我国磷肥生产施用的全生命周期环境影响分析
——以磷酸二铵为例

(南京林业大学 经济管理学院,江苏 南京 210037)

1 引言

磷作为一种有限的资源,在提高作物产量方面起着重要的作用。自20世纪初,磷肥就被世界各国广泛应用于农业生产过程中,并且对磷肥的需求一直呈现增长的趋势[1]。2017年世界磷肥产量(100% P2O5)为3.37×107t,比2007年增长了1.1%[2]。根据国际化肥工业协会预测,到2020年全球P2O5的需求量将达到4.5×107t[3]。我国是磷矿石消费大国,2012年磷矿石消费量为9.48×107t,占世界磷矿石消费总量的48.63%,到2025年我国磷矿石需求量将达到1.42×108t[4]。全球的磷肥产能集中度较高,虽然我国近年受到政策收紧、环保趋严、磷矿资源稀缺性等因素的影响,但是产能仍占全球产能的50%以上[5]。磷酸二铵是磷肥的主要产品形式之一,2017年我国磷酸二铵产量为7.4×106t,占我国全年磷肥总产量的45.1%[6]。磷酸二铵的生产过程是典型的高耗能阶段,严重依赖包括煤、天然气和石油在内的各种化石能源输入。此外,由于我国农户普遍受教育程度不高、施肥观念陈旧落后等原因,近年来我国农业化肥利用率普遍较低[7,8]。磷酸二铵的不合理施用不仅会导致大量氮磷元素的流失,还会对水体、大气和土壤造成污染,带来严重的环境问题[9,10]。

生命周期评价方法(Life Cycle Assessment,LCA)是一种从产品的原材料开采阶段、生产阶段、运输阶段、使用阶段到最终处理阶段的全生命周期过程的评估研究,包括对资源消耗与环境影响方面的评估方法[11]。自20世纪60年代末美国中西部资源研究所对可口可乐饮料包装的环境影响进行定量研究之后,生命周期影响评价的研究对象已从单一的工业产品、工艺或服务拓展到各类大小型工程项目等具有系统性质的评价对象[12,13]。目前生命周期评价方法在农业领域的研究逐渐增多,并形成了一批重要的研究成果。国外部分学者应用LCA研究了过磷酸钙的生命周期对环境的影响[14],有学者采用LCA对不同农肥产品进行生命周期研究来比较不同农肥产品的环境影响[15,16],也有学者对澳大利亚、丹麦、意大利、瑞士的农产品或田间管理措施进行了LCA研究[17-19]。

我国在农业领域对LCA的研究虽然起步较晚,但目前的研究逐渐增多,如张方方等[20]对磷酸二铵和磷酸一铵的生命周期进行了对比研究，籍春蕾等[21]对有机肥料和化肥的生命周期进行了评价。部分学者对水稻、小麦、大豆、玉米等农产品的生命周期进行了研究[22-30]。尽管对农业领域的环境影响评价成果较多,但还存在着不足。一方面,国外的研究无法反映我国磷肥行业的实际状况；另一方面,目前国内针对磷酸二铵环境影响的研究仅围绕磷酸二铵的生产阶段展开,并没有考虑磷酸二铵成品出厂后的运输阶段与下游农户的施用阶段。本研究运用生命周期评价方法,在对我国磷酸二铵产品生产与使用过程进行深入调研与分析的基础上,界定磷酸二铵从磷矿石生产阶段到农户施用阶段的各个生命周期过程,构建并且量化生命周期过程中资源/能源使用和污染物排放清单,使用ReCiPe方法进行量化分析并评估磷酸二铵生命周期的主要环境影响类别,识别造成磷酸二铵生命周期环境负荷的关键环节。本研究不仅为推动我国磷酸二铵本土化生命周期的数据库建立提供了数据支撑,同时为制定磷肥产业的可持续发展政策提供了科学依据。

2 研究方法和数据来源

ISO14000系列标准是一套科学化、系统化、规范化的管理标准，是由最高管理者承诺和支持的一个组织有计划、协调运作的管理活动。它通过有明确职责、义务的组织结构来贯彻实施，目的在于防止对环境的破坏和不利影响。本研究主要根据ISO14040《生命周期评价原则与框架》要求的四个阶段进行评价,即目的定义与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释。

