基于LCA分析的間作小麥土壤酸化氣體排放*

任家兵 湯 利? 耿川雄，2 肖靖秀 鄭 毅

（1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201）

（2 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650201）

隨著環(huán)境酸化問題的日益嚴(yán)重，大氣中硫、氮排放量在二十世紀(jì)持續(xù)增加，達(dá)到了工業(yè)化前的700%和540%［1］，這不僅改變了硫、氮格局，加速了大氣酸沉降［2］，更加劇了我國土壤酸化的嚴(yán)重程度［3］。因此，如何減少氮素?fù)p失，控制SO2、NH3等酸化氣體的排放量，構(gòu)建一種協(xié)調(diào)農(nóng)學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)化的種植管理模式，以更低的環(huán)境代價實現(xiàn)作物高產(chǎn)，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展尤為重要。

生命周期評價（Life cycle assessment, LCA）作為環(huán)境影響評價的一種新方法，不僅能對產(chǎn)品生產(chǎn)當(dāng)前的環(huán)境沖突進(jìn)行有效的定量化評價，而且能對產(chǎn)品全過程所涉及的環(huán)境問題進(jìn)行分析［4］，是有效的環(huán)境管理工具之一。已有不少研究從多個方面［5-9］表明了生命周期評價在農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評估上的優(yōu)勢，徐強(qiáng)等［4］及郭金花［9］結(jié)合生命周期評價分析了不同種植模式設(shè)施蔬菜的環(huán)境影響指數(shù)，梁龍［7］和貢婷婷［10］基于生命周期評價比較了冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)的最佳施肥處理，并指出環(huán)境酸化是玉米生命周期環(huán)境影響較大的潛在因素［11］。

間套作通過利用作物不同的生長習(xí)性和生理特性，形成不同時空生態(tài)位互補(bǔ)的復(fù)合群體。與單作相比，合理間作可以顯著提高糧食單產(chǎn)［12-13］，控制病蟲害［14-15］，提高養(yǎng)分資源利用效率［16］，并能夠降低土壤中硝態(tài)氮的累積［17］。已有研究表明，玉米/大豆、玉米/豌豆等間作體系能有效控制土壤中氮氧化物的排放［18-21］，但有關(guān)小麥蠶豆間作體系下單間作作物的酸化氣體排放等環(huán)境影響尚未有系統(tǒng)報道。因此，本文以云南普遍種植的小麥/蠶豆體系為研究對象，擬通過田間試驗比較云南不同區(qū)域小麥蠶豆間作體系的產(chǎn)量，并基于生命周期評價，分析單間作體系酸化氣體排放的差異，綜合探討小麥蠶豆間作的產(chǎn)量優(yōu)勢及其酸化氣體減排效果，以期為實現(xiàn)糧食增產(chǎn)、養(yǎng)分資源高效利用和環(huán)境友好提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2014—2016年在兩個試驗點開展田間定位試驗，A點：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境利用工程中心試驗基地（25°07′N，102°45′E），年均溫15 ℃，年均降水量1 186 mm，年均日照時數(shù)2 200 h，供試小麥為云麥42，蠶豆為玉溪大粒豆；B點：云南省昆明市尋甸縣云南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗基地(23°32′N，102°02′E），年平均溫14.7 ℃，年均降水量1 040 mm，年均日照時數(shù)2 617.4 h，供試小麥為云麥52，蠶豆為玉溪大粒豆。供試土壤基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗設(shè)計

兩個試驗點均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。設(shè)置小麥與蠶豆間作（I）、小麥單作（MW）、蠶豆單作（MB）三種種植模式，重復(fù)3次，隨機(jī)排列，A試驗點小區(qū)面積20 m2（5 m×4 m），B試驗點小區(qū)面積32.4 m2（5.4 m×6 m）。

