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  农业环境科学学报  2015, Vol. 34 Issue (7): 1422-1428

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张卫红, 李玉娥, 秦晓波, 万运帆, 刘硕, 高清竹
ZHANG Wei-hong, LI Yu-e, QIN Xiao-bo, WAN Yun-fan, LIU Shuo, GAO Qing-zhu
应用生命周期法评价我国测土配方施肥项目减排效果
Evaluation of Greenhouse Gas Emission Reduction by Balanced Fertilization in China Using Life Cycle Assessment
农业环境科学学报, 2015, 34(7): 1422-1428
Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(7): 1422-1428
http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2015.07.027

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收稿日期：2015-01-23
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张卫红, 李玉娥, 秦晓波, 万运帆, 刘硕, 高清竹. 应用生命周期法评价我国测土配方施肥项目减排效果[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(7): 1422-1428.
ZHANG Wei-hong, LI Yu-e, QIN Xiao-bo, WAN Yun-fan, LIU Shuo, GAO Qing-zhu. Evaluation of Greenhouse Gas Emission Reduction by Balanced Fertilization in China Using Life Cycle Assessment[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(7): 1422-1428.
应用生命周期法评价我国测土配方施肥项目减排效果
张卫红, 李玉娥 , 秦晓波, 万运帆, 刘硕, 高清竹    
中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室, 北京 100081
收稿日期:2015-01-23
作者简介:张卫红（1987-）,女，河北邯郸人，硕士研究生。研究方向为气候变化与农田温室气体排放。E-mail:weiihong2008@163.com
*通讯作者Corresponding author.李玉娥 E-mail:yueli@ami.ac.cn
摘要：近年来,我国大力推广测土配方施肥,有效改善了不合理施肥现象。研究测土配方施肥技术的节肥、减少温室气体排放效果,旨在为编制农田温室气体排放清单和制定农业减排对策提供依据。通过查阅相关文献估算我国测土配方施肥技术的节约氮肥量,应用生命周期评价(LCA)方法评估其减排效果,农田减排量依据《2006IPCC国家温室气体排放清单编制指南》提供的方法进行估算,工业生产过程的减排量依据Specific(primary) energy consumption(SEC)方法进行估算。结果表明:我国实施测土配方施肥技术可节约氮肥(27.23±7.42) kg N·hm-2;到2013年,测土配方施肥技术总计减排量达到了2 500.35万t CO2-e,其中由于氮肥田间施用量的减少导致农田总共减排1 171.83万t CO2-e,由于工业生产氮肥量的减少而节约标煤583.45万t,减排1 328.52万t CO2-e。测土配方施肥技术不仅可以节约氮肥用量,还可以降低温室气体排放量,因而应加大投资力度,扩大测土配方施肥面积,同时对测土配方施肥技术的适用性和经济性进行评价,进一步提高测土配方施肥技术的节肥减排效果,增强农业减排能力。
关键词： 生命周期评价(LCA)     测土配方施肥     节约氮肥     温室气体减排    
Evaluation of Greenhouse Gas Emission Reduction by Balanced Fertilization in China Using Life Cycle Assessment
ZHANG Wei-hong, LI Yu-e , QIN Xiao-bo, WAN Yun-fan, LIU Shuo, GAO Qing-zhu    
Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/The Key Laboratory for Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
Abstract:In recent years, China has actively been promoting the technology of balanced fertilization, which has greatly reduced unfavorable effects of fertilization. Studying the effects of this technology on the minimization of nitrogen fertilizer use and the reduction of greenhouse gas emission would provide the basis for establishing inventory of farmland greenhouse gas emissions and proposing measures for agricultural greenhouse gas emission reduction. In this study, data from the relevant literatures was used to estimate the amount of nitrogen fertilizer saving by balanced fertilization. Life Cycle Assessment(LCA) was used to evaluate the reduction of greenhouse gas emissions by balanced fertilization. The amount of emission reduction in farmlands and industrial processes was estimated by the methods used in the 2006 IPCC Guidelines for Nation Greenhouse Gas Inventories and the specific(primary) energy consumption(SEC), respectively. Balanced fertilization reduced the use of nitrogen fertilizers by (27.23±7.42)kg N·hm-2. In 2013, the total emission reduction by balanced fertilization was 25 003 500 tons CO2-e, of which 11 718 300 tons CO2-e was from farmlands. Of farmland sources, 10 142 100 tons CO2-e was direct N2O emission reduction and 1 576 100 tons CO2-e from reduced nitrogen volatilization and leaching/runoff. Industrial processes contributed to the reduction of 13 285 200 tons CO2-e from the conservation of 5 834 500 tons standard coal by reduced nitrogen fertilizer production. Implementing balanced fertilization could reduce nitrogen fertilizer use and thus greenhouse gas emissions.
Key words: LCA     balanced fertilization     nitrogen fertilizer use reduction     greenhouse gas emission reduction    
农业是温室气体的主要排放源之一，排放量占全球总温室气体排放的13.5%[1].农田施肥是N2O的主要排放源，我国由于农业施肥造成的N2O排放占全国N2O排放总量的74%[2].我国农业氮肥施用量约占全球氮肥用量的30%[3],氮肥施用量从1980年的934.2万t增加到2012年的2 399.9万t（折纯量）[4].农业部从2005年开始启动测土配方施肥项目，中央一号文件多次提及要实施推广测土配方施肥项目[5, 6, 7].利用生命周期评价（LCA）方法综合评价测土配方施肥减排效果，对于编制温室气体排放清单和制定农业减排对策具有重要意义。针对测土配方施肥的增产、节肥效果已经开展了较多研究，一致认同测土配方施肥技术有增产作用，但是对氮肥合理用量的研究结果不尽相同。有研究认为，采用测土配方施肥技术能够有效减少氮肥施用量[8, 9, 10],有的则认为采用该技术增加了氮肥施用量[11].对不同粮食作物的节约氮肥效果研究也不一致[12, 13].对于测土配方施肥在减少温室气体排放方面的作用研究很少。本文通过搜集与分析三种主要粮食作物（小麦、水稻和玉米）采用测土配方施肥后的氮肥用量，应用LCA方法核算测土配方对农田直接和间接N2O排放以及对化肥生产过程CO2排放的影响，采用《2006 IPCC国家温室气体排放清单编制指南》[14]提供的方法和Specific（primary） energy consumption（SEC）方法[15]估算2006-2013年我国测土配方施肥的温室气体减排效果，为国家采取减少温室气体排放、应对气候变化措施提供依据。 1 材料与方法 1.1 数据来源

