金線蓮杉木林下仿野生栽培的環境影響分析

黃小云， 黃秀聲*， 陳源泉， 林曉紅， 韓海東， 馮德慶， 羅濤

（1.福建省農業科學院農業生態研究所，福建省丘陵地區循環農業工程技術研究中心，福州 350013；2.中國農業大學農學院，北京 100193； 3.福建省大田縣農業農村局，福建 三明 366100）

金線蓮（Anoectochilus roxburghii）為蘭科開唇蘭屬珍稀藥用植物，全草入藥，主要分布于我國福建、浙江、廣東等南方地區[1]。金線蓮生境條件特殊[2-3]，其種子無胚乳，只有當共生真菌入侵后才能萌發[4]，自然條件下繁殖速度較慢，加之森林破壞和人為過度采挖，其野生資源銳減。為保護野生資源，同時促進林下經濟發展，發展林藥模式是實現生態經濟協調發展的重要方式。近年來，隨著金線蓮藥食兩用價值的逐步挖掘[5]，其市場需求量進一步增加。金線蓮組培技術不斷發展成熟，使其大規模人工仿野生栽培成為可能[6]。該栽培模式是根據金線蓮的生長習性，利用林地資源，人為創造適宜的生長環境。不僅可減輕短期栽培對金線蓮品質的影響，實現藥材的“道地性”[7]，而且不與糧爭地，充分利用林下空間，實現森林資源的高效利用，已成為我國南方極具特色的種植模式。

在國家農業綠色高質量發展及生態文明建設的大背景下，金線蓮產業規模不斷擴大的同時，其生產過程對環境產生的影響及產品的安全性問題不容忽視。目前，金線蓮組培苗規模化生產過程中為創造和維持適宜的溫度、光照等條件，需消耗大量的電力資源[8]。這些人工輔助能的投入對該系統的環境影響需進行綜合評估。因此，本研究擬應用生命周期評價法（life cycle assessment，LCA）評估金線蓮林下仿野生栽培的環境影響，具有較強的針對性和現實意義。

LCA 是用于評價產品（或服務）生命周期所有階段對環境產生影響的方法[9]，包括目標和范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋[10]。20世紀90 年代，LCA 開始運用于農業領域，建立了相應的評價體系并迅速發展[11]。目前國內外種植業運用LCA 的研究主要集中在三大糧食作物（小麥、玉米、水稻）的單作、輪作等生產過程[12-13]。胡乃娟等[12]應用LCA 評價江蘇南京地區稻-麥輪作系統的資源消耗和污染物排放，水稻和小麥的環境影響主要是富營養化和水體毒性。楊肖等[13]評價了甘肅省張掖市三縣區的制種玉米環境影響，發現化肥的生產和施用對環境產生了顯著影響。?？┑萚14]研究發現，沈陽地區水稻生產對環境影響潛力最大的是水體毒性，減少化肥和農藥用量是控制水稻生產潛在環境影響的關鍵。Nunes 等[15]運用LCA比較了巴西地區2種種植制度下水稻的溫室氣體排放，結果表明有機耕作的排放量高于保護性耕作，分別為35.53 和15.80 kg CO2-eq·kg-1。

本文以南方特色的杉木林下仿野生栽培金線蓮為例，探討該林藥模式全生命周期的資源消耗和環境影響，可直觀反映生產各個過程的影響，有助于反推相應的改進措施，為該模式的節能減排和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 系統邊界及影響類型劃分

本研究以生產1 kg 的金線蓮干品作為系統評價的功能單元，評價金線蓮林下仿野生栽培生產系統從原料生產到作物種植過程中的環境污染物排放。本研究生產系統的起始邊界為化石原料和能源的開采，終止邊界為作物種植輸出金線蓮產品和污染物。根據農業生產特點，將金線蓮林下仿野生栽培模式生產系統分為包括組培苗、有機肥、農藥等生產的農資生產子系統和種植全過程的農作生產子系統2 部分，如圖1 所示。以能源消耗（primary energy demand, PED）、土地利用（land use, LU）、淡水消耗（water use, WU）、全球變暖（global warming potential，GWP）、環境酸化（acidification potential， AP） 、 富 營 養 化（eutrophication potential，EP）、人體毒性（human toxicity，HT）、水體毒性（water toxicity，WT）、土壤毒性（soil toxicity，ST）作為系統評價的指標。