供試肥料為尿素（464 g?kg-1）、普通過磷酸鈣（140 g?kg-1）、硫酸鉀（500 g?kg-1），按照當(dāng)?shù)赝扑]施肥量施用，磷肥（P2O5：A 75 kg?hm-2；B 90 kg?hm-2）和鉀肥（K2O：A 75 kg?hm-2；B 90 kg?hm-2）全部作為基肥施入，氮肥（N：A 225 kg?hm-2；B 180 kg?hm-2）在小麥拔節(jié)期追肥一次，基追比為1∶1，不施有機(jī)肥。蠶豆氮肥僅施基肥，即A點112.5 kg?hm-2，B點90 kg?hm-2。

按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)技術(shù)措施進(jìn)行肥水管理。

1.3 樣品采集與分析

在小麥的成熟期依據(jù)劃定的產(chǎn)區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)，全生育期內(nèi)產(chǎn)區(qū)不進(jìn)行采樣操作，收獲麥穗后，進(jìn)行脫粒，測定等面積的單、間作小麥籽粒產(chǎn)量。

1.4 生命周期評價分析方法

本研究以生產(chǎn)1 000 kg小麥為評價的功能單元，研究單、間作小麥從原材料生產(chǎn)至小麥?zhǔn)斋@過程的資源消耗和酸化氣體排放。本研究定義的邊界包括了農(nóng)資（化肥、柴油、電力）生產(chǎn)和小麥栽培（翻地、施肥、灌溉、收獲）各過程使用能源的生產(chǎn)和消耗，不包括農(nóng)用機(jī)械的生產(chǎn)、農(nóng)資物品運輸和消費者消費的過程。本研究的能源生產(chǎn)和使用過程的環(huán)境影響指數(shù)參照梁龍［7］的研究，依據(jù)陳新平和張福鎖［22］的研究確定氨揮發(fā)系數(shù)和硝態(tài)氮淋洗系數(shù)，依據(jù)Brentrup 和Kusters［5］的研究結(jié)果確定N2O的直接和間接揮發(fā)系數(shù)，計算好每生產(chǎn)1 000 kg單位小麥產(chǎn)量所消耗的能量和原材料用量后，結(jié)合各原材料生產(chǎn)和使用過程中的環(huán)境影響系數(shù)，計算出單、間作小麥的環(huán)境酸化生命周期清單，并對酸化氣體進(jìn)行特征化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)一步采用王明新等［6］設(shè)置的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)評估，分析間作小麥較單作小麥的環(huán)境影響減緩潛力。

本研究中單位產(chǎn)量所需的各種農(nóng)資物質(zhì)投入如表2所示，單位農(nóng)資物質(zhì)（化肥、柴油、電力）消耗所產(chǎn)生的酸化氣體排放清單及農(nóng)田系統(tǒng)中單位氮肥以NH3和NOX形式的排放量如表3所示。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007整理后，用SPSS 20.0在0.05水平進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和統(tǒng)計分析。

土地當(dāng)量比（LER）指同一農(nóng)田中兩種或兩種以上作物間作的收益與各個作物單作時收益的比率，用來衡量間作相對于單作的增產(chǎn)程度，計算公式如下：

表2 單間作小麥單位產(chǎn)量（1 000 kg）物質(zhì)投入Table 2 Input inventory per unit area of intercropped and monocropped wheat

表3 農(nóng)資（化肥、柴油、電力）和農(nóng)作系統(tǒng)的SOX、NH3和NOX排放量［5，7，22］Table 3 SOX, NH3 and NOX emissions of agricultural materials (fertilizer, diesel oil, electricity) and farming system［5,7,22］

式中，Yiw和Yib分別代表間作總面積上小麥和蠶豆的產(chǎn)量，需乘以該作物在間作中所占的面積比例，單位為kg?hm-2；Ymw和Ymb分別代表單作小麥和蠶豆的產(chǎn)量，kg?hm-2。若LER大于1，即表示間作的土地利用效率高于單作。

依據(jù)表2和表3的清單分析結(jié)果，對每形成1 000 kg單位產(chǎn)量所消耗的農(nóng)資物質(zhì)進(jìn)行計算，得出單位產(chǎn)量的SOX、NH3和NOX排放量，具體公式如下：

