沈 園,王海候,陶玥玥,陸長(zhǎng)嬰,董林林,施林林,金梅娟,周新偉,沈明星
基于生命周期評(píng)價(jià)的現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)調(diào)控
沈 園1,2,王海候1,2,陶玥玥1,2,陸長(zhǎng)嬰1,2,董林林1,2,施林林1,2,金梅娟1,2,周新偉1,2,沈明星3※
(1. 蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院(江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所),蘇州 215105;2. 國(guó)家土壤質(zhì)量相城觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,蘇州 215155;3. 蘇州市農(nóng)村干部學(xué)院(蘇州干部學(xué)院),蘇州 215011)
現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、推進(jìn)鄉(xiāng)村全面振興的重要途徑。但以農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建而成的傳統(tǒng)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多缺乏精確的數(shù)據(jù)支持與參數(shù)匹配,使得系統(tǒng)的高效循環(huán)運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。因此,本研究在數(shù)據(jù)采集與跟蹤調(diào)研的基礎(chǔ)上,采用生命周期評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)證研究,通過(guò)特征化、標(biāo)準(zhǔn)化與加權(quán)評(píng)估分析不同類(lèi)別潛在環(huán)境影響,并計(jì)算系統(tǒng)模擬調(diào)控前后污染降級(jí)所需環(huán)境服務(wù)能。結(jié)果表明,飼料加工與湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)所產(chǎn)生的各類(lèi)潛在環(huán)境影響都超過(guò)了其類(lèi)別總影響的85%,遠(yuǎn)高于糧食種植和有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)的;人體毒性和水體生態(tài)毒性在各亞系統(tǒng)中所產(chǎn)生的環(huán)境影響都較大,而陸地生態(tài)毒性的均最小。為實(shí)現(xiàn)污染降級(jí)每年所需空氣、水體和土壤的環(huán)境服務(wù)能分別為7.42×1010、6.03×1016和1.59×1012J;通過(guò)耦合參數(shù)協(xié)調(diào)和關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)控,經(jīng)測(cè)算與原系統(tǒng)相比每年所需各項(xiàng)環(huán)境服務(wù)能分別降低52%、44%和21%。該研究基于生命周期評(píng)價(jià)形成的適用于現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)并指導(dǎo)其整體調(diào)控的方法體系,對(duì)現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展與復(fù)制推廣具有指導(dǎo)意義,同時(shí)可為其他現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整提供方法參考。
循環(huán)農(nóng)業(yè);生命周期評(píng)價(jià);潛在環(huán)境影響;污染降級(jí);環(huán)境服務(wù)能
循環(huán)農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)化的生態(tài)農(nóng)業(yè),是指采用復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)原理和循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論,利用產(chǎn)業(yè)上下游聯(lián)系,將種植、養(yǎng)殖、加工等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)組織構(gòu)建成一個(gè)近似閉合循環(huán)的體系,達(dá)到高效利用資源、減少?gòu)U棄物排放、提高經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)組織形式[1]。與自發(fā)形成的傳統(tǒng)循環(huán)農(nóng)業(yè)不同,大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)要求各生產(chǎn)環(huán)節(jié)接口精準(zhǔn)、連接順暢,促使物能代謝產(chǎn)物在整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)利用,降低污染排放對(duì)環(huán)境造成的影響[2]。
中國(guó)各地區(qū)獨(dú)特的資源稟賦和發(fā)展水平孕育了形態(tài)多樣的現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,但這些循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的構(gòu)建多依賴(lài)于農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),缺乏精確的數(shù)據(jù)支持與參數(shù)匹配。這可能會(huì)使得某幾個(gè)環(huán)節(jié)的需求與供給不平衡,引起物質(zhì)的散逸與阻滯,導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)不力、環(huán)境污染發(fā)生,進(jìn)而影響現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行[3]。此外,由于系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)者多為各企業(yè)實(shí)體,在片面追求產(chǎn)出效益的驅(qū)使下,往往忽視本地農(nóng)業(yè)廢棄物資源的高效利用,達(dá)不到系統(tǒng)“閉合循環(huán)”的設(shè)計(jì)初衷,使得現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的復(fù)制推廣面臨困難[4]。
作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品系統(tǒng)全鏈條環(huán)境影響的有效工具,生命周期評(píng)價(jià)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域。隨著農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境壓力的逐漸增大,生命周期評(píng)價(jià)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步展開(kāi)[5]。歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)處于農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)方法研究的領(lǐng)先地位。Tricase等[6]比較了意大利大麥有機(jī)栽培和傳統(tǒng)栽培的環(huán)境影響;Christensen等[7]探討了美國(guó)社區(qū)支持農(nóng)業(yè)的全生命周期溫室氣體排放與改進(jìn)措施;Masuda[8]采用生命周期評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法,在區(qū)域尺度上測(cè)算了日本小麥生產(chǎn)的生態(tài)效率。發(fā)展中國(guó)家有關(guān)農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的研究呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。Taki等[9]比較了伊朗不同灌溉方式下小麥種植系統(tǒng)的環(huán)境績(jī)效;Jimmy等[10]評(píng)價(jià)了孟加拉國(guó)水稻生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的不同影響。