西北地區玉米生產投入及生態環境風險評價

喬遠，楊歡，雒金麟，汪思嫻，梁藍月，陳新平，張務帥*

西北地區玉米生產投入及生態環境風險評價

喬遠1,2，楊歡1，雒金麟1，汪思嫻1，梁藍月1，陳新平1,2，張務帥1,2*

1西南大學資源環境學院，重慶 400715；2西南大學長江經濟帶農業綠色發展研究中心，重慶 400715

【目的】明確西北地區玉米生產的投入與生態環境風險?！痉椒ā炕谏芷谠u價（LCA）方法對西北地區六省或自治區（新疆、陜西、山西、寧夏、內蒙古、甘肅）15年間（2004—2018年）玉米生產的投入（肥料、農藥、柴油、地膜、種子及人工）與生態環境風險（溫室氣體排放、土壤酸化、水體富營養化及人體毒性）進行評價，定量化該地區單位面積（hm2）玉米生產投入與生態環境風險及其時空變化?！窘Y果】西北地區玉米生產投入與生態環境風險較高，15年間平均肥料投入為233.1 kg N·hm-2，106.3 kg P2O5·hm-2和23.3 kg K2O·hm-2，農藥、柴油、地膜、種子、人工投入量分別為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。玉米平均產量為7.9 t·hm-2，溫室氣體排放量為4 188 kg CO2eq·hm-2，土壤酸化潛值為155.3 kg SO2-eq·hm-2，水體富營養化潛值為52.6 kg PO4-eq·hm-2，人體毒性為2.9 kg 1,4-DCB-eq·hm-2。相較于2004年，2018年西北地區玉米生產種植面積和玉米單產分別增加了79%和26.9%；投入整體呈現上升趨勢，其中氮肥、磷肥和鉀肥的單位面積投入量分別增加9.2%、52.7%和203.7%，農藥、柴油、地膜的單位面積用量分別增加了303%、143%和108%，而種子和人工的單位面積投入量則分別降低了38.6%和50.8%。西北地區玉米生產的生態環境風險則整體呈現先上升后下降的趨勢，其中單位面積溫室氣體排放量、土壤酸化潛值、水體富營養化潛值以及人體毒性分別增加了13.6%、15.8%、2.6%和302.5%。西北地區玉米生產15年間單位面積氮肥投入量及溫室氣體排放量最高的年份均為2016年，最低均為2007年。西北地區不同省份玉米生產單位面積的投入與生態環境風險存在較大差異。其中，甘肅的氮肥、地膜和人工單位面積投入量最高，3種投入的最低省區分別為山西、陜西和內蒙古；新疆的磷肥和柴油投入量最高，最低均為陜西；山西的鉀肥投入量最高，最低為新疆；農藥和種子的投入量最高分別為寧夏和新疆，最低均為山西，玉米的種植面積與單產最高的省區分別為內蒙古和新疆，最低的分別為寧夏和陜西。同時溫室氣體排放量與土壤酸化潛值均為甘肅最高，水體富營養化潛值為陜西最高，人體毒性為寧夏最高，均為山西最低；西北地區玉米生產投入量與生態環境風險綜合值最高的省區為寧夏，山西為西北地區玉米生產綜合生態環境風險最低的省份?！窘Y論】西北地區玉米生產呈現高投入、高產出、高風險的特點，其投入與生態環境風險在不同時間和空間尺度上均存在較大差異。2004—2018年，西北地區玉米的種植面積、單產、投入整體呈增加趨勢，生態環境風險整體呈現先上升后下降的趨勢。未來玉米生產布局可考慮向高產和低環境風險的省份傾斜，在實現高產的同時降低生態環境風險。

