基于LCA的循环农业系统碳循环过程与平衡研究

A large number of agricultural organic wastes are produced in China every year from various agricultural sub-systems. The low utilization of these organic wastes leads to serious potential environmental consequences. Increasing soil organic carbon sequestration, through returning organic wastes to farmland is a considerable ways to promote agricultural energy use efficiency and reduce greenhouse gas (GHG) emissions. Currently, the comprehensive effect and impact of returning organic wastes on GHG emissions of farmland system are not unified, as well as a lack of comparative studies between the various organic wastes. Based on the previous research advance, this project aims to systematically evaluate the net greenhouse gases balance (NGHGB) by returning four typical agricultural wastes (crop straw, animal manure, biogas residue and mushroom residue) to farmland, through the field experiments and investigation. Furthermore, according to the life cycle assessment (LCA), the NGHGB of different agricultural cycle patterns will be analyzed, which are farmland system linked with other systems (farmland inner recycling, “farmland-animal husbandry” cycle, “farmland-animal husbandry-biogas” cycle and “farmland-animal husbandry-mushroom” cycle),with no waste returning system (mere fertilizer application) as control. As a whole, the comprehensive NGHGB of recycling agricultural system compare with non-recycling system will be analyzed to answer the “moderate” questions of development of recycling agriculture theoretically (whether recycling chain is the longer, the better? And which scale is the appropriate size?) and build up scientific bases for recycling agriculture development in China.

我国农业废弃物种类多、数量大、利用低、污染重，通过发展循环农业、增加农田土壤固碳能力是促进农业节能减排、应对全球气候变化的重要途径之一。目前关于有机废弃物还田对农田系统温室气体排放影响的综合效果尚没有统一的定论，各种有机废弃物之间也缺乏对比研究。本项目基于前期研究基础，进一步以猪粪、沼渣、菌渣与秸秆还田为研究对象，系统评价四种农业废弃物还田对农田温室气体“排”与“固”的平衡影响，在此基础上，根据生命周期评价的思路，以没有废弃物还田的非循环农田系统（单施化肥的农田）为对照，从农田起始，按照循环链条的长短进行系统耦合（农田内循环、“农-牧”循环、“农-牧-沼”循环、“农-牧-菌”循环），分析不同循环农业模式的净温室气体平衡，研究循环农业系统与非循环系统对温室效应的综合影响。从理论上回答循环农业发展的“适度”问题（是否循环链条越长越好？以及多大规模合适？），为发展循环农业提供更为全面的科学依据。

我国农业废弃物种类多、数量大、利用低、污染重，通过发展循环农业是促进农业节能减排的重要途径之一。本项目以秸秆、猪粪、沼渣等有机废弃物还田为研究对象，基于多年的田间定位试验和系统调研，综合研究了农业废弃物还田对农田温室气体“排”与“固”的平衡影响，在此基础上，重点研究了农牧循环系统和非循环系统的净温室气体排放及其影响因素；比较了“农田内”、“农-牧”和“农-牧-沼”循环系统三种链条长短的循环模式以及比较了农牧不同规模循环系统的净温室气体排放及其影响因素。研究取得的主要结果有：. （1）有机物料还田虽显著增加了农田土壤温室气体排放，但是同时增加了土壤固碳能力，综合表现有机物料还田的系统比无机肥处理减少了农田系统的净温室效应。有机物料还田减少了系统净温室气体排放（NGWP）。秸秆、沼渣和猪粪处理分别比无机肥减少了895.66 kg CO2-eq/hm2/年、3967.19 kg CO2-eq/hm2/年和3103.71 kg CO2-eq/hm2/年的系统NGWP，其中沼渣和猪粪处理为温室气体的汇，具有更好的系统固碳减排效果。. （2）农牧耦合循环系统与分离的非循环系统相比，能够减少了21.58%的温室气体排放。从循环链条长短来看，相比秸秆直接还田的农田内循环系统，农牧循环系统和农牧沼循环系统具有更好的温室气体减排效果，分别比农田内循环系统减排14.83%和354.06%。且随着循环链条的延长减排效果也越好。. （3）与单独的生猪养殖系统相比，随着规模的扩大，农田对接生猪养殖系统减排效果也越来越好，农牧循环型的十万头猪场对接后温室气体减排幅度最大。实际生产中农户散养、百头猪场、千头猪场和十万头猪场模式生猪养殖的温室气体排放值分别降低了10.31%、5.84%、4.77%和16.76%。. 综合以上研究，通过循环农业不仅能减少农田系统的净温室效应，而且农牧耦合循环系统能减少整个系统的温室气体排放；农田内循环、农牧循环和农牧沼循环三种农业循环模式中农牧沼循环减排效果最好；随着规模的扩大，农田对接生猪养殖系统减排效果也越来越好。