广西桂林水稻种植生命周期评价

周祖鹏+唐玉华+林永发

摘要：根据广西壮族自治区桂林市水稻生产状况，结合桂林当地实际情况，应用生命周期评价方法和Gabi软件，对生产1 t水稻（功能单位）所产生的环境影响进行生命周期评价。评价结果表明：评价对象生命周期的富营养化（EP）、酸化（AP）、生命周期成本（LCC）、能源消耗（ED）、生态毒性（HTP）、温室气体（GWP）及淡水消耗（WD）值分别为7.57 kg、4.54 kg、1 914元、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。并且水稻生产过程中对环境影响最大的是生长阶段，造成这种现象的主要原因是水稻在生长阶段过程中使用了较多的化肥和农药。因此，为了减少水稻生产过程中所产生的环境污染，应该尽量减少水稻生长过程中化肥和农药等化学产品的使用量。

关键词：水稻；桂林；生命周期评价；生命周期成本；环境污染

中图分类号： S181文献标志码： A

文章编號：1002-1302（2017）11-0049-06[HS）][HT9.SS]

水稻是全球最重要的粮食作物之一。美国加利福尼亚州、日本、意大利维切利、泰国及伊朗等国外学者应用生命周期评价方法对水稻生产开展了生命周期评价研究。结果表明，过多的使用机械化、化肥和农药是造成水稻生产环境污染的主要原因[1-5]。在国内，有学者应用生命周期评价方法对太湖流域、湖南及上海等地水稻生产过程中的气体排放、能耗及碳足迹进行研究和评价，其结果表明，化肥和农药也是造成环境污染和能源消耗的主要原因[6-11]。

由于广西桂林市属于喀斯特地貌，耕地基本上以丘陵为主，地势高低起伏有落差。因此，无法采用大面积机械化进行作业，只能采用一些小型化机械，同时结合以劳动力为主的方式进行耕种。桂林地处亚热带季风气候区，位于沿海地区，常年温和多雨，利于水稻生长（图1）。但是，经文献检索尚未发现有针对广西桂林地区水稻生产开展生命周期评价的研究。同时，在过去的水稻生命周期评价中也未发现针对水稻生命周期成本开展生命周期评价的研究。

1水稻生命周期评价过程

1.1目标与范围的界定

本研究以广西桂林市临桂区水稻生命周期评价为研究目标，以1 t水稻为功能单位，研究该地区生产1 t早稻对环境的影响，种植面积为1 334 m2。通过集中抽样和随机抽样有机结合的方法，对该地区的农户、相关的田间作业活动和经销商进行实地走访调查，将调查获取的资料经整合及误差分析后应用到本次研究中。此外，为提高研究质量和数据的可靠性，对[CM（25]一些幅度较大的数据或与常规数据有较大差异的数据进[CM）]

行排除，使筛选出的数据更具有客观性。本次研究水稻LCA（生命周期评价）的系统边界如图2所示。

1.2清单分析

1.2.1原料准备

根据对桂林市水稻种植的农户及田间各项作业活动的实地调查获取相关数据。当地农民根据多年的水稻种植经验，已经了解了当地种植水稻须要购买何种化肥、农药等原料。为了节约时间及成本，在水稻种植前农民都已经将原料提前购买并运输回家储存。在种植过程中需要的原料则可直接从储存地提取。水稻种植过程中所需要的原料都在同一地点采购，应用农用拖拉机对原料进行运输，运输距离为17 km。生产1 t水稻需要的原料情况如表1所示。化肥用于秧苗的成长过程；抛秧盘和尼龙用于种子的育苗；稻田平整过程中使用的机械是柴油消耗的主要原因；农药用于水稻生长过程中病虫害的防御。原料准备阶段的所需成本为6265元（种植面积1 314 m2，下同）。

1.2.2育苗阶段

种稻之前，必须先将稻田的土壤翻过，使其松软。过去使用牲畜和犁具，主要是用水牛来整地犁田，但随着科技的发展，目前基本上使用机器进行整地。假设所有使用的设备都能正常工作，不需要维护。在每年的3月底到4月初对稻田进行翻耕，采用广西南宁手扶拖拉机厂的微型耕作机，人工费为120元；同时用草甘膦除草剂对田埂进行除草。

在种子播种之前需要对种子用温水进行催芽，消耗电能0.8 kW·h，成本为0.56元。播种需要100个抛秧盘（聚氯乙烯），尼龙（聚氯乙烯）12 m。种子发芽后即可进行育苗，需要生根壮苗剂60 g。先将生根壮苗剂撒入抛秧盘中，然后将种子撒入抛秧盘中，用稀泥进行覆盖抛秧盘的每一个穴口，最后用尼龙作为覆盖种子的温室大棚，保证种子能够在一个良好的环境生长为幼苗，需要人工费100元。种子育苗阶段需要1 kg尿素进行施肥，为幼苗的生长提供充足的养分。抛秧盘和尼龙在抛秧后可直接回收再利用。该阶段花费的成本为220.56元。