圖1 林下仿野生栽培金線蓮LCA系統邊界Fig.1 LCA system boundary for Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

1.2 區域概況和數據來源

福建省寧德市霞浦縣位于26°25′—27°07′N、119°46′—120°26′E 之間，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫18.6 ℃，年降雨量1 100~1 800 mm，全年無霜期230～365 d，年平均日照1 899.2 h。地勢由西北向東南呈3 級階梯狀下降。林業用地9.93 萬hm2，森林覆蓋率36%[16]。試驗地位于霞浦縣楊梅嶺國有林場的杉木林下，土壤基本理化性質如下：有機質51.70 g·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷0.58 g·kg-1，全鉀14.6 g·kg-1，pH 4.60。本研究數據主要來自該基地2016—2019 年試驗數據，試驗地使用400 kg·hm-2的生石灰進行土壤消毒，種植地畦寬1.2 m。牛糞有機肥用量為15 t·hm-2，其基本理化性質如下：含水率40%，總氮17.5 g·kg-1，總磷6.2 g·kg-1，總鉀9.8 g·kg-1。

金線蓮組培苗為福建金線蓮紅霞，購自泉州市金草生物技術有限公司，種植前用多菌靈（carbendazim，有效成分40%）600 倍液進行消毒，涼干后定植，種植規格為(5~6) cm×(5~6) cm，種植時間為180 d。

林下栽培主要農資和能耗情況如下：①采用竹條搭建小拱棚，其上覆蓋塑料薄膜和遮陽網，兩者制作原料為高密度聚乙烯（high density polyethylene,HDPE）；②采用微噴設施進行水分管理，微噴頭流量為30 L·h-1，安裝數量為7 160 套·hm-2，雨季和晴天噴灌時間間隔不同，平均每7 d 噴灌1 次，每次1 h，用電為950 kWh·hm-2；③施用的肥料為牛糞有機肥；使用的農藥主要有多菌靈、代森鋅（zineb，有效成分80%）和高效氯氰菊酯（cypermethrin，有效成分5%）；④汽油消耗來源于農藥噴施小型機器的使用；⑤金線蓮采收、清洗，待其萎蔫后，用功率為1.2 kWh的鼓風干燥箱分批烘干。

此外，根據3 年的實測數據，組培苗產品合格率取83%，金線蓮林下仿野生種植的成活率取72%，組培苗單株鮮重取1.5 g，采收的金線蓮單株鮮重取2.0 g，折干率取13%。金線蓮組培苗生產過程的數據來源于劉丹[8]的研究結果，組培苗平均運輸距離為332 km。田間管理按照福建金線蓮林下仿野生栽培技術執行[17]。林下仿野生栽培金線蓮和組培苗生產過程的物質投入情況見表1和表2。

表1 林下仿野生生產1 kg金線蓮干品的投入Table 1 Input for 1 kg of dried Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

表2 金線蓮組培苗生產物質的投入產出Table 2 Input and output for Anoectochilus roxburghii tissue culture plantlets

1.3 清單分析與參數選擇

1.3.1農資生產子系統 農資生產包括組培苗、塑料薄膜、遮陽網、有機肥、農藥等生產及運輸過程中的能耗和污染物排放，主要通過查閱相關文獻和LCA 數據庫。其中，電力、汽油等農資生產的能耗和污染物排放參考梁龍[18]的研究結果；化學試劑、有機肥、農藥和馬鈴薯生產的能耗和污染物排放則取自荷蘭萊頓大學環境科學中心開發的SimaPro7.1 軟件系統；香蕉、白糖、瓊脂生產的能耗和污染物排放分別參考相關LCA 研究結果[19-21]。組培苗生產過程培養基原料較多，本研究對重量小于0.1%產品重量的物料忽略其上游生產數據，總忽略物料重量比為0.164%。相關的固定資產如廠房設備、噴灌設施、運輸工具產生的環境影響未予考慮。

