廣西桂林水稻種植生命周期評價

周祖鵬+唐玉華+林永發(fā)

摘要：根據(jù)廣西壯族自治區(qū)桂林市水稻生產(chǎn)狀況，結(jié)合桂林當(dāng)?shù)貙嶋H情況，應(yīng)用生命周期評價方法和Gabi軟件，對生產(chǎn)1 t水稻（功能單位）所產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行生命周期評價。評價結(jié)果表明：評價對象生命周期的富營養(yǎng)化（EP）、酸化（AP）、生命周期成本（LCC）、能源消耗（ED）、生態(tài)毒性（HTP）、溫室氣體（GWP）及淡水消耗（WD）值分別為7.57 kg、4.54 kg、1 914元、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。并且水稻生產(chǎn)過程中對環(huán)境影響最大的是生長階段，造成這種現(xiàn)象的主要原因是水稻在生長階段過程中使用了較多的化肥和農(nóng)藥。因此，為了減少水稻生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，應(yīng)該盡量減少水稻生長過程中化肥和農(nóng)藥等化學(xué)產(chǎn)品的使用量。

關(guān)鍵詞：水稻；桂林；生命周期評價；生命周期成本；環(huán)境污染

中圖分類號： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0049-06[HS）][HT9.SS]

水稻是全球最重要的糧食作物之一。美國加利福尼亞州、日本、意大利維切利、泰國及伊朗等國外學(xué)者應(yīng)用生命周期評價方法對水稻生產(chǎn)開展了生命周期評價研究。結(jié)果表明，過多的使用機械化、化肥和農(nóng)藥是造成水稻生產(chǎn)環(huán)境污染的主要原因[1-5]。在國內(nèi)，有學(xué)者應(yīng)用生命周期評價方法對太湖流域、湖南及上海等地水稻生產(chǎn)過程中的氣體排放、能耗及碳足跡進(jìn)行研究和評價，其結(jié)果表明，化肥和農(nóng)藥也是造成環(huán)境污染和能源消耗的主要原因[6-11]。

由于廣西桂林市屬于喀斯特地貌，耕地基本上以丘陵為主，地勢高低起伏有落差。因此，無法采用大面積機械化進(jìn)行作業(yè)，只能采用一些小型化機械，同時結(jié)合以勞動力為主的方式進(jìn)行耕種。桂林地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，位于沿海地區(qū)，常年溫和多雨，利于水稻生長（圖1）。但是，經(jīng)文獻(xiàn)檢索尚未發(fā)現(xiàn)有針對廣西桂林地區(qū)水稻生產(chǎn)開展生命周期評價的研究。同時，在過去的水稻生命周期評價中也未發(fā)現(xiàn)針對水稻生命周期成本開展生命周期評價的研究。

1水稻生命周期評價過程

1.1目標(biāo)與范圍的界定

本研究以廣西桂林市臨桂區(qū)水稻生命周期評價為研究目標(biāo)，以1 t水稻為功能單位，研究該地區(qū)生產(chǎn)1 t早稻對環(huán)境的影響，種植面積為1 334 m2。通過集中抽樣和隨機抽樣有機結(jié)合的方法，對該地區(qū)的農(nóng)戶、相關(guān)的田間作業(yè)活動和經(jīng)銷商進(jìn)行實地走訪調(diào)查，將調(diào)查獲取的資料經(jīng)整合及誤差分析后應(yīng)用到本次研究中。此外，為提高研究質(zhì)量和數(shù)據(jù)的可靠性，對[CM（25]一些幅度較大的數(shù)據(jù)或與常規(guī)數(shù)據(jù)有較大差異的數(shù)據(jù)進(jìn)[CM）]

