基于LCA的沼肥及增值化產(chǎn)品施用環(huán)境影響評價(jià)

陳夢迪， 吳 鳳， 魏元林， 李志朋， 金柯達(dá)， 萬小春， 艾 平

(1.浙江嘉科新能源科技有限公司， 浙江 嘉興 314000； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 3.湖北省農(nóng)村能源辦公室，湖北 武漢 430070； 4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站， 北京 100125)

施肥是我國農(nóng)業(yè)污染排放的主要污染源，肥料消耗是全球氮循環(huán)中最大的人為輸入來源，主要是糞肥和化肥的施用。從1980～2015年，我國的化肥施用量從每年1269萬噸增加到5404萬噸[1]，但氮素利用率一直在逐年下降[2]?；实倪^量施用進(jìn)一步加速了溫室效應(yīng)、土壤酸化和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降的過程。采用可持續(xù)和環(huán)境友好方式，從農(nóng)業(yè)廢棄物中回收高價(jià)值的養(yǎng)分肥料，以實(shí)現(xiàn)化肥的替代，是降低化石能源消耗和實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的重要途徑之一。

沼氣工程產(chǎn)生的大量沼液沼渣是一種高質(zhì)量的有機(jī)肥料，富含植物生長必需的一些元素和養(yǎng)分[3]。與畜禽糞便直接施用相比，厭氧發(fā)酵后的沼肥施用使溫室氣體排放顯著減少[4]，但沼肥的直接施用會導(dǎo)致氨揮發(fā)等形式的氮損失。同時(shí)重金屬在厭氧消化過程中難以降解，直接施用后可能造成重金屬污染，Tang[5]等在長期施用沼肥的研究中發(fā)現(xiàn)重金屬在土壤中積累并向植物中轉(zhuǎn)移，過量施用沼肥降低了作物產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。因此，沼肥合理施用對作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及綜合環(huán)境效益需進(jìn)一步研究。

近年來，沼肥應(yīng)用日益擴(kuò)大，但未經(jīng)處理的沼液儲存和運(yùn)輸困難且成本高。因此需要處理沼液沼渣，提高其作為肥料的適用性。沼液沼渣處理技術(shù)包括氨吹脫、鳥糞石沉淀、膜濃縮、反滲透等，可生產(chǎn)沼肥增值化產(chǎn)品，即沼肥通過增值化處理獲得更高價(jià)值的肥料。其中，氨吹脫技術(shù)是一種簡單有效的物理方法，運(yùn)行時(shí)間短，處理效果好，對廢水氨氮的去除可以達(dá)到90%以上，廣泛應(yīng)用于廢水的氨氮去除[7]中，氨吹脫工藝較其他生物過程更穩(wěn)定和可控，針對氨氮濃度高的沼液，可以有效去除并回收沼液中的氨氮，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

氨吹脫技術(shù)是將沼液中水相的銨通過吹脫轉(zhuǎn)移到氣相中，釋放的氨被強(qiáng)酸性溶液(例如硫酸或硝酸)吸收。與化肥相比，增值化沼肥具有更高的氮利用效率和氮肥替代價(jià)值，表明增值化沼肥在短期內(nèi)可替代化肥，且不會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響，但硝酸銨可能會增加土壤浸出硝酸鹽的風(fēng)險(xiǎn)[8]。硫酸銨中的氮含量和氮回收效率較高，可以作為一種有價(jià)值的富含氮硫的肥料，具有商業(yè)化生產(chǎn)的潛力[9]。而硫酸銨液體仍存在濃度低、運(yùn)輸成本高的問題，理論上，在氨吹脫的基礎(chǔ)上，從飽和溶液中結(jié)晶得到的硫酸銨固體濃度較高，更便于運(yùn)輸和儲存，其中粉末較顆粒更易被土壤吸收。為區(qū)別經(jīng)化工過程得到的硫酸銨溶液，將沼液氨吹脫后得到的硫酸銨溶液及固體肥料，分別稱為沼基硫銨液肥和沼基硫銨粉末。

與沼肥相比，通過加工處理獲得的增值化沼肥養(yǎng)分濃度顯著增加[10]，施用過程中氮損失率降低，但土壤酸化潛在風(fēng)險(xiǎn)增加[11]。目前沼肥在施用過程中的排放對環(huán)境綜合影響的研究較少，主要以施用氮肥產(chǎn)生的溫室氣體排放為主，所選的環(huán)境影響類型不全面[12]。在一些研究中已經(jīng)利用生命周期評價(jià)(LCA)對沼肥施肥過程進(jìn)行環(huán)境評估[13]，但尚未全面對比分析增值化沼肥替代沼肥的環(huán)境影響。沼液進(jìn)行增值化處理會增加加工成本，且增值化沼肥的形態(tài)和施用方式差異等均會影響環(huán)境[14]。

