華北平原典型區(qū)大豆生產(chǎn)全生命周期分析*

李穎,謝騏澤,劉兵強(qiáng),何素琴,武西增,楊慶,劉智,史曉蕾,張孟臣,楊春燕,閆龍**,張瑞芳,陶佩君

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 保定 071001;2.河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所/國家大豆改良中心石家莊分中心/黃淮海大豆生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物遺傳育種實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050035;3.石家莊市藁城區(qū)種子產(chǎn)業(yè)總公司 石家莊 052160)

大豆(Glycine max)是世界重要的糧油作物,2021 年我國大豆產(chǎn)量為1960 萬t,而2020 年我國大豆需求量達(dá)11 985 萬t,我國消費(fèi)大豆的83.70%依賴進(jìn)口,自產(chǎn)率僅為16.30%[1]。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國對(duì)大豆需求量增加,目前國內(nèi)大豆產(chǎn)能遠(yuǎn)不能滿足需求,這對(duì)我國糧食安全造成巨大威脅,因此,提高我國大豆產(chǎn)量已成急需解決的課題。我國大豆主產(chǎn)區(qū)主要為黃淮海地區(qū)和東北地區(qū),其中,黃淮海地區(qū)大豆種植面積約232 萬hm2,約占全國大豆種植面積的20.00%,是我國大豆第二大主產(chǎn)區(qū);河北省大豆種植面積達(dá)89 480 hm2(2020 年),而石家莊市藁城區(qū)大豆播種面積約20 000 hm2(2020 年)[2]。

石家莊市藁城區(qū)地處河北省西南部,是典型的平原地貌,該區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.50 ℃,年日照時(shí)數(shù)2711.40 h,年平均降水量494 mm,7-8 月份降水量最多,約占全年的56.20%。因?yàn)榇蠖故窍补?、喜溫、需水作?所以藁城區(qū)水土條件適宜大豆種植,該區(qū)大豆種植面積占河北省大豆種植總面積的22.35%[2],且2022 年藁城區(qū)成為河北省唯一一個(gè)國家級(jí)大豆科技自強(qiáng)示范縣(市、區(qū))。因此,河北省藁城區(qū)是華北平原大豆典型區(qū)縣之一。

作為重要的豆科植物,大豆具有較高的共生固氮(symbiotic nitrogen fixation,SNF)效率,可作為輪作換茬和間套作物,進(jìn)而起到培肥地力和改良土壤的作用[3-5]。但是,不合理的生產(chǎn)要素投入會(huì)造成大豆種植過程中的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[6]。而生態(tài)效率評(píng)價(jià)是衡量大豆生產(chǎn)中經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響關(guān)系的重要方法。河北省藁城區(qū)作為華北平原大豆典型縣,對(duì)其大豆生產(chǎn)進(jìn)行生態(tài)效率評(píng)價(jià)將促進(jìn)大豆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)業(yè)生態(tài)效率是指在保證農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的前提下,盡量減少環(huán)境污染和資源消耗,即提倡一種“適量、優(yōu)質(zhì)、減污、節(jié)源”的現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式[7]。農(nóng)業(yè)生態(tài)效率的研究方法多種多樣,其中部分學(xué)者運(yùn)用超效率(slacks-based measure,SBM)模型對(duì)生態(tài)效率進(jìn)行測算,又引入生命周期評(píng)價(jià)法(life cycle assessment,LCA)計(jì)算生態(tài)效率投入產(chǎn)出指標(biāo)體系當(dāng)中的非期望產(chǎn)出。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)LCA 的定義為: 匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù))體系在整個(gè)生命周期的所有投入和產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成潛在影響的方法[8]。因此,不少學(xué)者運(yùn)用LCA-SBM 模型進(jìn)行生態(tài)效率評(píng)價(jià)。

