基于生命周期評價的蘋果樹修剪枝條堆肥處理環境影響及經濟效益分析

摘 要： 利用生命周期評價方法分析了蘋果樹修剪枝條堆肥處理模式的環境影響，并分析其肥料化潛力與經濟效益，對枝條處理各環節進行污染物排放評估，為蘋果樹修剪枝條肥料化處理工藝的改進提供參考。研究結果表明，蘋果樹修剪枝條堆肥處理過程中，每處理功能單位蘋果樹枝條產生污染物總量76.021 9 kg，其中二氧化碳排放量占總排放量的96.79%，全球變暖對環境的影響高于酸化與富營養化；粉碎包裝、熟化滅菌、粉碎和堆肥階段產生的污染物氣體排放量分別占總排放量的38.26%、27.22%、21.04% 和10.85%；蘋果樹修剪枝條堆肥處理的生產成本515 元/t，經濟效益285 元/t，每處理1 t 蘋果枝條生產的有機肥，可替代尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀的量分別為61.3、120.0 和13.2 kg。

關鍵詞：生命周期評價；蘋果樹；堆肥；環境影響潛力；經濟效益；肥料化潛力

中圖分類號：S661 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0074-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.012

0 引言

2020 年山東省煙臺市棲霞市蘋果栽培面積6.67 萬hm2，產量210 萬t，占全國總產量的1/20。棲霞市也被譽為“ 中國蘋果之鄉” ， 年修剪枝條按7.5 t/hm2 計算，年枝條修剪量約50 萬t[1-2]。果樹修剪枝條體積大、不利于收集運輸、經濟價值低，農戶通常將果樹修剪枝條丟棄在路邊、田間地頭或作為柴薪使用[3]。果樹修剪枝條長期堆放不僅造成了資源浪費、環境污染，還會引發病蟲害傳播和火災隱患，焚燒處理則會加劇空氣污染[4]。大量研究表明，果樹枝條還田處理既可以提高土壤有機質含量、改良土壤質地、降低化肥施用量，又可以提高作物產量和品質，具有顯著的經濟和環境效應[5-8]。

生命周期評價（LCA）是一種評估產品或服務在整個生命周期系統物質、能源投入和污染物排放對環境造成的潛在影響的方法，主要應用于環境保護領域[9]。目前利用生命周期評價方法評估好氧堆肥過程主要集中于畜禽糞污處理。張穎等[10] 利用生命周期評價對集約化牛場糞污好氧堆肥處理方式進行了評估，提出通過添加復合菌劑減少堆肥過程中污染氣體的排放，降低酸化和富營養化的潛力。裴忠良[11] 采用生命周期評價方法分析了集約化豬場糞污好氧堆肥處理的環境影響潛力，建議通過調節堆肥原料碳氮比、溫度及pH 值以減少溫室氣體的排放。相對于畜禽糞污，枝條中纖維素、木質素等難降解的粗纖維含量更高[12]。為促進枝條的分解，堆肥原料預處理需增加粉碎、軟化等環節，而枝條肥料化生命周期評價未見報道。本研究采用生命周期評價方法分析了蘋果樹修剪枝條堆肥處理模式的環境影響，并分析其肥料化潛力與經濟效益，對枝條處理各環節進行污染物排放評估，為蘋果樹修剪枝條肥料化處理工藝的改進提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

研究對象為棲霞市某生物科技公司，主營業務為利用蘋果樹修剪枝條及淘汰老樹加工成有機肥，年消耗蘋果樹修剪枝條5 萬t（濕重），生產有機肥4 萬t。蘋果樹修剪枝條經過粉碎、熟化滅菌、接種發酵菌種、攪拌和堆肥等過程生產有機肥，工藝流程如圖1 所示。