目前已有學(xué)者研究了增值化沼肥對能源作物的影響，但尚未有研究評價(jià)增值化沼肥對茄科植物及其果實(shí)的應(yīng)用效果，且對施用增值化沼肥的產(chǎn)量和環(huán)境影響研究較少[15]。因此，本研究的工藝路線如圖1所示，選擇茄子作為田間試驗(yàn)作物，開展等氮水平下不同沼肥形態(tài)，以及不同施氮水平的沼肥試驗(yàn)，應(yīng)用LCA方法確定茄子種植過程中施肥的環(huán)境排放，以此來評估環(huán)境負(fù)載[16]，分析施肥在溫室效應(yīng)和生態(tài)毒性等方面的影響，對不同施肥策略下茄子的產(chǎn)量及環(huán)境影響進(jìn)行評估。

圖1 茄子種植中施用不同沼肥的工藝路線

1 研究方法

1.1 種植試驗(yàn)場景描述

種植試驗(yàn)于2019年4月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)(武漢)機(jī)電項(xiàng)目培訓(xùn)中心的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)作物為武漢威爾福德育苗有限公司提供的紫色長茄子6號，每種處理試驗(yàn)區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)，茄子定植行間距為50 cm，株間距為35 cm，每試驗(yàn)區(qū)均種植3行，每行5株。

沼液取自湖北省鄂州市養(yǎng)豬場沼氣工程，總氮為1.26±0.005 g·kg-1，pH值為8.41±0.02。通過對沼液進(jìn)行氨吹脫處理獲得增值化沼肥，分為沼基硫銨液肥和沼基硫銨粉末兩種形態(tài)。氨吹脫工藝參數(shù)如下：沼液吹脫溫度為55℃，空氣流速為250 L·min-1，氣液比為1800，吹脫時(shí)間6 h，使用NaOH將pH值調(diào)整至10。氨氣吸收采用50%工業(yè)硫酸，獲得的硫酸銨溶液總氮為5 g·L-1，將液體蒸發(fā)飽和獲得沼基硫銨粉末，其總氮為200 g·kg-1。

試驗(yàn)所選肥料類型有沼肥(Biogas Fertilizer，BF)、沼基硫銨液肥(BS-ASL)、沼基硫銨粉末(BS-ASC)和化肥(CF)。土壤及不同肥料的總氮(Total Nitrogen, TN)、總磷(Total Phosphorus, TP)及pH值如表1所示。設(shè)置兩組試驗(yàn)，其一為等氮水平的不同沼肥施用試驗(yàn)，以比較沼肥及增值化沼肥和化肥的施用效果。另一組為沼肥的不同施氮水平試驗(yàn)，以確定沼肥的最佳施用量的范圍。

表1 被測土壤、沼液和沼渣及各肥料的TN、TP和pH值

1.1.1 不同沼肥的等氮施用試驗(yàn)

年施氮量設(shè)置為340 kg·hm-2，所有試驗(yàn)處理施用相同劑量的總氮(Total Nitrogen, TN)，4種肥料類型分別對應(yīng)4組：化肥(CF340)、沼肥(BF340)、BS-ASL和BS-ASC?；蕿槟蛩貜?fù)合肥(UCF：總養(yǎng)分≈40%、N∶P2O5∶K2O=21∶6∶13、磷肥為過磷酸鈣(15%P2O5)、鉀肥為硫酸鉀(99%K2SO4))。

1.1.2 沼肥的不同施氮水平試驗(yàn)

沼液沼渣直接用作肥料。典型的茄子氮肥施用量為170 kg·hm-2[18]，但實(shí)際大棚蔬菜種植的平均氮肥施用通常高于500 kg·hm-2[19]。因此設(shè)置4個(gè)組別BF85、BF170、BF340和BF680分別對應(yīng)4個(gè)施氮水平：85、170、340和680 kg·hm-2。統(tǒng)一采用沼渣(Biogas residue，BR)作為基肥，沼液(Biogas slurry，BS)用作追肥。

表2列出不同肥料類型的具體施肥方案，基于每個(gè)處理過程中氮素的施用總量，基肥占35%，第1次追施量為25%，第2次和第3次追施量各為20%[16]。

表2 不同肥料類型處理下的施肥方案 (kg·hm-2)