中國(guó)有關(guān)農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)的研究集中于對(duì)農(nóng)業(yè)相關(guān)的產(chǎn)品分析、產(chǎn)業(yè)鏈與模式的比較等。楊興林等[11]計(jì)算了以大豆油與地溝油為材料制備生物柴油全生命周期的能源消耗與排放;白金衡[12]研究了遼寧不同稻區(qū)水稻生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境影響及相關(guān)地理因子;陳中督等[13]運(yùn)用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及生命周期評(píng)價(jià)定量分析了長(zhǎng)江下游地區(qū)稻麥輪作模式碳足跡組成與影響因素。近年來(lái)逐漸有學(xué)者嘗試將生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用于循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。梁龍等[14]改進(jìn)了生命周期評(píng)價(jià)模型并對(duì)湖南循環(huán)鴨業(yè)進(jìn)行研究;Zhang等[15]針對(duì)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)提出了生命周期評(píng)價(jià)技術(shù)框架;Wang等[16]將生命周期評(píng)價(jià)引入能值分析以評(píng)估中國(guó)華北地區(qū)規(guī)模化生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的可持續(xù)性;Fan等[17]從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)兩方面分析福建“豬-沼”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式子產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)境負(fù)荷與效益;Dorr等[18]以循環(huán)型蘑菇養(yǎng)殖場(chǎng)為例,采用生命周期評(píng)價(jià)分析了食品生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響。
目前的研究中,針對(duì)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果開(kāi)展環(huán)境排放的影響控制與污染消減等方面的研究并不多見(jiàn)。Bakshi[19]指出,從區(qū)域時(shí)空尺度來(lái)看,較高濃度的環(huán)境排放通常是不可利用的“有害產(chǎn)出”,需要在進(jìn)入環(huán)境系統(tǒng)后通過(guò)其所提供的服務(wù)被“稀釋”為環(huán)境可接受狀態(tài)或濃度無(wú)害物質(zhì)。Ulgiati等[20]提出采用“間接環(huán)境服務(wù)”計(jì)算驅(qū)動(dòng)大氣稀釋環(huán)境排放過(guò)程所需的能量投入,為評(píng)價(jià)系統(tǒng)有害產(chǎn)出提供了合理且可行的方法。而農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境排放對(duì)空氣、水體與土壤等不同環(huán)境的潛在影響都是十分顯著的,迫切需要進(jìn)行綜合考量與定量化評(píng)估。環(huán)境服務(wù)能是基于生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果將不同類(lèi)別潛在污染在不同環(huán)境中稀釋至安全濃度所消耗的能量,可以在系統(tǒng)投入的基礎(chǔ)上從系統(tǒng)產(chǎn)出的角度對(duì)系統(tǒng)的可持續(xù)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本研究對(duì)污染降級(jí)環(huán)境服務(wù)能進(jìn)行測(cè)算,能夠?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的整體調(diào)控提供參數(shù)依據(jù),對(duì)現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)模式的應(yīng)用實(shí)踐與復(fù)制推廣具有指導(dǎo)意義,同時(shí)可為其他現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整提供方法參考。
本研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)模式集成創(chuàng)新了以“秸稈機(jī)械收集裹包發(fā)酵與加工技術(shù)、肉羊全價(jià)日混飼料配方技術(shù)、羊糞機(jī)械收集與堆肥技術(shù)、羊糞有機(jī)肥適量機(jī)械還田技術(shù)”為核心的技術(shù)鏈[21],已成為江蘇省技術(shù)推廣引領(lǐng)模式。蘇州金倉(cāng)湖農(nóng)業(yè)科技股份有限公司作為主體企業(yè)和生產(chǎn)載體,在江蘇省太倉(cāng)市城廂鎮(zhèn)東林村進(jìn)行案例示范,所構(gòu)建的現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)包括糧食種植、飼料加工、湖羊養(yǎng)殖與有機(jī)堆肥4個(gè)亞系統(tǒng)(圖1)。其中,飼料加工與有機(jī)堆肥是由農(nóng)牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的中間副產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)業(yè)化后分離形成的促進(jìn)系統(tǒng)高效運(yùn)行的環(huán)節(jié),其突出的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益為當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)興旺提供支持。該系統(tǒng)是將種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)緊密銜接的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),對(duì)實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)一體、農(nóng)牧結(jié)合、糧草兼顧具有重要意義,符合現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)基本特征,具有典型代表性。
東林村循環(huán)農(nóng)業(yè)特色示范基地投入了133.33 hm2高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、1.33 hm2飼料廠、3.33 hm2養(yǎng)殖場(chǎng)與0.5 hm2有機(jī)肥廠的基礎(chǔ)建設(shè)與能源配套(圖1)。糧食種植實(shí)行小麥和水稻周年復(fù)種連作,其中麥季部分休耕,稻季施用羊糞有機(jī)肥后將經(jīng)溫室育秧的機(jī)插毯苗栽種于大田,稻麥二季均配備耕、種、管、收等農(nóng)機(jī)進(jìn)行全程機(jī)械化生產(chǎn),部分秸稈實(shí)施直接還田。飼料加工利用作物秸稈和豆渣、糖蜜等種植業(yè)與加工業(yè)廢棄物,經(jīng)有益微生物菌劑發(fā)酵制成草畜粗飼料。湖羊養(yǎng)殖通過(guò)飼喂以粗飼料為主的全混合日糧進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖與管理;有機(jī)堆肥以湖羊糞便為原料,輔以菌渣、米糠和作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物,經(jīng)好氧堆肥生產(chǎn)羊糞有機(jī)肥。東林村對(duì)現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)模式的應(yīng)用,為緩解社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)面臨的農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境雙重壓力提供了有效路徑。