数据来源于万方、维普和ScienceDirect、SpringerLink等数据库。文献选择遵循如下原则：试验处理包括测土配方施肥处理和农民习惯施肥处理；试验数据取自大田试验结果；试验作物包括小麦、玉米、水稻三种主要粮食作物。最终符合标准的文献有73篇，数据覆盖全国24个省、市、自治区，包含了小麦、玉米、水稻三种粮食作物的主要种植区域（图 1）.

图 1 测土配方施肥试验站点分布 Figure 1 Distribution of experimental stations
图选项
1.2 配方施肥减少农田N2O排放效果估算

根据2006IPCC清单编制指南，施肥导致的农田N2O排放计算公式分述如下。 1.2.1 N2O直接排放

其中：N2O直接-N为N2O-N直接排放，kg N2O-N·a-1;FSN为每年无机氮肥施用量，kg N·a-1;EF1为氮肥N2O排放因子，kg N2O-N·kg-1 N投入；EF1FR为氮肥投入到稻田引起的N2O排放的排放因子，kg N2O-N·kg-1 N投入。

采用式（2）将N2O-N排放量换算成N2O排放量：

2006IPCC清单编制指南提供的农田N2O排放因子EF1=0.01,EF1FR=0.003.Gao等 [16]研究发现中国的排放因子EF1=0.010 5,EF1FR=0.004 1.氮肥在旱地和稻田的施用比例分别是68.55%、31.45%[17].据此，N2O直接排放因子的加权平均值是：