采用直徑20～30 mm的不銹鋼螺旋鉆收集原始土壤樣品，收集0～30 cm的耕層土壤，在完全收獲后采用5點(diǎn)法采集土壤樣品。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)抽取5點(diǎn)，收集0～30 cm的土壤后將5個(gè)土壤樣品混合在一起。去除根、雜草、土壤害蟲和石頭等雜質(zhì)。土樣自然風(fēng)干、粉碎，過100目篩備用。土壤的測定參照《土壤農(nóng)化分析》，總氮含量采用凱氏定氮法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗分光光度法測定。重金屬含量采用原子吸收分光光度法。

1.2 LCA方法以及目標(biāo)和范圍

LCA是用于評估與產(chǎn)品、過程或服務(wù)的整個(gè)生命周期相關(guān)的環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化方法[14]。在本研究中，對茄子種植過程中不同肥料的施肥進(jìn)行生命周期評價(jià)(LCA)，分析不同肥料施肥產(chǎn)生的環(huán)境影響。利用文獻(xiàn)報(bào)道的排放模型來計(jì)算與肥料施用相關(guān)的氮、磷和重金屬排放量。LCA所選系統(tǒng)僅包括肥料施用過程，不包括生產(chǎn)及運(yùn)輸?shù)冗^程[20]。

1.3 排放清單

1.3.1 氨氣排放

(1)

式中：NH3為氨氣排放通量，kgNH3；mfert,i為肥料類型i的施氮量，kg；EFi為肥料類型i的排放因子；尿素的EF為0.25，硫酸銨的EF為0.35，沼液的排放因子為0.60，沼渣的排放因子為0.80[21]。

1.3.2 硝酸鹽排放

試驗(yàn)土壤是黏度在60%左右的粘壤土，使用Roy[20]等提出的模型計(jì)算硝酸鹽向地下水的淋溶量。

(2)

湖北省年均降水量906 mm[22]，年均灌溉量為15 mm·a-1。

1.3.3 一氧化二氮排放

一氧化二氮(N2O)排放的計(jì)算方法基于IPPC方法，公式如下[20]：

(3)

式中：N2O排放量單位為kgN2O。

僅計(jì)算與肥料施用有關(guān)的N2O排放，未考慮作物殘?jiān)a(chǎn)生的N2O排放。

1.3.4 氮氧化物排放

氮氧化物(NOx)排放量是由N2O的排放量估算的[16]，公式如下：

NOX=0.21×N2O

(4)

式中：NOx排放量單位為kgNOx。

1.3.5 磷排放

使用SALCA-P模型的簡化版本，該模型只考慮與肥料的施用直接相關(guān)的通過淋溶到地下水和徑流到地表水的磷排放[23]。每種肥料類型的磷排放量可通過以下公式計(jì)算。

(5)

(6)

(7)

式中：Pmin為化肥的磷排放量，kgP·kg-1P2O5；Pro,av為流失到地表水的磷的平均損失量，取0.192 kgP·hm-2[20]；Pliq為液態(tài)肥的磷排放量；Pgw,av為流失到地下水的磷的平均損失量，取0.067 kgP·hm-2[20]；Psolid為固態(tài)肥的磷排放量。

1.3.6 重金屬排放

僅考慮肥料施用直接的土壤重金屬排放，使用了簡化的SALCA模型計(jì)算重金屬(Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn、Hg、As)的排放量[20]。

msoil,i,j=cfert,i,j×mfert,i

(8)

式中：msoil,i,j為肥料j向土壤中排放的重金屬i的量，mg；cfert,i,j為肥料j的重金屬i濃度(見表3)。

表3 不同肥料類型的重金屬含量 (mg·kg-1)

1.4 環(huán)境影響評價(jià)

環(huán)境影響評價(jià)是對環(huán)境排放清單進(jìn)行分類評估，根據(jù)污染物排放量及其對應(yīng)影響類別的當(dāng)量值計(jì)算環(huán)境影響潛值，進(jìn)而進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)賦值[24]。本文主要選擇6個(gè)環(huán)境影響類別：溫室效應(yīng)、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化潛力、光化學(xué)煙霧、生態(tài)毒性和人體毒性。表4中給出不同環(huán)境影響類別標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值與權(quán)重因子。

表4 不同環(huán)境影響類別的主要影響因子及其當(dāng)量值、標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值及權(quán)重因子

2 環(huán)境影響分析

2.1 不同沼肥類型產(chǎn)生的環(huán)境影響

采取等氮水平，以化肥為對照，分析比較沼肥直接施用，沼基硫銨液肥和粉末兩種增值化沼肥施用的環(huán)境影響。氮肥施用量為340 kg·hm-2時(shí)，化肥對照組(CF340)、沼肥組(BF340)、沼基硫銨液肥組(BS-ASL)、沼基硫銨粉末組(BS-ASC)的環(huán)境影響分析見圖2～7。