式中，M為對應(yīng)的氣體排放量，kg?t-1；A為單位產(chǎn)量的農(nóng)資物質(zhì)投入量，kg?t-1；B為消耗單位農(nóng)資物質(zhì)對應(yīng)的氣體排放量，g?kg-1；i為不同的農(nóng)資類別；F為單位產(chǎn)量的氮素用量，kg?t-1；230表示農(nóng)作系統(tǒng)中氮素以NH3形式排放的排放系數(shù)，0.58表示氮素以NOX形式排放的排放系數(shù)，單位為g?kg-1，排放系數(shù)參照陳新平和張福鎖［22］的研究成果以及Brentrup 和Kusters［5］的研究結(jié)果計算得出。

環(huán)境酸化特征化處理主要是以SO2為基準(zhǔn)，消除硫氧化物（SOX）、氨氣（NH3）和氮氧化物（NOX）對環(huán)境負(fù)荷貢獻(xiàn)潛力的不一致性，即將SO2作為環(huán)境酸化的基準(zhǔn)生態(tài)影響因子，其他酸化氣體通過當(dāng)量系數(shù)法計算出相對于SO2的環(huán)境酸化影響潛值，計算公式如下：

式中，E為潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果，1表示SOX相對于SO2的當(dāng)量系數(shù)，1.88表示NH3相對于SO2的當(dāng)量系數(shù)，0.7表示NOX相對于SO2的當(dāng)量系數(shù)。當(dāng)量系數(shù)參照梁龍［7］研究結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)化主要說明潛在環(huán)境影響的相對大小，通過選擇基準(zhǔn)量，消除結(jié)果在量綱和級數(shù)上的差異；加權(quán)評估是結(jié)合環(huán)境酸化的權(quán)重系數(shù)，計算其對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要程度，計算公式如下：

式中，R為潛在環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果；S為基準(zhǔn)值，參照梁龍［7］研究結(jié)果；EI為環(huán)境影響值，即加權(quán)平均值；W為環(huán)境影響權(quán)重，參照王明新等［6］研究中的專家組評議設(shè)置的權(quán)重系數(shù)。

文中環(huán)境影響減緩潛力（EMP），表征間作小麥相對于單作小麥的環(huán)境效益，計算公式如下：

式中，EIiw為間作小麥的環(huán)境影響值；EImw為單作小麥的環(huán)境影響值。

2 結(jié) 果

2.1 小麥蠶豆間作的產(chǎn)量優(yōu)勢

田間試驗表明，小麥蠶豆間作顯著提高了作物產(chǎn)量（圖1），體現(xiàn)出了明顯的間作產(chǎn)量優(yōu)勢。與單作小麥相比，A試驗點的間作小麥產(chǎn)量2015年和2016年分別增加了20.58%和10.93%（P＜0.05），平均增幅為15.76%；B試驗點與A試驗點的趨勢一致，間作小麥產(chǎn)量分別增加了38.62%和18.04%（P＜0.05），平均增幅為28.33%，兩試驗點的間作小麥產(chǎn)量平均增幅為22.04%。

A、B兩點的土地當(dāng)量比LER均大于1，分別為1.10、1.07、1.08和1.09，具有明顯的間作產(chǎn)量優(yōu)勢。

圖1 單間作小麥的產(chǎn)量Fig.1 Yield of intercropped and monocropped wheat

2.2 單間作小麥的能源消耗

A、B兩點的間作小麥能源消耗較單作而言均有不同程度的減少（表4）。A試驗點的兩年降幅分別為17.25%和9.70%，B試驗點的兩年降幅分別為26.96%和22.49%，其中，B試驗點中兩年的間作小麥降幅均達(dá)到了顯著水平。

表4 不同處理單間作小麥的能源消耗Table 4 Energy consumption of intercropped and monocropped wheat/(MJ?t-1)

2.3 單間作小麥的酸化氣體排放

兩個試驗點間作小麥的SOX、NH3和NOX排放量較單作而言均有降低（圖2）。與單作相比，不同年份下間作小麥的SOX降幅分別為17.25%、9.68%、26.02%和16.72%，平均降低了17.42%；NH3分別降低了17.25%、9.85%、26.96%和16.65%，平均降低了17.68%；NOX分別降低了17.25%、9.69%、27.71%和16.64%，平均降低了17.82%，除2016(A)外，其他年份均達(dá)到了顯著性差異。

