秸稈還田下“麥-稻”輪作生產(chǎn)生命周期能耗及溫室氣體排放

　　摘要：應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法，將“小麥-水稻”輪作生產(chǎn)體系生命周期劃分為原料開(kāi)采、農(nóng)資生產(chǎn)和農(nóng)田種植三個(gè)階段，對(duì)秸稈不還田、全量還田、半量還田3種還田量下，生命周期各階段的能源消耗與溫室氣體排放進(jìn)行了清單分析，并進(jìn)行了溫室氣體增溫潛勢(shì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：以氮肥生產(chǎn)為主的農(nóng)資生產(chǎn)階段與原料開(kāi)采階段是能源消耗的主要階段，占作物生產(chǎn)全生命周期能耗的70%左右；溫室氣體排放則以農(nóng)田種植階段為主。相較秸稈不還田處理，秸稈全量還田和半量還田增加了作物產(chǎn)量，降低了單位產(chǎn)品（分別為1 t小麥和1 t水稻）生產(chǎn)的CO2、N2O排放量，分別減排CO227.05%、31.23 %，減排N2O 17.74%、14.51%，而CH4排放分別增加39.56%、12.38%；但在20 a、100 a時(shí)間尺度上，農(nóng)田綜合增溫潛勢(shì)GWP均顯著降低。秸稈還田配合氮肥減施能有效降低農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期能耗及溫室氣體增溫潛勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：秸稈；溫室氣體；生命周期評(píng)價(jià)

　　現(xiàn)階段，我國(guó)糧食作物種植正在實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)模式向集約化、高效化現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)變。在此過(guò)程中，種植廢棄物產(chǎn)出量大幅增加，并越來(lái)越呈現(xiàn)集中化的態(tài)勢(shì)。據(jù)估算，全國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈達(dá)7.0億t，加上蔬菜廢棄物、林業(yè)廢棄物、畜禽糞便及肉類加工廠廢棄物等，已成為世界上農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量最大的[1 ]。種植業(yè)廢棄物是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛在養(yǎng)分資源庫(kù)，合理應(yīng)用可一定程度改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，提高土地生產(chǎn)能力[2 ]，但因缺少資源化利用的政策引導(dǎo)、資金投入，故進(jìn)行處理時(shí)常常采取在田間直接堆積焚燒的方式[3]，往往又成為生態(tài)環(huán)境的主要污染源之一。目前對(duì)于種植廢棄物的循環(huán)再利用方式主要是作為生物質(zhì)能材料，用作沼氣、發(fā)電、壓縮燃料等[4 ]，但受生產(chǎn)運(yùn)輸成本高、投入產(chǎn)出效益不顯著等影響，技術(shù)推廣受限。因此，將其作為農(nóng)田有機(jī)物料就近消納，將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為種養(yǎng)廢棄物消納及資源化利用的場(chǎng)所，仍然是當(dāng)前種植廢棄物的主要處理方式之一。

　　如果您已經(jīng)寫好農(nóng)業(yè)論文要發(fā)表，可以看看基于WebofScience秸稈還田研究態(tài)勢(shì)分析，對(duì)您論文發(fā)表有一定的幫助。

　　1.材料與方法

　　1.1田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與溫室氣體采集

　　田間試驗(yàn)區(qū)域位于成都平原都江堰市天馬鎮(zhèn)（N30°57′0.99′′；E103°44′3.69′′），該區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫15.2°C，年降水量1200 mm，年均無(wú)霜期280 d。區(qū)域地形平坦，土壤為灰色沖積物發(fā)育的淹育型水稻土，多年來(lái)以“稻-麥”輪作為主。“小麥-水稻”輪作田間試驗(yàn)于2012年10月至2013年9月進(jìn)行。本研究在常規(guī)施用化肥的基礎(chǔ)上，設(shè)置秸稈不還田（N1）、秸稈全量還田（N1+S）、秸稈半量還田（N1+0.5S）共3個(gè)處理。根據(jù)前作產(chǎn)量，按照谷草比1∶1計(jì)算，全量稻草為7500 kg·hm-2、全量麥秸為5250kg·hm-2，播種后出苗前在各小區(qū)均勻撒施。化肥施用量根據(jù)當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)習(xí)慣施肥量確定，小麥季施肥量為180 kg·hm-2N、75 kg·hm-2P2O5、75 kg·hm-2K2O，水稻季為180 kg·hm-2N、90kg·hm-2P2O5、90kg·hm-2K2O。常規(guī)氮肥為尿素（46.4%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O5，12%），鉀肥為氧化鉀（K2O，60%）。

