廣西桂林水稻種植生命周期評價

周祖鵬+唐玉華+林永發

摘要：根據廣西壯族自治區桂林市水稻生產狀況，結合桂林當地實際情況，應用生命周期評價方法和Gabi軟件，對生產1 t水稻（功能單位）所產生的環境影響進行生命周期評價。評價結果表明：評價對象生命周期的富營養化（EP）、酸化（AP）、生命周期成本（LCC）、能源消耗（ED）、生態毒性（HTP）、溫室氣體（GWP）及淡水消耗（WD）值分別為7.57 kg、4.54 kg、1 914元、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。并且水稻生產過程中對環境影響最大的是生長階段，造成這種現象的主要原因是水稻在生長階段過程中使用了較多的化肥和農藥。因此，為了減少水稻生產過程中所產生的環境污染，應該盡量減少水稻生長過程中化肥和農藥等化學產品的使用量。

關鍵詞：水稻；桂林；生命周期評價；生命周期成本；環境污染

中圖分類號： S181文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0049-06[HS）][HT9.SS]

水稻是全球最重要的糧食作物之一。美國加利福尼亞州、日本、意大利維切利、泰國及伊朗等國外學者應用生命周期評價方法對水稻生產開展了生命周期評價研究。結果表明，過多的使用機械化、化肥和農藥是造成水稻生產環境污染的主要原因[1-5]。在國內，有學者應用生命周期評價方法對太湖流域、湖南及上海等地水稻生產過程中的氣體排放、能耗及碳足跡進行研究和評價，其結果表明，化肥和農藥也是造成環境污染和能源消耗的主要原因[6-11]。

由于廣西桂林市屬于喀斯特地貌，耕地基本上以丘陵為主，地勢高低起伏有落差。因此，無法采用大面積機械化進行作業，只能采用一些小型化機械，同時結合以勞動力為主的方式進行耕種。桂林地處亞熱帶季風氣候區，位于沿海地區，常年溫和多雨，利于水稻生長（圖1）。但是，經文獻檢索尚未發現有針對廣西桂林地區水稻生產開展生命周期評價的研究。同時，在過去的水稻生命周期評價中也未發現針對水稻生命周期成本開展生命周期評價的研究。

1水稻生命周期評價過程

1.1目標與范圍的界定

本研究以廣西桂林市臨桂區水稻生命周期評價為研究目標，以1 t水稻為功能單位，研究該地區生產1 t早稻對環境的影響，種植面積為1 334 m2。通過集中抽樣和隨機抽樣有機結合的方法，對該地區的農戶、相關的田間作業活動和經銷商進行實地走訪調查，將調查獲取的資料經整合及誤差分析后應用到本次研究中。此外，為提高研究質量和數據的可靠性，對[CM（25]一些幅度較大的數據或與常規數據有較大差異的數據進[CM）]

行排除，使篩選出的數據更具有客觀性。本次研究水稻LCA（生命周期評價）的系統邊界如圖2所示。

1.2清單分析

1.2.1原料準備

根據對桂林市水稻種植的農戶及田間各項作業活動的實地調查獲取相關數據。當地農民根據多年的水稻種植經驗，已經了解了當地種植水稻須要購買何種化肥、農藥等原料。為了節約時間及成本，在水稻種植前農民都已經將原料提前購買并運輸回家儲存。在種植過程中需要的原料則可直接從儲存地提取。水稻種植過程中所需要的原料都在同一地點采購，應用農用拖拉機對原料進行運輸，運輸距離為17 km。生產1 t水稻需要的原料情況如表1所示。化肥用于秧苗的成長過程；拋秧盤和尼龍用于種子的育苗；稻田平整過程中使用的機械是柴油消耗的主要原因；農藥用于水稻生長過程中病蟲害的防御。原料準備階段的所需成本為6265元（種植面積1 314 m2，下同）。

1.2.2育苗階段

種稻之前，必須先將稻田的土壤翻過，使其松軟。過去使用牲畜和犁具，主要是用水牛來整地犁田，但隨著科技的發展，目前基本上使用機器進行整地。假設所有使用的設備都能正常工作，不需要維護。在每年的3月底到4月初對稻田進行翻耕，采用廣西南寧手扶拖拉機廠的微型耕作機，人工費為120元；同時用草甘膦除草劑對田埂進行除草。

在種子播種之前需要對種子用溫水進行催芽，消耗電能0.8 kW·h，成本為0.56元。播種需要100個拋秧盤（聚氯乙烯），尼龍（聚氯乙烯）12 m。種子發芽后即可進行育苗，需要生根壯苗劑60 g。先將生根壯苗劑撒入拋秧盤中，然后將種子撒入拋秧盤中，用稀泥進行覆蓋拋秧盤的每一個穴口，最后用尼龍作為覆蓋種子的溫室大棚，保證種子能夠在一個良好的環境生長為幼苗，需要人工費100元。種子育苗階段需要1 kg尿素進行施肥，為幼苗的生長提供充足的養分。拋秧盤和尼龍在拋秧后可直接回收再利用。該階段花費的成本為220.56元。