LCA-SBM 模型是評(píng)估作物生態(tài)效率的重要方法,其在主要農(nóng)作物中得到廣泛應(yīng)用,例如,鐘方雷等[9]通過對(duì)張掖市玉米(Zea mays)進(jìn)行LCA-SBM模型分析,測出其環(huán)境影響加權(quán)評(píng)估的均值為1.28E-7,將其作為非期望產(chǎn)出納入SBM 超效率模型計(jì)算中,測得種植戶生態(tài)效率均值為0.87,并采用OLS (ordinary least squares)和Tobit 方法測得化肥和生產(chǎn)性服務(wù)對(duì)生態(tài)效率影響程度最高。吳曉雨[10]通過對(duì)華北平原小麥(Triticum aestivum)生產(chǎn)的生態(tài)效率進(jìn)行分析,得出其環(huán)境影響貢獻(xiàn)潛力最大的3 種類型是富營養(yǎng)化(0.35)、人體毒性(0.33)和酸化(0.10),農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.70,且通過Tobit 回歸得出生態(tài)效率與土地登記、經(jīng)營面積和生產(chǎn)投入呈顯著負(fù)相關(guān)。黃瑪蘭等[11]對(duì)湖北省單季水稻(Oryza sativa)進(jìn)行生態(tài)效率分析,測得其環(huán)境影響綜合指數(shù)為2.10,農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.64,并得出農(nóng)業(yè)機(jī)械投入強(qiáng)度和灌溉用水對(duì)生態(tài)效率有負(fù)影響。部分學(xué)者對(duì)大豆進(jìn)行了LCA 分析: 李云霞等[12]分析了東北地區(qū)大豆生產(chǎn)過程的碳足跡,測得有機(jī)大豆對(duì)環(huán)境影響顯著;羅燕等[13]將東北有機(jī)及常規(guī)大豆進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),測得國內(nèi)有機(jī)大豆的環(huán)境影響綜合指數(shù)比常規(guī)大豆少31.00%;董進(jìn)寧等[14]以大豆制取的生物柴油作為研究對(duì)象,表明其對(duì)環(huán)境影響主要為CO2排放,整個(gè)系統(tǒng)共從環(huán)境吸收CO222.26 kg,向環(huán)境釋放CO222.53 kg。

本研究以黃淮海地區(qū)大豆典型縣-石家莊市藁城區(qū)為例,通過對(duì)不同大豆種植戶進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,結(jié)合LCA-SBM 模型,對(duì)大豆生產(chǎn)過程的生態(tài)效率進(jìn)行評(píng)價(jià),提出改善大豆生產(chǎn)的合理化建議,為石家莊市藁城區(qū)大豆的產(chǎn)值提升和生態(tài)穩(wěn)定提供參考,這對(duì)緩解我國大豆糧食安全問題具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究對(duì)藁城區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)大豆生產(chǎn)的生態(tài)效率進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)來源于2022 年藁城區(qū)10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)27個(gè)村50 個(gè)農(nóng)戶的實(shí)地調(diào)查。抽樣方法采用分層隨機(jī)抽樣的調(diào)查方法,在研究區(qū)域內(nèi)抽取10 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨機(jī)抽取1～2 個(gè)行政村,從每個(gè)行政村內(nèi)隨機(jī)抽取2～3 個(gè)農(nóng)戶進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查方式采用問卷調(diào)查和訪談相結(jié)合的方法,樣本容量為50 個(gè)。調(diào)研內(nèi)容包含大豆生產(chǎn)的種植規(guī)模、灌溉模式、種植區(qū)域和生產(chǎn)要素等方面。其中,種植規(guī)模包括小規(guī)模(種植面積為0～20 hm2)、中規(guī)模(種植面積為20～40 hm2)和大規(guī)模(種植面積為40～67 hm2);灌溉模式包括滴灌、噴灌、溝灌和不灌溉(雨養(yǎng)種植);種植區(qū)域分為藁城北部和南部地區(qū);生產(chǎn)要素包括電力、灌溉用水、柴油、化肥、除草劑和殺蟲劑的投入情況。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

1.2.1 生命周期評(píng)價(jià)法

本研究采用生命周期方法,據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織所述[8],以1 t 大豆為評(píng)價(jià)的基本功能單位,以藁城區(qū)作為研究區(qū)域,大豆生產(chǎn)過程中資源投入與污染物排放為環(huán)境影響評(píng)價(jià)主線,從大豆整個(gè)生育期出發(fā),將其分成播種出苗期、開花結(jié)莢期及鼓粒收獲期3個(gè)時(shí)期,環(huán)境影響包括播種、施肥、灌溉、田間除草、防治害蟲及收獲等過程所導(dǎo)致的資源消耗和空氣、土壤的污染物排放(不包括運(yùn)輸工具、農(nóng)用機(jī)械生產(chǎn)的環(huán)境影響)。研究邊界如圖1 所示。

圖1 大豆生產(chǎn)全生命周期系統(tǒng)邊界Fig.1 Life cycle system boundary of soybean production

清單分析包括大豆生產(chǎn)全生命周期中能源與資源需求量以及污染物排放量(廢氣、廢水及廢棄物等),各污染物排放量參數(shù)來自國內(nèi)外相關(guān)研究。農(nóng)機(jī)使用過程中柴油消耗產(chǎn)生的CO2、CH4、CO、NOX及SO2排放量參考《非道路移動(dòng)源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南》計(jì)算;大豆田對(duì)氮元素吸收量取氮肥施用量的65.00%[15],NO3-N 淋失取施氮量的14.96%[16-18],NH3揮發(fā)率取5.00%[19];農(nóng)藥使用后進(jìn)入土壤、大氣和水體的殘留率分別取農(nóng)藥用量的43.00%、10.00%和1.00%[20-21]。

