賈若男，張吳平，侯 帥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801）

2015年我國(guó)農(nóng)業(yè)部明確提出“一控、兩減、三基本”的目標(biāo)，在有效保障糧食供給安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的前提下治理農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，其中“一控”是控制農(nóng)業(yè)用水總量和農(nóng)業(yè)水環(huán)境污染。山西省地處黃土高原，人均占有水資源388 m3，約為全國(guó)平均值的20%，屬于嚴(yán)重缺水的地區(qū)，而且存在過(guò)量施用化肥造成農(nóng)田與水環(huán)境污染問(wèn)題。在水資源有限和農(nóng)業(yè)環(huán)境嚴(yán)重污染的情況下，如何有效利用水資源、保證糧食安全和控制農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題是現(xiàn)在以及將來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，其中，生命周期評(píng)價(jià)是各種農(nóng)業(yè)資源環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法中最為全面系統(tǒng)、應(yīng)用廣泛的方法。李貞宇等[1]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)研究比較了我國(guó)三省不同區(qū)域的小麥資源環(huán)境影響。周冉等[2]通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)對(duì)比研究了京郊地區(qū)2種作物生產(chǎn)體系的環(huán)境影響。楊肖等[3]在干旱區(qū)綠洲將灌溉用水納入生命周期評(píng)價(jià)清單，評(píng)估玉米生命周期的環(huán)境影響。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)旱地與水澆地冬小麥生命周期中的資源消耗和環(huán)境污染物分別建立排放清單，突出對(duì)比旱地與水澆地在冬小麥生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響，并評(píng)價(jià)不同耕地類型的環(huán)境綜合影響，旨在為冬小麥生產(chǎn)和管理提供科學(xué)依據(jù)，也為其他農(nóng)產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)提供科學(xué)研究方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

聞喜縣（110°59′33″～111°37′29″E，35°9′38″～35°34′11″N）位于山西省西南部的運(yùn)城市，土地面積1 164 km2，氣候類型是暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫8～14℃，風(fēng)速1.9 m/s，降水量439.8 mm。全縣現(xiàn)有耕地66 581 hm2，由冬小麥種植空間分布可知（圖1），縣內(nèi)東南、西北地區(qū)地勢(shì)較高，耕地類型主要是旱地；中部平原地區(qū)地形平坦、分布河流水域且土壤養(yǎng)分豐富，主要耕地類型是水澆地，兼有部分旱地種植。聞喜縣主要種植冬小麥、玉米、棉花、高粱、谷子、豆類、油料作物等，是山西省的重要糧食產(chǎn)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

農(nóng)作物和農(nóng)田管理數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省統(tǒng)計(jì)年鑒以及2015—2016年間聞喜縣13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)冬小麥種植區(qū)域農(nóng)戶的問(wèn)卷調(diào)查，采取隨機(jī)、重復(fù)等方法進(jìn)行調(diào)查，在保證數(shù)據(jù)完整、正確、可靠的原則下，篩選調(diào)查問(wèn)卷，剔除異常值，最終得到90份調(diào)查數(shù)據(jù)。調(diào)查數(shù)據(jù)具體到農(nóng)戶，包括產(chǎn)量、播種、收獲、犁地、施肥量與種類、施肥方式、灌溉日期、灌溉量、秸稈還田等。冬小麥在9月底至10月初播種，次年6月初至中旬收獲。施肥種類主要是復(fù)合肥、尿素、碳銨、磷酸二銨等。本文選取數(shù)據(jù)量豐富、具有代表性，水澆地與旱地種植區(qū)域分布廣泛的平原區(qū)，包括桐城鎮(zhèn)、郭家莊鎮(zhèn)、裴社鄉(xiāng)、東鎮(zhèn)、河底鎮(zhèn)。

1.3 生命周期評(píng)價(jià)方法

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA），即定量評(píng)價(jià)一個(gè)產(chǎn)品或生產(chǎn)行為所涉及的從原材料提取和加工、使用到再生循環(huán)利用以及最終處置整個(gè)生命周期階段有關(guān)的環(huán)境負(fù)荷的過(guò)程[4]。國(guó)際環(huán)境毒理會(huì)和化學(xué)學(xué)會(huì)（SETAC）將生命周期評(píng)價(jià)方法歸納為4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分，分別為目標(biāo)定義與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)、改進(jìn)評(píng)價(jià)[4-5]。

