蔡宇杰, 喬玉輝, 徐 敬, 孟凡喬, 吳文良

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有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn)環(huán)境影響的生命周期評價*

蔡宇杰, 喬玉輝, 徐 敬, 孟凡喬**, 吳文良

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193)

本文以我國園藝產(chǎn)業(yè)中的重要果品——蘋果的生產(chǎn)為研究對象, 通過實地調(diào)研, 采用生命周期評價方法, 對山西浮山、陜西白水和甘肅天水等3個代表性地區(qū)的有機及常規(guī)蘋果生產(chǎn)的環(huán)境影響進(jìn)行了研究, 以期為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明, 山西浮山的有機蘋果生產(chǎn)養(yǎng)分利用效率高于常規(guī)蘋果, 陜西白水和甘肅天水相反。3個地區(qū)單位蘋果有機生產(chǎn)方式的能源消耗均占常規(guī)方式的26%以下, 有機生產(chǎn)的能量利用效率高于常規(guī)生產(chǎn)。在能源消耗、全球變暖、環(huán)境酸化以及富營養(yǎng)化等4類環(huán)境影響中, 富營養(yǎng)化對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)最大, 均占80%以上。有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn)的環(huán)境影響按照大小均表現(xiàn)為陜西白水>甘肅天水>山西浮山。由于山西浮山有機蘋果的肥料等投入遠(yuǎn)低于常規(guī)蘋果生產(chǎn), 產(chǎn)量相差不大, 因而表現(xiàn)為有機蘋果的綜合環(huán)境影響僅為常規(guī)蘋果的22%; 陜西白水和甘肅天水呈現(xiàn)相反的情形, 其有機蘋果的綜合環(huán)境影響分別是常規(guī)蘋果的356%和138%。在高量有機養(yǎng)分投入的前提下, 有機農(nóng)業(yè)可以達(dá)到和常規(guī)農(nóng)業(yè)相當(dāng)?shù)淖魑锂a(chǎn)量, 但其代價是較高的負(fù)面環(huán)境影響和較低的養(yǎng)分和能源利用效率。

有機農(nóng)業(yè); 蘋果; 生命周期評價; 環(huán)境影響; 養(yǎng)分利用效率; 能源利用效率; 富營養(yǎng)化

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)會導(dǎo)致廣泛的環(huán)境影響(如氣候變化、酸化、富營養(yǎng)化等), 受自然條件和生產(chǎn)方式的影響, 不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境影響變異很大, 不同生產(chǎn)方式和產(chǎn)品也相差很大。越來越多的研究對不同類型農(nóng)產(chǎn)品和不同生產(chǎn)方式的綜合環(huán)境影響進(jìn)行分析, 其中生命周期評價(life cycle analysis, LCA)方法, 分析所有涉及生產(chǎn)系統(tǒng)因素的環(huán)境影響, 正越來越多地被人們采用[1]。1996年, 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO14040(原則及框架), 2000年發(fā)布ISO14042(影響評價)[2], 并對工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域確定了各自的分析框架和方法[3-4], 這對于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展LCA評價提供了方法學(xué)方面的支撐。農(nóng)作物生產(chǎn)所產(chǎn)生的環(huán)境影響不僅包括農(nóng)業(yè)活動自身, 也涉及農(nóng)業(yè)投入品的環(huán)境影響, 如肥料生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成的污染物排放和資源消耗[5], 因此LCA方法也逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng), 如有機和常規(guī)農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響評價。應(yīng)用LCA方法, 我國學(xué)者進(jìn)行了很多研究, 王效琴等[6]對設(shè)施蔬菜, 王明新等[7]對華北平原冬小麥(), 徐杰鋒等[8]對香蕉()種植的環(huán)境影響都進(jìn)行了評估。