2.1 目的与范围确定

本研究旨在评估磷酸二铵从上游磷矿石生产阶段到下游农户施用阶段的生命周期环境影响,为磷酸二铵产品全过程环境管理提供决策依据。云南省是我国磷矿的主要分布区域。截止2016年,云南省已探明磷矿石储量为6.27×108t,平均品位22.2%,占全国已探明磷矿石量的19.3%,是我国重要的磷肥产业基地。因此,磷酸二铵生产过程选择位于云南省中部某大型磷肥生产企业的全生产过程。该磷酸二铵生产过程采用预中和—管式反应器工艺,经过多年发展,该工艺已成为磷酸二铵生产的最佳工艺[31]。该企业年产磷酸二铵6×105t,产品销往全国各地,主要应用于水稻、小麦和玉米等经济作物生长过程中的肥料施用。基于施肥数据的可获得性,农户施用阶段选择水稻种植系统的磷酸二铵施用过程,具体包括我国水稻种植集中分布的太湖地区、湖北省地区和洱海地区。

2.2 功能单位与系统边界

本研究主要选择一吨磷酸二铵(P2O5≥46%,N≥18%)作为功能单位。系统边界具体考虑:磷矿石生产过程中的矿石采剥、开采运输和给排水过程,磷酸二铵生产过程中的硫酸生产、磷酸生产、硫酸废热发电和磷酸二铵生产,磷酸二铵成品运输阶段和农户施用阶段。

具体说明为:①由于基础设施建设和生产过程中的机器设备运行损耗产生的环境影响难以进行测量,因此本研究没有考虑磷矿石生产和磷酸二铵生产的基础设施建设过程与设备运行损耗。②考虑到数据的可获得性,将磷酸二铵运输阶段定义为磷肥企业将磷酸二铵运往下游消费区域的一级经销商。③农户施用阶段,考虑太湖地区、湖北省地区和洱海地区常规施肥和优化施肥状况,其中常规施肥选择当地农民的平均施肥量,而优化施肥选择当地推荐的施肥量、施肥方式与比例进行。磷酸二铵生命周期边界见图1。由于磷矿石的生产过程是在该企业的子公司进行,因此将磷矿石运输也划分到磷矿石生产阶段。

图1 磷酸二铵生命周期系统边界

2.3 数据来源

磷酸二铵生命周期过程中的磷矿石生产、运输和磷酸二铵的生产数据来源于磷肥企业,运输阶段和农户施用阶段的数据来源于国内相关文献,柴油、煤炭、硫磺的上游生产数据来自于GaBi数据库,电力和液氨生产数据来自于Ecoinvent数据库。磷酸二铵生命周期过程的数据来源见表1。

表1 磷酸二铵生命周期详细数据来源

2.4 生命周期影响评价

生命周期影响评价的目的是在研究目标和边界框架内,通过对清单数据的量化分析来评价研究对象的环境影响[43]。该阶段可将清单分析结果(输入/输出)与对环境的影响联系起来,说明不同输入/输出的相对重要性和每个生产阶段对环境影响的大小。本研究采用国际上广泛使用的基于CML[44]和Ecoindicator99[45]模型发展而来的ReCiPe方法[46]进行量化分析,包括特征化和标准化两个阶段。在特征化阶段,主要通过当量系数转换为参照物的环境影响潜力。

在ReCiPe评价方法中,选择气候变化、化石能源耗竭、淡水富营养化、人体毒性、颗粒物形成、光化学氧化和陆地酸化7种环境影响类别进行分析。各种特征化环境影响类别根据式(1)计算。

Ep(x)=ΣEp(x)i=Σ[Q(x)iEF(x)i]

(1)

式中,Ep(x)为系统对第x种生态环境影响潜力;Ep(x)i为第i种污染物排放对第x种生态环境的影响潜力;Q(x)i为第i种污染物的排放量;EF(x)i为第i种污染物对第x种生态环境影响的当量系数。

在标准化阶段,本研究采用2000年世界人均环境影响潜力作为环境影响基准进行标准化处理,根据式(2)进行计算。

Rx=Ep(x)/S(2000)x

(2)

式中,Rx为第x种环境影响类别的标准化结果;Ep(x)为第x种潜在环境影响特征化结果;S(2000)x为第x种环境影响类别2000年的世界人均环境影响潜力基准值。

