沈陽地區水稻生產的生態環境影響研究

常俊彥，宋明陽，于曉曼，白金衡，賈晶旭，劉鳴達*

（1.沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866；2.南京農業大學資源與環境科學學院，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質稻區，水稻是沈陽地區的主栽作物。到2015年，沈陽地區水稻播種面積高達10.89萬hm2，產量為100.4萬t[1]。隨著水稻生產技術的提高，機械化面積不斷增大，加之水稻對農藥化肥和灌溉水等消耗量很大，導致這一生產活動的環境影響不斷加大。從生命周期的視角來看，水稻生產不是一個簡單的種植活動，而是包括原料開采、農資生產和水稻種植在內的一個生產過程。單純評價種植階段的環境影響，通常會忽視全過程的環境影響。因此，從整個生產過程的角度分析其資源消耗、生態破壞與環境污染情況才能準確評價水稻生產的環境影響。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法產生于20世紀60年代，主要用于工業產品或工藝全過程的定量分析和評價，90年代開始應用于農業生產的環境影響評價[2]。它的優勢在于對農產品生產的生命周期所涉及的物質消耗和污染物排放進行辨識、量化和評價，最終評價資源和環境效益，挖掘降低環境影響的潛力[3]。近年來國內外也有一些關于水稻生產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，研究結果差異很大。本研究以沈陽地區水稻生產為例，全面考慮影響因子和指標，應用LCA法對水稻生產系統的“原料開采-農資生產-水稻種植”過程的環境影響進行分析和評價，以期為降低沈陽地區水稻生產的環境影響，實現稻作清潔生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2016年4月—2017年9月對沈陽稻區進行實地調查。共調查農戶62戶，調查內容包括化肥種類及用量、農藥種類及用量、機械耗油、生產耗電、灌溉水量等相關信息，具體投入產出數據平均值見表1。

表1 沈陽地區水稻種植投入產出表Table 1 Inputs-outputs of rice cultivation in Shenyang area

1.2 評價方法

根據國際環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、結果解釋。

1.2.1 目標定義與范圍界定

以生產1 t稻谷為功能單位，規定起始邊界為生產化肥農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

將水稻生產生命周期分為三個階段：原料開采、農資生產和水稻種植階段。分別考慮礦石、化石能源的開采與運輸的資源消耗和污染排放，化肥、農藥的生產與運輸的資源消耗和污染排放，化肥、農藥以及農機的使用的資源消耗和污染排放。

圖1 水稻生產生命周期系統邊界Figure 1 LCA system boundary of rice production

其中原料開采和農資生產階段的能耗、物耗和水耗等指標參考《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》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參考相關文獻[13-19]。氮素、磷素流失和重金屬排放系數參考相關文獻[20-26]；農藥使用的殘留系數引用van Calk的研究結果[27]；稻田甲烷排放系數根據IPCC2006的公式計算得到[28]；稻田固碳能力參考相關文獻[29-32]。由于缺少農藥毒性當量系數轉換的相關報道，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

采用當量系數法將同類污染物轉化為參照物的環境影響潛力[22]，評價水稻生產的環境影響。部分環境影響類型及當量系數見表2。

各類環境影響潛值根據公式（1）計算。

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

表2 環境影響類型及排放物的當量系數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耗水，可根據式（3）計算。

式中：F為系統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使用率。

稻田固碳能力可根據式（4）計算。

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

1.2.3.2 標準化和加權評估

選用2000年世界人均環境影響潛力為基準進行標準化處理，權重系數參考Sleeswijk的研究結果[36]。基準值和權重系數如表3所示。

標準化過程可用公式（5）表示。

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

加權評估可以用公式（6）進行計算。

式中：EI為系統環境影響值；Wx為第x種潛在環境影響的權重；Rx為第x種潛在環境影響的標準化結果。

表3 環境影響指數的基準值與權重Table 3 Normalization values and weighs for different impact categories

2 結果與分析

2.1 清單匯總

水稻生產生命周期清單見表4。

2.2 特征化

各類環境影響的特征化結果見表5。

2.3 標準化和加權評估

各類環境影響的標準化和加權后結果列于表6。可以看出，各類環境影響指數大小依次為：水體毒性、富營養化、土壤毒性、人體毒性、環境酸化、全球變暖和能源消耗，環境影響指數分別為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%。各階段環境影響大小依次為：水稻種植、原料開采和農資生產階段，其中水稻種植階段的水體毒性、富營養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；農資生產階段的富營養化影響最嚴重。加權處理后，環境影響綜合指數為2.267。

