旱地与水浇地冬小麦生产的资源环境影响评价

贾若男，张吴平，侯 帅

（山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801）

2015年我国农业部明确提出“一控、两减、三基本”的目标，在有效保障粮食供给安全、农产品质量安全的前提下治理农业面源污染问题，其中“一控”是控制农业用水总量和农业水环境污染。山西省地处黄土高原，人均占有水资源388 m3，约为全国平均值的20%，属于严重缺水的地区，而且存在过量施用化肥造成农田与水环境污染问题。在水资源有限和农业环境严重污染的情况下，如何有效利用水资源、保证粮食安全和控制农业环境污染问题是现在以及将来农业可持续发展面临的主要问题。国内外学者对此进行了大量研究，其中，生命周期评价是各种农业资源环境影响评价方法中最为全面系统、应用广泛的方法。李贞宇等[1]通过生命周期评价研究比较了我国三省不同区域的小麦资源环境影响。周冉等[2]通过生命周期评价对比研究了京郊地区2种作物生产体系的环境影响。杨肖等[3]在干旱区绿洲将灌溉用水纳入生命周期评价清单，评估玉米生命周期的环境影响。

本研究在前人研究的基础上，应用生命周期评价方法，对旱地与水浇地冬小麦生命周期中的资源消耗和环境污染物分别建立排放清单，突出对比旱地与水浇地在冬小麦生产过程对环境的影响，并评价不同耕地类型的环境综合影响，旨在为冬小麦生产和管理提供科学依据，也为其他农产品的生命周期评价提供科学研究方法。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

闻喜县（110°59′33″～111°37′29″E，35°9′38″～35°34′11″N）位于山西省西南部的运城市，土地面积1 164 km2，气候类型是暖温带大陆性季风气候，年平均气温8～14℃，风速1.9 m/s，降水量439.8 mm。全县现有耕地66 581 hm2，由冬小麦种植空间分布可知（图1），县内东南、西北地区地势较高，耕地类型主要是旱地；中部平原地区地形平坦、分布河流水域且土壤养分丰富，主要耕地类型是水浇地，兼有部分旱地种植。闻喜县主要种植冬小麦、玉米、棉花、高粱、谷子、豆类、油料作物等，是山西省的重要粮食产区。

1.2 数据来源及处理

农作物和农田管理数据来源于山西省统计年鉴以及2015—2016年间闻喜县13个乡镇冬小麦种植区域农户的问卷调查，采取随机、重复等方法进行调查，在保证数据完整、正确、可靠的原则下，筛选调查问卷，剔除异常值，最终得到90份调查数据。调查数据具体到农户，包括产量、播种、收获、犁地、施肥量与种类、施肥方式、灌溉日期、灌溉量、秸秆还田等。冬小麦在9月底至10月初播种，次年6月初至中旬收获。施肥种类主要是复合肥、尿素、碳铵、磷酸二铵等。本文选取数据量丰富、具有代表性，水浇地与旱地种植区域分布广泛的平原区，包括桐城镇、郭家庄镇、裴社乡、东镇、河底镇。

1.3 生命周期评价方法

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA），即定量评价一个产品或生产行为所涉及的从原材料提取和加工、使用到再生循环利用以及最终处置整个生命周期阶段有关的环境负荷的过程[4]。国际环境毒理会和化学学会（SETAC）将生命周期评价方法归纳为4个相互关联的部分，分别为目标定义与范围确定、清单分析、影响评价、改进评价[4-5]。

1.3.1 目标定义与范围确定 本研究的对象是闻喜县旱地与水浇地种植的冬小麦生产体系。研究范围的起始边界是冬小麦生产体系的投入部分，即与生命周期相关的磷矿、钾矿等矿石，能源消耗和农田面积；终止边界是冬小麦生产体系的产出部分，即最终输出的农产品和环境排放[2]。以生产1 t小麦籽粒产量为评价单元，利用生命周期评价方法，计算评估不同耕地类型冬小麦生产过程中对环境的压力。

