基于生命周期評價的楚雄市水稻生產(chǎn)環(huán)境影響評價

段智源 王學(xué)良 何萍

摘 要 水稻種植會直接和間接造成環(huán)境問題?；诖耍柚芷诜?，選取能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化4個指標(biāo)對云南省楚雄州楚雄市水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響進(jìn)行評價，揭示該區(qū)域水稻生產(chǎn)中環(huán)境影響物質(zhì)的來源、結(jié)構(gòu)和貢獻(xiàn)率，為該區(qū)域水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響調(diào)控提供參考。結(jié)果表明：楚雄市水稻生產(chǎn)的能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化四個環(huán)境影響指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值分別為2 432.496 MJ、979.814 kg CO2-eq、11.381 kg PO43--eq和46.929 kg SO2-eq;幾種環(huán)境影響指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響嚴(yán)重程度排序?yàn)楦粻I養(yǎng)化>環(huán)境酸化>溫室氣體>能源消耗，對應(yīng)的環(huán)境影響指數(shù)分別為6.054、0.898、0.134和0.094;楚雄市每生產(chǎn)1 t水稻產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境影響值為1.685。氮肥的清潔生產(chǎn)和合理施用是降低該區(qū)域水稻生產(chǎn)造成環(huán)境影響的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 水稻;環(huán)境影響;生命周期評價

中圖分類號：X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.14.089

水稻是中國重要的糧食作物，目前已有研究表明，種植水稻在滿足人類糧食需求的同時，也會對環(huán)境造成一定負(fù)面影響，如排放溫室氣體、造成土壤酸化、造成水體富營養(yǎng)化等[1-5]。

楚雄市是云南省重要的水稻生產(chǎn)區(qū)域，目前已有較多學(xué)者針對該區(qū)域水稻的品種、田間管理方法、產(chǎn)量和品質(zhì)等進(jìn)行了研究[6-8]，而對于楚雄市水稻種植對于環(huán)境的影響方面的研究仍然空缺。因此，本研究將借助生命周期評價方法（LCA）對楚雄市典型水稻種植區(qū)域的水稻生產(chǎn)過程進(jìn)行環(huán)境影響評價，為該區(qū)域水稻生產(chǎn)過程提供一定的環(huán)境管理依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

云南省楚雄市位于云貴高原中部，地跨東經(jīng)100°35′～101°48′、北緯24°30′～25°15′，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬干夏濕，氣溫日差較大，年差較小，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，干濕季分明，雨熱同季，日照充足，年均日照為2 422 h，無霜期242 d，冬季降水偏少，年降水量為864 mm，年均氣溫為17.4 ℃。本研究選取楚雄市轄區(qū)內(nèi)的東華鎮(zhèn)作為調(diào)查區(qū)域，該區(qū)域的水稻生產(chǎn)均是在楚雄彝族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究推廣所的指導(dǎo)下進(jìn)行的，種植面積較大，且種植模式統(tǒng)一，較能代表楚雄市的水稻生產(chǎn)模式。

2 基本原理與研究方法

根據(jù)ISO（2006）提出的生命周期評價原則，LCA由四部分組成：目標(biāo)定義與范圍界定、清單分析、影響評價和改進(jìn)評價。

2.1 目標(biāo)定義與范圍界定

本研究以生產(chǎn)1 t水稻為功能單位，研究楚雄市水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗和對環(huán)境的影響。系統(tǒng)邊界從水稻生產(chǎn)上游的相關(guān)農(nóng)資生產(chǎn)開始，直到加工出稻米結(jié)束，具體分為農(nóng)資系統(tǒng)和農(nóng)作系統(tǒng)。

2.2 清單分析

清單分析是指對農(nóng)資系統(tǒng)和農(nóng)作系統(tǒng)中的能源消耗和環(huán)境排放進(jìn)行量化分析。本研究選取能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化4個指標(biāo)進(jìn)行評價，各指標(biāo)對應(yīng)的具體環(huán)境影響項(xiàng)目詳見表1。