3 结果分析

3.1 生命周期清单分析

磷矿石生产、磷酸二铵生产、运输和上游原材料生产是资源消耗阶段,所需要的原料和燃料包括磷矿石、煤、天然气和石油在内的各种化石能源和矿产资源。污染排放主要发生在农户施用阶段,主要是磷酸二铵进入土壤后以P、NH3-N、NO3-N、N2O-N和重金属的形式向空气、水体和土壤中排放。一吨磷酸二铵生命周期的资源消耗量与污染排放清单见表2。

表2 一吨磷酸二铵生命周期资源消耗与污染物排放清单

3.2 生命周期影响评价

特征化结果:太湖地区、湖北省地区和洱海地区的优化施肥情景和常规施肥情景下磷酸二铵生命周期特征化结果和磷酸二铵生命周期各阶段特征化结果百分比见表3、图2、图3。

表3 磷酸二铵生命周期环境影响评价特征化结果

气候变化潜势主要产生于磷酸二铵生产阶段和农户施用阶段。磷酸二铵生产阶段气候变化潜势为452.97kg CO2eq,占三个不同区域磷酸二铵生命周期气候变化潜势的34.1%—35.5%。各区域农户施用阶段的气候变化潜势为801.92—834.01kg CO2eq,占各区域磷酸二铵生命周期的62.5%—63.4%,主要是由于磷酸二铵生产过程中释放的CO2和农户施用阶段磷酸二铵释放的N2O等温室气体造成的。与常规施肥情景相比,采用优化施肥情景陆地酸化潜势能减小0.8%—1.7%。

图2 优化施肥情景下各地区各阶段特征化百分比

图3 常规施肥情景下各地区各阶段特征化百分比

磷酸二铵生产阶段是化石能源耗竭潜势的主要贡献阶段。该阶段化石能源耗竭潜势为355.01kg oil eq,分别占太湖地区、湖北省地区和洱海地区磷酸二铵生命周期资源消耗量的83.9%、88.1%和95.8%。而磷酸二铵生产阶段资源消耗量主要发生在上游生产阶段的硫磺生产、电力生产和磷酸二铵生产过程中的磷酸生产,分别占磷酸二铵生产阶段资源消耗量的32.5%、36.4%和16.1%。虽然运输阶段对化石能源耗竭潜势占比相对较小,但受各地区运输距离的影响,变动幅度较大,占磷酸二铵生命周期化石能源耗竭潜势的2.2%—14.3%。

淡水富营养化潜势主要产生于农户施用阶段,农户施用阶段太湖地区、湖北省地区和洱海地区的优化施肥情景下淡水富营养化潜势分别为0.95、0.56和0.40 kg P eq,占各自生命周期淡水富营养化潜势的96.9%、94.9%和93.0%;三地区常规施肥情境下淡水富营养化潜势分别为1.07、0.70和0.54 kg P eq,占各自生命周期淡水富营养化潜势的97.3%、95.9%和94.8%。主要是由于磷酸二铵中的氮和磷随着农户施肥进入土壤后,受到自然降水的侵蚀和农田灌溉排水产生降水淋湿和径流损失。比较不同的施肥情景可知,优化施肥情景比常规施肥情景的淡水富营养化潜势减少12.2%—32.6%。

人体毒性潜势的主要贡献阶段是农户施用阶段,农户施用阶段人体毒性潜势为292.01kg 1,4—DB eq,分别占太湖地区、湖北省地区和洱海地区生命周期内人体毒性潜势的84.3%、84.5%和84.8%。其中,砷(五价)和镉(二价)两种重金属元素是造成人体毒性的主要重金属元素,分别占农户施用阶段人体毒性的51.7%和46.9%。造成人体毒性的原因是磷酸二铵中含有的砷和镉等重金属元素进入土壤后迅速被土壤吸附固定，被微生物和植物吸收,通过食物链或其他方法转化为毒性更强的物质,对人体健康造成严重危害。由于重金属进入土壤后极易被土壤吸附和固定,因此优化施肥情景和常规施肥情景的人体毒性潜势差异较小。