蘋果樹修剪枝條經過高效強制喂料式粉碎機粉碎至粒徑lt;5 mm，將粉碎的蘋果樹修剪枝條添加水調整原料含水量至30%， 裝入高壓滅菌鍋中保持127 °C、0.25 MPa 滅菌3 h。向冷卻的物料中添加一定量的水、尿素，調整其含水量約60%、C/N 約30，將原料混合均勻后送至發酵車間，發酵周期21 d。發酵產物理化性質如表1 所示。

1.2 生命周期評價

1.2.1 目的和范圍確定

為了使系統的輸入和輸出標準化，本研究以處理1 t 蘋果樹修剪枝條（濕重）為評價的功能單位。對蘋果樹修剪枝條堆肥處理進行生命周期污染物排放清單分析，評價該模式的環境影響潛力。生命周期的起點為蘋果樹修剪枝條收集轉運至處理區域，終點為蘋果樹修剪枝條形成堆肥產品。

1.2.2 清單分析

（1）粉碎階段。采用強制喂料式粉碎機對蘋果樹修剪枝條進行粉碎處理，所用設備功率及處理能力如表2 所示，電力生產過程中污染物排放系數如表3 所示[13]。

（2）運輸階段。運輸階段包括運送粉碎后的蘋果樹修剪枝條至高壓滅菌鍋和運送熟化滅菌后的蘋果樹修剪枝條至發酵車間，運輸設備為鏟車，鏟車的處理能力120 t/h、耗油量12.75 kg/h，柴油燃燒過程中的污染物排放量如表4 所示[14-15]。

（3）熟化滅菌階段。采用高壓滅菌鍋對粉碎后的枝條進行熟化滅菌處理，每批次15 t 需消耗液化石油氣100 kg。液化石油氣燃燒過程中的污染物排放量如表5 所示[15，17]。

（4）攪拌階段。采用攪拌機將原料熟化滅菌后的枝條與尿素、菌種混合均勻。

（5）堆肥階段。采用槽式堆肥，主發酵期內每7 d 用鏟車翻堆1 次，鏟車的處理能力（翻堆）60 t/h，輔料尿素生產過程中污染物排放如表6 所示，堆肥過程中單位質量物料累積氨揮發量961.2 mg/kg，單位質量物料CO2、CH4、NO2 的排放速率分別為29.97 mg/（kg·h）、0.96 mg/（kg·h）、37.66 μg/（kg·h） [18-19]。