0.010 5×68.55%+0.004 1×31.45%=0.008 5 1.2.2 N2O间接排放

N2O间接排放的途径主要有两种：一是以NOX和NH3形式挥发的氮，从大气沉降到土壤后导致的N2O排放；二是氮渗漏和径流后导致的N2O排放。 氮肥挥发导致的N2O排放由式（3）计算：

其中：N2O（ATD）-N为挥发氮从大气沉降到土壤后导致的N2O-N的年排放量，kg N2O-N·a-1;FSN为每年无机氮肥施用量，kg N·a-1;FracGASF为以NH3和NOX形式挥发的化肥氮比例，kg挥发N·kg-1 N投入（表 1）;EF2为土壤和水面大气沉降氮的排放因子，N2O-N/挥发的kg NH3-N与NOX-N（表 1）.
表 1 IPCC默认排放因子 Table 1 Default emission factors of IPCC
表选项

采用式（4）将N2O（ATD）-N排放量换算成N2O（ATD）排放量：

淋溶/径流发生地区土壤氮淋溶/径流产生的N2O排放由式（5）计算：

其中：N2O（L）-N为淋溶/径流发生地区每年施加到土壤中的氮由于淋溶和径流产生的N2O-N量，kg N2O-N·a-1;FSN为淋溶/径流发生地区每年无机氮肥施用量，kg N·a-1;FracLEACH-（H）为淋溶/径流发生地区通过淋溶和径流损失的比例，kg N·kg-1施氮（表 1）;EF3为氮淋溶和径流引起的N2O排放因子，kg N2O-N·kg-1淋溶和径流氮（表 1）.

用式（6）将N2O（L）-N排放量换算成N2O（L）排放量：

1.2.3 CO2排放

尿素和碳酸氢铵作为主要氮肥品种，施入农田以后会直接排放CO2,但是这两种氮肥在其工业生产过程也会固定等量的CO2,因此这部分CO2的排放量在计算时不考虑。 1.3 配方施肥导致的工业氮肥生产的减排效果

选取我国主要氮肥品种，通过查询中国肥料手册[18]得知单位氮肥产品对主要原材料以及动力消耗数据如表 2所示。

表 2 每吨氮肥生产能耗 Table 2 Energy consumption for producing nitrogen fertilizer
表选项

氮肥生产的综合能耗计算采用SEC方法，将各类氮肥生产所需的原料以及二级能源根据转化效率全部转化为初级能源后折算成标煤消耗量。公式如下：

其中：E为单位氮肥综合能耗；C氮为生产1 t氮肥产品消耗的氨，t氨·t-1;E氮为生产1 t合成氨的综合能耗，kg标煤·t-1氨，本文采用我国2005年合成氨的单位能耗值1700 kg标煤·t-1氨[19];C电为生产1 t氮肥消耗的电量，kWh·t-1;R电为生产1 kWh电能消耗的标煤，kg标煤·kWh-1,本文采用国家发改委2000年的数据，生产1 kWh电能消耗0.392 kg标煤；C汽为生产1 t氮肥消耗的蒸汽，t蒸汽·t-1;R汽为生产1 t蒸汽需要的耗能，kg标煤·t-1蒸汽，本文取值[20]为101 kg标煤·t-1蒸汽。

根据上式可以计算得出单位氮肥产品的综合能耗，依据氮肥产品含氮量，可以计算得出纯氮综合能耗值，如表 3所示。

表 3 我国主要氮肥生产综合能耗 Table 3 Energy consumption for producing nitrogen fertilizer in China
表选项
根据中国氮肥工业协会统计资料，2013年我国尿素产量是7137万t,占主要氮肥产品的62.69%;碳酸氢铵2200万t,占主要氮肥产品的19.32%;硝酸铵798万t,占主要氮肥产品的7.01%;氯化铵1250万t,占主要氮肥产品的10.98%.

