衛(wèi)凱平，武慧君，黃 莉，王曉旭，陳曉芳

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

隨著人口、經濟的增長，人們對食物的需求不斷上升，導致農業(yè)生產強度不斷加大，同時產生大量農業(yè)污染[1-2]。除了重金屬、抗生素、農藥等常見污染外，氮、磷營養(yǎng)物質因其不合理利用和管理已逐漸成為不可忽視的農業(yè)生產污染源[3-4]。高強度的農業(yè)生產，不僅加速了氮、磷資源的消耗，而且加劇了氮、磷損失，進而引發(fā)了全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化等環(huán)境影響[5-7]。據《第一次全國污染源普查公報》[8]顯示，農業(yè)面源排放的總氮和總磷占全國總排放量的57%和67%，種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)流失的總氮和總磷分別占農業(yè)源流失總氮和總磷的48%和95%。因此，有必要對農業(yè)生產中氮、磷活動造成的環(huán)境影響進行評估，為減輕農業(yè)環(huán)境影響并保障食物安全提供理論依據。

國內外學者在農業(yè)養(yǎng)分管理方面已進行了大量研究，Canfield等[9]通過物質流分析方法（Substance Flow Analysis，SFA）刻畫出全球氮流動機制，揭示新農業(yè)的發(fā)展已徹底破壞了氮循環(huán)，如果不主動干預和謹慎管理氮循環(huán)，人類因此造成的經濟損失將持續(xù)數世紀。劉征等[10]運用灰色系統(tǒng)方法建立我國磷資源產業(yè)系統(tǒng)的動態(tài)模型，對磷資源現狀、發(fā)展趨勢及各項循環(huán)經濟策略實施效果進行定量描述和情景分析，結果顯示我國磷礦工業(yè)儲量將在25年內快速耗盡，同時進入水體的磷元素會加劇水體富營養(yǎng)化。Guo等[11]利用能值分析中的環(huán)境可持續(xù)性指數（Environ?mental Sustainability Index，ESI）評價農業(yè)面源污染，揭示當今農田過量施肥下呈現出了嚴重不可持續(xù)性。農業(yè)氮、磷流動造成的環(huán)境影響日益嚴重，上述建立的農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分流動模型多是分析對水體的營養(yǎng)負荷貢獻，對其他如全球變暖和酸化等環(huán)境影響關注不多。而生命周期評價方法（Life Cycle As?sessment，LCA）是評估產品或系統(tǒng)從搖籃到墳墓整個生命周期的環(huán)境影響，相比其他方法能夠更全面、客觀地分析系統(tǒng)造成的各類環(huán)境影響[12]。目前，對農業(yè)氮、磷養(yǎng)分的生命周期評價多集中在某種物質如化肥[13]、作物[14]和廢物[15]等，或者是某個子過程如畜禽養(yǎng)殖[16]等，但對農業(yè)系統(tǒng)整個過程較完整的養(yǎng)分LCA分析較少。

本文采用LCA方法，以農業(yè)生產系統(tǒng)包括種植和養(yǎng)殖過程中的氮、磷物質流動為研究對象，建立農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷環(huán)境影響分析模型，并以安徽省為例，比較和分析安徽省2014年農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷在不同作物及畜禽生產中流動造成的能源消耗、全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化等環(huán)境影響，以期為農業(yè)養(yǎng)分管理與環(huán)境影響控制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域狀況

安徽省位于我國華東地區(qū)，地處長江、淮河中下游。2014年全省總人口6936萬人，其中農業(yè)人口占77.3%；土地總面積140 140 km2，耕地面積占41.93%；第一產業(yè)生產總值占當年生產總值的11.47%[17]，農業(yè)生產經濟是安徽經濟發(fā)展的重要支撐。