由于生產(chǎn)過程以及投入品的不同, 有機農(nóng)業(yè)和常規(guī)農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)出不同的環(huán)境效益。如Meng等[9]對中國有機農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的定量研究表明, 有機農(nóng)業(yè)在降低硝酸鹽污染、固碳減排和生物多樣性改善等方面具有更好的環(huán)境效益, 其價值可以補償相當(dāng)一部分產(chǎn)量降低的經(jīng)濟(jì)損失。羅燕等[10]運用LCA評價方法, 發(fā)現(xiàn)有機大豆()的環(huán)境影響綜合指數(shù)小于常規(guī)大豆, 其中資源消耗、酸化和全球變暖占綜合環(huán)境影響的30%左右, 而富營養(yǎng)化和生態(tài)毒性的貢獻(xiàn)較低。李彩戀等[11]對有機和常規(guī)草莓()進(jìn)行了生命周期評價, 發(fā)現(xiàn)有機草莓生產(chǎn)對環(huán)境帶來的影響更小, 主要是由于有機草莓生產(chǎn)過程中施用的有機肥與生物源農(nóng)藥對環(huán)境產(chǎn)生的影響較小所致。除了生產(chǎn)過程和投入品, 不同地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的環(huán)境影響也受到自然條件和管理措施的影響, 如李貞宇等[12]發(fā)現(xiàn), 富營養(yǎng)化是最重要的環(huán)境影響, 農(nóng)戶間變異較大, 由于自然條件等使得吉林省具有資源環(huán)境影響較低的優(yōu)勢。在LCA分析中, 環(huán)境影響的單位可以采用單位面積, 也可以采用單位作物產(chǎn)量, 其經(jīng)濟(jì)和社會學(xué)含義是完全不同的。到目前為止, 這些研究大都針對某一地區(qū)有機或常規(guī)產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行分析, 而對于不同地區(qū)有機和常規(guī)產(chǎn)品的環(huán)境影響比較研究開展得較少, 因此本文選取我國園藝生產(chǎn)中重要的果品——蘋果(), 分析其在不同地區(qū)、有機和常規(guī)生產(chǎn)方式下的環(huán)境影響, 以期為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象與數(shù)據(jù)來源

本研究的研究區(qū)域為山西浮山、陜西白水、甘肅天水, 選取3個地區(qū)的有機和常規(guī)農(nóng)業(yè)的蘋果生產(chǎn)。本文的有機生產(chǎn)方式是指遵照特定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原則, 在生產(chǎn)中不采用基因工程獲得的生物及其產(chǎn)物, 不使用化學(xué)合成的農(nóng)藥、化肥、生長調(diào)節(jié)劑、飼料添加劑等物質(zhì), 遵循自然規(guī)律和生態(tài)學(xué)原理, 協(xié)調(diào)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的平衡, 采用一系列可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)技術(shù)以維持持續(xù)穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[13]。通過現(xiàn)場調(diào)查的方式, 從當(dāng)?shù)赜袡C生產(chǎn)和附近的常規(guī)生產(chǎn)企業(yè)獲得蘋果生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。山西浮山調(diào)研地點為浮山市浮山縣中寶農(nóng)業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司, 該公司擁有蘋果有機種植面積29.95 hm2。陜西白水調(diào)研地點為陜西省白水縣宏達(dá)果業(yè)有限責(zé)任公司, 蘋果有機種植面積為533.3 hm2。甘肅天水調(diào)研地點為隴南長城果汁飲料有限公司, 蘋果有機種植面積為400 hm2。調(diào)查的常規(guī)蘋果生產(chǎn)面積與有機蘋果類似。山西浮山年平均氣溫11.2 ℃, 降水量532.7 mm, 土壤類型為褐土。陜西白水歷年平均氣溫11.4 ℃, 平均降水量568 mm, 境內(nèi)土壤多屬黃土母質(zhì), 公司農(nóng)場土壤為褐土。甘肅天水年平均氣溫11.0 ℃, 年平均降水量491.7 mm, 土壤類型為黃土。