西北地區；生命周期評價；玉米；投入；生態環境風險

0 引言

【研究意義】玉米作為全球主要糧食、飼料及工業原料作物，其產量占全球糧食總產的35%[1]。在中國，玉米總產于2014年超過水稻成為中國最大的糧食作物，占國內谷物總產的37%。我國玉米種植面積于2018年達到了4 213萬 hm2，占全國農作物總種植面積的25.4%，年產2.57億 t[2]。西北地區為我國重要的農產品產區，同時也是我國玉米四大主產區之一。西北地區的氣候特點為光照豐富、晝夜溫差大等，適合糧棉等作物生產，具有較大的農業生產潛力[3]。在過去15年間（2004—2018年）西北地區玉米單產水平提升近30%。其中，2018年西北地區玉米單產達到8.9 t·hm-2，遠高于6.1 t·hm-2的全國平均水平[2]。我國西北地區玉米生產在保障糧食安全方面扮演重要角色，定量化明確其投入和生態環境風險的時空變化規律，對推動玉米綠色可持續發展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】生命周期評價（life cycle assessment，LCA）方法可對某種產品進行“從搖籃到墳墓”的全生命周期中資源消耗及環境影響進行綜合量化評估[4-6]，該方法對于改善農作物生產中的投入及環境影響具有重要意義，因此越來越多的研究開始應用LCA方法對農作物的全生命周期環境影響開展評估[7-11]。同時也有大量研究評估了玉米全生命周期的環境影響，例如KRóL-BADZIAK等[12]通過5年的田間試驗比較了在波蘭3種不同耕作模式下玉米生產的環境代價。TAN等[11]與ZHAO等[13]分別對我國華北與東北地區的玉米生產進行生命周期評價，發現通過調整肥料施用量不僅可以保持穩產，同時可以大幅度降低玉米生產的碳排放。在過去的15年間（2004—2018年）我國玉米生產的肥料投入增加了38.85%，而單產只增加了17.6%[2]。高的肥料投入，尤其是持續高量的氮肥施用，對生態環境產生了巨大的負面影響[14-15]。除了糧食安全問題以外，國際社會同樣關注農業生產所帶來的環境問題。因此，如何在保障糧食安全的前提下降低農業生產所帶來的生態環境風險是當前國內外關注的焦點。相關的研究發現以中國為代表的發展中國家在農業生產中存在著一系列待優化的問題。YAN等[16]基于調研數據發現我國糧食生產存在肥料、農藥等資源投入過量的問題。CHEN等[17]通過分析大量的田間試驗發現，在傳統農業生產會導致大量的溫室氣體排放。ZHAO等[13]和GUO等[18]發現農業生產中過量的肥料投入會導致水體富營養化以及土壤酸化。同時也有研究發現農業生產中農藥投入會導致人體毒性的上升，增加人體健康風險?！颈狙芯壳腥朦c】西北地區是我國重要的玉米產區，目前的研究大多為基于單點或多點田間試驗的生命周期評價，缺乏對該地區宏觀尺度上玉米生產投入與生態環境風險的定量化研究，本研究在基于環境效應評價的基礎上進一步探究其資源節約與降低環境風險潛力，可推動該地區玉米生產的綠色發展?！緮M解決的關鍵問題】本文基于國家統計數據，采用生命周期評價（LCA）的方法，以西北地區2004—2018年15年間玉米生產投入情況為研究對象，定量化西北地區玉米生產投入及其生態環境風險，闡明投入與產出及生態環境風險之間的關系；比較西北地區玉米生產時空尺度上的生態環境風險，明確主要的驅動因素，探索潛在的優化措施。

1 材料與方法

1.1 研究區域和作物

研究區域主要位于西北地區六大玉米主產省或自治區，分別為新疆維吾爾自治區、寧夏回族自治區、內蒙古自治區、甘肅省、山西省和陜西省。該地區面積廣，人口稀少，氣候生態條件多樣，不同省、自治區間的耕作種植情況存在較大差異。本研究以西北地區主栽的春玉米為對象開展研究。

1.2 生命周期評價方法

生命周期評價（LCA）方法可用于定量化評估某種作物從農資的加工運輸到作物田間生產以及收獲后的加工運輸過程（從搖籃到墳墓）整個生命周期的環境效應[19-20]。農業 LCA 分為四步：目標定義和范圍的確定、農用化學品投入和環境風險清單分析、環境影響評價與結果解釋[21]。

1.3 系統邊界和功能單位

為計算玉米生產對生態環境風險的潛在影響，需量化玉米整個生命周期的所有生態環境風險。因此，本研究的系統邊界包括從農業投入的原材料獲取到農場大門（玉米收獲）的整個生命周期（圖1）。我們對西北地區玉米生產的整個生產鏈生態環境風險進行了評估，包括以下方面：（1）農化投入品（如種子、化肥、農藥、地膜）的生產和運輸以及到農場使用；（2）農業機械作業（如耕作、收獲）的能源消耗；（3）玉米種植期間所產生的溫室氣體和污染物等。結果表達的功能單位為單位面積（hm2）[22]。