结合表 3数据，纯氮综合能耗的加权平均值是：

2 293.2×62.69%+2 470.2×19.32%+1 172.9×7.01%+2 666.5×10.98%=2 289.85 kg标煤·t-1 2 结果与分析 2.1 我国测土配方施肥现状

2005年农业部开始启动实施测土配方施肥补贴项目。2006年中央财政安排测土配方施肥补贴资金5亿元，推广面积1.73×107 hm2 [21];2011年，国家免费为1.7亿农户提供测土配方施肥技术服务，推广测土配方施肥技术8×107 hm2以上[22];到2012年，全国推广测土配方施肥技术8.67×107 hm2（次）以上，免费为1.8亿农户提供测土配方施肥技术服务[23];2013年，国家继续增强扶持力度，免费为1.9亿农户提供测土配方施肥指导服务，推广测土配方施肥技术9.33×107 hm2 [24].2006年至2013年，测土配方施肥技术得到了广泛应用，由2006年的1.73×107 hm2增加到了2013年的9.33×107 hm2（图 2）.

图 2 2006-2013年全国测土配方施肥面积 Figure 2 Land area under balanced fertilization in China from 2006 to 2013
图选项
2.2 节肥减排估算

通过搜集并分析文献数据，获得主要粮食作物小麦、玉米、水稻因采用测土配方施肥技术而节约的氮肥量（图 3）.依据中国统计年鉴，得出三种主要粮食作物近三年播种面积均值，根据三种主要粮食作物播种面积比例，计算得出三种主要粮食作物节约氮肥量的权重值为（27.23±7.42）kg N·hm-2.

图 3 测土配方施肥氮肥节约量 Figure 3 Nitrogen fertilizer saving caused by balanced fertilization
图选项
2.2.1 N2O直接减排量估算

根据上述计算结果，三种主要粮食作物平均节氮量为（27.23±7.42）kg N·hm-2.根据公式（1）（2）,基于统计数据计算得出，2006年采用测土配方施肥技术以后，节约氮肥用量为（47.32±12.74）万t,随着测土配方施肥面积的增加，2013年增加到了（254.80±68.60）万t.2006年N2O直接减排量为（0.63±0.17）万t,相当于减排188.35万t CO2-e,2013年N2O直接减排量增加到了（3.40±0.92）万t,相当于减排1 014.21万t CO2-e（表 4）.

表 4 测土配方施肥农田N2O减排量（万t） Table 4 N2O emission reduction by balanced fertilization（104 tons）
表选项
2.2.2 N2O间接减排量估算

（1）由氮肥挥发减少产生的N2O减排量

由节约氮肥量数据以及公式（3）（4）,计算2006-2013年由于氮肥挥发减少产生的N2O减排量。2006年N2O间接减排（0.07±0.02）万t,相当于减排22.16万t CO2-e,到2013年，N2O减排量增加到了（0.40±0.11）万t,即减排119.32万t CO2-e（表 4）.

（2）由氮肥淋溶/径流减少产生的N2O减排量

在计算此部分N2O减排量时，首先需要确定容易发生淋溶/径流的区域，依据2006IPCC清单编制指南，易发生淋溶区域的选择标准是：降水量>0.5×蒸发皿蒸发量。根据全国各省份年平均降雨量以及蒸发皿蒸发量[25],选择以下11个省份作为易发生淋溶/径流的区域：江苏、福建、浙江、上海、湖南、江西、广东、广西、海南、云南、贵州。

受数据获取限制，无法查得以上省份不同年份测土配方施肥推广面积，因此利用文献得到的易发生淋溶/径流区域测土配方施肥的节氮量以及这些省份2007、2008年的耕作面积，根据2007年和2008年全国配方面积占耕作面积的比例推算以上省份的配方面积，再依据以上省份的单位面积节约氮肥用量，最终得到易发生淋溶/径流区域节约氮肥量是36.35万t·a-1.根据公式（5）（6）得到淋溶/径流区域的N2O减排量为0.128 5万t·a-1,相当于减排38.29万t CO2-e. 2.2.3 N2O总减排量估算