　　1.2目標(biāo)定義與范圍界定

　　以一個(gè)“麥-稻”輪作季生產(chǎn)1 t小麥、1 t水稻為評(píng)價(jià)功能單元，分析在作物生產(chǎn)過(guò)程中，將前茬作物秸稈進(jìn)行不同量還田后，其資源與能源消耗及其環(huán)境影響，探討種植業(yè)廢棄物的農(nóng)田適宜消納量。研究的起始邊界從與麥稻生命周期有關(guān)的初級(jí)能源原料開(kāi)采開(kāi)始，終止邊界為作物種植管理輸出農(nóng)作物產(chǎn)品及污染物。研究考察原料開(kāi)采、農(nóng)資生產(chǎn)和作物種植三個(gè)階段的物質(zhì)投入所引起的能源消耗與環(huán)境排放。原料開(kāi)采階段主要考慮化石能源（煤、石油、天然氣）等初級(jí)能源開(kāi)采，以及柴油、電力等次級(jí)能源生產(chǎn)的能量耗費(fèi)及溫室氣體排放；農(nóng)資生產(chǎn)階段主要考慮氮肥（尿素）在生產(chǎn)過(guò)程中的能耗與溫室氣體排放；農(nóng)田種植階段考慮整地、播種、施肥、除草除蟲(chóng)、作物收獲等引起的能耗與溫室氣體排放。研究系統(tǒng)邊界示意見(jiàn)圖2。

　　2.結(jié)果分析

　　2.1清單分析

　　2.1.1原料開(kāi)采階段清單生產(chǎn)1 t小麥和1 t水稻所需原料開(kāi)采耗能以秸稈不還田處理（N1）最高，為6 832.72 MJ·t-1，比還田處理分別高14%左右，而秸稈全量還田處理N1+S與半量還田處理N1+0.5S無(wú)明顯差異，如表6所示。各處理農(nóng)資生產(chǎn)階段所需原料耗能均比農(nóng)田種植階段高8%左右，小麥季比水稻季高42.19%～70.06%。原料系統(tǒng)的溫室氣體排放主要是初級(jí)能源開(kāi)采和次級(jí)能源生產(chǎn)過(guò)程中燃料燃燒釋放的CO2、CH4氣體，秸稈還田處理比不還田處理減排CO2約14%、減排CH4約13%。

　　2.1. 2農(nóng)資生產(chǎn)階段清單秸稈不還田處理N1的尿素生產(chǎn)耗能比秸稈全量還田N1+S、秸稈半量還田處理N1+0.5S分別高13.78%、14.02%，CO2當(dāng)量排放也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，見(jiàn)表7。

　　2.2溫室氣體增溫潛勢(shì)

　　將各處理排放的溫室氣體量換算為CO2量，各處理在兩種時(shí)間尺度下的溫室氣體全球增溫潛勢(shì)（GWP）如表12。結(jié)果表明，在20年、100年兩個(gè)時(shí)間尺度上，各處理GWP量均為N1>N1+S>N1+0.5S。在兩個(gè)時(shí)間尺度上，秸稈全量還田和半量還田處理的農(nóng)田溫室氣體全球增溫潛勢(shì)均較不還田處理N1顯著降低，其中20年尺度上分別降低12.60%、23.98%，100年尺度上分別降低21.37%、28.26%。

　　3討論

　　本研究運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)秸稈還田下的“麥-稻”輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生命周期能耗及溫室氣體排放進(jìn)行了分析。相關(guān)研究表明[21]，秸稈還田能改善土壤物理性狀，增加土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量，增加微生物活動(dòng)強(qiáng)度，且與化肥配施能實(shí)現(xiàn)較好的增產(chǎn)效果。本研究中秸稈還田處理比不還田處理增產(chǎn)14%~15%，產(chǎn)量的增加使得麥、稻產(chǎn)品生產(chǎn)的投入產(chǎn)出效率增高，相應(yīng)降低了單位產(chǎn)品（1 t小麥和1 t水稻）的能耗及溫室氣體排放量。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]孫永明,李國(guó)學(xué),張夫道,等.農(nóng)業(yè)廢棄物資源化現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 25（8）：169-173.SUN Yong-ming, LI Guo-xue, ZHANG Fu-dao, et al. Status quo anddevelopmental strategy of agricultural residues resources in China[J].Transactions of the CSAE, 2005, 25（8）：169-173.

　　[2]蔡太義,黃會(huì)娟,黃耀威,等.不同量秸稈還田覆蓋對(duì)土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J].自然資源學(xué)報(bào), 2012, 27（6）：964-974.CAI Tai-yi, HUANG Hui-juan, HUANG Yao-wei, et al. Effects of dif－ferent rates of straw mulching and returning to field on soil labile organ－ic carbon and carbon pool management index[J].Journal of Natural Re－sources, 2012, 27（6）：964-974.

　　楊 娟，王昌全*，白根川，游來(lái)勇，易云亮，黃帆，李喜喜

《秸稈還田下“麥-稻”輪作生產(chǎn)生命周期能耗及溫室氣體排放》

上一篇：近50年基于農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的新疆綠洲農(nóng)田蒸散發(fā)時(shí)空變化分析

下一篇：現(xiàn)代化技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用的研究