1.3.2農作生產子系統 農作生產包括種植過程中系統排放的污染物，主要通過林下栽培試驗及相關文獻獲取。研究表明，施用有機肥的氨揮發貢獻率為20%~30%[22]，硝態氮（NO3-N）淋失率為1.4%~5.2%[23]。因此，金線蓮種植過程氮損失參數選擇如下：肥料氨（NH3-N）揮發取氮素投入總量的20%，氮淋失取氮素投入總量的3.3%，氧化亞氮（N2O-N）和氧化氮（NOX-N）的排放采用Brentrup 等[11]和Mosier 等[24]的研究結果，直接從土壤中揮發的N2O-N占總氮投入的1.25%，同時每向空氣揮發1 kg NH3-N和向水體流失1 kg NO3-N，間接揮發的N2O-N 分別為0.01 和0.025 kg，NOX-N 的揮發系數為N2O-N的10%。

磷流失參數選擇采用Gaynor等[25]的研究成果，磷（PO4-P）流失為肥料投入總量的1%。重金屬污染僅考慮肥料帶入系統的銅（Cu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬對環境的影響，相關參數為實測數據，即Cu 49.41 mg·kg-1，Cd 2.25 mg·kg-1，Pb 2.56 mg·kg-1，Zn 150.09 mg·kg-1；此外，由于金線蓮為全草食用，因此考慮金線蓮離開生產系統攜帶的重金屬，相關參數為實測數據，即Cu 6.74 mg·kg-1，Zn 0.24 mg·kg-1，Cd 2.90 mg·kg-1，As 0.24 mg·kg-1。農藥進入大氣、水體和土壤的污染物參數采用Van Calker 等[26]的研究結果，進入大氣、水體和土壤的污染物分別以農藥有效成分投入量的10%、1%和43%計算。

1.4 金線蓮林下仿野生栽培生產系統影響評價

金線蓮林下仿野生栽培生產系統的影響評價主要包括特征化、標準化和加權評估3部分。

1.4.1特征化 即將環境類型的各影響因子統一用某個影響因子來表示，實現各影響因子量綱上的統一，方便對影響因子進行比較，環境影響類型及排放物質的當量系數參考鄧南圣等[27]研究結果。全球變暖（GWP）以CO2為參照物，CO、CH4、NOX的當量系數分別為2、21、310；環境酸化（AP）以SO2為參照物，NOX、NH3的當量系數分別為0.70、1.88；富營養化（EP）以PO-4為參照物，化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、NH3、NO3、總磷（total phosphorus，Ptot）的當量系數分別為0.02、0.33、0.10、3.06；人體、水體和土壤毒性（HT、WT 和ST）以1,4-二氯苯（1,4-dichlorobenzene,1,4-DCB）為參照物，農藥和重金屬Cu、Pb、Zn 等的當量系數參考Huijbregts 等[28]對181 種有害物質的毒性潛力評估結果。各項環境影響的特征化結果可根據公式（1）進行計算。式中，EP(x)表示系統某種環境影響的特征化結果；EP(x)i表示第i種影響因子對第x種環境影響潛值，Q(x)i表示第i種影響因子排放量，EF(x)i表示第i種影響因子對第x種環境影響的當量系數。

1.4.2標準化 標準化即將不同范圍的環境影響在統一的標準下研究，以消除各環境影響在量綱和級數上的差異。本研究采用2000 年全球和1990 年中國人均環境影響潛力作為基準進行標準化處理[29-30]。各環境影響的標準化結果可根據公式（2）進行計算。

式中，Rx表示第x種潛在環境影響的標準化結果，EP(x)表示第x種潛在環境影響的特征化結果，S表示選定某年的基準值。

1.4.3加權評估 將不同的環境影響類型賦予一定的權重，具體化為對某地區或國家的影響。本研究采取王明新等[31]研究中通過專家組評議設置的權重系數，各環境類型權重系數為能源消耗0.15、全球變暖0.12、環境酸化0.14、富營養化0.12、人體毒性0.14、水體毒性0.11、土壤毒性0.09。各環境影響的標準化結果可根據公式（3）進行計算。

