沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境影響研究

?？?，宋明陽，于曉曼，白金衡，賈晶旭，劉鳴達*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院，沈陽 110866；2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，南京 210095；3.東北育才學校高中部，沈陽 110179）

沈陽是東北重要的優(yōu)質(zhì)稻區(qū)，水稻是沈陽地區(qū)的主栽作物。到2015年，沈陽地區(qū)水稻播種面積高達10.89萬hm2，產(chǎn)量為100.4萬t[1]。隨著水稻生產(chǎn)技術(shù)的提高，機械化面積不斷增大，加之水稻對農(nóng)藥化肥和灌溉水等消耗量很大，導(dǎo)致這一生產(chǎn)活動的環(huán)境影響不斷加大。從生命周期的視角來看，水稻生產(chǎn)不是一個簡單的種植活動，而是包括原料開采、農(nóng)資生產(chǎn)和水稻種植在內(nèi)的一個生產(chǎn)過程。單純評價種植階段的環(huán)境影響，通常會忽視全過程的環(huán)境影響。因此，從整個生產(chǎn)過程的角度分析其資源消耗、生態(tài)破壞與環(huán)境污染情況才能準確評價水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法產(chǎn)生于20世紀60年代，主要用于工業(yè)產(chǎn)品或工藝全過程的定量分析和評價，90年代開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境影響評價[2]。它的優(yōu)勢在于對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的生命周期所涉及的物質(zhì)消耗和污染物排放進行辨識、量化和評價，最終評價資源和環(huán)境效益，挖掘降低環(huán)境影響的潛力[3]。近年來國內(nèi)外也有一些關(guān)于水稻生產(chǎn)生命周期評價方面的研究[4-7]。但這些研究考慮因素和評價指標不同，研究結(jié)果差異很大。本研究以沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)為例，全面考慮影響因子和指標，應(yīng)用LCA法對水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的“原料開采-農(nóng)資生產(chǎn)-水稻種植”過程的環(huán)境影響進行分析和評價，以期為降低沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響，實現(xiàn)稻作清潔生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2016年4月—2017年9月對沈陽稻區(qū)進行實地調(diào)查。共調(diào)查農(nóng)戶62戶，調(diào)查內(nèi)容包括化肥種類及用量、農(nóng)藥種類及用量、機械耗油、生產(chǎn)耗電、灌溉水量等相關(guān)信息，具體投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)平均值見表1。

表1 沈陽地區(qū)水稻種植投入產(chǎn)出表Table 1 Inputs-outputs of rice cultivation in Shenyang area

1.2 評價方法

根據(jù)國際環(huán)境毒理學和化學學會的要求，將生命周期評價分為四個步驟：目標定義與范圍界定、清單分析、影響評價、結(jié)果解釋。

1.2.1 目標定義與范圍界定

以生產(chǎn)1 t稻谷為功能單位，規(guī)定起始邊界為生產(chǎn)化肥農(nóng)藥的礦石和化石能源開采，終止邊界為水稻種植階段的污染物排放（圖1）。

1.2.2 清單分析

將水稻生產(chǎn)生命周期分為三個階段：原料開采、農(nóng)資生產(chǎn)和水稻種植階段。分別考慮礦石、化石能源的開采與運輸?shù)馁Y源消耗和污染排放，化肥、農(nóng)藥的生產(chǎn)與運輸?shù)馁Y源消耗和污染排放，化肥、農(nóng)藥以及農(nóng)機的使用的資源消耗和污染排放。

圖1 水稻生產(chǎn)生命周期系統(tǒng)邊界Figure 1 LCA system boundary of rice production

其中原料開采和農(nóng)資生產(chǎn)階段的能耗、物耗和水耗等指標參考《中國統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》及文獻[8-12]，TP、COD、CO2、CO、CH4、SO2、NOx、N2O、NH3、NH+4、重金屬等污染物排放系數(shù)參考相關(guān)文獻[13-19]。氮素、磷素流失和重金屬排放系數(shù)參考相關(guān)文獻[20-26]；農(nóng)藥使用的殘留系數(shù)引用van Calk的研究結(jié)果[27]；稻田甲烷排放系數(shù)根據(jù)IPCC2006的公式計算得到[28]；稻田固碳能力參考相關(guān)文獻[29-32]。由于缺少農(nóng)藥毒性當量系數(shù)轉(zhuǎn)換的相關(guān)報道，本研究只考慮了毒死蜱、丙草胺、三唑磷和樂果的毒性影響。

1.2.3 影響評價

1.2.3.1 影響分類和特征化

采用當量系數(shù)法將同類污染物轉(zhuǎn)化為參照物的環(huán)境影響潛力[22]，評價水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響。部分環(huán)境影響類型及當量系數(shù)見表2。

