我國(guó)磷肥生產(chǎn)施用的全生命周期環(huán)境影響分析
——以磷酸二銨為例

(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江蘇 南京 210037)

1 引言

磷作為一種有限的資源,在提高作物產(chǎn)量方面起著重要的作用。自20世紀(jì)初,磷肥就被世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,并且對(duì)磷肥的需求一直呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。2017年世界磷肥產(chǎn)量(100% P2O5)為3.37×107t,比2007年增長(zhǎng)了1.1%[2]。根據(jù)國(guó)際化肥工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè),到2020年全球P2O5的需求量將達(dá)到4.5×107t[3]。我國(guó)是磷礦石消費(fèi)大國(guó),2012年磷礦石消費(fèi)量為9.48×107t,占世界磷礦石消費(fèi)總量的48.63%,到2025年我國(guó)磷礦石需求量將達(dá)到1.42×108t[4]。全球的磷肥產(chǎn)能集中度較高,雖然我國(guó)近年受到政策收緊、環(huán)保趨嚴(yán)、磷礦資源稀缺性等因素的影響,但是產(chǎn)能仍占全球產(chǎn)能的50%以上[5]。磷酸二銨是磷肥的主要產(chǎn)品形式之一,2017年我國(guó)磷酸二銨產(chǎn)量為7.4×106t,占我國(guó)全年磷肥總產(chǎn)量的45.1%[6]。磷酸二銨的生產(chǎn)過(guò)程是典型的高耗能階段,嚴(yán)重依賴包括煤、天然氣和石油在內(nèi)的各種化石能源輸入。此外,由于我國(guó)農(nóng)戶普遍受教育程度不高、施肥觀念陳舊落后等原因,近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥利用率普遍較低[7,8]。磷酸二銨的不合理施用不僅會(huì)導(dǎo)致大量氮磷元素的流失,還會(huì)對(duì)水體、大氣和土壤造成污染,帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[9,10]。

生命周期評(píng)價(jià)方法(Life Cycle Assessment,LCA)是一種從產(chǎn)品的原材料開(kāi)采階段、生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、使用階段到最終處理階段的全生命周期過(guò)程的評(píng)估研究,包括對(duì)資源消耗與環(huán)境影響方面的評(píng)估方法[11]。自20世紀(jì)60年代末美國(guó)中西部資源研究所對(duì)可口可樂(lè)飲料包裝的環(huán)境影響進(jìn)行定量研究之后,生命周期影響評(píng)價(jià)的研究對(duì)象已從單一的工業(yè)產(chǎn)品、工藝或服務(wù)拓展到各類(lèi)大小型工程項(xiàng)目等具有系統(tǒng)性質(zhì)的評(píng)價(jià)對(duì)象[12,13]。目前生命周期評(píng)價(jià)方法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究逐漸增多,并形成了一批重要的研究成果。國(guó)外部分學(xué)者應(yīng)用LCA研究了過(guò)磷酸鈣的生命周期對(duì)環(huán)境的影響[14],有學(xué)者采用LCA對(duì)不同農(nóng)肥產(chǎn)品進(jìn)行生命周期研究來(lái)比較不同農(nóng)肥產(chǎn)品的環(huán)境影響[15,16],也有學(xué)者對(duì)澳大利亞、丹麥、意大利、瑞士的農(nóng)產(chǎn)品或田間管理措施進(jìn)行了LCA研究[17-19]。