1.2 生命周期評價

1.2.1 目標(biāo)定義與范圍界定

功能單元是LCA環(huán)境影響比較的基礎(chǔ), 需要對研究目標(biāo)和相關(guān)的功能單元進(jìn)行明確[14]。本研究以生產(chǎn)1 t蘋果為評價的功能單元, 對3個地區(qū)的有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn)進(jìn)行評價。系統(tǒng)起始邊界為農(nóng)資系統(tǒng)生產(chǎn)階段, 終止邊界是輸出農(nóng)產(chǎn)品以及污染物排放(圖1)。本文主要考慮蘋果生產(chǎn)所產(chǎn)生的能源消耗(RU)、全球變暖潛力(GWP)、環(huán)境酸化潛力(AP)、富營養(yǎng)化潛力(EP)等4方面的環(huán)境影響。

1.2.2 清單分析

清單分析是生命周期評價的核心環(huán)節(jié), 能夠清晰有效地將系統(tǒng)邊界以內(nèi)與功能單元相關(guān)的所有資源投入以及物質(zhì)產(chǎn)出量化。本文核心內(nèi)容為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程及其產(chǎn)生的環(huán)境影響分析。由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)擁有眾多的子系統(tǒng), 實際分析中通過對子系統(tǒng)的獨立分析更為實際可行[15]。由于本文涉及的農(nóng)藥在常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用量較小, 且我國沒有有關(guān)農(nóng)藥的環(huán)境影響生命周期清單, 本文中沒有計算農(nóng)藥的排放及毒性污染。

本文采用的計算方法是先將數(shù)據(jù)進(jìn)行特征化處理, 之后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 最后加權(quán)處理后得到環(huán)境影響綜合評價。特征化過程是將同一項目中, 不同影響的指標(biāo)分類轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的單位。本文采用的是當(dāng)量因子法, 原理是利用不同環(huán)境脅迫因子(在質(zhì)量相同的情況下)對同一種環(huán)境影響類型的貢獻(xiàn)差異, 以其中某一種脅迫因子為基準(zhǔn), 把其影響潛力看作1, 然后將等量的其他污染物與其比較, 這樣就可以得到各類脅迫因子相對于基準(zhǔn)物的影響潛力大小, 即當(dāng)量系數(shù), 最后可根據(jù)各脅迫因子間的當(dāng)量關(guān)系, 匯總得到以基準(zhǔn)物質(zhì)f為單位的影響潛力大小。這種方法的優(yōu)勢在于它是建立在科學(xué)研究基礎(chǔ)上, 同一種脅迫因子, 無論暴露途徑、暴露地點等條件如何不同, 但它所能產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響都認(rèn)為是一樣的。因此其結(jié)果不受時間和地理因素的影響[16]。

本文主要考慮全球變暖潛力(GWP)、能源消耗(RU)、環(huán)境酸化潛力(AP)、富營養(yǎng)化潛力(EP)等4類環(huán)境影響。全球變暖潛力以CO2為參照(以CO2當(dāng)量計), CH4和N2O的當(dāng)量系數(shù)分別為21和310[17]。環(huán)境酸化潛力以SO2為參照物, NH3和NO的當(dāng)量系數(shù)分別為1.88和0.7; 富營養(yǎng)化潛力以PO4–為系數(shù), NO、NO3–、NH3的當(dāng)量系數(shù)分別為0.13、0.42和0.33[18]。

標(biāo)準(zhǔn)化過程主要是建立標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn), 使各種環(huán)境影響類型能夠具有相對可比性。環(huán)境影響評價需要對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價, 得到環(huán)境影響評價綜合指數(shù), 從而提供一個可比較的評價結(jié)果。不同的環(huán)境影響類型對自然資源的可持續(xù)利用、生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康具有不同的相對重要性, 因此需要對它們進(jìn)行權(quán)重劃分。具體的基準(zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)見表1。依據(jù)的基準(zhǔn)值為2000年世界人均值, 標(biāo)準(zhǔn)化計算方法為特征化結(jié)果除以基準(zhǔn)值[19], 表中基準(zhǔn)值均為人均值。加權(quán)評估依據(jù)籍春蕾等[20]設(shè)置的權(quán)重系數(shù)。

表1 不同類型環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)及權(quán)重系數(shù)

