卫凯平，武慧君，黄 莉，王晓旭，陈晓芳

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

随着人口、经济的增长，人们对食物的需求不断上升，导致农业生产强度不断加大，同时产生大量农业污染[1-2]。除了重金属、抗生素、农药等常见污染外，氮、磷营养物质因其不合理利用和管理已逐渐成为不可忽视的农业生产污染源[3-4]。高强度的农业生产，不仅加速了氮、磷资源的消耗，而且加剧了氮、磷损失，进而引发了全球变暖、酸化和富营养化等环境影响[5-7]。据《第一次全国污染源普查公报》[8]显示，农业面源排放的总氮和总磷占全国总排放量的57%和67%，种植业和养殖业流失的总氮和总磷分别占农业源流失总氮和总磷的48%和95%。因此，有必要对农业生产中氮、磷活动造成的环境影响进行评估，为减轻农业环境影响并保障食物安全提供理论依据。

国内外学者在农业养分管理方面已进行了大量研究，Canfield等[9]通过物质流分析方法（Substance Flow Analysis，SFA）刻画出全球氮流动机制，揭示新农业的发展已彻底破坏了氮循环，如果不主动干预和谨慎管理氮循环，人类因此造成的经济损失将持续数世纪。刘征等[10]运用灰色系统方法建立我国磷资源产业系统的动态模型，对磷资源现状、发展趋势及各项循环经济策略实施效果进行定量描述和情景分析，结果显示我国磷矿工业储量将在25年内快速耗尽，同时进入水体的磷元素会加剧水体富营养化。Guo等[11]利用能值分析中的环境可持续性指数（Environ⁃mental Sustainability Index，ESI）评价农业面源污染，揭示当今农田过量施肥下呈现出了严重不可持续性。农业氮、磷流动造成的环境影响日益严重，上述建立的农业生产系统氮、磷养分流动模型多是分析对水体的营养负荷贡献，对其他如全球变暖和酸化等环境影响关注不多。而生命周期评价方法（Life Cycle As⁃sessment，LCA）是评估产品或系统从摇篮到坟墓整个生命周期的环境影响，相比其他方法能够更全面、客观地分析系统造成的各类环境影响[12]。目前，对农业氮、磷养分的生命周期评价多集中在某种物质如化肥[13]、作物[14]和废物[15]等，或者是某个子过程如畜禽养殖[16]等，但对农业系统整个过程较完整的养分LCA分析较少。

本文采用LCA方法，以农业生产系统包括种植和养殖过程中的氮、磷物质流动为研究对象，建立农业生产系统氮、磷环境影响分析模型，并以安徽省为例，比较和分析安徽省2014年农业生产系统氮、磷在不同作物及畜禽生产中流动造成的能源消耗、全球变暖、酸化和富营养化等环境影响，以期为农业养分管理与环境影响控制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域状况

安徽省位于我国华东地区，地处长江、淮河中下游。2014年全省总人口6936万人，其中农业人口占77.3%；土地总面积140 140 km2，耕地面积占41.93%；第一产业生产总值占当年生产总值的11.47%[17]，农业生产经济是安徽经济发展的重要支撑。

1.2 计算方法

根据ISO[18]提出的LCA方法构建农业生产系统氮、磷环境影响分析模型，由种植业和养殖业生产过程涉及的主要氮、磷物质流动，确定图1所示的农业生产氮、磷流动系统边界。本文以种植面积最多的5种农作物（水稻、小麦、玉米、大豆和油菜）和饲养数量最多的猪、牛、羊、家禽为研究对象，功能单位分别为生产1 t作物和单位畜禽活体。评价的环境影响中，能耗潜力以消耗的农资（如化肥、灌溉水、种子和有机肥等）通过能耗系数转化为能耗值，全球变暖、酸化和富营养化潜力分别用CO2、SO2和PO3-4表示。本研究采用2000年世界人均环境影响潜力作为环境影响基准进行标准化处理和王明新等设置的权重系数进行加权计算[19]。

1.2.1 作物种植作物种植阶段能源消耗的计算公式为：

图1 农业生产系统氮、磷环境影响分析框架Figure 1 Analytical framework of environmental impacts derived from nitrogen and phosphorus in agricultural production system

