现阶段，我国粮食作物种植正在实现从传统产业模式向集约化、高效化现代产业模式的转变。在此过程中，种植废弃物产出量大幅增加，并越来越呈现集中化的态势。据估算，全国每年产生农作物秸秆达7.0亿t，加上蔬菜废弃物、林业废弃物、畜禽粪便及肉类加工厂废弃物等，中国已成为世界上农业废弃物产出量最大的国家^[1]。种植业废弃物是农业生产的潜在养分资源库，合理应用可一定程度改善农田土壤理化性质，提高土地生产能力^[2]，但因缺少资源化利用的政策引导、资金投入，故进行处理时常常采取在田间直接堆积焚烧的方式^[3]，往往又成为生态环境的主要污染源之一。目前对于种植废弃物的循环再利用方式主要是作为生物质能材料，用作沼气、发电、压缩燃料等^[4]，但受生产运输成本高、投入产出效益不显著等影响，技术推广受限。因此，将其作为农田有机物料就近消纳，将农田生态系统作为种养废弃物消纳及资源化利用的场所，仍然是当前种植废弃物的主要处理方式之一。

农田生态系统是一种典型的半自然、半人工复合生态系统，其同时具有两种与人类活动密切相关的功能：产品生产及环境负载。将农田生态系统作为种植废弃物消纳载体，虽符合废弃物“在系统内循环、不带出系统外”的循环生态经济理念，但由于农田生态系统对种植废弃物消纳能力有限，并且农田种植阶段消耗的资源本身会带动上游的原料开采、农资生产等阶段，以及下游的运输、废弃物处理等阶段的资源能源消耗与污染物排放。因此，从满足作物生产所需的养分载荷与资源能源消耗引起的环境负荷相结合的角度，探究农田生态系统对种植废弃物的消纳能力十分必要。生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）作为产业生态学的新兴评估工具，是一种“生态全产业链”式的整体性评价方法，能有效评估产品完整生命周期上、中、下游的资源、能源耗费及其环境响应。相关研究评价了水稻、小麦、玉米等典型农作物生产过程的资源能源消耗和环境排放^[5,6,7,8]，也有部分学者对作物生产过程中化肥施用、测土配方施肥等肥料施用所引起的资源能源消耗与环境影响进行了研究^[9,10]。鉴于农业废弃物农田消纳下作物生产的生命周期过程研究还较为缺乏，本文研究农田生态系统不同秸秆还田量下，“麦-稻”生产过程中的资源、能源消耗与污染物排放，以探讨产量保证条件下的种植废弃物消纳环境影响，为保障现代粮食产业发展与维护环境安全提供支持。 1 材料与方法 1.1 田间试验设计与温室气体采集

田间试验区域位于成都平原都江堰市天马镇（N30°57′0.99″；E₁03°44′3.69″），该区属中亚热带湿润季风气候区，年均温15.2 ℃，年降水量1200 mm，年均无霜期280 d。区域地形平坦，土壤为灰色冲积物发育的淹育型水稻土，多年来以“稻-麦”轮作为主。“小麦-水稻”轮作田间试验于2012年10月至2013年9月进行。本研究在常规施用化肥的基础上，设置秸秆不还田（N1）、秸秆全量还田（N1+S）、秸秆半量还田（N1+0.5S）共3个处理。根据前作产量，按照谷草比1∶1计算，全量稻草为7500 kg·hm^-2、全量麦秸为5250 kg·hm^-2，播种后出苗前在各小区均匀撒施。化肥施用量根据当地传统习惯施肥量确定，小麦季施肥量为180 kg·hm^-2 N、75 kg·hm^-2 P₂O₅、75 kg·hm^-2 K₂O，水稻季为180 kg·hm^-2 N、90 kg·hm^-2 P₂O₅、90 kg·hm^-2 K₂O。常规氮肥为尿素（46.4%），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅，12%），钾肥为氧化钾（K₂O，60%）。

在轮作周期中，采用静态箱-气相色谱法对土壤CO₂、CH₄、N₂O排放通量进行测量。将静态密闭箱（50 cm×50 cm×100 cm）放置在作物播种前埋设在各试验小区土壤中的不锈钢底座（50 cm×50 cm×15 cm）上，底座埋入土壤15 cm左右以防止底座外的水稻根系进入采样箱。静态箱示意图见图 1。温室气体采样从播种施肥后第2 d开始，施肥后连续一周每天采集气样，之后在各生育期内每7 d采集一次。选择晴天上午采样，时间为每日9：00至11：00。4个气体样品分别在0、10、20、30 min收集，用50 mL的气密注射器收集到采气袋，24 h内送至中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站进行分析测定。

图 1 温室气体采样静态箱示意图 Figure 1 Schematic diagram of sampling chambers forgreenhouse gases