調(diào)研發(fā)現(xiàn), 山西浮山的有機蘋果主要供出口, 為保障風(fēng)味施用有機肥數(shù)量較少, 為5 250 kg?hm–2; 常規(guī)蘋果生產(chǎn)施用有機肥12 750 kg?hm–2, 專用復(fù)合肥3 375 kg?hm–2, 有機肥中N、P2O5、K2O的含量分別為1.92%、0.61%、1.13%, 專用復(fù)合肥中N、P2O5、K2O含量均為15%。陜西白水有機蘋果使用有機肥180 t?hm–2;常規(guī)蘋果生產(chǎn)使用專用復(fù)合肥4 500 kg?hm–2, 有機肥N、P2O5、K2O的含量為0.85%、0.27%、0.73%, 專用復(fù)合肥N、P2O5、K2O的含量均為15%。甘肅天水有機蘋果生產(chǎn)施用有機肥45 t?hm–2, 有機肥N、P2O5、K2O含量為2.17%、0.70%、1.95%; 常規(guī)生產(chǎn)使用專用復(fù)合肥450 kg?hm–2, 有機肥45 t?hm–2, 有機肥N、P2O5、K2O含量為1.38%、0.32%、1.42%, 專用復(fù)合肥N、P2O5、K2O含量均為15%。

本文參考籍春蕾等[20]的數(shù)據(jù), 有機農(nóng)業(yè)的農(nóng)資系統(tǒng)污染物排放主要來自有機肥堆肥發(fā)酵階段產(chǎn)生的CH4、NO2和NH3, 分別為0.648 g?kg–1、0.045 g?kg–1和0.961 g?kg–1; 消耗的能源主要為糞便收集、加工和運輸過程消耗的能源, 生產(chǎn)含1 t純氮的有機肥能源消耗為11.43 Gj。常規(guī)農(nóng)業(yè)的農(nóng)資系統(tǒng)排放物主要來自化肥的生產(chǎn)加工過程, 參考梁龍等[18]的研究數(shù)據(jù), 見表2。

表2 單位化肥生產(chǎn)的環(huán)境影響的生命周期清單

計算種植系統(tǒng)的能源消耗和污染物排放時, 本文參考的相關(guān)文獻(xiàn)排放系數(shù)為: 氮表觀淋失為0.021 9 kg×kg–1, NH3揮發(fā)損失為0.112 kg×kg–1, N2O損失為0.010 kg×kg–1[21-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料養(yǎng)分投入及能耗分析

基于調(diào)研結(jié)果所得數(shù)據(jù), 可以計算得到有機及常規(guī)蘋果生產(chǎn)的肥料投入情況(表3)。山西臨汾的有機蘋果產(chǎn)量為常規(guī)蘋果產(chǎn)量的69%, 而陜西白水和甘肅天水的有機持平或略高于常規(guī)蘋果產(chǎn)量。山西浮山單位產(chǎn)量有機蘋果的養(yǎng)分投入量(養(yǎng)分利用效率的倒數(shù))遠(yuǎn)低于常規(guī)生產(chǎn), 而陜西白水和甘肅天水則是有機高于常規(guī)(陜西白水的P素除外), 說明山西浮山有機生產(chǎn)的養(yǎng)分利用效率高于常規(guī)生產(chǎn), 甘肅天水和陜西白水都是有機低于常規(guī)生產(chǎn)。對3地的養(yǎng)分利用效率比較發(fā)現(xiàn), 不論是有機生產(chǎn)還是常規(guī)生產(chǎn), 都是山西浮山>甘肅天水>陜西白水, 其中甘肅天水的P素除外, 其常規(guī)生產(chǎn)的利用效率最高。