本研究依據(jù)CML2001 (centrum voor milieukunde leiden,CML)中點(diǎn)法進(jìn)行分析,選取全球變暖潛力(global warming potential,GWP)、陸地生態(tài)毒性潛力(terrestrial eco-toxicity potential,TETP)、酸化潛力(acidification potential,AP)及富營養(yǎng)化潛力(eutrophication potential,EP)作為環(huán)境影響類型[22],概念介紹見表1。各污染物以特征化因子為參照標(biāo)準(zhǔn),將其全部折合到環(huán)境影響潛力中,例如全球變暖潛力以CO2當(dāng)量(CO2eq)表示,陸地生態(tài)毒性潛力以1,4-DCB 當(dāng)量(1,4-DCB eq)表示,其余環(huán)境影響以此類推。

表1 4 種環(huán)境影響類型概念簡介Table 1 Introduction to four types of environmental impacts

標(biāo)準(zhǔn)化可將全球性、地區(qū)性及局地性影響在同一水平上進(jìn)行比較[23-24],本研究采用2000 年全球每年人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準(zhǔn)(表2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[25],見公式1:

表2 4 種環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)和當(dāng)量系數(shù)Table 2 Standardized benchmarks and equivalent coefficients for four types of environmental impacts

式中: NEIm為第m種環(huán)境影響類型標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;NRm為第m種環(huán)境影響類型的基準(zhǔn)值(表2);En為生產(chǎn)過程中第n種污染物輸入或輸出量;CFmn為第n種污染物輸入或輸出對(duì)第m種環(huán)境影響類型的當(dāng)量系數(shù)[26](表2)。本研究采用荷蘭Leiden 大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心研發(fā)的“SimaPro 模型”計(jì)算影響評(píng)價(jià)結(jié)果[22],由于加權(quán)評(píng)估方法種類繁多,且各界標(biāo)準(zhǔn)不一,本研究暫不考慮。

1.2.2 超效率SBM 模型

選擇Tone[27]提出的非徑向、非角度超效率SBM模型進(jìn)行研究,模型如下[28]:

式中:ρ*為生產(chǎn)單元的生態(tài)效率值,Min 代表目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解,當(dāng)ρ≥1 表示單元有效,即不存在投入和非期望產(chǎn)出冗余及期望產(chǎn)出缺少,ρ＜1 表示單元存在效率低下,即投入量與產(chǎn)出量存在改進(jìn)空間;n為決策單元數(shù)量,m為投入指標(biāo),q1為期望產(chǎn)出指標(biāo),q2為非期望產(chǎn)出指標(biāo);si-表示第i個(gè)投入指標(biāo)的松弛變量,sr+為第r個(gè)期望產(chǎn)出指標(biāo)的松弛變量,stb-為第t個(gè)非期望產(chǎn)出指標(biāo)的松弛變量;xij為第j個(gè)生產(chǎn)單元的第i個(gè)投入量,yrj為第j個(gè)生產(chǎn)單元的第r個(gè)期望產(chǎn)出量,btj為第j個(gè)生產(chǎn)單元的第t個(gè)非期望產(chǎn)出量;xik為投入矩陣元素,yrk為期望產(chǎn)出矩陣元素,btk為非期望產(chǎn)出矩陣元素;λ為權(quán)重向量;k表示第k個(gè)生產(chǎn)單元。

如表3 所示,投入指標(biāo)為大豆各項(xiàng)生產(chǎn)要素的投入,該指標(biāo)通過實(shí)地調(diào)研與農(nóng)戶進(jìn)行一對(duì)一訪談獲取;產(chǎn)出指標(biāo)分為期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出,期望產(chǎn)出為大豆產(chǎn)量,非期望產(chǎn)出的獲取基于農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù),運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)大豆生產(chǎn)系統(tǒng)邊界內(nèi)的環(huán)境影響進(jìn)行量化分類,選取全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力、酸化潛力、富營養(yǎng)化潛力4 種環(huán)境影響類型作為非期望產(chǎn)出指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用MaxDEA Ultra 9 軟件對(duì)生態(tài)效率進(jìn)行測算。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆生產(chǎn)生命周期評(píng)價(jià)

2.1.1 大豆生產(chǎn)過程的潛在環(huán)境影響評(píng)價(jià)