1.3.1 目標(biāo)定義與范圍確定 本研究的對(duì)象是聞喜縣旱地與水澆地種植的冬小麥生產(chǎn)體系。研究范圍的起始邊界是冬小麥生產(chǎn)體系的投入部分，即與生命周期相關(guān)的磷礦、鉀礦等礦石，能源消耗和農(nóng)田面積；終止邊界是冬小麥生產(chǎn)體系的產(chǎn)出部分，即最終輸出的農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境排放[2]。以生產(chǎn)1 t小麥籽粒產(chǎn)量為評(píng)價(jià)單元，利用生命周期評(píng)價(jià)方法，計(jì)算評(píng)估不同耕地類型冬小麥生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的壓力。

1.3.2 清單分析 清單分析是將生命周期中各種資源的投入、作物的產(chǎn)出和污染物的排放進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。冬小麥生命周期可以分為原料開(kāi)采與運(yùn)輸、農(nóng)資生產(chǎn)與運(yùn)輸、作物種植3個(gè)階段[6]。原料開(kāi)采階段主要計(jì)算原材料開(kāi)采過(guò)程中的礦石資源以及引起的能源消耗。本文通過(guò)《山西省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》（2015）獲取指標(biāo)，同時(shí)參考孟會(huì)生等[7]研究成果，折算不同類型化肥的氮、磷、鉀含量。參考劉洪濤等[8]的成果計(jì)算生產(chǎn)化肥過(guò)程中礦石資源的消耗，包括磷礦和鉀礦。參考王利[9]的研究結(jié)果計(jì)算生產(chǎn)化肥過(guò)程中消耗的能源，包括煤、電力。

農(nóng)資生產(chǎn)階段主要計(jì)算化肥生產(chǎn)過(guò)程中消耗的大量能源，產(chǎn)生的廢水、廢氣及污染物排放。各種污染物排放系數(shù)來(lái)自《中國(guó)環(huán)境年鑒》（2012—2015）、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》（2012—2015）等。根據(jù)本文研究的側(cè)重點(diǎn)，各環(huán)節(jié)中的建筑設(shè)施、廠房建設(shè)、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)因素暫不予考慮。

冬小麥種植階段主要考慮耕種、灌溉、施肥等管理措施引起的各種污染物的排放，包括CO2和N2O等溫室氣體的排放、NH3的揮發(fā)以及硝態(tài)氮的淋溶等。種植過(guò)程中農(nóng)田氮素的損失計(jì)算參數(shù)選取文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)值，綜合孟磊等[10]、BRENTRUPF[11]的研究成果，農(nóng)田土壤中N2O的排放量占氮肥總使用量的0.1%～1.5%。葉桂香等[12]研究表明，土壤含水量越高，利于反硝化作用發(fā)生，產(chǎn)生的N2O會(huì)增加，單位面積水澆地產(chǎn)生的N2O高于旱地。根據(jù)彭小瑜等[13]的研究，化肥撒施時(shí)NH3揮發(fā)率為氮素投入量的24%，覆土施肥時(shí)氨揮發(fā)率為氮素投入量的10%。根據(jù)張玉銘等[14]的研究成果，氮肥通過(guò)硝態(tài)氮淋溶損失量占到施入氮肥含量的1.4%～20.3%，硝態(tài)氮淋溶與土壤水分有關(guān)，土壤含水量越高，硝態(tài)氮淋溶量越大。

1.3.3 影響評(píng)價(jià) 影響評(píng)價(jià)主要是對(duì)識(shí)別出的環(huán)境影響進(jìn)行定量或定性的評(píng)價(jià)，即確定研究系統(tǒng)的資源消耗與污染物排放及其對(duì)外部環(huán)境的影響，分為特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估3個(gè)步驟[15-16]。

特征化是對(duì)冬小麥生命周期中資源消耗和污染物排放清單進(jìn)行分類計(jì)算，并計(jì)算環(huán)境影響潛力的過(guò)程。本研究選用能源消耗、土地利用、溫室效應(yīng)、富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化5種環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同類污染物通過(guò)當(dāng)量系數(shù)轉(zhuǎn)換其環(huán)境影響潛力，各種轉(zhuǎn)換系數(shù)采用王明新等[17-18]的研究成果（表1）。

