化肥投入對河北省玉米體系活性氮排放與碳足跡影響

連炳瑞，李雅豪，王激清，楊俊剛，鄒國元

（1.河北北方學院，河北 張家口 075000；2.北京市農林科學院植物營養(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研究中心，北京 100097）

河北省是我國玉米生產和消費大省，2007年全省玉米播種面積達286萬hm2，總產量1 423萬t，到2016年玉米播種面積為319萬hm2，占全國總播種面積的8.68%［1］，玉米產業(yè)規(guī)模不斷擴大?；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量，但氮、磷、鉀肥的過量施用，對環(huán)境的負荷也在快速增加。我國依靠投入大量化肥推動農業(yè)生產，由于化肥資源過多投入，造成肥料利用率不高，為我國環(huán)境帶來了相當大的負擔［2］。在全國農業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展的總目標引領下，河北省玉米種植體系的產出與環(huán)境代價如何，日后發(fā)展需要在哪些方面改進，都非常值得去深入分析和研究［3］。因此，對農業(yè)生產過程中化肥投入給環(huán)境帶來的負面影響進行定量分析，可以為化肥的合理高效利用、生產糧食作物專用肥和減少化肥對環(huán)境帶來的負擔提供科學依據(jù)。

生命周期評價法（life cycle assessment，簡稱LCA）是分析評價環(huán)境的一種工具，以玉米為例，對玉米在整個生命周期活動內的所有環(huán)境沖突，進行有效的定量化數(shù)據(jù)分析，并對玉米從準備種植開始到收獲銷售完成，這個全過程所涉及的環(huán)境問題進行分析和評價［4］。在國內也有不少研究者對使用化肥造成的環(huán)境正負面影響進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程中排放的碳足跡，提出生產適合小麥的專用型復混肥的建議；李貞宇等［6］運用LCA法比較了五省玉米施肥帶來的影響環(huán)境的潛力，建議采用合理施肥方式和降低氮的揮發(fā)是減少施肥對資源環(huán)境影響潛力的關鍵性技術途徑；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)省肥料是促進我國油菜綠色、健康和可持續(xù)發(fā)展的必要措施。當前對河北省玉米生產的LCA內容報告還比較少，因此利用生命周期評價法定量分析河北省玉米體系產生的活性氮排放和碳足跡對于河北省農業(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，對玉米體系產生的環(huán)境影響進行定量化分析，以期對區(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，內嵌北京和天津。河北省農作物種植面積約為836萬hm2，玉米約占農作物種植總面積的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象，計算玉米化肥生產階段和玉米種植階段產生的活性氮排放和碳足跡，通過生命周期評價法和玉米化肥施用對環(huán)境的影響為手段，進行分析和評價化肥投入對環(huán)境造成的影響。引用《中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數(shù)的估算》［9］《2006年IPCC國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)中化肥產生的活性氮排放和碳足跡主要以溫室氣體的形式進行表示：化肥生產階段的CO2、NOX、NH3和農田種植階段的CH4、N2O）。

用化肥投入對環(huán)境產生的碳排放量表示河北省的碳足跡，基于生命周期評價法，通過下列公式進行計算［11］：

式中：C生產為化肥生產階段對環(huán)境產生碳足跡的間接總量，C種植為玉米種植階段化肥施用對環(huán)境產生N2O累積量轉化為碳足跡，C總為玉米化肥投入對環(huán)境產生的總碳足跡。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是施用氮肥誘導的N2O排放系數(shù)，a＝0.01。

玉米化肥投入對環(huán)境產生的活性氮排放分別用N2O、NO3－和NH3來表示，通過下列公式計算［12］：

式中：Y（N2O）表示玉米體系化肥施用對環(huán)境產生的N2O排放量，Y（NO3－）表示玉米體系化肥施用對環(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為氮肥偏生產力，單位為kg／kg；Y為施用氮肥的玉米產量，F(xiàn)為氮肥純養(yǎng)分投入量（河北省玉米田中施用的復混肥養(yǎng)分配比無詳細記載，所以全部按市場最為普遍的養(yǎng)分比例N∶P2O5∶K2O＝1∶1∶1進行計算），單位為kg／hm2。

