基于生命周期評價的廣西火龍果環境影響分析

趙鵬飛 程玉 任太軍 黃志堅 李廣澤 湯華 阮云澤

摘 ?要 ?為了評價火龍果種植體系對環境的影響，并找出其主要的影響因子，通過農戶調研與生命周期評價的方法對廣西火龍果集約化種植體系開展了生命周期評價。結果表明：富營養化和溫室氣體排放是火龍果生產體系生命周期環境影響中占比最大的影響類型，對生命周期綜合環境影響的貢獻率分別為59.6%和21.7%。其中肥料生產和施用分別占到農資階段和農作階段富營養化潛值的98.0%和99.8%。而在溫室氣體排放中，農資生產階段的肥料與農藥生產分別占農資生產階段溫室氣體排放量的20.0%和77.9%，肥料施用占農作階段溫室氣體排放量的86.6%。因此，在火龍果生產體系中，減少肥料及農藥用量是減輕該體系對環境的影響的主要環節。

關鍵詞 ?火龍果;生命周期評價;富營養化;全球變暖潛在值;環境酸化

中圖分類號 ?S667.9 ? ? ?文獻標識碼 ?A

Abstract ?To evaluate the environmental impact of pitaya production and find out the main impact factors， a baseline household survey in Guangxi was conducted meanwhile the method of Life Cycle Assessment （LCA） was used for data analysis. Among all potential impacts indexes， the significant environmental impact were eutrophication and global warming potential， with the contribution rate of 59.6% and 21.7%， respectively. Fertilizer production and application accounted for 98.0% and 99.8% of the eutrophication in agricultural production stage and agricultural operation stage， correspondingly. In the global warming aspect， fertilizer and pesticide production accounted for 20.0% and 77.9% in agricultural production stage， which made the largest contribution among all the links. Similarly， fertilizer application， which accounted for 86.6% of the global warming potential， made the largest contribution in agricultural operation stage. To sum up， reducing fertilizer and pesticide application rate are the important ways to mitigate the impact on the environment in pitaya production.

Keywords ?pitaya; life cycle assessment; eutrophication; global warming potential; acidification

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.11.004

集約化農業的可持續性是當前科學界和公眾關注的重要問題之一[1]。我國現代集約化農業以高投入換取高產出，尤其是以果樹和蔬菜為代表的經濟作物[2]。集約化農業雖然極大的提高了作物產量，提升了土地利用效率，但也引發了許多資源環境問題，比如能源消耗、溫室效應、水體富營養化以及土壤酸化等[3-5]。前人針對肥料生產或農田施用過程某個或若干環境排放途徑如農田氨揮發、硝化和反硝化損失以及硝態氮的淋失等已經進行大量研究并取得了顯著成果[6-7]。然而，傳統的環境影響評價方法在對農產品生產進行評價時往往具有片面性，因此，需要從生命周期角度全面識別和綜合評價農產品生產體系的資源消耗與環境排放。

生命周期評價（life cycle assessment， LCA）方法旨在對某項產品、工藝或者服務“從搖籃到墳墓”整個生命周期中的資源消耗和環境排放潛力進行量化，尋求改善環境影響的機會，是一種全面系統的環境評價方法[8]。目前LCA方法已經廣泛應用于歐美國家和日本工農業領域的相關研究中，近年來，我國借鑒國外成果已經在工業領域建立了相應的評價指標體系，也有不少學者開始把LCA方法引入農業領域，開展農產品或農田管理措施的環境影響研究[9]。

火龍果（Hylocereus undatus cv. Vietnam）屬仙人掌科（Cactaceae）量天尺屬（Hylocereus Britton et Rose）和蛇鞭柱屬（Seleniereus Meja-lantous Britton et Rose）植物，是熱帶亞熱帶果樹[10]。我國臺灣從20世紀90年代開始引進試種，并選育出一些優良品種[11]。自2010年以來，我國火龍果種植面積以每年平均40%的速度增長，短短的幾年內，目前全國種植面積已超過4萬hm2，主要分布在廣西、廣東、海南、云南、貴州等地，其中廣西發展尤為迅速，約占全國種植面積的三分之一，而且隨著香蕉行情及黃葉病的發展，由香蕉改種火龍果的大型基地越來越多[12]。火龍果是典型的高投入高產出的作物，以純氮用量為例，火龍果全年純氮投入高達1000 kg/hm2，大約是香蕉的2倍，柑橘的10倍，同時其產量在豐產期可達75 t/hm2[13]。為此，在當前火龍果種植面積迅速擴張的背景下，本研究以廣西火龍果集約化生產體系為例，針對其主要環境影響問題，建立火龍果生命周期資源消耗與污染物排放清單，進行生命周期的環境影響評價，旨在為研究區域火龍果種植全程環境管理提供決策依據，也為種植者的管理技術環節提供優化方向。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區域與數據來源

