吉林省玉米農(nóng)田保護(hù)性耕作的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

黃堅(jiān)雄 隋 鵬 李媛媛 劉武仁 高旺盛 陳源泉

(1．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展研究中心，北京100193;2．吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源中心，吉林長(zhǎng)春130033)

目前，保護(hù)性耕作技術(shù)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家可持續(xù)農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)之一［1］。東北地區(qū)是我國(guó)主要糧食主產(chǎn)區(qū)之一，由于長(zhǎng)期掠奪式經(jīng)營(yíng)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化，干旱加重，土壤水蝕、風(fēng)蝕面積逐年擴(kuò)大，水資源短缺，土壤肥力下降，嚴(yán)重影響黑土區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)高效發(fā)展，因此在該區(qū)發(fā)展保護(hù)性耕作具有重要意義［2］。農(nóng)業(yè)是能源使用的主要部門(mén)，且能源使用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力有著必然的相關(guān)性［3］，但是大量的投入在促進(jìn)糧食增產(chǎn)的同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面的潛在環(huán)境影響［4］，同時(shí)研究農(nóng)業(yè)措施對(duì)環(huán)境的影響具有一定的意義。本研究通過(guò)應(yīng)用生命周期評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)評(píng)價(jià)東北地區(qū)不同耕作模式對(duì)不同的環(huán)境類(lèi)型的潛在影響，為農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 材料與方法

1．1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。

1．2 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)方法

根據(jù)文獻(xiàn)［6］確定系統(tǒng)邊界及指標(biāo)。

1．2．1 清單分析及參數(shù)選擇

方法見(jiàn)文獻(xiàn)［6］，具體投入見(jiàn)表1。

(1)農(nóng)資生產(chǎn)系統(tǒng)。能源、化肥及農(nóng)藥生產(chǎn)的相關(guān)能耗、污染物排放系數(shù)及轉(zhuǎn)換參數(shù)見(jiàn)梁龍和 IPCC(2007)的相關(guān)研究［8，10］。

表1 不同耕作模式生產(chǎn)1t玉米物資投入

(2)農(nóng)作生產(chǎn)系統(tǒng)。農(nóng)作系統(tǒng)中各污染物的排入清單根據(jù)文獻(xiàn)［6，9－13］中的相關(guān)參數(shù)計(jì)算所得。

1．2．2 影響評(píng)價(jià)步驟

影響評(píng)價(jià)具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［6］。

2 結(jié)果

2．1 影響評(píng)價(jià)

2．1．1 能源消耗與氣候變化

由表2可看，TT的能源消耗最大，為3 321 MJ/hm2·t，均比4種保護(hù)性耕作高約500 MJ/hm2·t。其中氮肥主要耗能環(huán)節(jié)與TT相比，4種保護(hù)性耕作模式平均約少排放82．82% 的 CO2－eq，即約少 排放 446．4 kg/hm2· t的CO2－eq，其中CT2排放最少，CT3排放最多。溫室氣體排放主要發(fā)生在農(nóng)資生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要為CO2，主要在氮肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生。在農(nóng)作系統(tǒng)中，4種保護(hù)性耕作增加了土壤碳，抵消了大部分排放的溫室氣體，在農(nóng)作系統(tǒng)中溫室氣體排放的主要為N2O，主要來(lái)源氮肥的田間直接損失。綜上所述，氮肥使用是農(nóng)業(yè)能耗和溫室氣體排放的主要原因。

表2 不同耕作模式能源消耗及溫室氣體排放清單

2．1．2 環(huán)境酸化

由表3可以看出，與TT相比，4種保護(hù)性耕作模式平均約少排放15．37%的，即少排放1．246 kg/hm2·t的。導(dǎo)致環(huán)境酸化主要發(fā)生在農(nóng)作系統(tǒng)，其酸化物質(zhì)為NH3和NOx，主要來(lái)源氮肥的損失。

2．1．3 富營(yíng)養(yǎng)化

由表4可知，與TT相比，4種保護(hù)性耕作模式平均約少排放15．28%的PO4－－eq，即約少排放 0．2140 kg/hm2·t的PO4－－eq。導(dǎo)致環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化主要發(fā)生在農(nóng)作系統(tǒng)，主要污染物為NH3和NO3－，主要來(lái)源于氮肥的損失。