1.3.2 清单分析 清单分析是将生命周期中各种资源的投入、作物的产出和污染物的排放进行统计分析。冬小麦生命周期可以分为原料开采与运输、农资生产与运输、作物种植3个阶段[6]。原料开采阶段主要计算原材料开采过程中的矿石资源以及引起的能源消耗。本文通过《山西省农业统计年鉴》（2015）获取指标，同时参考孟会生等[7]研究成果，折算不同类型化肥的氮、磷、钾含量。参考刘洪涛等[8]的成果计算生产化肥过程中矿石资源的消耗，包括磷矿和钾矿。参考王利[9]的研究结果计算生产化肥过程中消耗的能源，包括煤、电力。

农资生产阶段主要计算化肥生产过程中消耗的大量能源，产生的废水、废气及污染物排放。各种污染物排放系数来自《中国环境年鉴》（2012—2015）、《中国能源统计年鉴》（2012—2015）等。根据本文研究的侧重点，各环节中的建筑设施、厂房建设、运输等生产因素暂不予考虑。

冬小麦种植阶段主要考虑耕种、灌溉、施肥等管理措施引起的各种污染物的排放，包括CO2和N2O等温室气体的排放、NH3的挥发以及硝态氮的淋溶等。种植过程中农田氮素的损失计算参数选取文献中的经验值，综合孟磊等[10]、BRENTRUPF[11]的研究成果，农田土壤中N2O的排放量占氮肥总使用量的0.1%～1.5%。叶桂香等[12]研究表明，土壤含水量越高，利于反硝化作用发生，产生的N2O会增加，单位面积水浇地产生的N2O高于旱地。根据彭小瑜等[13]的研究，化肥撒施时NH3挥发率为氮素投入量的24%，覆土施肥时氨挥发率为氮素投入量的10%。根据张玉铭等[14]的研究成果，氮肥通过硝态氮淋溶损失量占到施入氮肥含量的1.4%～20.3%，硝态氮淋溶与土壤水分有关，土壤含水量越高，硝态氮淋溶量越大。

1.3.3 影响评价 影响评价主要是对识别出的环境影响进行定量或定性的评价，即确定研究系统的资源消耗与污染物排放及其对外部环境的影响，分为特征化、标准化和加权评估3个步骤[15-16]。

特征化是对冬小麦生命周期中资源消耗和污染物排放清单进行分类计算，并计算环境影响潜力的过程。本研究选用能源消耗、土地利用、温室效应、富营养化、环境酸化5种环境影响指标进行评价。同类污染物通过当量系数转换其环境影响潜力，各种转换系数采用王明新等[17-18]的研究成果（表1）。

标准化主要是建立一个基准，对各种不同环境影响因子的相对大小提供一个可比较的标准。本研究使用2000年世界人均环境影响潜力作为环境影响基准进行标准化处理[19]（表1）。

加权评估是确定各种环境影响因子的权重，权衡各种影响类型的重要性，进而得到一个可以进行比较的评价结果。本文采用WANG等[18]、梁龙等[20]设置的权重系数（表1）。

表1 环境影响指数计算的基准值和权重值

1.3.4 改进评价 改进评价是对减少农作物整个生命周期内资源消耗和环境污染排放提出建议，比如改变农田土壤水分条件，改变化肥施用量、施用方式，改变土壤环境、微生物活性等，从而降低对环境的影响与负荷。本研究通过改变冬小麦种植过程中的水分限制，从旱地与水浇地2种不同耕地类型的角度进行资源环境影响的对比评价。

2 结果与分析

2.1 农田管理措施分析

将筛选出的90份农户的问卷调查数据进行汇总，其中，水浇地42份数据，旱地48份数据，不同耕地类型的调查产量如图2所示。旱地冬小麦产量范围为 3450～7 200kg/hm2，平均为 4 970.05 kg/hm2；水浇地冬小麦产量范围为5 625～8 550 kg/hm2，平均为7516.07kg/hm2。水浇地的农作物产量明显高于旱地，在冬小麦生育期内增加灌溉可以增产约51.22%。通过灌溉改变农田土壤的水分条件，对冬小麦有显著增产效果[21-22]。汇总研究区域的施肥数据，折算化肥中的氮、磷、钾含量，得到化肥总投入量（图2）。研究区域内化肥施入量169.5～610.5 kg/hm2，平均为394.24 kg/hm2，其中氮、磷、钾施入量分别为231.47，91.21，71.56 kg/hm2，化肥投入量较高。水浇地与旱地种植在施用化肥方面没有明显差异，施用量在图中随机分布。

