我國磷肥生產施用的全生命周期環境影響分析
——以磷酸二銨為例

(南京林業大學 經濟管理學院,江蘇 南京 210037)

1 引言

磷作為一種有限的資源,在提高作物產量方面起著重要的作用。自20世紀初,磷肥就被世界各國廣泛應用于農業生產過程中,并且對磷肥的需求一直呈現增長的趨勢[1]。2017年世界磷肥產量(100% P2O5)為3.37×107t,比2007年增長了1.1%[2]。根據國際化肥工業協會預測,到2020年全球P2O5的需求量將達到4.5×107t[3]。我國是磷礦石消費大國,2012年磷礦石消費量為9.48×107t,占世界磷礦石消費總量的48.63%,到2025年我國磷礦石需求量將達到1.42×108t[4]。全球的磷肥產能集中度較高,雖然我國近年受到政策收緊、環保趨嚴、磷礦資源稀缺性等因素的影響,但是產能仍占全球產能的50%以上[5]。磷酸二銨是磷肥的主要產品形式之一,2017年我國磷酸二銨產量為7.4×106t,占我國全年磷肥總產量的45.1%[6]。磷酸二銨的生產過程是典型的高耗能階段,嚴重依賴包括煤、天然氣和石油在內的各種化石能源輸入。此外,由于我國農戶普遍受教育程度不高、施肥觀念陳舊落后等原因,近年來我國農業化肥利用率普遍較低[7,8]。磷酸二銨的不合理施用不僅會導致大量氮磷元素的流失,還會對水體、大氣和土壤造成污染,帶來嚴重的環境問題[9,10]。

生命周期評價方法(Life Cycle Assessment,LCA)是一種從產品的原材料開采階段、生產階段、運輸階段、使用階段到最終處理階段的全生命周期過程的評估研究,包括對資源消耗與環境影響方面的評估方法[11]。自20世紀60年代末美國中西部資源研究所對可口可樂飲料包裝的環境影響進行定量研究之后,生命周期影響評價的研究對象已從單一的工業產品、工藝或服務拓展到各類大小型工程項目等具有系統性質的評價對象[12,13]。目前生命周期評價方法在農業領域的研究逐漸增多,并形成了一批重要的研究成果。國外部分學者應用LCA研究了過磷酸鈣的生命周期對環境的影響[14],有學者采用LCA對不同農肥產品進行生命周期研究來比較不同農肥產品的環境影響[15,16],也有學者對澳大利亞、丹麥、意大利、瑞士的農產品或田間管理措施進行了LCA研究[17-19]。

我國在農業領域對LCA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]對磷酸二銨和磷酸一銨的生命周期進行了對比研究，籍春蕾等[21]對有機肥料和化肥的生命周期進行了評價。部分學者對水稻、小麥、大豆、玉米等農產品的生命周期進行了研究[22-30]。盡管對農業領域的環境影響評價成果較多,但還存在著不足。一方面,國外的研究無法反映我國磷肥行業的實際狀況；另一方面,目前國內針對磷酸二銨環境影響的研究僅圍繞磷酸二銨的生產階段展開,并沒有考慮磷酸二銨成品出廠后的運輸階段與下游農戶的施用階段。本研究運用生命周期評價方法,在對我國磷酸二銨產品生產與使用過程進行深入調研與分析的基礎上,界定磷酸二銨從磷礦石生產階段到農戶施用階段的各個生命周期過程,構建并且量化生命周期過程中資源/能源使用和污染物排放清單,使用ReCiPe方法進行量化分析并評估磷酸二銨生命周期的主要環境影響類別,識別造成磷酸二銨生命周期環境負荷的關鍵環節。本研究不僅為推動我國磷酸二銨本土化生命周期的數據庫建立提供了數據支撐,同時為制定磷肥產業的可持續發展政策提供了科學依據。

