乔远，杨欢，雒金麟，汪思娴，梁蓝月，陈新平，张务帅*

西北地区玉米生产投入及生态环境风险评价

乔远1,2，杨欢1，雒金麟1，汪思娴1，梁蓝月1，陈新平1,2，张务帅1,2*

1西南大学资源环境学院，重庆 400715；2西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心，重庆 400715

【目的】明确西北地区玉米生产的投入与生态环境风险。【方法】基于生命周期评价（LCA）方法对西北地区六省或自治区（新疆、陕西、山西、宁夏、内蒙古、甘肃）15年间（2004—2018年）玉米生产的投入（肥料、农药、柴油、地膜、种子及人工）与生态环境风险（温室气体排放、土壤酸化、水体富营养化及人体毒性）进行评价，定量化该地区单位面积（hm2）玉米生产投入与生态环境风险及其时空变化。【结果】西北地区玉米生产投入与生态环境风险较高，15年间平均肥料投入为233.1 kg N·hm-2，106.3 kg P2O5·hm-2和23.3 kg K2O·hm-2，农药、柴油、地膜、种子、人工投入量分别为6.5 kg·hm-2、93.2 L·hm-2、13.7 kg·hm-2、38.8 kg·hm-2和120.1 h·hm-2。玉米平均产量为7.9 t·hm-2，温室气体排放量为4 188 kg CO2eq·hm-2，土壤酸化潜值为155.3 kg SO2-eq·hm-2，水体富营养化潜值为52.6 kg PO4-eq·hm-2，人体毒性为2.9 kg 1,4-DCB-eq·hm-2。相较于2004年，2018年西北地区玉米生产种植面积和玉米单产分别增加了79%和26.9%；投入整体呈现上升趋势，其中氮肥、磷肥和钾肥的单位面积投入量分别增加9.2%、52.7%和203.7%，农药、柴油、地膜的单位面积用量分别增加了303%、143%和108%，而种子和人工的单位面积投入量则分别降低了38.6%和50.8%。西北地区玉米生产的生态环境风险则整体呈现先上升后下降的趋势，其中单位面积温室气体排放量、土壤酸化潜值、水体富营养化潜值以及人体毒性分别增加了13.6%、15.8%、2.6%和302.5%。西北地区玉米生产15年间单位面积氮肥投入量及温室气体排放量最高的年份均为2016年，最低均为2007年。西北地区不同省份玉米生产单位面积的投入与生态环境风险存在较大差异。其中，甘肃的氮肥、地膜和人工单位面积投入量最高，3种投入的最低省区分别为山西、陕西和内蒙古；新疆的磷肥和柴油投入量最高，最低均为陕西；山西的钾肥投入量最高，最低为新疆；农药和种子的投入量最高分别为宁夏和新疆，最低均为山西，玉米的种植面积与单产最高的省区分别为内蒙古和新疆，最低的分别为宁夏和陕西。同时温室气体排放量与土壤酸化潜值均为甘肃最高，水体富营养化潜值为陕西最高，人体毒性为宁夏最高，均为山西最低；西北地区玉米生产投入量与生态环境风险综合值最高的省区为宁夏，山西为西北地区玉米生产综合生态环境风险最低的省份。【结论】西北地区玉米生产呈现高投入、高产出、高风险的特点，其投入与生态环境风险在不同时间和空间尺度上均存在较大差异。2004—2018年，西北地区玉米的种植面积、单产、投入整体呈增加趋势，生态环境风险整体呈现先上升后下降的趋势。未来玉米生产布局可考虑向高产和低环境风险的省份倾斜，在实现高产的同时降低生态环境风险。

