究以2004—2018年15年間的河北省玉米體系種植信息及施肥數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)玉米體系產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行定量化分析，以期對(duì)區(qū)域玉米發(fā)展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

河北省位于華北平原，由燕山、太行山和渤海環(huán)繞，內(nèi)嵌北京和天津。河北省農(nóng)作物種植面積約為836萬(wàn)hm2，玉米約占農(nóng)作物種植總面積的42.4%。年均降水量484.5 mm，降水量分布特點(diǎn)為東南多西北少，1月平均氣溫在3℃以下，7月平均氣溫18～27℃，四季分明［8］。

1.2 研究方法

以河北省玉米體系為研究對(duì)象，計(jì)算玉米化肥生產(chǎn)階段和玉米種植階段產(chǎn)生的活性氮排放和碳足跡，通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)法和玉米化肥施用對(duì)環(huán)境的影響為手段，進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)化肥投入對(duì)環(huán)境造成的影響。引用《中國(guó)氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算》［9］《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》［10］中已給出的數(shù)據(jù)和參數(shù)（系統(tǒng)中化肥產(chǎn)生的活性氮排放和碳足跡主要以溫室氣體的形式進(jìn)行表示：化肥生產(chǎn)階段的CO2、NOX、NH3和農(nóng)田種植階段的CH4、N2O）。

用化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳排放量表示河北省的碳足跡，基于生命周期評(píng)價(jià)法，通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算［11］：

式中：C生產(chǎn)為化肥生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境產(chǎn)生碳足跡的間接總量，C種植為玉米種植階段化肥施用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生N2O累積量轉(zhuǎn)化為碳足跡，C總為玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的總碳足跡。X1、X2、X3為純氮肥、磷肥和鉀肥的施用量；N為作物種植階段施用化肥的純氮含量；單位為kg／hm2。e1、e2、e3分別為氮肥、磷肥、鉀肥制造的溫室氣體排放系數(shù)，e1＝2.041，e2＝0.195，e3＝0.168；a是施用氮肥誘導(dǎo)的N2O排放系數(shù)，a＝0.01。

玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的活性氮排放分別用N2O、NO3－和NH3來(lái)表示，通過(guò)下列公式計(jì)算［12］：

式中：Y（N2O）表示玉米體系化肥施用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的N2O排放量，Y（NO3－）表示玉米體系化肥施用對(duì)環(huán)境造成的硝態(tài)N淋洗量，Y（NH3）表示玉米體系化肥施用對(duì)環(huán)境造成的NH3揮發(fā)量，N為作物種植階段施用化肥的純氮含量，單位為kg／hm2。

式中：PFPN為氮肥偏生產(chǎn)力，單位為kg／kg；Y為施用氮肥的玉米產(chǎn)量，F(xiàn)為氮肥純養(yǎng)分投入量（河北省玉米田中施用的復(fù)混肥養(yǎng)分配比無(wú)詳細(xì)記載，所以全部按市場(chǎng)最為普遍的養(yǎng)分比例N∶P2O5∶K2O＝1∶1∶1進(jìn)行計(jì)算），單位為kg／hm2。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

河北省玉米化肥具體施用量數(shù)據(jù)皆采自2004—2019年《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》［13］，河北省玉米產(chǎn)量源自2004—2019年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》［14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省玉米化肥投入與玉米種植情況

2004—2018年，河北省玉米生產(chǎn)中氮肥投入量由190 kg／hm2降至75.6 kg／hm2，降幅60.2%；而復(fù)混肥用量由65.0 kg／hm2增至243 kg／hm2，增幅274%；單質(zhì)磷肥施用下降更為明顯；同時(shí)玉米幾乎不施用單質(zhì)鉀肥（表1）。從2004年開(kāi)始，河北省玉米化肥的總施用量呈上升趨勢(shì)，由274 kg／hm2增加到2018年的321 kg／hm2，總投入量增加17.2%。玉米單產(chǎn)呈上下浮動(dòng)態(tài)勢(shì)，但總產(chǎn)量穩(wěn)定上升，2004年河北省玉米總產(chǎn)量為1 087萬(wàn)t，每公頃產(chǎn)量4 031 kg，至2018年每公頃產(chǎn)量達(dá)到5 743 kg，相比2004年，每公頃產(chǎn)量提升42.5%。玉米播種面積由2004年的264萬(wàn)hm2增加到2018年的354萬(wàn)hm2，增幅34.1%。隨著播種面積增加，玉米產(chǎn)量仍保持較高的增長(zhǎng)，說(shuō)明科學(xué)水平、生產(chǎn)管理能力也在不斷上升，其中增施肥料是促使產(chǎn)量增高的一個(gè)重要因素。

