基于DNDC模型的小麥生命周期資源環(huán)境影響評價

吳亞楠， 魏　強， 孫晶華

(山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西晉中 030801)

目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨環(huán)境污染和糧食安全的雙重壓力[1]，如何在保證糧食產(chǎn)量的同時減少環(huán)境污染成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟需解決的問題。小麥是我國主要糧食作物之一，探討小麥的產(chǎn)量和環(huán)境排放對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。我國集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)民在“投入多、收獲多”錯誤理念的引導下，在農(nóng)作物種植階段施用過量化肥?；实拇罅渴┯迷斐闪速Y源浪費和環(huán)境污染，也帶動了上游化肥生產(chǎn)的資源消耗和環(huán)境污染[2]。國內(nèi)學者對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境污染進行了廣泛研究[3-4]，但大多數(shù)研究方法單一、片面，忽視了農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)上下游環(huán)節(jié)的環(huán)境影響。因此，需要建立一個科學、合理、綜合的評價方法來評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。生命周期評價(life cycle assessment，LCA)是一個產(chǎn)品、工藝或活動“從搖籃到墳墓”的整個過程，起源于20世紀60年代的美國[5]，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，如今作為新興的環(huán)境管理工具成為環(huán)境科學領(lǐng)域研究的熱點，被廣泛應用于多個領(lǐng)域的環(huán)境影響評價。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，也有學者開展了農(nóng)產(chǎn)品或農(nóng)藝措施的生命周期研究[6-7]。但這些研究多數(shù)為大尺度區(qū)域的研究，過于籠統(tǒng)。本研究以山西省小麥主產(chǎn)區(qū)為研究對象，精確到農(nóng)戶尺度進行小麥生產(chǎn)資源環(huán)境影響評價，旨在為制定引導農(nóng)戶科學合理施肥的政策提供指導。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2014年對山西省小麥主產(chǎn)區(qū)6個市260個鄉(xiāng)鎮(zhèn)500個農(nóng)戶的實地問卷調(diào)查，回收有效調(diào)查問卷427份。抽樣方法為隨機等間距方法[8]。調(diào)查結(jié)果顯示，小麥主要施肥種類有尿素、復合肥、磷酸二銨、碳酸氫銨等。各調(diào)查地區(qū)養(yǎng)分投入及產(chǎn)量見表1。

表1　山西省6市小麥生產(chǎn)中肥料投入量與小麥產(chǎn)量

1.2　DNDC模型簡介及驗證

DNDC模型是描述農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮的生物地球化學過程的計算機模擬模型，可以模擬農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤固碳作用、硝態(tài)氮淋失和NH3揮發(fā)等。模型運作需要輸入土壤、氣候、農(nóng)作物及農(nóng)田管理等參數(shù)(表2)。DNDC模型是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛、模擬結(jié)果較準確的模型之一[9]。國內(nèi)學者對其從多個方面進行了驗證[10-11]，結(jié)果表明，DNDC模型完全適用于我國農(nóng)田污染物排放模擬。本研究通過對小麥調(diào)查產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量進行對比，其相對誤差范圍在3.6%～8.1%，說明DNDC模型在研究區(qū)域內(nèi)模擬較為準確。本研究利用DNDC模型模擬農(nóng)作物種植階段各種污染物的排放情況。

1.3　評價方法

生命周期評價方法的基本理論依據(jù)是能量守恒和物質(zhì)不滅定律。通過對一個產(chǎn)品、工藝或生產(chǎn)活動的能源和原材料的消耗以及廢氣、廢水、廢渣的排放量化來評估其對環(huán)境的影響。1997年SETAC頒布的原理與框架標準將生命周期評價描述為互相聯(lián)系、不斷重復進行的4個步驟，即目標與范圍確定、清單分析、影響評價和改進評價[12]。