行排除，使篩選出的數(shù)據(jù)更具有客觀性。本次研究水稻LCA（生命周期評價）的系統(tǒng)邊界如圖2所示。

1.2清單分析

1.2.1原料準(zhǔn)備

根據(jù)對桂林市水稻種植的農(nóng)戶及田間各項作業(yè)活動的實地調(diào)查獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民根據(jù)多年的水稻種植經(jīng)驗，已經(jīng)了解了當(dāng)?shù)胤N植水稻須要購買何種化肥、農(nóng)藥等原料。為了節(jié)約時間及成本，在水稻種植前農(nóng)民都已經(jīng)將原料提前購買并運輸回家儲存。在種植過程中需要的原料則可直接從儲存地提取。水稻種植過程中所需要的原料都在同一地點采購，應(yīng)用農(nóng)用拖拉機對原料進(jìn)行運輸，運輸距離為17 km。生產(chǎn)1 t水稻需要的原料情況如表1所示。化肥用于秧苗的成長過程；拋秧盤和尼龍用于種子的育苗；稻田平整過程中使用的機械是柴油消耗的主要原因；農(nóng)藥用于水稻生長過程中病蟲害的防御。原料準(zhǔn)備階段的所需成本為6265元（種植面積1 314 m2，下同）。

1.2.2育苗階段

種稻之前，必須先將稻田的土壤翻過，使其松軟。過去使用牲畜和犁具，主要是用水牛來整地犁田，但隨著科技的發(fā)展，目前基本上使用機器進(jìn)行整地。假設(shè)所有使用的設(shè)備都能正常工作，不需要維護(hù)。在每年的3月底到4月初對稻田進(jìn)行翻耕，采用廣西南寧手扶拖拉機廠的微型耕作機，人工費為120元；同時用草甘膦除草劑對田埂進(jìn)行除草。

在種子播種之前需要對種子用溫水進(jìn)行催芽，消耗電能0.8 kW·h，成本為0.56元。播種需要100個拋秧盤（聚氯乙烯），尼龍（聚氯乙烯）12 m。種子發(fā)芽后即可進(jìn)行育苗，需要生根壯苗劑60 g。先將生根壯苗劑撒入拋秧盤中，然后將種子撒入拋秧盤中，用稀泥進(jìn)行覆蓋拋秧盤的每一個穴口，最后用尼龍作為覆蓋種子的溫室大棚，保證種子能夠在一個良好的環(huán)境生長為幼苗，需要人工費100元。種子育苗階段需要1 kg尿素進(jìn)行施肥，為幼苗的生長提供充足的養(yǎng)分。拋秧盤和尼龍在拋秧后可直接回收再利用。該階段花費的成本為220.56元。

1.2.3秧苗播種

種子經(jīng)過20～30 d生長即可進(jìn)入拋秧階段。以前采用的是人工插秧，但是隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)采用人工拋秧技術(shù)，一般在4月中旬進(jìn)行人工拋秧。在插秧當(dāng)天需要對稻田進(jìn)行平整，人工費為120元。稻田平整過后需要施肥，使用的化肥為鉀肥、46.4%尿素等肥料。基肥的組成為：24 kg尿素+30 kg鉀肥；插秧需要人工費240元。該階段的成本為360元。