1.4 數據來源及計算方法

本文玉米生產的基礎數據中單產、總產與種植面積數據來源于中國國家統計局（http://www.stats.gov.cn/）[2]，氮肥、磷肥、鉀肥、農藥、地膜、種子及人工投入數據均來源于《全國農產品成本收益資料匯編》[23]，柴油投入數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》與中華人民共和國國家發展和改革委員會（https://www.ndrc.gov.cn）[24]。所有數據的有效范圍均為省級或自治區。

本文中氮肥、磷肥、鉀肥的用量為有效養分的投入量（以N、P2O5、K2O計），單位為kg·hm-2?！度珖r產品成本收益資料匯編》中肥料的投入包括單一養分的投入與復混肥中各養分的投入。復合肥和混配肥中N、P2O5、K2O的含量均以市場上最為常見的三元素肥料各占1/3進行估算；二銨中N的含量占18/64、P2O5的含量占46/64。農藥、地膜和種子用量均為《全國農產品成本收益資料匯編》中的直接數據，人工為《全國農產品成本收益資料匯編》中的家庭用工天數與雇工天數之和；柴油用量由《全國農產品成本收益資料匯編》中燃料動力費與排灌費之和除以國家發展和改革委員會中不同地區各年份的柴油單價計算得出。本研究將所有統計資料中面積的功能單位由畝統一轉換為公頃（hm2）。同時將該區域不同年份各省份的投入依據種植面積進行加權取平均值。

1.5 活性氮損失、溫室氣體排放、土壤酸化潛值、水體富營養化潛值和人體毒性估算方法

（1）活性氮（Nr）損失 活性氮（Nr）損失包括氮肥施用所導致的氧化亞氮排放、硝酸鹽淋洗和氨揮發。玉米生產活性氮損失的定量是基于CHEN 等[17]的研究，計算公式如下：

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=產量×0.86/0.845×籽粒吸氮量 （5）

式中，N2O emission為氧化亞氮直接排放，NH3volatilization為氨揮發，N leaching為硝酸鹽淋洗，單位為kg N·hm-2；Nsurplus為氮盈余，單位為kg N·hm-2；Ninput為施氮量，單位為kg·hm-2；0.86/0.845為國際標準產量換算數值；籽粒吸氮量在產量大于7.5 t·hm-2時為18.1 kg N·t-1，在產量小于7.5 t·hm-2時為19.8 kg N·t-1。

（2）溫室氣體排放（greenhouse gas emission，GHG） 作物全生命周期溫室氣體排放主要來自于肥料、農藥、田間基礎設施結構材料生產和運輸過程中的排放。農作系統中氮肥施用直接導致的N2O排放，以及NO3-淋洗和NH3揮發進入環境后經生物地球化學循環轉化的間接N2O排放，和整地、播種、收獲等田間操作機械消耗的燃料產生的排放[25]?；谏芷谠u價方法，西北地區玉米生產溫室氣體排放量計算公式：

GHG=GHGm+Total N2O×44/28×298 （6）

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

式中，GHG為溫室氣體排放量（kg CO2eq·hm-2）；GHGm為農資（肥料、農藥、柴油和地膜）生產運輸所導致的溫室氣體排放量（kg CO2eq·hm-2），該數值計算為各投入用量乘以它們各自的溫室氣體排放系數（表1）[26-32]；Total N2O 為氮肥田間施用所產生的氧化亞氮排放，44/28為N換算為N2O的系數，298為單位質量N2O相比于CO2的溫室氣體效應的當量系數[33]，1.1%和1%分別為硝態氮淋洗和氨揮發進入環境后通過一系列生物化學反應間接轉化為N2O的轉換因子（IPCC，2019）[34]。

