化肥投入对河北省玉米体系活性氮排放与碳足迹影响

连炳瑞，李雅豪，王激清，杨俊刚，邹国元

（1.河北北方学院，河北 张家口 075000；2.北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；3.北京市缓控释肥料工程技术研究中心，北京 100097）

河北省是我国玉米生产和消费大省，2007年全省玉米播种面积达286万hm2，总产量1 423万t，到2016年玉米播种面积为319万hm2，占全国总播种面积的8.68%［1］，玉米产业规模不断扩大。化肥是粮食的“粮食”，施用化肥可以提高土壤肥力，还可以快速、大幅度地提高粮食产量，但氮、磷、钾肥的过量施用，对环境的负荷也在快速增加。我国依靠投入大量化肥推动农业生产，由于化肥资源过多投入，造成肥料利用率不高，为我国环境带来了相当大的负担［2］。在全国农业向现代化发展的总目标引领下，河北省玉米种植体系的产出与环境代价如何，日后发展需要在哪些方面改进，都非常值得去深入分析和研究［3］。因此，对农业生产过程中化肥投入给环境带来的负面影响进行定量分析，可以为化肥的合理高效利用、生产粮食作物专用肥和减少化肥对环境带来的负担提供科学依据。

生命周期评价法（life cycle assessment，简称LCA）是分析评价环境的一种工具，以玉米为例，对玉米在整个生命周期活动内的所有环境冲突，进行有效的定量化数据分析，并对玉米从准备种植开始到收获销售完成，这个全过程所涉及的环境问题进行分析和评价［4］。在国内也有不少研究者对使用化肥造成的环境正负面影响进行了大量的分析和研究。如陈晓芳等［5］采用生命周期方法分析了安徽省小麦化肥施用过程中排放的碳足迹，提出生产适合小麦的专用型复混肥的建议；李贞宇等［6］运用LCA法比较了五省玉米施肥带来的影响环境的潜力，建议采用合理施肥方式和降低氮的挥发是减少施肥对资源环境影响潜力的关键性技术途径；陈中督等［7］使用氮足迹理论和生命周期系统分析表明节省肥料是促进我国油菜绿色、健康和可持续发展的必要措施。当前对河北省玉米生产的LCA内容报告还比较少，因此利用生命周期评价法定量分析河北省玉米体系产生的活性氮排放和碳足迹对于河北省农业发展具有重要意义。本研究以2004—2018年15年间的河北省玉米体系种植信息及施肥数据为基础，对玉米体系产生的环境影响进行定量化分析，以期对区域玉米发展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

河北省位于华北平原，由燕山、太行山和渤海环绕，内嵌北京和天津。河北省农作物种植面积约为836万hm2，玉米约占农作物种植总面积的42.4%。年均降水量484.5 mm，降水量分布特点为东南多西北少，1月平均气温在3℃以下，7月平均气温18～27℃，四季分明［8］。

1.2 研究方法

以河北省玉米体系为研究对象，计算玉米化肥生产阶段和玉米种植阶段产生的活性氮排放和碳足迹，通过生命周期评价法和玉米化肥施用对环境的影响为手段，进行分析和评价化肥投入对环境造成的影响。引用《中国氮磷钾肥制造温室气体排放系数的估算》［9］《2006年IPCC国家温室气体清单指南》［10］中已给出的数据和参数（系统中化肥产生的活性氮排放和碳足迹主要以温室气体的形式进行表示：化肥生产阶段的CO2、NOX、NH3和农田种植阶段的CH4、N2O）。

用化肥投入对环境产生的碳排放量表示河北省的碳足迹，基于生命周期评价法，通过下列公式进行计算［11］：

式中：C生产为化肥生产阶段对环境产生碳足迹的间接总量，C种植为玉米种植阶段化肥施用对环境产生N2O累积量转化为碳足迹，C总为玉米化肥投入对环境产生的总碳足迹。X1、X2、X3为纯氮肥、磷肥和钾肥的施用量；N为作物种植阶段施用化肥的纯氮含量；单位为kg／hm2。e1、e2、e3分别为氮肥、磷肥、钾肥制造的温室气体排放系数，e1＝2.041，e2＝0.195，e3＝0.168；a是施用氮肥诱导的N2O排放系数，a＝0.01。

玉米化肥投入对环境产生的活性氮排放分别用N2O、NO3－和NH3来表示，通过下列公式计算［12］：

式中：Y（N2O）表示玉米体系化肥施用对环境产生的N2O排放量，Y（NO3－）表示玉米体系化肥施用对环境造成的硝态N淋洗量，Y（NH3）表示玉米体系化肥施用对环境造成的NH3挥发量，N为作物种植阶段施用化肥的纯氮含量，单位为kg／hm2。

