基于生命周期评价的楚雄市水稻生产环境影响评价

段智源 王学良 何萍

摘 要 水稻种植会直接和间接造成环境问题。基于此，借助生命周期法，选取能源消耗、温室气体、富营养化和环境酸化4个指标对云南省楚雄州楚雄市水稻生产的环境影响进行评价，揭示该区域水稻生产中环境影响物质的来源、结构和贡献率，为该区域水稻生产的环境影响调控提供参考。结果表明：楚雄市水稻生产的能源消耗、温室气体、富营养化和环境酸化四个环境影响指标对应的环境影响潜值分别为2 432.496 MJ、979.814 kg CO2-eq、11.381 kg PO43--eq和46.929 kg SO2-eq;几种环境影响指标对应的环境影响严重程度排序为富营养化>环境酸化>温室气体>能源消耗，对应的环境影响指数分别为6.054、0.898、0.134和0.094;楚雄市每生产1 t水稻产品系统环境影响值为1.685。氮肥的清洁生产和合理施用是降低该区域水稻生产造成环境影响的关键。

关键词 水稻;环境影响;生命周期评价

中图分类号：X820.3 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.14.089

水稻是中国重要的粮食作物，目前已有研究表明，种植水稻在满足人类粮食需求的同时，也会对环境造成一定负面影响，如排放温室气体、造成土壤酸化、造成水体富营养化等[1-5]。

楚雄市是云南省重要的水稻生产区域，目前已有较多学者针对该区域水稻的品种、田间管理方法、产量和品质等进行了研究[6-8]，而对于楚雄市水稻种植对于环境的影响方面的研究仍然空缺。因此，本研究将借助生命周期评价方法（LCA）对楚雄市典型水稻种植区域的水稻生产过程进行环境影响评价，为该区域水稻生产过程提供一定的环境管理依据。

1 研究区域概况

云南省楚雄市位于云贵高原中部，地跨东经100°35′～101°48′、北纬24°30′～25°15′，属北亚热带季风气候区，冬干夏湿，气温日差较大，年差较小，冬无严寒，夏无酷暑，干湿季分明，雨热同季，日照充足，年均日照为2 422 h，无霜期242 d，冬季降水偏少，年降水量为864 mm，年均气温为17.4 ℃。本研究选取楚雄市辖区内的东华镇作为调查区域，该区域的水稻生产均是在楚雄彝族自治州农业科学研究推廣所的指导下进行的，种植面积较大，且种植模式统一，较能代表楚雄市的水稻生产模式。

2 基本原理与研究方法

根据ISO（2006）提出的生命周期评价原则，LCA由四部分组成：目标定义与范围界定、清单分析、影响评价和改进评价。

2.1 目标定义与范围界定

本研究以生产1 t水稻为功能单位，研究楚雄市水稻生产系统的能源消耗和对环境的影响。系统边界从水稻生产上游的相关农资生产开始，直到加工出稻米结束，具体分为农资系统和农作系统。

2.2 清单分析

清单分析是指对农资系统和农作系统中的能源消耗和环境排放进行量化分析。本研究选取能源消耗、温室气体、富营养化和环境酸化4个指标进行评价，各指标对应的具体环境影响项目详见表1。

各指标对应的环境影响潜值可根据公式（1）进行计算：

式中EP（x）为第x种指标对应的环境影响潜值;EP（x）i为系统排放物质的第i项对应第x种指标的环境影响潜值;Q（x）i为系统排放物质第i项的排放量;EF（x）i为系统排放物质的第i项的环境影响潜值参数。

2.2.1 排放量的确定

化肥和农药及其有效成分的用量主要来自于实地调查，并根据对应的含量进行换算;柴油和电能的消耗量来自于实地调查。

温室气体的排放量以CO2当量（CO2-eq）计。水稻田的CH4排放参照《省级温室气体清单编制指南（试行）》，云南地区水稻田的CH4排放因子为156.2 kg·hm-2，而单位质量的CH4的全球增温潜势是CO2的25倍，水稻产量为11 250 kg·hm-2，因此换算得到每生产1 t水稻排放的CH4相当于347.11 kg CO2。N2O-N的挥发量参照Brentrup F等[9-10]的研究成果，取总氮投入量的1.25%;总氮包括氮肥部分和猪粪部分所含N，猪粪的含氮量参考梁亚男等[11]的研究成果，取2.72%，而单位质量N2O的全球增温潜势是CO2的310倍[12]，因此换算得到每生产1 t水稻排放的N2O-N为0.66 kg，造成的温室效应相当于321.86 kg CO2。