標(biāo)準(zhǔn)化主要是建立一個(gè)基準(zhǔn)，對(duì)各種不同環(huán)境影響因子的相對(duì)大小提供一個(gè)可比較的標(biāo)準(zhǔn)。本研究使用2000年世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[19]（表1）。

加權(quán)評(píng)估是確定各種環(huán)境影響因子的權(quán)重，權(quán)衡各種影響類型的重要性，進(jìn)而得到一個(gè)可以進(jìn)行比較的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文采用WANG等[18]、梁龍等[20]設(shè)置的權(quán)重系數(shù)（表1）。

表1 環(huán)境影響指數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)值和權(quán)重值

1.3.4 改進(jìn)評(píng)價(jià) 改進(jìn)評(píng)價(jià)是對(duì)減少農(nóng)作物整個(gè)生命周期內(nèi)資源消耗和環(huán)境污染排放提出建議，比如改變農(nóng)田土壤水分條件，改變化肥施用量、施用方式，改變土壤環(huán)境、微生物活性等，從而降低對(duì)環(huán)境的影響與負(fù)荷。本研究通過(guò)改變冬小麥種植過(guò)程中的水分限制，從旱地與水澆地2種不同耕地類型的角度進(jìn)行資源環(huán)境影響的對(duì)比評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田管理措施分析

將篩選出的90份農(nóng)戶的問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，其中，水澆地42份數(shù)據(jù)，旱地48份數(shù)據(jù)，不同耕地類型的調(diào)查產(chǎn)量如圖2所示。旱地冬小麥產(chǎn)量范圍為 3450～7 200kg/hm2，平均為 4 970.05 kg/hm2；水澆地冬小麥產(chǎn)量范圍為5 625～8 550 kg/hm2，平均為7516.07kg/hm2。水澆地的農(nóng)作物產(chǎn)量明顯高于旱地，在冬小麥生育期內(nèi)增加灌溉可以增產(chǎn)約51.22%。通過(guò)灌溉改變農(nóng)田土壤的水分條件，對(duì)冬小麥有顯著增產(chǎn)效果[21-22]。匯總研究區(qū)域的施肥數(shù)據(jù)，折算化肥中的氮、磷、鉀含量，得到化肥總投入量（圖2）。研究區(qū)域內(nèi)化肥施入量169.5～610.5 kg/hm2，平均為394.24 kg/hm2，其中氮、磷、鉀施入量分別為231.47，91.21，71.56 kg/hm2，化肥投入量較高。水澆地與旱地種植在施用化肥方面沒(méi)有明顯差異，施用量在圖中隨機(jī)分布。

2.2 清單分析

2.2.1 資源利用 冬小麥生產(chǎn)系統(tǒng)清單分析主要考慮原料開(kāi)采階段的礦石資源、煤、電力等能源的消耗和種植階段土地資源消耗（表2）。投入同樣的化肥量，旱地產(chǎn)量低于水澆地，所以，每生產(chǎn)1 t冬小麥，旱地所需的化肥量更大，需要消耗的磷礦、鉀礦和煤炭、電力等資源能源量更大。水澆地生產(chǎn)利用土地面積范圍是1 241.44～1 465.37 m2/t，平均為1 326.49 m2/t；旱地生產(chǎn)占用土地面積范圍是1 479.45～1 845.4 m2/t，平均為 1 637.58 m2/t，水澆地的土地利用效率比旱地高。

表2 冬小麥生命周期資源消耗清單

2.2.2 污染物排放 計(jì)算作物生命周期中3個(gè)階段的污染物排放，整理得到生產(chǎn)1 t冬小麥的排放清單（表3）。東鎮(zhèn)的污染物總排放量最大，裴社鄉(xiāng)排放量最小。高鵬程等[23]研究表明，灌溉會(huì)影響土壤微生物活性，作物種植過(guò)程中產(chǎn)生的CO2、硝酸鹽淋洗、N2O污染物排放隨土壤含水量增加而增加；當(dāng)土壤含水量較高時(shí)，氨揮發(fā)量會(huì)降低。但是由于作物種植階段產(chǎn)量的差異，生產(chǎn)1 t冬小麥產(chǎn)生的CO2排放、NH3揮發(fā)、N2O排放旱地高于水澆地，硝酸鹽淋洗損失量水澆地高于旱地。原料開(kāi)采和農(nóng)資生產(chǎn)階段的主要污染物包括SO2，CO2，CO和NOX，旱地生產(chǎn)1 t冬小麥污染物總排放量高于水澆地。