圖2 單間作小麥單位產(chǎn)量（1 000 kg）的SOX、NH3和NOX排放量Fig.2 SOX, NH3 and NOX emissions in per unit area of intercropped and monocropped wheat

由表5可知，A、B兩點間作小麥的環(huán)境酸化特征化結(jié)果均低于對應(yīng)的單作處理。與單作小麥相比，不同年份的間作小麥SO2特征化結(jié)果較單作分別降低了17.25%、9.05%、26.83 %和16.65%，平均減低了17.45%，除2016(A)外，其他處理間均達(dá)到了顯著性差異。其中A、B兩點，無論單作還是間作小麥，酸化氣體NH3所占比例最大，A點平均為85.75%，B點平均為76.89%。

表5 單間作小麥生命周期環(huán)境酸化潛值特征化結(jié)果Table 5 Characterization of life cycle assessment (LCA) acidification of intercropped and monocropped wheat

2.4 單間作小麥的環(huán)境酸化風(fēng)險評價

不同年份下，間作小麥的能源消耗和環(huán)境酸化影響指數(shù)均表現(xiàn)出低于單作的趨勢（表6）。與單作小麥相比，不同年份的間作小麥能源消耗權(quán)重影響指數(shù)分別降低了17.25%、9.70%、26.96%和22.49%，平均降低了18.59%；環(huán)境酸化指數(shù)分別降低了17.25%、9.05%、26.83%和16.65%，平均降低了17.45%，除2016(A)，其他處理間均達(dá)到了顯著性差異。

本研究中，間作處理在不同年份均表現(xiàn)出了明顯的環(huán)境影響減緩潛力（表7）：A試驗點的能源消耗減緩潛力兩年平均值為13.36%，環(huán)境酸化減緩潛力平均值為13.35%，B試驗點的分別為13.02%和21.78%，兩個試驗點的能源消耗和環(huán)境酸化減緩潛力平均值分別為18.96%和17.40%。其中以B試驗點的減緩潛力更為明顯，2015(B)的效果最為突出。

表6 單間作小麥生命周期加權(quán)分析結(jié)果Table 6 Weighting of intercropped and monocropped wheat LCA

表7 間作小麥生命周期環(huán)境影響減緩潛力Table 7 Potentials of wheat and faba bean intercropping mitigating environmental impact in wheat LCA

3 討 論

3.1 小麥蠶豆間作的增產(chǎn)效應(yīng)

諸多研究表明，與單一種植農(nóng)田相比，間作種植模式下，通過共生作物在時間和空間上的合理搭配，能夠有效提高資源利用率和單位面積糧食產(chǎn)出［23］。本研究結(jié)果顯示，間作均顯著提高小麥產(chǎn)量，平均增幅達(dá)到了22.04%，且不同年份的土地當(dāng)量比（LER）均大于1，說明間作小麥能有效促進(jìn)作物籽粒產(chǎn)量的形成，這與前人有關(guān)合理間作后的產(chǎn)量優(yōu)勢［16,24-25］研究結(jié)果表現(xiàn)出了很好的一致性。這主要是因為在禾本科/豆科體系中，作物能夠通過直根系和須根系更大限度地互補(bǔ)利用地下空間，促進(jìn)作物對養(yǎng)分的吸收利用［25-26］，加之豆科作物的生物固氮能夠為間作的禾本科作物提供額外氮素來源，特別是在低氮肥供應(yīng)條件下使其達(dá)到更高的產(chǎn)量，進(jìn)而表現(xiàn)出明顯的間作增產(chǎn)效應(yīng)。結(jié)合本研究，下一步可以通過分析氮素利用效率、收獲指數(shù)以及田間土壤氮素?fù)p失等指標(biāo)，探討間作在減少養(yǎng)分損失、提高養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運的優(yōu)勢，為間作增產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 間作減少酸化氣體排放的生態(tài)效應(yīng)