從表3可以看出, 在單位產(chǎn)品能耗方面(能量利用效率的倒數(shù)), 3地常規(guī)生產(chǎn)方式均高于有機生產(chǎn)方式, 山西浮山的有機生產(chǎn)消耗是常規(guī)生產(chǎn)的18%, 陜西白水和甘肅天水分別為26%和14%, 即有機生產(chǎn)方式的能量利用效率高于常規(guī)生產(chǎn)。原因在于, 化肥生產(chǎn)所需能耗比有機模式的堆肥高出許多, 且能耗中肥料能耗又占了最大比重。有機生產(chǎn)中, 單位產(chǎn)品的能耗都表現(xiàn)為甘肅天水<山西浮山<陜西白水, 或能量利用效率為甘肅天水>山西浮山>陜西白水。有機模式中, 由于陜西白水和山西浮山在人力能耗和灌溉能耗方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甘肅天水, 因此就能量利用效率而言, 甘肅天水>山西浮山>陜西白水。常規(guī)生產(chǎn)中, 能量利用效率為山西浮山>甘肅天水>陜西白水。常規(guī)模式中, 化肥使用量陜西白水>甘肅天水>山西浮山, 而化肥生產(chǎn)占比超過90%(陜西白水例外, 其化肥消耗及灌溉能耗都高于其他兩地)。

表3 不同地區(qū)有機和常規(guī)蘋果產(chǎn)量、單位產(chǎn)品的肥料養(yǎng)分投入和能耗

2.2 環(huán)境影響評價清單分析

有機及常規(guī)蘋果生命周期的環(huán)境影響清單見表4。3地農(nóng)資系統(tǒng)單位產(chǎn)品的能源消耗均為有機模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)模式; 而農(nóng)作系統(tǒng)中, 陜西白水有機模式能源消耗低于常規(guī), 山西浮山和甘肅天水則相反。就3地而言, 常規(guī)生產(chǎn)過程中能源消耗主要發(fā)生在農(nóng)資系統(tǒng), 其中山西浮山占98.1%, 陜西白水69.9%, 甘肅天水99.2%; 而有機生產(chǎn)過程中能源消耗呈現(xiàn)不同結(jié)果, 山西浮山農(nóng)資系統(tǒng)僅占比11.0%, 陜西白水占55.5%, 而甘肅天水占89.5%。

從全球變暖角度分析, 單位產(chǎn)品對全球變暖的影響僅山西浮山有機低于常規(guī)(有機為常規(guī)的23%), 而陜西白水和甘肅天水有機高于常規(guī), 有機蘋果分別是常規(guī)蘋果的3.37倍和1.42倍。因而, 總的全球變暖影響, 常規(guī)和有機生產(chǎn)方式都是陜西白水>甘肅天水>山西浮山, 但常規(guī)生產(chǎn)方式下3地差距不明顯。3個地區(qū)的溫室氣體排放來源都主要集中在農(nóng)作系統(tǒng)。山西浮山農(nóng)作系統(tǒng)有機低于常規(guī), 而陜西白水和甘肅天水有機高于常規(guī); 農(nóng)資系統(tǒng)呈現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)律, 有機高于常規(guī)。

對單位產(chǎn)品產(chǎn)生的環(huán)境酸化分析表明, 有機和常規(guī)生產(chǎn)都表現(xiàn)為陜西白水>甘肅天水>山西浮山, 與全球變暖類似, 在常規(guī)生產(chǎn)模式下差別不明顯。不同地區(qū)存在差異, 僅山西浮山的農(nóng)作系統(tǒng)和農(nóng)資系統(tǒng)呈現(xiàn)常規(guī)高于有機, 陜西白水和甘肅天水都是有機產(chǎn)生的環(huán)境酸化高于常規(guī)。環(huán)境酸化主要集中在農(nóng)作系統(tǒng)(陜西白水有機模式除外)。

單位產(chǎn)品造成的富營養(yǎng)化: 陜西白水影響最大, 甘肅天水次之, 山西浮山影響最小, 有機和常規(guī)方式均表現(xiàn)為農(nóng)作系統(tǒng)影響大。山西浮山為常規(guī)大于有機, 有機僅占常規(guī)的22%, 陜西白水和甘肅天水農(nóng)作和農(nóng)資系統(tǒng)都表現(xiàn)為有機模式影響較大。

