2020, Vol. 39
2. 西南大学资源环境学院, 西南大学长江经济带农业绿色发展研究中心, 重庆 400716
2. College of Resources and Environment, Agricultural Green Development Research Center of Yangtze River Economic Belt, Southwest University, Chongqing 400716, China
长三角地区是全国蔬菜优势产区之一，在蔬菜生产中占有十分重要的地位。2017年其蔬菜种植面积和产量占全国蔬菜总种植面积和产量的13.8%和13.2%[1]。农业生产既是活性氮损失的重要来源，又是产生温室气体的主要途径[2]。集约化生产的高投入和蔬菜根系浅、养分吸收能力弱的生理生长特征，导致肥料利用率低、全球变暖、土壤酸化和水体污染等问题十分突出[3-6]，严重制约着蔬菜产业的绿色发展。本课题组前期研究结果表明我国蔬菜生产氧化亚氮排放是粮食作物的1.24~4.16倍，硝酸盐淋洗损失量高达79.1 kg N·hm-2，明显高于粮食作物系统[7-8]。因此，蔬菜生产的环境代价(包含各环境评价指标)需要更多的关注，尤其是蔬菜生产的优势产区——长三角地区。
生命周期评价(LCA)方法是一种定量评估产品从“摇篮到坟墓”过程中对环境所产生影响的方法[9]，具有十分全面的特征。近年来运用LCA方法进行蔬菜生产的环境代价评价越来越受到关注，目前的研究主要集中于比较某一点或不同蔬菜种类的环境代价，明确各环节对特定作物生产系统环境代价的贡献率，然而对于区域内整个蔬菜生产的环境代价研究尚不清楚，限制了蔬菜生产环境代价评价的准确性。Khoshnevisan等[10]定量化比较了伊朗伊斯法罕省的温室黄瓜和番茄在各投入环节对环境造成的影响。胡亮等[11]比较了浏阳市4个农场、2种种植模式和8种蔬菜(黄瓜、苦瓜、青椒和茄子等)的温室气体排放。不同区域或不同年份的环境代价由于田间管理、气候条件和土壤特征等差异而存在显著差异。例如郭金花[12]的研究结果表明北京郊区每公顷设施番茄的温室气体排放潜值比山东寿光高11.4%。王占彪等[13]对华北平原主要作物(包括蔬菜)温室气体的研究表明，与1993—2002年相比，2003—2012年作物生产的温室气体排放潜值高了1.14 t CO2-eq·hm-2。近年来，设施蔬菜生产发展迅猛，已成为我国蔬菜生产体系重要的栽培方式，占全国蔬菜总种植面积的18%[14]，与露地蔬菜相比，设施蔬菜肥料投入高，环境温度和湿度高，势必引起较高的环境代价，因此在整个蔬菜生产中区分露地和设施蔬菜的环境代价对于蔬菜的合理化种植意义重大。然而迄今为止，对不同年份间、不同栽培方式等方面系统全面评价区域蔬菜生产的环境代价缺乏，严重制约着我国蔬菜生产的环境代价评价和减排措施的提出。
本文以长三角地区蔬菜生产为研究对象，采用生命周期评价(LCA)的方法，定量化该地区蔬菜生产的资源投入和环境代价并比较不同年份(2012—2016)、地区(江苏、浙江、安徽和上海)以及栽培方式(露地和设施蔬菜)下的资源投入和环境代价，为提出减排措施，实现蔬菜高效绿色发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区域和作物研究区域主要围绕长三角地区的三省一市，分为露地和设施蔬菜，具体省市和蔬菜种类如表 1所示。
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表 1 研究区域和作物 Table 1 Study areas and crops |
根据《全国农产品成本收益资料汇编(2012— 2016)》[15]和农业农村部种植业管理司有关资料，收集并整理了蔬菜种植的相关数据(主要包括产量、种植面积、化肥和有机肥用量、薄膜等)；同时露地蔬菜农药用量根据罗巍[16]的研究，设施蔬菜农药和钢材用量则根据本课题组Wang等[17]的研究结果，露地和设施蔬菜种植面积比值则依据Chang等[18]的研究结果。
1.2.2 长三角地区蔬菜总种植面积和产量以及各个省份占比近5 a长三角地区蔬菜总种植面积不断增加，2012年为2.891×106 hm2，2013至2016年分别增加了5.1×104、7.6×104、1.72×105和2.00×105 hm2，同时，这5 a总产量保持稳定，平均为1.45×108t(图 1a、图 1b)；各省市5 a平均总种植面积和产量均为江苏>安徽>浙江>上海，总种植面积占比分别为46%、29%、21%和4%，总产量占比分别为48%、30%、18%和4%(图 1c、图 1d)。