1.2.3秧苗播種

種子經過20～30 d生長即可進入拋秧階段。以前采用的是人工插秧，但是隨著社會的發展，現在已經采用人工拋秧技術，一般在4月中旬進行人工拋秧。在插秧當天需要對稻田進行平整，人工費為120元。稻田平整過后需要施肥，使用的化肥為鉀肥、46.4%尿素等肥料。基肥的組成為：24 kg尿素+30 kg鉀肥；插秧需要人工費240元。該階段的成本為360元。

1.2.4生長階段

插秧20 d左右，長出第1節稻莖時稱為分蘗期，這段期間往往須要追肥，讓稻苗健壯地成長，并促進日后結穗米質的飽滿和提高產量。使用的化肥為12%過磷酸鈣、17.1%碳酸氫銨等肥料，追肥的組成：30 kg過磷酸鈣+23 kg碳酸氫銨，人工費50元。灌溉一般都須在插秧后，幼穗形成時，還有抽穗開花期加強水分灌溉。有研究表明，水稻種植過程中灌溉是造成CH4排放的主要原因[12-13]，而CH4的排放對溫室氣體有比較大的影響。因此要合理地進行灌溉，不能大水漫灌，盡量節約資源，減少污染物的排放。為提高糧食產量，根據當地種植環境對病蟲害進行防御。在該地區水稻種植過程中主要會出現的病害為螟蟲、稻縱卷葉螟、稻飛虱等害蟲。插秧30 d后要噴灑阿維·三唑磷農藥來防御螟蟲災害，在禾苗抽穗期要噴灑阿維菌素農藥來防御稻縱卷葉螟災害，在收割前20 d要噴灑吡蟲啉農藥來防治稻飛虱災害。表2列出了水稻生產過程中所使用的農藥及其用量。噴灑農藥使用桂林洪氏噴霧器有限公司的電動噴霧器（桂林-16型），人工費為250元；消耗電能0.72 kW·h，0.5元。該階段的成本為300.5元。

1.2.5收割階段

早稻一般在7月中下旬收割，在水稻收割1周前對田埂進行除草。當稻穗垂下、金黃飽滿時，就可以開始收成，過去是農民用鐮刀割下，再扎起，利用打谷機使稻穗分離，現在則有收割機，將稻穗卷入后，直接將稻穗與稻莖分離出來。近年來基本上使用久保田588收割機進行收割，收割1 t的稻谷需要人工費用406元，消耗柴油4 L，柴油消耗的成本已經包含在收割稻谷的人工費中。

秸稈全部還田，可用于下季稻田的有機肥料，降低土壤的鹽堿化，有助于改善土壤的肥力。但是也有研究表明，將秸稈全部還田不僅會增加CH4的排放量[14-17]，還會增加N2O的排放量[18]，也就間接地增加了溫室氣體的排放。秸稈也是一個相當有特色的經濟副產品，用途相當多。除供牛羊等牲畜食用，以秸稈也可編成草繩、草鞋與蓑衣，早期也有許多房子是以秸稈做屋頂，利用秸稈編織出的工藝產品也相當常見，如草席，草帽等。但隨著經濟化發展，機械化器具引進，牲畜減少，塑膠生活用品也處處皆是，因此秸稈的用處急劇減少。據臺灣農業改良會研究，在排水良好的稻田中，就地掩埋秸稈能對第1期作水稻增產10%；排水不良的田中，每年都掩埋稻草的話，第4年以后，就可增產約5%～8%；研究資料也顯示，3年中每年都掩埋秸稈，會讓稻田土壤有機質含量從 2.1% 增加至2.7%，同時田中的磷、鉀、鈣、鐵、硅含量也都會增加。

2影響評價

在整個生命周期中，從原材料的獲取到農業投入在稻田中的應用，水稻耕作所排放出超過1 000多種物質進入空氣、土壤和水中，其中一些是有毒和危險性較大的物質。化肥的使用會排放以下幾個直接影響環境的因素：甲烷、氨、氮氧化物、氧化亞氮等排放到空氣中；重金屬會對土壤、地表水和地下水產生污染；硝酸鹽和磷會對地表水和地下水產生污染[19]。

水稻種植過程使用的化肥會造成水污染，引起水體富營養化和酸化，使用化肥所排放出的N2O和CO2氣體對溫室效應也有較大影響[20-21]；資源的消耗主要是柴油，同時也是產生溫室氣體的一個原因；農藥的使用會對土壤和水體產生有害毒性物。所以采用富營養化（EP）、酸化（AP）、資源消耗（ADP）、生態毒性（HTP）、土壤毒性、溫室氣體（GWP）及水資源消耗（WD）等7個主要指標對水稻進行環境影響評價。