1.2.4生長階段

插秧20 d左右，長出第1節(jié)稻莖時稱為分蘗期，這段期間往往須要追肥，讓稻苗健壯地成長，并促進(jìn)日后結(jié)穗米質(zhì)的飽滿和提高產(chǎn)量。使用的化肥為12%過磷酸鈣、17.1%碳酸氫銨等肥料，追肥的組成：30 kg過磷酸鈣+23 kg碳酸氫銨，人工費50元。灌溉一般都須在插秧后，幼穗形成時，還有抽穗開花期加強水分灌溉。有研究表明，水稻種植過程中灌溉是造成CH4排放的主要原因[12-13]，而CH4的排放對溫室氣體有比較大的影響。因此要合理地進(jìn)行灌溉，不能大水漫灌，盡量節(jié)約資源，減少污染物的排放。為提高糧食產(chǎn)量，根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植環(huán)境對病蟲害進(jìn)行防御。在該地區(qū)水稻種植過程中主要會出現(xiàn)的病害為螟蟲、稻縱卷葉螟、稻飛虱等害蟲。插秧30 d后要噴灑阿維·三唑磷農(nóng)藥來防御螟蟲災(zāi)害，在禾苗抽穗期要噴灑阿維菌素農(nóng)藥來防御稻縱卷葉螟災(zāi)害，在收割前20 d要噴灑吡蟲啉農(nóng)藥來防治稻飛虱災(zāi)害。表2列出了水稻生產(chǎn)過程中所使用的農(nóng)藥及其用量。噴灑農(nóng)藥使用桂林洪氏噴霧器有限公司的電動噴霧器（桂林-16型），人工費為250元；消耗電能0.72 kW·h，0.5元。該階段的成本為300.5元。

1.2.5收割階段

早稻一般在7月中下旬收割，在水稻收割1周前對田埂進(jìn)行除草。當(dāng)?shù)舅氪瓜?、金黃飽滿時，就可以開始收成，過去是農(nóng)民用鐮刀割下，再扎起，利用打谷機使稻穗分離，現(xiàn)在則有收割機，將稻穗卷入后，直接將稻穗與稻莖分離出來。近年來基本上使用久保田588收割機進(jìn)行收割，收割1 t的稻谷需要人工費用406元，消耗柴油4 L，柴油消耗的成本已經(jīng)包含在收割稻谷的人工費中。

秸稈全部還田，可用于下季稻田的有機肥料，降低土壤的鹽堿化，有助于改善土壤的肥力。但是也有研究表明，將秸稈全部還田不僅會增加CH4的排放量[14-17]，還會增加N2O的排放量[18]，也就間接地增加了溫室氣體的排放。秸稈也是一個相當(dāng)有特色的經(jīng)濟(jì)副產(chǎn)品，用途相當(dāng)多。除供牛羊等牲畜食用，以秸稈也可編成草繩、草鞋與蓑衣，早期也有許多房子是以秸稈做屋頂，利用秸稈編織出的工藝產(chǎn)品也相當(dāng)常見，如草席，草帽等。但隨著經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，機械化器具引進(jìn)，牲畜減少，塑膠生活用品也處處皆是，因此秸稈的用處急劇減少。據(jù)臺灣農(nóng)業(yè)改良會研究，在排水良好的稻田中，就地掩埋秸稈能對第1期作水稻增產(chǎn)10%；排水不良的田中，每年都掩埋稻草的話，第4年以后，就可增產(chǎn)約5%～8%；研究資料也顯示，3年中每年都掩埋秸稈，會讓稻田土壤有機質(zhì)含量從 2.1% 增加至2.7%，同時田中的磷、鉀、鈣、鐵、硅含量也都會增加。

2影響評價

在整個生命周期中，從原材料的獲取到農(nóng)業(yè)投入在稻田中的應(yīng)用，水稻耕作所排放出超過1 000多種物質(zhì)進(jìn)入空氣、土壤和水中，其中一些是有毒和危險性較大的物質(zhì)?；实氖褂脮欧乓韵聨讉€直接影響環(huán)境的因素：甲烷、氨、氮氧化物、氧化亞氮等排放到空氣中；重金屬會對土壤、地表水和地下水產(chǎn)生污染；硝酸鹽和磷會對地表水和地下水產(chǎn)生污染[19]。

水稻種植過程使用的化肥會造成水污染，引起水體富營養(yǎng)化和酸化，使用化肥所排放出的N2O和CO2氣體對溫室效應(yīng)也有較大影響[20-21]；資源的消耗主要是柴油，同時也是產(chǎn)生溫室氣體的一個原因；農(nóng)藥的使用會對土壤和水體產(chǎn)生有害毒性物。所以采用富營養(yǎng)化（EP）、酸化（AP）、資源消耗（ADP）、生態(tài)毒性（HTP）、土壤毒性、溫室氣體（GWP）及水資源消耗（WD）等7個主要指標(biāo)對水稻進(jìn)行環(huán)境影響評價。