西北地区；生命周期评价；玉米；投入；生态环境风险

0 引言

【研究意义】玉米作为全球主要粮食、饲料及工业原料作物，其产量占全球粮食总产的35%[1]。在中国，玉米总产于2014年超过水稻成为中国最大的粮食作物，占国内谷物总产的37%。我国玉米种植面积于2018年达到了4 213万 hm2，占全国农作物总种植面积的25.4%，年产2.57亿 t[2]。西北地区为我国重要的农产品产区，同时也是我国玉米四大主产区之一。西北地区的气候特点为光照丰富、昼夜温差大等，适合粮棉等作物生产，具有较大的农业生产潜力[3]。在过去15年间（2004—2018年）西北地区玉米单产水平提升近30%。其中，2018年西北地区玉米单产达到8.9 t·hm-2，远高于6.1 t·hm-2的全国平均水平[2]。我国西北地区玉米生产在保障粮食安全方面扮演重要角色，定量化明确其投入和生态环境风险的时空变化规律，对推动玉米绿色可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】生命周期评价（life cycle assessment，LCA）方法可对某种产品进行“从摇篮到坟墓”的全生命周期中资源消耗及环境影响进行综合量化评估[4-6]，该方法对于改善农作物生产中的投入及环境影响具有重要意义，因此越来越多的研究开始应用LCA方法对农作物的全生命周期环境影响开展评估[7-11]。同时也有大量研究评估了玉米全生命周期的环境影响，例如KRóL-BADZIAK等[12]通过5年的田间试验比较了在波兰3种不同耕作模式下玉米生产的环境代价。TAN等[11]与ZHAO等[13]分别对我国华北与东北地区的玉米生产进行生命周期评价，发现通过调整肥料施用量不仅可以保持稳产，同时可以大幅度降低玉米生产的碳排放。在过去的15年间（2004—2018年）我国玉米生产的肥料投入增加了38.85%，而单产只增加了17.6%[2]。高的肥料投入，尤其是持续高量的氮肥施用，对生态环境产生了巨大的负面影响[14-15]。除了粮食安全问题以外，国际社会同样关注农业生产所带来的环境问题。因此，如何在保障粮食安全的前提下降低农业生产所带来的生态环境风险是当前国内外关注的焦点。相关的研究发现以中国为代表的发展中国家在农业生产中存在着一系列待优化的问题。YAN等[16]基于调研数据发现我国粮食生产存在肥料、农药等资源投入过量的问题。CHEN等[17]通过分析大量的田间试验发现，在传统农业生产会导致大量的温室气体排放。ZHAO等[13]和GUO等[18]发现农业生产中过量的肥料投入会导致水体富营养化以及土壤酸化。同时也有研究发现农业生产中农药投入会导致人体毒性的上升，增加人体健康风险。【本研究切入点】西北地区是我国重要的玉米产区，目前的研究大多为基于单点或多点田间试验的生命周期评价，缺乏对该地区宏观尺度上玉米生产投入与生态环境风险的定量化研究，本研究在基于环境效应评价的基础上进一步探究其资源节约与降低环境风险潜力，可推动该地区玉米生产的绿色发展。【拟解决的关键问题】本文基于国家统计数据，采用生命周期评价（LCA）的方法，以西北地区2004—2018年15年间玉米生产投入情况为研究对象，定量化西北地区玉米生产投入及其生态环境风险，阐明投入与产出及生态环境风险之间的关系；比较西北地区玉米生产时空尺度上的生态环境风险，明确主要的驱动因素，探索潜在的优化措施。

1 材料与方法

1.1 研究区域和作物

研究区域主要位于西北地区六大玉米主产省或自治区，分别为新疆维吾尔自治区、宁夏回族自治区、内蒙古自治区、甘肃省、山西省和陕西省。该地区面积广，人口稀少，气候生态条件多样，不同省、自治区间的耕作种植情况存在较大差异。本研究以西北地区主栽的春玉米为对象开展研究。

1.2 生命周期评价方法

生命周期评价（LCA）方法可用于定量化评估某种作物从农资的加工运输到作物田间生产以及收获后的加工运输过程（从摇篮到坟墓）整个生命周期的环境效应[19-20]。农业 LCA 分为四步：目标定义和范围的确定、农用化学品投入和环境风险清单分析、环境影响评价与结果解释[21]。

1.3 系统边界和功能单位

为计算玉米生产对生态环境风险的潜在影响，需量化玉米整个生命周期的所有生态环境风险。因此，本研究的系统边界包括从农业投入的原材料获取到农场大门（玉米收获）的整个生命周期（图1）。我们对西北地区玉米生产的整个生产链生态环境风险进行了评估，包括以下方面：（1）农化投入品（如种子、化肥、农药、地膜）的生产和运输以及到农场使用；（2）农业机械作业（如耕作、收获）的能源消耗；（3）玉米种植期间所产生的温室气体和污染物等。结果表达的功能单位为单位面积（hm2）[22]。

