基于DNDC模型的小麥生命周期資源環境影響評價

吳亞楠， 魏　強， 孫晶華

(山西農業大學資源環境學院，山西晉中 030801)

目前我國農業生產面臨環境污染和糧食安全的雙重壓力[1]，如何在保證糧食產量的同時減少環境污染成為我國農業生產亟需解決的問題。小麥是我國主要糧食作物之一，探討小麥的產量和環境排放對我國農業生產具有重要意義。我國集約化農業生產過程中，農民在“投入多、收獲多”錯誤理念的引導下，在農作物種植階段施用過量化肥。化肥的大量施用造成了資源浪費和環境污染，也帶動了上游化肥生產的資源消耗和環境污染[2]。國內學者對農業生產中的環境污染進行了廣泛研究[3-4]，但大多數研究方法單一、片面，忽視了農產品生產上下游環節的環境影響。因此，需要建立一個科學、合理、綜合的評價方法來評估農業生產。生命周期評價(life cycle assessment，LCA)是一個產品、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]，經過半個多世紀的發展，如今作為新興的環境管理工具成為環境科學領域研究的熱點，被廣泛應用于多個領域的環境影響評價。在農業領域，也有學者開展了農產品或農藝措施的生命周期研究[6-7]。但這些研究多數為大尺度區域的研究，過于籠統。本研究以山西省小麥主產區為研究對象，精確到農戶尺度進行小麥生產資源環境影響評價，旨在為制定引導農戶科學合理施肥的政策提供指導。

1　材料與方法

1.1　研究區域與數據來源

數據來源于2014年對山西省小麥主產區6個市260個鄉鎮500個農戶的實地問卷調查，回收有效調查問卷427份。抽樣方法為隨機等間距方法[8]。調查結果顯示，小麥主要施肥種類有尿素、復合肥、磷酸二銨、碳酸氫銨等。各調查地區養分投入及產量見表1。

表1　山西省6市小麥生產中肥料投入量與小麥產量

1.2　DNDC模型簡介及驗證

DNDC模型是描述農業生態系統中碳、氮的生物地球化學過程的計算機模擬模型，可以模擬農作物產量、土壤固碳作用、硝態氮淋失和NH3揮發等。模型運作需要輸入土壤、氣候、農作物及農田管理等參數(表2)。DNDC模型是目前農業生產中應用最廣泛、模擬結果較準確的模型之一[9]。國內學者對其從多個方面進行了驗證[10-11]，結果表明，DNDC模型完全適用于我國農田污染物排放模擬。本研究通過對小麥調查產量和模擬產量進行對比，其相對誤差范圍在3.6%～8.1%，說明DNDC模型在研究區域內模擬較為準確。本研究利用DNDC模型模擬農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是能量守恒和物質不滅定律。通過對一個產品、工藝或生產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，決定了其后續階段的進行與評價結果的精度。本研究以與小麥生產農業活動有關的原材料生產(礦石、能源開采、土地利用等)為起始系統邊界，到小麥收獲時所輸出的農產品和污染物為系統的終止邊界。以生產1 t小麥籽粒為評價的基本功能單位，來測算不同種植區域被調查的農戶生產1 t小麥籽粒與施肥有關的資源消耗和環境排放。資源消耗主要分析了土地資源的利用和農資階段化肥生產所消耗的各種能源和礦產資源。環境排放主要分析了系統各階段(原料階段、農資階段、農作階段)排放的氣體(如CO2、SO2、N2O、NH3、NOx)以及由于淋溶所產生的養分損失(包括磷和氮的損失)。因數據缺乏，小麥生產生命周期各階段需要的設備設施和交通運輸工具生產的資源環境影響不予考慮。

表2　DNDC模型的輸入參數與來源

1.3.2清單分析生命周期的清單分析是對所研究系統的整個生命周期內的資源消耗和環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、農資階段、農作階段。原料階段主要考慮化肥生產所用原料的開采和運輸過程中的資源消耗和環境影響；農資階段主要考慮化肥生產和運輸過程中的資源消耗和環境排放；農作階段僅考慮化肥施用對資源和環境的影響，其數據來自于DNDC模型模擬。原料階段和農資階段的能耗等技術指標來自《中國能源統計年鑒》(2014年)、《中國統計年鑒》(2009—2014年)、《中國農業統計年鑒》(2012—2014年)等。CO2、SO2、NOx等污染物的排放系數來自國內相關文獻研究[13-14]。

