冬小麦-夏玉米轮作是我国北方旱地比较常见的一种用地养地相结合的生物学措施，研究证明轮作能有效防治病、虫、草害，均衡利用土壤养分，调节土壤肥力^{[1, 2, 3]}。农药、化肥的使用对环境的影响已经被广泛的研究^{[4, 5]}，但由于这些研究主要集中于单一要素对环境某个方面的影响，不能系统地分析整个农业生产系统对环境各方面因素的影响。生命周期评价（Life cycle assessment，LCA）是一种分析系统整个生命周期对环境影响的研究方法^[6]。

LCA起源于20世纪60年代美国开展的一系列针对包装品的分析和评价^[7]，用于对产品从最初的原材料采掘到原材料生产、产品制造、产品使用以及产品用后处理的全过程进行跟踪和定量分析定性评价^[8]。近几年，在农业领域，部分学者应用LCA方法对循环农业系统、作物生产过程的环境影响进行评价^{[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]}，研究主要集中在施肥过程对环境的影响。本研究拟用LCA方法对陕西关中地区秸秆还田方式、资源投入结构不同的富平、杨凌两地的冬小麦-夏玉米轮作系统的资源消耗、环境影响等进行评价。

关中地区位于陕西省中部，西起宝鸡，东至潼关，海拔 325～800 m，面积约 5.4 万km²，该区域地势平坦、土壤肥沃、气候温和，是陕西省最发达的地区，集中了全省52%的耕地，75%的灌溉面积。富平县总面积 1241 km²，总人口81万，是关中平原和陕北高原的过渡地带，属大陆性季风暖温带半干旱型气候，光热资源充足，无霜期较长，全县多年平均降水量533.3 mm；杨凌区是我国唯一的农业高新技术产业示范区，位于关中平原中部，总面积135 km²，常住人口20.22万，北靠黄土台塬，南临渭河，属大陆性季风暖温带半湿润气候，年均气温12.9 ℃，无霜期较长，平均年降水量约635.1 mm。富平县和杨凌区的主要粮食作物为冬小麦和夏玉米。

研究的数据主要来自2013年8—9月的实地调研，分别随机调查富平、杨凌两地各30 户种植户的冬小麦-夏玉米种植情况，系统投入、产出数据见表 1，部分机械、籽粒、秸秆等数据参考其他研究成果^{[17, 18, 19, 20, 21, 22]}。

表 1 冬小麦-夏玉米轮作系统投入产出表 Table 1 Inputs-outputs of winter wheat-summer maize rotation system

表选项

LCA是对产品或者服务系统整个生命周期中与产品或服务功能直接相关的环境影响、物质和能源的投入与产出进行汇集和测定的一套系统方法^{[7, 23]}，分为四步，即：①目标和范围定义；②清单分析；③影响评价；④结果解释^[23]。

目标与范围定义确定了研究的原因和结果的预期用途^[24]。研究冬小麦-夏玉米轮作体系从原材料开采加工、运输到农资生产，再到作物种植过程的资源利用与环境排放是为冬小麦-夏玉米轮作体系全程的生产和环境管理提供决策依据。农产品生命周期评价从矿石和能源开采开始，终止于农作物种植输出，包括农产品和污染物的输出两部分，土地资源是一切生产活动的基础，直接进入农作系统。本研究以分别生产农作物1 t为评价的功能单元。冬小麦-夏玉米轮作体系生命周期评价系统界定^[11]如图 1。

图 1 冬小麦-夏玉米轮作体系生命周期评价系统界定 Figure 1 LCA system boundaries of winter wheat-summer maize rotation system

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清单分析是收集实现特定目标所需的数据，是一份关于研究系统的投入和产出数据的清单^[25]。冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期主要包括原材料开采与运输、农资的生产与运输以及农作物种植三个阶段，包括煤、石油、天然气、电力等原材料的开采和生产，土地资源的利用，化肥、农药等农资生产相关的能耗和污染物排放，包括CO₂、NH₃、SO₂、CH₄、N₂O和CO等^[11]。与该系统相关的厂房设备、建筑设施、运输工具的生产和原材料的运输等环节对环境的影响则不予考虑。