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图 1 不同年份蔬菜总种植面积和总产量以及不同省市5 a平均蔬菜总种植面积和产量占比 Figure 1 The total vegetable planting area and production and ratio of the total planting area and production under different provinces during 2012—2016 |
本研究的系统边界主要集中于蔬菜的生产过程(从播种到收获过程)，主要包括农资阶段和农作阶段。农资阶段主要关注肥料(化肥和有机肥)、农药、农膜、柴油、钢材(设施)等生产和运输过程。农作阶段主要关注肥料施用、农药施用和机械使用过程中消耗的农用柴油。为了更方便理解和评价其环境代价，将此系统环境代价评价单元设为单位面积(hm-2)。
1.4 长三角地区蔬菜不同省份5 a平均投入和产出不同省份5 a平均的投入产出见表 2，其中包括肥料、农药、柴油、聚乙烯膜和产量。
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表 2 蔬菜不同省/直辖市五年平均的投入和产出 Table 2 The average input and output during vegetable production in different provinces and municipalities during 2012—2016 |
蔬菜氮、磷、钾肥料的投入量为化肥和有机肥氮、磷、钾投入量的总和，对于同一省份或者同一栽培方式而言，每年化肥和有机肥氮、磷、钾用量直接平均求得；而对于不同省份和不同栽培方式而言，则通过加权平均求得。
活性氮损失(Nr)主要为氮肥施用所导致的氧化亚氮排放、硝酸盐淋洗、氨挥发的总量[17, 19]。
露地蔬菜和设施蔬菜生产系统氮肥施用导致的氧化亚氮排放、硝酸盐淋洗和氨挥发量，基于王孝忠[20]的研究，计算公式如下：
露地蔬菜：
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(1) |
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(2) |
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(3) |
设施蔬菜：
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(4) |
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(5) |
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(6) |
式中：N2O、NO3-和NH3分别为氧化亚氮直接排放、硝酸盐淋洗以及氨挥发，kg·hm-2；N为施氮量，kg·hm-2。
基于生命周期评价方法，温室气体排放潜值计算依据IPCC[21]和Hauschild等[22]研究结果，其单位为kg CO2-eq·hm-2，计算公式如下：
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(7) |
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(8) |
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(9) |
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(10) |
式中GHG总为蔬菜生产温室气体排放潜值，GHG肥料为肥料(氮、磷、钾肥料)在生产、运输和施用过程中产生的温室气体排放量，GHG其他为除肥料外其他投入产生的温室气体排放量，主要包括农药、柴油、地膜、棚膜、钢材在生产、运输和应用过程中所产生的排放量。N2O总为农作阶段氮肥施用产生的N2O排放量，农作阶段N2O排放分为直接排放和间接排放。N2O间接排放因子为1.0%的NH3挥发和2.5%的NO3-淋洗[23]。温室气体排放潜值以CO2为参照物，N2O的当量系数为298[24]。农资阶段肥料、农药、农膜和钢材生产和运输中的温室效应指标相关排放参数EF如表 3所示。