2.4 結果解釋

2.4.1 資源消耗

由表4可知，生產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1 t稻谷生命周期能源消耗總量為6 893.41 MJ，農資生產、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%。農資生產階段的能耗主要源于化肥生產，化肥生產是能源密集型產業，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生。化肥生產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中全球變暖的貢獻率為87.12%。但總體上水稻種植仍表現出碳匯現象，生產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、農資生產和原料開采階段對系統全球變暖潛值的貢獻率分別為44.8%、42.33%和12.97%。盡管農資生產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產生的溫室效應對全球變暖的貢獻率為-11.65%。

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

2.4.3 環境酸化

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

表5 水稻生產生命周期清單特征化結果Table 5 The results of characterization of life cycle inventory of rice production

表6 水稻生產生命周期環境影響標準化和加權分析Table 6 Life cycle environmental impact indexes and evaluation results of rice production

2.4.4 富營養化

圖2 水稻生產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 水稻生產生命周期環境酸化影響潛力Figure 3 Life cycle acidification effects potentials of rice production

2.4.5 毒性

生產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藥殘留導致的水體污染，該階段造成的水體毒性占毒性影響的28.4%。

3 討論

有學者應用LCA法對水稻生產生命周期的資源、能源消耗以及各環境影響進行評價。為了比較分析沈陽地區水稻生產的環境影響，表7列出了國內外幾例相關研究結果。

沈陽地區水稻生產潛在環境影響較大的是能源消耗、全球變暖、環境酸化、富營養化與毒性，這與湖南、江蘇太湖等地區的研究結果基本一致。但本研究綜合考慮了各階段運輸的能源消耗、能源開采的損耗、常用農藥的危害及稻田固碳能力等因素，導致環境影響大小與國內外研究結果存在一定差異。

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

能源消耗主要發生于化肥生產環節，沈陽地區水稻生產化肥用量較多，因此能耗較高。其次，沈陽稻區農機合作社發展較快，水稻生產機械化程度較高，加之與南方地區相比，沈陽地區降雨較少，人工灌溉用水量較多。因此在種植階段，沈陽地區的農機耗能和灌溉用電會高于其他地區。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，沈陽地區水稻生產能耗高于國內同類研究結果。與國外相比，巴西[7]和日本[40]的研究邊界為“農資生產-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“農資生產-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 不同區域水稻生產生命周期潛在環境影響對比Table 7 Comparisons of potential environmental impact of one ton rice production in different areas

影響沈陽地區水稻生產潛在全球變暖的主要因子是CH4。CH4主要產生于種植階段，沈陽、上海[4]和江蘇[39]地區水稻種植階段CH4的全球變暖潛值分別為337.68、680.54、2 641.44 kg CO2-equ·t-1。南方地區排放率較高，加之單季稻產量低于北方稻區，所以生產1 t水稻產生和排放的CH4高于北方[42-43]。CO2主要產生于農資生產和原料開采階段，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上其排放量為-45.15 kg·t-1。綜合考慮，沈陽地區水稻生產的全球變暖潛值在國內研究中屬低等水平。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、運輸和出口環節排放的溫室氣體[41]，致使其結果較高。

從本研究結果來看，種植階段氮肥施用造成的氨揮發是導致潛在環境酸化的主要原因。氨揮發系數因地理環境和種植管理模式不同而有所差異，但總體排放規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，氨揮發系數分別為氮素投入量的9.89%、28%、28%和9.98%，比較而言，沈陽地區水稻生產的環境酸化潛值較低。氮肥的施用也是導致潛在富營養化的主要原因。本研究由于后者研究僅以早稻為對象的結果。若按整個稻季計算，其富營養化潛力應高于本研究。

沈陽地區水稻生產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資生產和原料開采階段重金屬毒害作用的環境影響，以及種植階段化學農藥使用對人體和生態危害的影響計算，故而毒性影響潛值增加。

4 結論

（1）沈陽地區水稻生產潛在環境影響大小依次為：水體毒性、富營養化、土壤毒性、人體毒性、環境酸化、全球變暖和能源消耗。

（2）化學農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化和環境酸化的主要原因；水稻種植階段CH4的大量排放對系統潛在全球變暖的貢獻率最大；農資生產階段中化肥的高生產、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）減少化學肥料和農藥使用是減輕沈陽地區水稻生產潛在環境影響的關鍵。