1.4 数据来源及计算方法

本文玉米生产的基础数据中单产、总产与种植面积数据来源于中国国家统计局（http://www.stats.gov.cn/）[2]，氮肥、磷肥、钾肥、农药、地膜、种子及人工投入数据均来源于《全国农产品成本收益资料汇编》[23]，柴油投入数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》与中华人民共和国国家发展和改革委员会（https://www.ndrc.gov.cn）[24]。所有数据的有效范围均为省级或自治区。

本文中氮肥、磷肥、钾肥的用量为有效养分的投入量（以N、P2O5、K2O计），单位为kg·hm-2。《全国农产品成本收益资料汇编》中肥料的投入包括单一养分的投入与复混肥中各养分的投入。复合肥和混配肥中N、P2O5、K2O的含量均以市场上最为常见的三元素肥料各占1/3进行估算；二铵中N的含量占18/64、P2O5的含量占46/64。农药、地膜和种子用量均为《全国农产品成本收益资料汇编》中的直接数据，人工为《全国农产品成本收益资料汇编》中的家庭用工天数与雇工天数之和；柴油用量由《全国农产品成本收益资料汇编》中燃料动力费与排灌费之和除以国家发展和改革委员会中不同地区各年份的柴油单价计算得出。本研究将所有统计资料中面积的功能单位由亩统一转换为公顷（hm2）。同时将该区域不同年份各省份的投入依据种植面积进行加权取平均值。

1.5 活性氮损失、温室气体排放、土壤酸化潜值、水体富营养化潜值和人体毒性估算方法

（1）活性氮（Nr）损失 活性氮（Nr）损失包括氮肥施用所导致的氧化亚氮排放、硝酸盐淋洗和氨挥发。玉米生产活性氮损失的定量是基于CHEN 等[17]的研究，计算公式如下：

N2O emission = 1.13exp(0.0071×Nsurplus) （1）

NH3volatilization =1.45+0.24×Nrate（2）

N leaching = 25.31exp(0.0095×Nsurplus) （3）

Nsurplus= Ninput-Nuptake（4）

Nuptake=产量×0.86/0.845×籽粒吸氮量 （5）

式中，N2O emission为氧化亚氮直接排放，NH3volatilization为氨挥发，N leaching为硝酸盐淋洗，单位为kg N·hm-2；Nsurplus为氮盈余，单位为kg N·hm-2；Ninput为施氮量，单位为kg·hm-2；0.86/0.845为国际标准产量换算数值；籽粒吸氮量在产量大于7.5 t·hm-2时为18.1 kg N·t-1，在产量小于7.5 t·hm-2时为19.8 kg N·t-1。

（2）温室气体排放（greenhouse gas emission，GHG） 作物全生命周期温室气体排放主要来自于肥料、农药、田间基础设施结构材料生产和运输过程中的排放。农作系统中氮肥施用直接导致的N2O排放，以及NO3-淋洗和NH3挥发进入环境后经生物地球化学循环转化的间接N2O排放，和整地、播种、收获等田间操作机械消耗的燃料产生的排放[25]。基于生命周期评价方法，西北地区玉米生产温室气体排放量计算公式：

GHG=GHGm+Total N2O×44/28×298 （6）

Total N2O=N2O direct +1.1%×NO3leaching+ 1%× NH3volatilization （7）

式中，GHG为温室气体排放量（kg CO2eq·hm-2）；GHGm为农资（肥料、农药、柴油和地膜）生产运输所导致的温室气体排放量（kg CO2eq·hm-2），该数值计算为各投入用量乘以它们各自的温室气体排放系数（表1）[26-32]；Total N2O 为氮肥田间施用所产生的氧化亚氮排放，44/28为N换算为N2O的系数，298为单位质量N2O相比于CO2的温室气体效应的当量系数[33]，1.1%和1%分别为硝态氮淋洗和氨挥发进入环境后通过一系列生物化学反应间接转化为N2O的转换因子（IPCC，2019）[34]。