各指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值可根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中EP（x）為第x種指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值;EP（x）i為系統(tǒng)排放物質(zhì)的第i項(xiàng)對應(yīng)第x種指標(biāo)的環(huán)境影響潛值;Q（x）i為系統(tǒng)排放物質(zhì)第i項(xiàng)的排放量;EF（x）i為系統(tǒng)排放物質(zhì)的第i項(xiàng)的環(huán)境影響潛值參數(shù)。

2.2.1 排放量的確定

化肥和農(nóng)藥及其有效成分的用量主要來自于實(shí)地調(diào)查，并根據(jù)對應(yīng)的含量進(jìn)行換算;柴油和電能的消耗量來自于實(shí)地調(diào)查。

溫室氣體的排放量以CO2當(dāng)量（CO2-eq）計(jì)。水稻田的CH4排放參照《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》，云南地區(qū)水稻田的CH4排放因子為156.2 kg·hm-2，而單位質(zhì)量的CH4的全球增溫潛勢是CO2的25倍，水稻產(chǎn)量為11 250 kg·hm-2，因此換算得到每生產(chǎn)1 t水稻排放的CH4相當(dāng)于347.11 kg CO2。N2O-N的揮發(fā)量參照Brentrup F等[9-10]的研究成果，取總氮投入量的1.25%;總氮包括氮肥部分和豬糞部分所含N，豬糞的含氮量參考梁亞男等[11]的研究成果，取2.72%，而單位質(zhì)量N2O的全球增溫潛勢是CO2的310倍[12]，因此換算得到每生產(chǎn)1 t水稻排放的N2O-N為0.66 kg，造成的溫室效應(yīng)相當(dāng)于321.86 kg CO2。

柴油和電能生產(chǎn)造成的SO2和NOx的排放參照楊建新的研究成果[13]，柴油生產(chǎn)的NOx排放量為0.285 kg·kg-1，SO2排放量為2.399 kg·kg-1;電能生產(chǎn)的NOx排放量為0.052 kg·kW-1·h-1，SO2排放量為0.102 kg·kW-1·h-1。

稻田氨態(tài)氮（NH3-N）的揮發(fā)量和硝態(tài)氮（NO3--N）的損失量參照田玉華、尹娟等[14-15]的研究成果，取N投入量的28%和5%;氧化氮（NOx-N）的排放量參照Brentrup F、Mosier A等的研究成果[9-10]，取N2O-N排放量的10%，實(shí)際視為NO2。

磷的排放量（總磷Ptot）參照紀(jì)雄輝[16]的研究成果，取化肥含磷量的0.86%與豬糞含磷量的1.44%之和;豬糞的含磷量參照相關(guān)研究成果，取豬糞投入量的0.0135%;綜上換算得到磷的排放量為58.16 g。

每生產(chǎn)1 t水稻對應(yīng)造成環(huán)境影響的各種實(shí)物量見表2。

2.2.2 環(huán)境影響潛值參數(shù)的確定

化肥生產(chǎn)能耗的參數(shù)參照張霞等[17]的研究成果;農(nóng)藥和柴油的能耗參數(shù)參照袁寶容等[18]的研究成果;電能生產(chǎn)的能耗參數(shù)參照楊建新[13]的研究成果。

化肥生產(chǎn)的溫室氣體排放參數(shù)參照徐小明[19]的研究成果;農(nóng)藥生產(chǎn)的溫室氣體排放參數(shù)參照Lal R和Smith P的研究成果[20-21];柴油和電能造成的溫室氣體排放參照IPCC（2007）和中國國家發(fā)改委的報告[22]。

富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化的參數(shù)參照鄧南圣[23]的研究成果，分別以PO43-當(dāng)量（PO43--eq）和SO2當(dāng)量（SO2-eq）計(jì)。

本研究用到的環(huán)境影響潛值參數(shù)見表3。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估

各指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值可通過公式（2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理及加權(quán)評估：

式中：EI為產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境影響值;Wx為第x種指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響值的權(quán)重系數(shù);EP（x）為第x種指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值;EF（2000）為2000年世界人均環(huán)境影響基準(zhǔn)值;EP（x）/EF（2000）即為第x種指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響指數(shù)。