（3）土壤酸化潛值（soil acidification potential，AP） 本研究的土壤酸化潛值以二氧化硫當量（SO2-eq）作為計算參照，引起酸化效應的氣體主要包括SOX（SO2）、NOX和NH3，轉化為SO2當量系數分別為1、0.7和1.88[35-36]。農作物生產系統生命周期酸化效應主要來自于肥料、農藥和柴油等生產和運輸過程中的排放，農作系統中氮肥施用直接帶來的NH3揮發，以及整地、播種和收獲等田間機械作業燃料燃燒產生的SOX（SO2）、NOX和NH3?；谏芷谠u價方法，西北地區玉米生命周期土壤酸化潛值計算公式：

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

式中，AP為土壤酸化潛值（kg SO2-eq·hm-2）；APm為農資（肥料、農藥、柴油和地膜）生產運輸過程中的SO2排放量（kg SO2-eq·hm-2），該數值表示各投入用量乘以它們各自的土壤酸化系數（表1）；NH3volatilization分別為前面計算的農作過程中產生的NH3揮發量；17/14為N對NH3的轉換系數，1.88為1 kg NH3相比于SO2酸化氣體效應的當量系數。

（4）水體富營養化潛值（water eutrophication potential，EP） 本研究的水體富營養化潛值以（PO4-eq）作為計算參照，引起富營養化效應的物質主要包括NH3, NOX, NO3-, NH4-N, COD 和Ptot，轉換為PO4的當量系數分別為0.33，0.13，0.42，0.33，0.022 和3.06[35-36]?；谏芷谠u價方法，西北地區玉米水體富營養化潛值計算公式：

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

式中，EP為水體富營養化潛值（kg PO4- eq·hm-2）；EPm為農資（肥料、農藥、柴油和地膜）生產運輸過程中的PO4排放量（kg PO4-eq·hm-2），該數值表示各投入用量乘以它們各自的富營養化系數（表1）；NH3volatilization、NO3leaching分別為公式（2）和（3）計算的NH3揮發和NO3-淋洗損失量；17/14為N對NH3的轉換系數，0.33為1 kg NH3相比于PO4富營養化效應的當量系數；0.42 為1 kg NO3leaching 相比于PO4富營養化效應的當量系數；0.2%為單位磷肥施用所造成水體富營養化的當量系數，P2O5 input表示磷肥投入總量。

（5）人體毒性（human toxicity，HT） 本研究的人體毒性以二氯苯（1,4-DCB-eq）當量作為計算參照。根據SLEESWIJK等[37]的研究成果，工業生產中揮發到空氣中的重金屬為人體毒性的主要來源，同時農作物生產導致的農藥殘留也是其重要來源。HAUSCHILD[38]指出與其他化學物質不同，農藥生產的目的就是讓其進入生物圈影響并破壞目標生物，從而不可避免的對人體產生毒害作用?；谏芷谠u價方法，西北地區玉米生產的人體毒性計算公式：

HT = Pesticide input × 0.45 （10）

式中，HT為人體毒性，單位為kg 1,4-DCB-eq·hm-2；Pesticide input為農藥投入量，單位為kg·hm-2；0.45為人體毒性參數，單位為kg 1,4-DCB-eq·kg-1[39]。

表1 農資生產階段各環節的溫室氣體排放、土壤酸化和水體富營養化的系數

2 結果

2.1 西北地區不同年份生產投入與生態環境風險

2.1.1 玉米生產投入與種植面積、產量變化 2004— 2018年15年間西北地區玉米生產的肥料投入整體呈現上升趨勢（表2）。15年間N、P2O5、K2O的平均投入量分別為233、106、23.3 kg·hm-2。3種肥料15年間投入量的標準差分別為9.7、18.2、8.6 kg·hm-2，其中鉀肥投入的年際變化較氮肥和磷肥穩定。西北地區玉米生產氮肥投入量在2016年達到最高，為250 kg·hm-2，相較于其投入量最低的2007年增加了16.3%；磷肥與鉀肥投入量最高的年份均為2018年，投入量分別為138和41.3 kg·hm-2，投入量最低的年份均為2005年，分別為78.3和12.9 kg·hm-2，兩者之間分別相差77%與215%。

15年間西北地區玉米生產的農藥、柴油和地膜投入量呈上升趨勢，而種子和人工投入呈下降趨勢（表2）。其中農藥、柴油、地膜、種子和人工的平均投入量分別為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年西北地區玉米生產農藥、柴油、地膜、種子和人工用量均產生較大變化，其中農藥、柴油和地膜用量15年間的漲幅達到302%、143%與107%，種子和人工用量則分別減少了38.6%與50.8%。