由于東林村案例在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用灰箱控制法,且在實(shí)施過(guò)程中未經(jīng)過(guò)反饋測(cè)算,其整體的可持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)效率仍存在提升空間。首先,因接茬時(shí)間緊,小麥秸稈因?qū)嵤┤窟€田而未得到高值利用,且水稻秸稈的收集率也僅為80%,使得飼料加工與有機(jī)堆肥需要外購(gòu)大量秸稈,未能充分利用系統(tǒng)內(nèi)種植廢棄物資源。其次,養(yǎng)殖產(chǎn)生的羊糞中僅有1/3經(jīng)由有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥施用于水稻種植,且另需外購(gòu)有機(jī)肥補(bǔ)充,造成了系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)殖廢棄物的浪費(fèi),并增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。各亞系統(tǒng)間投入產(chǎn)出的不匹配與對(duì)潛在環(huán)境影響的忽視導(dǎo)致系統(tǒng)的高效循環(huán)運(yùn)行面臨阻礙。因此,需要通過(guò)評(píng)價(jià)對(duì)結(jié)果進(jìn)行深入分析后應(yīng)用于指導(dǎo)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體調(diào)控的案例研究,以促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)模式的推廣應(yīng)用。
本研究首先應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)將采集獲得的數(shù)據(jù)清單分類(lèi)結(jié)果從特定潛在環(huán)境影響的角度進(jìn)行解釋分析,包括特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估等步驟[22]。隨后,定量核算潛在環(huán)境影響的污染降級(jí)過(guò)程所需的空氣、水體和土壤的環(huán)境服務(wù)能[16]。最后,通過(guò)亞系統(tǒng)耦合與參數(shù)調(diào)整,對(duì)現(xiàn)狀系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)控,并比較系統(tǒng)調(diào)控前后所需的環(huán)境服務(wù)能。
1.2.1 特征化
以某影響因素中某一種環(huán)境脅迫因子為基準(zhǔn),得出影響因素的相對(duì)影響潛力,進(jìn)而計(jì)算出各種影響因素的潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果(公式(1))。研究中選取CML-IA Baseline評(píng)價(jià)模型中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有密切聯(lián)系的酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性、人體毒性、水體生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)6種類(lèi)別的潛在環(huán)境影響,參考生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)Ecoinvent 3.7.1[23],經(jīng)openLCA 1.10軟件[24]計(jì)算其特征化值。
式中I(x)是指系統(tǒng)對(duì)第種環(huán)境影響的特征值;I(x)i是指第種脅迫因子對(duì)第種環(huán)境影響的潛值;(x)i是指第種脅迫因子在第種環(huán)境影響中的排放量,kg;I(x)j是指第種脅迫因子對(duì)第種環(huán)境影響的當(dāng)量系數(shù)。
1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化
標(biāo)準(zhǔn)化的目的是消除各單項(xiàng)結(jié)果在量綱和級(jí)數(shù)上的差異,選擇的基準(zhǔn)量一般可為全球、全國(guó)或某一地區(qū)的資源消耗或環(huán)境排放的總量或均量數(shù)據(jù)(公式(2))。研究中以Van Oers[25]更新的2000年全球100年時(shí)間尺度下各類(lèi)環(huán)境負(fù)荷基準(zhǔn)為依據(jù),并根據(jù)聯(lián)合國(guó)人口司測(cè)算的當(dāng)年全球人口總數(shù)[26],對(duì)生命周期評(píng)價(jià)特征化結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(表1)。
式中R是指系統(tǒng)對(duì)第種環(huán)境影響特征值的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;S(x)是指選定年對(duì)第種環(huán)境影響的基準(zhǔn)值,kg。
1.2.3 加權(quán)評(píng)估
不同類(lèi)型的環(huán)境影響對(duì)同一國(guó)家或地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要程度是不一樣的,一般需要對(duì)不同類(lèi)型環(huán)境影響賦予特定權(quán)重,以核算系統(tǒng)對(duì)特定地區(qū)環(huán)境的綜合壓力(公式(3))。基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究進(jìn)展,研究中參考Wang等[27]根據(jù)專(zhuān)家評(píng)議確定的不同類(lèi)型環(huán)境影響權(quán)重值并進(jìn)行歸一化后,對(duì)生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果進(jìn)行加權(quán)評(píng)估(表1)。
式中EI是指系統(tǒng)的環(huán)境影響加權(quán)評(píng)估值;W是指第種環(huán)境影響的權(quán)重。
表1 本研究中所使用的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)與權(quán)重系數(shù)
注:酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性、人體毒性、水體生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)分別以SO2、CO2、1,4-DCB、1,4-DCB、1,4-DCB、PO4當(dāng)量表示,下同。
Note: Acidification potential, global warming potential, terrestrial ecotoxicity, human toxicity, freshwater aquatic ecotoxicity and eutrophication potential were indicated by equivalents of SO2, CO2, 1,4-DCB, 1,4-DCB, 1,4-DCB and PO4respectively, the same as below.
1.2.4 污染降級(jí)
對(duì)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響進(jìn)行污染降級(jí)所需的環(huán)境服務(wù)能可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)稀釋過(guò)程投入的能量來(lái)計(jì)算[16]。用以實(shí)現(xiàn)空氣、水體和土壤中潛在環(huán)境影響降級(jí)所需的風(fēng)、水和土壤質(zhì)量可根據(jù)環(huán)境影響的特征值與各污染物的可接受濃度進(jìn)行計(jì)算(公式(4))。隨后,根據(jù)風(fēng)能、地表水化學(xué)能、耕層土壤相應(yīng)的能量貢獻(xiàn)(公式(5)~(7)),計(jì)算污染降級(jí)所需環(huán)境服務(wù)能。
式中是指用來(lái)稀釋污染的風(fēng)(M)、地表水(M)或土壤(M)的質(zhì)量,kg;c是指與生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中第種環(huán)境影響的指標(biāo)污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值。
式中E、E、E分別是指風(fēng)、地表水和耕層土壤的能量貢獻(xiàn);是指風(fēng)阻系數(shù),0.001;是指風(fēng)速,m/s;是指吉布斯自由能,4 940 J/kg;P是指土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,g/kg;是指對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)的能量折算系數(shù),20 900 J/g。
1.2.5 調(diào)控途徑