（6）粉碎包裝階段。后熟發酵產品經粉碎、履帶傳送、篩分、造粒和包裝等流程最終形成商品有機肥，生產率9.6 t/h。

1.2.3 影響評價

1.2.3.1 環境影響類型

本研究主要考慮全球變暖、環境酸化和富營養化3 種環境影響類型。

1.2.3.2 特征化

特征化是將同類型污染物通過當量系數轉化和匯總成為統一的單元，特征化的計算采用當量系數法。特征化的結果由式（1）計算

式中 EP（i）——系統對第i 種環境的影響潛值，kg（污染物）/t

EP（i）j——第j 種排放物對第i 種環境影響的貢獻大小，kg（污染物）/t

Q（i）j——第j 種物質排放量，kg/t

EF（i）j——第j 種排放物對第i 種環境影響的當量系數，g（污染物）/g

本研究主要考慮以上3 種環境影響類型，不同環境影響類型及主要影響因子的當量系數如表7 所示[20]。

1.2.3.3 標準化

標準化過程是建立標準化基準，目的是為各種環境影響類型的相對大小提供一個可比較的標準。標準化的計算方法是用特征化的結果除以基準量，由式（2）計算

式中 Ni——第i 種環境影響標準化結果

Ci——第i 種環境影響特征化結果

Si——標準化基準值

本研究采用STRANDDORF H K 等 [21] 2005 年11月發布的世界人均環境影響潛力作為環境影響基準，如表8 所示。

1.2.3.4 加權評估

加權評估是對不同環境影響類型的影響程度進行排序，分配各自的權重，最后評估環境影響潛力的相對大小。加權評估由式（3）計算

wi = WiNi （3）

式中 wi——加權后環境影響潛值

Wi——第i 種環境影響權重

Ni——第i 種環境影響標準化后影響潛值

本研究加權評估參考楊建新[22] 的研究成果，歸一化處理后取全球變暖潛力、環境酸化潛力和富營養化潛力的權重系數分別為0.36、0.32 和0.32。

1.3 肥料化潛力

為計算蘋果樹修剪枝條肥料化潛力，將蘋果樹修剪枝條生產的有機肥含有的氮、磷、鉀折算成尿素（46-0-0）、過磷酸鈣（0-12-0）、硫酸鉀（0-0-50），通過計算有機肥替代化肥的量分析蘋果樹修剪枝條的肥料化潛力。

1.4 經濟效益

蘋果樹修剪枝條堆肥處理的成本投入包括原料（蘋果樹修剪枝條、尿素、發酵菌種、柴油、液化石油氣）、包裝袋、人工和電力，不考慮場地建造、設備折舊；收入來源于出售成品有機肥。

2 結果與分析

2.1 生命周期污染物排放清單分析

功能單位蘋果樹修剪枝條堆肥處理在生命周期過程中消耗電量42.87 kW·h、液化石油氣6.67 kg、柴油0.318 8 kg， 產生的污染物總量76.021 9 kg， 其中CO2 占總排放量的96.79%。由表9 可知，熟化滅菌和粉碎包裝階段排放的污染物總量分別為20.692 4 和29.084 6 kg， 占整個生產工藝污染物排放總量的27.22% 和38.26%；粉碎包裝階段的CO2、CO、NOX和SO2 排放量最大，分別占各自總排放量的38.78%、55.14%、58.83% 和62.20%；堆肥階段的CH4、NH3 和COD 排放量最大，分別占各自總排放量的63.46%、100% 和100%。

2.2 環境影響分析

由表10 可知，功能單位蘋果樹修剪枝條堆肥處理在生命周期過程中的全球變暖潛力、環境酸化潛力和富營養化潛力分別為93.066 5、3.157 3 和0.472 8。CO2是造成全球變暖的主要影響因子之一，蘋果樹修剪枝條堆肥處理過程中全球變暖潛力大于環境酸化潛力和富營養化潛力，主要原因是在處理過程中CO2 的排放量占總氣體排放量的96.79%（表9）。由表11 可知，功能單位蘋果樹修剪枝條堆肥處理在生命周期過程中的綜合環境影響潛力0.035 4，全球變暖、環境酸化和富營養化的環境影響指數分別為0.003 9、0.028 9 和0.002 6，即處理功能單位蘋果樹修剪枝條產生的全球變暖潛力、環境酸化潛力和富營養化潛力分別相當于世界人均環境影響潛力的0.39%、2.89% 和0.26%。

2.3 肥料化潛力分析

果樹枝條還田可補充土壤有機質、氮磷鉀和微量元素[3]。本研究中年生產有機肥4 萬t， 含有全氮（N）、全磷（P2O5）和全鉀（K2O）的量分別為1 880、960 和440 t，折算成尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的量分別為3 065、6 000 和660 t，按照尿素2 390 元/t、過磷酸鈣950 元/t 和硫酸鉀4 500 元/t，有機肥還田可節省化肥投入1 600 萬元/年。

2.4 經濟效益分析

年處理蘋果樹修剪枝條5 萬t，需添加尿素1 000 t、發酵菌劑50 t，消耗液化石油氣333.5 t、柴油15 940 kg，生產有機肥4 萬t（40 kg/袋）。年投入2 574 萬元，銷售額4 000 萬元，折合每處理功能單位蘋果樹修剪枝條產生成本515 元、經濟效益285 元，如表12 所示。