表2 西北地區不同年份玉米生產投入情況

2004年到2018年西北地區玉米種植面積、總產和單產均處于上升趨勢（圖2）。2018年較2004年其區域平均種植面積擴大了79.0%，區域平均總產提高126.6%，區域平均單產增加28.6%。2009年西北地區玉米單產有所下降，在種植面積上升的情況下仍導致了當年的總產小幅下降。2012—2015年西北地區玉米平均單產呈下降趨勢，但種植面積和總產仍保持上升。2016年較2015年玉米種植面積和單產均大幅度下降，導致總產下降了9.3%。2018年的種植面積相較于2017年小幅下降。

2.1.2 生態環境風險 西北地區2004—2018年玉米生產的溫室氣體排放范圍為4 777—4 800 kg CO2-eq·hm-2，2007年最低，2016年最高，平均溫室氣體排放為4 188 kg CO2-eq·hm-2（圖3-a）。15年間溫室氣體排放量呈現一個上下波動的變化趨勢。

圖2 西北地區不同年份玉米生產區域平均播種面積、總產及單產變化情況

對溫室氣體排放貢獻率最高的是肥料投入，包括肥料的生產運輸與田間施用，達到84.1%，由氮肥所產生的溫室氣體占肥料相關排放的97.4%。農機耗油占總溫室氣體排放的8.4%，僅次于肥料，為第二大影響排放因素，其他因素的貢獻率之和小于8%。

西北地區玉米生產的土壤酸化潛值（圖3-b）與水體富營養化潛值（圖3-c）15年間的變化趨勢同溫室氣體排放變化趨勢基本相同，均呈現上下波動的變化趨勢。其中土壤酸化潛值的范圍為141—175 kg SO2-eq·hm-2，于2016年達到最高值。水體富營養化潛值的范圍為47.6—59.5 kg PO4-eq·hm-2。同時土壤酸化潛值與水體富營養化潛值中貢獻率最高的均為農事操作，占比均高達90%。西北地區15年間玉米生產的人體毒性整體呈現上升趨勢（圖3-d），最高達到了4.6 kg 1,4-DCB-eq·hm-2。其中2004—2011、2012— 2015、2016—2017年為持續上升階段，2011—2012、2015—2016、2017—2018年有所下降。

2.2 西北地區不同省份生產投入與生態環境風險

2.2.1 玉米生產投入與不同省份間種植面積、產量占比 西北地區15年間玉米平均種植面積最大的省份為內蒙古（272萬hm2），占到西北地區玉米總種植面積的38%，寧夏種植面積最低，為24.3萬hm2，僅占西北地區玉米總種植面積的3%（圖4）。年均總產以內蒙古最高，為2 063萬t，占西北地區玉米總產的37%，寧夏最低，為199萬t，占西北地區玉米總產的3%。

新疆是西北地區玉米單產最高的省份，15年間的平均單產可達10.0 t·hm-2，陜西最低，為6.33 t·hm-2（表3）。西北地區玉米生產15年間肥料平均投入量為391 kg·hm-2。各省份中肥料投入量最高的是甘肅，達449 kg·hm-2，比投入量最低的山西高出33.6%。寧夏和新疆的肥料投入量僅次于甘肅，分別為430和429 kg·hm-2。西北地區玉米生產15年間平均農機耗油、地膜用量、種子用量和人工用量均為新疆最高，而農機耗油和地膜用量為陜西最低，種子和農藥用量均為山西最低，人工用量最低的是內蒙古。農藥投入量最高的是寧夏，為12.2 kg·hm-2，是最低省份山西的2.3倍。

2.2.2 各省份玉米生產溫室氣體排放、土壤酸化、水體富營養化和人體毒性 西北地區玉米生產15年間平均溫室氣體排放量最高的省份為甘肅，可達5 472 kg CO2eq·hm-2，緊隨其后分別為寧夏與陜西，均達到了5 000 kg CO2eq·hm-2以上（圖5-a）。玉米生產平均溫室氣體排放量最低的省份為山西，相較于排放量最高的甘肅，其排放量降低了40%。不同省份15年間平均土壤酸化潛值與水體富營養化潛值最高的省份分別為甘肅與陜西，可達193 kg SO2-eq·hm-2與71.0 kg PO4-eq·hm-2，相比于最低的山西，分別高出54%和97% （圖5-b、5-c）。西北地區15年間玉米生產的平均人體毒性最高的是寧夏（圖5-d），為5.2 kg1,4-DCB- eq·hm-2，是山西的2.4倍。

