苹果生产系统养分投入特征和生命周期环境效应评价

摘要

中国是世界第一大苹果生产国，当前苹果园养分投入高、肥料利用率低，不但造成资源浪费，还带来了不容忽视的环境问题。为此，分析中国苹果生产系统的养分资源投入、环境代价和环境减排潜力及途径，对中国苹果产业的绿色发展具有重要意义。本研究基于渤海湾（山东、辽宁、河北）和黄土高原（陕西、山西、甘肃）苹果产区3535个果园调查数据，分析了不同苹果产区养分投入数量、结构、适宜程度；采用养分平衡法计算了氮磷养分盈余量，基于养分盈余和化肥环境安全指数定性评价了苹果园环境风险；基于渤海湾和黄土高原产区431个苹果园生产过程详细管理数据和本地化参数，应用生命周期评价法，定量了苹果生产系统的生命周期环境代价，并通过不同生产效率果园的分组分析了环境减排潜力；结合6年59个田间试验数据和调查数据，评价了养分综合管理和有机生产两种减肥途径的环境减排效果。主要结果如下： 1、苹果园养分投入量总体较高且不同产区间差异较大。中国主产区苹果园氮、磷和钾平均投入量分别为1056.12kg N/ha、687.34kg P2O5/ha和861.12kg K2O/ha，以无机养分为主，化肥氮、化肥磷和化肥钾投入量占比高达81.02%、79.11%和81.65%；氮、磷养分投入量表现为山东和甘肃较高，辽宁和山西较低，钾养分则表现为山东较高，陕西和山西较低。与推荐施肥量相比，氮、磷和钾养分分别仅有17.84%、6.35%和17.54%的样本处于投入适宜水平，处于投入过量的样本比例则分别为70.24%、88.12%和56.39%。果园有机肥投入总体不高（9.24～13.01t/ha），平均为10.82t/ha，13.91%的果园不施有机肥。 2、苹果园氮磷养分的高投入带来较高的氮磷盈余和环境风险。苹果园氮平均盈余量为296.56kg N/ha，总体表现为高环境风险，其中56.85%的样本处于高风险状态（盈余量>200kg N/ha），低环境风险样本仅占20.35%（<150kg N/ha）。苹果园磷平均盈余量为414.28kg P2O5/ha，其中盈余量超过200kg P2O5/ha的样本比重高达70.20%。根据磷盈余量和土壤速效磷含量的线性关系，各产区苹果园磷盈余量均超过了土壤磷素淋失风险临界值（50～70mg/kg）所对应的土壤磷盈余量（190.54～326.28kg P2O5/ha），全国平均磷盈余量是土壤磷素淋失风险临界值上限所对应的土壤磷盈余量的1.27倍，苹果园土壤磷素淋失环境风险大。化肥环境安全指数法结果表明，全国苹果园化肥环境风险指数平均为0.78，环境风险类型达到重度风险。从不同区域来看，环境风险指数最高的是甘肃，为0.81，环境风险类型为严重风险；环境风险指数较低的是辽宁和山西，分别为0.73和0.74，环境风险类型为中度风险；山东、河北和陕西的环境风险类型处于重度风险。 3、根据农户调查数据结合文献资料数据，基于本地化参数，应用生命周期评价法（LCA）定量了苹果生产系统的环境代价。生产单位产量苹果，中国苹果生产系统能源消耗、全球变暖潜力、环境酸化潜力和富营养化潜力分别为4597.79MJ/t、1067.02kg CO2-eq/t、5.73kg SO2-eq/t和3.91kg PO4-eq/t。不同产区间存在差异，各环境指标均表现为渤海湾产区<黄土高原产区。不同生产效率农户分组比较表明，低产低效组（LL）能源消耗、全球变暖、环境酸化和富营养化潜力分别是全国平均水平的1.27、1.32、1.30和1.32倍，而高产高效组（HH）各环境代价分别比全国平均水平低29.18%、34.30%、38.16%和34.22%。 4、黄土高原产区6年59个试验点的结果表明，与农民习惯管理相比，以优化施肥数量、施肥品种、施肥时期和施肥方法以及优化果园土壤管理为核心的苹果养分综合管理实现减氮28.27%、减磷48.57%、减钾18.45%，增产12.77%，单位产量的能源消耗、全球变暖、环境酸化和富营养化潜力分别降低25.31%、28.51%、39.36%和37.78%。 5、与常规苹果生产系统相比，有机生产系统具有较低的全球变暖潜力、水体毒性、人体毒性和土壤毒性，主要归因于有机生产不使用无机化肥和化学农药；但有机生产系统的能源消耗、环境酸化潜力和富营养化潜力分别比常规生产系统高8.89%、18.74%和26.91%，一方面是由于是有机生产体系产量较低，另一方面有机生产中有机肥的大量施用造成的。值得注意的是，有机生产系统中由有机肥大量使用引起的土壤毒性显著高于常规生产系统。