2.2 清单分析

2.2.1 资源利用 冬小麦生产系统清单分析主要考虑原料开采阶段的矿石资源、煤、电力等能源的消耗和种植阶段土地资源消耗（表2）。投入同样的化肥量，旱地产量低于水浇地，所以，每生产1 t冬小麦，旱地所需的化肥量更大，需要消耗的磷矿、钾矿和煤炭、电力等资源能源量更大。水浇地生产利用土地面积范围是1 241.44～1 465.37 m2/t，平均为1 326.49 m2/t；旱地生产占用土地面积范围是1 479.45～1 845.4 m2/t，平均为 1 637.58 m2/t，水浇地的土地利用效率比旱地高。

表2 冬小麦生命周期资源消耗清单

2.2.2 污染物排放 计算作物生命周期中3个阶段的污染物排放，整理得到生产1 t冬小麦的排放清单（表3）。东镇的污染物总排放量最大，裴社乡排放量最小。高鹏程等[23]研究表明，灌溉会影响土壤微生物活性，作物种植过程中产生的CO2、硝酸盐淋洗、N2O污染物排放随土壤含水量增加而增加；当土壤含水量较高时，氨挥发量会降低。但是由于作物种植阶段产量的差异，生产1 t冬小麦产生的CO2排放、NH3挥发、N2O排放旱地高于水浇地，硝酸盐淋洗损失量水浇地高于旱地。原料开采和农资生产阶段的主要污染物包括SO2，CO2，CO和NOX，旱地生产1 t冬小麦污染物总排放量高于水浇地。

表3 冬小麦污染物排放清单 kg/t

2.3 影响评价

2.3.1 能源消耗和温室效应 能源消耗主要发生在原料阶段和农资生产阶段。不同耕地类型的能源消耗如图3所示。从图3可以看出，水浇地的能源消耗平均为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浇地。其中，河底镇旱地与水浇地的能源消耗都是最大，与河底镇施肥量最大相吻合。对比5个乡镇，能源消耗变化趋势与化肥用量相关，可见，化肥是影响作物生命周期能源消耗的主要因素。

以温室效应衡量冬小麦生命周期评价中温室气体排放的变化对气候的影响，污染物包括农资阶段化肥生产过程中排放的CO和CO2，以及种植阶段化肥投入排放的CO2和N2O，综合计算可得，温室效应潜力如图3所示。研究区域的温室效应潜力为848.54 kg CO2-eq/t，其中，水浇地 800.69 kg CO2-eq/t，旱地896.48 kg CO2-eq/t，旱地的温室效应潜力高于水浇地。冬小麦生命周期中温室效应主要以CO2影响为主，贡献潜力是84.79%；其次是N2O，也有很大影响，贡献潜力是14.86%，剩下的CO排放量较少，对温室效应的贡献度比较低。

2.3.2 富营养化和环境酸化 冬小麦富营养化污染物主要是作物种植阶段土壤NH3挥发和硝酸盐的淋失（图3）。生产1 t冬小麦富营养化潜力为4.72 kg PO43--eq/t，其中，水浇地潜力值4.56 kg PO43--eq/t，旱地潜力值是4.89 kg PO43--eq/t。冬小麦生命周期中富营养化以NH3挥发影响为主，所占比例为76.2%，硝酸盐淋失所占比例平均为23.8%。氨挥发量旱地大于水浇地，硝酸盐的淋失水浇地多于旱地，后者在富营养化中所占比例较低，最终表现为生产1 t冬小麦富营养化值旱地略大于水浇地。对比5个乡镇可知，氮肥施用量越高，冬小麦富营养化潜力也就越大。

引起环境酸化的主要污染物包括农资阶段产生的SO2，NOX和种植阶段施用化肥造成的NH3挥发。环境酸化潜力值如图3所示，研究区域的潜力值为29.76 kg SO2-eq/t，其中，水浇地环境酸化潜力值为 25.7 kg SO2-eq/t；旱地是 33.82 kg SO2-eq/t，旱地＞水浇地。NH3挥发是环境酸化的主要污染物，贡献率为64.73%；SO2和NOX在环境酸化中所占比例比较少且变化不大，分别为26.13%和9.15%，原因在于化肥生产过程中煤炭燃烧排放的SO2和NOX量相对稳定。