2．1．4 水體毒性、土壤毒性與人體毒性

水體毒性的 1，4 － DCB－eq平均為 12．45 kg/hm2·t，而土壤毒性則為0．7223 kg/hm2·t。就水體毒性和土壤毒性而言，不同耕作模式中產(chǎn)生重金屬的貢獻(xiàn)率極小，幾乎為農(nóng)藥導(dǎo)致;就人體毒性而言，4種保護(hù)性耕作模式的平均排放0．1120 kg/hm2·t的1，4 －DCB－eq。水體毒性、土壤毒性及人體毒性的主要污染物均為農(nóng)藥。

2．2 標(biāo)準(zhǔn)化與加權(quán)評(píng)估

標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見(jiàn)表6。其中，水體毒性的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果最大，4種保護(hù)性耕作的平均值為2．5773，代表生產(chǎn)1t玉米所造成的水體毒性相當(dāng)于2000年世界人均環(huán)境潛在影響潛力的257．73%，而TT則為239．90%;其次為富營(yíng)養(yǎng)化，為62．47%，能源消耗的環(huán)境影響潛力最小，僅為0．11%。與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作顯著減少了全球暖化，但對(duì)其他環(huán)境類(lèi)型的影響較小。

對(duì)各環(huán)境影響類(lèi)型的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化只能說(shuō)明其潛在環(huán)境潛在影響的相對(duì)大小，即使兩種環(huán)境潛在影響潛值相同，它們對(duì)同一國(guó)家或地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要程度是不一樣的，而加權(quán)評(píng)估則能反應(yīng)其對(duì)環(huán)境的綜合影響程度［8］。加權(quán)評(píng)估值越大，表明對(duì)環(huán)境影響越大，通過(guò)加權(quán)評(píng)估后可得表7結(jié)果，由表可看出，傳統(tǒng)耕作模式與4種保護(hù)性耕作模式所造成的環(huán)境影響綜合指數(shù)差異不大，但保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作小。各環(huán)境影響類(lèi)型中以水體毒性為主要的環(huán)境影響類(lèi)型，傳統(tǒng)耕作模式和4種保護(hù)性耕作模式的平均值分別占綜合環(huán)境影響的67．13%和71．70%，其次為富營(yíng)養(yǎng)化，而其他環(huán)境類(lèi)型影響則相對(duì)較小?？梢?jiàn)，吉林省玉米生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響應(yīng)主要關(guān)注的環(huán)境影響類(lèi)型為水體毒性，故應(yīng)減少農(nóng)藥使用。

表3 不同耕作模式的環(huán)境酸化清單 單位:kg/hm2·t

表4 不同耕作模式的富營(yíng)養(yǎng)化清單 單位:kg/hm2·t

3 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)耕作相比，吉林省玉米農(nóng)田4種保護(hù)性耕作模式的能源消耗、溫室氣體排放、環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題平均比傳統(tǒng)耕作輕，但水體毒性、土壤毒性及人體毒性平均比傳統(tǒng)耕作重。能源消耗造成溫室氣體排放的主要因素為氮肥的生產(chǎn)，造成環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因均為氮肥的施用，而水體毒性、土壤毒性及人體毒性主要因素為農(nóng)藥的施用。

表5 不同耕作模式的生態(tài)毒性與人體毒性清單 單位:kg/hm2·t

表6 不同耕作模式各環(huán)境影響類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

表7 不同耕作模式各環(huán)境影響類(lèi)型加權(quán)評(píng)估結(jié)果

(2)綜合各種環(huán)境影響因素，吉林省玉米農(nóng)田4種保護(hù)性耕作模式的潛在影響均小于傳統(tǒng)耕作，水體毒性為最主要的類(lèi)型，其次為富營(yíng)養(yǎng)化。

(3)與傳統(tǒng)耕作相比，4種保護(hù)性耕作能平均減少約82．82% 的 CO2－eq，但全球變暖并不是主要的環(huán)境影響類(lèi)型，更值得關(guān)注的是水體毒性和富營(yíng)養(yǎng)化。

(編輯:王愛(ài)萍)

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