楊肖，鐘方雷，2*，郭愛(ài)君，王瓊

（1.蘭州大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；3.中國(guó)人民銀行蘭州中心支行，蘭州 730000）

干旱區(qū)綠洲制種玉米生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)
——以張掖市為例

楊肖1，鐘方雷1，2*，郭愛(ài)君1，王瓊3

（1.蘭州大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；3.中國(guó)人民銀行蘭州中心支行，蘭州 730000）

為定量分析干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)的生態(tài)環(huán)境影響，在張掖市統(tǒng)計(jì)局投入產(chǎn)出調(diào)查基礎(chǔ)上增補(bǔ)專項(xiàng)調(diào)查，以黑河流域中游張掖市主要三縣區(qū)的制種玉米為例，采用生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法，將灌溉用水量納入LCA清單，定量評(píng)估作物生命周期內(nèi)投入產(chǎn)出的環(huán)境影響。結(jié)果顯示，張掖市甘州區(qū)、高臺(tái)縣和臨澤縣制種玉米環(huán)境綜合影響指數(shù)分別為0.608 0、0.538 1和1.259 5，其中：化肥的生產(chǎn)和施用對(duì)環(huán)境影響十分顯著；淡水消耗量高于華北地區(qū)，低于陜西關(guān)中地區(qū)；與實(shí)行輪作的地區(qū)比較，環(huán)境污染指數(shù)較高。建議加大技術(shù)指導(dǎo)，測(cè)土配方施肥，并在氣候及生產(chǎn)條件允許的區(qū)域改變耕作制度，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。

生命周期評(píng)價(jià)；干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)；環(huán)境影響；制種玉米

為更好地滿足“十三五”規(guī)劃的要求，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展必須充分考慮自然資源的承載能力以及對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的保護(hù)。我國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)面臨水資源稀缺和生態(tài)環(huán)境脆弱的雙重限制[1]，我國(guó)人均水資源量幾乎不足世界人均水平的1/4，且其中73.4%為農(nóng)業(yè)用水，而灌溉用水有效利用率不足40%。西北干旱區(qū)水資源人均擁有量更稀缺，尚不足全國(guó)人均擁有量的50%[2]；另外，西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，極易受到氣候變化及人類活動(dòng)的干擾，導(dǎo)致災(zāi)害和環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)。在這樣的背景下，采用生命周期評(píng)價(jià)（Life cycle assessment，LCA）方法評(píng)估西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的精華部分——綠洲農(nóng)業(yè)的環(huán)境影響，同時(shí)重點(diǎn)評(píng)估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源的消耗情況，無(wú)疑具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)針對(duì)性。張掖市作為綠洲農(nóng)業(yè)典型區(qū)域，是全國(guó)最大的雜交玉米種子生產(chǎn)基地。2015年，張掖市雜交玉米制種播種面積達(dá)到99.06萬(wàn)畝（6.6萬(wàn)hm2），產(chǎn)量達(dá)52 853.31萬(wàn)kg，產(chǎn)值突破23.86億元，制種面積占全國(guó)全部制種面積的近30%。用LCA方法既能對(duì)制種玉米生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)階段的環(huán)境影響做系統(tǒng)匯總評(píng)估，又可以直觀反映生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節(jié)和要素的影響，可反推改進(jìn)措施，操作性強(qiáng)，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