圖3 西北地區不同年份玉米生產區域平均溫室氣體排放量（a）、土壤酸化潛值（b）、水體富營養化潛值（c）、人體毒性（d）

表3 西北地區不同省份玉米生產投入情況

圖4 西北地區不同省份玉米生產總種植面積（a）、總產量（b）、種植面積占比（c）和產量占比（d）

2.2.3 各省份玉米生產投入與生態環境風險綜合比較 西北地區玉米生產不同省份15年間的單位面積平均投入與生態環境風險存在較大差異（圖6）。通過雷達圖可以直觀地反映各項指標的相對值大小情況，雷達圖所示為不同省份單位面積各個環境風險指標的相對差異，是以各指標的單位面積最大值所屬省份為1，其他省份再與其進行比較獲得最終結果，雷達圖的面積越大，則表示環境風險的綜合相對值越高。由圖6可知，15年間平均綜合投入與生態環境風險最高的省份是寧夏，其人體毒性為西北地區各省份最高，施肥量、溫室氣體排放、水體富營養化潛值位居第二位，土壤酸化潛值位居第三位，其綜合相對值為0.97，為所有省份中最高，之后依次為甘肅、新疆、陜西、內蒙古，山西的各項指標相對值均最低，其綜合相對值為0.57，表明其具有該區域玉米生產最低的綜合生態環境風險。

3 討論

3.1 西北玉米生產投入與生態環境風險的時間變化

為了滿足不斷增長的糧食需求，西北地區玉米的總產量與總種植面積整體呈現不斷上升的趨勢。本研究發現，西北地區玉米生產整體具有高投入的特點，近15年（2004—2018年）氮肥和磷肥單位面積的平均投入量均高出全國平均水平近30%[2]，其較高的養分投入主要是由于春玉米的高需肥特性以及玉米單產水平較高所導致的。15年間西北地區玉米生產單位面積肥料投入量增加了26.6%，同時單位面積農藥、農機耗油以及地膜用量也大幅增長。養分投入的變化不僅與實際生產相聯系，還與國家及地方政策息息相關。自2015年我國農業農村部開始實施“化肥農藥零增長行動”以來，西北地區玉米生產單位面積化肥投入的增勢有所減緩，甚至有所下降。相較于2004年，2018年西北地區玉米生產種子和人工用量有所下降，這得益于我國玉米種質資源的研究，精播技術的研發以及農業機械化程度的提高。

圖5 2004—2018年西北地區不同省份玉米生產平均溫室氣體排放量（a）、土壤酸化潛值（b）、水體富營養化潛值（c）、人體毒性（d）

西北地區玉米生產高投入的同時也帶來了高的生態環境風險，其15年間玉米生產平均溫室氣體排放量為4 188 kg CO2eq·hm-2，高出我國玉米生產單位面積平均排放量的54.7%[40]，分別較東北和華北高24.7%[13]和48.5%[41]；單位面積土壤酸化潛值和水體富營養化潛值較華北地區分別高12.1%和79.2%[42]。西北地區玉米生產的高生態環境風險主要是由其投入量過高導致的，其中單位面積氮肥投入較東北和華北分別高41.8%和14.1%[2,42]。西北地區玉米生產的單位面積溫室氣體排放量在不同年份間的最大差距可達25.9%。而造成不同年份間生態環境風險的差異主要是由投入量，尤其是氮肥投入量的差異所導致的。本研究發現氮肥是造成溫室氣體排放的主要驅動因素，占比80%以上，這與前人的研究結果相似[43-44]。西北地區玉米生產的單位面積土壤酸化潛值與水體富營養化潛值在2016年之前整體呈現上升的趨勢，2016年之后有所下降，這主要是由于施氮量變化所導致的。在整個生命周期中土壤酸化和水體富營養化占主導地位的均為農事操作階段，其中主要是由氮肥施用所導致的。

