基于生命周期法的罗平县油菜种植环境影响评价

前言1.1选题背景农业生产会直接或间接造成各种各样的环境影响REF_Ref16749\r\h[1]，近三年来，我国的中央一号文件均强调要对农村突出的环境问题进行综合治理，并强调要加强对农业生产中的生态环境问题的综合治理。油菜是罗平主要的经济作物，本研究运用生命周期评价方法，研究罗平县油菜种植体系的生命周期中的资源消耗和潜在环境影响，找出各个环节潜在环境影响的关键点，采取措施，降低能耗、减少环境排放量，从而提高资源利用效率为罗平县油菜种植产业的健康发展提供一定的参考。1.2国内外研究动态1.2.1国外研究动态生命周期评价（lifecycleassessment，LCA）起源于20世纪60年REF_Ref17056\r\h。1997年，国际标准化组织发布ISO14040系列标准，对生命周期评价的定义、框架、步骤等进行了明确的界定REF_Ref14945\r\h[2]。在此后的二三十年里，其核心部分——生命周期影响评价（lifecycleimpactassessment，LCIA）的本地化方法研究工作也在各国相继展开，在工业领域被广泛研究和运用，在农业领域的研究和应用则起步较晚REF_Ref14945\r\h[2]。CanajKledja等学者基于阿尔巴尼亚案例研究，使用空间区分的生命周期影响评估指标进行番茄温室生产的LCAREF_Ref15582\r\h[3]。F.Fallahpour等运用生命周期评价方法评估资源消耗和排放来评估谷物（小麦和大麦）生产对伊朗东北部雨育和灌溉农业系统环境的影响REF_Ref17193\r\h[4]。ZhangYubing等研究基于BIM的生命周期碳排放强度和生命周期成本综合评估方法REF_Ref17245\r\h[5]。生态学研究；联邦科学与工业研究组织的调查员（CSIRO)农业与食品报告生态学研究新数据（包括长期土壤有机碳变化在农产品生命周期评价）REF_Ref17307\r\h[6]。XimenaC.SchmidtRivera等以丹麦和意大利大麦为例研究化肥和农药排放模型对农产品生命周期评估的影响REF_Ref17337\r\h[7]。StoneTiffanieF等学者基于生命周期法研究美国中西部大、中、小规模食物系统中蔬菜生命周期评价方法REF_Ref17360\r\h[8]。WowraK.等学者研究生命周期评价在早期生物过程开发中的应用现状与展望REF_Ref17396\r\h[9]。1.2.2国内研究动态国内对生命周期评价的研究起步较晚。我国于1998年将ISO14040标准体系转化为国家标准，即GB/T24040系列标准REF_Ref17445\r\h[10]，使得生命周期评价更加规范。但是，在生命周期影响评价方法的本地化研究方面进展缓慢。陈中督等学者运用生命周期法对中国2004年到2015年的油菜生产氮足迹进行研究，研究结果显示，在2004年到2015年我国油菜生产氮足迹呈现逐年下降的趋势REF_Ref17693\r\h[11]。杨建新等（1998）学者提出了一套在中国开展生命周期评价研究的方法和模型，计算出了我国全球变暖、环境酸化和水体富营养化的权重因子REF_Ref17732\r\h[12]。梁龙、陈源泉等人以河北省栾城县为研究对象，运用生命周期法，对小麦-玉米轮作系统进行研究。研究发现，在传统的农业生产模式中，存在着一些潜在的环境因子，如：富营养化，有毒物质，酸性物质，以及土壤中有毒物质等REF_Ref17866\r\h[13]。然而，在小麦-玉米轮作系统中，氮肥、农药、电能的生产与利用是导致作物能量消耗与温室效应的重要原因素REF_Ref17895\r\h[14]。谢明辉等REF_Ref17947\r\h[15]学者为推动我国生命周期影响评价方法的构建，采用文献梳理法对生命周期影响评价方法及本地化研究的现状与未来发展方向进行分析。并提出要探索构建适合我国国情的完整全面的生命周期影响评价方法以及相应的参数基准值，从而提高我国生命周期评价结果的真实性、准确性，为环境政策制定以及相关产业发展提供决策支持。