我國(guó)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)CA的研究雖然起步較晚,但目前的研究逐漸增多,如張方方等[20]對(duì)磷酸二銨和磷酸一銨的生命周期進(jìn)行了對(duì)比研究，籍春蕾等[21]對(duì)有機(jī)肥料和化肥的生命周期進(jìn)行了評(píng)價(jià)。部分學(xué)者對(duì)水稻、小麥、大豆、玉米等農(nóng)產(chǎn)品的生命周期進(jìn)行了研究[22-30]。盡管對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的環(huán)境影響評(píng)價(jià)成果較多,但還存在著不足。一方面,國(guó)外的研究無(wú)法反映我國(guó)磷肥行業(yè)的實(shí)際狀況；另一方面,目前國(guó)內(nèi)針對(duì)磷酸二銨環(huán)境影響的研究?jī)H圍繞磷酸二銨的生產(chǎn)階段展開(kāi),并沒(méi)有考慮磷酸二銨成品出廠后的運(yùn)輸階段與下游農(nóng)戶的施用階段。本研究運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法,在對(duì)我國(guó)磷酸二銨產(chǎn)品生產(chǎn)與使用過(guò)程進(jìn)行深入調(diào)研與分析的基礎(chǔ)上,界定磷酸二銨從磷礦石生產(chǎn)階段到農(nóng)戶施用階段的各個(gè)生命周期過(guò)程,構(gòu)建并且量化生命周期過(guò)程中資源/能源使用和污染物排放清單,使用ReCiPe方法進(jìn)行量化分析并評(píng)估磷酸二銨生命周期的主要環(huán)境影響類(lèi)別,識(shí)別造成磷酸二銨生命周期環(huán)境負(fù)荷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究不僅為推動(dòng)我國(guó)磷酸二銨本土化生命周期的數(shù)據(jù)庫(kù)建立提供了數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為制定磷肥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展政策提供了科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

ISO14000系列標(biāo)準(zhǔn)是一套科學(xué)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化的管理標(biāo)準(zhǔn)，是由最高管理者承諾和支持的一個(gè)組織有計(jì)劃、協(xié)調(diào)運(yùn)作的管理活動(dòng)。它通過(guò)有明確職責(zé)、義務(wù)的組織結(jié)構(gòu)來(lái)貫徹實(shí)施，目的在于防止對(duì)環(huán)境的破壞和不利影響。本研究主要根據(jù)ISO14040《生命周期評(píng)價(jià)原則與框架》要求的四個(gè)階段進(jìn)行評(píng)價(jià),即目的定義與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。

2.1 目的與范圍確定

本研究旨在評(píng)估磷酸二銨從上游磷礦石生產(chǎn)階段到下游農(nóng)戶施用階段的生命周期環(huán)境影響,為磷酸二銨產(chǎn)品全過(guò)程環(huán)境管理提供決策依據(jù)。云南省是我國(guó)磷礦的主要分布區(qū)域。截止2016年,云南省已探明磷礦石儲(chǔ)量為6.27×108t,平均品位22.2%,占全國(guó)已探明磷礦石量的19.3%,是我國(guó)重要的磷肥產(chǎn)業(yè)基地。因此,磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程選擇位于云南省中部某大型磷肥生產(chǎn)企業(yè)的全生產(chǎn)過(guò)程。該磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程采用預(yù)中和—管式反應(yīng)器工藝,經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,該工藝已成為磷酸二銨生產(chǎn)的最佳工藝[31]。該企業(yè)年產(chǎn)磷酸二銨6×105t,產(chǎn)品銷(xiāo)往全國(guó)各地,主要應(yīng)用于水稻、小麥和玉米等經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的肥料施用。基于施肥數(shù)據(jù)的可獲得性,農(nóng)戶施用階段選擇水稻種植系統(tǒng)的磷酸二銨施用過(guò)程,具體包括我國(guó)水稻種植集中分布的太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)。

2.2 功能單位與系統(tǒng)邊界

本研究主要選擇一噸磷酸二銨(P2O5≥46%,N≥18%)作為功能單位。系統(tǒng)邊界具體考慮:磷礦石生產(chǎn)過(guò)程中的礦石采剝、開(kāi)采運(yùn)輸和給排水過(guò)程,磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程中的硫酸生產(chǎn)、磷酸生產(chǎn)、硫酸廢熱發(fā)電和磷酸二銨生產(chǎn),磷酸二銨成品運(yùn)輸階段和農(nóng)戶施用階段。