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以一个“麦-稻”轮作季生产1 t小麦、1 t水稻为评价功能单元，分析在作物生产过程中，将前茬作物秸秆进行不同量还田后，其资源与能源消耗及其环境影响，探讨种植业废弃物的农田适宜消纳量。研究的起始边界从与麦稻生命周期有关的初级能源原料开采开始，终止边界为作物种植管理输出农作物产品及污染物。研究考察原料开采、农资生产和作物种植三个阶段的物质投入所引起的能源消耗与环境排放。原料开采阶段主要考虑化石能源（煤、石油、天然气）等初级能源开采，以及柴油、电力等次级能源生产的能量耗费及温室气体排放；农资生产阶段主要考虑氮肥（尿素）在生产过程中的能耗与温室气体排放；农田种植阶段考虑整地、播种、施肥、除草除虫、作物收获等引起的能耗与温室气体排放。研究系统边界示意见图 2。 　　

图 2 研究系统边界示意图 Figure 2 LCA system boundary of wheat-rice system

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三个阶段的能量耗费根据各阶段物质投入量与相应折能系数确定（公式1）。对于温室气体排放量的确定，原料开采、农资生产两个阶段根据各阶段物质投入量与温室气体排放因子进行计算（公式2）；农田种植阶段的温室气体排放量则根据田间试验气样采集和分析测定的结果数据进行计算。

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该阶段主要考虑农资生产阶段、农田种植阶段所需原料在开采过程中的能耗及其温室气体排放。根据各阶段原料需求量及单位原料开采的能耗与温室气体排放因子，可计算出原料开采阶段的能耗与温室气体排放量。农资生产阶段氮肥（尿素）生产所消耗原料主要为煤（由于计算参数缺乏，煤当作原煤计算）、电力，农田种植阶段各项田间管理活动所消耗原料主要为柴油。煤、柴油、电力属于次级能源，需由初级能源原煤、原油和天然气生产得到；而初级能源开采也需消耗一定量的原煤、原油和天然气能源。初级原料开采、次级能源生产的单位资源消耗量、折能系数及温室气体排放因子采用袁宝荣^[11]、狄向华^[12]等的研究结果（表 1）。将农资生产阶段和农田种植阶段的次级能源需求量进行汇总，计算出初级能源需求量（即原料开采量），如表 2所示。

表 1 单位原料开采 （ 生产） 资源消耗与温室气体排放 Table 1 Energy consumption and greenhouse gas emissions for mining and producing one unit of raw materials

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表 2 各处理单位产量原料需求量 Table 2 Demands for raw materials for per tonne of crop yields in different treatments

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农资生产阶段主要计算尿素（纯N）生产过程中的耗能及温室气体排放。作物单位产量的尿素（纯N）消耗量见表 3。参考文献^[14]的煤基尿素耗煤系数及耗电系数，按照1 t尿素（纯N）生产耗煤3.44 t（含原料煤与燃料煤）、耗电1873 kW·h，可计算出生产1 t尿素（纯N）的耗能情况。该过程释放的气体主要为CO₂、SO₂等，均按照CO₂当量计算；气体排放因子根据文献^[13]的研究结果计算。生产1 t尿素耗能及其温室气体排放因子如表 4所示。

表 3 作物单位产量的尿素 （ 纯 N ） 消耗量 Table 3 Consumption of urea （ pure nitrogen ）per tonne of crop yield

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表 4 1t 尿素 （ 纯 N ） 生产耗能及温室气体排放 Table 4 Energy consumption and greenhouse gas emissions for producing 1 tonne of urea （ pure nitrogen ）

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农田种植阶段是“麦-稻”生命周期的重要阶段，该部分主要计算小麦、水稻种植农田种植过程中，秸秆、农药、机械、劳动力投入等产生的能耗，以及主要由氮肥与不同量秸秆配合施用导致的温室气体排放。

该阶段物质投入产出情况如表 5所示，其中N1处理的秸秆还田量为0（假设该处理的秸秆无其他使用途径，全部用于露天焚烧）；机械投入部分包含了切茬、翻耕、播种、收割等环节的柴油消耗；劳动力投入部分包含了整地、播种、施肥、除草、秸秆覆盖、收割（机械人工）等劳动力消耗。

农田种植阶段温室气体排放数据来源于田间试验气样采集与室内分析测定。温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）排放通量及年度累积排放量分别根据公式（3）、（4）计算：

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表 5 农田种植阶段物质投入产出表 Table 5 Material inputs and outputs during plant growing

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对于秸秆不还田处理N1和秸秆半量还田处理N1+0.5S，假定将未还田的秸秆全部露天焚烧，根据秸秆燃烧气体排放系数^[15,16]，计算其温室气体排放量。 1.3.2 生命周期阶段汇总