圖2 等氮水平下不同沼肥的溫室效應(yīng)的影響潛值

圖3 等氮水平下不同沼肥的環(huán)境酸化的影響潛值

圖4 等氮水平下不同沼肥的富營養(yǎng)化的影響潛值

圖6 等氮水平下不同沼肥的人體毒性的影響潛值

圖7 等氮水平下不同沼肥的生態(tài)毒性的影響潛值

表5 不同施肥方案的環(huán)境排放清單 (kg·hm-2)

沼肥經(jīng)增值化處理后明顯減少重金屬排放，降低生態(tài)毒性。沼肥的重金屬排放量約是化肥的600倍，是兩種沼基硫銨肥的14倍，沼肥的生態(tài)毒性明顯高于化肥[6]。與沼肥相比，沼基硫銨肥可有效降低92.8%重金屬排放量，生態(tài)毒性影響減弱。

2.2 不同施氮水平的沼肥產(chǎn)生的環(huán)境影響

圖8 不同氮水平沼肥的溫室效應(yīng)的影響潛值

圖9 不同氮水平沼肥的環(huán)境酸化的影響潛值

圖10 不同氮水平沼肥的富營養(yǎng)化的影響潛值

圖11 不同氮水平沼肥的光化學(xué)煙霧的影響潛值

圖12 不同氮水平沼肥的人體毒性的影響潛值

圖13 不同氮水平沼肥的生態(tài)毒性的影響潛值

增施沼肥后重金屬累積導(dǎo)致生態(tài)毒性提高，表明沼肥農(nóng)用存在農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。BF85的總環(huán)境影響潛值最小，BF170、BF340、BF680的總影響潛值分別較BF85高53.4%、201.1%和501.4%。BF340和BF680的所有環(huán)境影響類別潛值均處于較高值，提高沼肥施用量使環(huán)境影響呈指數(shù)增加(R2=0.99)。

2.3 產(chǎn)量分析

增值化沼肥替代等氮沼肥可維持甚至提高茄子產(chǎn)量，沼基硫銨液肥在等氮條件下茄子產(chǎn)量表現(xiàn)最佳。根據(jù)表6分析不同施肥方案的總環(huán)境影響潛值及茄子產(chǎn)量，等氮的沼肥、沼基硫銨液肥和粉末的茄子產(chǎn)量分別達(dá)到49.58、63.42和49.43 t·hm-2，沼基硫銨液肥的茄子產(chǎn)量較化肥高1.2%，較沼肥高27.9%。BF85、BF170、BF340和BF680的茄子產(chǎn)量分別為51.32、36.50、49.58和65.37 t·hm-2。BF680的茄子產(chǎn)量雖然最高，但其總環(huán)境影響潛值過高，說明不適宜大量施用沼肥。

表6 不同施肥方案的總環(huán)境影響潛值及茄子產(chǎn)量

3 討論

(1)等氮水平下(340 kgN·hm-2)，沼肥經(jīng)增值化處理后可大大降低重金屬排放，減少生態(tài)毒性，同時(shí)減小總環(huán)境影響潛值。四種肥料類型中沼肥的施用量最多，產(chǎn)生的重金屬排放為沼基硫銨肥的129.4%，對生態(tài)毒性有顯著影響；與沼肥相比，沼基硫銨液肥減少了92.8%的重金屬排放量和53.2%的NH3排放量。與化肥相比，沼肥及增值化后的沼基硫銨液肥增加溫室效應(yīng)，沼基硫銨粉末的溫室效應(yīng)略有降低。

(2)沼肥不同施氮水平下(85、170、340和680 kgN·hm-2)，隨沼肥施氮量的增加，各環(huán)境影響類別均呈遞增趨勢。與BF680相比，BF85可減少78.7%的溫室氣體排放，減少沼肥施用量可有效降低溫室效應(yīng)。BF680的生態(tài)毒性約為BF85的8倍，占總環(huán)境影響值的56.1%。與BF85相比，BF170的茄子產(chǎn)量低28.9%，當(dāng)沼肥施氮量由170 kg·hm-2提高至340 kg·hm-2后，產(chǎn)量提高35.8%，在滿足茄子氮素營養(yǎng)的情況下，施氮量在170～340 kg·hm-2范圍內(nèi)雖然環(huán)境影響值增加，但較大程度提高了茄子產(chǎn)量。

(3)沼肥經(jīng)增值化處理后不僅降低環(huán)境影響還提高茄子產(chǎn)量。與等氮沼肥相比，沼基硫銨液肥降低41.0%的環(huán)境影響值，提高27.9%的茄子產(chǎn)量。沼基硫銨液肥以更小的環(huán)境影響獲得更高的產(chǎn)量，增值化沼肥替代沼肥既維持生態(tài)環(huán)境質(zhì)量又實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。