2 研究方法和數據來源

ISO14000系列標準是一套科學化、系統化、規范化的管理標準，是由最高管理者承諾和支持的一個組織有計劃、協調運作的管理活動。它通過有明確職責、義務的組織結構來貫徹實施，目的在于防止對環境的破壞和不利影響。本研究主要根據ISO14040《生命周期評價原則與框架》要求的四個階段進行評價,即目的定義與范圍確定、清單分析、影響評價和結果解釋。

2.1 目的與范圍確定

本研究旨在評估磷酸二銨從上游磷礦石生產階段到下游農戶施用階段的生命周期環境影響,為磷酸二銨產品全過程環境管理提供決策依據。云南省是我國磷礦的主要分布區域。截止2016年,云南省已探明磷礦石儲量為6.27×108t,平均品位22.2%,占全國已探明磷礦石量的19.3%,是我國重要的磷肥產業基地。因此,磷酸二銨生產過程選擇位于云南省中部某大型磷肥生產企業的全生產過程。該磷酸二銨生產過程采用預中和—管式反應器工藝,經過多年發展,該工藝已成為磷酸二銨生產的最佳工藝[31]。該企業年產磷酸二銨6×105t,產品銷往全國各地,主要應用于水稻、小麥和玉米等經濟作物生長過程中的肥料施用。基于施肥數據的可獲得性,農戶施用階段選擇水稻種植系統的磷酸二銨施用過程,具體包括我國水稻種植集中分布的太湖地區、湖北省地區和洱海地區。

2.2 功能單位與系統邊界

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

具體說明為:①由于基礎設施建設和生產過程中的機器設備運行損耗產生的環境影響難以進行測量,因此本研究沒有考慮磷礦石生產和磷酸二銨生產的基礎設施建設過程與設備運行損耗。②考慮到數據的可獲得性,將磷酸二銨運輸階段定義為磷肥企業將磷酸二銨運往下游消費區域的一級經銷商。③農戶施用階段,考慮太湖地區、湖北省地區和洱海地區常規施肥和優化施肥狀況,其中常規施肥選擇當地農民的平均施肥量,而優化施肥選擇當地推薦的施肥量、施肥方式與比例進行。磷酸二銨生命周期邊界見圖1。由于磷礦石的生產過程是在該企業的子公司進行,因此將磷礦石運輸也劃分到磷礦石生產階段。

圖1 磷酸二銨生命周期系統邊界

2.3 數據來源

磷酸二銨生命周期過程中的磷礦石生產、運輸和磷酸二銨的生產數據來源于磷肥企業,運輸階段和農戶施用階段的數據來源于國內相關文獻,柴油、煤炭、硫磺的上游生產數據來自于GaBi數據庫,電力和液氨生產數據來自于Ecoinvent數據庫。磷酸二銨生命周期過程的數據來源見表1。

表1 磷酸二銨生命周期詳細數據來源

2.4 生命周期影響評價

生命周期影響評價的目的是在研究目標和邊界框架內,通過對清單數據的量化分析來評價研究對象的環境影響[43]。該階段可將清單分析結果(輸入/輸出)與對環境的影響聯系起來,說明不同輸入/輸出的相對重要性和每個生產階段對環境影響的大小。本研究采用國際上廣泛使用的基于CML[44]和Ecoindicator99[45]模型發展而來的ReCiPe方法[46]進行量化分析,包括特征化和標準化兩個階段。在特征化階段,主要通過當量系數轉換為參照物的環境影響潛力。

在ReCiPe評價方法中,選擇氣候變化、化石能源耗竭、淡水富營養化、人體毒性、顆粒物形成、光化學氧化和陸地酸化7種環境影響類別進行分析。各種特征化環境影響類別根據式(1)計算。

Ep(x)=ΣEp(x)i=Σ[Q(x)iEF(x)i]

(1)