柴油和电能生产造成的SO2和NOx的排放参照杨建新的研究成果[13]，柴油生产的NOx排放量为0.285 kg·kg-1，SO2排放量为2.399 kg·kg-1;电能生产的NOx排放量为0.052 kg·kW-1·h-1，SO2排放量为0.102 kg·kW-1·h-1。

稻田氨态氮（NH3-N）的挥发量和硝态氮（NO3--N）的损失量参照田玉华、尹娟等[14-15]的研究成果，取N投入量的28%和5%;氧化氮（NOx-N）的排放量参照Brentrup F、Mosier A等的研究成果[9-10]，取N2O-N排放量的10%，实际视为NO2。

磷的排放量（总磷Ptot）参照纪雄辉[16]的研究成果，取化肥含磷量的0.86%与猪粪含磷量的1.44%之和;猪粪的含磷量参照相关研究成果，取猪粪投入量的0.0135%;综上换算得到磷的排放量为58.16 g。

每生产1 t水稻对应造成环境影响的各种实物量见表2。

2.2.2 环境影响潜值参数的确定

化肥生产能耗的参数参照张霞等[17]的研究成果;农药和柴油的能耗参数参照袁宝容等[18]的研究成果;电能生产的能耗参数参照杨建新[13]的研究成果。

化肥生产的温室气体排放参数参照徐小明[19]的研究成果;农药生产的温室气体排放参数参照Lal R和Smith P的研究成果[20-21];柴油和电能造成的温室气体排放参照IPCC（2007）和中国国家发改委的报告[22]。

富营养化和环境酸化的参数参照邓南圣[23]的研究成果，分别以PO43-当量（PO43--eq）和SO2当量（SO2-eq）计。

本研究用到的环境影响潜值参数见表3。

2.2.3 标准化和加权评估

各指标对应的环境影响潜值可通过公式（2）进行标准化处理及加权评估：

式中：EI为产品系统环境影响值;Wx为第x种指标对应的环境影响值的权重系数;EP（x）为第x种指标对应的环境影响潜值;EF（2000）为2000年世界人均环境影响基准值;EP（x）/EF（2000）即为第x种指标对应的环境影响指数。

环境影响值的权重系数参照王明新等[24]的研究成果，并将其权重总和按比例优化为1;权重系数和2000年世界人均环境影响基准值见表4。

3 影响评价

本研究中造成环境影响潜值的项目及对应的环境影响潜值见表5。其中括号外数值为某个项目的环境影响潜值，括号内数值为该项目对应特定环境影响潜值的贡献率。

3.1 能源消耗

在能源消耗方面，每生产1 t水稻造成的总能源消耗为2 432.495 MJ，其中农资系统的能源消耗占绝大部分，为总能源消耗的94.49%，其中以氮肥生产的贡献率最高，达到了85.05%。这是因为化学氮肥在整个农资系统中的用量较大，仅次于猪粪和磷肥，且化学氮肥生产的能耗系数较高。其他项目对能源消耗的贡献率较低，为1.55%～6.02%。

3.2 温室气体

在温室气体排放方面，每生产1 t水稻造成的温室气体排放为979.815 kg CO2-eq，其中29.40%来自农资系统，70.60%来自农作系统。在整个系统中，对温室气体排放贡献率最高的3项分别是稻田CH4排放、稻田N2O排放和氮肥生产，贡献率分别为35.43%、32.85%和21.60%，其中稻田N2O排放和氮肥生产造成的温室气体排放均是由氮肥的施用（包括化肥和猪粪）直接或间接造成，因此氮肥的投入对整个系统的温室气体排放贡献率达到了54.45%。其他项目对温室气体排放的贡献率较低，为0.65%～3.53%。

3.3 富营养化

在富营养化方面，每生产1 t水稻造成的富营养化潜值为11.381 kg PO43--eq，其中农作系统占据了绝大部分，贡献率为98.88%。对富营养化贡献率最高的两项是稻田NH3排放和稻田NO3-排放，其贡献率分别为52.11%和43.19%，该两项均是由于氮肥的施用（包括化肥和猪粪）直接或间接造成，两项贡献率之和达到了95.30%;整个系统中氮肥施用对富营养化的总贡献率为95.55%。其他项目对富营养化的贡献率较低，为1.12%～1.73%。