1.2.3秧苗播种

种子经过20～30 d生长即可进入抛秧阶段。以前采用的是人工插秧，但是随着社会的发展，现在已经采用人工抛秧技术，一般在4月中旬进行人工抛秧。在插秧当天需要对稻田进行平整，人工费为120元。稻田平整过后需要施肥，使用的化肥为钾肥、46.4%尿素等肥料。基肥的组成为：24 kg尿素+30 kg钾肥；插秧需要人工费240元。该阶段的成本为360元。

1.2.4生长阶段

插秧20 d左右，长出第1节稻茎时称为分蘗期，这段期间往往须要追肥，让稻苗健壮地成长，并促进日后结穗米质的饱满和提高产量。使用的化肥为12%过磷酸钙、17.1%碳酸氢铵等肥料，追肥的组成：30 kg过磷酸钙+23 kg碳酸氢铵，人工费50元。灌溉一般都须在插秧后，幼穗形成时，还有抽穗开花期加强水分灌溉。有研究表明，水稻种植过程中灌溉是造成CH4排放的主要原因[12-13]，而CH4的排放对温室气体有比较大的影响。因此要合理地进行灌溉，不能大水漫灌，尽量节约资源，减少污染物的排放。为提高粮食产量，根据当地种植环境对病虫害进行防御。在该地区水稻种植过程中主要会出现的病害为螟虫、稻纵卷叶螟、稻飞虱等害虫。插秧30 d后要喷洒阿维·三唑磷农药来防御螟虫灾害，在禾苗抽穗期要喷洒阿维菌素农药来防御稻纵卷叶螟灾害，在收割前20 d要喷洒吡虫啉农药来防治稻飞虱灾害。表2列出了水稻生产过程中所使用的农药及其用量。喷洒农药使用桂林洪氏喷雾器有限公司的电动喷雾器（桂林-16型），人工费为250元；消耗电能0.72 kW·h，0.5元。该阶段的成本为300.5元。

1.2.5收割阶段

早稻一般在7月中下旬收割，在水稻收割1周前对田埂进行除草。当稻穗垂下、金黄饱满时，就可以开始收成，过去是农民用镰刀割下，再扎起，利用打谷机使稻穗分离，现在则有收割机，将稻穗卷入后，直接将稻穗与稻茎分离出来。近年来基本上使用久保田588收割机进行收割，收割1 t的稻谷需要人工费用406元，消耗柴油4 L，柴油消耗的成本已经包含在收割稻谷的人工费中。

秸秆全部还田，可用于下季稻田的有机肥料，降低土壤的盐碱化，有助于改善土壤的肥力。但是也有研究表明，将秸秆全部还田不仅会增加CH4的排放量[14-17]，还会增加N2O的排放量[18]，也就间接地增加了温室气体的排放。秸秆也是一个相当有特色的经济副产品，用途相当多。除供牛羊等牲畜食用，以秸秆也可编成草绳、草鞋与蓑衣，早期也有许多房子是以秸秆做屋顶，利用秸秆编织出的工艺产品也相当常见，如草席，草帽等。但随着经济化发展，机械化器具引进，牲畜减少，塑胶生活用品也处处皆是，因此秸秆的用处急剧减少。据台湾农业改良会研究，在排水良好的稻田中，就地掩埋秸秆能对第1期作水稻增产10%；排水不良的田中，每年都掩埋稻草的话，第4年以后，就可增产约5%～8%；研究资料也显示，3年中每年都掩埋秸秆，会让稻田土壤有机质含量从 2.1% 增加至2.7%，同时田中的磷、钾、钙、铁、硅含量也都会增加。

2影响评价

在整个生命周期中，从原材料的获取到农业投入在稻田中的应用，水稻耕作所排放出超过1 000多种物质进入空气、土壤和水中，其中一些是有毒和危险性较大的物质。化肥的使用会排放以下几个直接影响环境的因素：甲烷、氨、氮氧化物、氧化亚氮等排放到空气中；重金属会对土壤、地表水和地下水产生污染；硝酸盐和磷会对地表水和地下水产生污染[19]。

水稻种植过程使用的化肥会造成水污染，引起水体富营养化和酸化，使用化肥所排放出的N2O和CO2气体对温室效应也有较大影响[20-21]；资源的消耗主要是柴油，同时也是产生温室气体的一个原因；农药的使用会对土壤和水体产生有害毒性物。所以采用富营养化（EP）、酸化（AP）、资源消耗（ADP）、生态毒性（HTP）、土壤毒性、温室气体（GWP）及水资源消耗（WD）等7个主要指标对水稻进行环境影响评价。

