不同施磷強(qiáng)度下玉米溫室效應(yīng)的LCA研究

徐梓峻，熊于斌，權(quán)曉雪*

（1.重慶師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，重慶 401331；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650500）

磷作為植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可缺少的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是作物增產(chǎn)的主要限制因子之一[1]。因此，對(duì)于磷肥的施用是不可避免的，故農(nóng)民大量施入磷肥，導(dǎo)致磷素大量累積在土壤中，農(nóng)業(yè)投入遠(yuǎn)大于收入。而殘留在土壤中的磷素持續(xù)累積還可能隨水流失造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，微生物活動(dòng)與磷的施用量之間有著直接影響，施加磷的數(shù)量增加使得微生物群落的規(guī)模增大，對(duì)于土壤中有機(jī)質(zhì)的碳化具有正面作用[3]，且有機(jī)碳的礦化與溫室氣體形成密切相關(guān)[4]。

關(guān)于生命周期評(píng)價(jià)法（Life Cycle Assessment，LCA），IOS定義：“對(duì)一個(gè)產(chǎn)品系列的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)。”并將其分為目標(biāo)定義和范圍界定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)時(shí)間：2020年4-11月，地點(diǎn)：云南省昆明市實(shí)驗(yàn)基地。本試驗(yàn)為田間定位實(shí)驗(yàn)，后續(xù)試驗(yàn)分析在昆明市實(shí)驗(yàn)基地。供試土壤基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1 昆明供試土壤基本理化性狀

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)點(diǎn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的模式，試驗(yàn)布置采用裂區(qū)布置，每小區(qū)面積為32.4 m2（5.4 m×6 m）。

試驗(yàn)處理設(shè)置：設(shè)置5種磷水平處理。其中不施磷處理的記為P0，施磷量為45 kg/ha的處理記為P45，施磷量為90 kg/ha的處理記為P90，施磷量為135 kg/ha的處理記為P135，施磷量為270 kg/ha的處理記為P270，每種施磷處理有3次重復(fù)，共計(jì)有15個(gè)小區(qū)。

玉米行距50 cm，株距25 cm。各處理氮肥、鉀肥投入量均為當(dāng)?shù)氐氖┓柿浚剩∟）施用量為250 kg/ha、鉀肥（K2O）施用量為75 kg/ha。供試磷肥（過(guò)磷酸鈣）、鉀肥（K）以基肥的方式投入，氮肥（尿素）按3個(gè)時(shí)期投入（基肥占總氮量的40%，小喇叭時(shí)期占總氮量的25%，大喇叭時(shí)期占總氮量的35%）。

1.2 研究方法

1.2.1 產(chǎn)量測(cè)定

在玉米成熟期，根據(jù)劃定的測(cè)產(chǎn)區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。在整個(gè)生育期過(guò)程中，在產(chǎn)區(qū)不進(jìn)行采樣操作，去除邊際效用后單作玉米每個(gè)小區(qū)測(cè)定產(chǎn)量并折算出每公頃產(chǎn)量。

1.2.2 評(píng)價(jià)方法

本論文采用2020年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，將不同施磷水平下的玉米作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，以生產(chǎn)1 000 kg玉米作為評(píng)價(jià)的功能單元，即包括農(nóng)資生產(chǎn)過(guò)程和作物種植過(guò)程中形成溫室氣體的排放，此次實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中不評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)使用機(jī)械的產(chǎn)出、農(nóng)業(yè)資源物品的轉(zhuǎn)運(yùn)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品出售的過(guò)程。分別對(duì)不同施磷水平情況下的農(nóng)資系統(tǒng)去建造相關(guān)溫室氣體產(chǎn)生列表和生命周期的能耗，然后評(píng)價(jià)不同水平施磷下的增溫潛勢(shì)。環(huán)境影響值：標(biāo)準(zhǔn)化的主要目的是為了清除級(jí)數(shù)與量綱上結(jié)果的不同，可以借此說(shuō)明其環(huán)境潛在影響的相對(duì)大小，加權(quán)評(píng)估是關(guān)聯(lián)全球變暖潛值的權(quán)重系數(shù)，所以可以評(píng)判其對(duì)區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展的重要程度。