LCA方法是一種用于評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)生命周期過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境影響的工具[3]。國(guó)外相關(guān)研究已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域建立比較完善的分析框架，例如：Brentrup 等[4]以甜菜為研究對(duì)象，運(yùn)用LCA方法對(duì)比了所施不同種類氮肥對(duì)環(huán)境影響的差異；Charles等[5]通過(guò)比較不同種植密度的小麥生命周期系統(tǒng)內(nèi)所造成環(huán)境影響的差異，得出了生態(tài)角度相對(duì)最優(yōu)的種植密度；Mora 等[6]對(duì)墨西哥農(nóng)業(yè)生命周期內(nèi)的碳排放做出了評(píng)估。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也逐步將LCA方法運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，例如：Wang等[7]以華北高產(chǎn)糧區(qū)夏玉米不同施肥水平為例，應(yīng)用LCA方法對(duì)夏玉米生命周期資源消耗與污染排放進(jìn)行清單分析和全面的影響評(píng)價(jià)；梁龍等[8]同樣應(yīng)用LCA方法分析了該地區(qū)小麥生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)果表明我國(guó)小麥生產(chǎn)能耗較高，水土資源的壓力較大，富營(yíng)養(yǎng)化、水體毒性、環(huán)境酸化和土壤毒素是主要的潛在環(huán)境影響；彭小瑜等[9]分別對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)耕作方式存在差異的富平和楊凌兩地的冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出施肥方式不科學(xué)，農(nóng)藥施用過(guò)量和化肥、農(nóng)藥利用率低是農(nóng)作系統(tǒng)產(chǎn)生大量引起環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化污染物的原因。

本文以我國(guó)西北干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)典型區(qū)域——張掖市制種玉米為例，應(yīng)用LCA方法評(píng)估環(huán)境影響，進(jìn)而提出緩解環(huán)境影響的對(duì)策建議。

1 材料與方法

1.1 張掖市區(qū)域概況

甘肅省張掖市位于東經(jīng)97°20′～102°12′，北緯37° 28′～39°57′之間。地處全國(guó)地形的第二階梯中心，在青藏高原與內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡地帶，位于河西走廊中段，處于我國(guó)第二大內(nèi)陸河——黑河流域中游，海拔1200～5565 m，屬大陸性荒漠草原氣候，干燥少雨，蒸發(fā)量大，多風(fēng)。四季云量少，日照長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年平均日照時(shí)數(shù)為3052.9h，氣溫日較差大，年平均日較差為14℃，年平均氣溫為7.7℃。年均降水量118.4mm，大多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2337.6mm，無(wú)霜期152d。

由于天然隔離而少病蟲(chóng)害的自然環(huán)境和種植業(yè)傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，張掖市自古以來(lái)就是綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較發(fā)達(dá)的區(qū)域，種植作物以制種玉米為主，分布于黑河流域干流沿岸，下轄的甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣三縣區(qū)2012年被農(nóng)業(yè)部命名為國(guó)家級(jí)雜交玉米種子生產(chǎn)基地，種子產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收最為顯著的支柱產(chǎn)業(yè)。但另一方面，張掖市總體種植方式較為粗放，截至2015年，一家一戶的分散生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式仍占全市制種面積的80%，生產(chǎn)過(guò)程中播種、去雄、追肥、噴藥、收獲等田間操作90%以上皆由人工完成[10]。由于當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期過(guò)度追求經(jīng)濟(jì)效益，造成土地退化、沙化和土壤鹽漬化等環(huán)境問(wèn)題，不利于農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展和綠色農(nóng)業(yè)推進(jìn)。

