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摘 要 采用生命周期评价方法以化肥生产及小麦种植过程中化肥施用为系统边界，构建基于生命周期评价化肥施用碳排放分析模型，分析了安徽省2000—2016年小麦化肥施用过程中产生的碳排放量。结果表明，2000—2016年小麦化肥施用总量不断增加，增长了约38.6%，但小麦化肥施用产生的碳排放量没有明显的增加或减少的趋势，主要原因在于化肥施用种类发生了变化。为了减少小麦化肥施用产生的碳排放，建议生产最适合小麦生长所需养分最佳配比的专用型复合肥。
关键词 安徽省;小麦：化肥;碳排放
中图分类号：F222.3;X839.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.34.026
我国作为世界人口大国，随着经济的发展，人口的不断增加，耕地的逐年减少，粮食安全成为国家安全的关键，而提高粮食单产则成为解决我国粮食安全问题的主要途径[1]。长期的农业实践证明，施用化肥是粮食增产的关键因素，且随着化肥施用量的逐渐增加，粮食的产量也在增加。化肥作為农业生产、粮食增收的重要贡献者功不可没，但相对于发达国家而言，我国逐年递增的施用量、较低的利用率又使其成为我国环境污染，尤其是水体污染的重要面源之一[2]。因此，十分有必要对农业生产过程中化肥施用带来的环境影响进行分析，为减轻农业生产为环境带来的负担和化肥的高效利用提供理论依据和科学基础。
国内外有不少学者对农田化肥施用造成的环境影响进行了大量研究，Amalia Zucaro等通过生命周期评价方法成功地分析了意大利南部地中海玉米作物在传统施肥模式和环境友好型施肥模式下产生的不同环境影响，并提出有利于减少环境影响的方案[3];Quirós R利用生命周期方法分析花椰菜和西红柿种植轮作顺序中有机、无机肥料施用对环境的影响，为农业生产可持续性发展提供理论基础[4];李贞宇对我国不同区域小麦施肥造成的资源环境影响进行生命周期评价，在几种资源环境影响中，潜力大小依次是富营养化、环境酸化、温室效应、土地利用和能源消耗，其中施用氮肥引起的氨挥发是导致富营养化和酸化的主要因素[5]。
本文采用LCA方法，以农业生产系统包括农资和种植过程中的化肥施用为研究对象，构建基于生命周期评价化肥施用环境影响分析模型，并以安徽省为例，比较和分析安徽省2000—2016年小麦生产系统化肥施用造成的碳排放环境影响，以期为我国农业生产中合理施肥，减少资源的浪费，降低环境的污染等提供理论参考，指导作物产品的清洁生产。
1 材料与方法
1.1 研究区域状况
安徽省地处华东腹地，地跨淮河、长江、新安江三个流域，是中国农业开发历史较长的地区之一[6]。2016年安徽省土地总面积为140 140 km2，耕地面积58 730 km2，约占42%，化肥施用总量高达327万吨[7];农作物每公顷化肥平均施用量达556.8 kg，是国际上公认的化肥施用安全上限（225 kg）的2.47倍。
1.2 计算方法
根据ISO提出的LCA方法构建基于生命周期评价化肥施用环境影响分析模型，由小麦施肥产生的碳排放足迹，确定图1所示的小麦生产化肥施用系统边界。本文以种植面积和产量较多的小麦为研究对象，功能单位分别为每年生产1 hm2作物。评价的环境影响中，碳排放用CO2表示。
化肥生产环节产生的碳排放参考陈舜《中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数的估算》给出不同种类化肥生产产生的碳排放量[8]。种植环节碳足迹计算方法及相关参数均来源于《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》。
CFi=CEi（input）+CEi（N2O） （1）
（1）式中，CFi为小麦每公顷每年产生的总碳排放量，单位kg;CEi（input）为小麦与化肥投入相关的温室气体排放量每公顷每年的间接总量，单位kg;CEi（N2O）为小麦种植阶段内每公顷每年转化为CO2当量的N2O排放量的累积量，单位kg。
CEi（input）的计算公式为：
（2）