2.1富營養化

富營養化過程與氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相關。為促進水稻生長，提高農產品的產量，人們常施用較多的氮肥和磷肥，但它們極易在降雨或灌溉時發生流失。富營養化主要源于生長階段化肥的使用，排放量為4.51 kg（圖3）?；蕰欧懦鲅趸瘉喌⒘准癗H3，這些因素都會加重富營養化在該地區的影響比例。過量使用化肥會使富營養化不斷加重[22]。隨著施氮量的增加，NO-3的淋失率增幅更大。因此，在高施氮量條件下控制農田NO-3淋失，是控制富營養化影響的關鍵[23]。

2.2酸化

酸化以SO2為參照物，長期大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[24]，造成酸化影響的主要污染物是施用化肥后所釋放出的NH3，排放量為4.54 kg，但能源的消耗也會對酸化有一定的影響。隨著施氮量的增加，NH3對酸化潛力的貢獻呈下降趨勢，這主要是由于隨著氮肥施用量的增加，農田NH3揮發率有所下降[23-24]。土壤酸化會加重土壤板結，使根系伸展困難，發根力弱，緩苗困難，根系發育不良吸收功能降低，長勢弱，產量降低。酸化土壤中植物長勢減弱，抗病能力降低，易被病害侵染，進一步增加農藥的使用量，從而使生態毒性也進一步增加。酸化在水稻生長階段的排放量最多，其他幾個階段的排放量相對較小，收割階段的排放量最少，如圖4所示。

2.3能源消耗

能源在農業生產過程中可以分為直接能源、間接能源、可再生能源和不可再生能源，而不可再生能源在農業過程中又占據了主導地位[25]。在水稻生長階段與秧苗播種階段消耗的化肥是資源消耗的主要階段，在生長階段能源消耗量可達到5 540 MJ；化肥的生產又是消耗礦石的主要原因，具體情況如圖5所示。

2.4溫室氣體

生長階段和秧苗播種階段是排放溫室氣體的主要階段，其中生長階段的排放量將近是秧苗播種階段的2倍，排放量為484 kg。收割階段最少，排放量僅為4.56 kg。水稻種植是公認的主要溫室氣體排放源之一，2009年我國農業溫室氣體總排放量（以CO2計）為160萬t，其中水稻種植排放14萬t，占8.9%[26]。研究表明，灌溉[14]、土壤水分[27]、施肥[28]和品種[29]對的CH4排放影響較大，所以要合理、科學地灌溉和施肥，盡量降低CH4的排放。近年來，我國農業生產產量不斷翻倍增加，但是氮肥、磷肥的使用量也在不斷地翻倍增加[30-31]。水稻種植過程中施用的化肥會排放出CO2和N2O，但主要溫室氣體來源還是來自于化肥在生產過程中所排放出的CO2（圖6）。

2.5生態毒性

水稻生長階段所使用的農藥是造成生態毒性的主要原因，排放量為43 kg，收割階段的影響較小。農藥噴灑過后所殘留的重金屬對土壤、地表水和地下水都會產生污染。因此，在保證水稻產量與質量的前提下盡可能地不使用農藥（圖7）。使用殺蟲劑不僅會污染土壤和地下水，而且還會污染空氣，嚴重影響水生生物的生存環境，甚至會導致一些瀕危物種滅絕[32]。

2.6淡水消耗

當地依然使用原始的河水進行灌溉。水資源消耗主要在生長階段，消耗量為1 010 m3，原料準備階段消耗量最小，其值為0.815 m3。灌溉對于水稻的生長起著決定性作用，只有保證充足的水源，才能提高水稻的產量及質量，減少病害的發生，如圖8所示。

2.7生命周期成本分布

隨著生命周期評價朝著生命周期可持續評價的方向不斷發展，越來越多的研究者開始關注生命周期成本[33-34]。在許多研究中也逐漸將成本作為一個評價環境的指標[35-41]。由此可以看出，把成本作為環境影響評價指標的重要程度在不斷提升。成本高，間接地反映了現代科技的應用程度相對較低。成本水平雖然不能直觀地反映環境影響，但是能夠間接得通過其他方式呈現出對環境的影響。例如，過多的使用化肥或者機械化會使成本增加，而化肥和機械化的投入使得環境影響將進一步增加。這表明成本水平與環境影響有著不可分割的聯系。由圖9可知，原料準備的成本最高。由于當地水稻種植依然是以人工為主，因此水稻種植的成本相對較高。