1.2 樣本選取與數(shù)據(jù)收集

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于張掖市統(tǒng)計(jì)抽樣調(diào)查2012年投入產(chǎn)出表時(shí)，增加專項(xiàng)調(diào)查所獲得的數(shù)據(jù)。由于投入產(chǎn)出表每五年編制一次，目前最新的投入產(chǎn)出表為《2012年中國(guó)投入產(chǎn)出表》，故本文在分析時(shí)采用2012年的數(shù)據(jù)。樣本總量和構(gòu)成遵循以下原則：第一，總量以國(guó)家調(diào)查點(diǎn)為基礎(chǔ)，確定張掖市三縣區(qū)調(diào)查樣本量需補(bǔ)充入戶調(diào)查80戶。樣本的構(gòu)成保持與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)增加值比例相同的原則，按照農(nóng)業(yè)增加值比例7∶5∶8確定相應(yīng)調(diào)查戶數(shù)，即三縣區(qū)分別抽取28、20、32戶。第二，采用分層隨機(jī)抽樣和典型樣本選擇法結(jié)合，問(wèn)卷調(diào)查和典型樣本結(jié)構(gòu)化訪談的方式收集數(shù)據(jù)。在三縣區(qū)制種玉米產(chǎn)值前五的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，抽取制種玉米戶為調(diào)查對(duì)象。最終甘州區(qū)選擇堿灘鎮(zhèn)、黨寨村和小滿村三個(gè)村鎮(zhèn)，臨澤縣選擇沙河鎮(zhèn)和平川鎮(zhèn)，高臺(tái)縣選擇宣化鎮(zhèn)、巷道村和駱駝城鄉(xiāng)三個(gè)村鎮(zhèn)，剔除其中不完整的數(shù)據(jù)，共得到72戶農(nóng)戶的有效數(shù)據(jù)：制種玉米最大規(guī)模為23畝，最小為1.5畝，戶均制種玉米種植面積為10.04畝，與當(dāng)年全市戶均種植面積9.45畝較接近?？傮w抽樣數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)胤N植狀況的代表性較強(qiáng)。

由于缺乏有效計(jì)量設(shè)施，當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶農(nóng)業(yè)用水量并沒(méi)有直接數(shù)據(jù)，主要通過(guò)水電費(fèi)繳納情況推算得到。水費(fèi)支出主要包括井水灌溉費(fèi)用和河水灌溉費(fèi)用。井水灌溉時(shí)需要考慮將水從機(jī)井中抽出所消耗的電，因而在折算時(shí)需考慮電費(fèi)的支出，河水灌溉沒(méi)有此項(xiàng)支出。所以，農(nóng)戶灌溉用水量是按井水灌溉0.55元·m-3、河水灌溉0.1元·m-3折算（河水灌溉只繳納水費(fèi)0.1 元·m-3，農(nóng)業(yè)用水價(jià)格來(lái)源于張掖市水務(wù)局；井水灌溉既要繳納水費(fèi)0.1元·m-3，還需繳納電費(fèi)0.45元· m-3，張掖市農(nóng)業(yè)用電價(jià)格參考甘肅省電網(wǎng)官網(wǎng)價(jià)格公示，以上價(jià)格均為2012年同期價(jià)格）。調(diào)查內(nèi)容圍繞所有投入的生產(chǎn)要素和經(jīng)濟(jì)成本以及資源性消耗等，產(chǎn)出主要關(guān)注產(chǎn)品產(chǎn)量和當(dāng)期的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以及產(chǎn)生的廢棄物量和處理方式等。

1.3 生命周期評(píng)價(jià)

1990年，國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)（SETAC）提出了“LCA”的概念，提出LCA是用來(lái)評(píng)價(jià)與產(chǎn)品、技術(shù)或服務(wù)相關(guān)的整個(gè)生命周期相關(guān)環(huán)境負(fù)荷的過(guò)程，它通過(guò)識(shí)別并量化資源與原料的使用以及環(huán)境影響的排放，評(píng)價(jià)這些投入與排放的影響，并評(píng)價(jià)和解釋環(huán)境改善的機(jī)會(huì)[11]。具體可分為四步：①確定評(píng)價(jià)目標(biāo)與范圍；②清單分析（Life cycle inventory，LCI）；③影響評(píng)價(jià)與分析；④生命周期結(jié)果解釋[12]。

1.3.1 確定評(píng)價(jià)目標(biāo)與范圍

用LCA方法評(píng)估制種玉米農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是把產(chǎn)品從投入到最終產(chǎn)出的處理的整個(gè)過(guò)程作為研究對(duì)象，進(jìn)行量化分析和比較，以評(píng)價(jià)制種玉米環(huán)境影響[13]。本文使用制種玉米質(zhì)量1 t作為功能單元，系統(tǒng)邊界從化肥和電力的生產(chǎn)開(kāi)始，終止邊界為作物種植過(guò)程輸出農(nóng)產(chǎn)品和污染物，即存在兩個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，分別是農(nóng)資生產(chǎn)系統(tǒng)和作物生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖1所示。