2.3.3 标准化和加权评估 对能源消耗、土地利用、温室效应、富营养化、环境酸化5个环境影响因子进行标准化计算，得到冬小麦生命周期的环境影响指数，其大小依次为富营养化、环境酸化、土地利用、温室效应和能源消耗，环境影响指数分别为2.487 5，0.528 9，0.273 3，0.123 5，0.001 2，即分别相当于2000年世界人均环境影响潜力的248.75%，52.89%，27.33%，12.35%和0.12%；水浇地种植冬小麦生命周期中5个环境影响因子指数分别为2.4008，0.4567，0.2446，0.1166，0.0011；旱地的 5 个环境影响因子指数分别为 2.574 2，0.601 1，0.302 0，0.130 5，0.001 3，旱地冬小麦种植的环境因子的环境影响潜力均高于水浇地。

对以上环境影响因子进行加权计算，得到冬小麦生命周期环境影响综合指数（图4）。根据各种因子的贡献度可得，冬小麦生产中最主要的环境影响因素是富营养化，对环境影响的贡献潜力最大，达到70.71%，其次是环境酸化和土地利用占环境影响综合指数的17.48%和8.09%，温室效应和能源消耗对环境影响的贡献潜力较小，分别是3.68%，0.04%。研究区域的环境影响综合指数为0.420 3，水浇地指数范围为0.313 6～0.492 8，平均为0.395 5；旱地指数范围为0.347 0～0.544 9，平均为0.445 2，旱地的综合指数高于水浇地，前者种植冬小麦对资源环境的影响与压力更大。

2.4 改进评价

基于闻喜县冬小麦种植空间分布（图1），全县冬小麦种植面积42 824.6 hm2，其中，水浇地种植面积9 432.97 hm2，旱地种植面积33 391.64 hm2。暂不考虑农业灌溉设施的投入，如果将现有的小麦耕地全部改建为水浇地，可以增产85 015.78 t，而且水浇地种植冬小麦还可以减轻单位产量所耗费的能源和产生的环境影响。所以，在适宜灌溉地区，冬小麦种植过程中进行合理灌溉、节水灌溉，能够提高小麦产量，增加经济效益，降低环境污染。

3 结论

笔者以闻喜县冬小麦生产体系为研究对象，应用生命周期评价方法，对旱地与水浇地冬小麦种植体系建立资源消耗与污染物排放清单，进行资源环境影响评价。结果显示，从冬小麦生产的整个生命周期来看，其综合环境影响潜力大小依次为富营养化、环境酸化、土地利用、温室效应和能源消耗。其中，环境酸化和富营养化是最主要的影响因素，对环境影响综合指数的贡献率总共达到88.19%，这是种植阶段过量施用化肥造成NH3挥发和硝态氮淋失严重导致的结果。土地利用、温室效应和能源消耗作为重要的环境影响因素，贡献率总共为11.81%，其中，温室效应和能源消耗主要是生产化肥阶段引起的。研究区域内的冬小麦产量相对较高，却是建立在高氮肥施用量的基础上，同时引起严重的能源消耗与环境污染问题。

水浇地种植冬小麦能大幅度提高产量，比旱地高51.22%。在资源环境影响方面，以生产1 t小麦籽粒为评价单元，旱地的5个环境影响因子的影响潜力均高于水浇地。旱地的环境影响综合指数是0.445 2，水浇地的环境影响综合指数是0.395 5，旱地大于水浇地，即旱地种植冬小麦对环境的影响与压力更大。

改善冬小麦生命周期环境影响的主要方式为：进行精准配方施肥，改进施肥方法，提高肥料利用率[24-25]；并在适宜灌溉地区修建灌溉设施将旱地改建为水浇地进行节水灌溉，有效提高水资源的利用率；在提高冬小麦产量的同时，降低生命周期中的能源消耗与环境污染排放，促进粮食安全生产和环境安全协调发展。

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