式中,Ep(x)為系統對第x種生態環境影響潛力;Ep(x)i為第i種污染物排放對第x種生態環境的影響潛力;Q(x)i為第i種污染物的排放量;EF(x)i為第i種污染物對第x種生態環境影響的當量系數。

在標準化階段,本研究采用2000年世界人均環境影響潛力作為環境影響基準進行標準化處理,根據式(2)進行計算。

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

(2)

式中,Rx為第x種環境影響類別的標準化結果;Ep(x)為第x種潛在環境影響特征化結果;S(2000)x為第x種環境影響類別2000年的世界人均環境影響潛力基準值。

3 結果分析

3.1 生命周期清單分析

磷礦石生產、磷酸二銨生產、運輸和上游原材料生產是資源消耗階段,所需要的原料和燃料包括磷礦石、煤、天然氣和石油在內的各種化石能源和礦產資源。污染排放主要發生在農戶施用階段,主要是磷酸二銨進入土壤后以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 生命周期影響評價

特征化結果:太湖地區、湖北省地區和洱海地區的優化施肥情景和常規施肥情景下磷酸二銨生命周期特征化結果和磷酸二銨生命周期各階段特征化結果百分比見表3、圖2、圖3。

表3 磷酸二銨生命周期環境影響評價特征化結果

氣候變化潛勢主要產生于磷酸二銨生產階段和農戶施用階段。磷酸二銨生產階段氣候變化潛勢為452.97kg CO2eq,占三個不同區域磷酸二銨生命周期氣候變化潛勢的34.1%—35.5%。各區域農戶施用階段的氣候變化潛勢為801.92—834.01kg CO2eq,占各區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過程中釋放的CO2和農戶施用階段磷酸二銨釋放的N2O等溫室氣體造成的。與常規施肥情景相比,采用優化施肥情景陸地酸化潛勢能減小0.8%—1.7%。

圖2 優化施肥情景下各地區各階段特征化百分比

圖3 常規施肥情景下各地區各階段特征化百分比

磷酸二銨生產階段是化石能源耗竭潛勢的主要貢獻階段。該階段化石能源耗竭潛勢為355.01kg oil eq,分別占太湖地區、湖北省地區和洱海地區磷酸二銨生命周期資源消耗量的83.9%、88.1%和95.8%。而磷酸二銨生產階段資源消耗量主要發生在上游生產階段的硫磺生產、電力生產和磷酸二銨生產過程中的磷酸生產,分別占磷酸二銨生產階段資源消耗量的32.5%、36.4%和16.1%。雖然運輸階段對化石能源耗竭潛勢占比相對較小,但受各地區運輸距離的影響,變動幅度較大,占磷酸二銨生命周期化石能源耗竭潛勢的2.2%—14.3%。

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

人體毒性潛勢的主要貢獻階段是農戶施用階段,農戶施用階段人體毒性潛勢為292.01kg 1,4—DB eq,分別占太湖地區、湖北省地區和洱海地區生命周期內人體毒性潛勢的84.3%、84.5%和84.8%。其中,砷(五價)和鎘(二價)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入土壤后迅速被土壤吸附固定，被微生物和植物吸收,通過食物鏈或其他方法轉化為毒性更強的物質,對人體健康造成嚴重危害。由于重金屬進入土壤后極易被土壤吸附和固定,因此優化施肥情景和常規施肥情景的人體毒性潛勢差異較小。

顆粒物形成潛勢產生的原因是磷礦石生產過程中產生的粉塵,磷酸二銨生產過程中排放的顆粒物和NH3,運輸過程中汽車尾氣排放的NOx及顆粒物和農戶施用過程中產生的NH3和NOx。農戶施用階段是顆粒物形成潛勢的主要貢獻階段,太湖地區、湖北省地區和洱海地區優化施肥情景下,農戶施用階段顆粒物形成潛勢分別為9.88、8.72和7.56kg PM10eq,占各自生命周期顆粒物形成潛勢的84.5%、85.4%和87.1%;常規施肥情景下,各地區農戶施用階段顆粒物形成潛勢分別為11.05、10.47和9.88kg PM10eq,占各自生命周期顆粒物形成潛勢的85.9%、87.6%和89.8%。從不同的施肥情景分析,優化施肥情景下顆粒物形成潛勢比常規施肥情景減少9.9%—27.1%。