1.3.2 清單分析

圖1 制種玉米的系統(tǒng)邊界Figure 1 System boundary of seed maize production

生命周期清單分析是LCA中環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，主要對(duì)產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)等被評(píng)估對(duì)象在整個(gè)生命周期階段資源、能源的使用與向環(huán)境排放廢物量的定量評(píng)估過(guò)程，必須收集系統(tǒng)邊界內(nèi)每一個(gè)單元過(guò)程中需要納入清單的數(shù)據(jù)。張掖市制種玉米的生產(chǎn)按照《農(nóng)作物種子生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程：雜交玉米》（DB 62/T 1052—2003）[14]進(jìn)行，其中對(duì)制種玉米生產(chǎn)的產(chǎn)地環(huán)境、產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)、栽培管理措施、質(zhì)量管理措施等均作了明確規(guī)定，與華北地區(qū)夏玉米的種植要求具有較高的相似度。華北平原由于海拔較低、氣候濕潤(rùn)，可以實(shí)行冬小麥-夏玉米輪作制度，考慮作物全年對(duì)環(huán)境的影響則必須綜合分析兩種作物；相比較而言，張掖市海拔較高，制種玉米一年僅一季，因此生產(chǎn)1 t制種玉米可以核算全年農(nóng)作物對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響。

本文把制種玉米的生產(chǎn)分為兩個(gè)階段，即農(nóng)資生產(chǎn)階段和作物生產(chǎn)階段。農(nóng)資階段的影響有化肥生產(chǎn)所導(dǎo)致的大量能源消耗和廢水、廢氣及污染物排放，相關(guān)能耗和污染物排放系數(shù)，以及電力生產(chǎn)排放系數(shù)，參考胡志遠(yuǎn)[15]的相關(guān)研究。

種植階段的影響包括整地、灌溉、施肥、病蟲(chóng)害防治等管理措施引起的燃料、電力、淡水消耗及徑流、淋溶、揮發(fā)等過(guò)程帶來(lái)的污染物排放[7]。本文主要考慮制種玉米生命周期各階段中與化肥相關(guān)的資源與環(huán)境影響，氮磷鉀肥有效成分施用量根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程所用復(fù)合肥與尿素有效成分進(jìn)行換算，其中復(fù)合肥有效成分N、P2O5、K2O分別為17%、15%、17%，尿素有效成分N 為45.5%[16]。在玉米種植階段，一般研究中只考慮N 和P的損失。N損失綜合考慮陳新平等[17]的研究成果，制種玉米氨（NH3）揮發(fā)為氮素投入總量的26%，制種玉米淋洗取氮素投入總量的16%；N2O和NOX的參數(shù)參考Brentrup等[18]的成果，N2O揮發(fā)系數(shù)占總氮素投入的1.25%，NOX的揮發(fā)系數(shù)則為0.125%。P損失參數(shù)參考Gaynor等[19]的研究，PO3-4流失量為化肥和有機(jī)肥總量的1%。農(nóng)田重金屬的污染僅參考化肥和灌溉用水帶入土壤的Cu、Zn、Cd、Pb等重金屬對(duì)環(huán)境的影響。張掖市制種玉米幾乎全部秸稈還田，所以僅考慮除籽粒之外的重金屬，制種玉米各部分的重金屬含量參考李靜等[20]的研究。農(nóng)藥殘留率參考Van Calker等[21]的研究成果，污染物進(jìn)入大氣、水體和土壤的量為農(nóng)藥折純投入量的10%、1%和43%。在制種玉米的生長(zhǎng)階段，N2O、NOX、NO3的排放量分別占氮肥施放量的4.9%、5.3%、6.5%[22]，每生產(chǎn)1 kg玉米排放3 g NH3[23]。廠房設(shè)備、建筑設(shè)施、運(yùn)輸工具生產(chǎn)的環(huán)境影響由于資料缺乏，不予考慮[14]。