表1 河北省2004—2018年玉米化肥投入與玉米單產(chǎn)變化

2.2 河北省玉米體系氮肥利用率分析

河北省單質(zhì)氮肥用量逐年下降，而復(fù)混肥用量呈增加趨勢(shì)。通常情況下，國(guó)內(nèi)外肥料研究者更傾向于用肥料農(nóng)學(xué)效率、肥料偏生產(chǎn)力、肥料利用率和肥料貢獻(xiàn)率等參數(shù)來(lái)表征肥料的利用狀況。將單質(zhì)氮肥和復(fù)混肥氮合并計(jì)算后，河北省2004—2018年玉米氮肥偏生產(chǎn)力整體呈升高趨勢(shì)（圖1）。其中2004年氮肥偏生產(chǎn)力最小，為19.0 kg／kg，2018年氮肥偏生產(chǎn)力最大，為36.7 kg／kg。說(shuō)明在河北省氮肥投入中，2018年氮肥利用率相較2004年提高93.2%，氮肥利用率穩(wěn)步上升。

圖1 河北省2004—2018年玉米氮肥偏生產(chǎn)力

2.3 河北省玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的活性氮排放量分析

由表2可知，河北省每年玉米化肥投入產(chǎn)生的NH3揮發(fā)最多，占總量的63.2%，平均每年可造成NH3揮發(fā)43.8 kg／hm2；N2O排放最少，每年排放1.35 kg／hm2，而每年造成NO3－淋洗24.1 kg／hm2。隨年限增加，活性氮損失比2004年下降31.2%，結(jié)合表1數(shù)據(jù)表明活性氮損失與各類(lèi)化肥施用量改變有很大關(guān)系，即可能是單質(zhì)氮肥施用量下降、復(fù)混肥施用量提高但總施氮量下降所致，說(shuō)明減少氮素施用量可以有效降低活性氮損失。

表2 河北省2004—2018年玉米體系單位面積化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的活性氮排放量（kg／hm2）

2.4 河北省化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳足跡分析

河北省2004—2018年每生產(chǎn)1 t玉米化肥投入產(chǎn)生的碳足跡保持為波動(dòng)狀態(tài)，但存在明顯的下降趨勢(shì)（圖2）。其中2004年碳排放量最大，為590 kg／t，2018年碳排放量最小，為227 kg／t，下降61.5%。

圖2 河北省2004—2018年每生產(chǎn)1t玉米產(chǎn)生的碳足跡

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以推斷出，河北省每年玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的總碳排放量為467萬(wàn)t左右，且呈逐年緩慢下降趨勢(shì)。由圖3可以看出，2004、2007年河北省玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳排放較多，同年其化肥投入中氮肥施用量也較高，而2018年施用氮肥最少，同年對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳排放量也最低。說(shuō)明對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的CO2累積量和玉米氮肥和復(fù)混肥的施用量有關(guān)，玉米施用氮肥和復(fù)混肥越多，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的CO2累積量也就越多。

圖3 河北省2004—2018年單位面積化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳足跡

3 討論

施用氮肥是玉米獲得高產(chǎn)的保證，但過(guò)量施用會(huì)降低氮肥利用率，加大環(huán)境負(fù)荷［15］。本研究表明河北省單質(zhì)氮肥用量逐年下降，雖然復(fù)混肥用量在增加，但純氮總量呈下降趨勢(shì)，同時(shí)單產(chǎn)增加42.5%，因而氮肥偏生產(chǎn)力近幾年最高達(dá)到36.7 kg／kg。Cui等［16］研究表明，華北區(qū)玉米氮肥偏生產(chǎn)力最高潛力在57 kg／kg左右，張福鎖等［17］研究發(fā)現(xiàn)發(fā)達(dá)國(guó)家作物的氮肥偏生產(chǎn)力從20世紀(jì)80年代一直保持在49 kg／kg以上，說(shuō)明河北省玉米體系氮肥利用率還存在一定的提升空間。通過(guò)分析近15年氮肥、復(fù)混肥用量與單產(chǎn)的變化，發(fā)現(xiàn)降低施氮量是提高氮肥利用效率的有效措施。李歡等［18］研究表明，與常規(guī)施肥相比，減氮20%未降低玉米產(chǎn)量，氮利用率提高35.8%～48.3%。丁相鵬等［19］認(rèn)為當(dāng)施氮量為225 kg／hm2時(shí)，可顯著提高氮素利用效率，降低氮素?fù)p失，最終獲得較高籽粒產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效。隨著年份增加肥料品種也在變化，氮肥施用量在逐漸減少，雖然復(fù)混肥施用量在增加，但是總的碳排放量仍處于下降趨勢(shì)。巨曉棠等［20］研究表明，單施無(wú)機(jī)氮肥會(huì)降低土壤的緩沖能力，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究也有相似性結(jié)果。陳曉芳等［5］研究表明，小麥化肥施用總量不斷增加，但施用產(chǎn)生的碳排放量沒(méi)有明顯的增加或減少趨勢(shì)。而本研究表明玉米施用化肥產(chǎn)生的碳排放量有明顯的下降趨勢(shì)，這可能由于玉米與小麥作物種類(lèi)不同，需肥種類(lèi)和數(shù)量不同帶來(lái)的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米化肥投入中氮肥減少與復(fù)混肥增多，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的活性氮排放與碳足跡有促進(jìn)作用。因此，為同時(shí)保證玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，應(yīng)根據(jù)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分的測(cè)試結(jié)果結(jié)合農(nóng)田實(shí)地管理開(kāi)發(fā)出適合玉米生長(zhǎng)發(fā)育的專(zhuān)用型配方復(fù)混肥，以提高化肥利用率、減少碳排放。