基于上述计算的N2O的直接减排量以及由于氮挥发和氮淋溶减少而产生的N2O间接减排量，可知N2O总减排量由2006年的（0.83±0.19）万t增加到了2013年的（3.93±1.02）万t,即2006年减排248.81万t CO2-e,随着测土配方施肥面积的增加，2013年减排量达到了1 171.83万t CO2-e（表 4）. 2.3 工业过程节能减排估算

根据节约纯氮量以及方法中计算出来的纯氮综合能耗加权平均值2 289.85 kg标煤·t-1纯氮，得出每年减少的标煤用量，每吨标煤的CO2排放因子以2.277为标准[26],进而计算得出工业过程CO2减排量从2006年的（246.73±66.43）万t增加到了2013年的（1 328.52±357.68）万t（表 5）.

表 5 工业过程CO2减排量（万t） Table 5 Reduction of CO2 emissions in industrial processes（104 tons）
表选项
3 讨论

前人关于测土配方施肥的减排效果鲜有研究，大田试验主要是在一个或几个站点进行，搜集文献数据也主要集中在某一特定区域，没有全国尺度的关于测土配方的节肥减排效果估算。本文通过搜集全国大量不同站点的试验数据，估算了全国尺度的节约氮肥量，并且应用LCA方法评价其从工业生产到农田施用的总减排量。

2006年采用测土配方施肥技术后的节约氮肥用量使得农田和工业生产过程总共减排495.53万t CO2-e.随着配方施肥的推广，到2013年，农田和工业减排量已经达到了2 500.35万t CO2-e.2006-2013年，农田减排量占总减排的平均比例为47.6%,其中：农田N2O直接减排量占农田减排量的84.3%,占总减排量的40.0%;农田N2O间接减排量占农田减排量的15.7%,占总减排量的7.5%.2006-2013年，工业减排量占到了总减排量的52.4%（图 4）.测土配方施肥技术节氮减排效果显着，通过测土配方施肥减少温室气体排放有很大的发展空间。

图 4 2006-2013年农田及工业温室气体减排趋势 Figure 4 Trends of greenhouse gas emission reduction in farmlands and industrial processes from 2006 to 2013
图选项

本研究通过搜集文献数据，估算了测土配方施肥技术的节氮减排效果，弥补了前人研究的空白，为我国实施测土配方施肥技术提供了理论依据。但本研究在搜集数据过程中无法精确搜集2006-2013年我国不同粮食作物采用测土配方施肥的面积，以及在淋溶径流区域选择方面条件相对理想化，而实际情况比较复杂，年际间也有变化，因此实际节氮量与估算结果存在差异。另外，目前没有估算大气中氨气转化为氧化亚氮的方法，而且关于排放因子、渗漏和挥发所占比例的信息还不是很足，因此对于估算氧化亚氮间接排放量还存在一定的不确定性[27]. 4 结论

我国采用测土配方施肥技术，会使氮肥施用量减少，小麦节约纯氮（25.32±9.13）kg·hm-2,玉米节约（37.40±6.44）kg·hm-2,水稻节约（17.36±7.15）kg·hm-2.三种主要粮食作物平均节约纯氮（27.23±7.42）kg·hm-2.

氮肥用量减少带来农田和工业生产氮肥两个过程的减排。2013年，农田和工业生产氮肥总计减排2 500.35万t CO2-e,其中氮肥施用量减少导致N2O直接减排3.40万t,相当于减排1 014.21万tCO2-e,由于氮肥挥发和氮淋溶减少导致N2O间接减排0.53万t,相当于减排157.61万t CO2-e;工业节约标煤用量583.45万t,减排1 328.52万t CO2-e.2006-2013年，农田减排量占总减排量的平均比例为47.6%,工业减排量占总减排量的平均比例为52.4%.

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