1.2 計算方法

根據ISO[18]提出的LCA方法構建農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷環(huán)境影響分析模型，由種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)生產過程涉及的主要氮、磷物質流動，確定圖1所示的農業(yè)生產氮、磷流動系統(tǒng)邊界。本文以種植面積最多的5種農作物（水稻、小麥、玉米、大豆和油菜）和飼養(yǎng)數量最多的豬、牛、羊、家禽為研究對象，功能單位分別為生產1 t作物和單位畜禽活體。評價的環(huán)境影響中，能耗潛力以消耗的農資（如化肥、灌溉水、種子和有機肥等）通過能耗系數轉化為能耗值，全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化潛力分別用CO2、SO2和PO3-4表示。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和王明新等設置的權重系數進行加權計算[19]。

1.2.1 作物種植作物種植階段能源消耗的計算公式為：

圖1 農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷環(huán)境影響分析框架Figure 1 Analytical framework of environmental impacts derived from nitrogen and phosphorus in agricultural production system

式中：Ei為作物種植的能源消耗值；i為作物類別（i=1，2，3，4，5分別表示水稻、小麥、玉米、大豆和油菜）；j為有機肥包含的糞便類別（j=1，2，3，4，5分別表示豬、農村居民每年產生的糞便量；F為耕地總面積；r為糞便還田率；e1、e2、e3、e4i和e5分別為氮肥、磷肥、灌溉水、種子和糞便的能源當量系數。

作物種植階段全球變暖潛力的計算公式為：

式中：Ci為作物種植的全球變暖潛力；ga為農田中N2O揮發(fā)系數；e7為N2O全球變暖的當量系數；TNi為農田中氮素投入的總量，其計算公式為：

作物種植階段酸化潛力的計算公式為：

式中：Ai為作物種植的酸化潛力分別為農田中NH3和NOX揮發(fā)系數；e8和e9分別為 NH3和 NOX酸化的當量系數。

作物種植階段富營養(yǎng)化潛力的計算公式為：

式中：Fi為作物種植的富營養(yǎng)化潛力；分別為農田中流失系數；e10、e11、e12和 e13分別為 NH3、NOX、和富營養(yǎng)化的當量系數。

1.2.2 畜禽養(yǎng)殖

畜禽養(yǎng)殖階段能源消耗的計算公式為：

式中：Ej′為畜禽養(yǎng)殖的能源消耗值；為飼料消耗量；e6為飼料的能源當量系數。

畜禽養(yǎng)殖階段全球變暖潛力的計算公式為：

畜禽養(yǎng)殖階段酸化潛力的計算公式為：

式中：Aj′為畜禽養(yǎng)殖的酸化潛力；Nj為畜禽糞便的氮排泄系數為糞便中NH3揮發(fā)系數。

畜禽養(yǎng)殖階段富營養(yǎng)化潛力的計算公式為：

式中：Fj′為畜禽養(yǎng)殖的富營養(yǎng)化潛力；Pj為畜禽糞便的磷排泄系數為糞便流失的含量，其計算公式為：

1.3 數據來源

在安徽省農業(yè)生產系統(tǒng)氮、磷環(huán)境影響分析模型中，各類作物化肥（氮肥、磷肥）消耗量和畜禽飼料消耗量取自《全國農產品成本收益資料匯編2015》[20]，各類作物的耕種面積、灌溉面積、畜禽和農村居民數量取自《安徽統(tǒng)計年鑒2015》[17]和《中國統(tǒng)計年鑒2015》[21]，其他參數取自公開發(fā)表的文獻，具體取值及來源見表1。