具體說(shuō)明為:①由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)器設(shè)備運(yùn)行損耗產(chǎn)生的環(huán)境影響難以進(jìn)行測(cè)量,因此本研究沒(méi)有考慮磷礦石生產(chǎn)和磷酸二銨生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程與設(shè)備運(yùn)行損耗。②考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性,將磷酸二銨運(yùn)輸階段定義為磷肥企業(yè)將磷酸二銨運(yùn)往下游消費(fèi)區(qū)域的一級(jí)經(jīng)銷(xiāo)商。③農(nóng)戶施用階段,考慮太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)常規(guī)施肥和優(yōu)化施肥狀況,其中常規(guī)施肥選擇當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的平均施肥量,而優(yōu)化施肥選擇當(dāng)?shù)赝扑]的施肥量、施肥方式與比例進(jìn)行。磷酸二銨生命周期邊界見(jiàn)圖1。由于磷礦石的生產(chǎn)過(guò)程是在該企業(yè)的子公司進(jìn)行,因此將磷礦石運(yùn)輸也劃分到磷礦石生產(chǎn)階段。

圖1 磷酸二銨生命周期系統(tǒng)邊界

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

磷酸二銨生命周期過(guò)程中的磷礦石生產(chǎn)、運(yùn)輸和磷酸二銨的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于磷肥企業(yè),運(yùn)輸階段和農(nóng)戶施用階段的數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn),柴油、煤炭、硫磺的上游生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自于GaBi數(shù)據(jù)庫(kù),電力和液氨生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自于Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù)。磷酸二銨生命周期過(guò)程的數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 磷酸二銨生命周期詳細(xì)數(shù)據(jù)來(lái)源

2.4 生命周期影響評(píng)價(jià)

生命周期影響評(píng)價(jià)的目的是在研究目標(biāo)和邊界框架內(nèi),通過(guò)對(duì)清單數(shù)據(jù)的量化分析來(lái)評(píng)價(jià)研究對(duì)象的環(huán)境影響[43]。該階段可將清單分析結(jié)果(輸入/輸出)與對(duì)環(huán)境的影響聯(lián)系起來(lái),說(shuō)明不同輸入/輸出的相對(duì)重要性和每個(gè)生產(chǎn)階段對(duì)環(huán)境影響的大小。本研究采用國(guó)際上廣泛使用的基于CML[44]和Ecoindicator99[45]模型發(fā)展而來(lái)的ReCiPe方法[46]進(jìn)行量化分析,包括特征化和標(biāo)準(zhǔn)化兩個(gè)階段。在特征化階段,主要通過(guò)當(dāng)量系數(shù)轉(zhuǎn)換為參照物的環(huán)境影響潛力。

在ReCiPe評(píng)價(jià)方法中,選擇氣候變化、化石能源耗竭、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、顆粒物形成、光化學(xué)氧化和陸地酸化7種環(huán)境影響類(lèi)別進(jìn)行分析。各種特征化環(huán)境影響類(lèi)別根據(jù)式(1)計(jì)算。

Ep(x)=ΣEp(x)i=Σ[Q(x)iEF(x)i]

(1)

式中,Ep(x)為系統(tǒng)對(duì)第x種生態(tài)環(huán)境影響潛力;Ep(x)i為第i種污染物排放對(duì)第x種生態(tài)環(huán)境的影響潛力;Q(x)i為第i種污染物的排放量;EF(x)i為第i種污染物對(duì)第x種生態(tài)環(huán)境影響的當(dāng)量系數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)化階段,本研究采用2000年世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算。

Rx=Ep(x)/S(2000)x

(2)

式中,Rx為第x種環(huán)境影響類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;Ep(x)為第x種潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果;S(2000)x為第x種環(huán)境影響類(lèi)別2000年的世界人均環(huán)境影響潛力基準(zhǔn)值。

3 結(jié)果分析

3.1 生命周期清單分析

磷礦石生產(chǎn)、磷酸二銨生產(chǎn)、運(yùn)輸和上游原材料生產(chǎn)是資源消耗階段,所需要的原料和燃料包括磷礦石、煤、天然氣和石油在內(nèi)的各種化石能源和礦產(chǎn)資源。污染排放主要發(fā)生在農(nóng)戶施用階段,主要是磷酸二銨進(jìn)入土壤后以P、NH3-N、NO3-N、N2O-N和重金屬的形式向空氣、水體和土壤中排放。一噸磷酸二銨生命周期的資源消耗量與污染排放清單見(jiàn)表2。