式中：PFPN为氮肥偏生产力，单位为kg／kg；Y为施用氮肥的玉米产量，F为氮肥纯养分投入量（河北省玉米田中施用的复混肥养分配比无详细记载，所以全部按市场最为普遍的养分比例N∶P2O5∶K2O＝1∶1∶1进行计算），单位为kg／hm2。

1.3 数据来源

河北省玉米化肥具体施用量数据皆采自2004—2019年《全国农产品成本收益资料汇编》［13］，河北省玉米产量源自2004—2019年《中国统计年鉴》［14］。

2 结果与分析

2.1 河北省玉米化肥投入与玉米种植情况

2004—2018年，河北省玉米生产中氮肥投入量由190 kg／hm2降至75.6 kg／hm2，降幅60.2%；而复混肥用量由65.0 kg／hm2增至243 kg／hm2，增幅274%；单质磷肥施用下降更为明显；同时玉米几乎不施用单质钾肥（表1）。从2004年开始，河北省玉米化肥的总施用量呈上升趋势，由274 kg／hm2增加到2018年的321 kg／hm2，总投入量增加17.2%。玉米单产呈上下浮动态势，但总产量稳定上升，2004年河北省玉米总产量为1 087万t，每公顷产量4 031 kg，至2018年每公顷产量达到5 743 kg，相比2004年，每公顷产量提升42.5%。玉米播种面积由2004年的264万hm2增加到2018年的354万hm2，增幅34.1%。随着播种面积增加，玉米产量仍保持较高的增长，说明科学水平、生产管理能力也在不断上升，其中增施肥料是促使产量增高的一个重要因素。

表1 河北省2004—2018年玉米化肥投入与玉米单产变化

2.2 河北省玉米体系氮肥利用率分析

河北省单质氮肥用量逐年下降，而复混肥用量呈增加趋势。通常情况下，国内外肥料研究者更倾向于用肥料农学效率、肥料偏生产力、肥料利用率和肥料贡献率等参数来表征肥料的利用状况。将单质氮肥和复混肥氮合并计算后，河北省2004—2018年玉米氮肥偏生产力整体呈升高趋势（图1）。其中2004年氮肥偏生产力最小，为19.0 kg／kg，2018年氮肥偏生产力最大，为36.7 kg／kg。说明在河北省氮肥投入中，2018年氮肥利用率相较2004年提高93.2%，氮肥利用率稳步上升。

图1 河北省2004—2018年玉米氮肥偏生产力

2.3 河北省玉米化肥投入对环境产生的活性氮排放量分析

由表2可知，河北省每年玉米化肥投入产生的NH3挥发最多，占总量的63.2%，平均每年可造成NH3挥发43.8 kg／hm2；N2O排放最少，每年排放1.35 kg／hm2，而每年造成NO3－淋洗24.1 kg／hm2。随年限增加，活性氮损失比2004年下降31.2%，结合表1数据表明活性氮损失与各类化肥施用量改变有很大关系，即可能是单质氮肥施用量下降、复混肥施用量提高但总施氮量下降所致，说明减少氮素施用量可以有效降低活性氮损失。

表2 河北省2004—2018年玉米体系单位面积化肥投入对环境产生的活性氮排放量（kg／hm2）

2.4 河北省化肥投入对环境产生的碳足迹分析

河北省2004—2018年每生产1 t玉米化肥投入产生的碳足迹保持为波动状态，但存在明显的下降趋势（图2）。其中2004年碳排放量最大，为590 kg／t，2018年碳排放量最小，为227 kg／t，下降61.5%。

图2 河北省2004—2018年每生产1t玉米产生的碳足迹

结合表1数据可以推断出，河北省每年玉米化肥投入对环境产生的总碳排放量为467万t左右，且呈逐年缓慢下降趋势。由图3可以看出，2004、2007年河北省玉米化肥投入对环境产生的碳排放较多，同年其化肥投入中氮肥施用量也较高，而2018年施用氮肥最少，同年对环境产生的碳排放量也最低。说明对环境产生的CO2累积量和玉米氮肥和复混肥的施用量有关，玉米施用氮肥和复混肥越多，对环境产生的CO2累积量也就越多。