本研究區域為廣西壯族自治區隆安縣（10721～ 1086E，2251～2321N），屬南亞熱帶季風氣候，日照充足，雨量集中，夏季長冬季短。全縣平均溫度為21.9 ℃，極端最高溫度為38.9 ℃，極端最低溫度為1.9 ℃，年降雨量1230 mm[14]。隆安縣全縣火龍果種植面積0.33萬hm2，是廣西火龍果種植的集中區域[15]。

本研究數據來源于2018年對廣西自治區隆安縣3個鄉鎮進行的農戶調研，據統計，隆安縣種植面積大于33 hm2的火龍果基地約有32個，本研究調研基地數量16個，每個基地平均種植面積約87.5 hm2，覆蓋火龍果種植面積1400 hm2，約占隆安火龍果總面積的42%。調查采用問卷方式，通過訪談式交流，詳細記錄相關信息。

調研的主要內容為：（1）種植面積、品種、種植密度和產量;（2）灌溉水用量和灌溉次數、肥料施用情況和農藥用量;（3）基建構造材料，主要包括鋼材用量、防草布用量等;（4）基地運輸肥料、打藥施肥等消耗的柴油、汽油及耗電量等。

隆安地區火龍果種植基地幾乎全部采用滴灌的方式進行灌溉和施肥，因此本研究結果只針對該地區滴灌條件下的火龍果種植體系。

1.2 ?生命周期評價

根據國際環境毒理學和化學學會（SETAC）以及ISO14040和ISO14044環境管理標準的LCA技術框架，生命周期評價包括以下4個步驟：目標定義與范圍界定、清單分析、影響評價和結果解釋。

1.3 ?目標定義與范圍界定

本研究以與作物生命周期有關的礦石和能源開采作為系統的起始邊界，終止于農作物種植輸出階段，其中輸出包括農產品和污染物輸出2個部分。由于火龍果屬多年生作物，本研究以火龍果種植第2年作物全年生產過程為評價單元。土地資源是一切生產活動的基礎，直接進入農作系統。本研究以生產農作物1 t為評價的功能單元。火龍果體系生命周期評價系統界定如圖1所示。

1.3.1 ?清單分析 ?本研究將火龍果生產的生命周期劃分為農資生產階段和農田種植階段。包括煤、石油、天然氣、電力等原材料的開采與生產，土地資源的利用，化肥、農藥等農資生產相關的能耗和污染物的排放，如CO2、NH3、SO2、CH4等。與該系統相關的廠房設備、建筑設施、運輸工具的生產等環節對環境的影響則不予考慮。

農田種植階段中，截至目前，國內尚未有基于廣西火龍果園氧化亞氮排放量的研究，但在同一地區已有研究團隊針對香蕉園氧化亞氮排放物進行了系統分析[16]，因此，本研究根據前人研究結論計算火龍果園氧化亞氮（N2O）的公式為：

N2O （Emission）=有機肥氮?0.73%+

硝態氮?0.25%+脲基氮肥?1.15% （1）

截至目前，關于廣西火龍果園氨揮發的報道雖然少見，但針對大尺度上的南方農田氨揮發量（NH3-N）已有較多報道。本研究根據目前權威刊物數據整理得該地區農田氨揮發的平均值[17-20]，即35.2 kg/hm2，以該值作為常數直接用于火龍果園氨揮發量的估算。

氮淋洗（NO3-N）的計算依據曾曙才等[21]在赤紅壤條件下獲得的氮淋洗特征研究結果估算，該研究指出，在土著模擬條件下，總氮淋洗量（y）與施氮量（x）之間存在顯著線性相關，其回歸方程可作為氮淋洗的計算依據：