富平县农户施肥方式主要有覆土施肥和撒施两种，杨凌区农户以撒施为主。本研究中小麦、玉米撒施时，NH₃挥发率分别为氮素投入量的24%^[26]，覆土施肥的氨挥发率为氮素投入量的10%^[26]；冬小麦-夏玉米轮作系统N₂O排放量约为氮素投入量的1.05%^[27]；氧化氮（NO_x-N）的挥发系数为氧化亚氮的10％^[10]。根据杨宪龙等^[28]的研究，关中地区硝态氮淋失率为0.7%~3.3%，淋失率与施氮量有关，本文中两地区施氮量均处于较高水平，因此采用施氮量的3.3%作为硝态氮的淋失量；根据杨学云等^[29]的研究结果，估算关中地区的磷流失量约为0.6 kg·hm^-2 a^-1。农药残留参考Van Calker等^[30]的结果，研究中进入大气、水体和土壤的农药残留污染物分别为农药有效成分投入量的10%、1%和43%。农田重金属污染仅考虑肥料和灌溉水带入农田的Cu、Zn、Cd、Pb等重金属对环境的影响。由于富平玉米、小麦秸秆全部还田，仅考虑籽粒离开农作系统所带走的重金属；杨凌小麦秸秆全部还田，而玉米秸秆不还田，因此除籽粒外还要考虑到玉米秸秆携带的重金属，作物各部分的重金属含量参考肖昕等^{[17, 18]}的研究成果。研究采用玉米草谷比为1.428 6^[19]。化肥基本以生产厂家为中心就近供应，我国运货平均运输距离约为341 km^[20]，货运百公里耗油9.84 L^[21]，平均载货量约为19 010.3 kg^[22]。

在LCA中，影响评价是对清单分析中所辨识出来的负荷的影响进行定量或定性的分析和评价^[7]。影响评价由影响分类、特征化、标准化、加权评估4个步骤组成。

影响分类是指根据不同的环境影响类型，对清单分析阶段的数据结果进行归类，循环农业的影响类型可以分为资源利用和生态环境影响两大类。资源利用主要考虑能源消耗、土地资源的利用和水资源消耗；生态环境影响主要包括全球变暖、环境酸化、富营养化、人体毒性、水体毒性和土壤毒性六个方面。

特征化是在每种环境影响类型内部对数据进行处理和分析，进而反映该影响类型特征的过程。一般采用当量系数法进行核算，即以某影响因素中某一种生态影响因子为基准，得出各影响因子的相对影响潜力，进而计算出各种影响因素的环境影响潜值^[9]。

能源消耗的计算是将整个生命周期消耗的能源依据能源系数^[20]折算成热值进行核算。

对于土地资源利用的评价，只考虑农作物种植涉及到的草地、林地、水域的使用，用净初级生产力乘以土地利用系数得出的现实生产力作为各种土地资源的当量系数，则耕地、林地、草地、海水水域、内陆水域当量系数分别为1、0.04、0.16、0.1和0.24 ^[9]。

对于水资源消耗的计算，可以根据公式（1）评价功能单位水资源的利用情况^[25]。仅考虑灌溉用水的消耗，农业灌溉用水的回收率较低，本研究假设重复利用率为0。

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全球变暖、环境酸化、富营养化等环境影响比较完善的当量模型已经建立，其中CO₂、CO、CH₄、N₂O四种温室气体当量系数分别为1、2、25、298^{[14, 20]}；引起酸化的物质SO₂、NH₃、NO_x的当量系数分别为1、1.88、0.7^[20]；引起富营养化的PO₄^3-、Ptot、NH₃、NO₃^-、NO_x的当量系数分别为1、3.06、0.33、0.42、0.13^{[9, 14, 25]}。Huijbregts等^[31]将1，4-DCB作为当量因子，计算了181种物质（包括86种农药）在人体、水体、陆地等方面的潜在毒性。各种生态环境影响类型可以根据公式（2）计算。

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标准化的目的是建立标准化基准，使各影响类型在统一的标准下比较其相对大小，研究采用的环境影响基准是2000年世界人均环境影响潜力^[32]，可用公式（3）计算。

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根据《国家粮食安全中长期规划纲要（2008—2020年）》^[33]，我国人均粮食消费量约为390 kg·a^-1，1 t小麦和1 t玉米大约能满足5.13人的需求。

加权评估是根据一定的加权方法，确定不同影响类型的相对严重程度，权衡各种影响类型的重要性，对标准化后的影响潜值进行修正。本研究增加了土地资源这一生态环境影响因素，在王明新等^{[11, 20]}研究成果的基础上对各个生态环境影响因素的权重进行了修正，各生态环境影响指数的基准值和权重见表 2，根据公式（4）进行加权评估计算，最后得到生态环境综合影响指数，该指数在一定程度上可反映评价区域的生态环境质量。