式中，EI表示系統的環境影響值，Wx表示第x種潛在環境影響的權重系數，Rx表示第x種潛在環境影響的標準化結果。

1.5 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2016 進行數據處理、統計分析和制作圖表。

2 結果與分析

2.1 清單分析

金線蓮林下仿野生栽培模式的生命周期清單分析主要包括能源、土地和水的資源利用和種植各環節的污染物排放，如表3 所示。每生產1 kg金線蓮，系統的能源消耗和主要污染物排放以農資系統為主，占比達75.89%以上。農資、農作系統均投入較多水資源用于農資生產和灌溉，分別占重量的53.96%和46.04%。

表3 林下仿野生金線蓮生命周期清單匯總Table 3 Life cycle inventories for Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

2.2 影響評價

2.2.1標準化與分類分析 金線蓮林下仿野生栽培模式的清單數據經特征化、標準化后的計算結果見表4。林下仿野生生產1 kg 金線蓮對環境影響較大的是水體毒性、富營養化、全球變暖和能源消耗，所產生的水體毒性、富營養化、全球變暖和能源消耗潛力分別相當于我國和世界人均環境影響潛力的109.88%、75.19%、35.02% 和29.37%。從土地資源消耗來看，將占用的林地折算為耕地，生產1 kg 金線蓮僅占用耕地0.58 m2。金線蓮農資和農作生產系統的各項投入所產生的能源消耗、全球變暖、環境酸化、富營養化、人體毒性、水體毒性和土壤毒性環境影響潛力占比見圖2。

表4 林下仿野生金線蓮生命周期評價標準化結果Table 4 Life cycle environmental impact characteristics results of Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

圖2 林下仿野生金線蓮生產各項投入所占比重分析Fig.2 Analysis of the proportion of various production inputs of Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

2.2.2不可再生資源消耗 由表4 可知，金線蓮生產過程不可再生資源的消耗主要發生在農資生產階段，占整個生命周期能耗的95.28%（圖2），組培苗生產耗能占系統能源的93.48%。農作生產階段能源消耗相對較小。

2.2.3環境負荷 結合表4和圖2可以看出，每生產1 kg 金線蓮所造成的全球變暖（GWP）是2 405.83 kg CO2-eq，其中農資系統占95.23%，農作系統為4.77%。經特征化計算，農資系統中CO2和NOx對環境變暖影響作用最大，兩者比重合計為95.17%。各項生產投入占比為組培苗>電力>塑料薄膜、遮陽網，三者對全球變暖的影響分別占總量的94.62%、4.65%和0.55%。每生產1 kg 金線蓮造成的環境酸化（AP）是4.99 kg SO2-eq，其中農資系統占93.11%，農作系統為6.89%。經特征化計算，農資系統中SOx和NOx對環境酸化影響作用最大，兩者比重合計為93.11%。組培苗生產對環境酸化的影響最大，占總量的91.99%，其次為電力和有機肥，分別占總量的4.48%和2.30%。每生產1 kg 金線蓮造成的環境富營養化（EP）是1.43 kg PO4-eq，其中農資系統占93.19%，農作系統為6.81%。組培苗生產對富營養化的影響最大，占總量的92.11%，其次為電力和有機肥，分別占總量的4.40%和2.06%。

每生產1 kg 金線蓮造成的人體毒性、水體毒性和土壤毒性分別為1.32、5.31 和1.09 kg 1,4-DCB-eq。從環境和人體毒性影響因子來看，農資系統對人體毒性影響最大，占99.46%；農作系統的農藥投入和農資重金屬對水體毒性貢獻率較大，分別占比68.63%和31.26%；農作的農藥投入對土壤毒性貢獻率最大，達98.89%（表4）。組培苗生產對人體毒性影響最大，占99.46%；水體毒性主要來源于農藥和有機肥，占比分別為68.63%和31.26%；土壤毒性主要來源于農藥，占比為98.89%（圖2）。

2.3 加權評估

將林下仿野生栽培金線蓮的7 種環境影響潛值進行加權處理（圖3），金線蓮生產的環境影響綜合指數為0.327 6，分類指數排序為水體毒性>富營養化>能源消耗>全球變暖，以人體毒性最低。

圖3 金線蓮生命周期生態環境影響潛值加權結果Fig.3 Weighted indices of life cycle environmental impacts of Anoectochilus roxburghii

