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(jià)實(shí)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(jià)（Life cycle assessment, LCA）作為環(huán)境影響評價(jià)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(jià)，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(gè)方面［5-9］表明了生命周期評價(jià)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(jià)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(jià)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(shí)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(bào)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(yàn)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(jià)，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(shí)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(yàn)地概況

2014—2016年在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開展田間定位試驗(yàn)，A點(diǎn)：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源與環(huán)境利用工程中心試驗(yàn)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(shí)數(shù)2 200 h，供試小麥為云麥42，蠶豆為玉溪大粒豆；B點(diǎn)：云南省昆明市尋甸縣云南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)

兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。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(yàn)點(diǎn)小區(qū)面積20 m2（5 m×4 m），B試驗(yàn)點(diǎn)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(diǎn)112.5 kg?hm-2，B點(diǎn)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(jià)分析方法

本研究以生產(chǎn)1 000 kg小麥為評價(jià)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(yùn)輸和消費(fèi)者消費(fèi)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(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)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(gè)作物單作時(shí)收益的比率，用來衡量間作相對于單作的增產(chǎn)程度，計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算出相對于SO2的環(huán)境酸化影響潛值，計(jì)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(jí)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(jì)算其對地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要程度，計(jì)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(jì)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(yàn)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(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)與A試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)的間作小麥產(chǎn)量平均增幅為22.04%。

A、B兩點(diǎn)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(diǎn)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(yàn)點(diǎn)的兩年降幅分別為17.25%和9.70%，B試驗(yàn)點(diǎn)的兩年降幅分別為26.96%和22.49%，其中，B試驗(yàn)點(diǎn)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(gè)試驗(yàn)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，無論單作還是間作小麥，酸化氣體NH3所占比例最大，A點(diǎn)平均為85.75%，B點(diǎn)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(xiǎn)評價(jià)

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(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)的分別為13.02%和21.78%，兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)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(shí)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?yàn)樵诤瘫究?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?yàn)殚g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(yùn)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(shí)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(xiǎn)。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(yàn)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(xiǎn)，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(shí)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(shí)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(jiān)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(jià)可以在一定程度上較好地反映出田間的實(shí)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(yàn)區(qū)域、供試材料以及施肥量等因素造成了不同試驗(yàn)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(shí)測值尚未有系統(tǒng)報(bào)道，因此，本研究下一步一方面可通過田間實(shí)測酸化以及溫室氣體的排放，驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)點(diǎn)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。