3.4 环境酸化

在环境酸化方面，每生产1 t水稻造成的环境酸化潜值为46.927 kg SO2-eq，其中19.05%来自农资系统，由柴油生产排放的SO2和NOx造成;80.95%来自农作系统，贡献率最高的项目为稻田NH3排放，贡献率为71.99%，该项是由氮肥的施用（包括化肥和猪粪）造成，整个系统中氮肥施用对环境酸化的总贡献率达到了72.31%;电能生产对环境酸化的贡献率相对柴油生产较低，为8.64%。

3.5 标准化和加权评估

根据公式（2）和表4中环境影响指数的基准值与权重，计算得到了能源消耗、温室气体、富营养化、环境酸化4个环境影响指标对应的环境影响指数，并最终得出了生产1 t水稻的产品系统环境影响值，见表6。

研究区域每生产1 t水稻的环境影响指数大小排序为富营养化>环境酸化>温室气体>能源消耗，该四项环境影响指标对应的环境影响潜值相当于2000年世界人均环境影响基准值的605.4%、89.8%、14.3%和9.4%。可以看出，在几种潜在的环境影响中，富营养化效应要比其他环境影响效应严重得多，这也说明了该区域存在氮肥投入过量的问题。

通过加权评估，得出研究区域每生产1 t水稻的产品系统环境影响值为1.685。

4 改进评价

云南省楚雄市水稻生产的生命周期中，对环境影响最大的因素是氮肥的施用。1）氮肥在产品系统中投入量较大;2）氮肥在生产过程中要消耗大量的能源，排放较多的温室气体;3）氮肥的大量投入导致稻田排放了大量的N2O、NH3、NO3-等，會对环境造成影响，且这些物质的环境影响系数都较高。因此，实施氮肥的清洁生产、提高氮肥的利用率、降低稻田N2O与NH3排放和降低稻田NO3-的流失率是控制楚雄市水稻生产环境影响的关键。

本研究以1 t水稻为功能单位测算得到的能源消耗、温室气体、富营养化和环境酸化四个环境影响指标对应的环境影响潜值分别为2432.495 MJ、979.815 kg CO2-eq、11.381 kg PO43--eq和46.927 kg SO2-eq;其他同类型研究的结果显示，该四项指标的值分别为2717.97～4525.91 MJ、332.27～654.43 kg CO2-eq、1.80～4.36 kg PO43--eq和11.00～17.48 kg SO2-eq[5，25-26]。相对于其他学者的研究成果，本研究得到的能源消耗值偏低，这是因为本研究参考的化肥生产能耗系数是较新的研究成果，其数值较低;而温室气体、富营养化和环境酸化潜值相对较高，这是因为本研究中更为详尽地考虑了氮肥施用造成的排放，尤其是猪粪的大量施用，导致了N2O、NH3等物质的大量排放和NO3-的大量流失，进而导致相应的环境影响潜值较高。

目前已有的研究表明，在水稻生产过程中，稻田N2O、CH4、NH3等物质的排放和NO3-等物质的流失受到气候、土壤、农作措施等多种因素的影响[4，14-16]，在不同的试验条件下，其排放强度不尽相同。若能开展田间试验直接测定相关环境影响物质的排放强度，研究区域的环境影响评价数值将更加精确。

此外，本研究涉及到的农药类型缺乏相关的毒性研究成果，因此农药造成的人体毒性、土壤毒性和水体毒性在本研究中未加以考虑。

5 结论

本研究选取能源消耗、温室气体、富营养化和环境酸化四项指标，测算了楚雄市每生产1 t水稻的环境影响潜值和环境影响指数，并得出了产品系统环境影响值，以期为该区域水稻种植的环境影响调控提供一定参考依据。研究表明，富营养化是该区域水稻生产造成的最严重的潜在环境影响问题;而氮肥的清洁生产和合理施用是降低该区域水稻生产造成环境影响的关键。

参考文献：

[1] Thanawong K，Perret SR，Basset-Mens C.Eco-efficiency of paddy rice production in Northeastern Thailand：a comparison of rain-fed and irrigated cropping systems[J].Journal of Cleaner Production，2014，73（73）：204-217.