表4 不同地區(qū)單位產(chǎn)品有機及常規(guī)蘋果生命周期的環(huán)境影響清單

2.3 綜合環(huán)境影響分析

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估后, 各地、不同生產(chǎn)模式單位產(chǎn)品的環(huán)境影響結(jié)果見表5。山西浮山有機生產(chǎn)模式較常規(guī)生產(chǎn)的環(huán)境影響小, 而陜西白水和甘肅天水表現(xiàn)為有機生產(chǎn)模式>常規(guī)生產(chǎn)。整體上, 常規(guī)生產(chǎn)和有機生產(chǎn)模式下的蘋果生產(chǎn), 陜西白水環(huán)境綜合影響最大, 甘肅天水次之, 山西浮山最小。造成該結(jié)果的主要原因在于, 與陜西白水和甘肅天水相反, 山西浮山的有機生產(chǎn)模式比常規(guī)生產(chǎn)有更低的肥料投入以及能量投入, 因此污染物排放以及能源消耗在有機模式下較小。3個地區(qū)的環(huán)境影響主要集中在富營養(yǎng)化方面(占81%以上), 這與其較高的肥料投入以及耕作系統(tǒng)N素淋失和揮發(fā)有關(guān)。

表5 不同地區(qū)單位產(chǎn)品有機及常規(guī)蘋果生命周期環(huán)境影響評估結(jié)果

3 討論

有機農(nóng)業(yè)以可持續(xù)發(fā)展為核心, 通過減少化學(xué)和外部資源和能源投入, 盡可能采用本地化、物理和生物技術(shù), 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和高效能量利用, 減少化學(xué)品和外部特別是不可再生能源的使用, 從長遠(yuǎn)和整體范圍上, 有機農(nóng)業(yè)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能特別值得重視[23-24]。比較常規(guī)農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響, 按照大類可以分為1)減少農(nóng)(獸)藥使用, 2)減少化肥使用, 3)固碳減排, 4)增加農(nóng)業(yè)生物多樣性, 5)減少氮素淋失, 降低對地下水污染, 6)提高能源利用效率, 降低產(chǎn)品能源使用量, 7)降低產(chǎn)量等[25-29]。

本研究的3個地區(qū)中, 兩個地區(qū)(陜西白水和甘肅天水)的有機和常規(guī)蘋果產(chǎn)量相當(dāng), 而山西浮山的有機蘋果產(chǎn)量為常規(guī)的69%。造成這個結(jié)果的主要原因在于肥料投入的差別, 山西浮山有機蘋果生產(chǎn)的N、P和K養(yǎng)分投入大約是常規(guī)的6.8%~18.8%, 而另外兩個地區(qū)有機則是常規(guī)的72.7%~228.8%, 說明在高量有機養(yǎng)分投入的前提下, 有機農(nóng)業(yè)可以達(dá)到和常規(guī)農(nóng)業(yè)相當(dāng)?shù)淖魑锂a(chǎn)量, 這在其他研究中[28]也可以得到驗證。

雖然有機農(nóng)業(yè)和常規(guī)農(nóng)業(yè)在高投入條件下, 可以實現(xiàn)相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量水平, 但是其養(yǎng)分利用效率、能源利用效率和環(huán)境影響則呈現(xiàn)不同的情形[30]。由于山西浮山有機蘋果生產(chǎn)的肥料投入遠(yuǎn)低于常規(guī)評估生產(chǎn), 而另外兩個農(nóng)場有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn)相當(dāng)甚至有機高于常規(guī), 造成山西浮山的有機蘋果養(yǎng)分利用效率高于常規(guī)蘋果生產(chǎn), 而另外兩地則是有機蘋果生產(chǎn)低于常規(guī)蘋果生產(chǎn)。3地區(qū)相比較, 不論是有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn), 都是山西浮山高于甘肅天水, 陜西白水的養(yǎng)分利用效率最低, 這和當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植習(xí)慣有直接關(guān)系。陜西白水的果農(nóng)特別重視肥料投入, 以確保高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。就能源利用效率分析, 由于化肥的能耗遠(yuǎn)高于有機肥, 造成常規(guī)蘋果生產(chǎn)能源消耗都高于有機蘋果生產(chǎn), 因而有機蘋果生產(chǎn)能源利用效率都高于常規(guī)蘋果生產(chǎn)。3地區(qū)比較, 由于陜西白水的化肥使用量最高, 而蘋果產(chǎn)量差異并不大, 就常規(guī)蘋果生產(chǎn)而言, 其能源利用效率表現(xiàn)為山西浮山>甘肅天水>陜西白水; 在有機蘋果生產(chǎn)中, 山西浮山和陜西白水的人力和灌溉能源消耗大于甘肅天水, 能源利用效率方面, 甘肅天水>山西浮山>陜西白水。

