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)
磷作為植物生長發(fā)育過程中不可缺少的必需營養(yǎng)元素,也是作物增產(chǎn)的主要限制因子之一[1]。因此,對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養(yǎng)化等問題[2]。有研究發(fā)現(xiàn),微生物活動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,對于土壤中有機質(zhì)的碳化具有正面作用[3],且有機碳的礦化與溫室氣體形成密切相關(guān)[4]。
關(guān)于生命周期評價法(Life Cycle Assessment,LCA),IOS定義:“對一個產(chǎn)品系列的生命周期中輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價?!辈⑵浞譃槟繕硕x和范圍界定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋。
1.1.1 試驗地概況
試驗時間:2020年4-11月,地點:云南省昆明市實驗基地。本試驗為田間定位實驗,后續(xù)試驗分析在昆明市實驗基地。供試土壤基本理化性狀見表1。
表1 昆明供試土壤基本理化性狀
1.1.2 試驗設(shè)計
田間試驗點采用隨機區(qū)組設(shè)計的模式,試驗布置采用裂區(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),共計有15個小區(qū)。
玉米行距50 cm,株距25 cm。各處理氮肥、鉀肥投入量均為當?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(過磷酸鈣)、鉀肥(K)以基肥的方式投入,氮肥(尿素)按3個時期投入(基肥占總氮量的40%,小喇叭時期占總氮量的25%,大喇叭時期占總氮量的35%)。
1.2.1 產(chǎn)量測定
在玉米成熟期,根據(jù)劃定的測產(chǎn)區(qū)進行測產(chǎn)。在整個生育期過程中,在產(chǎn)區(qū)不進行采樣操作,去除邊際效用后單作玉米每個小區(qū)測定產(chǎn)量并折算出每公頃產(chǎn)量。
1.2.2 評價方法
本論文采用2020年的試驗數(shù)據(jù)進行試驗,將不同施磷水平下的玉米作為本次實驗的研究對象,以生產(chǎn)1 000 kg玉米作為評價的功能單元,即包括農(nóng)資生產(chǎn)過程和作物種植過程中形成溫室氣體的排放,此次實驗評價中不評價農(nóng)業(yè)使用機械的產(chǎn)出、農(nóng)業(yè)資源物品的轉(zhuǎn)運和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品出售的過程。分別對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,然后評價不同水平施磷下的增溫潛勢。環(huán)境影響值:標準化的主要目的是為了清除級數(shù)與量綱上結(jié)果的不同,可以借此說明其環(huán)境潛在影響的相對大小,加權(quán)評估是關(guān)聯(lián)全球變暖潛值的權(quán)重系數(shù),所以可以評判其對區(qū)域可持續(xù)性發(fā)展的重要程度。
加權(quán)評估的計算方法: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在式中代表基準值,根據(jù)任家兵、耿傳雄的實驗研究成果,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:進行特征化的處理,用CO2為基準,全球增溫潛勢的基準生態(tài)影響因子用CO2來表示,剩余溫室氣體使用當量系數(shù)法計算出相較于CO2的環(huán)境變暖影響潛值,CO、CH4、NOx的當量系數(shù)分別為 2、21 和 310,計算公式:
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原料物資生產(chǎn)過程中主要相關(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,計算出玉米收獲過程中相關(guān)的農(nóng)資子生產(chǎn)系統(tǒng)的生命周期清單,見表 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
加權(quán)統(tǒng)計農(nóng)資系統(tǒng)的環(huán)境排放列表,計算出單位產(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,單位產(chǎn)量的增溫潛勢隨著磷肥施用量的增加而下降;在磷肥施用量大于P90時,單位產(chǎn)量的增溫潛勢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
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,單位產(chǎn)量的增溫潛勢隨著磷肥施用量的增加而下降,在磷肥施用量大于P90時,單位產(chǎn)量的增溫潛勢隨著磷肥施用量的增加而增加。由此可見,合理施肥在降低增溫潛勢有更好的環(huán)境效應(yīng)。
合理施用磷肥可降低單位產(chǎn)量的增溫潛勢,單位產(chǎn)量的增溫潛勢在磷肥施用量低于P90時,單位產(chǎn)量的增溫潛勢隨著磷肥施用量的增加而下降,在磷肥施用量大于P90時,單位產(chǎn)量的增溫潛勢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)量的增溫潛勢達到最小。
綜上所述,施磷量為90 kg/ha時可使玉米產(chǎn)量達到最大值,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)境代價獲得作物高產(chǎn)高效,實現(xiàn)環(huán)境效應(yīng)的最大化。