表2 一噸磷酸二銨生命周期資源消耗與污染物排放清單

3.2 生命周期影響評(píng)價(jià)

特征化結(jié)果:太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)的優(yōu)化施肥情景和常規(guī)施肥情景下磷酸二銨生命周期特征化結(jié)果和磷酸二銨生命周期各階段特征化結(jié)果百分比見(jiàn)表3、圖2、圖3。

表3 磷酸二銨生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)特征化結(jié)果

氣候變化潛勢(shì)主要產(chǎn)生于磷酸二銨生產(chǎn)階段和農(nóng)戶施用階段。磷酸二銨生產(chǎn)階段氣候變化潛勢(shì)為452.97kg CO2eq,占三個(gè)不同區(qū)域磷酸二銨生命周期氣候變化潛勢(shì)的34.1%—35.5%。各區(qū)域農(nóng)戶施用階段的氣候變化潛勢(shì)為801.92—834.01kg CO2eq,占各區(qū)域磷酸二銨生命周期的62.5%—63.4%,主要是由于磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程中釋放的CO2和農(nóng)戶施用階段磷酸二銨釋放的N2O等溫室氣體造成的。與常規(guī)施肥情景相比,采用優(yōu)化施肥情景陸地酸化潛勢(shì)能減小0.8%—1.7%。

圖2 優(yōu)化施肥情景下各地區(qū)各階段特征化百分比

圖3 常規(guī)施肥情景下各地區(qū)各階段特征化百分比

磷酸二銨生產(chǎn)階段是化石能源耗竭潛勢(shì)的主要貢獻(xiàn)階段。該階段化石能源耗竭潛勢(shì)為355.01kg oil eq,分別占太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)磷酸二銨生命周期資源消耗量的83.9%、88.1%和95.8%。而磷酸二銨生產(chǎn)階段資源消耗量主要發(fā)生在上游生產(chǎn)階段的硫磺生產(chǎn)、電力生產(chǎn)和磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程中的磷酸生產(chǎn),分別占磷酸二銨生產(chǎn)階段資源消耗量的32.5%、36.4%和16.1%。雖然運(yùn)輸階段對(duì)化石能源耗竭潛勢(shì)占比相對(duì)較小,但受各地區(qū)運(yùn)輸距離的影響,變動(dòng)幅度較大,占磷酸二銨生命周期化石能源耗竭潛勢(shì)的2.2%—14.3%。

淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)主要產(chǎn)生于農(nóng)戶施用階段,農(nóng)戶施用階段太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)的優(yōu)化施肥情景下淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)分別為0.95、0.56和0.40 kg P eq,占各自生命周期淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)的96.9%、94.9%和93.0%;三地區(qū)常規(guī)施肥情境下淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)分別為1.07、0.70和0.54 kg P eq,占各自生命周期淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)的97.3%、95.9%和94.8%。主要是由于磷酸二銨中的氮和磷隨著農(nóng)戶施肥進(jìn)入土壤后,受到自然降水的侵蝕和農(nóng)田灌溉排水產(chǎn)生降水淋濕和徑流損失。比較不同的施肥情景可知,優(yōu)化施肥情景比常規(guī)施肥情景的淡水富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)減少12.2%—32.6%。

人體毒性潛勢(shì)的主要貢獻(xiàn)階段是農(nóng)戶施用階段,農(nóng)戶施用階段人體毒性潛勢(shì)為292.01kg 1,4—DB eq,分別占太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)生命周期內(nèi)人體毒性潛勢(shì)的84.3%、84.5%和84.8%。其中,砷(五價(jià))和鎘(二價(jià))兩種重金屬元素是造成人體毒性的主要重金屬元素,分別占農(nóng)戶施用階段人體毒性的51.7%和46.9%。造成人體毒性的原因是磷酸二銨中含有的砷和鎘等重金屬元素進(jìn)入土壤后迅速被土壤吸附固定，被微生物和植物吸收,通過(guò)食物鏈或其他方法轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的物質(zhì),對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害。由于重金屬進(jìn)入土壤后極易被土壤吸附和固定,因此優(yōu)化施肥情景和常規(guī)施肥情景的人體毒性潛勢(shì)差異較小。