光化學氧化潛勢的主要貢獻階段是磷酸二銨生產和運輸階段,主要是由于生產和運輸過程中產生的氮氧化物和NMVOC。磷酸二銨生產階段光化學物質潛勢為1.36 kg NMVOC,占各區域磷酸二銨生命周期光化學氧化潛勢的25.7%—60.3%。相較于生產階段,運輸階段由于受運輸距離影響,太湖地區、湖北省地區和洱海地區的差異顯著,分別占光化學氧化潛勢的66.4%、53.9%和21.5%。

農戶施用階段是陸地酸化潛勢的主要貢獻階段,優化施肥情景下太湖地區、湖北省地區和洱海地區陸地酸化潛勢分別為72.26、63.42和54.58 kg SO2eq,占各區域陸地酸化潛勢的92.8%、93.0%和93.5%。常規施肥情景下三地農戶施用階段陸地酸化潛勢分別為81.10、76.68和72.26 kg SO2eq,占各地區陸地酸化潛勢的93.6%、94.2%和95.0%。主要原因是磷酸二銨進入土壤后的反硝化作用產生氮氧化物排放和氨揮發。與常規施肥情景相比,采用優化施肥情景陸地酸化潛勢減少11.4%—30.3%。

圖4 優化施肥情景下各區域磷酸二銨生命周期標準化

圖5 常規施肥情景下各區域磷酸二銨生命周期標準化

標準化結果:太湖地區、湖北省地區和洱海地區優化施肥情景和常規施肥情景下，氣候變化、化石能源耗竭、淡水富營養化、人體毒性、顆粒物形成、光化學氧化和陸地酸化7種影響類別的標準化值見圖4和圖5。經過對一噸磷酸二銨生命周期的7種環境影響標準化結果(圖4和圖5)分析,各環境影響類別總體呈現太湖地區>湖北省地區>洱海地區,其中淡水富營養化和陸地酸化是最主要環境影響類別,其他依次是人體毒性、顆粒物形成、化石能源消耗、氣候變化和光化學氧化。淡水富營養化和陸地酸化標準化值分別為1.47—3.79和1.53—2.27,說明淡水富營養化和陸地酸化潛值分別相當于2000年世界人均環境影響潛力的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程輸入參數的變化對環境影響類別的影響程度,將磷礦石產量、磷酸二銨產量、運輸距離和農戶施用量分別進行±10%浮動對研究的7種環境影響類別進行敏感性分析(表4)。從表4可知,當對磷酸二銨產量進行±10%浮動時,氣候變化、化石能源耗竭和人體毒性三種環境影響類別波動明顯,說明磷酸二銨產量對這三種環境影響類別敏感度較高;當對運輸距離進行±10%浮動時,光化學氧化環境影響類別變化明顯,運輸距離對光化學氧化環境影響類別敏感度較高;當對農戶施用量進行±10%的浮動時,氣候變化、淡水富營養化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化5種環境影響類別波動明顯,說明農戶施用量對這5種環境影響類別的敏感度較高;當對磷礦石產量進行±10%浮動時,7種環境影響類別沒有明顯改變,說明該因素對7種環境影響類別的敏感度較低。

