不同施磷强度下玉米温室效应的LCA研究

徐梓峻，熊于斌，权晓雪*

（1.重庆师范大学 生命科学学院，重庆 401331；2.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650500）

磷作为植物生长发育过程中不可缺少的必需营养元素，也是作物增产的主要限制因子之一[1]。因此，对于磷肥的施用是不可避免的，故农民大量施入磷肥，导致磷素大量累积在土壤中，农业投入远大于收入。而残留在土壤中的磷素持续累积还可能随水流失造成水体富营养化等问题[2]。有研究发现，微生物活动与磷的施用量之间有着直接影响，施加磷的数量增加使得微生物群落的规模增大，对于土壤中有机质的碳化具有正面作用[3]，且有机碳的矿化与温室气体形成密切相关[4]。

关于生命周期评价法（Life Cycle Assessment，LCA），IOS定义：“对一个产品系列的生命周期中输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。”并将其分为目标定义和范围界定、清单分析、影响评价和结果解释。

1 材料与方法

1.1 田间试验

1.1.1 试验地概况

试验时间：2020年4-11月，地点：云南省昆明市实验基地。本试验为田间定位实验，后续试验分析在昆明市实验基地。供试土壤基本理化性状见表1。

表1 昆明供试土壤基本理化性状

1.1.2 试验设计

田间试验点采用随机区组设计的模式，试验布置采用裂区布置，每小区面积为32.4 m2（5.4 m×6 m）。

试验处理设置：设置5种磷水平处理。其中不施磷处理的记为P0，施磷量为45 kg/ha的处理记为P45，施磷量为90 kg/ha的处理记为P90，施磷量为135 kg/ha的处理记为P135，施磷量为270 kg/ha的处理记为P270，每种施磷处理有3次重复，共计有15个小区。

玉米行距50 cm，株距25 cm。各处理氮肥、钾肥投入量均为当地的施肥量，氮肥（N）施用量为250 kg/ha、钾肥（K2O）施用量为75 kg/ha。供试磷肥（过磷酸钙）、钾肥（K）以基肥的方式投入，氮肥（尿素）按3个时期投入（基肥占总氮量的40%，小喇叭时期占总氮量的25%，大喇叭时期占总氮量的35%）。

1.2 研究方法

1.2.1 产量测定

在玉米成熟期，根据划定的测产区进行测产。在整个生育期过程中，在产区不进行采样操作，去除边际效用后单作玉米每个小区测定产量并折算出每公顷产量。

1.2.2 评价方法

本论文采用2020年的试验数据进行试验，将不同施磷水平下的玉米作为本次实验的研究对象，以生产1 000 kg玉米作为评价的功能单元，即包括农资生产过程和作物种植过程中形成温室气体的排放，此次实验评价中不评价农业使用机械的产出、农业资源物品的转运和农业产品出售的过程。分别对不同施磷水平情况下的农资系统去建造相关温室气体产生列表和生命周期的能耗，然后评价不同水平施磷下的增温潜势。环境影响值：标准化的主要目的是为了清除级数与量纲上结果的不同，可以借此说明其环境潜在影响的相对大小，加权评估是关联全球变暖潜值的权重系数，所以可以评判其对区域可持续性发展的重要程度。

加权评估的计算方法：EI=E÷S*W，

式中：E是代表环境潜在影响的特征化结果，S在式中代表基准值，根据任家兵、耿传雄的实验研究成果，EI代表环境的影响数值，就是加权数值的平均值;W代表环境影响权重的大小。

用环境影响减缓潜力代表不同水平施磷在不施磷情况下的环境收益。

计算公式：EMP=(EIm-EIi)÷EIm，

式中：EMP表示不同施磷水平在不施磷条件下环境影响减缓潜力大小，EIi表示不同施磷水平的环境影响值，EIm表示不施磷条件下的环境影响值。

全球增温潜势：进行特征化的处理，用CO2为基准，全球增温潜势的基准生态影响因子用CO2来表示，剩余温室气体使用当量系数法计算出相较于CO2的环境变暖影响潜值，CO、CH4、NOx的当量系数分别为 2、21 和 310，计算公式：

CO2=CO*1+CH4*21+NOx*310。

1.2.3 清单分析

农资生产系统。温室气体的排放和能源的消耗是本试验原料物资生产过程中主要相关的原因；化肥的生产使用是农资生产系统主要相关的原因。根据任家兵、耿传雄对化肥生命周期的清单排放相关的研究结果，以收获生产1 000 kg的玉米为对照单位，依照表2中的农资系统相应的温室气体排放量×化肥投入量和产生的能源消耗，计算出玉米收获过程中相关的农资子生产系统的生命周期清单，见表 3。

表2 农资系统（化肥生产）的温室气体排放量与能源消耗

表3 不同施磷水平体系下玉米种植农资系统清单

2 结果与分析

加权统计农资系统的环境排放列表，计算出单位产量能引起温室效应的污染物（CO2、CH4、CO和NOx）当量排放值（图1）。

从图1可知，P90施磷处理下，单位产量的增温潜势最低，相较于P0施磷处理下降了1.68%，相较于P270施磷处理下降了18.38%。在磷肥施用量低于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而下降；在磷肥施用量大于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而增加。

图1 不同施磷水平下单位产量的增温潜势

3 讨论

本研究中在不同施磷水平条件下，P90施磷处理的单位产量增温潜势最低，相较于P0施磷处理下降了1.68%，相较于P270施磷处理下降了18.38%。在磷肥施用量低于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而下降，在磷肥施用量大于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而增加。由此可见，合理施肥在降低增温潜势有更好的环境效应。

4 结论

合理施用磷肥可降低单位产量的增温潜势，单位产量的增温潜势在磷肥施用量低于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而下降，在磷肥施用量大于P90时，单位产量的增温潜势随着磷肥施用量的增加而增加。在施磷水平为P90条件下单位产量的增温潜势达到最小。

综上所述，施磷量为90 kg/ha时可使玉米产量达到最大值，并且使得单位产量的温室气体排放量最低，从而以更低的环境代价获得作物高产高效，实现环境效应的最大化。