1.3.3 影響評(píng)價(jià)

影響評(píng)價(jià)是生命周期評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，是對(duì)清單分析中所識(shí)別出的環(huán)境影響定性或定量的評(píng)價(jià)過(guò)程，一般有特征化、標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評(píng)估三個(gè)步驟。本文將制種玉米的影響因素劃分為資源利用情況和生態(tài)環(huán)境影響兩大類，其中資源利用情況包括能源消耗、土地利用和淡水消耗，生態(tài)環(huán)境影響則劃分為全球變暖、環(huán)境酸化、富營(yíng)養(yǎng)化、人體毒性、水體毒性和土壤毒性等六種類別。

具體來(lái)說(shuō)，特征化采用當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行折算，能源消耗以生產(chǎn)1 t制種玉米的能源消耗量表示；土地利用考慮農(nóng)作物種植涉及到的草地、林地、水域的使用，耕地、林地、草地、海水水域、內(nèi)陸水域的當(dāng)量系數(shù)分別為1、0.04、0.16、0.1、0.24，制種玉米的土地類型為耕地，即為1；淡水消耗以生產(chǎn)1 t制種玉米的新鮮用水量表示，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的重復(fù)利用率極低，本文假設(shè)為0。生態(tài)環(huán)境影響已建立比較完善的當(dāng)量系數(shù)模型，全球變暖潛力以CO2為當(dāng)量，CH4、N2O和CO的當(dāng)量系數(shù)分別為21、310和2[15]；酸化潛值以SO2為當(dāng)量，NH3和NOX的當(dāng)量系數(shù)分別為1.89和0.7[24]；富營(yíng)養(yǎng)化潛值以PO3-4為當(dāng)量，NH3、NO-3、NOX當(dāng)量系數(shù)分別為0.33、0.42、0.13[15]。

標(biāo)準(zhǔn)化可以將不同范圍的環(huán)境影響在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下研究，本文采用2000年世界人均環(huán)境影響潛力[25]。其中，土地使用參考梁龍[8]的研究，基準(zhǔn)值為924.92 m2·a-1。能源消耗、淡水消耗、全球變暖潛值、酸化潛值和富營(yíng)養(yǎng)化潛值的基準(zhǔn)值分別為56 877.88 MJ·a-1、654.32 t·a-1、7192.98 kg·a-1、56.14 kg·a-1和10.70kg·a-1。

加權(quán)評(píng)估是根據(jù)特定的加權(quán)方法，賦予不同的影響類型一定的權(quán)重。本文所采用的權(quán)重參考Wang等[7]、梁龍等[8]的研究成果，并考慮到干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的極度依賴，同時(shí)土地資源較為豐富，將淡水消耗權(quán)重由平均水平的0.09調(diào)整到0.11，將土地利用權(quán)重由平均水平的0.16調(diào)整到0.14。具體的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)值及其權(quán)重見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與討論

本文以張掖市三縣區(qū)2012年生產(chǎn)1 t制種玉米為功能單位，分析該生產(chǎn)體系從農(nóng)資生產(chǎn)到農(nóng)作生產(chǎn)中的資源消耗和環(huán)境排放情況。表2展示了生產(chǎn)1 t制種玉米的前期投入要素的數(shù)量，其中氮磷鉀肥的數(shù)量是折純后的結(jié)果。

表1 生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)基準(zhǔn)值及權(quán)重Table 1 Normalization values and weights for different impact categories