（2）式中，k1、k2、k3分别为氮肥、磷肥、钾肥的养分含量，氮肥以N计，磷肥以P2O5计，钾肥以K2O计，且k1=46.5%、k2=13.6%、k3=52.4%;e1、e2、e3分别为氮肥、磷肥、钾肥制造温室气体排放系数，且e1=2.041（kg CE/kg N）、e2=0.195（kg CE/kg P2O5）、e3=0.168（kg CE/kg K2O），CE=12/44×CO2-eq。
CEi（N2O）的计算公式为：
CEi（N2O）= FN-input×ε×44 /28×310 （3）
FN-input为作物种植阶段每公顷每年施用氮肥和复合肥中氮含量，单位kg;ε是施用氮肥诱导的N2O排放因子（N2O-N/kg氮肥），据IPCC（2006）估计，ε干旱农田为0.01，水稻田为0.003，因此ε取值0.01。
1.3 数据来源
各类作物的化肥施用量的具体数据来自《全国农产品成本收益资料汇编2000—2017》，其他参数取自公开发表的文献。因2002年的安徽省小麦施肥具体量没有记载，故无法进行分析。 2 结果与分析
安徽省施用的复（混）合肥大多数养分比例为N∶P2O5∶K2O = 1∶15∶15，磷肥主要成分为过磷酸钙，氮肥主要成分为尿素，钾肥主要成分为氯化钾。如图2所示，小麦化肥施用总量从2000年至2016年总体不断增加，其中复合肥的施用量不断增加，从2000年的300 kg·hm-2增至2016年的415.8 kg·hm-2，增长了38.6%;氮肥施用量逐渐减少，从2000年的200.5 kg·hm-2减至2016年的99 kg·hm-2;且磷肥和钾肥的施用量也在不断减少。磷肥和钾肥不断减少的原因是复合肥施用量的增加，复合肥中含有丰富的磷养分和钾养分。化肥生产需要消耗磷、硫、钾、氨和水资源，以及煤、石油和天然气等能源，世界上每年有84%～90%的磷矿用于生产各种磷肥，90%～93%的钾盐用于生产钾肥。石油、煤、天然气是合成氨的重要原料，世界大约有80%的合成氨以天然气为原料[9]。施用量既高，同时又是生产过程中大量消耗化石燃料的高能耗产品，化肥自然成为了农作物种植过程中最重要的非直接碳排放源之一[10]。
由图3可知，2000—2016年小麦化肥施用产生的碳排放量处于波動状态，没有明显的增长或下降趋势。平均每公顷每年小麦施用化肥产生的碳排放为1 175.52 kg（CO2），其中2010年小麦化肥施用产生的碳排放量最少，为1 070.10 kg（CO2），2000年碳排放量最多，为1 276.32 kg（CO2），是2010年的1.19倍。农资环节（即化肥生产过程）产生的碳排放量约占总碳排放量的62.1%。由氮肥（2.041 kg CE/kg N）、磷肥（0.195 kg CE/kg P2O5）和钾肥（0.168 kg CE/kg K2O）的碳排放系数可知，生产氮肥产生的温室气体大于磷肥和钾肥产生的温室气体量;且由计算模型知种植环节产生的碳排放与N2O有关，而N2O的产生与小麦氮肥及复合肥施用量有关，其施用量越多产生的N2O越多，气候变化以CO2为参照物转换为全球变暖潜力（以CO2当量表示），N2O的当量系数是310。观察两幅图可知，2000年小麦化肥施用产生的碳排放最高，同期氮肥施用量也最高;2010年的氮肥施用量最低，同期小麦化肥施用产生的碳排放量也最低。
由以上结果分析可以推断，小麦化肥施用产生的碳排放与氮肥的施用量密切相关。氮肥的施用量随着年份的增加逐渐减少，但随着复合肥施用量的增加，总的碳排放量变化不大。我国复合肥中等养分配比（15-15-15）的通用型产品仍是主流[11]。因此，为了减少小麦化肥施用产生的碳排放，建议调整复合肥的养分配比，即应该根据土壤养分测试结果开发专用配方复合肥，发展特定作物、特定生育期的系列专用型复合肥[11]。使用专用型复合肥，不仅可以减少碳排放，还可以减少资源浪费。
3 结论
本文针对种植环节的碳排放只考虑了化肥施用产生的碳排放，并没有考虑机械和灌溉产生的碳排放。研究分析得出以下结论：1）安徽省2000—2016年小麦化肥施用总量不断增加，小麦化肥施用产生的碳排放量变化不大，其原因主要与化肥的使用类型有关。2）为了减少小麦化肥施用产生的碳排放量，建议生产最适合小麦生长所需养分最佳配比的专用型复合肥。
参考文献：
[1] 张福锁，马文奇.肥料投入水平与养分资源高效利用的关系[J].土壤与环境，2000，9（2）：154-157.