2研究对象和方法2.1研究区域罗平县地处东经103°57′~104°43′、北纬24°31′~25°25′之间。境内东西75公里，南北99公里，总面积3018平方公里。年平均温度为15.2℃，一月为最冷月份，平均温度为6.4℃，七月为最热月份，平均温度为21℃，无霜天数约280天，年降水量为1744mm，为云南省多雨中心之一。由于罗平气候温和,夏无酷暑,冬无严寒,使得罗平县适宜种植油菜，让罗平县成为全国油菜生产基地县，是云南油菜种植大县，产量和产值均排名全省第一。全县13个乡（镇、街道）均有种植，发展空间较大。近年来，罗平县大力培育油菜产业，常年种植81万亩左右，产值超7亿元。2.2研究方法2.2.1目标定义和范围定义本文研究目标主要是运用生命周期评价方法，研究罗平县油菜种植体系的生命周期中的资源消耗和潜在环境影响，找出各个环节潜在环境影响的关键点，采取措施，降低能耗、减少环境排放量，从而提高资源利用效率为罗平县油菜种植产业的健康发展提供一定的参考。本研究以分别生产1吨油菜为评价的功能单元，研究油菜种植过程的资源消耗和环境排放。系统物质输入包括能源，化肥，有机肥，农药，电力等，系统物质输出包括排放的温室气体，氮磷排放，重金属及农药残留等环境影响物质。本文农业生命周期评价研究范围选取农作生产系统和农资生产系统REF_Ref18019\r\h[16]见下表1。表1各环境影响指标对应的具体项目指标农资系统农作系统资源消耗化肥、农药电能的生产全球变暖化肥、农药电能生产、施氮导致的N2O、CH4排放环境酸化SO2和NOx的排放电能生产造成的SO2和NOx的排放，氮肥施用造成的NH3和NOx的排放水体富营养化氮氧化物（NOx）排放电能生产造成的SO2和NOx的排放，氮肥施用造成的NH3和NOx的排放2.2.2油菜种植生产清单根据GB/T24040-2008规定，蔬菜生产中产生的废弃物如蔬菜的枯枝残叶等可以不必考虑REF_Ref18059\r\h[17]。农资生产系统主要包括了有机肥、化肥、农药、电力生产等，与能源、化肥生产有关的能源消耗以及污染物排放系数参见梁龙的相关研究REF_Ref18101\r\h[18]；农作生产系统包括施用化肥、有机肥、农药排放的各种污染物如氨挥发、硝化和反硝化、温室气体、氮磷径流淋溶等。油菜种植N损失参数选择杨凌的研究成果REF_Ref18137\r\h[19]；NO3-N淋洗量取施氮总量的21%，挥发损失极少可忽略不计，氧化亚氮(N2O-N)取氮素投入总量的1.3%。磷的消耗量(总磷Ptot)以纪雄辉REF_Ref18186\r\h[20]的研究成果为基础，取肥料投入总量的1%。重金属污染仅考虑由肥料和有机肥所产生的铜、锌、镉、铅等重金属所造成的环境效应，参数来自陈林华等的研究REF_Ref18215\r\h[21]。详见表2。表2常用肥料重金属含量单位：mg/kg资源名称CdPbCuZn尿素0.030.180.282.34氯化钾0.050.691.304.47过磷酸钙0.6331.3616.6489.32钙镁磷肥0.083.524.9311.17复合肥0.122.077.3421.10有机肥4.7824.0182.14314.86根据搜集的数据和基本假设，结合相关研究成果，我国氮、磷、钾肥生命周期过程整体能源消耗和污染物排放如表3所示REF_Ref18101\r\h[18]REF_Ref18323\r\h[25]。表3化肥生命周期清单单位：g/kg复合肥氮肥磷肥钾肥能耗MJ92.02420.95813.13HC0.5970.1060.205CO4.2550.8740.805PM105.1350.3720.281Nox35.44.6186.208Sox31.8957.6091.576CO210125.561496.488973.2耗水KG121.1136.696-CH40.2410.0210.044N2O0.1730.0180.027NH32.739--NH419.9570.016-COD80--Pb-0.000186-Cd-0.0000128-Zn-0.000487-Cu-0.0000602-本文中所用农药主要用于抑制叶片分生、除草、杀菌、治灰霉病、治霜霉病、杀虫、植物生长调节等。