2.1 清單分析

張掖市制種玉米的LCA清單主要包括資源利用情況和生態(tài)環(huán)境影響兩大類，見(jiàn)表3。資源利用情況包括能源消耗、土地使用情況和淡水的消耗，就生產(chǎn)1 t制種玉米的資源利用情況來(lái)說(shuō)，臨澤縣消耗都居首位，能源、土地和淡水的消耗量很大，高臺(tái)縣的淡水使用最少，主要受限于地勢(shì)較高，且位于黑河中游的末端。由于化肥施放量最高，按照排放系數(shù)折算后，臨澤縣各種污染物排放仍然最高。

2.2 影響評(píng)價(jià)分析

2.2.1 特征化結(jié)果

制種玉米種植系統(tǒng)的能源消耗主要發(fā)生在農(nóng)資生產(chǎn)的過(guò)程中，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以手工為主，屬于粗放型生產(chǎn)，制種玉米的種植屬于低耗能的生產(chǎn)方式。生產(chǎn)1 t制種玉米需要的土地，甘州區(qū)最小、臨澤縣最大；農(nóng)業(yè)灌溉用水高臺(tái)縣最少。

采用當(dāng)量系數(shù)計(jì)算的全球變暖潛值，三個(gè)縣區(qū)的溫室氣體排放量分別是2 423.50、2 053.19、5 246.40 kg CO2-eq，農(nóng)資生產(chǎn)和農(nóng)作生產(chǎn)都會(huì)造成溫室氣體的排放，臨澤縣生產(chǎn)1 t制種玉米投入較多的農(nóng)資造成該縣全球變暖潛值大幅高于其他地區(qū)；農(nóng)資和農(nóng)作過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、NH3、NOX等氣體會(huì)造成環(huán)境酸化，三縣區(qū)分別為71.12、60.48、154.02 kg SO2-eq。大部分環(huán)境酸化潛值是由所施氮肥引起的，在較高的氮素背景下，N2O排放量呈上升的趨勢(shì)，該現(xiàn)象在東北的大豆生產(chǎn)中也得到證實(shí)[26]，胥剛等[27]的研究同樣表明土壤硝酸鹽淋失量隨著施氮量的增加而增加，張衛(wèi)紅等[28]證明測(cè)土配方施肥可以有效改善這種現(xiàn)象；臨澤縣環(huán)境影響潛值中富營(yíng)養(yǎng)化潛值、毒性均為最高。制種玉米的生產(chǎn)具有較高的技術(shù)要求，與制種戶簽約的種子公司技術(shù)人員會(huì)對(duì)農(nóng)戶進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和規(guī)范。由于臨澤縣制種玉米的生產(chǎn)規(guī)模高于其他兩縣區(qū)，單位面積配備的技術(shù)人員數(shù)量較低，甘州區(qū)每畝（667 m2）土地的技術(shù)人員平均為1.2人，高臺(tái)縣則達(dá)到3人，而臨澤縣只有0.5人。在實(shí)際種植中，由于制種戶盲目相信化肥施用量與產(chǎn)量之間有顯著增加的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，在缺乏技術(shù)人員有效指導(dǎo)的情況下，容易造成化肥多用、濫用，增加了不必要的環(huán)境影響。具體環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 生產(chǎn)1 t制種玉米的前期投入Table 2 The pre-input for 1 t of seed maize