本文對于蘋果生產(chǎn)的環(huán)境影響, 從能源消耗、全球變暖效應(yīng)、環(huán)境酸化和富營養(yǎng)化4個方面進(jìn)行分析。同樣, 由于山西浮山有機蘋果的肥料等投入遠(yuǎn)低于常規(guī)蘋果生產(chǎn), 產(chǎn)量相差不大, 因而表現(xiàn)為有機蘋果的綜合環(huán)境影響僅為常規(guī)蘋果的22%, 陜西白水和甘肅天水呈現(xiàn)相反的情形, 其有機蘋果的綜合環(huán)境影響分別是常規(guī)蘋果的355%和138%。該研究結(jié)果和李彩戀等[11]的研究不盡相同, 主要原因在于后者的有機產(chǎn)量低于常規(guī)作物產(chǎn)量。3個地區(qū)相比較, 有機和常規(guī)蘋果的綜合環(huán)境影響都表現(xiàn)為陜西白水>甘肅天水>山西浮山。其中, 富營養(yǎng)化是綜合環(huán)境影響的主要構(gòu)成(81%~83%), 其次是環(huán)境酸化(15%~17%), 其他學(xué)者在冬小麥[7]、蔬菜[31]也得到了類似的結(jié)果。這說明當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)整體上已經(jīng)進(jìn)入了集約化程度較高的階段, 當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的調(diào)整重點是降低化肥和農(nóng)藥等化學(xué)品的投入。

此外, 由于有機肥的生產(chǎn)和使用過程也會產(chǎn)生重要的環(huán)境影響, 比如肥料堆制過程中和使用到土壤后都會有NH3揮發(fā)以及溫室氣體N2O、CH4的產(chǎn)生[32], 某些情況下其環(huán)境影響甚至高于常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 如陜西白水和甘肅天水, 因此在當(dāng)前國家提倡調(diào)整農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的情況下, 有機農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響也應(yīng)當(dāng)?shù)玫街匾?。況且當(dāng)前我國有機農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 絕大部分的N肥最終來自于化工行業(yè), 而不是來源于豆科作物固氮等天然途徑[33]。從這個意義上分析, 有機農(nóng)業(yè)的推廣應(yīng)該在可行的范圍內(nèi)進(jìn)行, 而不是一哄而上。

4 結(jié)論

本研究從蘋果生產(chǎn)全過程的角度進(jìn)行分析, 對不同地區(qū)有機和常規(guī)蘋果的生產(chǎn)和主要環(huán)境影響進(jìn)行了綜合評價。研究發(fā)現(xiàn), 有機和常規(guī)蘋果生產(chǎn)中, 決定產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率、能源利用效率和綜合環(huán)境影響的主要因素在于有機肥和化肥的投入水平。在高量有機養(yǎng)分投入的前提下, 有機農(nóng)業(yè)可以達(dá)到和常規(guī)農(nóng)業(yè)相當(dāng)?shù)淖魑锂a(chǎn)量, 但其代價是較高的負(fù)面環(huán)境影響和較低的養(yǎng)分和能源利用效率。3個地區(qū)有機及常規(guī)蘋果生產(chǎn)的綜合環(huán)境影響均為陜西白水最大, 甘肅天水次之, 山西浮山最小。富營養(yǎng)化占綜合環(huán)境影響比值最大, 超過81%。山西浮山有機蘋果生產(chǎn)的肥料投入遠(yuǎn)低于常規(guī)生產(chǎn), 其綜合環(huán)境影響僅為常規(guī)生產(chǎn)方式的22%, 而陜西白水和甘肅天水相反, 分別為355%和138%。農(nóng)民種植習(xí)慣, 對于肥料投入以及能源投入也有較大影響。不論是有機還是常規(guī)蘋果生產(chǎn), 都面臨著提高養(yǎng)分和能源利用效率等的挑戰(zhàn)。