2 結果與討論

2.1 種植業(yè)環(huán)境影響

從作物能源消耗結構看，化肥的平均貢獻率為83.45%，起主要貢獻作用，灌溉和有機肥處理的貢獻率較低。如圖2a所示，油菜的能源消耗最大（3 051.13 MJ·t-1），占5種作物總能耗的29.74%，其次從大到小依次為玉米（2 124.51 MJ·t-1）、小麥（1 931.09 MJ·t-1）和水稻（1 629.40 MJ·t-1）。大豆的能耗最?。? 524.55 MJ·t-1），占總能耗的15.88%?；蕦儆谀茉疵芗彤a業(yè)且耗能偏大[5]，隨著施肥量的增加能源消耗呈上升趨勢。大豆低能耗即是由于單位面積施肥量較少，水稻和小麥則因產量較高，能源利用效率優(yōu)于玉米和油菜。圖2b中5種作物產生的全球變暖潛力共計860.06 kg CO2-eq·t-1，油菜的全球變暖潛力最高，占總潛力的30.77%，其次是大豆和玉米，分別占總潛力的23.42%和18.22%。水稻和小麥的全球變暖潛力相近，均不超過總潛力的14.00%。農田N2O釋放量與田間總氮的輸入密切相關，其中化肥氮輸入量占總氮輸入量的67.29%，是農田溫室氣體的主要來源。劉松等[41]研究在關中平原不同飼料作物生產的碳足跡中，化肥的貢獻率均超過50.00%，其中氮肥的貢獻率均超過45.00%，是作物溫室氣體排放的主要因素。

表1 安徽農業(yè)生產氮、磷環(huán)境影響分析系統(tǒng)數據Table 1 Data of environmental impacts derived from nitrogen and phosphorus in agricultural production system of Anhui

圖2 安徽省主要作物環(huán)境影響Figure 2 Environmental impact of crops in Anhui Province

在農業(yè)造成的全球變暖影響中，種植業(yè)溫室氣體排放主要包括稻田CH4的排放、農田N2O的排放和農資生產及運輸CO2的排放[42]，由于本研究主要探討作物種植過程中氮、磷物質流動造成的各類環(huán)境影響，因此暫不考慮CH4和CO2的排放。《聯(lián)合氣候變化框架公約》將N2O列為僅次于CO2和CH4的重要溫室氣體[43]，N2O增溫效應是 CO2的296～310倍[44]。大量研究[45-46]已表明農業(yè)生產揮發(fā)的N2O造成的溫室效應越發(fā)突出。例如Fukushima等[47]對臺灣3年生的甘蔗種植進行生命周期評價，研究表明種植過程中土壤微生物反硝化過程產生的N2O占整個溫室氣體排放的50.40%，是溫室氣體的主要來源。鑒于以上原因，本文主要考慮溫室氣體N2O的作用影響。許多研究[48-49]表明CO2排放量與能源消耗量的增長趨勢相同，不同農產品生命周期評價的能源消耗和計算了所有溫室氣體的全球變暖潛力大小具有一致性[5，34]。而在本研究中，由于只計算了N2O排放造成的全球變暖影響，導致了5種作物的能源消耗與全球變暖趨勢不一致的結果。

5種作物產生的酸化潛力共計64.66 kg SO2-eq·t-1。玉米酸化潛力最高，水稻、大豆和小麥分別占總潛力的25.14%、20.65%和18.60%。油菜產生的酸化潛力最低，占總潛力的4.98%，見圖2c。作物種植過程中NH3的揮發(fā)量與田間投入的氮素總量呈正相關關系。目前農民施肥普遍偏高，其中氮肥用量最高，但增產效應并不明顯，氮肥損失風險加劇，肥料氨揮發(fā)是環(huán)境酸化的主要途徑[50-51]。5種作物產生的富營養(yǎng)化潛力共計32.02 kg-eq·t-1，富營養(yǎng)化程度由高到低依次是大豆、玉米、油菜、小麥和水稻，大豆造成的富營養(yǎng)化占總潛力的28.98%，其他作物富營養(yǎng)化程度在15.00%～22.00%。主要影響因子NH3、和對富營養(yǎng)化的貢獻率依次為35.35%、42.01%和22.53%，見圖2d。NH3對酸化和富營養(yǎng)化均有重要影量流失主要是由于高強度的人工干擾破壞了土壤養(yǎng)分平衡，例如機械化耕地、長期依賴化肥和大水灌溉等均會加劇土壤養(yǎng)分流失。