通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出與潛在環(huán)境影響進(jìn)行分析后,為提高循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)效率并降低外部的環(huán)境排放影響,本研究認(rèn)為對(duì)系統(tǒng)的整體調(diào)控主要通過(guò)兩個(gè)途徑:一是協(xié)調(diào)各亞系統(tǒng)間的耦合參數(shù),以廢棄物的原位消納為目標(biāo),將亞系統(tǒng)的產(chǎn)出與其接續(xù)亞系統(tǒng)的投入相匹配(公式(8));二是優(yōu)化關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù),以環(huán)境影響的最小化為目標(biāo),施行源頭減量、過(guò)程控制與末端治理并舉的措施來(lái)降低污染風(fēng)險(xiǎn)。
式中P是第個(gè)亞系統(tǒng)的廢棄物供給量;D+i是第+個(gè)亞系統(tǒng)的廢棄物需求量。研究中稻麥秸稈與湖羊糞便是現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)主要的種養(yǎng)廢棄物。
本研究團(tuán)隊(duì)從2019年5月開(kāi)始對(duì)東林村的現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)案例進(jìn)行全面的數(shù)據(jù)采集與跟蹤調(diào)研。一方面,采用半結(jié)構(gòu)訪談形式對(duì)合作社、飼料廠、養(yǎng)殖場(chǎng)與有機(jī)肥廠的負(fù)責(zé)人進(jìn)行詳細(xì)咨詢(xún),掌握系統(tǒng)各環(huán)節(jié)主要的經(jīng)濟(jì)投入與產(chǎn)出情況。另一方面,通過(guò)產(chǎn)業(yè)跟蹤調(diào)研與生態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)查等方法,準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)進(jìn)入系統(tǒng)的全部投入與離開(kāi)系統(tǒng)的全部產(chǎn)出(排放)項(xiàng)目。在此過(guò)程中,注意收集與整理2016 —2020年蘇州市統(tǒng)計(jì)年鑒中的自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。
通過(guò)對(duì)所采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)整理,以系統(tǒng)年投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為功能單位進(jìn)行分析。研究中,以“四維時(shí)空尺度”對(duì)系統(tǒng)邊界進(jìn)行界定:“二維”面積是各亞系統(tǒng)的生產(chǎn)場(chǎng)所;“高度、深度”空間上界為地表風(fēng)10 m標(biāo)準(zhǔn)高度、下界為糧食作物根系1 m土壤深度;“第四維”時(shí)間為1個(gè)自然年。該系統(tǒng)中湖羊養(yǎng)殖以每年羔羊300頭、母羊1 300頭和公羊1 200頭進(jìn)行存欄飼養(yǎng),并針對(duì)個(gè)體的不同階段進(jìn)行飼料投放和免疫程序的調(diào)整管理以及投入分?jǐn)?。案例系統(tǒng)全年投入項(xiàng)目的數(shù)據(jù)清單如表2所示。
表2 現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)全年投入項(xiàng)目數(shù)據(jù)清單
注:a由實(shí)地調(diào)研所得;b由電費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)國(guó)家電網(wǎng)公布的農(nóng)業(yè)用電價(jià)格折算;c參考梁龍[28]有關(guān)運(yùn)輸距離的測(cè)算;d參考王小龍[29]有關(guān)機(jī)械投入的測(cè)算;e中,溫室按10年使用年限折舊,飼料廠、養(yǎng)殖場(chǎng)與有機(jī)肥廠按20年使用年限折舊;f根據(jù)基建維護(hù)費(fèi)用與基建投資費(fèi)用的比值折算。
Note: a was derived from field research; b was converted from electricity fee statistics of agricultural electricity price published by State Grid; c referred to the calculation of transport distance from Liang[28]; d referred to the calculation of mechanical input from Wang[29]; In e, the greenhouse was depreciated by the 10-year service life, while the feed factory, breeding farm and organic fertilizer factory were depreciated by the 20-year service life; f was converted according to the ratio of maintenance cost to investment cost.
案例系統(tǒng)全年對(duì)外產(chǎn)出的有效產(chǎn)品為小麥5.48×105kg、水稻1.15×106kg、肉羊1.90×105kg、粗飼料2.46×107kg,參與系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的有效產(chǎn)品為有機(jī)肥2.01×106kg和粗飼料6.39×105kg,同時(shí)參與的副產(chǎn)品為水稻秸稈8.00×105kg和羊糞2.10×106kg,另有副產(chǎn)品羊糞3.65×106kg作為廢棄物經(jīng)收集后轉(zhuǎn)運(yùn)離開(kāi)系統(tǒng)。此外,糧食種植與有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)的直接排放由靜態(tài)暗箱-氣相色譜的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析而得,湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)的直接排放綜合產(chǎn)業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)并參考米蘭[30]與李丹陽(yáng)等[31]有關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行測(cè)算。
根據(jù)系統(tǒng)全年投入項(xiàng)目數(shù)據(jù)清單,參考生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)Ecoinvent 3.7.1,經(jīng)openLCA 1.10軟件統(tǒng)計(jì)得到現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)各亞系統(tǒng)及其過(guò)程所產(chǎn)生的6種不同類(lèi)別潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果,如表3所示。各亞系統(tǒng)全生命周期的潛在環(huán)境影響主要來(lái)源于農(nóng)資投入、農(nóng)作管理、運(yùn)輸過(guò)程及直接排放。
糧食種植亞系統(tǒng)中,麥季與稻季的不同類(lèi)別潛在環(huán)境影響的主要來(lái)源如圖2所示。無(wú)論是小麥種植或水稻種植,施肥過(guò)程都是影響糧食種植亞系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的重要來(lái)源。特別是對(duì)于酸性潛勢(shì)、人體毒性、水體生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)4種影響類(lèi)別而言,來(lái)源于施肥過(guò)程的環(huán)境影響都占到了各類(lèi)別總影響的50%左右。同時(shí),小麥與水稻收獲過(guò)程所產(chǎn)生的全球增溫潛勢(shì)也都超過(guò)了其總影響的50%,這主要是由于該過(guò)程納入了因種植作物而直接排放溫室氣體所產(chǎn)生的環(huán)境影響。小麥播種過(guò)程所產(chǎn)生的陸地生態(tài)毒性占比較高,這主要是因?yàn)樵跈C(jī)械直播的情況下為保證種子萌發(fā)所投入的麥種量較大,而麥種生產(chǎn)、收獲、保存與運(yùn)輸?shù)热芷谒a(chǎn)生的陸地生態(tài)毒性也相對(duì)偏高。此外,由表3可知,糧食種植亞系統(tǒng)中麥季的農(nóng)事操作少于稻季的,則前者相應(yīng)所需的機(jī)械、能源與人力等投入都較少,因此麥季的各類(lèi)潛在環(huán)境影響總和多低于稻季的。
