塑料中棚番茄有機肥與化肥配施能耗與溫室氣體排放評估

吳文麗，謝英添，董曉鳴，尤春

摘要：以江蘇省鹽城市塑料中棚番茄生產系統為研究對象，使用生命周期評價法分析比較常規施肥和5種使用生物有機肥或菌菇渣部分、全部替代尿素有機肥與化肥配施條件下番茄單位產量能耗和溫室氣體排放值。結果表明，6種施肥方案下，每生產1 000 kg番茄的能耗為2 264～3 094 MJ，溫室氣體排放值為150～204 kg，CO2-eq。設施建設對整個系統的環境影響要高于栽培管理。通過提高建材的使用壽命，合理減少建材使用量或提高番茄產量可達到節能減排的目標。常規施肥條件下，尿素的生產與施用所造成的能源消耗和溫室氣體排放值均占栽培管理的40%以上，本研究中利用有機肥替代尿素的5種有機肥與化肥配施方案，與常規施肥相比，節能減排效果最佳的是生物有機肥氮全部替代尿素氮的施肥方案，其次是菌菇渣與生物有機肥氮分別替代25%尿素氮的施肥方案。

關鍵詞：能耗;溫室氣體排放;番茄;中棚

中圖分類號：S641.2文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2021）06-1516-10

Evaluation of energy consumption and greenhouse gas emissions under combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer in plastic greenhouse tomato production

WU Wen-li1，XIE Ying-tian1，DONG Xiao-ming1，YOU Chun2

（1.Yancheng Bioengineering Branch of Jiangsu Union Technical Institute， Yancheng 224051， China;2.Yancheng institute of vegetables， Yancheng 224002，? China）

Abstract：Taking the plastic shed tomato production system as the research object in Yancheng， Jiangsu province， the bio-organic fertilizer or mushroom residue was used to partially or completely replace urea for formula fertilization. Energy consumption and greenhouse gas emissions of the tomato production system in greenhouse under six kinds of fertilization schemes were assessed by using life cycle assessment （LCA）. The results showed that environmental impacts of producting 1 000 kg tomatoes were 2 264-3 094 MJ for energy consumption， 150-204 kg，CO2-eq for greenhouse gas emissions. The environmental impact of horticultural facilities construction on tomato production system was higher than that of tomato cultivation and management. By increasing the service life of various building materials， reducing building materials consumption or increasing the yield of tomato per unit area， the goal of energy saving and emission reduction could be achieved. The value of energy consumption and greenhouse gas emissions caused by urea production and application accounted for more than 40% of tomato cultivation and management under conventional fertilization. In this study， the best energy-saving and emission-reduction effect was the formula fertilization for completely replacing urea with bio-organic fertilizer of five formula fertilization schemes， followed by the formula fertilization for respectively replacing 25% urea with mushroom residue and bio-organic fertilizer.

Key words：energy consumption;greenhouse gas emissions;tomato;greenhouse

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二Ο三五年遠景目標的建議》中提出，強化綠色導向，建立高標準農田工程[1]，即滿足農作物高產栽培、節能節水等要求，達到持續高產穩產、優質高效和安全環保的目標[2]。設施農業是實現農業現代化的重要舉措[3]，近20年，中國設施農業生產規模逐年擴大，產量和效益獲得巨大提升。江蘇作為中國設施蔬菜主產區之一，設施農業面積達7.58×105 hm2[4]，占耕地面積的16%以上，占比居全國第一[5]。設施農業主要集中在徐州、鹽城、宿遷、淮安，設施類型以中高棚為主，占71%[6-7]。設施蔬菜種類主要有辣椒、番茄、黃瓜、茄子。2019年，全世界番茄種植面積已經超過蔬菜種植面積的15%[8]。2021年中國設施番茄栽培面積7.78×105 hm2，位居中國設施蔬菜栽培面積第一位[9]。