2.2 養(yǎng)殖業(yè)環(huán)境影響

畜禽飼養(yǎng)投入的氮、磷物質主要是飼料。由于牛是大牲畜動物，單位個體飼料消耗量最大，導致能源消耗最大（460.40 MJ·unit-1），其次是豬（260.16 MJ·unit-1）、羊（57.44 MJ·unit-1）和家禽（3.56 MJ·unit-1），見圖3a?？傮w來看，畜禽飼料消耗量越大，其能耗值越大。養(yǎng)殖業(yè)中溫室氣體排放包括反芻動物消化道CH4排放及畜禽糞便CH4和N2O排放[42]，如前所述，本文僅考慮與氮、磷流動有關的N2O排放，由圖3b可知，牛的全球變暖潛力最高（120.90 kg CO2-eq·unit-1），其次是羊（68.20 kg CO2-eq·unit-1）、豬（44.95 kg CO2-eq·unit-1）和家禽（1.55 kg CO2-eq·unit-1）。Vries等[52]通過比較25篇與畜禽產品有關的生命周期評價，發(fā)現動物產品的能源消耗和全球變暖結果具有一致性規(guī)律，1 kg牛肉產品的能源消耗和全球變暖潛力最高，其次是豬和家禽，這與本研究得出功能單位牛產品造成環(huán)境影響最大的結果一致。

畜禽養(yǎng)殖的酸化影響主要由糞便揮發(fā)的NH3造成。NH3的揮發(fā)與畜禽食用的口糧、飼養(yǎng)場所、糞便貯存設施、氣候條件（溫度、風速）等有關[53-54]，因此不同動物的NH3排放存在較大的差異。圖3c中牛的酸化潛力最高（11.28 kg SO2-eq·unit-1），其次是豬（4.47 kg SO2-eq·unit-1）和羊（1.69 kg SO2-eq·unit-1），家禽最低（0.15 kg SO2-eq·unit-1）。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展刺激畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大，導致畜禽糞尿氮、磷比例呈上升趨勢，沒有循環(huán)利用的畜禽糞尿成為面源污染的重要來源[55]。目前糞便多是露天放置，大量氮、磷物質易經雨水沖刷進入水體造成污染。由圖3d可知，豬、牛、羊和家禽的富營養(yǎng)化潛力趨勢與酸化潛力趨勢一致，影響程度由大到小依次是牛（18.43 kg-eq·unit-1）、豬（4.40 kg-eq·unit-1）、羊（2.11 kg-eq·unit-1）和家禽（0.22 kg PO3-4-eq·unit-1）。主要影響因子NH3、和對富營養(yǎng)化的貢獻率依次為12.28%、52.54%和35.17%。然而，畜禽糞便不僅可以提高土壤有機質含量，而且是一種清潔能源，有效地處置糞便是減少畜禽糞污的重要手段，同時也是資源利用。

圖3 安徽省主要畜禽環(huán)境影響Figure 3 Environmental impact of livestock in Anhui Province

2.3 綜合環(huán)境影響

經過標準化和加權計算，種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)不同農產品的綜合環(huán)境影響結果見表2。各類作物的綜合環(huán)境影響指數由高到低依次為大豆（0.63）、玉米（0.50）、油菜（0.40）、水稻（0.36）和小麥（0.34），各類畜禽的綜合環(huán)境影響指數由高到低依次為牛（1.21）、豬（0.29）、羊（0.14）和家禽（0.01）。因此，功能單位的小麥、水稻、家禽和羊的綜合環(huán)境影響值較低，屬于低環(huán)境影響產品。農業(yè)生產環(huán)境影響潛力由高到低依次為富營養(yǎng)化、酸化、全球變暖和能源消耗。對于不同農產品環(huán)境影響較大的是富營養(yǎng)化和酸化，生產1 t農作物的富營養(yǎng)化和酸化分別是2000年世界人均環(huán)境影響潛力的2.50～5.00倍和0.05～0.50倍，生產單位畜禽的富營養(yǎng)化和酸化分別是2000年世界人均環(huán)境影響潛力的0.10～10.00倍和0.001～0.50倍。