各類環(huán)境影響潛值根據(jù)公式（1）計算。

式中：EP（x）為系統(tǒng)對第 x種環(huán)境影響的影響潛值；EP（x）i為第i種排放物質(zhì)對第x種環(huán)境影響的影響潛值；Q（x）i為第 i種排放物質(zhì)的排放量；EF（x）i為第 i種排放物質(zhì)對第x種環(huán)境影響的當量系數(shù)。

表2 環(huán)境影響類型及排放物的當量系數(shù)Table 2 Environmental impact categories and their equivalent factors

能源消耗主要考慮煤、石油、重油、柴油和天然氣等化石能源消耗，可用式（2）計算。

式中：EU為系統(tǒng)每功能單位化石能源消耗總量；ENFij為清單分析中每功能單位i階段j類能源的消耗量。

水資源消耗主要考慮灌溉用水和生產(chǎn)耗水，可根據(jù)式（3）計算。

式中：F為系統(tǒng)中每功能單位消耗的水資源總量；Qi為第i階段水資源消耗量；RCi為第i階段水資源回收或重復(fù)使用率。

稻田固碳能力可根據(jù)式（4）計算。

式中：Q為稻田CO2凈吸收量，kg；Y為水稻產(chǎn)量，kg；R為干物質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)，參考文獻[33]取值為1.6，即生產(chǎn)1 kg稻谷的干物質(zhì)量為1.6 kg；1.63為CO2吸收常數(shù)，即每生產(chǎn)1 kg干物質(zhì)，需要吸收1.63 kg CO2[34]；E為稻田CO2排放通量，參考文獻[35]計算沈陽地區(qū)每生產(chǎn)1 t稻谷排放CO22 229.55 kg。

1.2.3.2 標準化和加權(quán)評估

選用2000年世界人均環(huán)境影響潛力為基準進行標準化處理，權(quán)重系數(shù)參考Sleeswijk的研究結(jié)果[36]?；鶞手岛蜋?quán)重系數(shù)如表3所示。

標準化過程可用公式（5）表示。

式中：Rx為第x種潛在環(huán)境影響的標準化結(jié)果；EP（x）為第x種潛在環(huán)境影響的特征化結(jié)果；Sx（2000）為第x種潛在環(huán)境影響基準值。

加權(quán)評估可以用公式（6）進行計算。

式中：EI為系統(tǒng)環(huán)境影響值；Wx為第x種潛在環(huán)境影響的權(quán)重；Rx為第x種潛在環(huán)境影響的標準化結(jié)果。

表3 環(huán)境影響指數(shù)的基準值與權(quán)重Table 3 Normalization values and weighs for different impact categories

2 結(jié)果與分析

2.1 清單匯總

水稻生產(chǎn)生命周期清單見表4。

2.2 特征化

各類環(huán)境影響的特征化結(jié)果見表5。

2.3 標準化和加權(quán)評估

各類環(huán)境影響的標準化和加權(quán)后結(jié)果列于表6?？梢钥闯?，各類環(huán)境影響指數(shù)大小依次為：水體毒性、富營養(yǎng)化、土壤毒性、人體毒性、環(huán)境酸化、全球變暖和能源消耗，環(huán)境影響指數(shù)分別為16.278、1.558、1.457、0.960、0.135、0.041和 0.003，分別相當于 2000年世界人均環(huán)境影響潛力的1 627.8%、155.8%、145.6%、96%、13.5%、4.1%和0.3%。各階段環(huán)境影響大小依次為：水稻種植、原料開采和農(nóng)資生產(chǎn)階段，其中水稻種植階段的水體毒性、富營養(yǎng)化和土壤毒性影響最嚴重；原料開采階段的人體毒性和土壤毒性影響最嚴重；農(nóng)資生產(chǎn)階段的富營養(yǎng)化影響最嚴重。加權(quán)處理后，環(huán)境影響綜合指數(shù)為2.267。

2.4 結(jié)果解釋

2.4.1 資源消耗

由表4可知，生產(chǎn)1 t稻谷會占用土地資源1 000.24 m2，消耗磷礦 37.98 kg、鉀礦 15.64 kg，總耗水量為1 576.28 m3，其中水稻種植階段占比高達98.13%，這是因為水稻是一種耗水量較大的作物。由表5可知，生產(chǎn)1 t稻谷生命周期能源消耗總量為6 893.41 MJ，農(nóng)資生產(chǎn)、水稻種植和原料開采階段能耗占比分別為51.38%、33.57%和15.05%。農(nóng)資生產(chǎn)階段的能耗主要源于化肥生產(chǎn)，化肥生產(chǎn)是能源密集型產(chǎn)業(yè)，需要消耗大量化石能源；種植階段的能耗主要是灌溉抽水用電；原料開采階段的能耗主要由化石能源浪費和開采耗能產(chǎn)生。化肥生產(chǎn)和灌溉用電的能耗占比分別為49.43%和30.84%。