表3 冬小麥污染物排放清單 kg/t

2.3 影響評(píng)價(jià)

2.3.1 能源消耗和溫室效應(yīng) 能源消耗主要發(fā)生在原料階段和農(nóng)資生產(chǎn)階段。不同耕地類型的能源消耗如圖3所示。從圖3可以看出，水澆地的能源消耗平均為2 774.89 MJ/t；旱地的能源消耗均值是3 394.35 MJ/t，旱地的能源消耗高于水澆地。其中，河底鎮(zhèn)旱地與水澆地的能源消耗都是最大，與河底鎮(zhèn)施肥量最大相吻合。對(duì)比5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，能源消耗變化趨勢(shì)與化肥用量相關(guān)，可見(jiàn)，化肥是影響作物生命周期能源消耗的主要因素。

以溫室效應(yīng)衡量冬小麥生命周期評(píng)價(jià)中溫室氣體排放的變化對(duì)氣候的影響，污染物包括農(nóng)資階段化肥生產(chǎn)過(guò)程中排放的CO和CO2，以及種植階段化肥投入排放的CO2和N2O，綜合計(jì)算可得，溫室效應(yīng)潛力如圖3所示。研究區(qū)域的溫室效應(yīng)潛力為848.54 kg CO2-eq/t，其中，水澆地 800.69 kg CO2-eq/t，旱地896.48 kg CO2-eq/t，旱地的溫室效應(yīng)潛力高于水澆地。冬小麥生命周期中溫室效應(yīng)主要以CO2影響為主，貢獻(xiàn)潛力是84.79%；其次是N2O，也有很大影響，貢獻(xiàn)潛力是14.86%，剩下的CO排放量較少，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)度比較低。

2.3.2 富營(yíng)養(yǎng)化和環(huán)境酸化 冬小麥富營(yíng)養(yǎng)化污染物主要是作物種植階段土壤NH3揮發(fā)和硝酸鹽的淋失（圖3）。生產(chǎn)1 t冬小麥富營(yíng)養(yǎng)化潛力為4.72 kg PO43--eq/t，其中，水澆地潛力值4.56 kg PO43--eq/t，旱地潛力值是4.89 kg PO43--eq/t。冬小麥生命周期中富營(yíng)養(yǎng)化以NH3揮發(fā)影響為主，所占比例為76.2%，硝酸鹽淋失所占比例平均為23.8%。氨揮發(fā)量旱地大于水澆地，硝酸鹽的淋失水澆地多于旱地，后者在富營(yíng)養(yǎng)化中所占比例較低，最終表現(xiàn)為生產(chǎn)1 t冬小麥富營(yíng)養(yǎng)化值旱地略大于水澆地。對(duì)比5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)可知，氮肥施用量越高，冬小麥富營(yíng)養(yǎng)化潛力也就越大。

引起環(huán)境酸化的主要污染物包括農(nóng)資階段產(chǎn)生的SO2，NOX和種植階段施用化肥造成的NH3揮發(fā)。環(huán)境酸化潛力值如圖3所示，研究區(qū)域的潛力值為29.76 kg SO2-eq/t，其中，水澆地環(huán)境酸化潛力值為 25.7 kg SO2-eq/t；旱地是 33.82 kg SO2-eq/t，旱地＞水澆地。NH3揮發(fā)是環(huán)境酸化的主要污染物，貢獻(xiàn)率為64.73%；SO2和NOX在環(huán)境酸化中所占比例比較少且變化不大，分別為26.13%和9.15%，原因在于化肥生產(chǎn)過(guò)程中煤炭燃燒排放的SO2和NOX量相對(duì)穩(wěn)定。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估 對(duì)能源消耗、土地利用、溫室效應(yīng)、富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化5個(gè)環(huán)境影響因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，得到冬小麥生命周期的環(huán)境影響指數(shù)，其大小依次為富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化、土地利用、溫室效應(yīng)和能源消耗，環(huán)境影響指數(shù)分別為2.487 5，0.528 9，0.273 3，0.123 5，0.001 2，即分別相當(dāng)于2000年世界人均環(huán)境影響潛力的248.75%，52.89%，27.33%，12.35%和0.12%；水澆地種植冬小麥生命周期中5個(gè)環(huán)境影響因子指數(shù)分別為2.4008，0.4567，0.2446，0.1166，0.0011；旱地的 5 個(gè)環(huán)境影響因子指數(shù)分別為 2.574 2，0.601 1，0.302 0，0.130 5，0.001 3，旱地冬小麥種植的環(huán)境因子的環(huán)境影響潛力均高于水澆地。