表3 生產(chǎn)1 t制種玉米的生命周期排放清單Table 3 Life cycle inventories for 1 t of seed maize

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

將張掖市制種玉米的生命周期影響潛值參考2000年世界人均環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯手輩^(qū)制種玉米生命周期內(nèi)的淡水消耗、環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)超過(guò)2000年世界平均水平，高臺(tái)縣制種玉米生命周期內(nèi)的環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化超過(guò)平均水平，臨澤縣土地利用情況、淡水消耗、環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)均超過(guò)世界水平，尤其是淡水消耗、環(huán)境酸化和富營(yíng)養(yǎng)化，分別是2000年世界人均環(huán)境影響的1.4960、2.743 4、3.109 7倍。高臺(tái)縣的淡水消耗相比于其他兩縣區(qū)都比較低，且低于世界平均水平，主要是由于受到政策和客觀條件等多重因素影響。從政策管控來(lái)說(shuō)，舉世矚目的黑河分水方案[29]限制了中游張掖市的用水總量，而高臺(tái)又處于黑河干流中游的末端，用水總量限制更加明顯[30-31]。高臺(tái)縣東地屬黑河谷地平原和榆木山前戈壁地帶，海拔較高，這一客觀地理?xiàng)l件決定了利用河水灌溉不易，許多地方只能井水灌溉，導(dǎo)致用水成本較高。因此，總量和成本的限制，客觀上倒逼高臺(tái)制種玉米形成了淡水消耗低于其他縣區(qū)的局面。另外，三縣區(qū)的能源消耗、全球變暖和毒性指數(shù)均低于世界平均水平。這是由于該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠手工，機(jī)械化程度低，因此能源消耗低，但這有利于降低該地區(qū)制種玉米的環(huán)境影響（毒性），確保國(guó)家級(jí)制種基地和我國(guó)種業(yè)的發(fā)展以及糧食的安全。

2.2.3 加權(quán)評(píng)估結(jié)果

將制種玉米生命周期生態(tài)環(huán)境影響潛值加權(quán)后，得出張掖市甘州區(qū)、高臺(tái)縣和臨澤縣的環(huán)境綜合影響指數(shù)分別為0.608 0、0.538 1、1.259 5，各縣區(qū)的對(duì)比情況見(jiàn)圖3。綜合影響高于國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的相關(guān)研究，華北平原的冬小麥-夏玉米種植系統(tǒng)中夏玉米的生命周期環(huán)境影響綜合指數(shù)為0.330 6[32]，陜西關(guān)中地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中夏玉米的生命周期環(huán)境影響綜合指數(shù)為0.378 8[8]，相比于這些地區(qū)的輪作系統(tǒng)，制種玉米生產(chǎn)過(guò)程要求較為獨(dú)立的環(huán)境，相關(guān)投入則相對(duì)較大，由于小麥植株中重金屬的分布較高，單一種植制種玉米的張掖地區(qū)毒性較低。對(duì)于西北干旱農(nóng)業(yè)中最重要的水資源來(lái)說(shuō)，華北地區(qū)為186.09m3·t-1，陜西關(guān)中地區(qū)為2 162.23 m3·t-1，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高的華北地區(qū)相比，張掖市平均農(nóng)業(yè)淡水消耗量為640.95 m3·t-1，仍然較大，但還需考慮氣候?qū)τ谵r(nóng)業(yè)灌溉用水的影響。華北地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季降水量較干旱區(qū)更多，可能農(nóng)業(yè)灌溉用水需求量會(huì)有所降低；相比于生產(chǎn)水平和氣候條件較為相當(dāng)?shù)年兾麝P(guān)中，張掖市農(nóng)業(yè)用水效率較高。

表4 制種玉米生命周期環(huán)境影響潛值特征化與加權(quán)分析結(jié)果Table 4 Life cycle environmental impact characteristics and weighted results of seed maize production system

圖2 張掖市制種玉米生命周期生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)Figure 2 Indices of life cycle environmental impacts of seed maize in Zhangye City

3 結(jié)論

（1）張掖市三縣區(qū)生產(chǎn)1 t制種玉米的生態(tài)環(huán)境綜合影響值分別為0.608 0、0.538 1、1.259 5，總體差異較大。由于機(jī)械污染排放基本可以忽略，主要原因是化肥施用量存在顯著差異，尤其是氮肥的大量施用，對(duì)全球變暖潛值、酸化潛值、富營(yíng)養(yǎng)化潛值等指標(biāo)的貢獻(xiàn)率都比較高。為此鼓勵(lì)農(nóng)業(yè)技術(shù)部門和種子公司加大技術(shù)指導(dǎo)，測(cè)土配方施肥，改變傳統(tǒng)單純依賴“化肥多產(chǎn)量高”的經(jīng)驗(yàn)，不僅可以節(jié)約氮肥用量，降低種植成本，還可以降低環(huán)境影響。