1.3.1目標定義與范圍確定確定研究目標與范圍是生命周期評價的前提，決定了其后續(xù)階段的進行與評價結(jié)果的精度。本研究以與小麥生產(chǎn)農(nóng)業(yè)活動有關(guān)的原材料生產(chǎn)(礦石、能源開采、土地利用等)為起始系統(tǒng)邊界，到小麥收獲時所輸出的農(nóng)產(chǎn)品和污染物為系統(tǒng)的終止邊界。以生產(chǎn)1 t小麥籽粒為評價的基本功能單位，來測算不同種植區(qū)域被調(diào)查的農(nóng)戶生產(chǎn)1 t小麥籽粒與施肥有關(guān)的資源消耗和環(huán)境排放。資源消耗主要分析了土地資源的利用和農(nóng)資階段化肥生產(chǎn)所消耗的各種能源和礦產(chǎn)資源。環(huán)境排放主要分析了系統(tǒng)各階段(原料階段、農(nóng)資階段、農(nóng)作階段)排放的氣體(如CO2、SO2、N2O、NH3、NOx)以及由于淋溶所產(chǎn)生的養(yǎng)分損失(包括磷和氮的損失)。因數(shù)據(jù)缺乏，小麥生產(chǎn)生命周期各階段需要的設(shè)備設(shè)施和交通運輸工具生產(chǎn)的資源環(huán)境影響不予考慮。

表2　DNDC模型的輸入?yún)?shù)與來源

1.3.2清單分析生命周期的清單分析是對所研究系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)的資源消耗和環(huán)境排放進行量化計算的過程。本研究中，將整個生命周期分為3個階段，分別為原料階段、農(nóng)資階段、農(nóng)作階段。原料階段主要考慮化肥生產(chǎn)所用原料的開采和運輸過程中的資源消耗和環(huán)境影響；農(nóng)資階段主要考慮化肥生產(chǎn)和運輸過程中的資源消耗和環(huán)境排放；農(nóng)作階段僅考慮化肥施用對資源和環(huán)境的影響，其數(shù)據(jù)來自于DNDC模型模擬。原料階段和農(nóng)資階段的能耗等技術(shù)指標來自《中國能源統(tǒng)計年鑒》(2014年)、《中國統(tǒng)計年鑒》(2009—2014年)、《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》(2012—2014年)等。CO2、SO2、NOx等污染物的排放系數(shù)來自國內(nèi)相關(guān)文獻研究[13-14]。

1.3.3影響評價環(huán)境影響評價建立在清單分析的基礎(chǔ)之上，按照富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、溫室效應分類評價對環(huán)境影響的嚴重程度，分特征化、標準化、加權(quán)評估3個步驟進行環(huán)境影響評價。

1.3.3.1特征化本研究將小麥生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期特征化為能源耗竭、土地利用、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化、氣候變化5種環(huán)境影響類型。不同性質(zhì)的生態(tài)影響因子可以對同一種生態(tài)影響類型產(chǎn)生影響，但產(chǎn)生影響的貢獻率不同，為了方便計算，研究者通常采用當量系數(shù)法進行匯總，即將生態(tài)影響類型中的其中一種影響因子視為參照物，其影響潛力為1，將其他生態(tài)影響因子與其比較得出其他生態(tài)影響因子的相對環(huán)境影響潛力的大小。引起各類環(huán)境污染的污染物及其當量系數(shù)見表3、表4、表5。能源消耗是生產(chǎn)1 t小麥籽粒所消耗的能源，以消耗的標準煤為評價標準，其中電力折標準煤的系數(shù)為 0.123[15]，1 kg標準煤的發(fā)熱量為29.271 MJ/kg[16]。各類污染物轉(zhuǎn)化為相對環(huán)境影響潛力的當量系數(shù)來自國內(nèi)相關(guān)文獻研究[17]。

表3　引起全球氣候變暖折算成CO2時的權(quán)重系數(shù)

表4　引起環(huán)境酸化折算成SO2時的權(quán)重系數(shù)

1.3.3.2標準化標準化是為了消除各單項評價指標在量綱和級數(shù)上的差異，為各種環(huán)境影響類型建立一個可以相互比較的標準。本研究采用2000年世界人均環(huán)境影響潛力作為環(huán)境影響基準進行標準化處理[18](表5)。

Rx=Ep(x)/S(2 000)。

式中：Rx是指第x種潛在環(huán)境影類型標準化結(jié)果，p(x)是指系統(tǒng)對第x種環(huán)境影響類型潛值即特征化結(jié)果，S(2 000)是指選定2000年的基準值。

表5　引起富營養(yǎng)化折算成PO43-時的權(quán)重系數(shù)

1.3.3.3加權(quán)評估加權(quán)評估是對各種環(huán)境影響類型合并處理，設(shè)置每種環(huán)境影響類型的權(quán)重(表6)。各環(huán)境影響類型的權(quán)重設(shè)置來自國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果[19]。權(quán)重計算公式如下：