顆粒物形成潛勢(shì)產(chǎn)生的原因是磷礦石生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵,磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程中排放的顆粒物和NH3,運(yùn)輸過(guò)程中汽車(chē)尾氣排放的NOx及顆粒物和農(nóng)戶施用過(guò)程中產(chǎn)生的NH3和NOx。農(nóng)戶施用階段是顆粒物形成潛勢(shì)的主要貢獻(xiàn)階段,太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)優(yōu)化施肥情景下,農(nóng)戶施用階段顆粒物形成潛勢(shì)分別為9.88、8.72和7.56kg PM10eq,占各自生命周期顆粒物形成潛勢(shì)的84.5%、85.4%和87.1%;常規(guī)施肥情景下,各地區(qū)農(nóng)戶施用階段顆粒物形成潛勢(shì)分別為11.05、10.47和9.88kg PM10eq,占各自生命周期顆粒物形成潛勢(shì)的85.9%、87.6%和89.8%。從不同的施肥情景分析,優(yōu)化施肥情景下顆粒物形成潛勢(shì)比常規(guī)施肥情景減少9.9%—27.1%。

光化學(xué)氧化潛勢(shì)的主要貢獻(xiàn)階段是磷酸二銨生產(chǎn)和運(yùn)輸階段,主要是由于生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物和NMVOC。磷酸二銨生產(chǎn)階段光化學(xué)物質(zhì)潛勢(shì)為1.36 kg NMVOC,占各區(qū)域磷酸二銨生命周期光化學(xué)氧化潛勢(shì)的25.7%—60.3%。相較于生產(chǎn)階段,運(yùn)輸階段由于受運(yùn)輸距離影響,太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)的差異顯著,分別占光化學(xué)氧化潛勢(shì)的66.4%、53.9%和21.5%。

農(nóng)戶施用階段是陸地酸化潛勢(shì)的主要貢獻(xiàn)階段,優(yōu)化施肥情景下太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)陸地酸化潛勢(shì)分別為72.26、63.42和54.58 kg SO2eq,占各區(qū)域陸地酸化潛勢(shì)的92.8%、93.0%和93.5%。常規(guī)施肥情景下三地農(nóng)戶施用階段陸地酸化潛勢(shì)分別為81.10、76.68和72.26 kg SO2eq,占各地區(qū)陸地酸化潛勢(shì)的93.6%、94.2%和95.0%。主要原因是磷酸二銨進(jìn)入土壤后的反硝化作用產(chǎn)生氮氧化物排放和氨揮發(fā)。與常規(guī)施肥情景相比,采用優(yōu)化施肥情景陸地酸化潛勢(shì)減少11.4%—30.3%。

圖4 優(yōu)化施肥情景下各區(qū)域磷酸二銨生命周期標(biāo)準(zhǔn)化

圖5 常規(guī)施肥情景下各區(qū)域磷酸二銨生命周期標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果:太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)優(yōu)化施肥情景和常規(guī)施肥情景下，氣候變化、化石能源耗竭、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、顆粒物形成、光化學(xué)氧化和陸地酸化7種影響類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)化值見(jiàn)圖4和圖5。經(jīng)過(guò)對(duì)一噸磷酸二銨生命周期的7種環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果(圖4和圖5)分析,各環(huán)境影響類(lèi)別總體呈現(xiàn)太湖地區(qū)>湖北省地區(qū)>洱海地區(qū),其中淡水富營(yíng)養(yǎng)化和陸地酸化是最主要環(huán)境影響類(lèi)別,其他依次是人體毒性、顆粒物形成、化石能源消耗、氣候變化和光化學(xué)氧化。淡水富營(yíng)養(yǎng)化和陸地酸化標(biāo)準(zhǔn)化值分別為1.47—3.79和1.53—2.27,說(shuō)明淡水富營(yíng)養(yǎng)化和陸地酸化潛值分別相當(dāng)于2000年世界人均環(huán)境影響潛力的147%—379%和153%—227%。