設施蔬菜生產與傳統露地生產相比，除需建立園藝設施外，普遍依賴化肥來提高作物產量，尤其是化學氮肥。中國是化學氮肥生產和使用最多的國家之一[10]，據調查，2005年，氮肥生產造成的溫室氣體排放占全國溫室氣體排放總量4.3%[11]。尿素作為常用的化學氮肥之一，其生產、施用引起的能源消耗和溫室氣體排放量最高。目前設施栽培普遍存在肥料利用率低下問題，造成土地板結、鹽漬化等土壤退化現象，制約土壤的可持續利用[12-15]和設施蔬菜的產量與品質[16]。

有機物料替代技術作為一種國家助推的化學肥料減量的方法，是一種能提高土壤有機質與速效養分含量，調節土壤酶活性[17-21]，防治土傳病害[22-23]，增強土壤可持續生產力，實現農業綠色發展的關鍵技術[24]。曹健[25]、魯偉丹等[26]、魏文良等[27]、任科宇等[28]、Serme等[29]等開展了有機物料替代技術在大田作物小麥、玉米、水稻、高粱上的應用研究，結果表明，針對不同作物，采用適宜比例的有機物料替代化肥，可以改良土壤，提高作物生產力，促進作物生產系統的可持續性，但該技術在設施蔬菜方面的應用研究較少。

生物有機肥是指特定功能微生物與主要以動植物殘體（如畜禽糞便、農作物秸稈等）為來源并經無害化處理、腐熟的有機物料復合而成的一類兼具微生物肥料和有機肥料效應的肥料[30]，是有機物料替代技術中常用的一種生物菌肥，能有效改善土壤酶活性和微生物菌落代謝活動，實現作物穩產甚至高產[31-34]。

食用菌作為現代農業的重要組成部分，已經成為僅次于糧、菜、果、油的第五大類作物[35]，目前中國食用菌生產總量位居世界第一[36]。調查結果顯示，每生產1 kg的食用菌約產生3.25 kg菌菇渣[37]。因此伴隨著食用菌產業的迅速發展，菌菇渣數量也在逐年增加，傳統的處理方法是燃燒或者丟棄，對環境造成很大的污染。菌菇渣是一類含有豐富有機物以及多種礦質元素的農業廢棄物，國內外學者將其作為一種有機物料進行了還田研究，發現施用菌菇渣可以增強土壤通氣性和保水性，改變土壤團粒結構和容質量等物理性質，同時能顯著增加土壤肥力[38-42]，并對設施栽培土壤中有害菌的繁殖有較好的抑制作用，提高大田作物、設施蔬菜的產量并提升其品質[43-44]。

生命周期評價法（LCA， Life cycle assessment）是一種對某項產品、工藝或者服務整個生命周期中輸入、輸出及潛在環境的匯編與評價，是一種全面立體的評價方法[45]，現已被國內外學者廣泛應用于農業系統的研究工作中。Maurizio等[46]利用生命周期評價法估算了意大利辣椒、瓜類、西紅柿、櫻桃番茄和西葫蘆設施栽培所需能耗和對環境的影響，并指出蔬菜包裝和建造溫室對環境造成的負荷較大;Benyamin 等[47]分析比較了伊朗伊斯法罕省溫室黃瓜和番茄對環境造成的影響，結果顯示，生產溫室番茄對環境的影響小于溫室黃瓜;Maurizio等[48]評估了地中海地區幾種設施栽培作物生產過程中的能源消耗和環境負擔，并篩選出最佳的生產方案。國內王效琴等[49]、郭金花[50]、徐強等[51]評價了中國部分地區設施蔬菜生產造成的環境影響，但評估有機物料替代技術下塑料中棚番茄生產造成的環境影響的研究相對較少。

本研究以江蘇省鹽城市塑料中棚番茄生產系統為研究對象，選取生物有機肥和菌菇渣2種有機肥料，部分或全部替代高能耗高排放的尿素，利用生命周期評價法評估常規施肥和5種有機肥料與化學肥料配合施用方案生產單位質量番茄的能源消耗和溫室氣體的排放情況，以期為緩解設施栽培對環境造成的影響提出合理建議。