加權(quán)評(píng)估的計(jì)算方法：EI=E÷S*W，

式中：E是代表環(huán)境潛在影響的特征化結(jié)果，S在式中代表基準(zhǔn)值，根據(jù)任家兵、耿傳雄的實(shí)驗(yàn)研究成果，EI代表環(huán)境的影響數(shù)值，就是加權(quán)數(shù)值的平均值;W代表環(huán)境影響權(quán)重的大小。

用環(huán)境影響減緩潛力代表不同水平施磷在不施磷情況下的環(huán)境收益。

計(jì)算公式：EMP=(EIm-EIi)÷EIm，

式中：EMP表示不同施磷水平在不施磷條件下環(huán)境影響減緩潛力大小，EIi表示不同施磷水平的環(huán)境影響值，EIm表示不施磷條件下的環(huán)境影響值。

全球增溫潛勢(shì)：進(jìn)行特征化的處理，用CO2為基準(zhǔn)，全球增溫潛勢(shì)的基準(zhǔn)生態(tài)影響因子用CO2來(lái)表示，剩余溫室氣體使用當(dāng)量系數(shù)法計(jì)算出相較于CO2的環(huán)境變暖影響潛值，CO、CH4、NOx的當(dāng)量系數(shù)分別為 2、21 和 310，計(jì)算公式：

CO2=CO*1+CH4*21+NOx*310。

1.2.3 清單分析

農(nóng)資生產(chǎn)系統(tǒng)。溫室氣體的排放和能源的消耗是本試驗(yàn)原料物資生產(chǎn)過(guò)程中主要相關(guān)的原因；化肥的生產(chǎn)使用是農(nóng)資生產(chǎn)系統(tǒng)主要相關(guān)的原因。根據(jù)任家兵、耿傳雄對(duì)化肥生命周期的清單排放相關(guān)的研究結(jié)果，以收獲生產(chǎn)1 000 kg的玉米為對(duì)照單位，依照表2中的農(nóng)資系統(tǒng)相應(yīng)的溫室氣體排放量×化肥投入量和產(chǎn)生的能源消耗，計(jì)算出玉米收獲過(guò)程中相關(guān)的農(nóng)資子生產(chǎn)系統(tǒng)的生命周期清單，見(jiàn)表 3。

表2 農(nóng)資系統(tǒng)（化肥生產(chǎn)）的溫室氣體排放量與能源消耗

表3 不同施磷水平體系下玉米種植農(nóng)資系統(tǒng)清單

2 結(jié)果與分析

加權(quán)統(tǒng)計(jì)農(nóng)資系統(tǒng)的環(huán)境排放列表，計(jì)算出單位產(chǎn)量能引起溫室效應(yīng)的污染物（CO2、CH4、CO和NOx）當(dāng)量排放值（圖1）。

從圖1可知，P90施磷處理下，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)最低，相較于P0施磷處理下降了1.68%，相較于P270施磷處理下降了18.38%。在磷肥施用量低于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而下降；在磷肥施用量大于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而增加。

圖1 不同施磷水平下單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)

3 討論

本研究中在不同施磷水平條件下，P90施磷處理的單位產(chǎn)量增溫潛勢(shì)最低，相較于P0施磷處理下降了1.68%，相較于P270施磷處理下降了18.38%。在磷肥施用量低于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而下降，在磷肥施用量大于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而增加。由此可見(jiàn)，合理施肥在降低增溫潛勢(shì)有更好的環(huán)境效應(yīng)。

4 結(jié)論

合理施用磷肥可降低單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)在磷肥施用量低于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而下降，在磷肥施用量大于P90時(shí)，單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)隨著磷肥施用量的增加而增加。在施磷水平為P90條件下單位產(chǎn)量的增溫潛勢(shì)達(dá)到最小。

綜上所述，施磷量為90 kg/ha時(shí)可使玉米產(chǎn)量達(dá)到最大值，并且使得單位產(chǎn)量的溫室氣體排放量最低，從而以更低的環(huán)境代價(jià)獲得作物高產(chǎn)高效，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效應(yīng)的最大化。