為了探究大豆生產(chǎn)過程中主要的潛在環(huán)境影響指標(biāo),本研究對(duì)全球變暖潛力(global warming potential,GWP)、陸地生態(tài)毒性潛力(terrestrial eco-toxicity potential,TETP)、酸化潛力(acidification potential,AP)、富營養(yǎng)化潛力(eutrophication potential,EP)、海水生態(tài)毒性潛力(marine aquatic eco-toxicity potential,MAETP)、人類毒性潛力(human toxicity potential,HTP)、淡水生態(tài)毒性潛力(freshwater aquatic ecotoxicity potential,FAETP)、非生物資源枯竭潛力(abiotic depletion potential,ADP)、光化學(xué)臭氧生成潛力(photochemical ozone creation potential,POCP)和臭氧層耗竭潛力(ozone layer depletion potential,ODP)全部影響指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如表4 所示。藁城區(qū)大豆生產(chǎn)3 個(gè)階段標(biāo)準(zhǔn)化后的環(huán)境影響指數(shù)前4 名依次是: 全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力、酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力,環(huán)境影響指數(shù)分別為1.93E-5、1.19E-5、9.78E-6 及8.31E-6,即生產(chǎn)1 t大豆所導(dǎo)致的全球變暖、陸地生態(tài)毒性、酸化及富營養(yǎng)化潛力分別相當(dāng)于2000 年世界人均環(huán)境影響潛力的(1.93E-3)%、(1.19E-3)%、(9.78E-4)%及(8.31E-4)%。因此,本研究對(duì)以上4 種環(huán)境影響類型進(jìn)行主要分析,其他影響類型標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)較小,在此不做展開分析。

表4 藁城區(qū)50 農(nóng)戶在大豆生產(chǎn)的3 個(gè)生育階段全部影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)Table 4 Standardized indexes of all the impacts categories during three growth stages of soybean production for 50 farms in Gaocheng District

為探究上述4 種環(huán)境影響指數(shù)對(duì)藁城區(qū)大豆生產(chǎn)過程的影響,本研究對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖2 所示。全球變暖潛力主要來自于播種-出苗期,其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)為1.45E-5,貢獻(xiàn)率達(dá)75.13%;陸地生態(tài)毒性潛力主要影響階段是開花-結(jié)莢期,其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)為5.85E-6,貢獻(xiàn)率為49.37%;酸化潛力的主要貢獻(xiàn)階段是播種-出苗期,其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)為5.34E-6,貢獻(xiàn)率達(dá) 54.60%;富營養(yǎng)化潛力主要影響階段是播種-出苗期,其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)為3.21E-6,貢獻(xiàn)率達(dá)38.63%。

圖2 藁城區(qū)大豆生產(chǎn)3 個(gè)生育階段排名前4 的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)Fig.2 Top 4 standardized environmental impact indexes of three growth stages of soybean production in Gaocheng District

2.1.2 不同條件下大豆生產(chǎn)的潛在環(huán)境影響

通過調(diào)研問卷發(fā)現(xiàn)不同種植規(guī)模、灌溉模式和種植區(qū)域的潛在環(huán)境影響存在差異。因此,本研究從上述3 個(gè)維度-種植規(guī)模、灌溉方式和種植區(qū)域?qū)Υ蠖股a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

為了探究不同種植規(guī)模對(duì)大豆生產(chǎn)的潛在環(huán)境影響,將種植規(guī)模分為大規(guī)模、中規(guī)模和小規(guī)模,分析其對(duì)全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力、酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力的影響,結(jié)果如圖3A 所示。3 種種植規(guī)模對(duì)全球變暖潛力的影響由高到低依次為大、中和小規(guī)模,影響指數(shù)分別為2.65E-5、2.30E-5 和1.26E-5,且大規(guī)模、中規(guī)模分別與小規(guī)模達(dá)到顯著性差異(P＜0.05),說明大規(guī)模農(nóng)戶生產(chǎn)中柴油消耗造成的CO2排放產(chǎn)生的環(huán)境影響最嚴(yán)重;對(duì)陸地生態(tài)毒性潛力的影響由高到低依次為大規(guī)模、小規(guī)模和中規(guī)模,影響指數(shù)分別為1.51E-5、1.29E-5 和8.22E-6,且大規(guī)模、小規(guī)模分別與中規(guī)模達(dá)到顯著性差異(P＜0.05),表明大規(guī)模農(nóng)戶生產(chǎn)中農(nóng)藥施用造成的環(huán)境影響最為嚴(yán)重;對(duì)酸化潛力的影響由高到低依次為中規(guī)模、大規(guī)模和小規(guī)模,影響指數(shù)分別為1.12E-5、9.65E-6 和8.83E-6,且中規(guī)模分別與大規(guī)模、小規(guī)模達(dá)到顯著性差異(P＜0.05),表明中規(guī)模農(nóng)戶生產(chǎn)中氮肥施用和柴油消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響最嚴(yán)重;對(duì)富營養(yǎng)化潛力的影響依次為大規(guī)模、中規(guī)模和小規(guī)模,環(huán)境影響指數(shù)分別為8.74E-6、8.38E-6 和8.02E-6,且大規(guī)模與小規(guī)模達(dá)到顯著性差異(P＜0.05)。