在各种农业中，有机磷类农药是农药中最重要的一类，占据各类农药生产总量60%～90%，因此，本文主要以有机磷农药生产来探讨我国农药生产清单。本文以国家环境保护部公布全国调研数据为基础，综合相关研究成果，估算我国农药（折纯）生产能耗和污染物排放清单如表4所示REF_Ref18101\r\h[18]。表4农药生命周期清单单位：g/kg名称能耗MJCO2CODBODPtot废水农药2401800042213991.63600文中数据来自于实地调查和相关文献，研究地点为曲靖市罗平县金鸡、罗雄街道飞机场油菜种植基地。调查区域总面积201008亩，油菜的生命周期在七个月左右。病虫害以农药防治为主，农药主要是敌毒粉、百事达等。统计油菜耕作体系的物质投入表，具体数据见表5。表5油菜耕作体系的物质投入表物质投入油菜有机肥kg/m20.75氮肥kg/m20.012磷肥kg/m20.036钾肥kg/m20.012硼砂kg/m20.0012尿素kg/m20.0195硫酸锌kg/m20.0015敌毒粉kg/m20.003百事达ml/m20.09柴油/kg3.44电能/kW·h29.33水体积m3/m20.375不同投入物m产生的物质i的总量可由式（1）计算得出：ITOL（i）=（1）根据式（1）及相关资料REF_Ref18101\r\h[18]REF_Ref18695\r\h[22]REF_Ref18702\r\h[23]REF_Ref18705\r\h[24]可计算出每平方米生产1吨油菜所消耗或产生物质的量，如表6所示。表6油菜生产系统清单单位：kg/t物质名称农资系统农作系统合计能量消耗68.7718.0386.8水1104.6870.841175.52COD0.50.681.18BOD0.070.10.17Pb0.00070.00070.0014Cd0.00190.00260.0045Zn0.050.130.18Cu0.00260.01150.0141HC0.420.120.54CO0.180.050.23PM100.020.010.03NOx0.010.0030.013SOx0.0070.0020.009CO21577.89306.631884.52CH41.630.522.15N2O0.080.030.11NH30.00230.00470.0072.2.3影响评价确定不同环节的环境影响,将清单数据转化为具体的影响类型和指标参数，更容易对产品生命周期的环境影响进行认知。要对研究系统的资源消耗和污染物排放以及它们对外部环境的影响进行确定，通常可以分为三个步骤：分类和特征化、标准化与加权评估REF_Ref17895\r\h[14]。分类本文选取国内外关注较多的环境酸化、能源消耗、全球气候变暖等3种环境影响类型，特征化不同性质的生态影响因子对同一种生态影响类型的贡献潜力是不一样的REF_Ref18101\r\h[18]，通常，如果物质i的排放量为Qi（kg），该物质对环境影响类型j的特征化因子为EF（j）i，则物质i对影响类型j的潜在环境影响贡献EP（j）i可由下式计算：EP（j）i=（2）那么，整个系统对环境影响类型j的潜在环境影响总量EP（j）可由下式计算：EP（j）==（3）标准化标准化的目的就是要消除各单项结果在量纲和级数上的差异，更好地认识所研究的产品系统中每个参数结果的相对大小REF_Ref31070\r\h[26]。可由下式计算：Rj=（4）标准化的基准尺度应该与其对应的环境影响范围相对应REF_Ref31070\r\h[26]，本文采用杨建新REF_Ref17732\r\h[12]、梁龙REF_Ref17866\r\h[13]等的研究成果。加权评估在一个国家或地区，不同的环境影响类型在可持续发展中的重要性是不一样的REF_Ref18019\r\h[16]，本文采用杨建新等研究中通过专家组评议设置的权重系数REF_Ref17732\r\h[12]，来评价本产品系统对环境的影响。