1.3 數(shù)據(jù)來源

河北省玉米化肥具體施用量數(shù)據(jù)皆采自2004—2019年《全國農產品成本收益資料匯編》［13］，河北省玉米產量源自2004—2019年《中國統(tǒng)計年鑒》［14］。

2 結果與分析

2.1 河北省玉米化肥投入與玉米種植情況

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

表1 河北省2004—2018年玉米化肥投入與玉米單產變化

2.2 河北省玉米體系氮肥利用率分析

河北省單質氮肥用量逐年下降，而復混肥用量呈增加趨勢。通常情況下，國內外肥料研究者更傾向于用肥料農學效率、肥料偏生產力、肥料利用率和肥料貢獻率等參數(shù)來表征肥料的利用狀況。將單質氮肥和復混肥氮合并計算后，河北省2004—2018年玉米氮肥偏生產力整體呈升高趨勢（圖1）。其中2004年氮肥偏生產力最小，為19.0 kg／kg，2018年氮肥偏生產力最大，為36.7 kg／kg。說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年玉米氮肥偏生產力

2.3 河北省玉米化肥投入對環(huán)境產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%，結合表1數(shù)據(jù)表明活性氮損失與各類化肥施用量改變有很大關系，即可能是單質氮肥施用量下降、復混肥施用量提高但總施氮量下降所致，說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環(huán)境產生的活性氮排放量（kg／hm2）

2.4 河北省化肥投入對環(huán)境產生的碳足跡分析

河北省2004—2018年每生產1 t玉米化肥投入產生的碳足跡保持為波動狀態(tài)，但存在明顯的下降趨勢（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1t玉米產生的碳足跡

結合表1數(shù)據(jù)可以推斷出，河北省每年玉米化肥投入對環(huán)境產生的總碳排放量為467萬t左右，且呈逐年緩慢下降趨勢。由圖3可以看出，2004、2007年河北省玉米化肥投入對環(huán)境產生的碳排放較多，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，同年對環(huán)境產生的碳排放量也最低。說明對環(huán)境產生的CO2累積量和玉米氮肥和復混肥的施用量有關，玉米施用氮肥和復混肥越多，對環(huán)境產生的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環(huán)境產生的碳足跡

3 討論

施用氮肥是玉米獲得高產的保證，但過量施用會降低氮肥利用率，加大環(huán)境負荷［15］。本研究表明河北省單質氮肥用量逐年下降，雖然復混肥用量在增加，但純氮總量呈下降趨勢，同時單產增加42.5%，因而氮肥偏生產力近幾年最高達到36.7 kg／kg。Cui等［16］研究表明，華北區(qū)玉米氮肥偏生產力最高潛力在57 kg／kg左右，張福鎖等［17］研究發(fā)現(xiàn)發(fā)達國家作物的氮肥偏生產力從20世紀80年代一直保持在49 kg／kg以上，說明河北省玉米體系氮肥利用率還存在一定的提升空間。通過分析近15年氮肥、復混肥用量與單產的變化，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%未降低玉米產量，氮利用率提高35.8%～48.3%。丁相鵬等［19］認為當施氮量為225 kg／hm2時，可顯著提高氮素利用效率，降低氮素損失，最終獲得較高籽粒產量，實現(xiàn)高產高效。隨著年份增加肥料品種也在變化，氮肥施用量在逐漸減少，雖然復混肥施用量在增加，但是總的碳排放量仍處于下降趨勢。巨曉棠等［20］研究表明，單施無機氮肥會降低土壤的緩沖能力，增加環(huán)境污染風險。本研究也有相似性結果。陳曉芳等［5］研究表明，小麥化肥施用總量不斷增加，但施用產生的碳排放量沒有明顯的增加或減少趨勢。而本研究表明玉米施用化肥產生的碳排放量有明顯的下降趨勢，這可能由于玉米與小麥作物種類不同，需肥種類和數(shù)量不同帶來的差異。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米化肥投入中氮肥減少與復混肥增多，對環(huán)境產生的活性氮排放與碳足跡有促進作用。因此，為同時保證玉米產量和品質，應根據(jù)土壤基礎養(yǎng)分的測試結果結合農田實地管理開發(fā)出適合玉米生長發(fā)育的專用型配方復混肥，以提高化肥利用率、減少碳排放。

