金线莲杉木林下仿野生栽培的环境影响分析

黄小云， 黄秀声*， 陈源泉， 林晓红， 韩海东， 冯德庆， 罗涛

（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福建省丘陵地区循环农业工程技术研究中心，福州 350013；2.中国农业大学农学院，北京 100193； 3.福建省大田县农业农村局，福建 三明 366100）

金线莲（Anoectochilus roxburghii）为兰科开唇兰属珍稀药用植物，全草入药，主要分布于我国福建、浙江、广东等南方地区[1]。金线莲生境条件特殊[2-3]，其种子无胚乳，只有当共生真菌入侵后才能萌发[4]，自然条件下繁殖速度较慢，加之森林破坏和人为过度采挖，其野生资源锐减。为保护野生资源，同时促进林下经济发展，发展林药模式是实现生态经济协调发展的重要方式。近年来，随着金线莲药食两用价值的逐步挖掘[5]，其市场需求量进一步增加。金线莲组培技术不断发展成熟，使其大规模人工仿野生栽培成为可能[6]。该栽培模式是根据金线莲的生长习性，利用林地资源，人为创造适宜的生长环境。不仅可减轻短期栽培对金线莲品质的影响，实现药材的“道地性”[7]，而且不与粮争地，充分利用林下空间，实现森林资源的高效利用，已成为我国南方极具特色的种植模式。

在国家农业绿色高质量发展及生态文明建设的大背景下，金线莲产业规模不断扩大的同时，其生产过程对环境产生的影响及产品的安全性问题不容忽视。目前，金线莲组培苗规模化生产过程中为创造和维持适宜的温度、光照等条件，需消耗大量的电力资源[8]。这些人工辅助能的投入对该系统的环境影响需进行综合评估。因此，本研究拟应用生命周期评价法（life cycle assessment，LCA）评估金线莲林下仿野生栽培的环境影响，具有较强的针对性和现实意义。

LCA 是用于评价产品（或服务）生命周期所有阶段对环境产生影响的方法[9]，包括目标和范围定义、清单分析、影响评价和结果解释[10]。20世纪90 年代，LCA 开始运用于农业领域，建立了相应的评价体系并迅速发展[11]。目前国内外种植业运用LCA 的研究主要集中在三大粮食作物（小麦、玉米、水稻）的单作、轮作等生产过程[12-13]。胡乃娟等[12]应用LCA 评价江苏南京地区稻-麦轮作系统的资源消耗和污染物排放，水稻和小麦的环境影响主要是富营养化和水体毒性。杨肖等[13]评价了甘肃省张掖市三县区的制种玉米环境影响，发现化肥的生产和施用对环境产生了显著影响。常俊彦等[14]研究发现，沈阳地区水稻生产对环境影响潜力最大的是水体毒性，减少化肥和农药用量是控制水稻生产潜在环境影响的关键。Nunes 等[15]运用LCA比较了巴西地区2种种植制度下水稻的温室气体排放，结果表明有机耕作的排放量高于保护性耕作，分别为35.53 和15.80 kg CO2-eq·kg-1。

本文以南方特色的杉木林下仿野生栽培金线莲为例，探讨该林药模式全生命周期的资源消耗和环境影响，可直观反映生产各个过程的影响，有助于反推相应的改进措施，为该模式的节能减排和可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 系统边界及影响类型划分

本研究以生产1 kg 的金线莲干品作为系统评价的功能单元，评价金线莲林下仿野生栽培生产系统从原料生产到作物种植过程中的环境污染物排放。本研究生产系统的起始边界为化石原料和能源的开采，终止边界为作物种植输出金线莲产品和污染物。根据农业生产特点，将金线莲林下仿野生栽培模式生产系统分为包括组培苗、有机肥、农药等生产的农资生产子系统和种植全过程的农作生产子系统2 部分，如图1 所示。以能源消耗（primary energy demand, PED）、土地利用（land use, LU）、淡水消耗（water use, WU）、全球变暖（global warming potential，GWP）、环境酸化（acidification potential， AP） 、 富 营 养 化（eutrophication potential，EP）、人体毒性（human toxicity，HT）、水体毒性（water toxicity，WT）、土壤毒性（soil toxicity，ST）作为系统评价的指标。