1材料與方法

1.1研究區域

試驗點為江蘇省鹽城市亭湖區江蘇聯合職業技術學院鹽城生物工程分院設施蔬菜種植基地，該區域常年太陽輻射總量為1.162×105～1.210×105 cal/cm2，無霜期為209～218 d，平均氣溫為13.7～14.4 ℃，年平均降水量為910～1 060 mm。按照鹽城地區1年種植2茬番茄的耕作方式進行中棚栽培。塑料中棚為南北走向，長33 m，寬8 m。各處理小區畦寬1.2 m、長11.0 m，區組排列，重復3次。番茄采取雙行種植方式，每小區定植44株。第1茬于2020年3月10日定植，6月2日開始采收，7月15日拉秧。第二茬于2020年8月26日定植，11月3日開始采收，12月30日拉秧。

1.2試驗方案和數據來源

根據對鹽城地區設施番茄施肥情況的調查，按照常規施肥量，在保證氮、磷、鉀養分水平（N 273 kg/hm2，P2O5 315 kg/hm2， K2O 435 kg/hm2）一致的情況下，試驗設置6種施肥方案，分別為常規施肥、菌菇渣氮替代50%尿素氮（MR50%）、菌菇渣氮替代100%尿素氮（MR100%）、生物有機肥氮替代50%尿素氮（BF50%）、生物有機肥氮替代100%尿素氮（BF100%）、菌菇渣氮與生物有機肥氮分別替代25%尿素氮（MR25%+BF25%）。全部有機肥和部分化肥于番茄定植前作基肥一次性施入，地膜覆蓋，滴灌，番茄初果期追施相同質量復合肥。試驗于2020年3月至12月在江蘇聯合職業技術學院鹽城生物工程分院蔬菜種植基地塑料中棚中進行。供試番茄品種春季為京粉201，秋季為粉都312。供試生物有機肥氮含量為4.00%，P2O5含量為0.75%，K2O含量為1.25%，供試菌菇渣為杏鮑菇菌菇渣，氮含量為1.28%，P2O5含量為0.13%，K2O含量為0.81%，化學肥料分別為尿素（氮含量為46%）、過磷酸鈣（P2O5含量為12%）、農用硫酸鉀（K2O含量為 50%）和三元復合肥（氮、磷、鉀含量均為15%）。試驗過程中詳盡記錄建立設施構筑物的各種建材（鋼材、薄膜、遮陽網以及附屬配件）的種類、數量和人工數，不同施肥方案番茄產量，番茄栽培管理過程中各種肥料、農藥、人工等投入量。

1.3能耗和溫室氣體排放評估

采用生命周期法對設施番茄生產系統不同施肥方案下的能耗和溫室氣體排放值進行評估，根據國際化標準組織（ISO14040）規定，評價過程一般由目標與范圍的界定、清單分析、影響評價和結果解釋4個部分組成。本研究針對的是能耗和溫室氣體排放2種環境影響類型。

1.3.1目標和范圍的界定本研究的目標是評估和比較不同施肥方案下中棚生產1 000 kg番茄所需的能耗和溫室氣體排放情況。圖1顯示了塑料中棚番茄生產系統邊界，包括中棚建材的生產、組建、運行與栽培所需農資的生產、使用、管理等，假設各種物質采購點離試驗點的距離為10 km，采用卡車運輸。

1.3.2清單分析塑料中棚建材投入清單的分析方法參照王效琴等[49]的方法，每種建材的投入量根據實際情況和建材的使用壽命折算成一年的用量進行分析。單個棚（8 m×33 m）建造物資清單見表1，不同施肥方案下番茄栽培管理物質投入清單見表2。