[2] 黄文芳.农业化肥污染的政策成因及对策分析[J].生态环境学报，2011，20（1）：193-198.
[3] Zucaro A， Ripa M， Mellino S， et al. Urban resource use and environmental performance indicators： an application of decomposition analysis[J]. Ecological Indicators， 2014， 47：16-25.
[4] Quirós R， Villalba G， Gabarrell X， et al. Life cycle assessment of organic and mineral fertilizers in a crop sequence of cauliflower and tomato[J]. International Journal of Environmental Science & Technology， 2015， 12（10）： 3299-3316.
[5] 李贞宇，王旭，高志岭，等.我国不同区域小麦施肥资源环境影响的生命周期评价[J].农业环境科学学报，2010，29（7）：1417-1422.
[6] 陈莉，张士云.安徽农业经济增长的影响因素分析[J].中国农学通报，2004（2）：222-225.
[7] 安徽省统计局.安徽统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2015.
[8] 陈舜，逯非，王效科.中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数的估算[J].生态学报，2015，35（19）：6371-6383.
[9] 陈风英，赵宏图.国际战略资源调查[M].北京：时事出版社，2005：275.
[10] Lal R. Carbon emission from farm operations[J]. Environment International， 2004， 30（7）： 981-990.
[11] 张卫峰，李亮科，陈新平，等.我国复合肥发展现状及存在的问题[J].磷肥与复肥，2009，24（2）：14-16.
关键词 安徽省;小麦：化肥;碳排放
中图分类号：F222.3;X839.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.34.026
我国作为世界人口大国，随着经济的发展，人口的不断增加，耕地的逐年减少，粮食安全成为国家安全的关键，而提高粮食单产则成为解决我国粮食安全问题的主要途径[1]。长期的农业实践证明，施用化肥是粮食增产的关键因素，且随着化肥施用量的逐渐增加，粮食的产量也在增加。化肥作為农业生产、粮食增收的重要贡献者功不可没，但相对于发达国家而言，我国逐年递增的施用量、较低的利用率又使其成为我国环境污染，尤其是水体污染的重要面源之一[2]。因此，十分有必要对农业生产过程中化肥施用带来的环境影响进行分析，为减轻农业生产为环境带来的负担和化肥的高效利用提供理论依据和科学基础。
国内外有不少学者对农田化肥施用造成的环境影响进行了大量研究，Amalia Zucaro等通过生命周期评价方法成功地分析了意大利南部地中海玉米作物在传统施肥模式和环境友好型施肥模式下产生的不同环境影响，并提出有利于减少环境影响的方案[3];Quirós R利用生命周期方法分析花椰菜和西红柿种植轮作顺序中有机、无机肥料施用对环境的影响，为农业生产可持续性发展提供理论基础[4];李贞宇对我国不同区域小麦施肥造成的资源环境影响进行生命周期评价，在几种资源环境影响中，潜力大小依次是富营养化、环境酸化、温室效应、土地利用和能源消耗，其中施用氮肥引起的氨挥发是导致富营养化和酸化的主要因素[5]。
本文采用LCA方法，以农业生产系统包括农资和种植过程中的化肥施用为研究对象，构建基于生命周期评价化肥施用环境影响分析模型，并以安徽省为例，比较和分析安徽省2000—2016年小麦生产系统化肥施用造成的碳排放环境影响，以期为我国农业生产中合理施肥，减少资源的浪费，降低环境的污染等提供理论参考，指导作物产品的清洁生产。