图1 林下仿野生栽培金线莲LCA系统边界Fig.1 LCA system boundary for Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

1.2 区域概况和数据来源

福建省宁德市霞浦县位于26°25′—27°07′N、119°46′—120°26′E 之间，属中亚热带季风湿润气候区，年平均气温18.6 ℃，年降雨量1 100~1 800 mm，全年无霜期230～365 d，年平均日照1 899.2 h。地势由西北向东南呈3 级阶梯状下降。林业用地9.93 万hm2，森林覆盖率36%[16]。试验地位于霞浦县杨梅岭国有林场的杉木林下，土壤基本理化性质如下：有机质51.70 g·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷0.58 g·kg-1，全钾14.6 g·kg-1，pH 4.60。本研究数据主要来自该基地2016—2019 年试验数据，试验地使用400 kg·hm-2的生石灰进行土壤消毒，种植地畦宽1.2 m。牛粪有机肥用量为15 t·hm-2，其基本理化性质如下：含水率40%，总氮17.5 g·kg-1，总磷6.2 g·kg-1，总钾9.8 g·kg-1。

金线莲组培苗为福建金线莲红霞，购自泉州市金草生物技术有限公司，种植前用多菌灵（carbendazim，有效成分40%）600 倍液进行消毒，凉干后定植，种植规格为(5~6) cm×(5~6) cm，种植时间为180 d。

林下栽培主要农资和能耗情况如下：①采用竹条搭建小拱棚，其上覆盖塑料薄膜和遮阳网，两者制作原料为高密度聚乙烯（high density polyethylene,HDPE）；②采用微喷设施进行水分管理，微喷头流量为30 L·h-1，安装数量为7 160 套·hm-2，雨季和晴天喷灌时间间隔不同，平均每7 d 喷灌1 次，每次1 h，用电为950 kWh·hm-2；③施用的肥料为牛粪有机肥；使用的农药主要有多菌灵、代森锌（zineb，有效成分80%）和高效氯氰菊酯（cypermethrin，有效成分5%）；④汽油消耗来源于农药喷施小型机器的使用；⑤金线莲采收、清洗，待其萎蔫后，用功率为1.2 kWh的鼓风干燥箱分批烘干。

此外，根据3 年的实测数据，组培苗产品合格率取83%，金线莲林下仿野生种植的成活率取72%，组培苗单株鲜重取1.5 g，采收的金线莲单株鲜重取2.0 g，折干率取13%。金线莲组培苗生产过程的数据来源于刘丹[8]的研究结果，组培苗平均运输距离为332 km。田间管理按照福建金线莲林下仿野生栽培技术执行[17]。林下仿野生栽培金线莲和组培苗生产过程的物质投入情况见表1和表2。

表1 林下仿野生生产1 kg金线莲干品的投入Table 1 Input for 1 kg of dried Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

表2 金线莲组培苗生产物质的投入产出Table 2 Input and output for Anoectochilus roxburghii tissue culture plantlets

1.3 清单分析与参数选择

1.3.1农资生产子系统 农资生产包括组培苗、塑料薄膜、遮阳网、有机肥、农药等生产及运输过程中的能耗和污染物排放，主要通过查阅相关文献和LCA 数据库。其中，电力、汽油等农资生产的能耗和污染物排放参考梁龙[18]的研究结果；化学试剂、有机肥、农药和马铃薯生产的能耗和污染物排放则取自荷兰莱顿大学环境科学中心开发的SimaPro7.1 软件系统；香蕉、白糖、琼脂生产的能耗和污染物排放分别参考相关LCA 研究结果[19-21]。组培苗生产过程培养基原料较多，本研究对重量小于0.1%产品重量的物料忽略其上游生产数据，总忽略物料重量比为0.164%。相关的固定资产如厂房设备、喷灌设施、运输工具产生的环境影响未予考虑。

