旱地與水澆地冬小麥生產的資源環境影響評價

賈若男，張吳平，侯 帥

（山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801）

2015年我國農業部明確提出“一控、兩減、三基本”的目標，在有效保障糧食供給安全、農產品質量安全的前提下治理農業面源污染問題，其中“一控”是控制農業用水總量和農業水環境污染。山西省地處黃土高原，人均占有水資源388 m3，約為全國平均值的20%，屬于嚴重缺水的地區，而且存在過量施用化肥造成農田與水環境污染問題。在水資源有限和農業環境嚴重污染的情況下，如何有效利用水資源、保證糧食安全和控制農業環境污染問題是現在以及將來農業可持續發展面臨的主要問題。國內外學者對此進行了大量研究，其中，生命周期評價是各種農業資源環境影響評價方法中最為全面系統、應用廣泛的方法。李貞宇等[1]通過生命周期評價研究比較了我國三省不同區域的小麥資源環境影響。周冉等[2]通過生命周期評價對比研究了京郊地區2種作物生產體系的環境影響。楊肖等[3]在干旱區綠洲將灌溉用水納入生命周期評價清單，評估玉米生命周期的環境影響。

本研究在前人研究的基礎上，應用生命周期評價方法，對旱地與水澆地冬小麥生命周期中的資源消耗和環境污染物分別建立排放清單，突出對比旱地與水澆地在冬小麥生產過程對環境的影響，并評價不同耕地類型的環境綜合影響，旨在為冬小麥生產和管理提供科學依據，也為其他農產品的生命周期評價提供科學研究方法。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

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城市，土地面積1 164 km2，氣候類型是暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫8～14℃，風速1.9 m/s，降水量439.8 mm。全縣現有耕地66 581 hm2，由冬小麥種植空間分布可知（圖1），縣內東南、西北地區地勢較高，耕地類型主要是旱地；中部平原地區地形平坦、分布河流水域且土壤養分豐富，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區。

1.2 數據來源及處理

農作物和農田管理數據來源于山西省統計年鑒以及2015—2016年間聞喜縣13個鄉鎮冬小麥種植區域農戶的問卷調查，采取隨機、重復等方法進行調查，在保證數據完整、正確、可靠的原則下，篩選調查問卷，剔除異常值，最終得到90份調查數據。調查數據具體到農戶，包括產量、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。施肥種類主要是復合肥、尿素、碳銨、磷酸二銨等。本文選取數據量豐富、具有代表性，水澆地與旱地種植區域分布廣泛的平原區，包括桐城鎮、郭家莊鎮、裴社鄉、東鎮、河底鎮。

1.3 生命周期評價方法

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA），即定量評價一個產品或生產行為所涉及的從原材料提取和加工、使用到再生循環利用以及最終處置整個生命周期階段有關的環境負荷的過程[4]。國際環境毒理會和化學學會（SETAC）將生命周期評價方法歸納為4個相互關聯的部分，分別為目標定義與范圍確定、清單分析、影響評價、改進評價[4-5]。

1.3.1 目標定義與范圍確定 本研究的對象是聞喜縣旱地與水澆地種植的冬小麥生產體系。研究范圍的起始邊界是冬小麥生產體系的投入部分，即與生命周期相關的磷礦、鉀礦等礦石，能源消耗和農田面積；終止邊界是冬小麥生產體系的產出部分，即最終輸出的農產品和環境排放[2]。以生產1 t小麥籽粒產量為評價單元，利用生命周期評價方法，計算評估不同耕地類型冬小麥生產過程中對環境的壓力。

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、作物的產出和污染物的排放進行統計分析。冬小麥生命周期可以分為原料開采與運輸、農資生產與運輸、作物種植3個階段[6]。原料開采階段主要計算原材料開采過程中的礦石資源以及引起的能源消耗。本文通過《山西省農業統計年鑒》（2015）獲取指標，同時參考孟會生等[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]的成果計算生產化肥過程中礦石資源的消耗，包括磷礦和鉀礦。參考王利[9]的研究結果計算生產化肥過程中消耗的能源，包括煤、電力。

農資生產階段主要計算化肥生產過程中消耗的大量能源，產生的廢水、廢氣及污染物排放。各種污染物排放系數來自《中國環境年鑒》（2012—2015）、《中國能源統計年鑒》（2012—2015）等。根據本文研究的側重點，各環節中的建筑設施、廠房建設、運輸等生產因素暫不予考慮。