2.1富营养化

富营养化过程与氮、磷的含量及氮磷含量的比率密切相关。为促进水稻生长，提高农产品的产量，人们常施用较多的氮肥和磷肥，但它们极易在降雨或灌溉时发生流失。富营养化主要源于生长阶段化肥的使用，排放量为4.51 kg（图3）。化肥会排放出氧化亚氮、磷及NH3，这些因素都会加重富营养化在该地区的影响比例。过量使用化肥会使富营养化不断加重[22]。随着施氮量的增加，NO-3的淋失率增幅更大。因此，在高施氮量条件下控制农田NO-3淋失，是控制富营养化影响的关键[23]。

2.2酸化

酸化以SO2为参照物，长期大量施用化肥是造成土壤酸化的重要原因[24]，造成酸化影响的主要污染物是施用化肥后所释放出的NH3，排放量为4.54 kg，但能源的消耗也会对酸化有一定的影响。随着施氮量的增加，NH3对酸化潜力的贡献呈下降趋势，这主要是由于随着氮肥施用量的增加，农田NH3挥发率有所下降[23-24]。土壤酸化會加重土壤板结，使根系伸展困难，发根力弱，缓苗困难，根系发育不良吸收功能降低，长势弱，产量降低。酸化土壤中植物长势减弱，抗病能力降低，易被病害侵染，进一步增加农药的使用量，从而使生态毒性也进一步增加。酸化在水稻生长阶段的排放量最多，其他几个阶段的排放量相对较小，收割阶段的排放量最少，如图4所示。

2.3能源消耗

能源在农业生产过程中可以分为直接能源、间接能源、可再生能源和不可再生能源，而不可再生能源在农业过程中又占据了主导地位[25]。在水稻生长阶段与秧苗播种阶段消耗的化肥是资源消耗的主要阶段，在生长阶段能源消耗量可达到5 540 MJ；化肥的生产又是消耗矿石的主要原因，具体情况如图5所示。

2.4温室气体

生长阶段和秧苗播种阶段是排放温室气体的主要阶段，其中生长阶段的排放量将近是秧苗播种阶段的2倍，排放量为484 kg。收割阶段最少，排放量仅为4.56 kg。水稻种植是公认的主要温室气体排放源之一，2009年我国农业温室气体总排放量（以CO2计）为160万t，其中水稻种植排放14万t，占8.9%[26]。研究表明，灌溉[14]、土壤水分[27]、施肥[28]和品种[29]对的CH4排放影响较大，所以要合理、科学地灌溉和施肥，尽量降低CH4的排放。近年来，我国农业生产产量不断翻倍增加，但是氮肥、磷肥的使用量也在不断地翻倍增加[30-31]。水稻种植过程中施用的化肥会排放出CO2和N2O，但主要温室气体来源还是来自于化肥在生产过程中所排放出的CO2（图6）。

2.5生态毒性

水稻生长阶段所使用的农药是造成生态毒性的主要原因，排放量为43 kg，收割阶段的影响较小。农药喷洒过后所残留的重金属对土壤、地表水和地下水都会产生污染。因此，在保证水稻产量与质量的前提下尽可能地不使用农药（图7）。使用杀虫剂不仅会污染土壤和地下水，而且还会污染空气，严重影响水生生物的生存环境，甚至会导致一些濒危物种灭绝[32]。

2.6淡水消耗

当地依然使用原始的河水进行灌溉。水资源消耗主要在生长阶段，消耗量为1 010 m3，原料准备阶段消耗量最小，其值为0.815 m3。灌溉对于水稻的生长起着决定性作用，只有保证充足的水源，才能提高水稻的产量及质量，减少病害的发生，如图8所示。

2.7生命周期成本分布

随着生命周期评价朝着生命周期可持续评价的方向不断发展，越来越多的研究者开始关注生命周期成本[33-34]。在许多研究中也逐渐将成本作为一个评价环境的指标[35-41]。由此可以看出，把成本作为环境影响评价指标的重要程度在不断提升。成本高，间接地反映了现代科技的应用程度相对较低。成本水平虽然不能直观地反映环境影响，但是能够间接得通过其他方式呈现出对环境的影响。例如，过多的使用化肥或者机械化会使成本增加，而化肥和机械化的投入使得环境影响将进一步增加。这表明成本水平与环境影响有着不可分割的联系。由图9可知，原料准备的成本最高。由于当地水稻种植依然是以人工为主，因此水稻种植的成本相对较高。

3敏感性分析

在水稻生長的整个过程当中并没有把所有因素都考虑完善，从而使得分析结果的可靠性有所降低，以致于影响水稻的LCA。例如，在翻耕稻田所使用的机械，由于使用的设备型号不同，使得柴油的消耗量也不一样，这就对能源消耗评估产生了一定的影响。在我国，大多数水稻种植为了提高产量而不断增加资源的投入，特别水和养分，这往往是以牺牲环境作为代价[42]。