對(duì)以上環(huán)境影響因子進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到冬小麥生命周期環(huán)境影響綜合指數(shù)（圖4）。根據(jù)各種因子的貢獻(xiàn)度可得，冬小麥生產(chǎn)中最主要的環(huán)境影響因素是富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)潛力最大，達(dá)到70.71%，其次是環(huán)境酸化和土地利用占環(huán)境影響綜合指數(shù)的17.48%和8.09%，溫室效應(yīng)和能源消耗對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)潛力較小，分別是3.68%，0.04%。研究區(qū)域的環(huán)境影響綜合指數(shù)為0.420 3，水澆地指數(shù)范圍為0.313 6～0.492 8，平均為0.395 5；旱地指數(shù)范圍為0.347 0～0.544 9，平均為0.445 2，旱地的綜合指數(shù)高于水澆地，前者種植冬小麥對(duì)資源環(huán)境的影響與壓力更大。

2.4 改進(jìn)評(píng)價(jià)

基于聞喜縣冬小麥種植空間分布（圖1），全縣冬小麥種植面積42 824.6 hm2，其中，水澆地種植面積9 432.97 hm2，旱地種植面積33 391.64 hm2。暫不考慮農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施的投入，如果將現(xiàn)有的小麥耕地全部改建為水澆地，可以增產(chǎn)85 015.78 t，而且水澆地種植冬小麥還可以減輕單位產(chǎn)量所耗費(fèi)的能源和產(chǎn)生的環(huán)境影響。所以，在適宜灌溉地區(qū)，冬小麥種植過(guò)程中進(jìn)行合理灌溉、節(jié)水灌溉，能夠提高小麥產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益，降低環(huán)境污染。

3 結(jié)論

筆者以聞喜縣冬小麥生產(chǎn)體系為研究對(duì)象，應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)旱地與水澆地冬小麥種植體系建立資源消耗與污染物排放清單，進(jìn)行資源環(huán)境影響評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，從冬小麥生產(chǎn)的整個(gè)生命周期來(lái)看，其綜合環(huán)境影響潛力大小依次為富營(yíng)養(yǎng)化、環(huán)境酸化、土地利用、溫室效應(yīng)和能源消耗。其中，環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化是最主要的影響因素，對(duì)環(huán)境影響綜合指數(shù)的貢獻(xiàn)率總共達(dá)到88.19%，這是種植階段過(guò)量施用化肥造成NH3揮發(fā)和硝態(tài)氮淋失嚴(yán)重導(dǎo)致的結(jié)果。土地利用、溫室效應(yīng)和能源消耗作為重要的環(huán)境影響因素，貢獻(xiàn)率總共為11.81%，其中，溫室效應(yīng)和能源消耗主要是生產(chǎn)化肥階段引起的。研究區(qū)域內(nèi)的冬小麥產(chǎn)量相對(duì)較高，卻是建立在高氮肥施用量的基礎(chǔ)上，同時(shí)引起嚴(yán)重的能源消耗與環(huán)境污染問(wèn)題。

水澆地種植冬小麥能大幅度提高產(chǎn)量，比旱地高51.22%。在資源環(huán)境影響方面，以生產(chǎn)1 t小麥籽粒為評(píng)價(jià)單元，旱地的5個(gè)環(huán)境影響因子的影響潛力均高于水澆地。旱地的環(huán)境影響綜合指數(shù)是0.445 2，水澆地的環(huán)境影響綜合指數(shù)是0.395 5，旱地大于水澆地，即旱地種植冬小麥對(duì)環(huán)境的影響與壓力更大。

改善冬小麥生命周期環(huán)境影響的主要方式為：進(jìn)行精準(zhǔn)配方施肥，改進(jìn)施肥方法，提高肥料利用率[24-25]；并在適宜灌溉地區(qū)修建灌溉設(shè)施將旱地改建為水澆地進(jìn)行節(jié)水灌溉，有效提高水資源的利用率；在提高冬小麥產(chǎn)量的同時(shí)，降低生命周期中的能源消耗與環(huán)境污染排放，促進(jìn)糧食安全生產(chǎn)和環(huán)境安全協(xié)調(diào)發(fā)展。

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