2.4.2 全球變暖

水稻種植階段對全球變暖的影響是單位水稻生產(chǎn)全周期中最大的，主要是因為該階段CH4的排放量較高，而其增溫潛勢遠高于CO2[6]，該階段CH4排放量為16.08 kg，對單位水稻全周期生產(chǎn)中全球變暖的貢獻率為87.12%。但總體上水稻種植仍表現(xiàn)出碳匯現(xiàn)象，生產(chǎn)1 t稻谷生命周期溫室氣體排放量為387.6 kg CO2-equ（圖2）。水稻種植、農(nóng)資生產(chǎn)和原料開采階段對系統(tǒng)全球變暖潛值的貢獻率分別為44.8%、42.33%和12.97%。盡管農(nóng)資生產(chǎn)和原料開采階段的主要溫室氣體是CO2，排放量為200.76 kg，但種植階段稻田CO2排放量為-245.91 kg，單位水稻種植全周期CO2產(chǎn)生的溫室效應(yīng)對全球變暖的貢獻率為-11.65%。

表4 水稻生產(chǎn)生命周期清單匯總Table 4 Inventory of life cycle of rice production

2.4.3 環(huán)境酸化

生產(chǎn)1 t稻谷生命周期環(huán)境酸化潛值為6.11 kg SO2-equ（圖3）。原料開采、農(nóng)資生產(chǎn)和種植階段對系統(tǒng)環(huán)境酸化潛值的貢獻率分別為15.06%、16.2%和68.74%。造成環(huán)境酸化的主要影響因子為NH3，其中種植階段由于氮肥施用，導(dǎo)致NH3揮發(fā)量增加，該階段NH3揮發(fā)對系統(tǒng)環(huán)境酸化潛值的貢獻率為65.8%。NH3在土壤中可發(fā)生硝化反應(yīng)生成HNO3，造成土壤酸化；同時揮發(fā)到大氣中的NH3可與酸性氣體反應(yīng)，形成酸性氣溶膠態(tài)銨鹽，打破酸性氣體平衡，加速酸性物質(zhì)的干濕沉降[37]。因此，盡管NH3是一種堿性物質(zhì)，但在生命周期評價過程中，其環(huán)境影響是以環(huán)境酸化的形式表達出來的。

表5 水稻生產(chǎn)生命周期清單特征化結(jié)果Table 5 The results of characterization of life cycle inventory of rice production

表6 水稻生產(chǎn)生命周期環(huán)境影響標準化和加權(quán)分析Table 6 Life cycle environmental impact indexes and evaluation results of rice production

2.4.4 富營養(yǎng)化

圖2 水稻生產(chǎn)生命周期全球變暖影響潛力Figure 2 Life cycle global warming effects potentials of rice production

圖3 水稻生產(chǎn)生命周期環(huán)境酸化影響潛力Figure 3 Life cycle acidification effects potentials of rice production

2.4.5 毒性

生產(chǎn)1 t稻谷生命周期毒性潛力為276.22 kg 1，4-DCB-equ（圖5），以人體毒性和水體毒性最為嚴重，占毒性影響的96.78%。其中人體毒性主要是由原料開采階段排放到環(huán)境中的Cu、Zn、Hg等重金屬所致，該階段造成的人體毒性占毒性影響的54.49%；水體毒性是種植階段化學農(nóng)藥殘留導(dǎo)致的水體污染，該階段造成的水體毒性占毒性影響的28.4%。

3 討論

有學者應(yīng)用LCA法對水稻生產(chǎn)生命周期的資源、能源消耗以及各環(huán)境影響進行評價。為了比較分析沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的環(huán)境影響，表7列出了國內(nèi)外幾例相關(guān)研究結(jié)果。

沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)潛在環(huán)境影響較大的是能源消耗、全球變暖、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化與毒性，這與湖南、江蘇太湖等地區(qū)的研究結(jié)果基本一致。但本研究綜合考慮了各階段運輸?shù)哪茉聪?、能源開采的損耗、常用農(nóng)藥的危害及稻田固碳能力等因素，導(dǎo)致環(huán)境影響大小與國內(nèi)外研究結(jié)果存在一定差異。

圖4 水稻生產(chǎn)生命周期富營養(yǎng)化影響潛力Figure 4 Life cycle eutrophication effects potentials of rice production

