亮文解读 | 创新改革模式助推中国氮肥行业低碳发展

发布时间：2023-07-21 发布人：唐静月浏览次数：

农业碳中和与低碳经济

Carbon Neutrality and a Low Carbon Economy for Agriculture

专辑文章介绍

· 第七篇 ·

▎论文ID

Proposed innovation reform model for the mineral nitrogen fertilizer industry in China to reduce greenhouse gas emissions

创新改革模式助推中国氮肥行业低碳发展

发表年份：2023年

第一作者：李冬佳

通讯作者：刘蕊

: rliu@cau.edu.cn

作者单位：1. 中国农业大学资源与环境学院；2. 中盐安徽红四方绿色智能复合肥研究院。

Cite this article :

Dongjia LI, Rui LIU, Li CHEN, Yu GAO, Xuanyu GU, Yu-hua SHI, Jiahuan LIU, Weifeng ZHANG. PROPOSED INNOVATION REFORM MODEL FOR THE MINERAL NITROGEN FERTILIZER INDUSTRY IN CHINA TO REDUCE GREENHOUSE GAS EMISSIONS. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(2): 234‒247 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022468

· 文章摘要 ·

在全球范围内，减少过多的氮损失和温室气体（greenhouse gas，GHG）排放是21世纪生态环境的核心挑战。合成氮肥是一个能源消耗密集型和污染排放严重的行业，中国70%的氮肥又以高耗能高排放的尿素参与生产和农田应用，进一步加剧氮肥链的碳排放风险。本研究采用生命周期分析法量化中国氮肥链的GHG排放量，比较不同氮肥的碳排放能力，并提出一种旨在减少碳足迹氮肥产业结构调整战略：（1）利用低GHG排放的氮肥替代尿素，实现多元氮素协同供应；（2）利用新型氮肥取代传统氮肥；（3）推动合成氮肥生产技术的升级。这将使中国氮肥产业GHG总排放量减少35%‒38%，助推“双碳”目标的实现。

· 文章亮点 ·

1. 分析了2010‒2020年氮肥链碳减排的主要贡献因素及贡献率。

2. 定量主要氮肥产品生产过程和施用过程的碳足迹。

3. 提出了基于氮肥产品结构调整的氮肥链改革模式。

4. 定量分析改革模式对氮肥链碳减排的潜力。

· Graphical abstract ·

· 研究内容 ·

▎研究背景

确保国家粮食安全、应对全球气候变暖和环境恶化是当今世界各国所共同面临的三大挑战。化学氮肥的大量生产和施用显著提高了作物产量，但持续增加的氮肥投入并没有带来作物产量的持续提高，过量及不合理的氮肥管理，反而导致了诸如GHG排放、全球气候变暖和臭氧层空洞等众多环境问题。氮肥品种、生产技术、施用方式是导致氮肥链的GHG排放的重要影响因素。明确氮肥链的减排潜力，提出低碳改革模式，是实现氮肥产业“双碳”目标的重要环节。在过去的20年里，中国氮肥行业经历了巨大的变化，本文对中国2010‒2020氮肥链的碳排放进行重新核算，并定量不同氮肥品种的碳排放能力，提出基于氮肥产品结构改良的氮肥产业改革模式，并量化该模式的净碳收支，为中国氮肥行业低碳转型提供参考。

▎中国氮肥产业的政策演变与氮肥产品结构演变

中国作为国际氮肥市场的主导力量，2015年中国共生产47.2百万吨（Tg）氮，其中30.1 Tg氮用于农业，占全球农业氮肥用量的30%。对于全球氮肥的生产、消费及其导致的环境排放风险，中国氮肥产业占据至关重要的地位。伴随着氮肥工业的发展，中国氮肥产品结构也发生着重大转变，可简单理解为从低浓度氮肥转向高浓度氮肥。在2002‒2015年，尿素产量占比从58.4%上升到68.2%，而碳酸氢铵从21.6%下降到4.2%。到2020年，碳酸氢铵占比进一步下降至1.9%。受其他氮肥品种占比增加和尿素价格波动的影响，2020年尿素占比较2015年下降了3.5%。到2020年，氯化铵占比略有增长达8.5%。2020年硝酸铵产量为2.0 Tg氮，占氮肥总产量的4.9%。复混肥和其他肥料的产量占比从2002年的13.4%增加到2020年的20.1%。