颗粒物形成潜势产生的原因是磷矿石生产过程中产生的粉尘,磷酸二铵生产过程中排放的颗粒物和NH3,运输过程中汽车尾气排放的NOx及颗粒物和农户施用过程中产生的NH3和NOx。农户施用阶段是颗粒物形成潜势的主要贡献阶段,太湖地区、湖北省地区和洱海地区优化施肥情景下,农户施用阶段颗粒物形成潜势分别为9.88、8.72和7.56kg PM10eq,占各自生命周期颗粒物形成潜势的84.5%、85.4%和87.1%;常规施肥情景下,各地区农户施用阶段颗粒物形成潜势分别为11.05、10.47和9.88kg PM10eq,占各自生命周期颗粒物形成潜势的85.9%、87.6%和89.8%。从不同的施肥情景分析,优化施肥情景下颗粒物形成潜势比常规施肥情景减少9.9%—27.1%。

光化学氧化潜势的主要贡献阶段是磷酸二铵生产和运输阶段,主要是由于生产和运输过程中产生的氮氧化物和NMVOC。磷酸二铵生产阶段光化学物质潜势为1.36 kg NMVOC,占各区域磷酸二铵生命周期光化学氧化潜势的25.7%—60.3%。相较于生产阶段,运输阶段由于受运输距离影响,太湖地区、湖北省地区和洱海地区的差异显著,分别占光化学氧化潜势的66.4%、53.9%和21.5%。

农户施用阶段是陆地酸化潜势的主要贡献阶段,优化施肥情景下太湖地区、湖北省地区和洱海地区陆地酸化潜势分别为72.26、63.42和54.58 kg SO2eq,占各区域陆地酸化潜势的92.8%、93.0%和93.5%。常规施肥情景下三地农户施用阶段陆地酸化潜势分别为81.10、76.68和72.26 kg SO2eq,占各地区陆地酸化潜势的93.6%、94.2%和95.0%。主要原因是磷酸二铵进入土壤后的反硝化作用产生氮氧化物排放和氨挥发。与常规施肥情景相比,采用优化施肥情景陆地酸化潜势减少11.4%—30.3%。

图4 优化施肥情景下各区域磷酸二铵生命周期标准化

图5 常规施肥情景下各区域磷酸二铵生命周期标准化

标准化结果:太湖地区、湖北省地区和洱海地区优化施肥情景和常规施肥情景下，气候变化、化石能源耗竭、淡水富营养化、人体毒性、颗粒物形成、光化学氧化和陆地酸化7种影响类别的标准化值见图4和图5。经过对一吨磷酸二铵生命周期的7种环境影响标准化结果(图4和图5)分析,各环境影响类别总体呈现太湖地区>湖北省地区>洱海地区,其中淡水富营养化和陆地酸化是最主要环境影响类别,其他依次是人体毒性、颗粒物形成、化石能源消耗、气候变化和光化学氧化。淡水富营养化和陆地酸化标准化值分别为1.47—3.79和1.53—2.27,说明淡水富营养化和陆地酸化潜值分别相当于2000年世界人均环境影响潜力的147%—379%和153%—227%。

4 讨论

4.1 敏感性分析

为比较磷酸二铵生命周期过程输入参数的变化对环境影响类别的影响程度,将磷矿石产量、磷酸二铵产量、运输距离和农户施用量分别进行±10%浮动对研究的7种环境影响类别进行敏感性分析(表4)。从表4可知,当对磷酸二铵产量进行±10%浮动时,气候变化、化石能源耗竭和人体毒性三种环境影响类别波动明显,说明磷酸二铵产量对这三种环境影响类别敏感度较高;当对运输距离进行±10%浮动时,光化学氧化环境影响类别变化明显,运输距离对光化学氧化环境影响类别敏感度较高;当对农户施用量进行±10%的浮动时,气候变化、淡水富营养化、人体毒性、颗粒物形成和陆地酸化5种环境影响类别波动明显,说明农户施用量对这5种环境影响类别的敏感度较高;当对磷矿石产量进行±10%浮动时,7种环境影响类别没有明显改变,说明该因素对7种环境影响类别的敏感度较低。