将各阶段能耗及温室气体排放量进行汇总，即得到“麦-稻”生产生命周期能源消耗及环境排放情况。见公式（5）、（6）：

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全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP）被定义为瞬态释放1 kg某种温室气体所产生的时间积分的辐射强迫与对应的1 kg参照气体（CO₂）的辐射强迫的比值。将CO₂作为参考气体，CH₄、N₂O排放量通过GWP值转换成CO₂的等效量，可以评估不同温室气体对气候变暖的潜在效应。在20 a时间尺度上，单位质量CH₄和N₂O的增温潜势分别为CO₂的72倍和289倍；100 a尺度上，分别为CO₂的25倍和298倍^[17]。CO₂以1 kg·t^-1的GWP为1，则可求得各处理排放的综合GWP值。GHG排放因子EF由3种温室气体排放量E计算得出，单位为CO₂当量，如式（7）所示；原料开采、农资生产和作物种植三个生命周期阶段的GHG排放因子之和为总增温潜势，如式（8）所示。

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生产1 t小麦和1 t水稻所需原料开采耗能以秸秆不还田处理（N1）最高，为6 832.72 MJ·t^-1，比还田处理分别高14%左右，而秸秆全量还田处理N1+S与半量还田处理N1+0.5S无明显差异，如表 6所示。各处理农资生产阶段所需原料耗能均比农田种植阶段高8%左右，小麦季比水稻季高42.19%～70.06%。原料系统的温室气体排放主要是初级能源开采和次级能源生产过程中燃料燃烧释放的CO₂、CH₄气体，秸秆还田处理比不还田处理减排CO₂约14%、减排CH₄约13%。

表 6 原料开采能耗及温室气体排放 Table 6 Energy consumption and greenhouse gas emissions during mining and transportation of raw materials

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秸秆不还田处理N1的尿素生产耗能比秸秆全量还田N1+S、秸秆半量还田处理N1+0.5S分别高13.78%、14.02%，CO₂当量排放也呈现相同趋势，见表 7。

表 7 农资生产阶段能耗及温室气体排放 Table 7 Energy consumption and greenhouse gas emissions during urea （ pure nitrogen ） production

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农田种植阶段能耗主要包括在生产1 t小麦、1 t水稻的过程中，农业机械耗柴油、劳动力投入、农药投入所引起的能量耗费，如表 8所示。秸秆全量还田处理、半量还田处理较秸秆不还田处理能耗分别降低5.15%、9.03%。

表 8 农田种植阶段能耗 （ MJ · t^-1） Table 8 Energy consumption during crop growing （ MJ · t^-1）

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农田种植过程中，单位作物产量温室气体CO₂、N₂O、CH₄的累积排放量见表 9。相比秸秆不还田处理，秸秆还田使得每生产单位重量作物释放的农田CO₂降低了12.90%～26.33%。N₂O排放主要发生在小麦季，CH₄排放主要在水稻季。秸秆全量还田处理与半量还田处理N₂O排放总量分别降低21.57%和16.98%，说明秸秆覆盖配合氮肥施用可有效地降低农田N₂O的排放通量，这一结果与邹建文^[18]、潘志勇等^[19]的结论一致。与秸秆不还田处理相比，秸秆全量还田处理和半量还田处理稻季CH₄排放总量分别增加89.33%、56.41%。这是由于在稻田淹水条件下，秸秆给土壤微生物活动提供了丰富的碳源，为产甲烷菌活动创造了适宜的环境条件，导致 CH₄的大量产生和排放^[20]。

表 9 农田种植阶段温室气体排放 （ kg ·t^-1） Table 9 Greenhouse gas emissions during crop growing （ kg ·t^-1）

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对于秸秆不还田处理N1、秸秆半量还田处理N1+0.5S，秸秆燃烧产生温室气体排放见表 10，其中麦季燃烧的是稻秆，稻季燃烧的是麦秆。对于秸秆不还田和半量还田处理，每生产1 t小麦和1 t水稻，轮作季秸秆燃烧排放CO₂分别为1 564.84、1 394.37 kg·t^-1，排放CH₄分别为1.96、1.71 kg·t^-1。

表 10 秸秆燃烧温室气体排放 （ kg ·t^-1） Table 10 Greenhouse gas emissions from straw burning（ kg ·t^-1）