4 討論

4.1 敏感性分析

為比較磷酸二銨生命周期過(guò)程輸入?yún)?shù)的變化對(duì)環(huán)境影響類(lèi)別的影響程度,將磷礦石產(chǎn)量、磷酸二銨產(chǎn)量、運(yùn)輸距離和農(nóng)戶施用量分別進(jìn)行±10%浮動(dòng)對(duì)研究的7種環(huán)境影響類(lèi)別進(jìn)行敏感性分析(表4)。從表4可知,當(dāng)對(duì)磷酸二銨產(chǎn)量進(jìn)行±10%浮動(dòng)時(shí),氣候變化、化石能源耗竭和人體毒性三種環(huán)境影響類(lèi)別波動(dòng)明顯,說(shuō)明磷酸二銨產(chǎn)量對(duì)這三種環(huán)境影響類(lèi)別敏感度較高;當(dāng)對(duì)運(yùn)輸距離進(jìn)行±10%浮動(dòng)時(shí),光化學(xué)氧化環(huán)境影響類(lèi)別變化明顯,運(yùn)輸距離對(duì)光化學(xué)氧化環(huán)境影響類(lèi)別敏感度較高;當(dāng)對(duì)農(nóng)戶施用量進(jìn)行±10%的浮動(dòng)時(shí),氣候變化、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化5種環(huán)境影響類(lèi)別波動(dòng)明顯,說(shuō)明農(nóng)戶施用量對(duì)這5種環(huán)境影響類(lèi)別的敏感度較高;當(dāng)對(duì)磷礦石產(chǎn)量進(jìn)行±10%浮動(dòng)時(shí),7種環(huán)境影響類(lèi)別沒(méi)有明顯改變,說(shuō)明該因素對(duì)7種環(huán)境影響類(lèi)別的敏感度較低。

表4 磷酸二銨生命周期環(huán)境影響敏感性分析結(jié)果

4.2 不確定性分析

在磷酸二銨的生命周期過(guò)程中,磷酸二銨的生產(chǎn)受磷礦石中磷元素含量、硫酸生產(chǎn)、磷酸生產(chǎn)和磷酸二銨合成生產(chǎn)反應(yīng)效率的影響,所消耗的原材料數(shù)量存在不確定性;運(yùn)輸階段受道路狀況和路線選擇的限制,消耗的柴油和污染排放，存在不確定性;農(nóng)戶施用階段所排放的污染物受降雨量和氣候變化影響也存在不確定性。因此,本研究選擇磷酸二銨生命周期過(guò)程中的13個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)淡水富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化4種相對(duì)顯著影響類(lèi)別進(jìn)行不確定性分析。其中,生產(chǎn)數(shù)據(jù)參考云南省其他具有代表性的磷肥企業(yè)[47,48],農(nóng)戶施用階段數(shù)據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[37,38,41,49-51]。由于數(shù)據(jù)樣本量較小,本研究將以上13個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)均定義為三角分布(表5)。雖然這種處理方法較簡(jiǎn)單,但三角分布在數(shù)據(jù)量較少的情況下進(jìn)行生命周期不確定性模擬較適用。本研究運(yùn)用Crystal Ball軟件對(duì)選出的不確定參數(shù)進(jìn)行10000次蒙特卡羅模擬,計(jì)算出上述4種環(huán)境影響類(lèi)別的不確定性,蒙特卡羅模擬的結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 磷酸二銨生命周期不確定性分析

由圖6可知,太湖地區(qū)、湖北省地區(qū)和洱海地區(qū)淡水富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化4種環(huán)境影響類(lèi)別的均值分別為0.43—1.10 kg P eq、344.74—346.65 kg 1,4—DB eq、8.69—12.87 kg PM10eq、58.46—86.80 kg SO2eq,變異系數(shù)在3%—6%間波動(dòng),說(shuō)明研究的環(huán)境影響結(jié)果具有較好穩(wěn)定性。