长期以来我国氮肥在生产上氮施用量一般超过 180 kg/hm2，有些地区甚至超过600 kg/hm2，但水稻氮肥实际利用效率仅为（33±11）%。而目前发达国家氮肥利用率已达60%，如果能达到这一利用水平，将减少50%的氮肥使用，直接减少种植活动中的施用氮肥带来的碳排放[43]。不仅稻田的土壤肥力存在着差异性，而且禾苗在生长过程中也存在着长势好坏的问题，从而使得施肥的比例也不一样。然而肥料又是环境影响评价的一个重要指标，所以对评价分析的结果影响较大。这些不仅影响环境方面的评价指标，同时对经济指标的影响也较为明显。还有一个原因就是购买的种子，种子质量的好坏将会直接影响到水稻产量的高低。因此，评价结果会有一定误差，但本次评价数据大多来源于实地调研，因此能最大限度减少评价误差。

4结论[JP2]

由图10可知，资源输入与废弃物排放主要在生长阶段与秧苗播种阶段。综上可知，水稻的生命周期成本为1 914元/t。当地稻谷价格为3.2元/kg，除去成本后的收益为1 286元/t。[JP+1]生产1 t水稻对环境所产生的污染及消耗的资源主要为富营养化、酸化、能源消耗、生态毒性、温室气体及淡水消耗，其值分别为7.57 kg、4.54 kg、9 650 MJ、43 kg、796 kg、1 510 m3。而化肥又是产生富营养化、酸化及温室气体的主要原因。因此，在水稻生长阶段合理的施肥是减少环境污染的重要举措。[JP]

为了进一步说明桂林地区水稻生产的特征，表3给出了不同国家或地域水稻生命周期评价指标的对比情况。由表3可知，不同国家或地域的评价结果差异是很大的。就桂林地区的水稻生产而言，能耗较高，仅低于伊朗；温室效应较低，仅高于湖南、太湖流域和意大利；富营养化、水资源消耗处于中间水平；酸化影响最低；生态毒性处于较高水平。表3中有一些空白的地方，表示有的文献没有相应的评价指标值。

5讨论

随着中国经济不断发展，人们生活水平不断提高，当地种田的收益较低，因此当地水稻种植面积近年来也不断缩小。因为地理环境的约束，机械化使用程度依然较低，还是依靠劳动力进行作业，从而提高了成本。虽然成本有所增加，但是由于机械化应用程度较低，使得对环境产生的影响也相应地有所降低。因此，成本高低是对环境影响的一个侧面表现。成本的变化而变化。文献[44]中环境、经济和社会指标的集成一直被认为是对于LCA的局限性和改善可持续性评估工具的一个合适的解决方案。随着生命周期评价不断发展，生命周期评价与数据包络分析相结合的方法不断得到发展。文献[45]显示，在应用生命周期评价与数据包络分析相结合的方法时，考虑经济方面的评估可以改善环境影响评价。有些研究从经济的角度把生命周期评价与数据包络分析相结合的方法分为5个步骤应用到农业系统中[46-48]。文献[49]显示，原材料受市场的影响较大，将经济评价细分到每个系统中，应用生命周期评价与数据包络分析相结合的方法可以有效节约在机械和化学产品上的经济成本。生命周期评价与数据包络分析相结合的方法在一定程度上可以降低环境影响和节约成本，因此可以将该方法应用到今后的相关研究中。

由于农田和地下水的污染不断加重，使用化肥和环境污染的关系受到越来越多相关研究者的关注。合理管理土壤有机质，消除土壤的物理、化学和生物的约束，从而改善土壤的质量。通过资源和环境管理，提高资源利用效率，加强农业可持续发展，减少养分流失、温室气体排放量及负面生态足迹的影响[50]。采用集成化技术来提高生产效率及资源的利用率，有利于减少全球气候变暖、酸化、富营养化和人体毒性等指标的生命周期环境影响的潜力[51]。通过本次评价可知，在今后的水稻种植过程中应该尽量减少化肥的使用，这不仅能减少对环境所产生的影响，而且也能减少矿产资源消耗、节约成本。在条件许可的情况下尽可能地使用有机肥，使土壤肥力保持在一定程度，更有利于水稻的生长。同时为减小生态毒性对环境的影响，在保证水稻产量与质量的前提下尽可能地不使用农药等杀虫剂，实现环境可持续发展。

参考文献：

[1]Brodt S，Kendall A，Moharnmadi Y，et al. Life cycle greenhouse gas emissions in California rice production[J]. Field Crops Research，2014，169（169）：89-98.

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