安徽省小麥化肥施用產(chǎn)生的碳排放初探

陳曉芳 王曉旭 衛(wèi)凱平 黃莉

摘? ?要? ?采用生命周期評價方法以化肥生產(chǎn)及小麥種植過程中化肥施用為系統(tǒng)邊界，構(gòu)建基于生命周期評價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，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：F222.3;X839.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.34.026

我國作為世界人口大國，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的不斷增加，耕地的逐年減少，糧食安全成為國家安全的關(guān)鍵，而提高糧食單產(chǎn)則成為解決我國糧食安全問題的主要途徑[1]。長期的農(nóng)業(yè)實踐證明，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，但相對于發(fā)達(dá)國家而言，我國逐年遞增的施用量、較低的利用率又使其成為我國環(huán)境污染，尤其是水體污染的重要面源之一[2]。因此，十分有必要對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥施用帶來的環(huán)境影響進行分析，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)。

國內(nèi)外有不少學(xué)者對農(nóng)田化肥施用造成的環(huán)境影響進行了大量研究，Amalia Zucaro等通過生命周期評價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、無機肥料施用對環(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];李貞宇對我國不同區(qū)域小麥?zhǔn)┓试斐傻馁Y源環(huán)境影響進行生命周期評價，在幾種資源環(huán)境影響中，潛力大小依次是富營養(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象，構(gòu)建基于生命周期評價化肥施用環(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，以期為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理施肥，減少資源的浪費，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、長江、新安江三個流域，是中國農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史較長的地區(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，是國際上公認(rèn)的化肥施用安全上限（225 kg）的2.47倍。

1.2 計算方法

根據(jù)ISO提出的LCA方法構(gòu)建基于生命周期評價化肥施用環(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象，功能單位分別為每年生產(chǎn)1 hm2作物。評價的環(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)碳足跡計算方法及相關(guān)參數(shù)均來源于《2006 年IPCC 國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，磷肥以P2O5計，鉀肥以K2O計，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，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?；噬a(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狀態(tài)，沒有明顯的增長或下降趨勢。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。

3 結(jié)論

本文針對種植環(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)最適合小麥生長所需養(yǎng)分最佳配比的專用型復(fù)合肥。

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