目录

声明

前言

1.1 我国苹果生产现状

1.1.1我国苹果种植面积、产量和区域

1.1.2 国内外苹果产量差和肥料效率差

1.2 我国苹果生产中养分不合理投入造成的环境问题

1.2.1 土壤酸化

1.2.2 耕层土壤氮和磷累积及深层淋失

1.2.3 氨挥发和氮氧化物排放

1.3 农业生产环境风险评价方法

1.3.1 氮磷养分盈余法

1.3.2 基于化肥环境安全阈值的环境风险评价法

1.3.3 土壤硝态氮累积量法

1.3.4 生命周期评价法

1.4 问题的提出与研究思路

材料与方法

2.1 试材与处理

2.1.1 苹果园养分资源投入情况调查

2.1.2 苹果生产系统生命周期环境代价基础数据调查

2.1.3 苹果养分综合管理对苹果产量及环境效应的影响

2.1.4 有机和常规苹果生产对生命周期环境效应的影响

2.2 测定项目与分析方法

2.2.1 氮磷钾养分资源投入量计算

2.2.2 果园养分投入适宜程度评价

2.2.3 氮磷养分盈余计算及环境风险评价

2.2.4 生命周期环境效应评价（LCA）

2.3 数据统计与方法

结果与分析

3.1 苹果园养分资源投入特征

3.1.1 氮养分投入特征

3.1.2 磷养分投入特征

3.1.3 钾养分资源投入特征

3.1.4 有机肥投入量及特征

3.2 苹果园氮磷养分盈余及化肥环境风险定性分析

3.2.1 基于氮磷养分盈余的氮磷环境风险

3.2.2 苹果园化肥环境风险指数

3.3 苹果生产系统生命周期环境效应评价

3.3.1 苹果生产系统资源消耗和污染物排放生命周期清单

3.3.2 环境效应潜力值

3.3.3 基于产量和氮肥效率的环境效应差及热点因子分析

3.4 苹果养分综合管理环境效应减排效果评价

3.4.1 不同管理策略对产量和氮肥偏生产力的影响

3.4.2 不同管理策略下苹果生产系统资源消耗和污染物排放生命周期清单

3.4.3 不同管理策略下苹果生产系统环境效应潜力值

3.5 有机苹果生产系统生命周期环境效应评价

3.5.1 有机和常规生产系统投入和产出清单

3.5.2 有机和常规苹果生产系统资源消耗和污染物排放生命周期清单

3.5.3 有机和常规苹果生产系统环境效应潜力值

3.5.4 敏感性分析及减排潜力

讨论

4.1 苹果园养分投入现状分析

4.2 苹果园养分盈余与环境代价

4.3 苹果生产系统生命周期环境代价、减排潜力及途径

4.3.1 苹果生产系统生命周期环境代价和减排潜力

4.3.2 苹果生产系统生命周期环境代价减排途径及效果

4.4 苹果生产中养分资源管理建议与思考

4.5 本研究不足之处及展望

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况