環(huán)境影響值的權(quán)重系數(shù)參照王明新等[24]的研究成果，并將其權(quán)重總和按比例優(yōu)化為1;權(quán)重系數(shù)和2000年世界人均環(huán)境影響基準(zhǔn)值見表4。

3 影響評價

本研究中造成環(huán)境影響潛值的項(xiàng)目及對應(yīng)的環(huán)境影響潛值見表5。其中括號外數(shù)值為某個項(xiàng)目的環(huán)境影響潛值，括號內(nèi)數(shù)值為該項(xiàng)目對應(yīng)特定環(huán)境影響潛值的貢獻(xiàn)率。

3.1 能源消耗

在能源消耗方面，每生產(chǎn)1 t水稻造成的總能源消耗為2 432.495 MJ，其中農(nóng)資系統(tǒng)的能源消耗占絕大部分，為總能源消耗的94.49%，其中以氮肥生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到了85.05%。這是因?yàn)榛瘜W(xué)氮肥在整個農(nóng)資系統(tǒng)中的用量較大，僅次于豬糞和磷肥，且化學(xué)氮肥生產(chǎn)的能耗系數(shù)較高。其他項(xiàng)目對能源消耗的貢獻(xiàn)率較低，為1.55%～6.02%。

3.2 溫室氣體

在溫室氣體排放方面，每生產(chǎn)1 t水稻造成的溫室氣體排放為979.815 kg CO2-eq，其中29.40%來自農(nóng)資系統(tǒng)，70.60%來自農(nóng)作系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，對溫室氣體排放貢獻(xiàn)率最高的3項(xiàng)分別是稻田CH4排放、稻田N2O排放和氮肥生產(chǎn)，貢獻(xiàn)率分別為35.43%、32.85%和21.60%，其中稻田N2O排放和氮肥生產(chǎn)造成的溫室氣體排放均是由氮肥的施用（包括化肥和豬糞）直接或間接造成，因此氮肥的投入對整個系統(tǒng)的溫室氣體排放貢獻(xiàn)率達(dá)到了54.45%。其他項(xiàng)目對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率較低，為0.65%～3.53%。

3.3 富營養(yǎng)化

在富營養(yǎng)化方面，每生產(chǎn)1 t水稻造成的富營養(yǎng)化潛值為11.381 kg PO43--eq，其中農(nóng)作系統(tǒng)占據(jù)了絕大部分，貢獻(xiàn)率為98.88%。對富營養(yǎng)化貢獻(xiàn)率最高的兩項(xiàng)是稻田NH3排放和稻田NO3-排放，其貢獻(xiàn)率分別為52.11%和43.19%，該兩項(xiàng)均是由于氮肥的施用（包括化肥和豬糞）直接或間接造成，兩項(xiàng)貢獻(xiàn)率之和達(dá)到了95.30%;整個系統(tǒng)中氮肥施用對富營養(yǎng)化的總貢獻(xiàn)率為95.55%。其他項(xiàng)目對富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率較低，為1.12%～1.73%。

3.4 環(huán)境酸化

在環(huán)境酸化方面，每生產(chǎn)1 t水稻造成的環(huán)境酸化潛值為46.927 kg SO2-eq，其中19.05%來自農(nóng)資系統(tǒng)，由柴油生產(chǎn)排放的SO2和NOx造成;80.95%來自農(nóng)作系統(tǒng)，貢獻(xiàn)率最高的項(xiàng)目為稻田NH3排放，貢獻(xiàn)率為71.99%，該項(xiàng)是由氮肥的施用（包括化肥和豬糞）造成，整個系統(tǒng)中氮肥施用對環(huán)境酸化的總貢獻(xiàn)率達(dá)到了72.31%;電能生產(chǎn)對環(huán)境酸化的貢獻(xiàn)率相對柴油生產(chǎn)較低，為8.64%。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估

根據(jù)公式（2）和表4中環(huán)境影響指數(shù)的基準(zhǔn)值與權(quán)重，計(jì)算得到了能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化4個環(huán)境影響指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響指數(shù)，并最終得出了生產(chǎn)1 t水稻的產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境影響值，見表6。