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表 3 温室气体排放参数来源 Table 3 Sources of greenhouse gas emission parameters |
蔬菜每年活性氮损失和温室气体排放潜值为各省份活性氮损失和温室气体排放潜值的加权平均值，比重为本年度此省份蔬菜种植面积占长三角地区蔬菜总种植面积的比例；各省份蔬菜活性氮损失和温室气体排放潜值为本年度露地和设施蔬菜活性氮损失和温室气体排放潜值的加权平均值，比重为露地和设施蔬菜面积占本年度总面积的比例；各省份露地或设施蔬菜活性氮损失和温室气体排放潜值为对应省份各蔬菜活性氮损失和温室气体排放潜值的平均值；露地或设施蔬菜每年活性氮损失和温室气体排放潜值为各省份露地或设施蔬菜活性氮损失和温室气体排放潜值的加权平均值，比重为各省份露地或设施蔬菜种植面积占总露地或设施蔬菜种植面积的比例。
2 结果与分析 2.1 不同年份的资源投入与环境指标评价 2.1.1 肥料用量与产量在肥料用量和产量方面，5 a平均的氮、磷、钾肥料投入量和产量分别为330、187、185 kg·hm-2和48.5 t· hm-2。2015年，由于国家化肥零增长政策的提出，肥料投入量开始下降。不同年份间氮、磷、钾肥料投入量存在显著差异，2015年总氮、磷和钾肥投入量最低，分别为307、179、178 kg·hm-2，与其他年份相比，氮、磷和钾肥分别低6.0%~11.3%、4.0%~7.7%和2.2%~6.8%(图 2a、图 2b、图 2c)。其中化肥是主要的肥料来源，5 a平均化肥氮、磷、钾投入量分别达到了总氮、磷、钾肥料投入量的89%、88%和86%。与2012年(50.9 t·hm-2)相比，2016年蔬菜单产下降了8.8%(图 2d)。因为长三角地区蔬菜总种植面积不断增长，所以在单产稍微降低的情况下总产量才能保持相对稳定(图 1a、图 1b)。
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图 2 单位面积上蔬菜不同年份的肥料投入和产量 Figure 2 Fertilizer input and yield per hectare in different years of vegetables |
近5 a蔬菜活性氮损失与温室气体排放潜值先增加而后降低然后再升高。5 a平均的活性氮损失为103 kg N·hm-2，温室气体排放潜值为5 930 kg CO2-eq·hm-2，其中2015年活性氮损失和温室气体排放潜值最低，分别为95.0 kg N·hm-2和5 618 kg CO2-eq· hm-2；分别较其他年份低6.5%~12.3%和3.5%~9.0% (图 3a、图 3b)。在5 a平均活性氮损失中，硝酸盐淋洗所占比例较大，约为75.4%，N2O排放和NH3挥发分别约占活性氮损失的3.2%和21.4%(图 3a)；在5 a平均温室气体排放中，肥料是最大贡献因素，贡献率为87.9%，其中由氮肥产生的占84.2%，农资-肥料和农作-肥料贡献率为44.9%和43.0%，而农资-其他和农作-其他为7.8%和4.3% (图 3b)。
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图 3 单位面积上蔬菜不同年份的活性氮损失和温室气体排放潜值 Figure 3 Reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission on per hectare basis of vegetables production in different years |
设施蔬菜具有高投入高产出的特点，单位面积5 a平均的氮、磷、钾肥料投入量分别为422、252、259 kg·hm-2，分别比露地蔬菜高38.3%、48.4%、57.3%(图 4a、图 4b、图 4c)；同时，设施蔬菜5 a平均产量为60 t· hm-2，高于露地蔬菜32.9% (图 4d)。2016年与2012年相比，露地蔬菜的产量略微下降了10%；而设施蔬菜的产量基本保持稳定，在60 t·hm-2左右。
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图 4 单位面积蔬菜不同年份不同栽培方式下肥料投入和产量 Figure 4 Fertilizer input and yield on per hectare basis of vegetables production in different years and different cultivation methods |