式中：Ei为作物种植的能源消耗值；i为作物类别（i=1，2，3，4，5分别表示水稻、小麦、玉米、大豆和油菜）；j为有机肥包含的粪便类别（j=1，2，3，4，5分别表示猪、农村居民每年产生的粪便量；F为耕地总面积；r为粪便还田率；e1、e2、e3、e4i和e5分别为氮肥、磷肥、灌溉水、种子和粪便的能源当量系数。

作物种植阶段全球变暖潜力的计算公式为：

式中：Ci为作物种植的全球变暖潜力；ga为农田中N2O挥发系数；e7为N2O全球变暖的当量系数；TNi为农田中氮素投入的总量，其计算公式为：

作物种植阶段酸化潜力的计算公式为：

式中：Ai为作物种植的酸化潜力分别为农田中NH3和NOX挥发系数；e8和e9分别为 NH3和 NOX酸化的当量系数。

作物种植阶段富营养化潜力的计算公式为：

式中：Fi为作物种植的富营养化潜力；分别为农田中流失系数；e10、e11、e12和 e13分别为 NH3、NOX、和富营养化的当量系数。

1.2.2 畜禽养殖

畜禽养殖阶段能源消耗的计算公式为：

式中：Ej′为畜禽养殖的能源消耗值；为饲料消耗量；e6为饲料的能源当量系数。

畜禽养殖阶段全球变暖潜力的计算公式为：

畜禽养殖阶段酸化潜力的计算公式为：

式中：Aj′为畜禽养殖的酸化潜力；Nj为畜禽粪便的氮排泄系数为粪便中NH3挥发系数。

畜禽养殖阶段富营养化潜力的计算公式为：

式中：Fj′为畜禽养殖的富营养化潜力；Pj为畜禽粪便的磷排泄系数为粪便流失的含量，其计算公式为：

1.3 数据来源

在安徽省农业生产系统氮、磷环境影响分析模型中，各类作物化肥（氮肥、磷肥）消耗量和畜禽饲料消耗量取自《全国农产品成本收益资料汇编2015》[20]，各类作物的耕种面积、灌溉面积、畜禽和农村居民数量取自《安徽统计年鉴2015》[17]和《中国统计年鉴2015》[21]，其他参数取自公开发表的文献，具体取值及来源见表1。

2 结果与讨论

2.1 种植业环境影响

从作物能源消耗结构看，化肥的平均贡献率为83.45%，起主要贡献作用，灌溉和有机肥处理的贡献率较低。如图2a所示，油菜的能源消耗最大（3 051.13 MJ·t-1），占5种作物总能耗的29.74%，其次从大到小依次为玉米（2 124.51 MJ·t-1）、小麦（1 931.09 MJ·t-1）和水稻（1 629.40 MJ·t-1）。大豆的能耗最小（1 524.55 MJ·t-1），占总能耗的15.88%。化肥属于能源密集型产业且耗能偏大[5]，随着施肥量的增加能源消耗呈上升趋势。大豆低能耗即是由于单位面积施肥量较少，水稻和小麦则因产量较高，能源利用效率优于玉米和油菜。图2b中5种作物产生的全球变暖潜力共计860.06 kg CO2-eq·t-1，油菜的全球变暖潜力最高，占总潜力的30.77%，其次是大豆和玉米，分别占总潜力的23.42%和18.22%。水稻和小麦的全球变暖潜力相近，均不超过总潜力的14.00%。农田N2O释放量与田间总氮的输入密切相关，其中化肥氮输入量占总氮输入量的67.29%，是农田温室气体的主要来源。刘松等[41]研究在关中平原不同饲料作物生产的碳足迹中，化肥的贡献率均超过50.00%，其中氮肥的贡献率均超过45.00%，是作物温室气体排放的主要因素。

表1 安徽农业生产氮、磷环境影响分析系统数据Table 1 Data of environmental impacts derived from nitrogen and phosphorus in agricultural production system of Anhui