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将各处理“小麦-水稻”轮作季全生命周期的能耗、温室气体排放清单进行汇总，如表 11所示。可以看出，能源消耗主要发生在原料开采和农资（氮肥）生产阶段，分别高达11 157.85、9 793.03、 9 779.45 MJ·t^-1，占生命周期总能耗的71.71%～73.26%，主要是由于氮肥生产对能源的依赖性很强，属于能源密集型产业，生产过程中消耗大量煤炭、汽油、柴油和天然气等一次能源，因此在生命周期中能耗贡献突出。秸秆还田处理N1+S、N1+0.5S比不还田处理N1能耗降低11.53%、12.95%，说明将秸秆还田后，能有效降低作物的生命周期能耗。温室气体排放主要集中在农田种植阶段，其中N1+S、N1+0.5S比N1分别减排CO₂ 27.05%、31.23%，减排N₂O 17.74%、14.51%，但CH₄排放分别增加39.56%、12.38%。

表 11 麦-稻”轮作季全生命周期清单汇总（ kg ·t^-1） Table 11 Life cycle inventory of energy consumption and greenhouse gas emissions ina functional unit crop production system（ kg ·t^-1）

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将各处理排放的温室气体量换算为CO₂量，各处理在两种时间尺度下的温室气体全球增温潜势（GWP）如表 12。结果表明，在20年、100年两个时间尺度上，各处理GWP量均为N1>N1+S>N1+0.5S。在两个时间尺度上，秸秆全量还田和半量还田处理的农田温室气体全球增温潜势均较不还田处理N1显著降低，其中20年尺度上分别降低12.60%、23.98%，100年尺度上分别降低21.37%、28.26%。

表 12 各处理农田温室气体增温潜势 （ t ·t^-1） Table 12 Global warming potential of each treatment（ t ·t^-1）

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本研究运用生命周期评价方法对秸秆还田下的“麦-稻”轮作农田生态系统生命周期能耗及温室气体排放进行了分析。相关研究表明^[21]，秸秆还田能改善土壤物理性状，增加土壤有机质及养分含量，增加微生物活动强度，且与化肥配施能实现较好的增产效果。本研究中秸秆还田处理比不还田处理增产14%~15%，产量的增加使得麦、稻产品生产的投入产出效率增高，相应降低了单位产品（1 t小麦和1 t水稻）的能耗及温室气体排放量。

在“麦-稻”轮作季1 t小麦和1 t水稻生产的生命周期过程中，各处理能耗均主要发生在原料开采阶段和农资（氮肥）生产阶段，占全生命周期能耗的70%左右，而原料开采阶段的原料开采量也以农资生产阶段需要的原料为主，说明工业氮肥生产是生命周期能源消耗的主要环节。研究表明^[13]，采用氮肥工业新技术能降低氮肥生产过程的能耗10.11%～21.34%，降低当量CO₂排放量37.25%～52.94%。氮肥工业先进技术的应用和推广是降低氮肥制造能耗及温室气体排放的有效途径。

温室气体排放的主要环节则在于农田种植阶段。研究表明^[22]，秸秆还田配合氮肥施用能增加农田土壤CO₂和CH₄的排放通量，但在本研究中，由于秸秆还田的增产效应，使得单位作物产量的温室气体排放量及农田增温潜势显著降低。有研究提出“最佳施氮量近似于作物地面部分吸氮量”的氮平衡概念^[23]，在作物产量不降低的前提下，施氮量可减少30%～60%，由此可相应减少氮肥生产过程中施用造成的温室气体排放。因此，在农田种植阶段采用秸秆还田配合氮肥减施，应能实现更低能耗及最少环境污染。

在农业废弃物农田消纳过程对环境形成的诸多影响中，本研究主要考虑温室气体排放影响，而在生命周期评价方法中，除温室效应外，还包括环境酸化、富营养化、人类和水体毒性等多项环境影响潜力，综合评价更能全面揭示其环境效应。相关研究结果显示^[7,24]，在水稻生长系统的生命周期中，环境影响潜力最大的是富营养化效应，而冬小麦生长生命周期环境影响最大的是环境酸化^[25]。因此，秸秆还田条件下“麦-稻”生产完整的生命周期环境影响评价有待开展。

另外，采用生命周期方法评价农业生态系统过程的能耗及环境影响，既要考虑原料开采、农资生产等技术相对稳定、过程容易控制的工业过程，又要考虑受自然环境和人为因素影响较大的农业过程。因此，生命周期方法的系统边界及研究对象的确定非常重要，应更多地依据研究目标进行设置。 4 结论

秸秆还田对“麦-稻”轮作生产系统增产具有一定促进作用，在秸秆全量、半量还田条件下，轮作周期作物产量比不还田处理分别增加14.31%、15.46%。在系统全生命周期中，能耗主要发生在原料开采和农资（氮肥）生产阶段，占全生命周期的71.71%～73.26%，而温室气体排放则主要发生在农田种植阶段。秸秆还田还可降低单位作物产量的农田温室气体排放及其20年、100年尺度上的全球增温潜势，一定程度减轻单位作物生产的环境排放压力。从作物生产全生命周期的角度看，秸秆还田作为有效处理种植废弃物的方法有其积极意义。