4.3 研究結(jié)果對(duì)比

周祖鵬[23]、王明新[25]等分別對(duì)廣西和太湖地區(qū)一噸水稻生命周期的環(huán)境影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明能源消耗主要發(fā)生在化肥生產(chǎn)階段,農(nóng)戶施用階段對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化、人體毒性和氣候變化等環(huán)境影響類(lèi)別影響較大。即環(huán)境影響主要發(fā)生在農(nóng)戶施用階段,這與本研究結(jié)果基本一致。本研究中,優(yōu)化施肥情景相對(duì)常規(guī)施肥情景能不同程度地減少對(duì)環(huán)境的影響,這在盧娜[22]等采用配方施肥和常規(guī)施肥對(duì)太湖流域一噸水稻種植生命周期內(nèi)環(huán)境影響的研究中得到了證實(shí)。侯夢(mèng)瑤[52]、梁書(shū)民[53]、汪翔[54]、張永強(qiáng)[55]等通過(guò)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥投入現(xiàn)狀、地區(qū)差異與污染現(xiàn)狀的研究發(fā)現(xiàn),我國(guó)農(nóng)業(yè)化肥用量與環(huán)境影響大致呈現(xiàn)從東部到西部逐漸遞減的趨勢(shì),這與本研究結(jié)果一致。

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明:①磷酸二銨生命周期過(guò)程對(duì)環(huán)境的主要環(huán)境影響類(lèi)型是陸地酸化、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、顆粒物形成、人體毒性。磷酸二銨生產(chǎn)階段是造成化石能源耗竭潛勢(shì)的主要階段,農(nóng)戶施用階段對(duì)氣候變化、陸地酸化、淡水富營(yíng)養(yǎng)化、顆粒物形成和人體毒性等潛勢(shì)的貢獻(xiàn)占比最大。②綜合三個(gè)典型區(qū)域的磷酸二銨生命周期發(fā)現(xiàn),受單位面積磷肥投入量、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等地區(qū)差異的影響,水稻化肥施用造成的環(huán)境影響基本呈現(xiàn)從東部到西部逐漸遞減趨勢(shì)。③優(yōu)化施肥情景在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí),能提高磷酸二銨的利用率，降低化肥的施用量，減少因上游生產(chǎn)而帶來(lái)的直接或間接污染物排放,從而減少化肥生產(chǎn)與農(nóng)戶施用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的影響。

在磷酸二銨生產(chǎn)的過(guò)程中企業(yè)應(yīng)關(guān)注節(jié)能減排,可通過(guò)選擇高品位磷礦，提高硫酸生產(chǎn)過(guò)程中的廢熱回收率，采用清潔能源等措施來(lái)降低磷酸二銨生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)資源的過(guò)度依賴,同時(shí)采用新技術(shù)或提高催化劑反應(yīng)效率來(lái)間接減少非可再生資源的消耗。從空間分布看,東部地區(qū)在單位面積磷肥投入量和強(qiáng)度上均高于中部和西部地區(qū)。因此,各地區(qū)應(yīng)在采取適當(dāng)政策干預(yù)和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上,因地制宜地制定化肥施用量。此外,國(guó)家應(yīng)積極培養(yǎng)農(nóng)戶的環(huán)保意識(shí),鼓勵(lì)農(nóng)戶采用配方施肥和優(yōu)化農(nóng)肥播撒方式等措施,達(dá)到減少化肥施用量和提高生產(chǎn)效率的雙重目標(biāo)。農(nóng)戶施用階段采用優(yōu)化施肥方式,既可為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排提供一條選擇路徑,還能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和清潔生產(chǎn)。

本研究在研究過(guò)程中還存在一些不足,主要表現(xiàn)在:磷礦石和磷酸二銨生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)來(lái)源于云南省典型磷肥生產(chǎn)企業(yè),與我國(guó)其他地區(qū)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品在生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)效率方面可能存在一定差異;運(yùn)輸階段和農(nóng)戶施用階段資源的消耗和污染物排放數(shù)據(jù)多引用他人的研究成果,因此研究結(jié)果的時(shí)空代表性有待進(jìn)一步提高。