2.1富營養(yǎng)化

富營養(yǎng)化過程與氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相關(guān)。為促進(jìn)水稻生長，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，人們常施用較多的氮肥和磷肥，但它們極易在降雨或灌溉時發(fā)生流失。富營養(yǎng)化主要源于生長階段化肥的使用，排放量為4.51 kg（圖3）?；蕰欧懦鲅趸瘉喌?、磷及NH3，這些因素都會加重富營養(yǎng)化在該地區(qū)的影響比例。過量使用化肥會使富營養(yǎng)化不斷加重[22]。隨著施氮量的增加，NO-3的淋失率增幅更大。因此，在高施氮量條件下控制農(nóng)田NO-3淋失，是控制富營養(yǎng)化影響的關(guān)鍵[23]。

2.2酸化

酸化以SO2為參照物，長期大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[24]，造成酸化影響的主要污染物是施用化肥后所釋放出的NH3，排放量為4.54 kg，但能源的消耗也會對酸化有一定的影響。隨著施氮量的增加，NH3對酸化潛力的貢獻(xiàn)呈下降趨勢，這主要是由于隨著氮肥施用量的增加，農(nóng)田NH3揮發(fā)率有所下降[23-24]。土壤酸化會加重土壤板結(jié)，使根系伸展困難，發(fā)根力弱，緩苗困難，根系發(fā)育不良吸收功能降低，長勢弱，產(chǎn)量降低。酸化土壤中植物長勢減弱，抗病能力降低，易被病害侵染，進(jìn)一步增加農(nóng)藥的使用量，從而使生態(tài)毒性也進(jìn)一步增加。酸化在水稻生長階段的排放量最多，其他幾個階段的排放量相對較小，收割階段的排放量最少，如圖4所示。

2.3能源消耗

能源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可以分為直接能源、間接能源、可再生能源和不可再生能源，而不可再生能源在農(nóng)業(yè)過程中又占據(jù)了主導(dǎo)地位[25]。在水稻生長階段與秧苗播種階段消耗的化肥是資源消耗的主要階段，在生長階段能源消耗量可達(dá)到5 540 MJ；化肥的生產(chǎn)又是消耗礦石的主要原因，具體情況如圖5所示。

2.4溫室氣體

生長階段和秧苗播種階段是排放溫室氣體的主要階段，其中生長階段的排放量將近是秧苗播種階段的2倍，排放量為484 kg。收割階段最少，排放量僅為4.56 kg。水稻種植是公認(rèn)的主要溫室氣體排放源之一，2009年我國農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量（以CO2計）為160萬t，其中水稻種植排放14萬t，占8.9%[26]。研究表明，灌溉[14]、土壤水分[27]、施肥[28]和品種[29]對的CH4排放影響較大，所以要合理、科學(xué)地灌溉和施肥，盡量降低CH4的排放。近年來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量不斷翻倍增加，但是氮肥、磷肥的使用量也在不斷地翻倍增加[30-31]。水稻種植過程中施用的化肥會排放出CO2和N2O，但主要溫室氣體來源還是來自于化肥在生產(chǎn)過程中所排放出的CO2（圖6）。

2.5生態(tài)毒性

水稻生長階段所使用的農(nóng)藥是造成生態(tài)毒性的主要原因，排放量為43 kg，收割階段的影響較小。農(nóng)藥噴灑過后所殘留的重金屬對土壤、地表水和地下水都會產(chǎn)生污染。因此，在保證水稻產(chǎn)量與質(zhì)量的前提下盡可能地不使用農(nóng)藥（圖7）。使用殺蟲劑不僅會污染土壤和地下水，而且還會污染空氣，嚴(yán)重影響水生生物的生存環(huán)境，甚至?xí)?dǎo)致一些瀕危物種滅絕[32]。