表4 磷酸二銨生命周期環境影響敏感性分析結果

4.2 不確定性分析

在磷酸二銨的生命周期過程中,磷酸二銨的生產受磷礦石中磷元素含量、硫酸生產、磷酸生產和磷酸二銨合成生產反應效率的影響,所消耗的原材料數量存在不確定性;運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程中的13個關鍵數據對淡水富營養化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化4種相對顯著影響類別進行不確定性分析。其中,生產數據參考云南省其他具有代表性的磷肥企業[47,48],農戶施用階段數據參考相關文獻[37,38,41,49-51]。由于數據樣本量較小,本研究將以上13個關鍵數據均定義為三角分布(表5)。雖然這種處理方法較簡單,但三角分布在數據量較少的情況下進行生命周期不確定性模擬較適用。本研究運用Crystal Ball軟件對選出的不確定參數進行10000次蒙特卡羅模擬,計算出上述4種環境影響類別的不確定性,蒙特卡羅模擬的結果見圖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、湖北省地區和洱海地區淡水富營養化、人體毒性、顆粒物形成和陸地酸化4種環境影響類別的均值分別為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,變異系數在3%—6%間波動,說明研究的環境影響結果具有較好穩定性。

4.3 研究結果對比

周祖鵬[23]、王明新[25]等分別對廣西和太湖地區一噸水稻生命周期的環境影響進行了研究,結果表明能源消耗主要發生在化肥生產階段,農戶施用階段對富營養化、環境酸化、人體毒性和氣候變化等環境影響類別影響較大。即環境影響主要發生在農戶施用階段,這與本研究結果基本一致。本研究中,優化施肥情景相對常規施肥情景能不同程度地減少對環境的影響,這在盧娜[22]等采用配方施肥和常規施肥對太湖流域一噸水稻種植生命周期內環境影響的研究中得到了證實。侯夢瑤[52]、梁書民[53]、汪翔[54]、張永強[55]等通過對我國農業化肥投入現狀、地區差異與污染現狀的研究發現,我國農業化肥用量與環境影響大致呈現從東部到西部逐漸遞減的趨勢,這與本研究結果一致。

5 結論

研究結果表明:①磷酸二銨生命周期過程對環境的主要環境影響類型是陸地酸化、淡水富營養化、顆粒物形成、人體毒性。磷酸二銨生產階段是造成化石能源耗竭潛勢的主要階段,農戶施用階段對氣候變化、陸地酸化、淡水富營養化、顆粒物形成和人體毒性等潛勢的貢獻占比最大。②綜合三個典型區域的磷酸二銨生命周期發現,受單位面積磷肥投入量、強度、結構等地區差異的影響,水稻化肥施用造成的環境影響基本呈現從東部到西部逐漸遞減趨勢。③優化施肥情景在保證水稻產量的同時,能提高磷酸二銨的利用率，降低化肥的施用量，減少因上游生產而帶來的直接或間接污染物排放,從而減少化肥生產與農戶施用過程中對環境造成的影響。

在磷酸二銨生產的過程中企業應關注節能減排,可通過選擇高品位磷礦，提高硫酸生產過程中的廢熱回收率，采用清潔能源等措施來降低磷酸二銨生產過程中對資源的過度依賴,同時采用新技術或提高催化劑反應效率來間接減少非可再生資源的消耗。從空間分布看,東部地區在單位面積磷肥投入量和強度上均高于中部和西部地區。因此,各地區應在采取適當政策干預和調節的基礎上,因地制宜地制定化肥施用量。此外,國家應積極培養農戶的環保意識,鼓勵農戶采用配方施肥和優化農肥播撒方式等措施,達到減少化肥施用量和提高生產效率的雙重目標。農戶施用階段采用優化施肥方式,既可為實現農業節能減排提供一條選擇路徑,還能實現可持續發展和清潔生產。

本研究在研究過程中還存在一些不足,主要表現在:磷礦石和磷酸二銨生產階段的數據來源于云南省典型磷肥生產企業,與我國其他地區企業生產的產品在生產工藝和生產效率方面可能存在一定差異;運輸階段和農戶施用階段資源的消耗和污染物排放數據多引用他人的研究成果,因此研究結果的時空代表性有待進一步提高。