（3）土壤酸化潜值（soil acidification potential，AP） 本研究的土壤酸化潜值以二氧化硫当量（SO2-eq）作为计算参照，引起酸化效应的气体主要包括SOX（SO2）、NOX和NH3，转化为SO2当量系数分别为1、0.7和1.88[35-36]。农作物生产系统生命周期酸化效应主要来自于肥料、农药和柴油等生产和运输过程中的排放，农作系统中氮肥施用直接带来的NH3挥发，以及整地、播种和收获等田间机械作业燃料燃烧产生的SOX（SO2）、NOX和NH3。基于生命周期评价方法，西北地区玉米生命周期土壤酸化潜值计算公式：

AP=APm+1.88×NH3volatilization×17/14 （8）

式中，AP为土壤酸化潜值（kg SO2-eq·hm-2）；APm为农资（肥料、农药、柴油和地膜）生产运输过程中的SO2排放量（kg SO2-eq·hm-2），该数值表示各投入用量乘以它们各自的土壤酸化系数（表1）；NH3volatilization分别为前面计算的农作过程中产生的NH3挥发量；17/14为N对NH3的转换系数，1.88为1 kg NH3相比于SO2酸化气体效应的当量系数。

（4）水体富营养化潜值（water eutrophication potential，EP） 本研究的水体富营养化潜值以（PO4-eq）作为计算参照，引起富营养化效应的物质主要包括NH3, NOX, NO3-, NH4-N, COD 和Ptot，转换为PO4的当量系数分别为0.33，0.13，0.42，0.33，0.022 和3.06[35-36]。基于生命周期评价方法，西北地区玉米水体富营养化潜值计算公式：

EP=EPm+0.33×NH3volatilization×17/14+0.42×NO3-leaching+0.2%×P2O5input（9）

式中，EP为水体富营养化潜值（kg PO4- eq·hm-2）；EPm为农资（肥料、农药、柴油和地膜）生产运输过程中的PO4排放量（kg PO4-eq·hm-2），该数值表示各投入用量乘以它们各自的富营养化系数（表1）；NH3volatilization、NO3leaching分别为公式（2）和（3）计算的NH3挥发和NO3-淋洗损失量；17/14为N对NH3的转换系数，0.33为1 kg NH3相比于PO4富营养化效应的当量系数；0.42 为1 kg NO3leaching 相比于PO4富营养化效应的当量系数；0.2%为单位磷肥施用所造成水体富营养化的当量系数，P2O5 input表示磷肥投入总量。

（5）人体毒性（human toxicity，HT） 本研究的人体毒性以二氯苯（1,4-DCB-eq）当量作为计算参照。根据SLEESWIJK等[37]的研究成果，工业生产中挥发到空气中的重金属为人体毒性的主要来源，同时农作物生产导致的农药残留也是其重要来源。HAUSCHILD[38]指出与其他化学物质不同，农药生产的目的就是让其进入生物圈影响并破坏目标生物，从而不可避免的对人体产生毒害作用。基于生命周期评价方法，西北地区玉米生产的人体毒性计算公式：

HT = Pesticide input × 0.45 （10）

式中，HT为人体毒性，单位为kg 1,4-DCB-eq·hm-2；Pesticide input为农药投入量，单位为kg·hm-2；0.45为人体毒性参数，单位为kg 1,4-DCB-eq·kg-1[39]。

表1 农资生产阶段各环节的温室气体排放、土壤酸化和水体富营养化的系数

2 结果

2.1 西北地区不同年份生产投入与生态环境风险

2.1.1 玉米生产投入与种植面积、产量变化 2004— 2018年15年间西北地区玉米生产的肥料投入整体呈现上升趋势（表2）。15年间N、P2O5、K2O的平均投入量分别为233、106、23.3 kg·hm-2。3种肥料15年间投入量的标准差分别为9.7、18.2、8.6 kg·hm-2，其中钾肥投入的年际变化较氮肥和磷肥稳定。西北地区玉米生产氮肥投入量在2016年达到最高，为250 kg·hm-2，相较于其投入量最低的2007年增加了16.3%；磷肥与钾肥投入量最高的年份均为2018年，投入量分别为138和41.3 kg·hm-2，投入量最低的年份均为2005年，分别为78.3和12.9 kg·hm-2，两者之间分别相差77%与215%。

