华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统的水足迹评价
发布时间：2020-11-03 11:38
水资源短缺是我国的主要环境问题之一。我国是农业生产大国,农业生产对水资源的消耗量庞大,并且农业面源污染严重,进一步降低了水资源的可利用性。华北平原是我国主要的粮食产区,水资源供需矛盾突出。华北平原主要粮食作物为冬小麦、夏玉米,主要的耕作制度为冬小麦-夏玉米轮作系统。水足迹作为一种评价水消耗和水污染情况的综合性指标,为科学、合理地核算农业生产过程的环境影响提供了系统的思路。本研究以华北平原为研究区域,采用基于生命周期评价的水足迹评价方法,对冬小麦-夏玉米轮作系统所导致的水足迹进行了量化评估,对关键因子进行了溯源分析和敏感性分析,并进行了时空分析。在模型设计与构建的过程中,采用了包括致癌性、非致癌性、水稀缺、淡水生态毒性、水体富营养化和酸性化在内的六个中间点影响类别,以及人体健康和生态系统质量两个终点类别。各类别的特征化因子来自于目前被广泛应用的模型与方法。研究所使用的背景数据库为基于过程的中国生命周期水足迹分析数据库(The Chinese process-based life cycle inventory database for water footprint analysis,CPLCID-WF)。水足迹评价结果表明,华北平原生产1吨小麦在人体健康类别上的水足迹为3.1O×10-4～3.84×10-4 DALY,在生态系统质量类别上的水足迹为34.04～40.28 PDF.m2.yr;生产1吨玉米在人体健康类别的水足迹为1.82×10-4～2.26×1 0-4 DALY,在生态系统质量类别的水足迹为29.26～29.80 PDF.m2.yr。中间点水稀缺影响类别和致癌性影响类别在终点人体健康影响类别的贡献者中的占比最高;中间点富营养化影响类别对终点生态系统质量影响类别的贡献最大。关键流程分析表明,柴油生产过程和灌溉过程是造成人体健康影响的关键因素;种植过程污染物的直接排放是对富营养化影响类别和终点生态系统质量影响类别贡献最大的关键流程;柴油和化肥的生产过程是致癌性和淡水生态毒性影响类别的关键流程;柴油生产过程是非致癌性影响类别的最主要的贡献者。关键物质分析表明,化学需氧量和总磷是对终点生态系统质量影响类别贡献最大的两种物质;新鲜水和进入水体的铬与砷是造成人体健康损害的主要物质。敏感性分析表明,通过降低5%的灌溉用水或柴油投入,可以减少冬小麦-夏玉米轮作系统约2%的人体健康类别的水足迹影响;减少5%的污染物直接排放,则可带来超过3.8%的生态系统质量类别削减的环境效益。为了有效降低华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统的水足迹,应该提升灌溉效率,根据作物生长需水规律、地理气候等条件确定合理的灌溉水量与灌溉规划;加强施肥管理,提高化肥使用效率,推进化肥施用减量化;控制柴油使用量,更新老旧农机,使用生物质柴油。对农作物秸秆进行还田、堆肥、制备饲料等综合利用方式也能从全生命周期的角度产生可观的水足迹削减的环境效益。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S512.11;S513
【部分图文】：
?山东大学硕士学位论文???厂?，，：］???！麟气?华北平原冬小董－！??］?夏哏米轮作系统??覲肥??Ｉ??Ｉ?＾播种?｜??｜?磷肥??Ｔ－ｒ??Ｉ??！?？?Ｏ?｜??能?｜聽＞?Ｉ生长阶段??３?＾２?１■?１?Ｉ??物?ｆ?一＾丨—???料?输Ｉ农膜?灌溉??！?????——?！柴油??—????＾?＾＿?，????电力?＾＾?＇??—￣?〇?丨??种子??Ｉ??；?？收获??Ｉ?＂、－??丁??冬小麦／夏玉米（１吨ｊ??图２－１系统边界??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??２．３水足迹评价方法??依照水足迹评价国际标准ＩＳＯ１４０４６标准，在进行水足迹评价影响类别的??选择与设计时，所实施的方法可以采用来自不同方法的多个指标［｜５］。图２－２??展示了本研究所采用的水足迹评价方法框架。在中间点层面，本研宄共选择??了六个影响类别进行评价。其中，对水消耗方面的潜在环境影响的评价选用??了水稀缺影响类别，其特征化因子来自Ｂｅｒｇｅｒ等人的研究对水污染方面??的潜在环境影响的评价选用了致癌性、非致癌性、淡水生态毒性、富营养??化、水体酸性化等五个影响类别，各影响类别的特征化因子选取自目前被广??泛运用的评价模型。致癌性、非致癌性与淡水生态毒性的特征化因子来自于??ＵＳＥｔｏｘ？模型［ｗ，酸性化与富营养化影响类别的特征化因子基于ＣＭＬ模型??［：ｗ。为提高评价结果的准确性、科学性，使评价结果能够充分符合中国国??情，作者所在实验室已将影响类别的特征化因子均依据中国国情进行了本土??１１??