1.3.3影響評價指標計算影響評價根據選定的影響類型和對應參數，量化整個生命周期各個階段中能源、物質消耗以及溫室氣體排放值。從生態環境的角度，分析各個環節對整個系統環境影響的大小。本研究選定的環境影響類型是能源消耗和溫室氣體排放。

基于生命周期評價方法[52]，能耗值（單位為MJ）的計算方法參照Heidari [53]和Canakci[54]的研究方法，具體計算公式如下：

EU總=EU設施組建+EU作物栽培

EU設施組建=∑（Qi設施物資×EFi建材/運輸/人工）

EU作物栽培=∑（Qi栽培農資×EFi栽培農資）

式中，EU總為作物生產系統總能耗，EU設施組建為設施組建能耗投入，包括建材的生產、運輸和搭建;EU作物栽培為作物栽培管理能耗投入，主要包括農資的生產、使用和人工。Qi設施物資、EFi建材/運輸/人工分別為第i種設施物資年均消耗量和其對應的能耗當量值;Qi栽培農資、EFi栽培農資分別為第i種栽培農資消耗量和其對應的能耗當量值。本研究中的菌菇渣為食用菌廠栽培杏鮑菇后產生的廢棄物，能耗當量為0?；谏芷谠u價方法[22]，溫室氣體排放值（單位為kg，CO2-eq）計算依據IPCC[55]、Hauschild等[56]、趙明炯等[57]的方法，并進行一定調整，具體計算公式如下：

GHG總=GHG設施組建+GHG栽培農資生產+GHG栽培農資施用

GHG設施組建=∑（Qj設施物資×EFj設施物資）

GHG栽培農資生產=∑（Qj栽培農資×EFj栽培農資生產）

GHG栽培農資施用=∑（Qj栽培農資×EFj栽培農資施用）

式中，GHG總為作物生產系統溫室氣體排放值總和，GHG設施組建指建材的生產、運輸和設施組建過程中排放的溫室氣體;GHG栽培農資生產與GHG栽培農資施用分別為作物栽培管理過程中投入的各種農資生產過程和施用過程中排放的溫室氣體值。Qj設施物資與EFj設施物資分別為第j種設施物資的年均消耗量和其對應的溫室氣體排放參數;Qj栽培農資與EFj栽培農資生產分別為第j種栽培農資的消耗量和生產其栽培農資對應的溫室氣體排放參數;EFj栽培農資施用為施用第j種栽培農資過程中溫室氣體排放參數。

其中本研究施用的菌菇渣需堆置發酵約60 d，王義祥等[58]的研究結果顯示，菌菇渣發酵過程中CO2排放量為67.32 g/kg，N2O排放量為30.4 mg/kg，CH4排放量為0.72 mg/kg。按照IPCC測算的N2O、CH4的100 a全球增溫潛勢（分別為298，25[55]）計算，生產單位質量腐熟菌菇渣的溫室氣體增溫潛勢EF菌菇渣生產（單位：g/kg，CO2-eq）估算公式如下：

EF菌菇渣生產=67.320 00×M菌菇渣+0.030 40×M菌菇渣×298+0.000 72×M菌菇渣×25

其中M菌菇渣為菌菇渣的質量，設定值為1 kg。

菌菇渣作為一種有機肥料，EF菌菇渣施用按照EF生物有機肥進行計算。

由于缺乏有關建材使用過程中的能耗損失和溫室氣體排放研究，本系統只考慮塑料中棚組建過程中的能耗損失和溫室氣體排放。

通過查閱文獻資料，塑料中棚建設各種物資能耗當量和溫室氣體排放參數見表3，番茄栽培過程中各種物資能耗當量和溫室氣體排放參數見表4。

2結果與分析

2.1塑料中棚番茄生產系統能耗分析

由表5可知，不同施肥方案下塑料中棚生產1 000 kg番茄，能耗為2 264～3 094 MJ。與常規施肥處理相比，MR50%、MR100%、BF50%、BF100%、MR25%+BF25%處理單位產量能耗分別降低11.09%、23.30%、10.09%、26.84%和23.69%，以BF100%處理單位產量能耗為最低，其次是MR25%+BF25%處理。對于6種施肥方案，設施建設消耗的能源為287 914 MJ/hm2，是能源消耗的主要環節，占系統總能耗的85.63%～90.83%，其次是栽培管理，占系統總能耗的9.17%～14.37%。在系統總能耗中，設施建設能耗是栽培管理的6～10倍。