3 討論

南方特色林下仿野生栽培金線蓮模式充分利用林下空地，不與糧爭田、不與樹爭林，是解決土地資源不足的一種有效措施，具有巨大的推廣潛力。從水資源來看，金線蓮生產的水資源消耗在農資和農作系統的占比相近，主要來源于組培苗生產過程培養基配制消耗用水和種植過程灌溉耗水，金線蓮仿野生種植環境濕度以65%~85%為宜[4]，因此在農作生產階段需耗用大量的淡水資源以維持適宜的環境濕度。金線蓮的水分管理可在實際生產時通過覆蓋塑料薄膜等措施進行保濕。金線蓮生產過程不可再生資源的消耗主要發生在農資生產階段，主要是由于金線蓮組培苗生產耗費了大量的電力能源，工廠化組培苗生產中，因滅菌、照明、控溫控濕等操作會消耗大量的電力，約占組培苗成本的45%[32]。農作生產階段能源消耗主要是由于抽水灌溉耗費的電力。因此，提高能量效率主要集中在上述2 個電力消耗環節。生產上可從減少控溫、照明用電來降低能耗，例如利用自然光代替人工光照、采用保溫墻體、合理安排生產周期等方法[32]。林下仿野生栽培金線蓮對全球變暖、環境酸化和富營養化的影響潛力均以農資系統為主，占比均大于93%，且以組培苗占比最高，主要是由于組培苗階段投入的電力較多，從而間接產生了大量的CO2、NOx、SOx和Ptot等污染物。

金線蓮林下仿野生栽培模式的環境綜合影響指數為0.327 6，低于我國三大主糧作物（小麥、玉米和水稻）的相關研究數據，華北平原的冬小麥-夏玉米輪作系統中小麥和玉米的生命周期環境影響綜合指數分別為0.687 3 和0.330 6[33]；制種玉米生產過程相關投入相對較大，其在張掖市甘州區、高臺縣和臨澤縣的環境綜合影響指數分別為0.308 0、0.538 1 和1.259 5[13]；長江中下游稻-麥輪作系統中水稻和小麥的環境綜合影響指數分別為0.441 0 和0.598 0[12]。但在環境負荷類別上區別較大，本研究中潛在影響排序為水體毒性>富營養化>能源消耗，而三大主糧作物的環境影響主要為富營養化、環境酸化和水體毒性，其中華北平原麥玉輪作系統中小麥的潛在影響排序為富營養化>水體毒性>環境酸化，玉米則是富營養化>環境酸化>水體毒性[33]；張掖市制種玉米的潛在影響排序為富營養化>環境酸化>全球變暖[13]；長江中下游稻-麥輪作系統中水稻和小麥的潛在影響排序分別為富營養化>水體毒性>環境酸化、富營養化>水體毒性>土壤毒性[12]。

金線蓮林下仿野生栽培模式具有較大的潛在環境影響，水體毒性已經超過世界人均基準值的1.1 倍，富營養化為0.75。其中，水體毒性主要來源于農藥和有機肥，其中農藥的高水體毒性源于使用的殺菌劑氯氰菊酯和多菌靈，兩者的當量系數高達7.9×106和3.8×104kg 1,4-DCB-eq，而有機肥中的重金屬Cd 和Cu 的水體毒性當量系數也較高，分別為1 500 和1 200 kg 1,4-DCB-eq[28]。金線蓮生長在濕度較高的環境且種植密度大，其主要病害為莖腐病、炭疽病和猝倒病等，種植戶常用多菌靈、代森鋅等殺菌劑和高效氯氰菊酯等殺蟲劑進行防治[17]。鑒于農藥的高水體、高土壤毒性，可考慮通過選育抗病蟲害能力強的品種、篩選低毒低殘留的新型農藥、采用綜合防治替代單一化學防治、合理用藥以防產生抗藥性等策略來減少農藥對環境的不利影響。此外，有機肥中重金屬的鈍化處理和施肥方式的合理采用也是緩解潛在環境毒性影響的有效手段。在大部分的作物生產系統中，氮肥的大量施用造成氨揮發和硝態氮淋失嚴重，是導致潛在富營養化的主要原因[12-13,33]。本研究中富營養化的主要來源是組培苗生產投入的大量電力，由于電力生產過程排放的大量污染物如Ptot、NH3等引起的。因此，在主要的電力消耗環節提高能量利用效率是減少富營養化潛在影響的有效手段。