图1 氮肥产品结构的演变。（a）2002‒2020年中国氮肥产量变化;（b）氮肥产品的产量占比。

▎不同氮肥产品生产和施用过程的碳排放系数

作为合成氨的下游产品，氮肥种类不同，生产能耗不同。几种主要的氮肥产品在生产过程中的碳排放系数从大到小依次为：硝酸铵、尿素、碳酸氢铵、氯化铵、硫酸铵。其中，以硝酸铵为代表的硝态氮肥是生产过程中GHG排放量最高的肥料，主要原因是硝酸铵生产是以硝酸为主要原料，而生产硝酸会排放N₂O。铵态氮肥（硫酸铵、氯化铵）是化工和钢铁行业的副产物，生产过程的碳排放较少。尿素硝铵是液态氮肥的主要品种，由于储运条件的限制，其在中国尚处于起步阶段，但其生产过程的碳排放仅为2.44 t（每吨氮含CO₂当量，后同），较尿素降低50%，是低碳氮肥的重要品类之一。

施入土壤后的氮肥可能以N₂O排放、NH₃挥发、径流及淋溶形式损失；不同肥料最终排放因子出现差异的直接原因是其化学组成不同。其中，尿素和碳酸氢铵是各种氮肥中气体损失率最高的产品，碳排放量分别为8.24 t、7.03 t，硫酸铵最低，碳排放为3.95 t。其他肥料的排放因子仅为尿素的47.9%‒80.3%。尿素硝铵作为一种多组分液体氮肥，在施用过程中的氮损失量比尿素低30.0%。为了进一步提高农田系统氮素利用效率，氮肥行业一直在不断进行产品升级，推出了稳定性肥料和控释肥产品，其中稳定性肥料是指在肥料生产过程中添加脲酶抑制剂（urease inhibitions，UI）或硝化抑制剂（nitrification inhibitors，NI）的一种肥料。综合全球203个样本数据分析表明，UI可分别降低63.2%的NH₃和17.3%的N₂O损失；NI可显著降低53.9%的N₂O排放，44.6%的NO^3‒淋洗，但增加15.3%的NH₃挥发，控释肥可以分别减少65.9%的NO^3‒淋洗、70.2%的NH₃和37.5%的N₂O损失。

▎氮肥行业改革框架

仅关注生产工艺和资源状况，忽视化肥工业与农业发展的匹配，是中国氮肥利用率低的重要原因之一。前期分析政策发展、不同氮肥排放因子发现，当前农户在选用氮肥产品时仅考虑总氮量，却缺乏对“养分协同”、“低碳绿色”的认识，导致中国的氮肥种类极不平衡。结合不同肥料的排放因子与养分协同增效理论，中国今后氮肥产品结构应以多型态氮肥产品供应为主，利用低碳氮肥（硫酸铵、氯化铵、尿素硝铵溶液）逐步替代以高碳排放的尿素为主的氮肥；提高硝态氮肥的占比，实现多形态氮素的均衡供应；利用新型增效氮肥（稳定性肥料、控释肥料）对传统肥料进行升级，最终实现新的低碳氮肥产品结构，配合生产技术升级，将使中国氮肥产业GHG总排放量每年减少81.7‒88.9 Tg。

图2 调整氮肥产品结构对氮肥链GHG的减排潜力。（a）生产和应用过程的GHG减排能力；（b）通过生产技术创新减少GHG排放的能力。

▎结论

在未来几十年，如何实现“双碳”目标将成为氮肥行业的重要议题。本文提出了一种创新的氮肥链低碳策略：提高低碳氮肥和新型增效氮肥比例；调整现有以高碳排放的尿素为主的氮肥产品结构体系，利用先进的生产技术；减少生产过程中的能源消耗和GHG排放。若综合考虑上述关键措施，中国氮肥产业在未来将实现GHG总排放量每年减少81.7‒88.9 Tg。

原文链接：https://journal.hep.com.cn/fase/EN/10.15302/J-FASE-2022468