2.6淡水消耗

當(dāng)?shù)匾廊皇褂迷嫉暮铀M(jìn)行灌溉。水資源消耗主要在生長階段，消耗量為1 010 m3，原料準(zhǔn)備階段消耗量最小，其值為0.815 m3。灌溉對于水稻的生長起著決定性作用，只有保證充足的水源，才能提高水稻的產(chǎn)量及質(zhì)量，減少病害的發(fā)生，如圖8所示。

2.7生命周期成本分布

隨著生命周期評價朝著生命周期可持續(xù)評價的方向不斷發(fā)展，越來越多的研究者開始關(guān)注生命周期成本[33-34]。在許多研究中也逐漸將成本作為一個評價環(huán)境的指標(biāo)[35-41]。由此可以看出，把成本作為環(huán)境影響評價指標(biāo)的重要程度在不斷提升。成本高，間接地反映了現(xiàn)代科技的應(yīng)用程度相對較低。成本水平雖然不能直觀地反映環(huán)境影響，但是能夠間接得通過其他方式呈現(xiàn)出對環(huán)境的影響。例如，過多的使用化肥或者機械化會使成本增加，而化肥和機械化的投入使得環(huán)境影響將進(jìn)一步增加。這表明成本水平與環(huán)境影響有著不可分割的聯(lián)系。由圖9可知，原料準(zhǔn)備的成本最高。由于當(dāng)?shù)厮痉N植依然是以人工為主，因此水稻種植的成本相對較高。

3敏感性分析

在水稻生長的整個過程當(dāng)中并沒有把所有因素都考慮完善，從而使得分析結(jié)果的可靠性有所降低，以致于影響水稻的LCA。例如，在翻耕稻田所使用的機械，由于使用的設(shè)備型號不同，使得柴油的消耗量也不一樣，這就對能源消耗評估產(chǎn)生了一定的影響。在我國，大多數(shù)水稻種植為了提高產(chǎn)量而不斷增加資源的投入，特別水和養(yǎng)分，這往往是以犧牲環(huán)境作為代價[42]。

長期以來我國氮肥在生產(chǎn)上氮施用量一般超過 180 kg/hm2，有些地區(qū)甚至超過600 kg/hm2，但水稻氮肥實際利用效率僅為（33±11）%。而目前發(fā)達(dá)國家氮肥利用率已達(dá)60%，如果能達(dá)到這一利用水平，將減少50%的氮肥使用，直接減少種植活動中的施用氮肥帶來的碳排放[43]。不僅稻田的土壤肥力存在著差異性，而且禾苗在生長過程中也存在著長勢好壞的問題，從而使得施肥的比例也不一樣。然而肥料又是環(huán)境影響評價的一個重要指標(biāo)，所以對評價分析的結(jié)果影響較大。這些不僅影響環(huán)境方面的評價指標(biāo)，同時對經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響也較為明顯。還有一個原因就是購買的種子，種子質(zhì)量的好壞將會直接影響到水稻產(chǎn)量的高低。因此，評價結(jié)果會有一定誤差，但本次評價數(shù)據(jù)大多來源于實地調(diào)研，因此能最大限度減少評價誤差。

4結(jié)論[JP2]

由圖10可知，資源輸入與廢棄物排放主要在生長階段與秧苗播種階段。綜上可知，水稻的生命周期成本為1 914元/t。當(dāng)?shù)氐竟葍r格為3.2元/kg，除去成本后的收益為1 286元/t。[JP+1]生產(chǎn)1 t水稻對環(huán)境所產(chǎn)生的污染及消耗的資源主要為富營養(yǎng)化、酸化、能源消耗、生態(tài)毒性、溫室氣體及淡水消耗，其值分別為7.57 kg、4.54 kg、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。而化肥又是產(chǎn)生富營養(yǎng)化、酸化及溫室氣體的主要原因。因此，在水稻生長階段合理的施肥是減少環(huán)境污染的重要舉措。[JP]