3 討論

3.1 蘋果樹修剪枝條堆肥處理環境影響

蘋果樹修剪枝條堆肥處理過程中，全球變暖對環境的全球變化影響高于酸化，富營養化的原因是CO2的排放量高于其他污染物，占總排放量的96.79%。

粉碎包裝階段產生的污染氣體排放量占總排放量的38.26%，其中CO2、CO、NOX 和SO2 排放量高于其他階段， 分別占各自總排放量的38.78%、55.14%、58.83% 和62.20%。為減少該階段電力消耗所產生污染物排放，可通過散裝或噸包形式銷售，既節省了電力消耗，又降低了生產成本與銷售價格。

熟化滅菌階段的目的是促進果樹枝條中難分解的木質素、纖維素的降解，每處理功能單位的枝條需消耗液化石油氣6.67 kg，產生的污染氣體排放量占總排放量的27.22%。取消熟化滅菌環節可顯著減少污染物的排放，為促進木質素和纖維素的分解，在堆肥階段可篩選添加分解纖維素能力強的菌種或多種微生物組成的復合菌劑[12，23]。

粉碎階段采用的高效強制喂料式粉碎機功率220 kW，產生的污染氣體排放量占總排放量的21.04%。為提高粉碎效率，降低能耗，可篩選對比市場上已有的不同類型粉碎機，選用低碳環保、自動化、智能化的低功率粉碎設備[24]。

堆肥階段產生的污染氣體排放量占總排放量的10.85%，其中CH4、NH3、COD 排放量高于其他階段，分別占各自總排放量的63.46%、100% 和100%。該階段中NH3 排放來源于兩個方面：堆肥過程NH3 的揮發量占總氨氣排放量的99.93%，可通過添加爐渣、除氨菌系、硫酸亞鐵或明礬等方式減少NH3 的排放[25-28]；生產尿素過程中的NH3 排放占總氨氣排放量的0.07%，全部COD 的排放也來自于輔料尿素的添加，實際生產可以用牛糞、雞糞等含氮有機廢棄物代替尿素調節堆肥原料的碳氮比。堆肥過程中甲烷排放量0.193 5 kg，可通過接種復合菌劑或添加棉稈木醋液等方式降低CH4 的排放[29-30] 。

3.2 肥料化潛力與經濟效益

陳昕楠等[31] 研究表明，煙臺市果園有機質含量平均11.4 g/kg，僅達土壤養分分級標準的中等水平，土壤有機質含量整體偏低。蘋果樹修剪枝條還田既可以替代化肥，提高土壤氮磷鉀和微量元素含量，又可以提高土壤有機質含量，改善土壤貧瘠化、酸化等問題，提高土壤質量和可持續生產力[32]。本研究中，每處理1 t 蘋果樹修剪枝條生產的有機肥可替代尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀的量分別為61.3、120.0 和13.2 kg。

宋曉勇等[33] 以鮮牛糞與花生殼粉混合后槽式好氧堆肥進行發酵處理， 功能單位鮮牛糞的處理成本327.97 元，而本研究中功能單位蘋果樹修剪枝條的處理成本515.00 元。相對于糞污秸稈等常規有機物料好氧堆肥處理工藝，果樹枝條肥料化生產工藝增加了枝條粉碎（功能單位耗電量為14.67 kW·h）和熟化滅菌環節（功能單位消耗液化石油氣6.67 kg）。

4 結束語

蘋果樹修剪枝條堆肥處理對環境的影響最主要的是全球變暖，因為CO2 的排放量占總排放量的96.79%，其中粉碎包裝階段CO2 的排放量最大，占總排放量的38.78%。蘋果樹修剪枝條堆肥處理既可以補充土壤有機質、又可以替代化肥，其生產工藝中增加了耗能大的蘋果樹修剪枝條粉碎和熟化滅菌環節，因此處理成本高于常規的以糞污為原料的處理工藝。

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基金項目： 中國農業大學煙臺研究院引導類項目（Z202201）