表 2 生态环境影响指数的基准值与权重 Table 2 Normalization values and weights for different impact categories

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冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期清单分析主要涉及化石能源等不可再生资源的消耗、土地资源的利用以及水资源的消耗，如表 3所示。煤炭、天然气开采，重油、柴油、电力、农资生产，农资运输、农业机械耕作等过程中都消耗大量能源。每生产1 t小麦和1 t玉米，杨凌区单位产量低，土地资源、种子消耗量高，富平县农化投入较多水资源、能源用于灌溉和机械。

表 3 冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期资源利用清单 Table 3 Inventory of life cycle resource utilization of winter wheat-summer maize rotation system

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将原材料开采、农资生产、农作物种植各环节的污染物排放量进行汇总，即冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期污染物排放清单（表 4）。富平县CO、NO_x、SOx、CO₂和CH₄的排放量高于杨凌区，其排放量平均是杨凌区排放量的118%，而N₂O、 NH₃、Ptot、PO₄^3-、NO₃^-和农药的排放量低于杨凌区，大约是杨凌区的75%。粮食籽粒、秸秆富集一定量重金属，杨凌区玉米秸秆不做还田处理，因此杨凌区重金属排放量低于秸秆全部还田的富平县。

表 4 冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期污染物排放清单 Table 4 Inventory of life cycle pollutant discharges of winter wheat-summer maize rotation system

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依据公式（2）对富平、杨凌两地冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境影响潜值进行计算，其结果如表 5、表 6所示。

表 5 富平县冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境影响潜值 Table 5 Life cycle environmental impact potential of winter wheat-summer maize rotation system of Fuping

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表 6 杨凌区冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境影响潜值 Table 6 Life cycle environmental impact potential of winter wheat-summer maize rotation system of Yangling

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冬小麦-夏玉米轮作系统的能源消耗主要发生在原料系统和农资系统，农作系统的消耗量较少，分别占富平、杨凌两地冬小麦-夏玉米轮作系统整个生命周期的13.8%和10.6%。我国能源开采和农资生产方式较为粗放，开采和生产过程需要消耗大量的能源，单纯的作物种植属于低耗能的生产方式。

每生产1 t小麦和1 t玉米：富平土地利用面积仅为杨凌的80.4%，其土地利用效率较高；富平县农作物灌溉水源充足、灌溉设施齐全，水资源消耗量约为7 917.6 m³，杨凌区的主要耕地类型为水浇地，但灌溉成本普遍较高，只有少量农户进行灌溉，水资源消耗量仅为1 692.7 m³。

研究采用当量系数法计算全球变暖潜力，富平和杨凌两地温室气体排放量分别为2 676.5、 2 285.5 kg CO₂-eq。温室气体主要产生在原料系统和农资系统中，两地农作系统产生的温室气体分别占整个生命周期的15.9%和17.8%。富平县农户单位面积上投入的农资、机械和电力较多，原材料、农资的开采和生产过程产生大量CO₂、CH₄、N₂O等温室气体，造成富平轮作系统的全球变暖指数高于杨凌。

引起环境酸化的物质主要有原料开采、农资生产和农作物种植过程中产生的SO₂、NH₃、NO_x，富平和杨凌两地生产1 t小麦和1 t玉米产生的环境酸化潜值分别36.7、51.8 kg SO₂-eq。杨凌区农户施肥主要以撒施为主，富平则是覆土施肥和撒施兼有，由于撒施的NH₃挥发率比覆土施肥约高14%^[26]，杨凌在农作物种植过程中约有22.4 kg的NH₃挥发进入大气，增加了轮作系统的环境酸化潜值。

研究中引起富营养化物质主要考虑到PO₄^3-、Ptot、NH₃、NO₃^-和NO_x，富平和杨凌两地生产1 t小麦和1 t玉米产生的环境富营养化潜值分别为6.9、9.8 kg PO₄^3--eq，富平的富营养化潜值较低，杨凌约为富平的1.4倍。两地施肥方式的不同造成该差异，富平农户多采用覆土施肥，其化肥利用率较高，造成的环境影响也较小。杨凌磷肥的使用量低于富平，造成杨凌富营养化的主要是N素，约占总富营养化潜值的97.8%。