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的揮發以及硝態氮的淋溶等。種植過程中農田氮素的損失計算參數選取文獻中的經驗值，綜合孟磊等[10]、BRENTRUPF[11]的研究成果，農田土壤中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，利于反硝化作用發生，產生的N2O會增加，單位面積水澆地產生的N2O高于旱地。根據彭小瑜等[13]的研究，化肥撒施時NH3揮發率為氮素投入量的24%，覆土施肥時氨揮發率為氮素投入量的10%。根據張玉銘等[14]的研究成果，氮肥通過硝態氮淋溶損失量占到施入氮肥含量的1.4%～20.3%，硝態氮淋溶與土壤水分有關，土壤含水量越高，硝態氮淋溶量越大。

1.3.3 影響評價 影響評價主要是對識別出的環境影響進行定量或定性的評價，即確定研究系統的資源消耗與污染物排放及其對外部環境的影響，分為特征化、標準化和加權評估3個步驟[15-16]。

特征化是對冬小麥生命周期中資源消耗和污染物排放清單進行分類計算，并計算環境影響潛力的過程。本研究選用能源消耗、土地利用、溫室效應、富營養化、環境酸化5種環境影響指標進行評價。同類污染物通過當量系數轉換其環境影響潛力，各種轉換系數采用王明新等[17-18]的研究成果（表1）。

標準化主要是建立一個基準，對各種不同環境影響因子的相對大小提供一個可比較的標準。本研究使用2000年世界人均環境影響潛力作為環境影響基準進行標準化處理[19]（表1）。

加權評估是確定各種環境影響因子的權重，權衡各種影響類型的重要性，進而得到一個可以進行比較的評價結果。本文采用WANG等[18]、梁龍等[20]設置的權重系數（表1）。

表1 環境影響指數計算的基準值和權重值

1.3.4 改進評價 改進評價是對減少農作物整個生命周期內資源消耗和環境污染排放提出建議，比如改變農田土壤水分條件，改變化肥施用量、施用方式，改變土壤環境、微生物活性等，從而降低對環境的影響與負荷。本研究通過改變冬小麥種植過程中的水分限制，從旱地與水澆地2種不同耕地類型的角度進行資源環境影響的對比評價。

2 結果與分析

2.1 農田管理措施分析

將篩選出的90份農戶的問卷調查數據進行匯總，其中，水澆地42份數據，旱地48份數據，不同耕地類型的調查產量如圖2所示。旱地冬小麥產量范圍為 3450～7 200kg/hm2，平均為 4 970.05 kg/hm2；水澆地冬小麥產量范圍為5 625～8 550 kg/hm2，平均為7516.07kg/hm2。水澆地的農作物產量明顯高于旱地，在冬小麥生育期內增加灌溉可以增產約51.22%。通過灌溉改變農田土壤的水分條件，對冬小麥有顯著增產效果[21-22]。匯總研究區域的施肥數據，折算化肥中的氮、磷、鉀含量，得到化肥總投入量（圖2）。研究區域內化肥施入量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有明顯差異，施用量在圖中隨機分布。

2.2 清單分析

2.2.1 資源利用 冬小麥生產系統清單分析主要考慮原料開采階段的礦石資源、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，旱地產量低于水澆地，所以，每生產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 計算作物生命周期中3個階段的污染物排放，整理得到生產1 t冬小麥的排放清單（表3）。東鎮的污染物總排放量最大，裴社鄉排放量最小。高鵬程等[23]研究表明，灌溉會影響土壤微生物活性，作物種植過程中產生的CO2、硝酸鹽淋洗、N2O污染物排放隨土壤含水量增加而增加；當土壤含水量較高時，氨揮發量會降低。但是由于作物種植階段產量的差異，生產1 t冬小麥產生的CO2排放、NH3揮發、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。原料開采和農資生產階段的主要污染物包括SO2，CO2，CO和NOX，旱地生產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 影響評價

2.3.1 能源消耗和溫室效應 能源消耗主要發生在原料階段和農資生產階段。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，河底鎮旱地與水澆地的能源消耗都是最大，與河底鎮施肥量最大相吻合。對比5個鄉鎮，能源消耗變化趨勢與化肥用量相關，可見，化肥是影響作物生命周期能源消耗的主要因素。