图3 河北省2004—2018年单位面积化肥投入对环境产生的碳足迹

3 讨论

施用氮肥是玉米获得高产的保证，但过量施用会降低氮肥利用率，加大环境负荷［15］。本研究表明河北省单质氮肥用量逐年下降，虽然复混肥用量在增加，但纯氮总量呈下降趋势，同时单产增加42.5%，因而氮肥偏生产力近几年最高达到36.7 kg／kg。Cui等［16］研究表明，华北区玉米氮肥偏生产力最高潜力在57 kg／kg左右，张福锁等［17］研究发现发达国家作物的氮肥偏生产力从20世纪80年代一直保持在49 kg／kg以上，说明河北省玉米体系氮肥利用率还存在一定的提升空间。通过分析近15年氮肥、复混肥用量与单产的变化，发现降低施氮量是提高氮肥利用效率的有效措施。李欢等［18］研究表明，与常规施肥相比，减氮20%未降低玉米产量，氮利用率提高35.8%～48.3%。丁相鹏等［19］认为当施氮量为225 kg／hm2时，可显著提高氮素利用效率，降低氮素损失，最终获得较高籽粒产量，实现高产高效。随着年份增加肥料品种也在变化，氮肥施用量在逐渐减少，虽然复混肥施用量在增加，但是总的碳排放量仍处于下降趋势。巨晓棠等［20］研究表明，单施无机氮肥会降低土壤的缓冲能力，增加环境污染风险。本研究也有相似性结果。陈晓芳等［5］研究表明，小麦化肥施用总量不断增加，但施用产生的碳排放量没有明显的增加或减少趋势。而本研究表明玉米施用化肥产生的碳排放量有明显的下降趋势，这可能由于玉米与小麦作物种类不同，需肥种类和数量不同带来的差异。本研究发现，玉米化肥投入中氮肥减少与复混肥增多，对环境产生的活性氮排放与碳足迹有促进作用。因此，为同时保证玉米产量和品质，应根据土壤基础养分的测试结果结合农田实地管理开发出适合玉米生长发育的专用型配方复混肥，以提高化肥利用率、减少碳排放。

玉米是世界各国重点发展的粮食作物，也是一种喜肥作物，化肥用量和施用方式对其产量起到重要影响，但是过量施用不仅会影响产量，还会造成土壤板结、水土流失和水体富营养化等一系列环境污染问题［21，22］。现阶段人们侧重关注玉米增产提质等，而对化肥生产及施用带来的一系列环境问题关注度较低。本研究发现河北省每年玉米化肥投入产生的氮排放下降31.2%，碳足迹下降61.5%。梁龙等［23］研究表明，通过生命周期评价法发现河北省栾城每生产1 t冬小麦产生的环境酸化影响达到2000年世界人均潜在负荷的42.9%，其中主要是农作系统中的NH3排放，这与本研究中氮排放以NH3挥发为主的结论相类似。

虽然农业生产上LCA应用也逐渐增多，但是农业生产是一个复杂系统。国内外学者在LCA法更加科学、更加合理的评价方面进行了很多尝试：如吴晋波等［24］通过生命周期法采用时间替换空间方法和经本地化校正的DNDC模型和计算方法，得出在无灌溉条件下，将施肥量减少为210～315 kg／hm2，环境影响综合指数可降低至0.2～0.3，产量降幅为3.15%。但仍然存在一些因素限制着LCA法在农业生产上的应用，如在本研究中，由于地区跨度较大，各地区玉米化肥投入产生的活性氮排放与碳足迹存在地域差异而无法计算在内；在现有统计资料中有机肥料品种、品质、数量等相关统计内容较少，且同一省内各地有机肥施用情况差异较大、难以计算，对此仅评价相比有完整记录统计的化肥而未包含有机肥。下一步，应进一步加深细化农业LCA评价方法的计算，考虑进多方面因素如有机肥施用量和种类等，为构建农业生产特别是化肥投入对环境影响的科学、准确评价提供一定的技术与方法参考。

4 结论

本研究仅针对玉米生命周期内所用化肥及其施用所产生的环境影响进行分析，没有将其他方面如机械作业等因素的碳排放考虑在内。分析结果表明：河北省玉米各类化肥投入中，化肥总量随着年份的增加而增加，2010年前以施用氮肥为主，后期以施用复混肥较多；氮肥施用量呈逐年下降趋势，复混肥施用量呈上升趋势；与2004年相比，2018年氮肥用量下降60.2%，而复混肥用量增加274%，化肥总投入量增加17.2%。玉米播种面积由2004年的264万hm2增加到2018年的354万hm2，单产增加42.5%，河北省玉米产业规模不断扩大。2004—2018年河北省玉米化肥投入平均每年造成活性氮排放：NH3挥发43.8 kg／hm2，NO－3淋洗24.1 kg／hm2，N2O排放1.35 kg／hm2；2018年河北省生产1 t玉米化肥投入对环境产生的碳足迹为227 kg／t，每年玉米种植化肥投入对环境产生的碳足迹为467万t，且碳氮排放呈逐年下降趋势。河北省近15年来玉米单产增加42.5%，化肥总投入量增加17.2%，氮碳足迹下降；总体呈现出环境代价逐步减小，但化肥投入偏高，氮肥效率提升缓慢的趋势。为了实现玉米产量和品质的协同提升，同时进一步减少玉米化肥投入对环境产生的活性氮排放与碳足迹，提高氮肥利用率，建议开发出玉米专用型复混肥。