15年间西北地区玉米生产的农药、柴油和地膜投入量呈上升趋势，而种子和人工投入呈下降趋势（表2）。其中农药、柴油、地膜、种子和人工的平均投入量分别为6.5 kg·hm-2、93.2 L·hm-2、13.7 kg·hm-2、38.8 kg·hm-2、120 h·hm-2。相比于2004年，2018年西北地区玉米生产农药、柴油、地膜、种子和人工用量均产生较大变化，其中农药、柴油和地膜用量15年间的涨幅达到302%、143%与107%，种子和人工用量则分别减少了38.6%与50.8%。

表2 西北地区不同年份玉米生产投入情况

2004年到2018年西北地区玉米种植面积、总产和单产均处于上升趋势（图2）。2018年较2004年其区域平均种植面积扩大了79.0%，区域平均总产提高126.6%，区域平均单产增加28.6%。2009年西北地区玉米单产有所下降，在种植面积上升的情况下仍导致了当年的总产小幅下降。2012—2015年西北地区玉米平均单产呈下降趋势，但种植面积和总产仍保持上升。2016年较2015年玉米种植面积和单产均大幅度下降，导致总产下降了9.3%。2018年的种植面积相较于2017年小幅下降。

2.1.2 生态环境风险 西北地区2004—2018年玉米生产的温室气体排放范围为4 777—4 800 kg CO2-eq·hm-2，2007年最低，2016年最高，平均温室气体排放为4 188 kg CO2-eq·hm-2（图3-a）。15年间温室气体排放量呈现一个上下波动的变化趋势。

图2 西北地区不同年份玉米生产区域平均播种面积、总产及单产变化情况

对温室气体排放贡献率最高的是肥料投入，包括肥料的生产运输与田间施用，达到84.1%，由氮肥所产生的温室气体占肥料相关排放的97.4%。农机耗油占总温室气体排放的8.4%，仅次于肥料，为第二大影响排放因素，其他因素的贡献率之和小于8%。

西北地区玉米生产的土壤酸化潜值（图3-b）与水体富营养化潜值（图3-c）15年间的变化趋势同温室气体排放变化趋势基本相同，均呈现上下波动的变化趋势。其中土壤酸化潜值的范围为141—175 kg SO2-eq·hm-2，于2016年达到最高值。水体富营养化潜值的范围为47.6—59.5 kg PO4-eq·hm-2。同时土壤酸化潜值与水体富营养化潜值中贡献率最高的均为农事操作，占比均高达90%。西北地区15年间玉米生产的人体毒性整体呈现上升趋势（图3-d），最高达到了4.6 kg 1,4-DCB-eq·hm-2。其中2004—2011、2012— 2015、2016—2017年为持续上升阶段，2011—2012、2015—2016、2017—2018年有所下降。

2.2 西北地区不同省份生产投入与生态环境风险

2.2.1 玉米生产投入与不同省份间种植面积、产量占比 西北地区15年间玉米平均种植面积最大的省份为内蒙古（272万hm2），占到西北地区玉米总种植面积的38%，宁夏种植面积最低，为24.3万hm2，仅占西北地区玉米总种植面积的3%（图4）。年均总产以内蒙古最高，为2 063万t，占西北地区玉米总产的37%，宁夏最低，为199万t，占西北地区玉米总产的3%。

新疆是西北地区玉米单产最高的省份，15年间的平均单产可达10.0 t·hm-2，陕西最低，为6.33 t·hm-2（表3）。西北地区玉米生产15年间肥料平均投入量为391 kg·hm-2。各省份中肥料投入量最高的是甘肃，达449 kg·hm-2，比投入量最低的山西高出33.6%。宁夏和新疆的肥料投入量仅次于甘肃，分别为430和429 kg·hm-2。西北地区玉米生产15年间平均农机耗油、地膜用量、种子用量和人工用量均为新疆最高，而农机耗油和地膜用量为陕西最低，种子和农药用量均为山西最低，人工用量最低的是内蒙古。农药投入量最高的是宁夏，为12.2 kg·hm-2，是最低省份山西的2.3倍。