玉米是世界各國重點發(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其產量起到重要影響，但是過量施用不僅會影響產量，還會造成土壤板結、水土流失和水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境污染問題［21，22］。現(xiàn)階段人們側重關注玉米增產提質等，而對化肥生產及施用帶來的一系列環(huán)境問題關注度較低。本研究發(fā)現(xiàn)河北省每年玉米化肥投入產生的氮排放下降31.2%，碳足跡下降61.5%。梁龍等［23］研究表明，通過生命周期評價法發(fā)現(xiàn)河北省欒城每生產1 t冬小麥產生的環(huán)境酸化影響達到2000年世界人均潛在負荷的42.9%，其中主要是農作系統(tǒng)中的NH3排放，這與本研究中氮排放以NH3揮發(fā)為主的結論相類似。

雖然農業(yè)生產上LCA應用也逐漸增多，但是農業(yè)生產是一個復雜系統(tǒng)。國內外學者在LCA法更加科學、更加合理的評價方面進行了很多嘗試：如吳晉波等［24］通過生命周期法采用時間替換空間方法和經本地化校正的DNDC模型和計算方法，得出在無灌溉條件下，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，產量降幅為3.15%。但仍然存在一些因素限制著LCA法在農業(yè)生產上的應用，如在本研究中，由于地區(qū)跨度較大，各地區(qū)玉米化肥投入產生的活性氮排放與碳足跡存在地域差異而無法計算在內；在現(xiàn)有統(tǒng)計資料中有機肥料品種、品質、數(shù)量等相關統(tǒng)計內容較少，且同一省內各地有機肥施用情況差異較大、難以計算，對此僅評價相比有完整記錄統(tǒng)計的化肥而未包含有機肥。下一步，應進一步加深細化農業(yè)LCA評價方法的計算，考慮進多方面因素如有機肥施用量和種類等，為構建農業(yè)生產特別是化肥投入對環(huán)境影響的科學、準確評價提供一定的技術與方法參考。

4 結論

本研究僅針對玉米生命周期內所用化肥及其施用所產生的環(huán)境影響進行分析，沒有將其他方面如機械作業(yè)等因素的碳排放考慮在內。分析結果表明：河北省玉米各類化肥投入中，化肥總量隨著年份的增加而增加，2010年前以施用氮肥為主，后期以施用復混肥較多；氮肥施用量呈逐年下降趨勢，復混肥施用量呈上升趨勢；與2004年相比，2018年氮肥用量下降60.2%，而復混肥用量增加274%，化肥總投入量增加17.2%。玉米播種面積由2004年的264萬hm2增加到2018年的354萬hm2，單產增加42.5%，河北省玉米產業(yè)規(guī)模不斷擴大。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1 t玉米化肥投入對環(huán)境產生的碳足跡為227 kg／t，每年玉米種植化肥投入對環(huán)境產生的碳足跡為467萬t，且碳氮排放呈逐年下降趨勢。河北省近15年來玉米單產增加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)境代價逐步減小，但化肥投入偏高，氮肥效率提升緩慢的趨勢。為了實現(xiàn)玉米產量和品質的協(xié)同提升，同時進一步減少玉米化肥投入對環(huán)境產生的活性氮排放與碳足跡，提高氮肥利用率，建議開發(fā)出玉米專用型復混肥。