[2] Brodt S，Kendall A，Moharnmadi Y，et al.Life cycle greenhouse gas emissions in California rice production[J].Field Crops Research，2014，169：89-98.

[3] Mohammadi A，Rafiee S，Jafari A.et al.Joint life cycle asseasment and data envelopment analysis for the benchmarking of environmental impacts in rice paddy production[J].Journal of Cleaner Production，2015，106（20）：521-532.

[4] 王斌.新型氮肥对双季稻田温室气体减排的研究[D].北京：中国农业科学院，2014.

[5] 梁龙，陈源泉，高旺盛.两种水稻生产方式的生命周期环境影响评价[J].农业环境科学学报，2009，28（9）：1992-1996.

[6] 卢腾，李凯，朱景林.楚雄州水稻生产全程机械化水平研究[J].农业开发与装备，2017（2）：54-55.

[7] 金琼.楚雄市水稻施肥技术参数的研究[J].农民致富之友，2016（6）：135，36.

[8] 王学辉.楚雄州水稻简塑钵育秧技术应用[J].农民致富之友，2014（13）：40.

[9] Brentrup F，Küsters J，Kuhlmann H，et al.Environmental impact assessment of agricultural production systems using the life cycle assessment methodology.I.Theoretical concept of a LCA method tailored to crop production[J].european journal of agronomy，2004，20（3）：247-264.

[10] Mosier A，Kroeze C，Nevison C，et al.Closing the global N2O budget：nitrous oxide emissions through the agricultural nitrogen cycle[J].1998，52（2-3）：225-248.

[11] 梁亚男，姜军坡，王世英，等.Z-27菌剂对猪舍空气NH3、H2S浓度及排泄物含氮量的影响[J].江苏农业科学，2019，47（5）：148-153.

[12] Solomon S，Qin D，Manning M，et al.Summary for Policymakers. In Climate Change 2007：The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[J].Cambridge University Press，2007，18（2）：95-123.

[13] 杨建新.产品生命周期评价方法及应用[M].北京：气象出版社，2002.

[14] 田玉华，尹斌，贺发云，等.太湖地区稻季的氮素径流损失研究[J].土壤学报，2007（6）：1070-1075.

[15] 尹娟，费良军，田军仓，等.水稻田中氮肥损失研究进展[J].农业工程学报，2005（6）：189-191.

[16] 纪雄辉，郑圣先，刘强，等.施用有机肥对长江中游地区双季稻田磷素径流损失及水稻产量的影响[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2006（3）：283-287.

[17] 张霞，蔡宗寿，李欢.我国化肥生产能源消费现状分析[J].现代化工，2014，34（10）：12-15.

[18] 袁寶荣，聂祚仁，狄向华，等.中国化石能源生产的生命周期清单（Ⅱ）——生命周期清单的编制结果[J].现代化工，2006（4）：59-61.

[19] 徐小明.吉林西部水田土壤碳库时空模拟及水稻生产的碳足迹研究[D].长春：吉林大学，2011.

[20] Lal R.Carbonemission from farm operations[J].Environment International，2004，30（7）：981-990.

[21] Smith P，Maitino P，CaiZ C.Greenhouse gas mitigation in agriculture[J].Biological Science，2008，363（14）：789-813.

[22] 中华人民共和国国家发展和改革委员会应对气候变化司.关于公布2009年中国区域电网基准线排放因子的公告.[2013-03-20]（2020-04-11）.http：//qhs.ndrc.gov.cn/qjfzjz/t20090703_289357.htm.

[23] 邓南圣，王小兵.生命周期评价[M].北京：化学工业出版社，2002.

[24] 王明新，包永红，吴文良，等.华北平原冬小麦生命周期环境影响评价[J].农业环境科学学报，2006（5）：1127-1132.

[25] 卢娜，曲福田，冯淑怡.太湖流域上游地区不同施肥技术下水稻生产对环境的影响分析——基于生命周期评价方法[J].南京农业大学学报（社会科学版），2012，12（2）：44-51.

[26] 胡乃娟，陈倩，朱利群.长江中下游稻-麦轮作系统生命周期环境影响评价——以江苏南京为例[J].长江流域资源与环境，2019，28（5）：1111-1120.

（责任编辑：刘昀）