玉米是世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的糧食作物，也是一種喜肥作物，化肥用量和施用方式對(duì)其產(chǎn)量起到重要影響，但是過(guò)量施用不僅會(huì)影響產(chǎn)量，還會(huì)造成土壤板結(jié)、水土流失和水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境污染問(wèn)題［21，22］。現(xiàn)階段人們側(cè)重關(guān)注玉米增產(chǎn)提質(zhì)等，而對(duì)化肥生產(chǎn)及施用帶來(lái)的一系列環(huán)境問(wèn)題關(guān)注度較低。本研究發(fā)現(xiàn)河北省每年玉米化肥投入產(chǎn)生的氮排放下降31.2%，碳足跡下降61.5%。梁龍等［23］研究表明，通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)法發(fā)現(xiàn)河北省欒城每生產(chǎn)1 t冬小麥產(chǎn)生的環(huán)境酸化影響達(dá)到2000年世界人均潛在負(fù)荷的42.9%，其中主要是農(nóng)作系統(tǒng)中的NH3排放，這與本研究中氮排放以NH3揮發(fā)為主的結(jié)論相類(lèi)似。

雖然農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上LCA應(yīng)用也逐漸增多，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在LCA法更加科學(xué)、更加合理的評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了很多嘗試：如吳晉波等［24］通過(guò)生命周期法采用時(shí)間替換空間方法和經(jīng)本地化校正的DNDC模型和計(jì)算方法，得出在無(wú)灌溉條件下，將施肥量減少為210～315 kg／hm2，環(huán)境影響綜合指數(shù)可降低至0.2～0.3，產(chǎn)量降幅為3.15%。但仍然存在一些因素限制著LCA法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，如在本研究中，由于地區(qū)跨度較大，各地區(qū)玉米化肥投入產(chǎn)生的活性氮排放與碳足跡存在地域差異而無(wú)法計(jì)算在內(nèi)；在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料中有機(jī)肥料品種、品質(zhì)、數(shù)量等相關(guān)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容較少，且同一省內(nèi)各地有機(jī)肥施用情況差異較大、難以計(jì)算，對(duì)此僅評(píng)價(jià)相比有完整記錄統(tǒng)計(jì)的化肥而未包含有機(jī)肥。下一步，應(yīng)進(jìn)一步加深細(xì)化農(nóng)業(yè)LCA評(píng)價(jià)方法的計(jì)算，考慮進(jìn)多方面因素如有機(jī)肥施用量和種類(lèi)等，為構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是化肥投入對(duì)環(huán)境影響的科學(xué)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)提供一定的技術(shù)與方法參考。

4 結(jié)論

本研究?jī)H針對(duì)玉米生命周期內(nèi)所用化肥及其施用所產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行分析，沒(méi)有將其他方面如機(jī)械作業(yè)等因素的碳排放考慮在內(nèi)。分析結(jié)果表明：河北省玉米各類(lèi)化肥投入中，化肥總量隨著年份的增加而增加，2010年前以施用氮肥為主，后期以施用復(fù)混肥較多；氮肥施用量呈逐年下降趨勢(shì)，復(fù)混肥施用量呈上升趨勢(shì)；與2004年相比，2018年氮肥用量下降60.2%，而復(fù)混肥用量增加274%，化肥總投入量增加17.2%。玉米播種面積由2004年的264萬(wàn)hm2增加到2018年的354萬(wàn)hm2，單產(chǎn)增加42.5%，河北省玉米產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。2004—2018年河北省玉米化肥投入平均每年造成活性氮排放：NH3揮發(fā)43.8 kg／hm2，NO－3淋洗24.1 kg／hm2，N2O排放1.35 kg／hm2；2018年河北省生產(chǎn)1 t玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳足跡為227 kg／t，每年玉米種植化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的碳足跡為467萬(wàn)t，且碳氮排放呈逐年下降趨勢(shì)。河北省近15年來(lái)玉米單產(chǎn)增加42.5%，化肥總投入量增加17.2%，氮碳足跡下降；總體呈現(xiàn)出環(huán)境代價(jià)逐步減小，但化肥投入偏高，氮肥效率提升緩慢的趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的協(xié)同提升，同時(shí)進(jìn)一步減少玉米化肥投入對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的活性氮排放與碳足跡，提高氮肥利用率，建議開(kāi)發(fā)出玉米專(zhuān)用型復(fù)混肥。