圖3 張掖市制種玉米生命周期生態(tài)環(huán)境影響潛值加權(quán)結(jié)果Figure 3 Weighted indices of life cycle environmental impacts of seed maize in Zhangye City

（2）張掖市三縣區(qū)生產(chǎn)1 t制種玉米分別需要711.03、361.55、978.88 m3水灌溉，整體需水量相比于華北地區(qū)屬于較高水平，與陜西關(guān)中地區(qū)相比用水量較低，但還需結(jié)合氣候條件綜合評(píng)估灌溉用水效率。三縣區(qū)用水量的內(nèi)部差異，一方面由于黑河分水的嚴(yán)格總量控制措施，另外也與所處地理?xiàng)l件有關(guān)。這同時(shí)也說(shuō)明，從政策角度和地理?xiàng)l件出發(fā)因地制宜地調(diào)控水資源使用，是切實(shí)可行的。

（3）張掖市制種玉米的生態(tài)環(huán)境影響值較實(shí)行輪作制度的地區(qū)高。建議在氣候及生產(chǎn)條件允許的區(qū)域，改變耕作制度，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，農(nóng)戶可以考慮糧菜生產(chǎn)、種子生產(chǎn)與飼草生產(chǎn)的復(fù)合生態(tài)模式。實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)區(qū)域生產(chǎn)布局，合理輪作倒茬，降低對(duì)環(huán)境的影響。

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Assessment of the environmental impact of seed maize production in oasis agriculture of arid regions based on the life cycle assessment method：A case study of Zhangye City

YANG Xiao1,ZHONG Fang-lei1,2*,GUO Ai-jun1,WANG Qiong3
（1.School of Economics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China;2.Key Laboratory of Ecohydrology of Inland River Basin,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;3.Lanzhou Central Branch,The People′s Bank of China,Lanzhou 730000）

Based on the input-output survey of the Zhangye Municipal Bureau of Statistics,a survey was conducted to determine the environmental impact of seed maize production using the life cycle assessment method.The first step was to identify the evaluation objectives and scope,consider the two stages of agricultural production,and determine the production boundaries.The second step was an inventory analysis of irrigation water in the life cycle assessment list and a consideration of resource consumption and environmental emissions.The third step assessed the impact of evaluation and analysis,listed all material characteristics,performed standardization,and calculated the environmental impact index.The fourth step explained the results of the life cycle assessment.The comprehensive impact indices of the seed maize environment in the three counties of Zhangye were 0.608 0,0.538 1,and 1.259 5.Significant effects of the production and application of chemical fertilizers were observed on the environment.Fresh water consumption was higher than in North China and the Guanzhong Region of Shaanxi Province,and a higher environmental pollution index was obtained when crop rotation was implemented.In view of these findings, it is proposed that agricultural technical guidance be increased,soil testing and fertilization be promoted,the farming system be altered,and the planting structure be adjusted in areas where climate and production conditions permit.

life cycle assessment;arid oasis agriculture;environmental impact;seed maize

X820.3

A

1672-2043（2017）08-1664-08

10.11654/jaes.2017-0425

2017-03-23

楊肖（1993—），女，甘肅甘南人，碩士研究生，研究方向?yàn)閰^(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)。E-mail：814981371@qq.com

*通信作者：鐘方雷E-mail：flzhong@lzb.ac.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41571516）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2016M590980）

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（41571516）；The China Postdoctoral Science Foundation（2016M590980）

楊肖，鐘方雷，郭愛(ài)君，等.干旱區(qū)綠洲制種玉米生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)：以張掖市為例[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（8）：1664-1671.

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