當(dāng)下環(huán)境酸化已成為最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，極大地危害著土壤、水體的生態(tài)平衡。周龍等［26］在對馬鈴薯土壤N2O排放的研究中發(fā)現(xiàn)，施氮量的增加顯著增加了土壤N2O的累積排放量；劉宇等［27］研究結(jié)果也顯示，土壤中的氨揮發(fā)量隨著施氮量的增加而明顯增加；但同時很多研究表明，玉米/大豆、玉米/豌豆、大豆/甘蔗［18-21］等多種間作體系能夠有效減少氮氧化物的排放，減輕環(huán)境風(fēng)險。本文通過LCA分析得到的結(jié)果中，與單作小麥相比，間作小麥的能源消耗和酸化氣體排放分別平均減少了18.59%和17.45%，SOX、NH3和NOX酸化氣體分別減少了17.42%、17.68%和17.82%，其中，NH3在環(huán)境酸化中占到了80%左右的比例，這一方面說明了本試驗農(nóng)作系統(tǒng)中施用的氮肥以NH3形式大量損失，從而加重了環(huán)境酸化的風(fēng)險，另一方面也揭示了間作在控制酸化氣體排放和生態(tài)友好方面的優(yōu)越性，表明了間作小麥能夠顯著避免氮素以NH3等酸化氣體形式損失，同時促進(jìn)作物對氮素的吸收利用，體現(xiàn)出了明顯的間作產(chǎn)量優(yōu)勢和環(huán)境減緩潛力。這可能是由于間作蠶豆后，豆科作物的生物固氮以及種間的根系互作增加了間作小麥的養(yǎng)分來源，改善了根系環(huán)境，在提高間作小麥養(yǎng)分利用率的同時影響其對酸化氣體排放的控制效果。

唐藝玲等［18］對甜玉米和大豆間作的研究結(jié)果表明，N2O排放強(qiáng)度多集中在1.2～1.7 kg?t-1，最高達(dá)到了3.0 kg?t-1；黃堅雄等［20］研究結(jié)果表明，在玉米/大豆間作體系中，田間N2O的排放量在10.2～16.0 kg?hm-2之間，這與本研究結(jié)果中處于1.7～3.0 kg?t-1和10.4～10.9 kg?hm-2范圍內(nèi)的氮氧化物排放量表現(xiàn)出了一定的一致性，說明生命周期評價可以在一定程度上較好地反映出田間的實際環(huán)境影響情況。而章瑩等［21］結(jié)果顯示，甘蔗/大豆間作體系中的N2O排放量僅為2.2～5.6 kg?hm-2，這可能是由于試驗區(qū)域、供試材料以及施肥量等因素造成了不同試驗之間的差異，加之目前有關(guān)小麥蠶豆間作體系下SOX、NH3等酸化氣體的田間排放實測值尚未有系統(tǒng)報道，因此，本研究下一步一方面可通過田間實測酸化以及溫室氣體的排放，驗證并進(jìn)一步說明間作小麥的環(huán)境影響潛力以及間作蠶豆在其中的作用機(jī)理，另一方面系統(tǒng)地分析小麥/蠶豆間作體系對氮素的累積、淋溶及氣體排放和作物對氮素的吸收利用三者之間的聯(lián)系，深入探討其中的作用機(jī)制。當(dāng)下已有不少研究表明［15,28-29］間作能夠有效改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，增加土壤中氨氧化微生物數(shù)量和硝化作用，因此，進(jìn)一步聯(lián)系微生物在土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的作用，對更好地說明間作的產(chǎn)量優(yōu)勢和減少酸化氣體排放的生態(tài)效應(yīng)以及揭示間作養(yǎng)分資源高效利用和環(huán)境友好的機(jī)理有著重要意義。

4 結(jié) 論

兩個試驗點間作小麥的產(chǎn)量較單作顯著增加，平均增幅22.04%；間作顯著降低了能源消耗和酸化氣體的排放，SOX、NH3和NOX多種酸化氣體平均分別減少了17.42%、17.68%和17.82%，有效增加了間作小麥的環(huán)境影響減緩潛力，體現(xiàn)出了明顯的間作優(yōu)勢。