設施建設能耗主要由鍍鋅鋼材、棚膜、遮陽網與防蟲網的生產產生，分別占設施建設能耗的39.66%、33.51%、13.67%。鍍鋅鋼材作為塑料中棚的骨架材料，用量大;棚膜、遮陽網與防蟲網均為高能耗的聚乙烯膜與高密度聚乙烯網。

番茄栽培管理能耗主要集中在尿素生產、人工等方面。但是常規施肥方案的栽培管理能耗中尿素生產的能耗投入占栽培管理總能耗的40.02%，其次是人工，占33.52%。而有機肥與化肥配施方案以人工能耗為主，占41.50%～58.93%，其次是復合肥或者尿素生產能耗（圖2）。

2.2塑料中棚番茄生產系統溫室氣體排放值分析

由表6可知，不同施肥方案生產1 000 kg番茄的溫室氣體排放值（以CO2當量計）150～204 kg，CO2-eq。與常規施肥處理相比，MR50%、MR100%、BF50%、BF100%、MR25%+BF25%處理的溫室氣體排放值均降低，BF100%處理單位產量溫室氣體排放最低，其次是MR25%+BF25%。

對于6種不同施肥方案，設施建設排放溫室氣體為15 415 kg/hm2，CO2-eq，對系統總排放的貢獻率為64.28%～73.26%;其次是栽培管理過程中的農資施用環節，貢獻率為16.86%～25.67%;農資生產環節的貢獻率最低，為9.88%～13.02%。

設施建設過程中溫室氣體排放主要是由鍍鋅鋼材生產產生，其次是聚乙烯膜生產，貢獻率分別為67.04%和12.19%，故可以考慮合理降低塑料中棚骨架結構用鋼量或提高鋼材質量，延長使用壽命，改進現有塑料中棚設施，以達到減排目標。

農資施用環節對系統溫室氣體排放的影響程度高于農資生產環節。常規施肥處理中農資施用產生的溫室氣體主要是尿素施用引起的，其次是復合肥施用，分別占栽培管理總排放的23.22%、19.43%（圖3），且尿素與復合肥生產所產生的溫室氣體排放占比之和為33.53%。因此，減少溫室氣體排放可以使用生產與施用環節溫室氣體排放參數均低的有機肥替代尿素或復合肥。

3結論

（1）6種施肥方案下，塑料中棚生產1 000 kg番茄消耗能源為2 264～3 094 MJ，MR100%、BF100%、MR25%+BF25%處理比常規施肥處理單位產量節能超20%，MR50%、BF50%處理超過10%，其中BF100%處理能耗最低，其次是MR25%+BF25%處理。

（2）塑料中棚設施建設所需的能消對總能耗的貢獻率均超過80%。美國每生產1 000 kg大棚番茄消耗能源4 000 MJ，其單位面積鋼材用量是本研究中的2倍多[68]。法國[69]、地中海地區[70]番茄單位產量消耗能源高達為4 700 MJ、6 369 MJ，主要是法國大棚鋼結構4年更換1次，地中海地區番茄水培設備和附屬動力設備的耗材投入大。因此，降低番茄單位產量能耗關鍵在于減少設施構筑物的生產和建設能耗，同時提高番茄產量。提高建材的使用壽命，優化設施結構，合理減少建材用量、改進番茄栽培技術、提高番茄產量也可以達到節能的目標。