3敏感性分析

在水稻生長的整個過程當中并沒有把所有因素都考慮完善，從而使得分析結果的可靠性有所降低，以致于影響水稻的LCA。例如，在翻耕稻田所使用的機械，由于使用的設備型號不同，使得柴油的消耗量也不一樣，這就對能源消耗評估產生了一定的影響。在我國，大多數水稻種植為了提高產量而不斷增加資源的投入，特別水和養分，這往往是以犧牲環境作為代價[42]。

長期以來我國氮肥在生產上氮施用量一般超過 180 kg/hm2，有些地區甚至超過600 kg/hm2，但水稻氮肥實際利用效率僅為（33±11）%。而目前發達國家氮肥利用率已達60%，如果能達到這一利用水平，將減少50%的氮肥使用，直接減少種植活動中的施用氮肥帶來的碳排放[43]。不僅稻田的土壤肥力存在著差異性，而且禾苗在生長過程中也存在著長勢好壞的問題，從而使得施肥的比例也不一樣。然而肥料又是環境影響評價的一個重要指標，所以對評價分析的結果影響較大。這些不僅影響環境方面的評價指標，同時對經濟指標的影響也較為明顯。還有一個原因就是購買的種子，種子質量的好壞將會直接影響到水稻產量的高低。因此，評價結果會有一定誤差，但本次評價數據大多來源于實地調研，因此能最大限度減少評價誤差。

4結論[JP2]

由圖10可知，資源輸入與廢棄物排放主要在生長階段與秧苗播種階段。綜上可知，水稻的生命周期成本為1 914元/t。當地稻谷價格為3.2元/kg，除去成本后的收益為1 286元/t。[JP+1]生產1 t水稻對環境所產生的污染及消耗的資源主要為富營養化、酸化、能源消耗、生態毒性、溫室氣體及淡水消耗，其值分別為7.57 kg、4.54 kg、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。而化肥又是產生富營養化、酸化及溫室氣體的主要原因。因此，在水稻生長階段合理的施肥是減少環境污染的重要舉措。[JP]

為了進一步說明桂林地區水稻生產的特征，表3給出了不同國家或地域水稻生命周期評價指標的對比情況。由表3可知，不同國家或地域的評價結果差異是很大的。就桂林地區的水稻生產而言，能耗較高，僅低于伊朗；溫室效應較低，僅高于湖南、太湖流域和意大利；富營養化、水資源消耗處于中間水平；酸化影響最低；生態毒性處于較高水平。表3中有一些空白的地方，表示有的文獻沒有相應的評價指標值。

5討論

隨著中國經濟不斷發展，人們生活水平不斷提高，當地種田的收益較低，因此當地水稻種植面積近年來也不斷縮小。因為地理環境的約束，機械化使用程度依然較低，還是依靠勞動力進行作業，從而提高了成本。雖然成本有所增加，但是由于機械化應用程度較低，使得對環境產生的影響也相應地有所降低。因此，成本高低是對環境影響的一個側面表現。成本的變化而變化。文獻[44]中環境、經濟和社會指標的集成一直被認為是對于LCA的局限性和改善可持續性評估工具的一個合適的解決方案。隨著生命周期評價不斷發展，生命周期評價與數據包絡分析相結合的方法不斷得到發展。文獻[45]顯示，在應用生命周期評價與數據包絡分析相結合的方法時，考慮經濟方面的評估可以改善環境影響評價。有些研究從經濟的角度把生命周期評價與數據包絡分析相結合的方法分為5個步驟應用到農業系統中[46-48]。文獻[49]顯示，原材料受市場的影響較大，將經濟評價細分到每個系統中，應用生命周期評價與數據包絡分析相結合的方法可以有效節約在機械和化學產品上的經濟成本。生命周期評價與數據包絡分析相結合的方法在一定程度上可以降低環境影響和節約成本，因此可以將該方法應用到今后的相關研究中。

由于農田和地下水的污染不斷加重，使用化肥和環境污染的關系受到越來越多相關研究者的關注。合理管理土壤有機質，消除土壤的物理、化學和生物的約束，從而改善土壤的質量。通過資源和環境管理，提高資源利用效率，加強農業可持續發展，減少養分流失、溫室氣體排放量及負面生態足跡的影響[50]。采用集成化技術來提高生產效率及資源的利用率，有利于減少全球氣候變暖、酸化、富營養化和人體毒性等指標的生命周期環境影響的潛力[51]。通過本次評價可知，在今后的水稻種植過程中應該盡量減少化肥的使用，這不僅能減少對環境所產生的影響，而且也能減少礦產資源消耗、節約成本。在條件許可的情況下盡可能地使用有機肥，使土壤肥力保持在一定程度，更有利于水稻的生長。同時為減小生態毒性對環境的影響，在保證水稻產量與質量的前提下盡可能地不使用農藥等殺蟲劑，實現環境可持續發展。

參考文獻：

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