圖3 藁城區(qū)不同大豆種植規(guī)模(A)、灌溉模式(B)和種植區(qū)域(C)的大豆生產(chǎn)全生命周期標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)Fig.3 Standardized environmental impact indexes for the full life cycle of soybean production at different soybean cropping scales (A),irrigation modes (B) and cropping regions (C) in Gaocheng District

為了探究不同灌溉模式對(duì)大豆生產(chǎn)的潛在環(huán)境影響,本研究將灌溉模式分為滴灌、噴灌、溝灌和無灌溉,分析其對(duì)全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力、酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力的影響,結(jié)果如圖3B所示。4 種灌溉方式對(duì)全球變暖潛力的影響由高到低依次為滴灌、噴灌、溝灌和無灌溉,環(huán)境影響指數(shù)分別為2.43E-5、2.28E-5、1.42E-5 和1.21E-5,且滴灌、噴灌分別與溝灌、無灌溉達(dá)到顯著差異性(P＜0.05);對(duì)陸地生態(tài)毒性潛力的影響由高到低依次為溝灌、滴灌、噴灌和無灌溉,環(huán)境影響指數(shù)分別為1.32E-5、1.17E-5、1.14E-5 和1.11E-5;對(duì)酸化潛力的環(huán)境影響由高到低依次為滴灌、溝灌、噴灌和無灌溉,環(huán)境影響指數(shù)分別為1.10E-5、9.84E-6、9.28E-6 和8.28E-6,且滴灌分別與噴灌、無灌溉達(dá)到顯著差異性(P＜0.05);富營養(yǎng)化潛力依次為溝灌、滴灌、噴灌和無灌溉,環(huán)境影響指數(shù)為8.52E-6、8.48E-6、8.07E-6 和7.91E-6。

藁城區(qū)以滹沱河為界線,分為藁城區(qū)北部和藁城區(qū)南部兩個(gè)種植區(qū)域,其標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境影響指數(shù)如圖3C 所示。除陸地生態(tài)毒性潛力外,與藁城南部相比,藁城北部大豆生產(chǎn)對(duì)全球變暖潛力、酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力的影響均較高,分別高出19.08%、18.53%和8.94%,且對(duì)酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力的影響分別達(dá)到顯著性差異(P＜0.05),說明藁城區(qū)兩個(gè)種植區(qū)域可顯著影響環(huán)境指標(biāo)中的酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力。

2.2 大豆生產(chǎn)的生態(tài)效率分析

以上結(jié)果表明,大豆生產(chǎn)過程中環(huán)境影響程度較深的為: 全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力、酸化潛力及富營養(yǎng)化潛力,因此將其作為非期望產(chǎn)出指標(biāo),具有一定程度的代表性,應(yīng)納入生態(tài)效率非期望產(chǎn)出的指標(biāo)構(gòu)建和分析當(dāng)中。

2.2.1 大豆生產(chǎn)的生態(tài)效率整體分析

由表5 可得,整體來看,在50 個(gè)農(nóng)戶中,相對(duì)有效(效率值≥1)的農(nóng)戶有13 個(gè),相對(duì)無效(效率值＜1)的種植戶有37 個(gè)。由表6 可得,總體效率均值為0.84,單產(chǎn)均值為3161 kg·hm-2。從生態(tài)效率低下的決策單元分析,低效率均值為0.70,距效率前沿有0.30 的改進(jìn)空間,效率值和單產(chǎn)水平的變異系數(shù)分別為0.21 和0.17,說明農(nóng)戶間效率值波動(dòng)性大于產(chǎn)量波動(dòng)性。其中生態(tài)效率最低值為0.39,由表6 可得,該農(nóng)戶編號(hào)為1,單產(chǎn)水平為3000 kg·hm-2,表明該農(nóng)戶期望產(chǎn)出一般,但造成的環(huán)境污染最嚴(yán)重;生態(tài)效率最高值為37 號(hào)農(nóng)戶,其生態(tài)效率和單產(chǎn)值分別為0.95 和3525 kg·hm-2,表明37 號(hào)農(nóng)戶通過犧牲部分產(chǎn)量來提升生態(tài)效率。所有無效農(nóng)戶中,單產(chǎn)水平最高的農(nóng)戶為20 號(hào),其生態(tài)效率和單產(chǎn)值分別為0.75 和3900 kg·hm-2,說明20 號(hào)農(nóng)戶是在損耗生態(tài)效率的基礎(chǔ)上提高了產(chǎn)出;單產(chǎn)水平最低是7 號(hào)農(nóng)戶,生態(tài)效率和單產(chǎn)值分別為0.54 和1500 kg·hm-2,說明7 號(hào)農(nóng)戶在大豆生產(chǎn)中存在生產(chǎn)要素?zé)o效投入現(xiàn)象。