2.2.2 各省份玉米生产温室气体排放、土壤酸化、水体富营养化和人体毒性 西北地区玉米生产15年间平均温室气体排放量最高的省份为甘肃，可达5 472 kg CO2eq·hm-2，紧随其后分别为宁夏与陕西，均达到了5 000 kg CO2eq·hm-2以上（图5-a）。玉米生产平均温室气体排放量最低的省份为山西，相较于排放量最高的甘肃，其排放量降低了40%。不同省份15年间平均土壤酸化潜值与水体富营养化潜值最高的省份分别为甘肃与陕西，可达193 kg SO2-eq·hm-2与71.0 kg PO4-eq·hm-2，相比于最低的山西，分别高出54%和97% （图5-b、5-c）。西北地区15年间玉米生产的平均人体毒性最高的是宁夏（图5-d），为5.2 kg1,4-DCB- eq·hm-2，是山西的2.4倍。

图3 西北地区不同年份玉米生产区域平均温室气体排放量（a）、土壤酸化潜值（b）、水体富营养化潜值（c）、人体毒性（d）

表3 西北地区不同省份玉米生产投入情况

图4 西北地区不同省份玉米生产总种植面积（a）、总产量（b）、种植面积占比（c）和产量占比（d）

2.2.3 各省份玉米生产投入与生态环境风险综合比较 西北地区玉米生产不同省份15年间的单位面积平均投入与生态环境风险存在较大差异（图6）。通过雷达图可以直观地反映各项指标的相对值大小情况，雷达图所示为不同省份单位面积各个环境风险指标的相对差异，是以各指标的单位面积最大值所属省份为1，其他省份再与其进行比较获得最终结果，雷达图的面积越大，则表示环境风险的综合相对值越高。由图6可知，15年间平均综合投入与生态环境风险最高的省份是宁夏，其人体毒性为西北地区各省份最高，施肥量、温室气体排放、水体富营养化潜值位居第二位，土壤酸化潜值位居第三位，其综合相对值为0.97，为所有省份中最高，之后依次为甘肃、新疆、陕西、内蒙古，山西的各项指标相对值均最低，其综合相对值为0.57，表明其具有该区域玉米生产最低的综合生态环境风险。

3 讨论

3.1 西北玉米生产投入与生态环境风险的时间变化

为了满足不断增长的粮食需求，西北地区玉米的总产量与总种植面积整体呈现不断上升的趋势。本研究发现，西北地区玉米生产整体具有高投入的特点，近15年（2004—2018年）氮肥和磷肥单位面积的平均投入量均高出全国平均水平近30%[2]，其较高的养分投入主要是由于春玉米的高需肥特性以及玉米单产水平较高所导致的。15年间西北地区玉米生产单位面积肥料投入量增加了26.6%，同时单位面积农药、农机耗油以及地膜用量也大幅增长。养分投入的变化不仅与实际生产相联系，还与国家及地方政策息息相关。自2015年我国农业农村部开始实施“化肥农药零增长行动”以来，西北地区玉米生产单位面积化肥投入的增势有所减缓，甚至有所下降。相较于2004年，2018年西北地区玉米生产种子和人工用量有所下降，这得益于我国玉米种质资源的研究，精播技术的研发以及农业机械化程度的提高。

图5 2004—2018年西北地区不同省份玉米生产平均温室气体排放量（a）、土壤酸化潜值（b）、水体富营养化潜值（c）、人体毒性（d）

西北地区玉米生产高投入的同时也带来了高的生态环境风险，其15年间玉米生产平均温室气体排放量为4 188 kg CO2eq·hm-2，高出我国玉米生产单位面积平均排放量的54.7%[40]，分别较东北和华北高24.7%[13]和48.5%[41]；单位面积土壤酸化潜值和水体富营养化潜值较华北地区分别高12.1%和79.2%[42]。西北地区玉米生产的高生态环境风险主要是由其投入量过高导致的，其中单位面积氮肥投入较东北和华北分别高41.8%和14.1%[2,42]。西北地区玉米生产的单位面积温室气体排放量在不同年份间的最大差距可达25.9%。而造成不同年份间生态环境风险的差异主要是由投入量，尤其是氮肥投入量的差异所导致的。本研究发现氮肥是造成温室气体排放的主要驱动因素，占比80%以上，这与前人的研究结果相似[43-44]。西北地区玉米生产的单位面积土壤酸化潜值与水体富营养化潜值在2016年之前整体呈现上升的趋势，2016年之后有所下降，这主要是由于施氮量变化所导致的。在整个生命周期中土壤酸化和水体富营养化占主导地位的均为农事操作阶段，其中主要是由氮肥施用所导致的。