1 材料与方法
1.1 研究区域状况
安徽省地处华东腹地，地跨淮河、长江、新安江三个流域，是中国农业开发历史较长的地区之一[6]。2016年安徽省土地总面积为140 140 km2，耕地面积58 730 km2，约占42%，化肥施用总量高达327万吨[7];农作物每公顷化肥平均施用量达556.8 kg，是国际上公认的化肥施用安全上限（225 kg）的2.47倍。
1.2 计算方法
根据ISO提出的LCA方法构建基于生命周期评价化肥施用环境影响分析模型，由小麦施肥产生的碳排放足迹，确定图1所示的小麦生产化肥施用系统边界。本文以种植面积和产量较多的小麦为研究对象，功能单位分别为每年生产1 hm2作物。评价的环境影响中，碳排放用CO2表示。
化肥生产环节产生的碳排放参考陈舜《中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数的估算》给出不同种类化肥生产产生的碳排放量[8]。种植环节碳足迹计算方法及相关参数均来源于《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》。
CFi=CEi（input）+CEi（N2O） （1）
（1）式中，CFi为小麦每公顷每年产生的总碳排放量，单位kg;CEi（input）为小麦与化肥投入相关的温室气体排放量每公顷每年的间接总量，单位kg;CEi（N2O）为小麦种植阶段内每公顷每年转化为CO2当量的N2O排放量的累积量，单位kg。
CEi（input）的计算公式为：
（2）
（2）式中，k1、k2、k3分别为氮肥、磷肥、钾肥的养分含量，氮肥以N计，磷肥以P2O5计，钾肥以K2O计，且k1=46.5%、k2=13.6%、k3=52.4%;e1、e2、e3分别为氮肥、磷肥、钾肥制造温室气体排放系数，且e1=2.041（kg CE/kg N）、e2=0.195（kg CE/kg P2O5）、e3=0.168（kg CE/kg K2O），CE=12/44×CO2-eq。
CEi（N2O）的计算公式为：
CEi（N2O）= FN-input×ε×44 /28×310 （3）
FN-input为作物种植阶段每公顷每年施用氮肥和复合肥中氮含量，单位kg;ε是施用氮肥诱导的N2O排放因子（N2O-N/kg氮肥），据IPCC（2006）估计，ε干旱农田为0.01，水稻田为0.003，因此ε取值0.01。
1.3 数据来源
各类作物的化肥施用量的具体数据来自《全国农产品成本收益资料汇编2000—2017》，其他参数取自公开发表的文献。因2002年的安徽省小麦施肥具体量没有记载，故无法进行分析。 2 结果与分析
安徽省施用的复（混）合肥大多数养分比例为N∶P2O5∶K2O = 1∶15∶15，磷肥主要成分为过磷酸钙，氮肥主要成分为尿素，钾肥主要成分为氯化钾。如图2所示，小麦化肥施用总量从2000年至2016年总体不断增加，其中复合肥的施用量不断增加，从2000年的300 kg·hm-2增至2016年的415.8 kg·hm-2，增长了38.6%;氮肥施用量逐渐减少，从2000年的200.5 kg·hm-2减至2016年的99 kg·hm-2;且磷肥和钾肥的施用量也在不断减少。磷肥和钾肥不断减少的原因是复合肥施用量的增加，复合肥中含有丰富的磷养分和钾养分。化肥生产需要消耗磷、硫、钾、氨和水资源，以及煤、石油和天然气等能源，世界上每年有84%～90%的磷矿用于生产各种磷肥，90%～93%的钾盐用于生产钾肥。石油、煤、天然气是合成氨的重要原料，世界大约有80%的合成氨以天然气为原料[9]。施用量既高，同时又是生产过程中大量消耗化石燃料的高能耗产品，化肥自然成为了农作物种植过程中最重要的非直接碳排放源之一[10]。