產品的種類和產量都會影響農產品的環(huán)境影響[56]，因此評價農產品總產量造成的環(huán)境影響也是必要的，結果如圖4所示。水稻、小麥、家禽和豬對整個系統(tǒng)造成的能源消耗、全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化的貢獻率分別為78.45%、70.97%、81.21%和79.79%，其中水稻、小麥和家禽這三類低環(huán)境影響產品因總產量大而造成高環(huán)境影響負荷，對整個系統(tǒng)的能源消耗、全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化的貢獻率分別為63.82%、49.34%、58.49%和49.88%。豬產品不僅個體環(huán)境影響處于較高水平，且飼養(yǎng)總量也較大，顯著地加劇了農業(yè)系統(tǒng)環(huán)境負荷。此外，種植業(yè)的能源消耗占整個系統(tǒng)的78.53%，遠高于養(yǎng)殖業(yè)，主要是由于種植業(yè)中氮、磷物質輸入種類較多且能耗因子較大。有研究表明，隨著農業(yè)現代化發(fā)展，中國農業(yè)一次能源消耗的絕對數量隨時間變動呈波動上升趨勢[57]。而由于糞便多直接排放，養(yǎng)殖業(yè)的富營養(yǎng)化占整個系統(tǒng)的72.83%，遠超過種植業(yè)。養(yǎng)殖業(yè)廢物由于量大集中、運輸成本高、還田費力等不利因素，通常集中在養(yǎng)殖場附近有限的農田中，造成養(yǎng)分無法充分利用，大量流失至水體引起土壤和地下水的污染[58]，養(yǎng)殖業(yè)造成的富營養(yǎng)化已是農業(yè)污染防治的重中之重。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)在全球變暖和酸化負荷中所占比例大致相同。

圖4 農產品對環(huán)境影響的貢獻Figure 4 Contributions of agricultural products to environmental impacts

針對以上分析，本研究提出以下對策建議：第一，倡導居民綠色消費，改善飲食結構，在營養(yǎng)相同的情況下，引導居民選擇消費低環(huán)境影響的食物，例如將小麥粉代替玉米粉，羊肉代替牛肉，作物類食物代替畜禽類食物等；另外，企業(yè)不能一味追求產量，應大力培育良種，引進其他農產品，不斷優(yōu)化種養(yǎng)結構，促進飲食結構多元化。第二，大力宣傳教育科學施肥的重要性，推廣測土施肥和配方施肥，搭配有機肥，減少工業(yè)化肥使用量，同時改善肥料施用技術，提高養(yǎng)分利用率。第三，提高養(yǎng)殖戶的環(huán)保意識，重視防治畜禽糞便污染，倡導糞便還田，積極籌建糞便無害化處理設施，推廣沼氣工程，支持并革新有機肥產業(yè)。第四，建立并推廣生態(tài)農業(yè)和有機農業(yè)的示范性工程，促進農業(yè)可持續(xù)性發(fā)展。

3 結論

（1）在安徽省農業(yè)氮、磷環(huán)境影響評價中，生產1 t農作物的綜合環(huán)境影響指數由高到低依次為大豆、玉米、油菜、水稻和小麥，水稻和小麥較其他作物造成的環(huán)境影響低；生產單位數量動物產品的綜合環(huán)境影響指數由高到低依次為牛、豬、羊和家禽，羊和家禽造成的環(huán)境影響較低。農業(yè)生產環(huán)境影響潛力大小依次為富營養(yǎng)化、酸化、全球變暖和能源消耗，富營養(yǎng)化和酸化在農業(yè)生產中問題突出。

表2 不同農產品的綜合環(huán)境影響潛力Table 2 Total environmental impact potential of different agricultural products

（2）在農產品總量造成的環(huán)境影響中，水稻、小麥、豬和家禽造成的環(huán)境負荷突出，對整個系統(tǒng)的能源消耗、全球變暖、酸化和富營養(yǎng)化的貢獻率分別為78.45%、70.97%、81.21%和79.79%。另外，種植業(yè)的能源消耗占整個系統(tǒng)的78.53%，顯著大于養(yǎng)殖業(yè)，養(yǎng)殖業(yè)的富營養(yǎng)化占整個系統(tǒng)的72.83%，顯著大于種植業(yè)。