可由下式计算：EI=（5）3结果与分析3.1资源消耗在本研究中，评估了每平方米生产1吨油菜所消耗的资源量。表7展示了油菜生产系统的清单数据，包括能量消耗、水、COD、BOD、Pb、Cd、Zn、Cu、HC、CO、PM10、NOx、SOx、CO2、CH4、N2O、NH3、NH4和Ptot等物质的排放量或用量。由生产系统清单可以看出，能源消耗是油菜生产中最主要的资源消耗，占总消耗量的70%以上。此外，水的用量也很大，占总用量的15%。对于化学物质的排放，Ptot是最高的，其次是Cu、Zn和Cd等重金属物质的排放量。油菜生产系统清单如下表所示：表7油菜生产系统清单单位：kg/t物质名称农资系统农作系统合计能量消耗68.7718.0386.8水1104.6870.841175.52COD0.50.681.18BOD0.070.10.17Pb0.00070.00070.0014Cd0.00190.00260.0045Zn0.050.130.18Cu0.00260.01150.0141HC0.420.120.54CO0.180.050.23PM100.020.010.03NOx0.010.0030.013SOx0.0070.0020.009CO21577.89306.631884.52CH41.630.522.15N2O0.080.030.11NH30.00230.00470.0073.2环境负荷本研究将生产油菜的整个生命周期分为农资系统和农作系统两个环节，并对每个环节进行了环境负荷评价。评价结果油菜生产系统环境负荷清单所示。表8油菜生产系统环境负荷清单环境影响类型单位农资系统农作系统合计环境酸化kgSO2当量0.0260.0020.028水体富营养化kgPO4-P当量0.0260.0080.034人体毒性CTUh6.29×10-93.96×10-106.69×10-9水体毒性CTUe2.08×10-83.60×10-92.44×10-8能源消耗MJ23.412.636陆生毒性CTUc2.08×10-83.60×10-92.44×10-8全球气候变暖kgCO2当量1.240.671.91可以看出，能源消耗是造成环境负荷最大的因素，其次是全球气候变暖和水体富营养化。在农资系统中，能源消耗和环境酸化是主要的环境负荷类型，占总环境负荷量的63.9%和27.4%，分别对应23.4MJ和0.026kgSO2当量。其中，能源消耗主要来自化肥、农药和农膜的生产和运输过程，而环境酸化则是由氨氮排放引起的。在农作系统中，能源消耗、全球气候变暖和水体富营养化是主要的环境负荷类型，分别占总环境负荷量的35.0%、35.1%和23.5%。其中，能源消耗主要来自耕作、种植、施肥、除草、灌溉和收割等过程，全球气候变暖主要是由于温室气体排放导致的，而水体富营养化则是由于农业排放物如化肥和农药进入水体中，导致水中富含营养物质，促进藻类等生物生长，从而引起的环境问题。综上所述，农作系统对环境的负荷主要来自能源消耗、全球气候变暖和水体富营养化等方面。为了减少这些环境负荷，需要采取多种有效的措施。这些措施不仅可以减少环境污染，还可以提高农业的生产效率和质量，促进可持续农业的发展。3.2.1全球变暖全球变暖是当前全球面临的重大环境问题之一。在农作系统中，全球变暖的主要影响包括温度升高、降雨模式改变等。这些影响会对农作物的生长发育、产量、品质、生态系统稳定性等方面产生影响，从而进一步影响人类的粮食安全和社会经济发展。因此，了解和评估农作系统中全球变暖的影响非常重要。本研究通过对农作系统中全球变暖的影响进行了分析和评估。研究结果表明，在考虑不同种植作物和不同种植区域的情况下，全球变暖对农作系统的影响相对较小，但是仍然是一个值得关注的问题。具体来说，本研究发现，全球变暖会导致部分农作物的生长季节缩短，从而影响其产量和品质。