由图3可知，2000—2016年小麦化肥施用产生的碳排放量处于波動状态，没有明显的增长或下降趋势。平均每公顷每年小麦施用化肥产生的碳排放为1 175.52 kg（CO2），其中2010年小麦化肥施用产生的碳排放量最少，为1 070.10 kg（CO2），2000年碳排放量最多，为1 276.32 kg（CO2），是2010年的1.19倍。农资环节（即化肥生产过程）产生的碳排放量约占总碳排放量的62.1%。由氮肥（2.041 kg CE/kg N）、磷肥（0.195 kg CE/kg P2O5）和钾肥（0.168 kg CE/kg K2O）的碳排放系数可知，生产氮肥产生的温室气体大于磷肥和钾肥产生的温室气体量;且由计算模型知种植环节产生的碳排放与N2O有关，而N2O的产生与小麦氮肥及复合肥施用量有关，其施用量越多产生的N2O越多，气候变化以CO2为参照物转换为全球变暖潜力（以CO2当量表示），N2O的当量系数是310。观察两幅图可知，2000年小麦化肥施用产生的碳排放最高，同期氮肥施用量也最高;2010年的氮肥施用量最低，同期小麦化肥施用产生的碳排放量也最低。
由以上结果分析可以推断，小麦化肥施用产生的碳排放与氮肥的施用量密切相关。氮肥的施用量随着年份的增加逐渐减少，但随着复合肥施用量的增加，总的碳排放量变化不大。我国复合肥中等养分配比（15-15-15）的通用型产品仍是主流[11]。因此，为了减少小麦化肥施用产生的碳排放，建议调整复合肥的养分配比，即应该根据土壤养分测试结果开发专用配方复合肥，发展特定作物、特定生育期的系列专用型复合肥[11]。使用专用型复合肥，不仅可以减少碳排放，还可以减少资源浪费。
3 结论
本文针对种植环节的碳排放只考虑了化肥施用产生的碳排放，并没有考虑机械和灌溉产生的碳排放。研究分析得出以下结论：1）安徽省2000—2016年小麦化肥施用总量不断增加，小麦化肥施用产生的碳排放量变化不大，其原因主要与化肥的使用类型有关。2）为了减少小麦化肥施用产生的碳排放量，建议生产最适合小麦生长所需养分最佳配比的专用型复合肥。
参考文献：
[1] 张福锁，马文奇.肥料投入水平与养分资源高效利用的关系[J].土壤与环境，2000，9（2）：154-157.
[2] 黄文芳.农业化肥污染的政策成因及对策分析[J].生态环境学报，2011，20（1）：193-198.
[3] Zucaro A， Ripa M， Mellino S， et al. Urban resource use and environmental performance indicators： an application of decomposition analysis[J]. Ecological Indicators， 2014， 47：16-25.
[4] Quirós R， Villalba G， Gabarrell X， et al. Life cycle assessment of organic and mineral fertilizers in a crop sequence of cauliflower and tomato[J]. International Journal of Environmental Science & Technology， 2015， 12（10）： 3299-3316.
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[6] 陈莉，张士云.安徽农业经济增长的影响因素分析[J].中国农学通报，2004（2）：222-225.
[7] 安徽省统计局.安徽统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2015.
[8] 陈舜，逯非，王效科.中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数的估算[J].生态学报，2015，35（19）：6371-6383.
[9] 陈风英，赵宏图.国际战略资源调查[M].北京：时事出版社，2005：275.
[10] Lal R. Carbon emission from farm operations[J]. Environment International， 2004， 30（7）： 981-990.
[11] 张卫峰，李亮科，陈新平，等.我国复合肥发展现状及存在的问题[J].磷肥与复肥，2009，24（2）：14-16.