飼料加工亞系統(tǒng)中,飼料制備過(guò)程是影響亞系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的重要來(lái)源(表3)。特別是對(duì)于酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)4種影響類(lèi)別而言,來(lái)源于飼料制備過(guò)程的環(huán)境影響都占到了各類(lèi)別總影響的74%以上。同時(shí),運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程所產(chǎn)生的人體毒性與水體生態(tài)毒性都超過(guò)了其總影響的52%。而秸稈處理和運(yùn)輸過(guò)程所產(chǎn)生的各類(lèi)潛在環(huán)境影響均較小。
湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)中,湖羊飼養(yǎng)過(guò)程是影響亞系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的重要來(lái)源(表3)。對(duì)于酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性、人體毒性、水體生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)6種影響類(lèi)別而言,來(lái)源于湖羊飼養(yǎng)過(guò)程的環(huán)境影響都占到了各類(lèi)別總影響的74%以上。而運(yùn)營(yíng)維護(hù)與運(yùn)輸過(guò)程所產(chǎn)生的各類(lèi)潛在環(huán)境影響均較小,且前者多高于后者。
有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)中,有機(jī)肥堆制過(guò)程是影響亞系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的重要來(lái)源(表3)。特別是對(duì)于酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)4種影響類(lèi)別而言,來(lái)源于有機(jī)肥堆制過(guò)程的環(huán)境影響都占到了各類(lèi)別總影響的52%以上。同時(shí),運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程所產(chǎn)生的人體毒性與水體生態(tài)毒性都超過(guò)了其總影響的56%。而運(yùn)輸過(guò)程所產(chǎn)生的各類(lèi)潛在環(huán)境影響均較小。
表3 現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)全年潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果
由案例系統(tǒng)及其亞系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)全年所產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響特征化結(jié)果可知,飼料加工亞系統(tǒng)是影響整體系統(tǒng)環(huán)境表現(xiàn)的重要來(lái)源(圖3)。特別是對(duì)于人體毒性和水體生態(tài)毒性2種影響類(lèi)別而言,來(lái)源于飼料加工亞系統(tǒng)的環(huán)境影響都超過(guò)了各類(lèi)別總影響的52%。同時(shí),湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)所產(chǎn)生的陸地生態(tài)毒性達(dá)到了其總影響的86%。且以上兩者所產(chǎn)生的酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)與富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)都比較高。比較而言,糧食種植亞系統(tǒng)與有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)所產(chǎn)生的不同類(lèi)別潛在環(huán)境影響均較小,兩者之和都不超過(guò)各類(lèi)別總影響的15%,遠(yuǎn)低于飼料加工與湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)之和的占比(85%)。
將案例系統(tǒng)及其各亞系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)全年所產(chǎn)生的潛在環(huán)境影響的特征化結(jié)果經(jīng)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)結(jié)果,如表4所示。人體毒性在糧食種植、飼料加工與有機(jī)堆肥各亞系統(tǒng)中所產(chǎn)生的環(huán)境影響均為不同類(lèi)別中最大的,其次為水體生態(tài)毒性的;水體生態(tài)毒性在湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)中所產(chǎn)生的環(huán)境影響均為不同類(lèi)別中最大的,其次為人體生態(tài)毒性的。而陸地生態(tài)毒性在各亞系統(tǒng)中所產(chǎn)生的環(huán)境影響都是最小的。同時(shí),對(duì)加權(quán)總值分析發(fā)現(xiàn),飼料加工和湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)所產(chǎn)生的總環(huán)境影響遠(yuǎn)高于糧食種植和有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)的,占到了全系統(tǒng)總環(huán)境影響的90%以上。因此,對(duì)案例系統(tǒng)而言,人體毒性與水體生態(tài)毒性2種類(lèi)別的環(huán)境影響十分明顯,且前者的(44%)高于后者的(33%),而陸地生態(tài)毒性的僅為全系統(tǒng)總環(huán)境影響的3%。
表4 現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)全年潛在環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)結(jié)果
基于生命周期評(píng)價(jià)中所得到的特征化結(jié)果,針對(duì)不同類(lèi)別潛在環(huán)境影響的指標(biāo)污染物,參考目前相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行計(jì)算,案例系統(tǒng)全年運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,在產(chǎn)出各類(lèi)有效產(chǎn)品的同時(shí),若要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生潛在環(huán)境影響降級(jí)至安全濃度,每年所需空氣、水體和土壤的環(huán)境服務(wù)能分別為7.42×1010、6.03×1016和1.59×1012J,如表 5所示。由前文分析可知,水體生態(tài)毒性與人體毒性所產(chǎn)生的環(huán)境影響較大,因此,其相應(yīng)的污染降級(jí)所需要的水體與空氣環(huán)境服務(wù)能也較大。而陸地生態(tài)毒性所產(chǎn)生的環(huán)境影響雖然較小,但由于利用耕地土壤進(jìn)行污染稀釋的過(guò)程更為復(fù)雜、消耗能量較多,導(dǎo)致其污染降級(jí)所需要的土壤環(huán)境服務(wù)能也較大。
對(duì)糧食種植亞系統(tǒng)而言,為保障糧食產(chǎn)能穩(wěn)定提升政策的落實(shí),全年稻麥種植規(guī)模不做調(diào)整。在物質(zhì)循環(huán)方面,針對(duì)秸稈收集不充分的問(wèn)題,建議在品種布局、茬口管理與收獲配套環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化,全年可增加秸稈收獲量4.50×105kg。在環(huán)境影響方面,施用化肥是產(chǎn)生環(huán)境影響的重要來(lái)源,建議在羊糞有機(jī)肥產(chǎn)量增加的前提下擴(kuò)大其施用面積以提高本地有機(jī)肥替代率。
對(duì)飼料加工亞系統(tǒng)而言,承接糧食種植亞系統(tǒng)的秸稈廢棄物并將其轉(zhuǎn)化為湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)所需的粗飼料是主要任務(wù)。而目前該亞系統(tǒng)的投產(chǎn)規(guī)模在整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中過(guò)于龐大,且產(chǎn)生的環(huán)境影響也十分明顯。因此,在將案例系統(tǒng)進(jìn)行推廣復(fù)制的過(guò)程中,建議將飼料加工亞系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模匹配為日產(chǎn)量3.15×103kg,則可高效利用糧食種植亞系統(tǒng)所收集的稻麥秸稈并滿足湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)的粗飼料投喂需求。