EI=∑WxRx。

式中：EI是指環(huán)境影響潛值，Wx是指第x種潛在影響因子的權(quán)重，Rx是指第x種潛在影響因子標準化結(jié)果。

表6　環(huán)境影響基準值和權(quán)重

1.3.4評價改進評價改進是總結(jié)經(jīng)驗，提出建議的階段。即歸納綜合清單分析和影響評價的結(jié)果識別、評價，并提出減少小麥生產(chǎn)生命周期內(nèi)資源消耗與污染物釋放建議的過程。本研究選擇改變小麥追肥方式來進行評價。

1.4　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)來自2014年對山西省種植小麥的6個主要市小麥種植農(nóng)戶的實地調(diào)查問卷，剔除了異常數(shù)據(jù)，篩選出客觀有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與分析

2.1　資源消耗和環(huán)境排放

表7、表8給出了山西省6個小麥種植市小麥生產(chǎn)系統(tǒng)生命周期的資源消耗和環(huán)境排放清單。由表7可知，山西省6個小麥種植市生產(chǎn)功能單位的小麥籽粒的土地利用在 1 616.09～1 965.95 m2/t之間。晉中市土地利用情況最優(yōu)。在磷礦消耗方面，山西省6個小麥種植市為40.96～53.84 kg/t 之間；呂梁市最低，為40.96 kg/t；晉城市最高，為53.84 kg/t，約是晉中市的1.24倍。在鉀礦消耗方面，山西省6個小麥種植市在18.40～24.05 kg/t之間，長治市消耗鉀礦最低，臨汾市消耗鉀礦最高，各市鉀礦消耗差別不大。能源消耗主要考慮了煤和電力的消耗。煤的消耗折算成標準煤計算，晉中市最低，為98.07 kg/t；晉城市最高，為130.45 kg/t。N2O、NH3、NO3-主要在系統(tǒng)農(nóng)作階段排放，與種植期的氮肥使用量和施用方式密切相關(guān)，由DNDC模型根據(jù)輸入的參數(shù)模擬得出。其中N2O的排放量大小依次是晉城市>長治市>臨汾市>晉中市>呂梁市>運城市。NH3的排放量大小依次是運城市>晉城市>臨汾市>呂梁市>長治市>晉中市。NO3-的損失量為長治市最高，呂梁市最低。CO2、SO2、NOx主要在系統(tǒng)原料階段和農(nóng)資階段排放。

2.2　資源環(huán)境影響評價

2.2.1特征化山西省6市小麥生產(chǎn)過程中的土地利用、能源消耗、環(huán)境酸化、富營養(yǎng)化以及氣候變化(即溫室效應)5種環(huán)境影響類型的潛力見圖1至圖6。由圖1可以看出，6市生產(chǎn)1 t小麥消耗能源最多的是晉城市，為4 130.51 MJ；晉中市最低，為3 105.24 MJ，主要發(fā)生在農(nóng)資生產(chǎn)階段。調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)戶間的耗能潛力差異較大。這與氮肥使用量相關(guān)，氮肥施用量越大，小麥生命周期能耗潛力越大，這與我國化肥生產(chǎn)工業(yè)能耗偏大有關(guān)。6市氮肥生產(chǎn)耗能分別占各自農(nóng)資階段耗能的91.8%、95.3%、93.0%、92.8%、93.6%、93.8%，可以看出，氮肥施用是小麥生命周期耗能的主要影響因素。如圖2所示，6市小麥生產(chǎn)土地利用率大小依次是晉中市>運城市>臨汾市>呂梁市>長治市>晉城市，其中土地利用率最高的是晉中市，生產(chǎn)1 t小麥占用土地面積為1 616.09 m2。土地利用率最低的是晉城市，生產(chǎn)1 t小麥占用的土地面積為1 965.95 m2。由圖3可知，6市的溫室效應潛力(以CO2當量計算)分別為晉中市737.53 kg CO2-eq/t、運城市708.11 kg CO2-eq /t 、臨汾市681.22 kg CO2-eq /t 、長治市768.99 kg CO2-eq /t 、呂梁市772.88 kg CO2-eq /t 、晉城市865.23 kg CO2-eq /t 。圖4表明，6市富營養(yǎng)化潛力(以PO43-當量計算)大小依次為運城市>晉城市>長治市>臨汾市>呂梁市>晉中市。6市小麥生命周期環(huán)境酸化潛力(以SO2當量計算)分別為晉中市19.76 kg/t、運城市31.88 kg/t、臨汾市 29.06 kg/t、呂梁市24.41 kg/t、長治市23.55 kg/t、晉城市32.24 kg/t(圖5)。