不同栽培方式下的环境代价差异显著。露地蔬菜5 a平均的活性氮损失和温室气体排放潜值分别为106 kg N·hm-2和5 157 kg CO2-eq·hm-2；设施蔬菜为93.4 kg N·hm-2和8 760 kg CO2-eq·hm-2。露地蔬菜的5 a平均温室气体排放潜值比设施蔬菜低41.1%(图 5a、图 5b)。这主要是因为露地蔬菜氮肥投入量较低，比设施蔬菜低了38.3%(图 4a)。5 a平均活性氮损失设施蔬菜比露地蔬菜低11.6%，其中在氨挥发方面，露地蔬菜比设施蔬菜高245%，而在硝酸盐淋洗和氧化亚氮排放方面分别低6.0%和32.3% (图 5a)。
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图 5 单位面积蔬菜不同年份不同栽培方式下活性氮损失和温室气体排放潜值 Figure 5 Reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission on per hectare basis of vegetable production in different years and different cultivation methods |
不同省市5 a平均的总肥料投入量均很高，且不同省份间存在一定差异，其中总氮肥投入量浙江最低(313 kg·hm-2)，较其他省份低1.9%~12.3%；总磷肥和钾肥投入量上海最低(129 kg·hm-2和102 kg·hm-2)，分别较其他省份低25.9%~45.6%和38.3%~54.0%；5 a年的平均产量为浙江最低(43.4 t·hm-2)，较其他省份低0.02%~13.9% (表 2)。
2.3.2 活性氮损失与温室气体排放不同省市5 a平均环境代价差异显著。浙江活性氮损失最低，为97.3 kg N·hm-2，比其他省份低2.8%~ 13.7%；安徽温室气体排放潜值最低，为5 708 kg CO2-eq·hm-2，比其他省份低了1.4%~10.7%(图 6a、图 6b)。浙江低活性氮损失主要是由于氮肥投入量较低，比其他省份低了1.9%~12.3%(表 2)。而浙江和安徽氮肥施用量无显著差异，温室气体排放潜值安徽低于浙江的原因主要是安徽磷肥和钾肥分别比浙江低26.6%和25.7%(表 2)，而磷肥和钾肥在生产和运输方面也会产生一部分温室气体。
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图 6 单位面积蔬菜生产不同省市5 a平均活性氮损失和温室气体排放潜值 Figure 6 The average reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission on per hectare basis of vegetables in five years in different provinces |
如表 4所示，露地和设施蔬菜中不同省市5 a平均氮、磷和钾肥料的投入量均有明显差异。总氮肥投入量：露地蔬菜为上海>江苏>安徽>浙江，设施蔬菜为浙江>江苏>安徽>上海；总磷肥投入量：露地蔬菜为浙江>江苏>安徽>上海，设施蔬菜为浙江>安徽>江苏>上海；总钾肥投入量：露地蔬菜为浙江>江苏>安徽>上海；设施蔬菜为江苏>安徽>浙江>上海；5 a平均产量：露地蔬菜为江苏>安徽>浙江>上海，设施蔬菜为安徽>江苏>上海>浙江。
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表 4 蔬菜不同省市间不同栽培方式下5 a平均的肥料投入和产量 Table 4 The average fertilizer inupt and yield of vegetables in five years under different cultivation methods and different provinces |
无论是露地还是设施蔬菜，不同省市间5 a平均活性氮损失和温室气体排放均存在显著差异。露地蔬菜中活性氮损失和温室气体排放潜值浙江最低，分别为97.1 kg N·hm-2和4 836 kg CO2-eq·hm-2，与其他省市相比，分别低了5.6%~19.4%和3.1%~17.7%。设施蔬菜中活性氮损失和温室气体排放潜值上海最低，分别为84.6 kg N·hm-2和8 292 kg CO2-eq·hm-2，与其他省份相比，分别低了5.8%~13.5%和0.6%~10.5% (图 7a、图 7b)。露地蔬菜中浙江和设施蔬菜中上海低的环境代价主要因为低的氮肥投入，氮肥投入分别低了6.1%~21.3%和6.2%~14.5% (表 4)。