對(duì)湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)而言,目前較高的潛在環(huán)境影響將制約循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此,建議優(yōu)化湖羊飼養(yǎng)過(guò)程中的飼料配方并提高其利用效率,同時(shí)增加必要的污染處置環(huán)節(jié)降低潛在環(huán)境污染的發(fā)生。
表5 現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)全年污染降級(jí)所需環(huán)境服務(wù)能
注:為避免重復(fù)計(jì)算,同一環(huán)境中污染降級(jí)的環(huán)境服務(wù)能只計(jì)入最大項(xiàng),下同。
Note: To avoid double counting, environmental service energy for emission degrading in the same environment was only counted as the largest item, the same as below.
對(duì)有機(jī)堆肥環(huán)節(jié)而言,承接湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)的羊糞廢棄物并將其轉(zhuǎn)化為糧食種植亞系統(tǒng)所需的有機(jī)肥是主要任務(wù)。但目前該亞系統(tǒng)的投產(chǎn)規(guī)模未能完全消納湖羊養(yǎng)殖所產(chǎn)生的糞便,而產(chǎn)出的有機(jī)肥也不足以供給糧食種植所需。因此,在已知其環(huán)境影響不大的基礎(chǔ)上,建議將有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模匹配為日產(chǎn)量1.50×104kg,則可消納湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)全部的糞便排放并滿足糧食種植亞系統(tǒng)的有機(jī)肥施用需求。
根據(jù)以上調(diào)控建議對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模擬運(yùn)轉(zhuǎn),全年對(duì)外產(chǎn)出的有效產(chǎn)品小麥、水稻與肉羊的產(chǎn)量保持不變,分別為5.48×105、1.15×106、1.90×105kg,參與系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的有效產(chǎn)品為有機(jī)肥5.50×106kg和粗飼料1.15×106kg,同時(shí)參與的副產(chǎn)品為稻麥秸稈1.25×106kg和羊糞5.75×106kg。經(jīng)測(cè)算,調(diào)控后的現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)全年污染降級(jí)所需的環(huán)境服務(wù)能如表6所示。
表6 調(diào)控后的現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)污染降級(jí)所需環(huán)境服務(wù)能
對(duì)現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)控后,若要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生潛在環(huán)境影響降級(jí)至安全濃度,每年所需空氣、水體和土壤的環(huán)境服務(wù)能分別為3.55×1010、3.35×1016和1.25×1012J,與原系統(tǒng)相比分別降低了52%、44%和21%。在此調(diào)控過(guò)程中,飼料加工亞系統(tǒng)污染降級(jí)所需的各類(lèi)環(huán)境服務(wù)能都有明顯減少,糧食種植與湖羊養(yǎng)殖亞系統(tǒng)也有一定程度的降低,有機(jī)堆肥亞系統(tǒng)因規(guī)模擴(kuò)大而有所增加,但對(duì)全系統(tǒng)的貢獻(xiàn)仍保持在可控范圍內(nèi)。依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的環(huán)境服務(wù)能測(cè)算結(jié)果表明,采取針對(duì)性調(diào)控措施對(duì)農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是非常有益的。
本研究將生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)用于現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的評(píng)估,從系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出入手,全面地梳理了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的主要潛在環(huán)境影響,包括酸性潛勢(shì)、全球增溫潛勢(shì)、陸地生態(tài)毒性、人體毒性、水體生態(tài)毒性和富營(yíng)養(yǎng)化潛勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)全生命周期的評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)各亞系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)協(xié)調(diào)與技術(shù)優(yōu)化,并計(jì)算不同環(huán)境稀釋污染至安全濃度所需的環(huán)境服務(wù)能。經(jīng)調(diào)控后,現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行全年所需空氣、水體與土壤的環(huán)境服務(wù)能可降低21%~52%。通過(guò)本研究的探索發(fā)現(xiàn),基于生命周期評(píng)價(jià)的環(huán)境服務(wù)能測(cè)算所提出的針對(duì)性調(diào)控措施,對(duì)現(xiàn)代農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)制推廣具有切實(shí)的指導(dǎo)價(jià)值,同時(shí)可為其他現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整提供方法參考。
本研究所參考的生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)是國(guó)際上較為權(quán)威的Ecoinvent數(shù)據(jù)庫(kù),其中較新的3.7.1版本包含了超過(guò)1 900個(gè)單元過(guò)程數(shù)據(jù)集以及相應(yīng)產(chǎn)品的匯總過(guò)程數(shù)據(jù)集[25]。結(jié)合荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心開(kāi)發(fā)的CML-IA baseline模型方法[18],能夠科學(xué)高效地計(jì)算出不同類(lèi)別的潛在環(huán)境影響。值得注意的是,本研究中除肥料、秸稈與電力是從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇了中國(guó)地區(qū)數(shù)據(jù)集外,其他數(shù)據(jù)所參考的全球數(shù)據(jù)集一般是由區(qū)域數(shù)據(jù)外推得到的。雖然可以代表當(dāng)前全球平均生產(chǎn)力條件下的影響水平,但在區(qū)域比較分析中可能會(huì)掩蓋小尺度地區(qū)間的差異。因此,學(xué)者們?cè)趯⑸芷谠u(píng)價(jià)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的分析過(guò)程中時(shí),還應(yīng)重視構(gòu)建本土生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)的工作。
[1] Li F J, Dong S C, Li F. A system dynamics model for analyzing the eco-agriculture system with policy recommendations[J]. Ecological Modeling, 2012, 227: 34-45.