表4 磷酸二铵生命周期环境影响敏感性分析结果

4.2 不确定性分析

在磷酸二铵的生命周期过程中,磷酸二铵的生产受磷矿石中磷元素含量、硫酸生产、磷酸生产和磷酸二铵合成生产反应效率的影响,所消耗的原材料数量存在不确定性;运输阶段受道路状况和路线选择的限制,消耗的柴油和污染排放，存在不确定性;农户施用阶段所排放的污染物受降雨量和气候变化影响也存在不确定性。因此,本研究选择磷酸二铵生命周期过程中的13个关键数据对淡水富营养化、人体毒性、颗粒物形成和陆地酸化4种相对显著影响类别进行不确定性分析。其中,生产数据参考云南省其他具有代表性的磷肥企业[47,48],农户施用阶段数据参考相关文献[37,38,41,49-51]。由于数据样本量较小,本研究将以上13个关键数据均定义为三角分布(表5)。虽然这种处理方法较简单,但三角分布在数据量较少的情况下进行生命周期不确定性模拟较适用。本研究运用Crystal Ball软件对选出的不确定参数进行10000次蒙特卡罗模拟,计算出上述4种环境影响类别的不确定性,蒙特卡罗模拟的结果见图6。

图6 磷酸二铵生命周期不确定性分析

由图6可知,太湖地区、湖北省地区和洱海地区淡水富营养化、人体毒性、颗粒物形成和陆地酸化4种环境影响类别的均值分别为0.43—1.10 kg P eq、344.74—346.65 kg 1,4—DB eq、8.69—12.87 kg PM10eq、58.46—86.80 kg SO2eq,变异系数在3%—6%间波动,说明研究的环境影响结果具有较好稳定性。

4.3 研究结果对比

周祖鹏[23]、王明新[25]等分别对广西和太湖地区一吨水稻生命周期的环境影响进行了研究,结果表明能源消耗主要发生在化肥生产阶段,农户施用阶段对富营养化、环境酸化、人体毒性和气候变化等环境影响类别影响较大。即环境影响主要发生在农户施用阶段,这与本研究结果基本一致。本研究中,优化施肥情景相对常规施肥情景能不同程度地减少对环境的影响,这在卢娜[22]等采用配方施肥和常规施肥对太湖流域一吨水稻种植生命周期内环境影响的研究中得到了证实。侯梦瑶[52]、梁书民[53]、汪翔[54]、张永强[55]等通过对我国农业化肥投入现状、地区差异与污染现状的研究发现,我国农业化肥用量与环境影响大致呈现从东部到西部逐渐递减的趋势,这与本研究结果一致。

5 结论

研究结果表明:①磷酸二铵生命周期过程对环境的主要环境影响类型是陆地酸化、淡水富营养化、颗粒物形成、人体毒性。磷酸二铵生产阶段是造成化石能源耗竭潜势的主要阶段,农户施用阶段对气候变化、陆地酸化、淡水富营养化、颗粒物形成和人体毒性等潜势的贡献占比最大。②综合三个典型区域的磷酸二铵生命周期发现,受单位面积磷肥投入量、强度、结构等地区差异的影响,水稻化肥施用造成的环境影响基本呈现从东部到西部逐渐递减趋势。③优化施肥情景在保证水稻产量的同时,能提高磷酸二铵的利用率，降低化肥的施用量，减少因上游生产而带来的直接或间接污染物排放,从而减少化肥生产与农户施用过程中对环境造成的影响。

在磷酸二铵生产的过程中企业应关注节能减排,可通过选择高品位磷矿，提高硫酸生产过程中的废热回收率，采用清洁能源等措施来降低磷酸二铵生产过程中对资源的过度依赖,同时采用新技术或提高催化剂反应效率来间接减少非可再生资源的消耗。从空间分布看,东部地区在单位面积磷肥投入量和强度上均高于中部和西部地区。因此,各地区应在采取适当政策干预和调节的基础上,因地制宜地制定化肥施用量。此外,国家应积极培养农户的环保意识,鼓励农户采用配方施肥和优化农肥播撒方式等措施,达到减少化肥施用量和提高生产效率的双重目标。农户施用阶段采用优化施肥方式,既可为实现农业节能减排提供一条选择路径,还能实现可持续发展和清洁生产。

本研究在研究过程中还存在一些不足,主要表现在:磷矿石和磷酸二铵生产阶段的数据来源于云南省典型磷肥生产企业,与我国其他地区企业生产的产品在生产工艺和生产效率方面可能存在一定差异;运输阶段和农户施用阶段资源的消耗和污染物排放数据多引用他人的研究成果,因此研究结果的时空代表性有待进一步提高。