為了進(jìn)一步說明桂林地區(qū)水稻生產(chǎn)的特征，表3給出了不同國家或地域水稻生命周期評價指標(biāo)的對比情況。由表3可知，不同國家或地域的評價結(jié)果差異是很大的。就桂林地區(qū)的水稻生產(chǎn)而言，能耗較高，僅低于伊朗；溫室效應(yīng)較低，僅高于湖南、太湖流域和意大利；富營養(yǎng)化、水資源消耗處于中間水平；酸化影響最低；生態(tài)毒性處于較高水平。表3中有一些空白的地方，表示有的文獻(xiàn)沒有相應(yīng)的評價指標(biāo)值。

5討論

隨著中國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，當(dāng)?shù)胤N田的收益較低，因此當(dāng)?shù)厮痉N植面積近年來也不斷縮小。因為地理環(huán)境的約束，機械化使用程度依然較低，還是依靠勞動力進(jìn)行作業(yè)，從而提高了成本。雖然成本有所增加，但是由于機械化應(yīng)用程度較低，使得對環(huán)境產(chǎn)生的影響也相應(yīng)地有所降低。因此，成本高低是對環(huán)境影響的一個側(cè)面表現(xiàn)。成本的變化而變化。文獻(xiàn)[44]中環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)的集成一直被認(rèn)為是對于LCA的局限性和改善可持續(xù)性評估工具的一個合適的解決方案。隨著生命周期評價不斷發(fā)展，生命周期評價與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法不斷得到發(fā)展。文獻(xiàn)[45]顯示，在應(yīng)用生命周期評價與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法時，考慮經(jīng)濟(jì)方面的評估可以改善環(huán)境影響評價。有些研究從經(jīng)濟(jì)的角度把生命周期評價與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法分為5個步驟應(yīng)用到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中[46-48]。文獻(xiàn)[49]顯示，原材料受市場的影響較大，將經(jīng)濟(jì)評價細(xì)分到每個系統(tǒng)中，應(yīng)用生命周期評價與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法可以有效節(jié)約在機械和化學(xué)產(chǎn)品上的經(jīng)濟(jì)成本。生命周期評價與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析相結(jié)合的方法在一定程度上可以降低環(huán)境影響和節(jié)約成本，因此可以將該方法應(yīng)用到今后的相關(guān)研究中。

由于農(nóng)田和地下水的污染不斷加重，使用化肥和環(huán)境污染的關(guān)系受到越來越多相關(guān)研究者的關(guān)注。合理管理土壤有機質(zhì)，消除土壤的物理、化學(xué)和生物的約束，從而改善土壤的質(zhì)量。通過資源和環(huán)境管理，提高資源利用效率，加強農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，減少養(yǎng)分流失、溫室氣體排放量及負(fù)面生態(tài)足跡的影響[50]。采用集成化技術(shù)來提高生產(chǎn)效率及資源的利用率，有利于減少全球氣候變暖、酸化、富營養(yǎng)化和人體毒性等指標(biāo)的生命周期環(huán)境影響的潛力[51]。通過本次評價可知，在今后的水稻種植過程中應(yīng)該盡量減少化肥的使用，這不僅能減少對環(huán)境所產(chǎn)生的影響，而且也能減少礦產(chǎn)資源消耗、節(jié)約成本。在條件許可的情況下盡可能地使用有機肥，使土壤肥力保持在一定程度，更有利于水稻的生長。同時為減小生態(tài)毒性對環(huán)境的影響，在保證水稻產(chǎn)量與質(zhì)量的前提下盡可能地不使用農(nóng)藥等殺蟲劑，實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

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