表7　山西省6個小麥種植市小麥生命周期資源消耗清單

表8　山西省6個小麥種植市小麥生命周期排放清單

2.2.2標準化與加權(quán)將2000年世界人均環(huán)境影響潛力作為基準值，對環(huán)境影響進行標準化。6市的富營養(yǎng)化指數(shù)在0.392 5～0.628 0之間，運城市最高，晉中市最低。環(huán)境酸化指數(shù)在0.347 2～0.574 3之間，晉城市最高，晉中市最低。對于土地利用指數(shù)，晉中地區(qū)為0.298 0，土地利用率最好，晉城地區(qū)為0.362 5，利用率最差，這與兩地地理條件和自然因素有關(guān)。能源消耗指數(shù)在0.054 6～0.072 6之間，各市能源消耗差距不大。溫室效應指數(shù)在0.099 2～0.126 0之間，晉城地區(qū)最高，臨汾市最低。通過比較5種環(huán)境影響類型，富營養(yǎng)化的環(huán)境影響指數(shù)最高，相當于2000年世界人均環(huán)境影響潛力的39.3%～45.8%(圖6)。

加權(quán)評估后的環(huán)境影響總指數(shù)見圖6，6市小麥生命周期環(huán)境影響潛力大小依次為富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、土地利用、溫室效應和能源消耗。6市環(huán)境影響綜合指數(shù)分別為晉中市 0.261 6、運城市0.380 1、臨汾市0.351 2、呂梁市0.303 9、長治市0.349 5、晉城市0.384 2。

2.3　改進評價

由環(huán)境影響綜合指數(shù)可知，富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化是對6市環(huán)境影響最大的2種環(huán)境影響類型。富營養(yǎng)化潛力和環(huán)境酸化潛力占各市環(huán)境影響總潛力的61.7%～71.1%。降低環(huán)境污染首先要降低富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化，其中農(nóng)作階段化肥施用NH3揮發(fā)是導致富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化的主要原因。而施肥方式又是降低NH3揮發(fā)的有效途徑。如果將6市小麥生產(chǎn)的施肥方式由撒施改為穴施，則小麥生產(chǎn)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化指數(shù)分別降低到晉中市0.306 5、運城市0.508 4、臨汾市0.455 1、呂梁市0.338 3、長治市0.495 3、晉城市0.456 1，環(huán)境酸化指數(shù)分別降低到晉中市0.259 5、運城市0.445 7、臨汾市0.404 2、呂梁市0.324 2、長治市0.385 3、晉城市0.419 0，環(huán)境影響綜合指數(shù)分別降到晉中市0.218 2、運城市0.319 7、臨汾市0.295 4、呂梁市0.249 3、長治市0.310 2、晉城市 0.311 1(圖7)。

3　結(jié)論與討論

因為我國的LCA研究屬于發(fā)展階段，缺乏優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然已經(jīng)有些地區(qū)建立了生命周期數(shù)據(jù)庫，但是數(shù)據(jù)庫卻還不夠完善和細化，這成為阻礙生命周期進一步發(fā)展的最大障礙。本研究對于LCA系統(tǒng)邊界的確定具有一定的主觀性，不一定普遍適用。由問卷調(diào)查方式獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不確定性大；特征化、標準化的參數(shù)均引用國內(nèi)外研究文獻，影響了評價結(jié)果的準確性。另外，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制，只考慮了資源和生態(tài)方面的環(huán)境問題，沒有考慮經(jīng)濟和社會方面的影響。未來生命周期的發(fā)展方向應該致力于建立具有地域、時域、行業(yè)和工藝等特點的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提高生命周期評價結(jié)果的準確性[20]。

本研究結(jié)果表明，山西省6個小麥種植市小麥施肥的資源環(huán)境影響綜合指數(shù)分別為晉中市0.261 6、運城市0.380 1、臨汾市0.351 2、呂梁市0.303 9、長治市0.349 5、晉城市 0.384 2。6個市小麥生命周期資源環(huán)境影響潛力大小依次是富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、土地利用、氣候變化和能源耗竭。富營養(yǎng)化和環(huán)境酸化是小麥施肥環(huán)境污染中需要關(guān)注的重點問題，改變施肥方式可以有效降低NH3的揮發(fā)，從而降低富營養(yǎng)化。

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