图2 安徽省主要作物环境影响Figure 2 Environmental impact of crops in Anhui Province

在农业造成的全球变暖影响中，种植业温室气体排放主要包括稻田CH4的排放、农田N2O的排放和农资生产及运输CO2的排放[42]，由于本研究主要探讨作物种植过程中氮、磷物质流动造成的各类环境影响，因此暂不考虑CH4和CO2的排放。《联合气候变化框架公约》将N2O列为仅次于CO2和CH4的重要温室气体[43]，N2O增温效应是 CO2的296～310倍[44]。大量研究[45-46]已表明农业生产挥发的N2O造成的温室效应越发突出。例如Fukushima等[47]对台湾3年生的甘蔗种植进行生命周期评价，研究表明种植过程中土壤微生物反硝化过程产生的N2O占整个温室气体排放的50.40%，是温室气体的主要来源。鉴于以上原因，本文主要考虑温室气体N2O的作用影响。许多研究[48-49]表明CO2排放量与能源消耗量的增长趋势相同，不同农产品生命周期评价的能源消耗和计算了所有温室气体的全球变暖潜力大小具有一致性[5，34]。而在本研究中，由于只计算了N2O排放造成的全球变暖影响，导致了5种作物的能源消耗与全球变暖趋势不一致的结果。

5种作物产生的酸化潜力共计64.66 kg SO2-eq·t-1。玉米酸化潜力最高，水稻、大豆和小麦分别占总潜力的25.14%、20.65%和18.60%。油菜产生的酸化潜力最低，占总潜力的4.98%，见图2c。作物种植过程中NH3的挥发量与田间投入的氮素总量呈正相关关系。目前农民施肥普遍偏高，其中氮肥用量最高，但增产效应并不明显，氮肥损失风险加剧，肥料氨挥发是环境酸化的主要途径[50-51]。5种作物产生的富营养化潜力共计32.02 kg-eq·t-1，富营养化程度由高到低依次是大豆、玉米、油菜、小麦和水稻，大豆造成的富营养化占总潜力的28.98%，其他作物富营养化程度在15.00%～22.00%。主要影响因子NH3、和对富营养化的贡献率依次为35.35%、42.01%和22.53%，见图2d。NH3对酸化和富营养化均有重要影量流失主要是由于高强度的人工干扰破坏了土壤养分平衡，例如机械化耕地、长期依赖化肥和大水灌溉等均会加剧土壤养分流失。

2.2 养殖业环境影响

畜禽饲养投入的氮、磷物质主要是饲料。由于牛是大牲畜动物，单位个体饲料消耗量最大，导致能源消耗最大（460.40 MJ·unit-1），其次是猪（260.16 MJ·unit-1）、羊（57.44 MJ·unit-1）和家禽（3.56 MJ·unit-1），见图3a。总体来看，畜禽饲料消耗量越大，其能耗值越大。养殖业中温室气体排放包括反刍动物消化道CH4排放及畜禽粪便CH4和N2O排放[42]，如前所述，本文仅考虑与氮、磷流动有关的N2O排放，由图3b可知，牛的全球变暖潜力最高（120.90 kg CO2-eq·unit-1），其次是羊（68.20 kg CO2-eq·unit-1）、猪（44.95 kg CO2-eq·unit-1）和家禽（1.55 kg CO2-eq·unit-1）。Vries等[52]通过比较25篇与畜禽产品有关的生命周期评价，发现动物产品的能源消耗和全球变暖结果具有一致性规律，1 kg牛肉产品的能源消耗和全球变暖潜力最高，其次是猪和家禽，这与本研究得出功能单位牛产品造成环境影响最大的结果一致。

畜禽养殖的酸化影响主要由粪便挥发的NH3造成。NH3的挥发与畜禽食用的口粮、饲养场所、粪便贮存设施、气候条件（温度、风速）等有关[53-54]，因此不同动物的NH3排放存在较大的差异。图3c中牛的酸化潜力最高（11.28 kg SO2-eq·unit-1），其次是猪（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）。城镇化的快速发展刺激畜禽养殖规模不断扩大，导致畜禽粪尿氮、磷比例呈上升趋势，没有循环利用的畜禽粪尿成为面源污染的重要来源[55]。目前粪便多是露天放置，大量氮、磷物质易经雨水冲刷进入水体造成污染。由图3d可知，猪、牛、羊和家禽的富营养化潜力趋势与酸化潜力趋势一致，影响程度由大到小依次是牛（18.43 kg-eq·unit-1）、猪（4.40 kg-eq·unit-1）、羊（2.11 kg-eq·unit-1）和家禽（0.22 kg PO3-4-eq·unit-1）。主要影响因子NH3、和对富营养化的贡献率依次为12.28%、52.54%和35.17%。然而，畜禽粪便不仅可以提高土壤有机质含量，而且是一种清洁能源，有效地处置粪便是减少畜禽粪污的重要手段，同时也是资源利用。