以溫室效應衡量冬小麥生命周期評價中溫室氣體排放的變化對氣候的影響，污染物包括農資階段化肥生產過程中排放的CO和CO2，以及種植階段化肥投入排放的CO2和N2O，綜合計算可得，溫室效應潛力如圖3所示。研究區域的溫室效應潛力為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，旱地的溫室效應潛力高于水澆地。冬小麥生命周期中溫室效應主要以CO2影響為主，貢獻潛力是84.79%；其次是N2O，也有很大影響，貢獻潛力是14.86%，剩下的CO排放量較少，對溫室效應的貢獻度比較低。

2.3.2 富營養化和環境酸化 冬小麥富營養化污染物主要是作物種植階段土壤NH3揮發和硝酸鹽的淋失（圖3）。生產1 t冬小麥富營養化潛力為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養化以NH3揮發影響為主，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，后者在富營養化中所占比例較低，最終表現為生產1 t冬小麥富營養化值旱地略大于水澆地。對比5個鄉鎮可知，氮肥施用量越高，冬小麥富營養化潛力也就越大。

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

2.3.3 標準化和加權評估 對能源消耗、土地利用、溫室效應、富營養化、環境酸化5個環境影響因子進行標準化計算，得到冬小麥生命周期的環境影響指數，其大小依次為富營養化、環境酸化、土地利用、溫室效應和能源消耗，環境影響指數分別為2.487 5，0.528 9，0.273 3，0.123 5，0.001 2，即分別相當于2000年世界人均環境影響潛力的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個環境影響因子指數分別為2.4008，0.4567，0.2446，0.1166，0.0011；旱地的 5 個環境影響因子指數分別為 2.574 2，0.601 1，0.302 0，0.130 5，0.001 3，旱地冬小麥種植的環境因子的環境影響潛力均高于水澆地。

對以上環境影響因子進行加權計算，得到冬小麥生命周期環境影響綜合指數（圖4）。根據各種因子的貢獻度可得，冬小麥生產中最主要的環境影響因素是富營養化，對環境影響的貢獻潛力最大，達到70.71%，其次是環境酸化和土地利用占環境影響綜合指數的17.48%和8.09%，溫室效應和能源消耗對環境影響的貢獻潛力較小，分別是3.68%，0.04%。研究區域的環境影響綜合指數為0.420 3，水澆地指數范圍為0.313 6～0.492 8，平均為0.395 5；旱地指數范圍為0.347 0～0.544 9，平均為0.445 2，旱地的綜合指數高于水澆地，前者種植冬小麥對資源環境的影響與壓力更大。

2.4 改進評價

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。暫不考慮農業灌溉設施的投入，如果將現有的小麥耕地全部改建為水澆地，可以增產85 015.78 t，而且水澆地種植冬小麥還可以減輕單位產量所耗費的能源和產生的環境影響。所以，在適宜灌溉地區，冬小麥種植過程中進行合理灌溉、節水灌溉，能夠提高小麥產量，增加經濟效益，降低環境污染。

3 結論

筆者以聞喜縣冬小麥生產體系為研究對象，應用生命周期評價方法，對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，進行資源環境影響評價。結果顯示，從冬小麥生產的整個生命周期來看，其綜合環境影響潛力大小依次為富營養化、環境酸化、土地利用、溫室效應和能源消耗。其中，環境酸化和富營養化是最主要的影響因素，對環境影響綜合指數的貢獻率總共達到88.19%，這是種植階段過量施用化肥造成NH3揮發和硝態氮淋失嚴重導致的結果。土地利用、溫室效應和能源消耗作為重要的環境影響因素，貢獻率總共為11.81%，其中，溫室效應和能源消耗主要是生產化肥階段引起的。研究區域內的冬小麥產量相對較高，卻是建立在高氮肥施用量的基礎上，同時引起嚴重的能源消耗與環境污染問題。

水澆地種植冬小麥能大幅度提高產量，比旱地高51.22%。在資源環境影響方面，以生產1 t小麥籽粒為評價單元，旱地的5個環境影響因子的影響潛力均高于水澆地。旱地的環境影響綜合指數是0.445 2，水澆地的環境影響綜合指數是0.395 5，旱地大于水澆地，即旱地種植冬小麥對環境的影響與壓力更大。

改善冬小麥生命周期環境影響的主要方式為：進行精準配方施肥，改進施肥方法，提高肥料利用率[24-25]；并在適宜灌溉地區修建灌溉設施將旱地改建為水澆地進行節水灌溉，有效提高水資源的利用率；在提高冬小麥產量的同時，降低生命周期中的能源消耗與環境污染排放，促進糧食安全生產和環境安全協調發展。

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