图6 西北地区不同省份玉米生产单位面积投入与生态环境风险综合分析

综合上述研究结果，我们发现氮肥是造成生态环境风险的主要影响因子，优化氮肥施用可以有效减缓玉米生产所带来的生态环境风险。

3.2 不同省份玉米生产的投入与生态环境风险差异

西北地区玉米生产所带来的生态环境风险在省区尺度上也存在较大的差异（图5），这和前人的研究结果相似[45]。西北地区玉米生产15年间的平均单位面积温室气体排放量最高的省份为甘肃省，为5 472 kg CO2eq·hm-2，高出西北玉米生产区均值30.7%，这主要是由于甘肃单位面积氮肥投入量大。赵建华等[46]通过对该地区调研发现，甘肃高的施肥量主要是由于其独特的地理气候条件以及当地农户盲目施肥导致的，该地区氮肥、磷肥的偏生产力比全国玉米生产区的平均水平分别低51.6%和26.1%。宁夏玉米生产中单位面积农药高投入量也导致了高的人体毒性，高出西北地区平均水平60.7%。山西玉米生产区单位面积生态环境风险较低主要是由于总投入较低，尤其是氮肥投入较低。

西北地区不同省份间玉米生产的资源投入总量也存在较大差异，其中投入总量最高的省份为内蒙古，这主要是由于其种植面积远大于其他省份，其种植面积大也导致了较高的生态环境风险总量。内蒙古玉米种植总面积占西北地区玉米种植总面积的38%，这可能是受全球气候变暖的影响，玉米种植区域的逐渐北移[47]，同时该地区具有发达的畜牧业以及丰富的光热资源[48]。宁夏的玉米种植面积小导致了其投入总量较低生态环境风险较小。不同地区间较大的投入与生态环境风险差异也表明西北地区玉米生产具有较大的空间调配潜力。

3.3 西北地区玉米生产的生态环境风险降低潜力与途径

西北地区的玉米生产较大的投入导致了较高的生态环境风险。为实现该地区玉米生产的绿色发展，综合前人研究，存在以下潜在减排措施：（1）适当调配各省区玉米种植面积，重点向具有较高生产力和低投入与低生态环境风险的省区倾斜。（2）优化施肥，尤其是减少氮肥的投入，前期研究发现中国目前玉米生产中的氮肥施用量远高于中国农业农村部给出的建议值[49]，而氮肥是温室气体排放的主要贡献因子[50]，通过减少氮肥的施用不仅可以降低投入成本，同时也可以降低玉米生产生态环境风险。农业农村部从2005年开始启动的测土配方施肥项目，使我国节约氮肥达到27.2 kg N·hm-2，到2013年，测土配方施肥技术带来的减排量可达2 500万t CO2-eq[51]。（3）施用增效肥料。研究表明施用增效肥料例如控释尿素[52-53]、硝化抑制剂和脲酶抑制剂可以有效提高氮素利用效率[54]，同时减少人工和燃料成本[55]，减少氮的淋失损失等[56]。（4）采用系统管理策略。研究发现通过土壤-作物系统的综合管理（ISSM）在增加产量的同时大大减少了活性氮损失和温室气体的排放[17]。

4 结论

西北地区玉米生产呈现高投入、高产出、高风险的特点。其较高的投入导致了较高的产量以及生态环境风险。15年间（2004—2018年）西北地区玉米生产的种植面积与单产水平有较大提升，其总投入与生态环境风险整体均呈先升后降的趋势。不同省份玉米生产单位面积的投入与生态环境风险以甘肃最高、山西最低，主要由氮肥投入量与种植面积的差异所致，肥料的生产和田间施用是玉米生产生态环境风险的主要驱动因素。通过定量化西北地区玉米生产的投入和生态环境风险，明确其时空变化规律。在提高玉米产量的同时降低其投入和生态环境风险，推动该地区玉米生产的绿色可持续发展。

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Inputs and Ecological Environment Risks Assessment of Maize Production in Northwest China

QIAO Yuan1, 2, YANG Huan1, LUO JinLin1, WANG SiXian1, LIANG LanYue1, CHEN XinPing1, 2, ZHANG WuShuai1, 2*

1College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715;2Interdisciplinary Research Center for Agriculture Green Development in Yangtze River Basin, Southwest University, Chongqing 400715