[2] Donner M, Verniquet A, Broeze J, et al. Critical success and risk factors for circular business models valorising agricultural waste and by-products[J]. Resources, Conservation & Recycling, 2021, 165: 105236.
[3] Adegbeye M J, Ravi Kanth Reddy P, Obaisi A I, et al. Sustainable agriculture options for production, greenhouse gasses and pollution alleviation, and nutrient recycling in emerging and transitional nations-An overview[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 242: 118319.
[4] 徐湘博,孫明星,張林秀. 農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2021,41(1):422-433.
Xu Xiangbo, Sun Mingxing, Zhang Linxiu. Research progress of life cycle assessment on agriculture[J]. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(1): 422-433. (in Chinese with English abstract)
[5] Altieri M A. Agroecology: The Science of Sustainable Agriculture[M]. Boca Raton: CRC Press, 2018.
[6] Tricase C, Lamonaca E, Ingrao C, et al. A comparative life cycle assessment between organic and conventional barley cultivation for sustainable agriculture pathways[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 172: 3747-3759.
[7] Christensen L O, Galt R E, Kendall A. Life-cycle greenhouse gas assessment of Community Supported Agriculture in California's Central Valley[J]. Renewable Agriculture and Food Systems, 2018, 33(5): 393-405.
[8] Masuda K. Measuring eco-efficiency of wheat production in Japan: A combined application of life cycle assessment and data envelopment analysis[J]. Journal of Cleaner Production, 2016, 126: 373-381.
[9] Taki M, Soheili-Fard F, Rohani A, et al. Life cycle assessment to compare the environmental impacts of different wheat production systems[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 197: 195-207.
[10] Jimmy A N, Khan N A, Hossain M N, et al. Evaluation of the environmental impacts of rice paddy production using life cycle assessment: Case study in Bangladesh[J]. Modeling Earth Systems and Environment, 2017, 3(4): 1691-1705.
[11] 楊興林,劉巖冰,朱宗淵,等. 大豆油和地溝油制備生物柴油生命周期評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2020,36(19):233-241.
Yang Xinglin, Liu Yanbing, Zhu Zongyuan, et al. Life cycle assessment of biodiesel from soybean oil and waste oil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 233-241. (in Chinese with English abstract)
[12] 白金衡. 遼寧水稻生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境影響及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[D]. 沈陽(yáng):沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),2020.
Bai Jinheng. Ecological Environment Impacts and Driving Mechanisms of Rice Production in Liaoning[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)
[13] 陳中督,李鳳博,馮金飛,等. 長(zhǎng)江下游地區(qū)稻麥輪作模式碳足跡研究:基于生命周期評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2019,40(12):81-90.
Chen Zhongdu, Li Fengbo, Feng Jinfei, et al. Study on carbon footprint for rice-wheat rotation system in the lower reaches of Yangtze River: Based on the life cycle assessment[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2019, 40(12): 81-90. (in Chinese with English abstract)
[14] 梁龍,陳源泉,高旺盛. 基于生命周期的循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué),2010,31(11):2795-2803.
Liang Long, Chen Yuanquan, Gao Wangsheng. Integrated evaluation of circular agriculture system: A life cycle perspective[J]. Environmental Science, 2010, 31(11): 2795-2803. (in Chinese with English abstract)
[15] Zhang X, Ma F, Wang L. Application of life cycle assessment in agricultural circular economy[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 260/261: 1086-1091.
[16] Wang X L, Dadouma A, Chen Y, et al. Sustainability evaluation of the large-scale pig farming system in North China: An emergy analysis based on life cycle assessment[J]. Journal of Cleaner Production, 2015, 102: 144-164.
[17] Fan W, Dong X, Wei H, et al. Is it true that the longer the extended industrial chain, the better the circular agriculture? A case study of circular agriculture industry company in Fuqing, Fujian[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 189: 718-728.
[18] Dorr E, Koegler M, Gabrielle B, et al. Life cycle assessment of a circular, urban mushroom farm[J]. Journal of Cleaner Production, 2021, 288: 125668.
[19] Bakshi B R. A thermodynamic framework for ecologically conscious process systems engineering[J]. Computers & Chemical Engineering, 2002, 26(2): 269-282.
[20] Ulgiati S, Brown M T. Quantifying the environmental support for dilution and abatement of process emissions: the case of electricity production[J]. Journal of Cleaner Production, 2002, 10(4): 335-348.
[21] 江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所. 現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)生產(chǎn)技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45(24):6.
[22] Guinée J B. Handbook on Life Cycle Assessment: Operational Guide to the ISO Standards[M]. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2002.
[23] Moreno Ruiz E, FitzGerald D, Symeonidis A, et al. Technical report of changes implemented in the ecoinvent database between v3.7 & v3.7.1[R]. Zürich: Ecoinvent Association, 2020.
[24] Ciroth A, Di Noi C, Lohse T, et al. OpenLCA 1. 10 comprehensive user manual[R]. Berlin: GreenDelta, 2020.
[25] Van Oers L. CML-IA database, characterisation and normalisation factors for midpoint impact category indicators[EB/OL]. (2016-09-05)[2020-08-15]. http: //www. cml. leiden. edu/software/data-cmlia. html.
