安徽省小麥化肥施用產生的碳排放初探

陳曉芳 王曉旭 衛凱平 黃莉

摘? ?要? ?采用生命周期評價方法以化肥生產及小麥種植過程中化肥施用為系統邊界，構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生的碳排放量。結果表明，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生了變化。為了減少小麥化肥施用產生的碳排放，建議生產最適合小麥生長所需養分最佳配比的專用型復合肥。

關鍵詞? ?安徽省;小麥：化肥;碳排放

中圖分類號：F222.3;X839.2? ? 文獻標志碼：A? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.34.026

我國作為世界人口大國，隨著經濟的發展，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鍵，而提高糧食單產則成為解決我國糧食安全問題的主要途徑[1]。長期的農業實踐證明，施用化肥是糧食增產的關鍵因素，且隨著化肥施用量的逐漸增加，糧食的產量也在增加。化肥作為農業生產、糧食增收的重要貢獻者功不可沒，但相對于發達國家而言，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，十分有必要對農業生產過程中化肥施用帶來的環境影響進行分析，為減輕農業生產為環境帶來的負擔和化肥的高效利用提供理論依據和科學基礎。

國內外有不少學者對農田化肥施用造成的環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施肥模式和環境友好型施肥模式下產生的不同環境影響，并提出有利于減少環境影響的方案[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、無機肥料施用對環境的影響，為農業生產可持續性發展提供理論基礎[4];李貞宇對我國不同區域小麥施肥造成的資源環境影響進行生命周期評價，在幾種資源環境影響中，潛力大小依次是富營養化、環境酸化、溫室效應、土地利用和能源消耗，其中施用氮肥引起的氨揮發是導致富營養化和酸化的主要因素[5]。

本文采用LCA方法，以農業生產系統包括農資和種植過程中的化肥施用為研究對象，構建基于生命周期評價化肥施用環境影響分析模型，并以安徽省為例，比較和分析安徽省2000—2016年小麥生產系統化肥施用造成的碳排放環境影響，以期為我國農業生產中合理施肥，減少資源的浪費，降低環境的污染等提供理論參考，指導作物產品的清潔生產。

1 材料與方法

1.1 研究區域狀況

安徽省地處華東腹地，地跨淮河、長江、新安江三個流域，是中國農業開發歷史較長的地區之一[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327萬噸[7];農作物每公頃化肥平均施用量達556.8 kg，是國際上公認的化肥施用安全上限（225 kg）的2.47倍。

1.2 計算方法

根據ISO提出的LCA方法構建基于生命周期評價化肥施用環境影響分析模型，由小麥施肥產生的碳排放足跡，確定圖1所示的小麥生產化肥施用系統邊界。本文以種植面積和產量較多的小麥為研究對象，功能單位分別為每年生產1 hm2作物。評價的環境影響中，碳排放用CO2表示。

化肥生產環節產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的估算》給出不同種類化肥生產產生的碳排放量[8]。種植環節碳足跡計算方法及相關參數均來源于《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生的總碳排放量，單位kg;CEi（input）為小麥與化肥投入相關的溫室氣體排放量每公頃每年的間接總量，單位kg;CEi（N2O）為小麥種植階段內每公頃每年轉化為CO2當量的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，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合肥中氮含量，單位kg;ε是施用氮肥誘導的N2O排放因子（N2O-N/kg氮肥），據IPCC（2006）估計，ε干旱農田為0.01，水稻田為0.003，因此ε取值0.01。

1.3 數據來源

各類作物的化肥施用量的具體數據來自《全國農產品成本收益資料匯編2000—2017》，其他參數取自公開發表的文獻。因2002年的安徽省小麥施肥具體量沒有記載，故無法進行分析。

2 結果與分析

安徽省施用的復（混）合肥大多數養分比例為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合肥施用量的增加，復合肥中含有豐富的磷養分和鉀養分?；噬a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%的磷礦用于生產各種磷肥，90%～93%的鉀鹽用于生產鉀肥。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，同時又是生產過程中大量消耗化石燃料的高能耗產品，化肥自然成為了農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年小麥化肥施用產生的碳排放量處于波動狀態，沒有明顯的增長或下降趨勢。平均每公頃每年小麥施用化肥產生的碳排放為1 175.52 kg（CO2），其中2010年小麥化肥施用產生的碳排放量最少，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。農資環節（即化肥生產過程）產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）的碳排放系數可知，生產氮肥產生的溫室氣體大于磷肥和鉀肥產生的溫室氣體量;且由計算模型知種植環節產生的碳排放與N2O有關，而N2O的產生與小麥氮肥及復合肥施用量有關，其施用量越多產生的N2O越多，氣候變化以CO2為參照物轉換為全球變暖潛力（以CO2當量表示），N2O的當量系數是310。觀察兩幅圖可知，2000年小麥化肥施用產生的碳排放最高，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生的碳排放量也最低。

由以上結果分析可以推斷，小麥化肥施用產生的碳排放與氮肥的施用量密切相關。氮肥的施用量隨著年份的增加逐漸減少，但隨著復合肥施用量的增加，總的碳排放量變化不大。我國復合肥中等養分配比（15-15-15）的通用型產品仍是主流[11]。因此，為了減少小麥化肥施用產生的碳排放，建議調整復合肥的養分配比，即應該根據土壤養分測試結果開發專用配方復合肥，發展特定作物、特定生育期的系列專用型復合肥[11]。使用專用型復合肥，不僅可以減少碳排放，還可以減少資源浪費。

3 結論

本文針對種植環節的碳排放只考慮了化肥施用產生的碳排放，并沒有考慮機械和灌溉產生的碳排放。研究分析得出以下結論：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。2）為了減少小麥化肥施用產生的碳排放量，建議生產最適合小麥生長所需養分最佳配比的專用型復合肥。

參考文獻：

[1] 張福鎖，馬文奇.肥料投入水平與養分資源高效利用的關系[J].土壤與環境，2000，9（2）：154-157.

[2] 黃文芳.農業化肥污染的政策成因及對策分析[J].生態環境學報，2011，20（1）：193-198.

[3] Zucaro A， Ripa M， Mellino S， et al. Urban resource use and environmental performance indicators： an application of decomposition analysis[J]. Ecological Indicators， 2014， 47：16-25.

[4] Quirós R， Villalba G， Gabarrell X， et al. Life cycle assessment of organic and mineral fertilizers in a crop sequence of cauliflower and tomato[J]. International Journal of Environmental Science & Technology， 2015， 12（10）： 3299-3316.

[5] 李貞宇，王旭，高志嶺，等.我國不同區域小麥施肥資源環境影響的生命周期評價[J].農業環境科學學報，2010，29（7）：1417-1422.

[6] 陳莉，張士云.安徽農業經濟增長的影響因素分析[J].中國農學通報，2004（2）：222-225.

[7] 安徽省統計局.安徽統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2015.

[8] 陳舜，逯非，王效科.中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數的估算[J].生態學報，2015，35（19）：6371-6383.

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[10] Lal R. Carbon emission from farm operations[J]. Environment International， 2004， 30（7）： 981-990.

[11] 張衛峰，李亮科，陳新平，等.我國復合肥發展現狀及存在的問題[J].磷肥與復肥，2009，24（2）：14-16.