總氮淋洗（y）=0.4419?施氮量（x）+

97.605 （R2=0.941） （2）

氧化氮（NOX-N）的計算參照Perrin等[22]的研究結果：

氧化氮（NOX-N）=10%氮淋洗（NO3-N） ? （3）

1.3.2 ?影響評價 ?在LCA中，影響評價是對清單分析中所辨識出來的符合的影響進行定量或定性的分析和評價。影響評價由影響分類、特征化、標準化和加權評估4個步驟組成。

1.3.3 ?影響分類 ?影響分類是指根據不同的環境影響類型，對清單分析階段的數據進行歸類。本研究中資源利用主要考慮能源消耗、土地資源的利用和水資源消耗;生態環境影響主要考慮全球變暖、環境酸化以及富營養化3個指標。

1.3.4 ?特征化 ?特征化是對資源消耗和環境排放清單進行環境影響潛力計算的過程。對能源消耗，國際常用的方法是將其折算成能量進行比較;水資源的消耗具有區域范疇，本研究對火龍果生產體系每生產1 t果實消耗的水資源總量進行分析，涉及農田環節的淡水資源消耗和農資生產中的水資源消耗。全球變暖、環境酸化、富營養化等環境影響比較完善的當量模型已經建立，氣候變化以CO2為參照物轉換為全球變暖潛力，CH4、N2O和CO2的當量系數分別為21、310和2;環境酸化以SO2為參照物，NOX和NH3的當量系數分別為0.7和1.88;富營養化則是以PO4為參照物，具體的當量系數見表1。

1.3.5 ?標準化 ?標準化的目的是建立標準化基準，使不同影響類型能夠比較大小。標準化過程選擇的基準值一般是全球、全國或某一地區的資源消耗或環境排放的均量或總量值，其中均量值有人均占有排放量、地均占有量及單位產值等。標準化一般是用基準量除以特征化結果。本研究的標準化基準值是2000年世界人均環境影響潛力，具體標準化基準值見表2。

1.3.6 ?加權評估 ?不同環境影響類型對同一個國家或地區的可持續發展的影響是不同的，因此需要對不同環境影響類型賦予一定的權重，然后再進行加權。加權評估是對各類型環境影響指數進行綜合評價，得到環境影響綜合指數，從而提供一個可以比較的評價結果。

常見的有3種權重的確定方法：目標距離法、專家組評議及層次分析法。本研究采用王明新等[25]以及彭小瑜等[26]的研究通過專家組評議法評議設置權重，詳見表2。

1.3.7 ?結果解釋 ?生命周期評價結果解釋是根據生命周期評價清單分析或者標準化、特征化以及加權評估的結果，以透明的方式來分析結果，形成結論，解釋研究的局限性，提出建議并報告生命周期解釋的結果。

2 ?結果與分析

2.1 ?廣西火龍果生產體系物質投入與產出

表3表明了通過農戶調研獲取的2017年隆安縣火龍果生產體系物質投入產出情況。該體系全年N、P2O5和K2O的投入量分別為806、387、789 kg/hm2，其中化肥N、P2O5和K2O的投入量分別為580、242、660 kg/hm2，有機肥N、P2O5和K2O的投入量分別為226、145、129 kg/hm2。化肥N、P2O5和K2O分別占全年總N、P2O5和K2O投入的72.0%、62.5%和83.7%。火龍果生產體系中有機肥投入量較大，達到了32 250 kg/hm2，是當地另一種典型經濟作物香蕉的3倍多[27]，殺蟲劑、殺菌劑以及除草劑等農藥投入量為67.5 kg/hm2，另外，由于田間管理等消耗的電力、汽油、柴油、栽培用鋼鐵以及防草用的地布等分別為933 kWh/hm2、79.0 kg/hm2、155 kg/hm2、80.9 kg/hm2和58.3 kg/hm2。相應地，火龍果全年果實產量也達到了27.6 t/hm2。