3.2.2环境酸化环境酸化是当前我国农业生产面临的重大环境问题，其主要原因是大气中NOx、SO2等污染物的大量排放，使其在大气中生成了大量的酸性物质，并随沉降物进入到土壤、水等环境介质中，造成了严重的环境酸化。环境酸化已经严重地影响到了土壤质量和作物的生长，所以，降低环境酸化对农业可持续发展十分重要。在本研究中，环境酸化是评估的一个重要环境指标之一。结果显示，在农作系统中，环境酸化占总环境负荷量的6.4%。具体来说，种植作物和施肥是农业生产中导致环境酸化的主要因素，这也与其他研究的结果相符。3.3标准化和加权评估为了更好地评估农作系统对环境的影响，需要对数据进行标准化和加权。标准化是指将原始数据转换为具有统一度量单位的相对数值，以消除不同指标单位带来的影响。加权则是根据各个环境负荷指标的重要程度，对标准化后的数据进行加权求和，以得出综合评价结果。使用了综合评价模型（ComprehensiveEvaluationModel，CEM）对农作系统的环境影响进行评估。CEM是一种综合评价方法，将不同的环境负荷指标进行标准化和加权，得出一个综合评分，用于评估农作系统对环境的影响程度。在本研究中，选择了三个主要的环境负荷指标，即能源消耗、全球气候变暖和水体富营养化，对它们进行了标准化和加权，得出了综合评分。在标准化过程中，采用了最小-最大规范化方法，将原始数据转化为0-1之间的相对数值。在加权过程中，根据专家意见，对每个环境负荷指标进行了赋权。具体权重如下表9所示：表9油菜种植体系生命周期评价加权评估结果环境负荷指标权重能源消耗0.4全球气候变暖0.3水体富营养化0.34讨论与结论4.1讨论与建议为了更精确的阐述罗平县油菜种植与其他区域做对比，选取了陈中督等学者的研究与本文做对比，陈中督等人利用2004-2015年间的油菜产量、农资和耕作等资料，采用生命周期法，系统地评估了我国油菜生产的氮足迹的时空分布和组成，研究结果显示，在2004年到2015年我国油菜生产氮足迹呈现逐年下降的趋势。研究表明：在油菜种植的过程中，资源消耗、全球变暖和水体富营养化是主要的环境负荷类型，分别占总环境负荷量的35.0%、35.1%和23.5%。能源消耗主要来自耕作、种植、施肥、除草、灌溉和收割等过程，其中，化肥施用等的环境效应主要表现为富营养化和环境酸化；全球气候变暖主要是由甲烷和二氧化碳等温室气体的排放引起的，然而，甲烷对环境的影响程度比二氧化碳等温室气体的占比更大。陈中督等学者对我国油菜种植模式的研究，以氮素排放为主要环境效应，发现我国油菜种植模式下的氮素足迹随种植模式的提高而提高。本文研究的罗平县油菜种植环境影响评价范围比陈中督等学者的研究小，但本研究的因素较多，可以从多方面分析油菜种植对环境的影响。通过对油菜种植环境影响评价的研究和分析，存在着诸多问题待完善解决，要降低资源消耗和环境负荷，农民可以采用更加环保的种植和施肥方式，例如有机农业、秸秆还田等方式，同时可以通过节水灌溉、合理使用农药等措施减少环境污染和生态破坏。还可以开发更加节水、高效、环保的农业生产设备和技术，减少资源消耗和环境负荷，同时可以开发新型农药、农作物等，提高农作物的产量和品质.4.2结论本研究使用生命周期评价方法对罗平县油菜种植的环境影响评价进行了分析，以1吨油菜为评价单位，计算分析罗平县油菜生产的所有资源消耗和物质的投入产出及其对环境的影响程度，结果显示：能源消耗是油菜生产中最主要的资源消耗，占总消耗量的70%以上。此外，由油菜生产系统环境负荷清单可以看出能源消耗是造成环境负荷最大的因素，其次是全球气候变暖和水体富营养化。在农资系统中，能源消耗和环境酸化是主要的环境负荷类型，占总环境负荷量的63.9%和27.4%，分别对应23.4MJ和0.026kgSO2当量。而在农作系统中，能源消耗、全球气候变暖和水体富营养化是主要的环境负荷类型，分别占总环境负荷量的35.0%、35.1%和23.5%。另外，环境酸化也是评估的一个重要环境指标之一，环境酸化占总环境负荷量的6.4%。

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