圖6 西北地區不同省份玉米生產單位面積投入與生態環境風險綜合分析

綜合上述研究結果，我們發現氮肥是造成生態環境風險的主要影響因子，優化氮肥施用可以有效減緩玉米生產所帶來的生態環境風險。

3.2 不同省份玉米生產的投入與生態環境風險差異

西北地區玉米生產所帶來的生態環境風險在省區尺度上也存在較大的差異（圖5），這和前人的研究結果相似[45]。西北地區玉米生產15年間的平均單位面積溫室氣體排放量最高的省份為甘肅省，為5 472 kg CO2eq·hm-2，高出西北玉米生產區均值30.7%，這主要是由于甘肅單位面積氮肥投入量大。趙建華等[46]通過對該地區調研發現，甘肅高的施肥量主要是由于其獨特的地理氣候條件以及當地農戶盲目施肥導致的，該地區氮肥、磷肥的偏生產力比全國玉米生產區的平均水平分別低51.6%和26.1%。寧夏玉米生產中單位面積農藥高投入量也導致了高的人體毒性，高出西北地區平均水平60.7%。山西玉米生產區單位面積生態環境風險較低主要是由于總投入較低，尤其是氮肥投入較低。

西北地區不同省份間玉米生產的資源投入總量也存在較大差異，其中投入總量最高的省份為內蒙古，這主要是由于其種植面積遠大于其他省份，其種植面積大也導致了較高的生態環境風險總量。內蒙古玉米種植總面積占西北地區玉米種植總面積的38%，這可能是受全球氣候變暖的影響，玉米種植區域的逐漸北移[47]，同時該地區具有發達的畜牧業以及豐富的光熱資源[48]。寧夏的玉米種植面積小導致了其投入總量較低生態環境風險較小。不同地區間較大的投入與生態環境風險差異也表明西北地區玉米生產具有較大的空間調配潛力。

3.3 西北地區玉米生產的生態環境風險降低潛力與途徑

西北地區的玉米生產較大的投入導致了較高的生態環境風險。為實現該地區玉米生產的綠色發展，綜合前人研究，存在以下潛在減排措施：（1）適當調配各省區玉米種植面積，重點向具有較高生產力和低投入與低生態環境風險的省區傾斜。（2）優化施肥，尤其是減少氮肥的投入，前期研究發現中國目前玉米生產中的氮肥施用量遠高于中國農業農村部給出的建議值[49]，而氮肥是溫室氣體排放的主要貢獻因子[50]，通過減少氮肥的施用不僅可以降低投入成本，同時也可以降低玉米生產生態環境風險。農業農村部從2005年開始啟動的測土配方施肥項目，使我國節約氮肥達到27.2 kg N·hm-2，到2013年，測土配方施肥技術帶來的減排量可達2 500萬t CO2-eq[51]。（3）施用增效肥料。研究表明施用增效肥料例如控釋尿素[52-53]、硝化抑制劑和脲酶抑制劑可以有效提高氮素利用效率[54]，同時減少人工和燃料成本[55]，減少氮的淋失損失等[56]。（4）采用系統管理策略。研究發現通過土壤-作物系統的綜合管理（ISSM）在增加產量的同時大大減少了活性氮損失和溫室氣體的排放[17]。

4 結論

西北地區玉米生產呈現高投入、高產出、高風險的特點。其較高的投入導致了較高的產量以及生態環境風險。15年間（2004—2018年）西北地區玉米生產的種植面積與單產水平有較大提升，其總投入與生態環境風險整體均呈先升后降的趨勢。不同省份玉米生產單位面積的投入與生態環境風險以甘肅最高、山西最低，主要由氮肥投入量與種植面積的差異所致，肥料的生產和田間施用是玉米生產生態環境風險的主要驅動因素。通過定量化西北地區玉米生產的投入和生態環境風險，明確其時空變化規律。在提高玉米產量的同時降低其投入和生態環境風險，推動該地區玉米生產的綠色可持續發展。

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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

國家玉米產業技術體系（CARS-02-15）、中央高?；究蒲袠I務費（XDJK2020C069）

喬遠，E-mail：qy040018@163.com。通信作者張務帥，E-mail：wszhang@swu.edu.cn

（責任編輯 李云霞）