2.2 ?火龍果生產體系生命周期評價

2.2.1 ?火龍果生產體系生命周期清單評價 ?由表4可知，火龍果生產體系農資系統的能源消耗為77 558.679 0 MJ/t，農作系統的能源消耗為362.1 931 MJ/t，農資系統是農作系統能源消耗的200余倍，除水資源消耗等個別指標，農資子系統的能源消耗以及污染物排放指標均高于農作子系統，如溫室氣體的主要成分CO2和CH4，農資子系統較農作子系統高上百和上千倍，而農資生產中，肥料、農藥以及防草布是其中消耗量較大的部分，生產過程中的能量消耗及污染物排放也較多。

2.2.2 ?分類環境影響評價 ?（1）能源消耗。火龍果體系生產過程中的能源耗竭，包括可再生資源與不可再生資源兩部分。可再生資源包括土地資源與水資源兩部分。本研究參照梁龍[9]的研究成果，因農資子系統中土地利用的數據較難獲取，暫不考慮。故生命周期評價中可再生能源消耗僅考慮水資源消耗及農作子系統中的土地資源消耗。不可再生資源主要包括農資生產過程和農作系統中農機使用所消耗的化石燃料。由表5可見，火龍果生產體系中土地資源利用值為362.50 m2/t，全部來自農作子系統。水資源消耗為98.95 m3 /t，其中農資系統4.36 m3/t，占其整個生命周期水資源消耗的0.4%，而主要的水資源消耗發生在農作生產階段，為94.49 m3/t，占其整個生命周期水資源消耗的95.6%。

火龍果生產體系不可再生資源耗竭主要發生在農資生產階段，占到整個生命周期能源消耗的99.5%，這主要是由于生產化肥、農藥及發電過程消耗了大量的能源，而農作子系統中能源消耗為362.19 MJ/t，僅占到其生命周期的0.5%。

（2）溫室氣體排放。火龍果生產體系生命周期溫室氣體排放總量為5848.87 kg CO2-eq/t （表6），其中農資生產階段的溫室氣體排放達到5543.10 kg CO2-eq/t，占整個生命周期溫室氣體排放的94.7%，而在農資生產階段的溫室氣體排放中，肥料與農藥生產排放量最大，肥料生產階段排放量為1108.71 kg CO2-eq/t，占農資生產階段生命周期溫室氣體排放量的20.00%，農藥生產階段的排放量高達4320.00 kg CO2-eq/t，占農資生產階段生命周期溫室氣體排放量的77.93%，這主要是在化肥和農藥特別是農藥生產過程中會產生大量的CO2所導致的。農作生產過程中溫室氣體排放量為305.77 kg CO2-eq/t，其中肥料施用造成的溫室氣體排放量為264.76 kg CO2-eq/t，占農作階段溫室氣體排放量的86.59%，這是由于在肥料尤其是氮肥的施用過程中產生的N2O造成的。

（3）環境酸化。引起環境酸化的物質主要有農資生產和農作物種植過程中產生的SO2、NH3和NOX等。廣西火龍果生產體系生命周期環境酸化潛值為9.91 kg SO2-eq/t（表6），其中農資生產階段的環境酸化潛值為7.36 kg SO2-eq/t，占整個生命周期環境酸化潛值的74.3%，而在農資生產環節中，又以肥料生產過程中的環境酸化潛值最高，為7.03 kg SO2-eq/t，占農資生產階段環境酸化潛值的95.5%。農作環節的環境酸化潛值為2.65 kg SO2-eq/t，同樣，在該環境中，肥料的施用依然是造成環境酸化最高的環節，環境酸化潛值達到2.55 kg SO2-eq/t，占該階段環境酸化潛值的96.2%。

（4）富營養化。研究中引起富營養化的物質主要考慮Ptot、N2O、NOX、NO3、NH4、NH3以及COD等。廣西火龍果生產體系中富營養化潛值為4.40 kg PO4-eq/t。其中農資生產階段富營養潛值為2.03 kg PO4-eq/t，農作種植階段的富營養化潛值為2.37 kg PO4-eq/t，分別占整個生命周期富營養化潛值的46.1%和53.9%，而在農資生產和農作種植階段中，肥料生產和施用仍然是造成2個階段富營養化的主要原因，分別占到2個階段富營養化潛值的98.0%和99.8%。