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图 7 单位面积上蔬菜不同省市不同栽培方式下5 a平均的活性氮损失与温室气体排放潜值 Figure 7 The average reactive nitrogen loss and greenhouse gas emission on per hectare basis of vegetable production in five years under different cultivation methods and different provinces |
长三角地区蔬菜生产5 a平均活性氮损失为103 kg N·hm-2，温室气体排放潜值为5 930 kg CO2-eq· hm-2。其温室气体排放潜值显著高出相同系统边界的小麦和玉米60.0%和33.7%[2]。导致此差异产生的主要原因在于蔬菜生产过高的肥料投入，尤其是氮肥用量。本研究表明氮肥是温室气体排放主要的贡献因子，其中84.2%来自于氮肥，这与前人的研究结果类似[32-35]。5 a平均氮肥投入量为330 kg·hm-2，比我国小麦和玉米的氮肥投入量高16.2%和44.1%[36]；同时也比全国蔬菜生产的氮肥养分推荐量高13.8%[37]。由于大部分蔬菜根系较浅[38-39]、对于养分和水分的吸收能力弱、需肥量大、复种指数高、经济价值高，农户为了追求高产，盲目过量地投入氮肥，就会导致氮肥利用率降低，造成大量的活性氮损失和温室气体排放[4, 19, 40]，所以长三角地区蔬菜生产存在着很大的节肥与减排潜力。
单位面积5 a平均温室气体排放潜值露地蔬菜比设施蔬菜低41.1%。主要原因：一方面，露地蔬菜氮肥用量比设施蔬菜低27.7%，因为设施茄果类蔬菜多在反季节种植，环境温度低，生育周期长，所以其需肥量较高[19]。而在施氮量较高的条件下，设施蔬菜相比露地蔬菜较高的周年平均温度和土壤湿度又会刺激土壤微生物的硝化/反硝化过程，产生更多的温室气体氧化亚氮[41]。另一方面，设施蔬菜生产中钢材和棚膜的生产和运输也是温室气体排放的重要来源[31, 42]。本研究中由其产生的温室气体占设施蔬菜生产5 a平均的22.4%，因此想要从这方面减轻温室气体的排放，节约耗材，延长钢材和棚膜的使用寿命最为有效。
本研究发现蔬菜生产的活性氮损失和温室气体排放也会随时间和空间的变化而变化，这与前人的研究结果相符[33, 43]。长三角地区2015年活性氮损失和温室气体排放潜值最低，分别较其他年份低6.5%~ 12.3%和3.5%~9.0%，这主要是由于2015年投入的氮肥比其他年份低6.0%~11.3%；同时，不同地区之间的活性氮损失和温室气体排放潜值差异较大，5 a平均活性氮损失浙江最低，温室气体排放潜值安徽最低，浙江低的活性氮损失主要是因为比其他省份氮肥投入低，而浙江和安徽氮肥施用量无显著差异，温室气体排放潜值安徽低于浙江的原因主要是安徽磷肥和钾肥比浙江低，而磷肥和钾肥在生产和运输方面也会产生一部分温室气体。
综上所述，长三角地区蔬菜生产活性氮损失和温室气体排放较大，为实现该地区蔬菜生产的绿色发展，主要可以采取以下减排措施：一是减少氮肥投入，氮肥是温室气体排放的主要贡献因子，其投入量和温室气体排放呈现一定的正相关关系[25, 31]，长三角地区蔬菜生产氮肥投入量远高于蔬菜生长需求，因此通过减少氮肥的施用量不仅可以降低农民投入成本，获得更大的经济效益，还可以达到显著减少蔬菜生产温室气体排放的目的[44]；二是施用增效氮肥，已有研究表明，增效氮肥可以有效提高氮肥的利用率，降低活性氮的损失，比如添加硝化抑制剂，使用控释氮肥等[45]。
4 结论(1) 长三角地区蔬菜生产的活性氮损失和温室气体排放潜值较高，主要是高的肥料投入，尤其是较高的氮肥投入导致的。
(2) 不同栽培措施中，5 a平均温室气体排放潜值露地蔬菜比设施蔬菜低，活性氮损失设施蔬菜比露地蔬菜低；不同年份中，2015年活性氮损失和温室气体排放潜值最低；不同地区中，5 a平均活性氮损失和温室气体排放潜值浙江和安徽低于江苏和上海。
(3) 蔬菜生产应根据地区的气候特征、土壤类型和蔬菜养分需求进行田间管理。优化氮肥用量是提高蔬菜产量，降低活性氮损失和温室气体排放的重要措施。
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