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

1.3.3.1特征化本研究將小麥生產系統生命周期特征化為能源耗竭、土地利用、環境酸化、富營養化、氣候變化5種環境影響類型。不同性質的生態影響因子可以對同一種生態影響類型產生影響，但產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法進行匯總，即將生態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，將其他生態影響因子與其比較得出其他生態影響因子的相對環境影響潛力的大小。引起各類環境污染的污染物及其當量系數見表3、表4、表5。能源消耗是生產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為 0.123[15]，1 kg標準煤的發熱量為29.271 MJ/kg[16]。各類污染物轉化為相對環境影響潛力的當量系數來自國內相關文獻研究[17]。

表3　引起全球氣候變暖折算成CO2時的權重系數

表4　引起環境酸化折算成SO2時的權重系數

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上的差異，為各種環境影響類型建立一個可以相互比較的標準。本研究采用2000年世界人均環境影響潛力作為環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種潛在環境影類型標準化結果，p(x)是指系統對第x種環境影響類型潛值即特征化結果，S(2 000)是指選定2000年的基準值。

表5　引起富營養化折算成PO43-時的權重系數

1.3.3.3加權評估加權評估是對各種環境影響類型合并處理，設置每種環境影響類型的權重(表6)。各環境影響類型的權重設置來自國內相關研究結果[19]。權重計算公式如下：

EI=∑WxRx。

式中：EI是指環境影響潛值，Wx是指第x種潛在影響因子的權重，Rx是指第x種潛在影響因子標準化結果。

表6　環境影響基準值和權重

1.3.4評價改進評價改進是總結經驗，提出建議的階段。即歸納綜合清單分析和影響評價的結果識別、評價，并提出減少小麥生產生命周期內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　數據處理

數據來自2014年對山西省種植小麥的6個主要市小麥種植農戶的實地調查問卷，剔除了異常數據，篩選出客觀有效的基礎數據。

2　結果與分析

2.1　資源消耗和環境排放

表7、表8給出了山西省6個小麥種植市小麥生產系統生命周期的資源消耗和環境排放清單。由表7可知，山西省6個小麥種植市生產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。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-主要在系統農作階段排放，與種植期的氮肥使用量和施用方式密切相關，由DNDC模型根據輸入的參數模擬得出。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主要在系統原料階段和農資階段排放。

2.2　資源環境影響評價

2.2.1特征化山西省6市小麥生產過程中的土地利用、能源消耗、環境酸化、富營養化以及氣候變化(即溫室效應)5種環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，主要發生在農資生產階段。調查結果顯示，農戶間的耗能潛力差異較大。這與氮肥使用量相關，氮肥施用量越大，小麥生命周期能耗潛力越大，這與我國化肥生產工業能耗偏大有關。6市氮肥生產耗能分別占各自農資階段耗能的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標準化與加權將2000年世界人均環境影響潛力作為基準值，對環境影響進行標準化。6市的富營養化指數在0.392 5～0.628 0之間，運城市最高，晉中市最低。環境酸化指數在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，晉中地區為0.298 0，土地利用率最好，晉城地區為0.362 5，利用率最差，這與兩地地理條件和自然因素有關。能源消耗指數在0.054 6～0.072 6之間，各市能源消耗差距不大。溫室效應指數在0.099 2～0.126 0之間，晉城地區最高，臨汾市最低。通過比較5種環境影響類型，富營養化的環境影響指數最高，相當于2000年世界人均環境影響潛力的39.3%～45.8%(圖6)。

加權評估后的環境影響總指數見圖6，6市小麥生命周期環境影響潛力大小依次為富營養化、環境酸化、土地利用、溫室效應和能源消耗。6市環境影響綜合指數分別為晉中市 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

由環境影響綜合指數可知，富營養化和環境酸化是對6市環境影響最大的2種環境影響類型。富營養化潛力和環境酸化潛力占各市環境影響總潛力的61.7%～71.1%。降低環境污染首先要降低富營養化和環境酸化，其中農作階段化肥施用NH3揮發是導致富營養化和環境酸化的主要原因。而施肥方式又是降低NH3揮發的有效途徑。如果將6市小麥生產的施肥方式由撒施改為穴施，則小麥生產系統的富營養化指數分別降低到晉中市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，環境酸化指數分別降低到晉中市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，環境影響綜合指數分別降到晉中市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　結論與討論

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

本研究結果表明，山西省6個小麥種植市小麥施肥的資源環境影響綜合指數分別為晉中市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境影響潛力大小依次是富營養化、環境酸化、土地利用、氣候變化和能源耗竭。富營養化和環境酸化是小麥施肥環境污染中需要關注的重點問題，改變施肥方式可以有效降低NH3的揮發，從而降低富營養化。

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