能源消耗主要發(fā)生于化肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)，沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)化肥用量較多，因此能耗較高。其次，沈陽稻區(qū)農(nóng)機合作社發(fā)展較快，水稻生產(chǎn)機械化程度較高，加之與南方地區(qū)相比，沈陽地區(qū)降雨較少，人工灌溉用水量較多。因此在種植階段，沈陽地區(qū)的農(nóng)機耗能和灌溉用電會高于其他地區(qū)。此外，本研究考慮了原料開采階段的次級能源消耗和初級能源浪費，從而增加了開采階段的能源消耗。因此，沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)能耗高于國內(nèi)同類研究結(jié)果。與國外相比，巴西[7]和日本[40]的研究邊界為“農(nóng)資生產(chǎn)-水稻種植-稻米加工”，不包含原料開采階段的能源消耗，因此兩者的能源消耗較低；意大利[41]的研究邊界為“農(nóng)資生產(chǎn)-水稻種植-稻米加工-稻米出口”，雖沒涉及原料開采階段，但稻米加工后的包裝、運輸和出口所消耗的能源更多，使其能源消耗高于本研究。

圖5 水稻生產(chǎn)生命周期毒性影響潛力Figure 5 Life cycle toxicity effects potentials of rice production

表7 不同區(qū)域水稻生產(chǎn)生命周期潛在環(huán)境影響對比Table 7 Comparisons of potential environmental impact of one ton rice production in different areas

影響沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)潛在全球變暖的主要因子是CH4。CH4主要產(chǎn)生于種植階段，沈陽、上海[4]和江蘇[39]地區(qū)水稻種植階段CH4的全球變暖潛值分別為337.68、680.54、2 641.44 kg CO2-equ·t-1。南方地區(qū)排放率較高，加之單季稻產(chǎn)量低于北方稻區(qū)，所以生產(chǎn)1 t水稻產(chǎn)生和排放的CH4高于北方[42-43]。CO2主要產(chǎn)生于農(nóng)資生產(chǎn)和原料開采階段，若不考慮稻田固碳作用，其排放量為333.21 kg，但本研究在考慮稻田固碳的基礎(chǔ)上其排放量為-45.15 kg·t-1。綜合考慮，沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的全球變暖潛值在國內(nèi)研究中屬低等水平。與國外研究相比，本研究的全球變暖潛值同樣屬低等水平，這是因為國外研究中的機械化程度更高，在稻田種植和管理方面消耗了更多能源，且意大利的研究考慮了包裝、運輸和出口環(huán)節(jié)排放的溫室氣體[41]，致使其結(jié)果較高。

從本研究結(jié)果來看，種植階段氮肥施用造成的氨揮發(fā)是導(dǎo)致潛在環(huán)境酸化的主要原因。氨揮發(fā)系數(shù)因地理環(huán)境和種植管理模式不同而有所差異，但總體排放規(guī)律是隨氮肥用量的增加而增大。沈陽、江蘇[39]、湖南[5]和日本[40]水稻生產(chǎn)的氮肥用量分別為27.5、31.27、23.29 kg·t-1和18.73 kg·t-1，氨揮發(fā)系數(shù)分別為氮素投入量的9.89%、28%、28%和9.98%，比較而言，沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的環(huán)境酸化潛值較低。氮肥的施用也是導(dǎo)致潛在富營養(yǎng)化的主要原因。本研究由于后者研究僅以早稻為對象的結(jié)果。若按整個稻季計算，其富營養(yǎng)化潛力應(yīng)高于本研究。

沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)的毒性影響潛值約是湖南[5]的30倍，其中人體毒性、水體毒性和土壤毒性分別是湖南的65、18倍和5倍。究其原因，除了稻季長短的差別，主要是由于本研究增加了對農(nóng)資生產(chǎn)和原料開采階段重金屬毒害作用的環(huán)境影響，以及種植階段化學農(nóng)藥使用對人體和生態(tài)危害的影響計算，故而毒性影響潛值增加。

4 結(jié)論

（1）沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)潛在環(huán)境影響大小依次為：水體毒性、富營養(yǎng)化、土壤毒性、人體毒性、環(huán)境酸化、全球變暖和能源消耗。

（2）化學農(nóng)藥的使用是造成水體和土壤毒性的主要原因；水稻種植過程中氮肥過量施用是造成潛在富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化的主要原因；水稻種植階段CH4的大量排放對系統(tǒng)潛在全球變暖的貢獻率最大；農(nóng)資生產(chǎn)階段中化肥的高生產(chǎn)、高能耗加劇了能源消耗；原料開采階段中化石能源的開采加大了人體毒性潛力。

（3）減少化學肥料和農(nóng)藥使用是減輕沈陽地區(qū)水稻生產(chǎn)潛在環(huán)境影響的關(guān)鍵。