[26] United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division. World Population Prospects 2019[EB/OL]. (2020-05-01)[2020-09-14]. https: //population. un. org/wpp/Download/Standard/Population/.
[27] Wang M, Wu W, Liu W, et al. Life cycle assessment of the winter wheat-summer maize production system on the North China Plain[J]. The International Journal of Sustainable Development & World Ecology, 2007, 14(4): 400-407.
[28] 梁龍. 基于LCA的循環(huán)農(nóng)業(yè)環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法探討與實(shí)證研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.
Liang Long. Environmental Impact Assessment of Circular Agriculture Based on Life Cycle Assessment: Methods and Case Studies[D]. Beijing: China Agricultural University, 2009. (in Chinese with English abstract)
[29] 王小龍. 基于生命周期評(píng)價(jià)與能值分析的循環(huán)農(nóng)業(yè)評(píng)價(jià)理論、方法與實(shí)證研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.
Wang Xiaolong. An Integrated Framework Based on Life Cycle Assessment and Emergy Evaluation for Circular Agriculture: Theories, Methods and Cases[D]. Beijing: China Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)
[30] 米蘭. 利用組學(xué)技術(shù)探究湖羊和新西蘭兔甲烷排放差異的微生物機(jī)制[D]. 杭州:浙江大學(xué),2018.
Mi Lan. Microbial Underpinning of the Differential Methane Emission Between Hu Sheep and New Zealand White rabbits[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018. (in Chinese with English abstract)
[31] 李丹陽(yáng),馬若男,亓傳仁,等. 含水率對(duì)羊糞堆肥腐熟度及污染氣體排放的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2020,36(20):254-262.
Li Danyang, Ma Ruonan, Qi Chuanren, et al. Effects of moisture content on maturity and pollution gas emissions during sheep manure composting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 254-262. (in Chinese with English abstract)
[32] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. HJ/T332—2006,食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2007.
[33] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. HJ568—2010,畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)地環(huán)境評(píng)價(jià)規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2010.
[34] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. HJ25. 3—2014,污染場(chǎng)地風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則[S]. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2014.
[35] 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB18468—2001,室內(nèi)空氣中對(duì)二氯苯衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.
[36] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局. GB8978—1996,污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1996.
Regulation of modern “straw-sheep-cropland” agro-pastoral system using life cycle assessment
Shen Yuan1,2, Wang Haihou1,2, Tao Yueyue1,2, Lu Changying1,2, Dong Linlin1,2, Shi Linlin1,2, Jin Meijuan1,2, Zhou Xinwei1,2, Shen Mingxing3※
(1.(),215105,; 2.,,215155,; 3.(),215011,)
Modern circular agriculture aims to minimize the number of external outputs for less impact on the environment in the complex ecosystem and the circular economy of the industry chains. Therefore, the green development of agriculture can be achieved to promote rural revitalization in China. However, accurate data support and parameter matching are still lacking in most operation of circular agriculture. Fortunately, the life cycle assessment can serve as an effective tool to evaluate the environmental impact of the entire chains in the product systems, further improving the circulating efficiency of the systems in recent years. In this study, an empirical investigation using the life cycle assessment was performed on the modern “straw-sheep-cropland” agro-pastoral system located in the northeast of Suzhou, Jiangsu Province, China. Six types of potential environmental impacts were evaluated from the sufficient data collection and tracking survey using the data characterization, standardization, and weighted summation, including the acidification potential, global warming potential, terrestrial ecotoxicity, human toxicity, freshwater aquatic ecotoxicity, and eutrophication potential. And then the environmental service energy was compared for the emission degradation before and after the regulation. The energy was calculated to consume the pollution dilution for a safe concentration. The results showed that fertilization was an important factor in the environmental performance of the cereal cropping subsystem during the wheat- and rice-growing seasons. The types of potential environmental impacts from the feed producing and sheep raising subsystems were more than 85% of the total impacts, which were much higher than that of the cereal cropping and organic composting subsystems. The environmental impacts of human toxicity and freshwater aquatic ecotoxicity were greater in each subsystem, whereas, that of terrestrial ecotoxicity was the least. After life cycle assessment, the annual environmental service energies of air, water, and soil to realize the emission degradation were 7.42×1010, 6.03×1016, and 1.59×1012J, respectively, according to the threshold concentration of index pollutants. Subsequently, the scales of feed producing and organic composting subsystems were adjusted in line with the matching output with the input of successive subsystems, particularly under the steady production scale of cereal cropping and sheep raising subsystems. A simulated regulation was also conducted to optimize the parameters and key technologies. It was estimated that the annual environmental service energies of air, water, and soil were reduced by 52%, 44%, and 21%, respectively, compared with the original. In conclusion, a new system was formed with excellent sustainability and replication to evaluate and regulate the modern agro-pastoral system using the life cycle assessment. The finding can provide a strong reference for the optimal regulation of modern agricultural systems in diverse regions. In the future research, the local life cycle inventory database can be constructed for the life cycle assessment.
circular agriculture; life cycle assessment; potential environmental impact; emission degradation; environmental service energy
2021-08-11
2021-12-09
江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20190169);蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(19009)
沈園,博士,助理研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)。Email:ruier55@126.com
沈明星,研究員,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)與科技管理。Email:smxwwy@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.030
S19
A
1002-6819(2021)-24-0266-09
沈園,王海候,陶玥玥,等. 基于生命周期評(píng)價(jià)的現(xiàn)代“草-羊-田”農(nóng)牧循環(huán)系統(tǒng)調(diào)控 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2021,37(24):266-274. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.030 http://www.tcsae.org
Shen Yuan, Wang Haihou, Tao Yueyue, et al. Regulation of modern “straw-sheep-cropland” agro-pastoral system using life cycle assessment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(24): 266-274. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2021.24.030 http://www.tcsae.org