（3）6種施肥方案下，塑料中棚生產1 000 kg番茄排放溫室氣體為150～204 kg，CO2-eq， MR50%、MR100%、BF50%、BF100%、MR25%+BF25%處理的溫室氣體排放值均比常規施肥處理降低，BF100%處理單位產量溫室氣體排放最低。

（4）塑料中棚設施建設產生的溫室氣體排放約是番茄栽培管理的2倍。在園藝設施不變的情況下，尿素和復合肥的生產與施用對番茄的單位產量溫室氣體排放起著決定性作用。2019年中央一號文件[71]中明確指出，要大力推進農業綠色發展，化肥、農藥施用量繼續負增長，擴大有機肥替代化肥試點。合理施用有機肥，減少化肥施用量，是減排關鍵。

4討論

（1）在設施建設能耗一樣的條件下，6種施肥方案消耗的總能源是由番茄栽培管理所需能耗決定的。每生產1 kg尿素的能源消耗為64.48 MJ，折合成每生產1 kg氮能源消耗值為140 MJ;而生產相同養分含量的生物有機肥能耗為0.014 MJ，是尿素的萬分之一;菌菇渣作為農業廢棄物，不需要消耗能源。故使用有機肥替代尿素可以大大降低能源消耗。有機肥養分含量低，用量大，用工多，有機肥與化肥配施的人工要高于常規施肥。菌菇渣為含水的塊狀結構，難以均勻撒于地表，且養分含量最低，因此肥料搬運與整地需要消耗更多的人工。MR100%、BF100%、MR25%+BF25%處理的番茄生長周期中整枝勞作投入的人工也要高于其他處理。因此系統總能耗是BF100%<MR100%<BF50%<MR25%+BF25% <MR50%<常規施肥。5種有機肥與化肥配施處理的番茄總產量均高于常規施肥處理，其中BF100%、MR25%+BF25%處理產量較高。因此單位產量能源消耗最低產量最高的是BF100%處理。

（2）減少溫室氣體排放可以使用生產與施用環節溫室氣體排放參數均低的有機肥來替代尿素。以菌菇渣部分或全部替代尿素的3種有機肥與化肥配施處理（MR50%、MR100%、MR25%+BF25%）溫室氣體總排放值均高于常規施肥處理。原因是菌菇渣養分含量低，氮含量僅為尿素的2.7%，在滿足氮水平一致的條件下，需要投入的質量是尿素的36倍，而菌菇渣施用產生的溫室氣體是尿素的15倍。6種施肥方案下，番茄生命周期內溫室氣體排放值的排序為BF100%<BF50%<常規施肥<MR25%+BF25%<MR50%<MR100%，但MR100%、MR50%、MR25%+BF25%、BF50%、BF100%處理的產量均比常規施肥處理高，因此5種有機肥與化肥配施處理，塑料中棚每生產單位產量番茄溫室氣體排放值均低于常規施肥處理，產量最高的BF100%處理溫室氣體排放值最低，溫室氣體排放較少產量較高的是MR25%+BF25%處理。

（3）從環境影響角度出發，建議選用以生物有機肥氮全部代替尿素氮或者菌菇渣與生物有機肥氮分別替代25%尿素氮2種施肥方案，既能顯著降低單位產量能耗，又可以有效減少溫室氣體排放。

（4）本研究中采用的是生物有機肥和杏鮑菇菌菇渣作為有機肥替代尿素，對其他有機肥的替代效果還需進一步研究。本研究是按照常規施肥養分標準進行有機肥與化肥配施設計，對養分減量的有機肥與化肥配施還需要進行進一步研究。

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（責任編輯：陳海霞）

收稿日期：2021-08-30

基金項目：江蘇現代農業（蔬菜）產業技術體系項目[JATS（2020）204]

作者簡介：吳文麗（1989-），女，江蘇揚州人，碩士，講師，主要研究方向為園藝作物栽培技術研究與推廣。（E-mail）874107050@qq.com

通訊作者：尤春，（E-mail）38724322@qq.com