表6 藁城區(qū)50 個(gè)大豆農(nóng)戶生態(tài)效率和單產(chǎn)水平Table 6 Ecological efficiencies and yield levels of 50 soybean farms in Gaocheng District

相對(duì)有效的13 個(gè)決策單元中,效率均值為1.23,單產(chǎn)均值為3467 kg·hm-2,變異系數(shù)分別為0.18 和0.15,表明生態(tài)效率差異性大于產(chǎn)量差異性。結(jié)合表6發(fā)現(xiàn)效率最大值為50 號(hào)農(nóng)戶,該農(nóng)戶效率值和單產(chǎn)水平分別為1.75 和3750 kg·hm-2,對(duì)比產(chǎn)量最高的第48 號(hào)農(nóng)戶,說明50 號(hào)農(nóng)戶是在犧牲部分產(chǎn)量的水平上維持了生態(tài)效率的穩(wěn)定;效率最低值分別為38、39 和40 號(hào)農(nóng)戶,其中38 號(hào)農(nóng)戶生態(tài)效率和單產(chǎn)水平均為最低值,分別為1.00 和2250 kg·hm-2,說明該農(nóng)戶雖處于效率前沿狀態(tài),但是產(chǎn)量存在一定進(jìn)步空間。此外,單產(chǎn)最高的48 號(hào)農(nóng)戶效率值為1.34,說明該農(nóng)戶以較少的非期望產(chǎn)出換取了較高的期望產(chǎn)出(產(chǎn)量)。

2.2.2 不同條件下大豆生產(chǎn)的生態(tài)效率差異性

本研究結(jié)合上述劃分的3 個(gè)維度(種植規(guī)模、灌溉模式和種植區(qū)域)對(duì)大豆生產(chǎn)的生態(tài)效率進(jìn)行深入分析。如表7 所示,從不同種植規(guī)模角度來看,大規(guī)模農(nóng)戶生態(tài)效率均值最高,效率值為0.93,農(nóng)戶數(shù)量占比24%,變異系數(shù)為0.31;中規(guī)模居中,效率均值為0.92,農(nóng)戶數(shù)量占總戶數(shù)的32%,變異系數(shù)為0.37;小規(guī)模農(nóng)戶生態(tài)效率均值最低,為0.73,農(nóng)戶數(shù)量占總戶數(shù)的44%,高于其他種植規(guī)模的農(nóng)戶數(shù)量,變異系數(shù)為0.22。

表7 藁城區(qū)50 個(gè)大豆農(nóng)戶不同大豆種植規(guī)模、灌溉模式和種植區(qū)域的生態(tài)效率值描述性分析Table 7 Descriptive analysis of eco-efficiency values of soybean planting scale,irrigation mode and planting regions of 50 soybean farms in Gaocheng District

按照不同灌溉模式劃分,使用滴灌的農(nóng)戶生態(tài)效率均值最高,為0.96,農(nóng)戶使用數(shù)量占28%,變異系數(shù)為0.33;噴灌農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.86,農(nóng)戶使用率為30%;溝灌農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.73,農(nóng)戶占比30%,變異系數(shù)為0.40;無灌溉農(nóng)戶生態(tài)效率為0.79,變異系數(shù)為0.15,農(nóng)戶占比12%,個(gè)體差異性不顯著。

從不同種植區(qū)域來看,藁城北部地區(qū)農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.79,農(nóng)戶數(shù)量占比52%;藁城南部農(nóng)戶生態(tài)效率均值為0.88,高于藁城北部地區(qū),豆農(nóng)數(shù)量占比48%。整體來看,兩個(gè)片區(qū)間效率值差異性較為顯著。

2.2.3 冗余分析

為進(jìn)一步探究藁城區(qū)大豆生態(tài)效率提升的潛在途徑,本研究對(duì)大豆生產(chǎn)過程中各項(xiàng)投入指標(biāo)的冗余率進(jìn)行了分析。按照上述的不同條件對(duì)冗余率進(jìn)行劃分,求取平均值,得到表8 結(jié)果。與其他生產(chǎn)要素投入相比,化肥施用對(duì)生態(tài)效率的影響最大,冗余率均值為17.98%;柴油投入冗余率次之,均值為8.89%,灌溉用水排名第三,其冗余率為7.96%,表明藁城區(qū)大豆生產(chǎn)中,化肥、柴油和灌溉用水投入方面具有較大改進(jìn)空間。