1.3.2农作生产子系统 农作生产包括种植过程中系统排放的污染物，主要通过林下栽培试验及相关文献获取。研究表明，施用有机肥的氨挥发贡献率为20%~30%[22]，硝态氮（NO3-N）淋失率为1.4%~5.2%[23]。因此，金线莲种植过程氮损失参数选择如下：肥料氨（NH3-N）挥发取氮素投入总量的20%，氮淋失取氮素投入总量的3.3%，氧化亚氮（N2O-N）和氧化氮（NOX-N）的排放采用Brentrup 等[11]和Mosier 等[24]的研究结果，直接从土壤中挥发的N2O-N占总氮投入的1.25%，同时每向空气挥发1 kg NH3-N和向水体流失1 kg NO3-N，间接挥发的N2O-N 分别为0.01 和0.025 kg，NOX-N 的挥发系数为N2O-N的10%。

磷流失参数选择采用Gaynor等[25]的研究成果，磷（PO4-P）流失为肥料投入总量的1%。重金属污染仅考虑肥料带入系统的铜（Cu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等重金属对环境的影响，相关参数为实测数据，即Cu 49.41 mg·kg-1，Cd 2.25 mg·kg-1，Pb 2.56 mg·kg-1，Zn 150.09 mg·kg-1；此外，由于金线莲为全草食用，因此考虑金线莲离开生产系统携带的重金属，相关参数为实测数据，即Cu 6.74 mg·kg-1，Zn 0.24 mg·kg-1，Cd 2.90 mg·kg-1，As 0.24 mg·kg-1。农药进入大气、水体和土壤的污染物参数采用Van Calker 等[26]的研究结果，进入大气、水体和土壤的污染物分别以农药有效成分投入量的10%、1%和43%计算。

1.4 金线莲林下仿野生栽培生产系统影响评价

金线莲林下仿野生栽培生产系统的影响评价主要包括特征化、标准化和加权评估3部分。

1.4.1特征化 即将环境类型的各影响因子统一用某个影响因子来表示，实现各影响因子量纲上的统一，方便对影响因子进行比较，环境影响类型及排放物质的当量系数参考邓南圣等[27]研究结果。全球变暖（GWP）以CO2为参照物，CO、CH4、NOX的当量系数分别为2、21、310；环境酸化（AP）以SO2为参照物，NOX、NH3的当量系数分别为0.70、1.88；富营养化（EP）以PO-4为参照物，化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、NH3、NO3、总磷（total phosphorus，Ptot）的当量系数分别为0.02、0.33、0.10、3.06；人体、水体和土壤毒性（HT、WT 和ST）以1,4-二氯苯（1,4-dichlorobenzene,1,4-DCB）为参照物，农药和重金属Cu、Pb、Zn 等的当量系数参考Huijbregts 等[28]对181 种有害物质的毒性潜力评估结果。各项环境影响的特征化结果可根据公式（1）进行计算。式中，EP(x)表示系统某种环境影响的特征化结果；EP(x)i表示第i种影响因子对第x种环境影响潜值，Q(x)i表示第i种影响因子排放量，EF(x)i表示第i种影响因子对第x种环境影响的当量系数。

1.4.2标准化 标准化即将不同范围的环境影响在统一的标准下研究，以消除各环境影响在量纲和级数上的差异。本研究采用2000 年全球和1990 年中国人均环境影响潜力作为基准进行标准化处理[29-30]。各环境影响的标准化结果可根据公式（2）进行计算。

式中，Rx表示第x种潜在环境影响的标准化结果，EP(x)表示第x种潜在环境影响的特征化结果，S表示选定某年的基准值。

1.4.3加权评估 将不同的环境影响类型赋予一定的权重，具体化为对某地区或国家的影响。本研究采取王明新等[31]研究中通过专家组评议设置的权重系数，各环境类型权重系数为能源消耗0.15、全球变暖0.12、环境酸化0.14、富营养化0.12、人体毒性0.14、水体毒性0.11、土壤毒性0.09。各环境影响的标准化结果可根据公式（3）进行计算。

式中，EI表示系统的环境影响值，Wx表示第x种潜在环境影响的权重系数，Rx表示第x种潜在环境影响的标准化结果。

1.5 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2016 进行数据处理、统计分析和制作图表。

2 结果与分析

2.1 清单分析

金线莲林下仿野生栽培模式的生命周期清单分析主要包括能源、土地和水的资源利用和种植各环节的污染物排放，如表3 所示。每生产1 kg金线莲，系统的能源消耗和主要污染物排放以农资系统为主，占比达75.89%以上。农资、农作系统均投入较多水资源用于农资生产和灌溉，分别占重量的53.96%和46.04%。