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Environmental impact assessment via life cycle analysis for organic and conventional apple productions*

CAI Yujie, QIAO Yuhui, XU Jing, MENG Fanqiao**, WU Wenliang

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

To set the scientific basis for sustainable agricultural development and ecological civilization construction in China, this study analyzed the impacts of organic and conventional apple productions on environment in Fushan of Shanxi Province, Baishui of Shaanxi Province and Tianshui of Gansu Province through life cycle analysis method. Data were collected via field visits and farmer interviews. The study used unit apple production as the basis for comparative analysis. The system boundary of apple production defined in the study included materials production and cropping stages. The impacts of apple production on environments were assessed at four aspects — energy consumption, global warming, environmental acidification and eutrophication. It was found that nutrient use efficiency in organic apple production in Fushan of Shanxi Province was higher than that in conventional apple production, which was the reverse of the results for Baishui of Shaanxi Province and Tianshui of Gansu Province. The yield of organic apple was similar to that of conventional apple in Baishui of Shaanxi Province and Tianshui of Gansu Province, while the yield of organic apple in Fushan of Shanxi Province was only 69% that of conventional apple. Nitrogen, phosphorous and potassium inputs in organic apple production in Fushan of Shanxi Province were 6.8%–18.8% those of conventional apple production. For the other two regions, however, nutrient input in organic production was about 72.7%–228.8% that of conventional production. Energy consumption per unit organic apple product in the three regions accounted for less than 26% of the conventional product; i.e., energy utilization efficiency of organic apple was higher than that of conventional apple. Among the four environmental impacts (energy consumption, global warming, environmental acidification and eutrophication), eutrophication contributed the most (over 80%) to total environmental impact. The impact of global warming for unit organic apple product in Fushan of Shanxi Province was smaller than that of conventional product (organic product was only 23% that of conventional product). However, organic apple production in Baishui of Shaanxi Province and Tianshui of Gansu Province was much higher than that of conventional production (organic apple was respectively 356% and 138% conventional apple for the two areas). Environmental acidification and eutrophication under organic apple production in Fushan of Shanxi Province was lower than that under conventional production, but the results for Tianshui of Gansu Province and Baishui of Shaanxi Province were the reverse. Total environmental impact of apple production was the highest in Baisui of Shaanxi Province, followed by Tianshui of Gansu Province and then Fushan of Shanxi Province. Total environmental impact of organic apple production was 22% that of conventional apple production in Fushan of Shanxi Province. Then in Baishui of Shaanxi Province and Tianshui of Gansu Province, total environmental impacts of organic apple production were respectively 356% and 138% those of conventional apple production. This discrepancy was mainly due to differences in the amount and types of fertilizer used. The results showed that organic production had crop yields comparable to those of conventional agriculture in terms of nutrient input. However, it also led to higher negative environmental impacts and lower nutrient and energy use efficiency in organic production.

Organic agriculture; Apple; Life cycle assessment; Environmental impact; Nutrient use efficiency; Energy use efficiency; Eutrophication

Feb. 16, 2017; accepted Jun. 26, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170131

X820.3

A

1671-3990(2017)10-1527-08

2017-02-16

2017-06-26

* “十三五”國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0201204)和“十二五”國家科技支撐項目(2014BAK19B05)資助

* This study was funded by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0201204) and the National Key Technologies R & D Program of China (2014BAK19B05).

** Corresponding author, E-mail: mengfq@cau.edu.cn

**通訊作者:孟凡喬, 主要研究方向為土壤碳氮循環(huán)和有機農(nóng)業(yè)。E-mail: mengfq@cau.edu.cn 蔡宇杰, 主要研究方向為有機農(nóng)業(yè)。E-mail: 635775355@qq.com