【Objective】Make clear the input and ecological environment risk of maize production in Northwest China.【Method】Based on the life cycle assessment (LCA) method, the inputs (fertilizer, pesticide, diesel, mulch, seed, and labor) and ecological environment risks (greenhouse gas emissions, soil acidification, water eutrophication and human toxicity) of maize production in six provinces (Xinjiang, Shaanxi, Shanxi, Ningxia, Inner Mongolia, Gansu) of Northwest China during the past 15 years (2004-2018) were evaluated, and the inputs, ecological environmental risks and spatiotemporal variations of maize production per unit area (per hectare) in those resources were quantitatively evaluated.【Result】 Inputs and ecological environment risks of maize production were high in Northwest China.The average fertilizer input in past 15 years was 233.1 kg N·hm-2, 106.3 kg P2O5·hm-2, 23.3 kg K2O·hm-2, while the pesticide, diesel, mulch, seed and labor inputs were 6.5 kg·hm-2, 93.2 L·hm-2, 13.7 kg·hm-2, 38.8 kg·hm-2and 120.1 h·hm-2, respectively.The average maize yield was 7.9 t·hm-2.The averaged greenhouse gas emissions was 4 188 kg CO2-eq·hm-2, the soil acidification potential was 155.3 kg SO2-eq·hm-2, the water eutrophication 52.6 kg PO4-eq·hm-2, and the human toxicity was 2.9 kg 1, 4-DCB-eq·hm-2.Compared with the data in 2004, the overall input for maize production of Northwest China in 2018 was increased, showing an overall increased trend.The rates of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and potassium fertilizer per unit area increased by 9.2%, 52.7% and 203.7%, respectively; the rate of pesticide, diesel oil and mulch per unit area increased by 303%, 143% and 108%, respectively.The rates of seed and labor per unit area decreased by 38.6% and 50.8%, respectively, while the planting area and maize yield increased by 79% and 26.9%, respectively.On the whole, the multiple ecological environment risks showed a first increased and then decreased trend, in which the greenhouse gas emissions, soil acidification potential, water eutrophication potential and human toxicity per unit area increased by 13.6%, 15.8%, 2.6% and 302.5%, respectively.Among the 15 years of maize production in Northwest China, the highest nitrogen fertilizer input and greenhouse gas emissions per unit area were observed in 2016, and the lowest were observed in 2007.The inputs and ecological environment risks of maize production in different provinces of Northwest China were significantly different.In terms of unit area, the rate of nitrogen fertilizer, mulch and labor input was the highest in Gansu, and the lowest in Shanxi, Shaanxi and Inner Mongolia, respectively.The rate of phosphorus fertilizer and diesel was the highest in Xinjiang, and the lowest was Shaanxi.The rate of potassium fertilizer was the highest in Shanxi and the lowest in Xinjiang.The rate of pesticides and seeds was the highest in Ningxia and Xinjiang, and the lowest in Shanxi.The planting area and maize grain yield were the highest in Inner Mongolia and Xinjiang, and the lowest in Ningxia and Shaanxi, respectively.Simultaneously, the greenhouse gas emission and soil acidification potential were the highest in Gansu, the water eutrophication potential was the highest in Shaanxi, and the human toxicity was the highest in Ningxia and the lowest in Shanxi.The comprehensive value of inputs and ecological environment risks for maize production in Northwest China was the highest in Ningxia.Shanxi achieved the lowest comprehensive value of ecological environment risks for maize production in Northwest China.【Conclusion】The maize production in Northwest China was characterized by “high input, high yield and high risk”, while the inputs and ecological environment risk were quite different in different spatiotemporal scale.From 2004 to 2018, the planting area, grain yield, and inputs were totally increased slightly, while the ecological environment risk showed a first increased and then decreased trend.The maize production could be considered to incline to high-yield and low-environmental risk areas, and achieve high yields and low ecological environment risks in the future.

Northwest China; life cycle assessment; maize; input; ecological environment risk

2021-01-25；

2021-06-16

国家玉米产业技术体系（CARS-02-15）、中央高校基本科研业务费（XDJK2020C069）

乔远，E-mail：qy040018@163.com。通信作者张务帅，E-mail：wszhang@swu.edu.cn

（责任编辑 李云霞）