本研究分析了不同種植規(guī)模、灌溉方式和種植區(qū)域?qū)Υ蠖股a(chǎn)過程中各項(xiàng)投入指標(biāo)冗余率的影響。不同種植規(guī)模下,比較6 個(gè)投入指標(biāo)的冗余率可得,小規(guī)模種植戶化肥冗余率最高,說明小規(guī)模化肥過度使用問題嚴(yán)重,即在保證不減產(chǎn)的條件下,小規(guī)模農(nóng)戶可減少化肥使用量的17.65%,以此提高其生態(tài)效率。另外,本研究獲得同一指標(biāo)下不同種植規(guī)模冗余率的極差(同一指標(biāo)下最大值與最小值的差距),結(jié)果顯示,殺蟲劑冗余率的極差最大(5.89%),說明種植規(guī)模的改變對(duì)殺蟲劑冗余率的影響最大。

不同灌溉模式下,比較6 個(gè)指標(biāo)的冗余率可得,滴灌農(nóng)戶的化肥冗余率最高,即滴灌農(nóng)戶可減少化肥使用的18.73%,以此提高其生態(tài)效率。此外,算得同一指標(biāo)下不同灌溉方式冗余率的極差,結(jié)果顯示,灌溉用水的冗余率極差最大(8.40%),說明改變灌溉模式對(duì)灌溉用水影響最大。

不同種植區(qū)域下,比較6 個(gè)指標(biāo)的冗余率可得,藁城北部地區(qū)的化肥冗余率最高,即北部地區(qū)的農(nóng)戶可減少化肥使用的18.26%,以此提高其生態(tài)效率。此外,計(jì)算出同一指標(biāo)下不同地區(qū)冗余率的極差,結(jié)果顯示,化肥冗余率極差最大(2.79%),說明不同種植區(qū)域?qū)适┯糜绊戄^大。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

大豆在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,其產(chǎn)量關(guān)乎糧食安全問題,藁城區(qū)是河北省大豆主產(chǎn)縣,大豆種植面積占藁城區(qū)秋糧面積的70%[2],但如何在保持生態(tài)效率基礎(chǔ)上提升產(chǎn)能,需要進(jìn)一步的探究和分析,這對(duì)藁城區(qū)大豆產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究通過對(duì)藁城區(qū)進(jìn)行LCA-SBM 模型分析,提升大豆生產(chǎn)過程的資源利用率,降低環(huán)境承載力內(nèi)的生產(chǎn)要素投入成本,促進(jìn)藁城區(qū)大豆產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。通過對(duì)比分析,本研究選取全球變暖、陸地生態(tài)毒性、酸化和富營養(yǎng)化作為探究藁城區(qū)大豆生產(chǎn)環(huán)境影響的重要指標(biāo)。這與李云霞等[12]進(jìn)行的大豆生命周期評(píng)價(jià),梁龍等[21]進(jìn)行的華北平原冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià),及秦丹[29]進(jìn)行的山西省小麥生命周期評(píng)價(jià)等研究選取的指標(biāo)相同或相近。因此,本研究將上述4 個(gè)環(huán)境影響作為非期望產(chǎn)出的研究指標(biāo)具有一定的依據(jù)和可靠性,可進(jìn)行后續(xù)科學(xué)研究分析。

本研究得出大規(guī)模農(nóng)戶的全球變暖影響程度較為明顯,這是因?yàn)橄啾扔谛∫?guī)模農(nóng)戶的人工作業(yè),大規(guī)模農(nóng)戶主要進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn),農(nóng)用機(jī)械中柴油消耗產(chǎn)生的CO2排放是造成全球變暖的主要原因;中規(guī)模農(nóng)戶的陸地生態(tài)毒性影響程度顯著最低,說明中規(guī)模農(nóng)戶農(nóng)藥等化學(xué)藥劑施用較少,因?yàn)橹幸?guī)模面積小更易于管理,較小規(guī)模來說,中規(guī)模農(nóng)戶具備一定機(jī)械化管理?xiàng)l件,所以中規(guī)模農(nóng)戶更加偏向精細(xì)化種植,化學(xué)藥劑的施用量更精準(zhǔn)。其次,滴灌和噴灌導(dǎo)致的全球變暖潛力顯著大于溝灌和無灌溉,可能是因?yàn)榈喂嗪蛧姽嗟墓喔葧r(shí)長遠(yuǎn)高于溝灌,其電力消耗產(chǎn)生的CO2顯著高于溝灌,而無灌溉則不消耗灌溉用電,一定程度上減輕了全球變暖影響。藁城區(qū)北部的酸化潛力和富營養(yǎng)化潛力顯著高于南部地區(qū),因?yàn)楸辈康貐^(qū)以砂性土為主,易產(chǎn)生氮素的淋溶和損失,南部地區(qū)則以粉砂和黏性土為主,更有利于保水保肥[30],且藁城區(qū)淺層地下水總體趨勢為西北向東南徑流[31],即藁城南部水土條件更適宜作物生長,一定程度上減輕氮肥施用造成的氨排放和硝態(tài)氮淋失,降低了酸化和富營養(yǎng)化影響。

