秸秆还田下“麦-稻”轮作生产生命周期能耗及温室气体排放

　　摘要：应用生命周期评价方法，将“小麦-水稻”轮作生产体系生命周期划分为原料开采、农资生产和农田种植三个阶段，对秸秆不还田、全量还田、半量还田3种还田量下，生命周期各阶段的能源消耗与温室气体排放进行了清单分析，并进行了温室气体增温潜势评价。结果表明：以氮肥生产为主的农资生产阶段与原料开采阶段是能源消耗的主要阶段，占作物生产全生命周期能耗的70%左右；温室气体排放则以农田种植阶段为主。相较秸秆不还田处理，秸秆全量还田和半量还田增加了作物产量，降低了单位产品（分别为1 t小麦和1 t水稻）生产的CO2、N2O排放量，分别减排CO227.05%、31.23 %，减排N2O 17.74%、14.51%，而CH4排放分别增加39.56%、12.38%；但在20 a、100 a时间尺度上，农田综合增温潜势GWP均显著降低。秸秆还田配合氮肥减施能有效降低农田生产系统生命周期能耗及温室气体增温潜势。

　　关键词：秸秆；温室气体；生命周期评价

　　现阶段，我国粮食作物种植正在实现从传统产业模式向集约化、高效化现代产业模式的转变。在此过程中，种植废弃物产出量大幅增加，并越来越呈现集中化的态势。据估算，全国每年产生农作物秸秆达7.0亿t，加上蔬菜废弃物、林业废弃物、畜禽粪便及肉类加工厂废弃物等，已成为世界上农业废弃物产出量最大的[1 ]。种植业废弃物是农业生产的潜在养分资源库，合理应用可一定程度改善农田土壤理化性质，提高土地生产能力[2 ]，但因缺少资源化利用的政策引导、资金投入，故进行处理时常常采取在田间直接堆积焚烧的方式[3]，往往又成为生态环境的主要污染源之一。目前对于种植废弃物的循环再利用方式主要是作为生物质能材料，用作沼气、发电、压缩燃料等[4 ]，但受生产运输成本高、投入产出效益不显著等影响，技术推广受限。因此，将其作为农田有机物料就近消纳，将农田生态系统作为种养废弃物消纳及资源化利用的场所，仍然是当前种植废弃物的主要处理方式之一。

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　　1.材料与方法

　　1.1田间试验设计与温室气体采集

　　田间试验区域位于成都平原都江堰市天马镇（N30°57′0.99′′；E103°44′3.69′′），该区属中亚热带湿润季风气候区，年均温15.2°C，年降水量1200 mm，年均无霜期280 d。区域地形平坦，土壤为灰色冲积物发育的淹育型水稻土，多年来以“稻-麦”轮作为主。“小麦-水稻”轮作田间试验于2012年10月至2013年9月进行。本研究在常规施用化肥的基础上，设置秸秆不还田（N1）、秸秆全量还田（N1+S）、秸秆半量还田（N1+0.5S）共3个处理。根据前作产量，按照谷草比1∶1计算，全量稻草为7500 kg·hm-2、全量麦秸为5250kg·hm-2，播种后出苗前在各小区均匀撒施。化肥施用量根据当地传统习惯施肥量确定，小麦季施肥量为180 kg·hm-2N、75 kg·hm-2P2O5、75 kg·hm-2K2O，水稻季为180 kg·hm-2N、90kg·hm-2P2O5、90kg·hm-2K2O。常规氮肥为尿素（46.4%），磷肥为过磷酸钙（P2O5，12%），钾肥为氧化钾（K2O，60%）。

　　1.2目标定义与范围界定

　　以一个“麦-稻”轮作季生产1 t小麦、1 t水稻为评价功能单元，分析在作物生产过程中，将前茬作物秸秆进行不同量还田后，其资源与能源消耗及其环境影响，探讨种植业废弃物的农田适宜消纳量。研究的起始边界从与麦稻生命周期有关的初级能源原料开采开始，终止边界为作物种植管理输出农作物产品及污染物。研究考察原料开采、农资生产和作物种植三个阶段的物质投入所引起的能源消耗与环境排放。原料开采阶段主要考虑化石能源（煤、石油、天然气）等初级能源开采，以及柴油、电力等次级能源生产的能量耗费及温室气体排放；农资生产阶段主要考虑氮肥（尿素）在生产过程中的能耗与温室气体排放；农田种植阶段考虑整地、播种、施肥、除草除虫、作物收获等引起的能耗与温室气体排放。研究系统边界示意见图2。

　　2.结果分析

　　2.1清单分析

　　2.1.1原料开采阶段清单生产1 t小麦和1 t水稻所需原料开采耗能以秸秆不还田处理（N1）最高，为6 832.72 MJ·t-1，比还田处理分别高14%左右，而秸秆全量还田处理N1+S与半量还田处理N1+0.5S无明显差异，如表6所示。各处理农资生产阶段所需原料耗能均比农田种植阶段高8%左右，小麦季比水稻季高42.19%～70.06%。原料系统的温室气体排放主要是初级能源开采和次级能源生产过程中燃料燃烧释放的CO2、CH4气体，秸秆还田处理比不还田处理减排CO2约14%、减排CH4约13%。

　　2.1. 2农资生产阶段清单秸秆不还田处理N1的尿素生产耗能比秸秆全量还田N1+S、秸秆半量还田处理N1+0.5S分别高13.78%、14.02%，CO2当量排放也呈现相同趋势，见表7。

　　2.2温室气体增温潜势

　　将各处理排放的温室气体量换算为CO2量，各处理在两种时间尺度下的温室气体全球增温潜势（GWP）如表12。结果表明，在20年、100年两个时间尺度上，各处理GWP量均为N1>N1+S>N1+0.5S。在两个时间尺度上，秸秆全量还田和半量还田处理的农田温室气体全球增温潜势均较不还田处理N1显著降低，其中20年尺度上分别降低12.60%、23.98%，100年尺度上分别降低21.37%、28.26%。

　　3讨论

　　本研究运用生命周期评价方法对秸秆还田下的“麦-稻”轮作农田生态系统生命周期能耗及温室气体排放进行了分析。相关研究表明[21]，秸秆还田能改善土壤物理性状，增加土壤有机质及养分含量，增加微生物活动强度，且与化肥配施能实现较好的增产效果。本研究中秸秆还田处理比不还田处理增产14%~15%，产量的增加使得麦、稻产品生产的投入产出效率增高，相应降低了单位产品（1 t小麦和1 t水稻）的能耗及温室气体排放量。

　　参考文献：

　　[1]孙永明,李国学,张夫道,等.农业废弃物资源化现状与发展战略[J].农业工程学报, 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]蔡太义,黄会娟,黄耀威,等.不同量秸秆还田覆盖对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响[J].自然资源学报, 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.

　　杨 娟，王昌全*，白根川，游来勇，易云亮，黄帆，李喜喜

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