表3 林下仿野生金线莲生命周期清单汇总Table 3 Life cycle inventories for Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

2.2 影响评价

2.2.1标准化与分类分析 金线莲林下仿野生栽培模式的清单数据经特征化、标准化后的计算结果见表4。林下仿野生生产1 kg 金线莲对环境影响较大的是水体毒性、富营养化、全球变暖和能源消耗，所产生的水体毒性、富营养化、全球变暖和能源消耗潜力分别相当于我国和世界人均环境影响潜力的109.88%、75.19%、35.02% 和29.37%。从土地资源消耗来看，将占用的林地折算为耕地，生产1 kg 金线莲仅占用耕地0.58 m2。金线莲农资和农作生产系统的各项投入所产生的能源消耗、全球变暖、环境酸化、富营养化、人体毒性、水体毒性和土壤毒性环境影响潜力占比见图2。

表4 林下仿野生金线莲生命周期评价标准化结果Table 4 Life cycle environmental impact characteristics results of Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

图2 林下仿野生金线莲生产各项投入所占比重分析Fig.2 Analysis of the proportion of various production inputs of Anoectochilus roxburghii cultivated under forest

2.2.2不可再生资源消耗 由表4 可知，金线莲生产过程不可再生资源的消耗主要发生在农资生产阶段，占整个生命周期能耗的95.28%（图2），组培苗生产耗能占系统能源的93.48%。农作生产阶段能源消耗相对较小。

2.2.3环境负荷 结合表4和图2可以看出，每生产1 kg 金线莲所造成的全球变暖（GWP）是2 405.83 kg CO2-eq，其中农资系统占95.23%，农作系统为4.77%。经特征化计算，农资系统中CO2和NOx对环境变暖影响作用最大，两者比重合计为95.17%。各项生产投入占比为组培苗>电力>塑料薄膜、遮阳网，三者对全球变暖的影响分别占总量的94.62%、4.65%和0.55%。每生产1 kg 金线莲造成的环境酸化（AP）是4.99 kg SO2-eq，其中农资系统占93.11%，农作系统为6.89%。经特征化计算，农资系统中SOx和NOx对环境酸化影响作用最大，两者比重合计为93.11%。组培苗生产对环境酸化的影响最大，占总量的91.99%，其次为电力和有机肥，分别占总量的4.48%和2.30%。每生产1 kg 金线莲造成的环境富营养化（EP）是1.43 kg PO4-eq，其中农资系统占93.19%，农作系统为6.81%。组培苗生产对富营养化的影响最大，占总量的92.11%，其次为电力和有机肥，分别占总量的4.40%和2.06%。

每生产1 kg 金线莲造成的人体毒性、水体毒性和土壤毒性分别为1.32、5.31 和1.09 kg 1,4-DCB-eq。从环境和人体毒性影响因子来看，农资系统对人体毒性影响最大，占99.46%；农作系统的农药投入和农资重金属对水体毒性贡献率较大，分别占比68.63%和31.26%；农作的农药投入对土壤毒性贡献率最大，达98.89%（表4）。组培苗生产对人体毒性影响最大，占99.46%；水体毒性主要来源于农药和有机肥，占比分别为68.63%和31.26%；土壤毒性主要来源于农药，占比为98.89%（图2）。

2.3 加权评估

将林下仿野生栽培金线莲的7 种环境影响潜值进行加权处理（图3），金线莲生产的环境影响综合指数为0.327 6，分类指数排序为水体毒性>富营养化>能源消耗>全球变暖，以人体毒性最低。

图3 金线莲生命周期生态环境影响潜值加权结果Fig.3 Weighted indices of life cycle environmental impacts of Anoectochilus roxburghii