所有生產(chǎn)要素投入指標(biāo)中化肥施用冗余率最高,說明化肥投入過量的問題嚴(yán)重,農(nóng)戶為追求高產(chǎn),大量使用化肥,但大豆為典型的豆科植物,通過生物固氮可為自身提供所需的氮素營養(yǎng)[32],因此,可通過減少化肥施用,提高其生態(tài)效率。從不同條件下投入指標(biāo)冗余率的分析發(fā)現(xiàn),不同種植規(guī)模中殺蟲劑冗余率的極差最大(大規(guī)模-小規(guī)模),因?yàn)橄噍^于小規(guī)模農(nóng)戶,大規(guī)模農(nóng)戶可能更加重視病蟲草害的防治,導(dǎo)致農(nóng)戶過量噴施殺蟲劑,造成化學(xué)藥劑冗余,因此大規(guī)模農(nóng)戶應(yīng)減少不必要的藥劑施用,加強(qiáng)精細(xì)化種植。不同灌溉模式中灌溉用水極差最大(溝灌-無灌溉),其中溝灌農(nóng)戶采用大水漫灌,這種粗放型灌溉方式造成了資源浪費(fèi)現(xiàn)象,無灌溉方式雖減少了水資源使用,但該模式增加了天氣因素帶來的不確定性,滴灌和噴灌農(nóng)戶則高效率利用了水資源,減少了灌溉用水的冗余。不同種植區(qū)域中化肥冗余率的極差最大,因?yàn)槟喜康貐^(qū)土壤以粉沙和黏性土為主,保水保肥能力較強(qiáng),一定程度上減輕了化肥生產(chǎn)要素投入,而北部地區(qū)則以保肥差的砂性土為主,農(nóng)戶為提高大豆產(chǎn)量,可能需要投入更多的化肥,造成藁城北部地區(qū)的化肥冗余量(18.26%)高于南部地區(qū)(15.47%)。

本研究大豆種植階段產(chǎn)生的非期望產(chǎn)出主要有全球變暖、陸地生態(tài)毒性、酸化及富營養(yǎng)化,其標(biāo)準(zhǔn)化值分別為1.93E-5、1.19E-5、9.78E-6 及8.31E-6,大豆生產(chǎn)生態(tài)效率均值為0.84;鐘方雷等[9]研究發(fā)現(xiàn)張掖市玉米生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效率值為0.87。由此可得,大豆和玉米生態(tài)效率值較為接近,但玉米生產(chǎn)的環(huán)境影響高于大豆生產(chǎn)[33],因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,可通過加強(qiáng)大豆玉米輪作模式降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響,提升其生態(tài)效率,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 結(jié)論

環(huán)境影響方面: 相較于其他種植規(guī)模,大規(guī)模農(nóng)戶的全球變暖潛力、陸地生態(tài)毒性潛力及富營養(yǎng)化潛力貢獻(xiàn)潛力最大;相較于其他灌溉模式,滴灌農(nóng)戶的全球變暖潛力和酸化潛力貢獻(xiàn)潛力最大;藁城北部農(nóng)戶的全球變暖潛力、酸化潛力和富營養(yǎng)化潛力貢獻(xiàn)潛力大于藁城南部。生態(tài)效率方面: 大、中和小規(guī)模農(nóng)戶的生態(tài)效率值分別為0.93、0.92 和0.73;滴灌、噴灌、溝灌和無灌溉農(nóng)戶的生態(tài)效率值分別為0.96、0.86、0.73 和0.79;藁城區(qū)北部和南部農(nóng)戶的生態(tài)效率值分別為0.79 和0.88。投入冗余方面:種植規(guī)模對(duì)殺蟲劑冗余的影響最大;灌溉模式對(duì)灌溉用水冗余的影響最大;種植區(qū)域的差異對(duì)化肥冗余影響最大。