图3 安徽省主要畜禽环境影响Figure 3 Environmental impact of livestock in Anhui Province

2.3 综合环境影响

经过标准化和加权计算，种植业和养殖业不同农产品的综合环境影响结果见表2。各类作物的综合环境影响指数由高到低依次为大豆（0.63）、玉米（0.50）、油菜（0.40）、水稻（0.36）和小麦（0.34），各类畜禽的综合环境影响指数由高到低依次为牛（1.21）、猪（0.29）、羊（0.14）和家禽（0.01）。因此，功能单位的小麦、水稻、家禽和羊的综合环境影响值较低，属于低环境影响产品。农业生产环境影响潜力由高到低依次为富营养化、酸化、全球变暖和能源消耗。对于不同农产品环境影响较大的是富营养化和酸化，生产1 t农作物的富营养化和酸化分别是2000年世界人均环境影响潜力的2.50～5.00倍和0.05～0.50倍，生产单位畜禽的富营养化和酸化分别是2000年世界人均环境影响潜力的0.10～10.00倍和0.001～0.50倍。

产品的种类和产量都会影响农产品的环境影响[56]，因此评价农产品总产量造成的环境影响也是必要的，结果如图4所示。水稻、小麦、家禽和猪对整个系统造成的能源消耗、全球变暖、酸化和富营养化的贡献率分别为78.45%、70.97%、81.21%和79.79%，其中水稻、小麦和家禽这三类低环境影响产品因总产量大而造成高环境影响负荷，对整个系统的能源消耗、全球变暖、酸化和富营养化的贡献率分别为63.82%、49.34%、58.49%和49.88%。猪产品不仅个体环境影响处于较高水平，且饲养总量也较大，显著地加剧了农业系统环境负荷。此外，种植业的能源消耗占整个系统的78.53%，远高于养殖业，主要是由于种植业中氮、磷物质输入种类较多且能耗因子较大。有研究表明，随着农业现代化发展，中国农业一次能源消耗的绝对数量随时间变动呈波动上升趋势[57]。而由于粪便多直接排放，养殖业的富营养化占整个系统的72.83%，远超过种植业。养殖业废物由于量大集中、运输成本高、还田费力等不利因素，通常集中在养殖场附近有限的农田中，造成养分无法充分利用，大量流失至水体引起土壤和地下水的污染[58]，养殖业造成的富营养化已是农业污染防治的重中之重。种植业和养殖业在全球变暖和酸化负荷中所占比例大致相同。

图4 农产品对环境影响的贡献Figure 4 Contributions of agricultural products to environmental impacts

针对以上分析，本研究提出以下对策建议：第一，倡导居民绿色消费，改善饮食结构，在营养相同的情况下，引导居民选择消费低环境影响的食物，例如将小麦粉代替玉米粉，羊肉代替牛肉，作物类食物代替畜禽类食物等；另外，企业不能一味追求产量，应大力培育良种，引进其他农产品，不断优化种养结构，促进饮食结构多元化。第二，大力宣传教育科学施肥的重要性，推广测土施肥和配方施肥，搭配有机肥，减少工业化肥使用量，同时改善肥料施用技术，提高养分利用率。第三，提高养殖户的环保意识，重视防治畜禽粪便污染，倡导粪便还田，积极筹建粪便无害化处理设施，推广沼气工程，支持并革新有机肥产业。第四，建立并推广生态农业和有机农业的示范性工程，促进农业可持续性发展。

3 结论

（1）在安徽省农业氮、磷环境影响评价中，生产1 t农作物的综合环境影响指数由高到低依次为大豆、玉米、油菜、水稻和小麦，水稻和小麦较其他作物造成的环境影响低；生产单位数量动物产品的综合环境影响指数由高到低依次为牛、猪、羊和家禽，羊和家禽造成的环境影响较低。农业生产环境影响潜力大小依次为富营养化、酸化、全球变暖和能源消耗，富营养化和酸化在农业生产中问题突出。

表2 不同农产品的综合环境影响潜力Table 2 Total environmental impact potential of different agricultural products

（2）在农产品总量造成的环境影响中，水稻、小麦、猪和家禽造成的环境负荷突出，对整个系统的能源消耗、全球变暖、酸化和富营养化的贡献率分别为78.45%、70.97%、81.21%和79.79%。另外，种植业的能源消耗占整个系统的78.53%，显著大于养殖业，养殖业的富营养化占整个系统的72.83%，显著大于种植业。