2.2.3 ?標準化及加權評價 ?標準化及加權后火龍果生產體系的生命周期影響指數如表7所示，標準化的結果顯示，生產1 t火龍果產生的能源消耗、土地資源、水資源消耗、溫室氣體、環境酸化以及富營養化等，分別相當于2000年世界人均環境影響潛力的3.01%、36.7%、4.51%、85.2%、19.0%和234%。權重后影響指數及貢獻率結果顯示，廣西火龍果生產體系生命周期環境影響最大的是富營養化、溫室氣體排放及土地資源消耗，三者在火龍果生產體系生命周期環境影響的占比分別為59.6%、21.7%和10.9%。而能源消耗、水資源消耗和環境酸化占比較小。

3 ?討論

火龍果生產體系是一種高投入高產出的集約化生產體系。有機肥、化肥、農藥等農資投入以及水電、燃油等的投入均維持較高水平，這主要是由于火龍果在我國規模化種植年限較少，種植基地對其栽培管理技術了解較少，尤其是肥料農藥等農資投入，對于投放時間、配比、用量等都沒有非常嚴格的理論依據，與此同時，火龍果目前市場接受度高，行情相對較好，大多基地的畝效益可以維持在8000元以上，所以，綜合以上原因，導致基地更偏向于加大投入換取更高額的經濟回報。

本研究的結果顯示，富營養化、溫室氣體排放與土地資源是火龍果生產體系生命周期環境影響中占比最大的影響類型。與其他地區的其他作物相比，結果有所不同，比如在華北平原的冬小麥生產體系中，影響最大的能源消耗、環境酸化[28];在京郊的陸地蔬菜生產體系中，富營養化、環境酸化以及溫室氣體排放的影響相對較大[29]，這與火龍果生產體系中肥料尤其是氮肥的過量施用有密切關系。據報道，火龍果優化施氮量僅為57.0 kg/hm2[13]，而本研究中農戶的總施氮量為806 kg/hm2，遠遠高于優化施氮量，過量施氮導致大量的NO3淋失[30]、NOX排放[31]與氨揮發[32]，同樣，過量的氮肥生產會產生大量的CO2[33]，從而導致嚴重的溫室氣體排放。所以，優化減少肥料的施用是減少火龍果生產體系環境影響的重要措施。

農資生產階段的能源消耗、溫室氣體排放以及所帶來的環境酸化潛力遠遠大于農作物種植環節。以氮肥生產為例，據報道，我國70%的氮肥生產都是以煤為燃料，在以煤為燃料的尿素生產中，中型氮肥企業噸氨需要消耗原料煤、燃料煤、電分別是1017 kg、940 kg和1423 kWh，而1 t尿素需要消耗氨590 kg、燃料煤900 kg和電193 kWh。消耗量遠大于以天然氣為原料的國際水平，肥料生產企業向來是我國的耗能大戶和重點治污單位[31]。因此，如何從肥料生產的角度減少環境影響是減少火龍果生產體系環境影響的另一個手段。

綜上，在火龍果種植面積迅速增加的同時，其對環境的影響應該越來越引起大眾的關注，基于本文研究結果，給予火龍果種植以下建議：

（1）優化火龍果施肥中氮磷鉀的施用量，其中氮肥用量可在現有施肥量基礎上減少30%～40%，磷肥減少10%～20%，鉀肥減少10%～15%，以此減少肥料過量施用帶來的環境影響，同時，減少化肥的過量施用也是從肥料生產角度減少其對環境影響的重要舉措;

（2）結合生產實際，病蟲草害的防治掌握最佳的防治時間，最佳的防治方式，最有針對性的防治藥劑，盡可能的減少農藥的投入量，以此減輕其帶來的環境代價。

生命周期系統邊界、管理技術以及產量等對功能單位環境影響潛值都有很大的影響。本研究以樹齡為2 a的火龍果為研究對象，并未進入火龍果的豐產時期，而且不涉及建園初期的大量物資投入，同時系統邊界終止于產品輸出，不涉及銷售階段，若擴展系統邊界為建園初期至銷售點，則會形成新的研究結果。其次，由于資料的局限性，未考慮農資子系統土地資源的消耗和相關廠房設備、建筑設施和運輸工具生產的環境影響;系統邊界還有待進一步擴展，系統中的相關數據還有待進一步完善。

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