3 讨论

南方特色林下仿野生栽培金线莲模式充分利用林下空地，不与粮争田、不与树争林，是解决土地资源不足的一种有效措施，具有巨大的推广潜力。从水资源来看，金线莲生产的水资源消耗在农资和农作系统的占比相近，主要来源于组培苗生产过程培养基配制消耗用水和种植过程灌溉耗水，金线莲仿野生种植环境湿度以65%~85%为宜[4]，因此在农作生产阶段需耗用大量的淡水资源以维持适宜的环境湿度。金线莲的水分管理可在实际生产时通过覆盖塑料薄膜等措施进行保湿。金线莲生产过程不可再生资源的消耗主要发生在农资生产阶段，主要是由于金线莲组培苗生产耗费了大量的电力能源，工厂化组培苗生产中，因灭菌、照明、控温控湿等操作会消耗大量的电力，约占组培苗成本的45%[32]。农作生产阶段能源消耗主要是由于抽水灌溉耗费的电力。因此，提高能量效率主要集中在上述2 个电力消耗环节。生产上可从减少控温、照明用电来降低能耗，例如利用自然光代替人工光照、采用保温墙体、合理安排生产周期等方法[32]。林下仿野生栽培金线莲对全球变暖、环境酸化和富营养化的影响潜力均以农资系统为主，占比均大于93%，且以组培苗占比最高，主要是由于组培苗阶段投入的电力较多，从而间接产生了大量的CO2、NOx、SOx和Ptot等污染物。

金线莲林下仿野生栽培模式的环境综合影响指数为0.327 6，低于我国三大主粮作物（小麦、玉米和水稻）的相关研究数据，华北平原的冬小麦-夏玉米轮作系统中小麦和玉米的生命周期环境影响综合指数分别为0.687 3 和0.330 6[33]；制种玉米生产过程相关投入相对较大，其在张掖市甘州区、高台县和临泽县的环境综合影响指数分别为0.308 0、0.538 1 和1.259 5[13]；长江中下游稻-麦轮作系统中水稻和小麦的环境综合影响指数分别为0.441 0 和0.598 0[12]。但在环境负荷类别上区别较大，本研究中潜在影响排序为水体毒性>富营养化>能源消耗，而三大主粮作物的环境影响主要为富营养化、环境酸化和水体毒性，其中华北平原麦玉轮作系统中小麦的潜在影响排序为富营养化>水体毒性>环境酸化，玉米则是富营养化>环境酸化>水体毒性[33]；张掖市制种玉米的潜在影响排序为富营养化>环境酸化>全球变暖[13]；长江中下游稻-麦轮作系统中水稻和小麦的潜在影响排序分别为富营养化>水体毒性>环境酸化、富营养化>水体毒性>土壤毒性[12]。

金线莲林下仿野生栽培模式具有较大的潜在环境影响，水体毒性已经超过世界人均基准值的1.1 倍，富营养化为0.75。其中，水体毒性主要来源于农药和有机肥，其中农药的高水体毒性源于使用的杀菌剂氯氰菊酯和多菌灵，两者的当量系数高达7.9×106和3.8×104kg 1,4-DCB-eq，而有机肥中的重金属Cd 和Cu 的水体毒性当量系数也较高，分别为1 500 和1 200 kg 1,4-DCB-eq[28]。金线莲生长在湿度较高的环境且种植密度大，其主要病害为茎腐病、炭疽病和猝倒病等，种植户常用多菌灵、代森锌等杀菌剂和高效氯氰菊酯等杀虫剂进行防治[17]。鉴于农药的高水体、高土壤毒性，可考虑通过选育抗病虫害能力强的品种、筛选低毒低残留的新型农药、采用综合防治替代单一化学防治、合理用药以防产生抗药性等策略来减少农药对环境的不利影响。此外，有机肥中重金属的钝化处理和施肥方式的合理采用也是缓解潜在环境毒性影响的有效手段。在大部分的作物生产系统中，氮肥的大量施用造成氨挥发和硝态氮淋失严重，是导致潜在富营养化的主要原因[12-13,33]。本研究中富营养化的主要来源是组培苗生产投入的大量电力，由于电力生产过程排放的大量污染物如Ptot、NH3等引起的。因此，在主要的电力消耗环节提高能量利用效率是减少富营养化潜在影响的有效手段。