本文仅考虑农作系统灌溉和化肥、农药的使用引起的水体毒性、土壤毒性和人体毒性，原料系统和农资系统的毒性影响由于缺乏资料未予以考虑，将1，4-DCB作为当量因子。富平的水体毒性、土壤毒性和人体毒性影响潜值分别为4.17、2.93、0.54 kg 1，4-DCB-eq，杨凌的分别为44.21、0.11、1.01 kg 1，4-DCB-eq，杨凌的水体毒性潜值远高于富平，是因为杨凌农户普遍使用杀菌剂多菌灵，它的水体毒性当量系数高达38 000 kg 1，4-DCB-eq。富平冬小麦-夏玉米轮作系统的秸秆都做还田处理，而杨凌区玉米秸秆不还田，籽粒和秸秆从系统中带走一定量的重金属，造成杨凌土壤毒性低，杨凌的重金属当量比富平低0.96 kg 1，4-DCB-eq，并且杨凌轮作系统中重金属元素呈现负增长。杨凌轮作系统的人体毒性影响潜值较高，约为富平的1.9倍。

标准化后冬小麦-夏玉米轮作系统的生命周期生态环境影响指数如图 2所示。富平的主要环境影响因素是富营养化、水资源消耗和水体毒性，生产1 t冬小麦和1 t夏玉米产生的富营养化、水资源消耗和水体毒性潜力，分别相当于2000年世界人均环境影响潜力的71.2%、17.5%和16.8%；杨凌冬小麦-夏玉米生命周期环境影响较大的是水体毒性、富营养化和环境酸化，分别相当于2000年世界人均环境影响潜力的178.4%、100.5%和19.3%。

图 2 冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境影响指数 Figure 2 Indexes of life cycle environmental impacts of winter wheat-summer maize rotation system

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富平、杨凌两地生态环境影响的主导因素也不相同。富平以富营养化为主，影响指数为0.712，占该地区轮作系统影响潜值的48.4%；杨凌是以水体毒性为主为1.784，占该地区整个轮作系统的55.4%，其次是富营养化为1.004，约占系统的31.2%。两地能源消耗和人体毒性的影响都很小，低于0.12%。

轮作系统各阶段对整体主要环境影响的贡献率如图 3所示。作物种植是造成环境酸化、富营养化的主要阶段，富平地区农作系统的富营养化、环境酸化影响的贡献率分别为84.5%和70.3%，杨凌的分别为90.0%和81.7%；原料、农资开采和生产过程中排放大量温室气体，是造成全球变暖的主要阶段，富平的原料系统对全球变暖的影响最大，贡献率约为46.6%，杨凌影响最大的是农资系统，约占44.0%；两地资源投入的结构不同，富平的农户投入较多电力和柴油，杨凌的农户投入的化肥、农药比例较大。

图 3 冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境影响贡献率 Figure 3 Percent contribution to environmental impacts of winter wheat-summer maize rotation system

图选项

加权后的生命周期生态环境影响指数见表 7。富平、杨凌两地加权后冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境综合影响指数分别为0.166 9和0.378 8，杨凌的综合指数明显高于富平，水体毒性和富营养化是其主要影响因子。农药施用量和施肥方式是造成杨凌水体毒性和富营养化指数高的主要原因；富平农药施用水平较低，但土壤毒性却高于杨凌，主要是秸秆中重金属进入土壤造成的。

表 7 冬小麦-夏玉米轮作系统生命周期生态环境加权后影响指数 Table 7 Weighted indexes of life cycle environmental impacts of winter wheat-summer maize rotation system

表选项

（1）富平、杨凌两地的生态环境综合影响指数分别为0.166 9和0.377 8。表明富平的作物种植方式、农资使用方式优于杨凌，覆土施肥、合理灌溉、秸秆还田对整个轮作系统的资源利用和生态环境影响有益。

（2）原料系统和农资系统对全球变暖的贡献率大，约占83%，农作系统对富营养化、环境酸化和毒性的贡献率较大，是造成生态环境影响的主要阶段。两地不同的秸秆还田方式对土壤毒性影响较大，但对整个生态环境影响较小。

（3）两地区的主要环境影响因素不同，富平的主要环境潜在影响因素是富营养化。农药施用量较高的杨凌的主要环境潜在影响因素是水体毒性。因此，推广使用低毒高效农药、无公害防虫十分必要。

（4）富平县生产1 t冬小麦和1 t夏玉米利用的土地面积分别为1 608.7、1 347.5 m²，明显低于杨凌区的2 008.6、1 670.6 m²，可见富平县的耕地利用效率较高。