研究區(qū)域每生產(chǎn)1 t水稻的環(huán)境影響指數(shù)大小排序?yàn)楦粻I養(yǎng)化>環(huán)境酸化>溫室氣體>能源消耗，該四項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值相當(dāng)于2000年世界人均環(huán)境影響基準(zhǔn)值的605.4%、89.8%、14.3%和9.4%?？梢钥闯觯趲追N潛在的環(huán)境影響中，富營養(yǎng)化效應(yīng)要比其他環(huán)境影響效應(yīng)嚴(yán)重得多，這也說明了該區(qū)域存在氮肥投入過量的問題。

通過加權(quán)評估，得出研究區(qū)域每生產(chǎn)1 t水稻的產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境影響值為1.685。

4 改進(jìn)評價

云南省楚雄市水稻生產(chǎn)的生命周期中，對環(huán)境影響最大的因素是氮肥的施用。1）氮肥在產(chǎn)品系統(tǒng)中投入量較大;2）氮肥在生產(chǎn)過程中要消耗大量的能源，排放較多的溫室氣體;3）氮肥的大量投入導(dǎo)致稻田排放了大量的N2O、NH3、NO3-等，會對環(huán)境造成影響，且這些物質(zhì)的環(huán)境影響系數(shù)都較高。因此，實(shí)施氮肥的清潔生產(chǎn)、提高氮肥的利用率、降低稻田N2O與NH3排放和降低稻田NO3-的流失率是控制楚雄市水稻生產(chǎn)環(huán)境影響的關(guān)鍵。

本研究以1 t水稻為功能單位測算得到的能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化四個環(huán)境影響指標(biāo)對應(yīng)的環(huán)境影響潛值分別為2432.495 MJ、979.815 kg CO2-eq、11.381 kg PO43--eq和46.927 kg SO2-eq;其他同類型研究的結(jié)果顯示，該四項(xiàng)指標(biāo)的值分別為2717.97～4525.91 MJ、332.27～654.43 kg CO2-eq、1.80～4.36 kg PO43--eq和11.00～17.48 kg SO2-eq[5，25-26]。相對于其他學(xué)者的研究成果，本研究得到的能源消耗值偏低，這是因?yàn)楸狙芯繀⒖嫉幕噬a(chǎn)能耗系數(shù)是較新的研究成果，其數(shù)值較低;而溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化潛值相對較高，這是因?yàn)楸狙芯恐懈鼮樵敱M地考慮了氮肥施用造成的排放，尤其是豬糞的大量施用，導(dǎo)致了N2O、NH3等物質(zhì)的大量排放和NO3-的大量流失，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的環(huán)境影響潛值較高。

目前已有的研究表明，在水稻生產(chǎn)過程中，稻田N2O、CH4、NH3等物質(zhì)的排放和NO3-等物質(zhì)的流失受到氣候、土壤、農(nóng)作措施等多種因素的影響[4，14-16]，在不同的試驗(yàn)條件下，其排放強(qiáng)度不盡相同。若能開展田間試驗(yàn)直接測定相關(guān)環(huán)境影響物質(zhì)的排放強(qiáng)度，研究區(qū)域的環(huán)境影響評價數(shù)值將更加精確。

此外，本研究涉及到的農(nóng)藥類型缺乏相關(guān)的毒性研究成果，因此農(nóng)藥造成的人體毒性、土壤毒性和水體毒性在本研究中未加以考慮。

5 結(jié)論

本研究選取能源消耗、溫室氣體、富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化四項(xiàng)指標(biāo)，測算了楚雄市每生產(chǎn)1 t水稻的環(huán)境影響潛值和環(huán)境影響指數(shù)，并得出了產(chǎn)品系統(tǒng)環(huán)境影響值，以期為該區(qū)域水稻種植的環(huán)境影響調(diào)控提供一定參考依據(jù)。研究表明，富營養(yǎng)化是該區(qū)域水稻生產(chǎn)造成的最嚴(yán)重的潛在環(huán)境影響問題;而氮肥的清潔生產(chǎn)和合理施用是降低該區(qū)域水稻生產(chǎn)造成環(huán)境影響的關(guān)鍵。

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（責(zé)任編輯：劉昀）