?山东大学硕士学位论文???化处理，基于中国的气象、地理、社会等要素对特征化因子进行了更新。采??用了?Ｍａｃｋａｙ?ＩＩＩ级逸度模型来计算各类污染物质在水体、底泥、大气等各介质??间的迁移数量，从而保证只有最终进入到水体内、对水环境产生污染效应的??污染物质才参与到水足迹评价的计算中［１＂：。在终点评价层面，本研究将各中??间点影响类别归汇到人体健康与生态系统质量两个影响类别，其中，水稀??缺、致癌性、非致癌性三个中间点影响类别归到终点人体健康影响类别上；??淡水生态毒性、淡水生态毒性、富营养化、水体酸性化以及水稀缺等四个中??间点影响类别被归到生态系统质量终点影响类别上。从中间点到终点计算所??需的特征化因子采用了?ＲｅＣｉＰｅ?２０１６模型中的特征化因子［１１。??中间点影响类别?终点影响类别??？?一．?＿?一?．?＿?．一．?—?—?？?—?？?—?ｆ－?—?—?－?—?？?—?？?—?－?一?？?—？??＼ｉ?｜?｜???１?！?Ｉ：?—?人体｜??命?，Ｉ＇水微?（ｉ?，?，??周?〇?丨?Ｊ?＼?１?１??ＨＩＪ?Ｉ?????＼?；?ｐ－?；??单：????｜水体常賴ｔ??■：水体酸性化?Ｉ丨、Ｉ??ｉ?Ｉ?（??ｉ?ｉ?；???图２－２水足迹评价方法??Ｆｉｇ．?２－２?Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ?ａｎａｌｙｓｉｓ??１２??
?山东大学硕士学位论文???ｆｌ衣作物雪７Ｘ＊计籯软件?—?Ｘ??作物话懸?Ｓ：间选择时间选择选项设Ｓ??Ｋｃ?时长??Ｉｎｉｔ．??ｌｉｄ．??开始计ｓ?Ｌａｔｅ－??Ｗ＿作物名＆??…一梦．?种植时间??神？日期格式为－ＭＤＤ”?．如■０１０１＂??ｔｆｅＡ?［?保存｜??图３－１软件界面??Ｆｉｇ．?３－１?Ｓｏｆｔｗａｒｅ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??ＦＡＯ?Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ模型假设在农作物生长过程对水的需求量近似于作??物的蒸散量（ＥＴ。），作物蒸散量由基准作物蒸散量（ＥＴ〇）和作物系数（Ｋ〇）??确定１４５１。其计算公式如下：??ＥＴＣ?＝?ＥＴ〇Ｋｃ?（３－１）??式中，ＥＴｃ为作物蒸散量（ｍｍ?ｃＴ１）；?Ｋｃ为作物系数；ＥＴ０为参考作物蒸发??蒸腾量（ｍｍ?ｄ＿１）。??０．４０８（／？？－Ｇ）?＋７ｆ－９〇〇＾ｕ２（ｅｓ－ｅａ）??印＝?■?ｚ＞?＋?ｙ（ｌ?＋?〇．３４？）??（３－２）??式中，ＥＴ〇为作物基准蒸散量（ｍｍｄ，；?Ｒｎ为冠层表面净辐射量（ＭＪｎｒ２??ｄａｙ－１）；?Ｇ为土壤热通量（ＭＪｎ＾ｄａｙ－１）；?Ｔ为２ｍ处日平均温度（°Ｃ）；?ｕ２为高度??２ｍ处的风速（ｍ?ｓ－１）；?ｅｓ为饱和水汽压（ｋＰａ）；?ｅａ为实际水汽压（ｋＰａ）；?Ａ为饱和水汽??压温度曲线的斜率（ｋＰａ?Ｙ为温度计常数（ｋＰａ／°Ｃ）。??本研究采用了?ＵＳＤＡ公式的有效降雨量的概念对作物对降水的利用量进??行估算，其计算公式如下：??＿?ｆ?Ｐ（４．１７－０．２Ｐ）／４．１７?ｉｆＰ＜Ｓ．３??Ｐｅｆｆ￣?ｙ?４．１７?＋?０．ＩＰ?ｉｆＰ＾Ｓ．３
【参考文献】
本文编号：2868521
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：S512.11;S513
【部分图文】：
?山东大学硕士学位论文???厂?，，：］???！麟气?华北平原冬小董－！??］?夏哏米轮作系统??覲肥??Ｉ??Ｉ?＾播种?｜??｜?磷肥??Ｔ－ｒ??Ｉ??！?？?Ｏ?｜??能?｜聽＞?Ｉ生长阶段??３?＾２?１■?１?Ｉ??物?ｆ?一＾丨—???料?输Ｉ农膜?灌溉??！?????——?！柴油??—????＾?＾＿?，????电力?＾＾?＇??—￣?〇?丨??种子??Ｉ??；?？收获??Ｉ?＂、－??丁??冬小麦／夏玉米（１吨ｊ??图２－１系统边界??Ｆｉｇ．?２－１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??２．３水足迹评价方法??依照水足迹评价国际标准ＩＳＯ１４０４６标准，在进行水足迹评价影响类别的??选择与设计时，所实施的方法可以采用来自不同方法的多个指标［｜５］。图２－２??展示了本研究所采用的水足迹评价方法框架。在中间点层面，本研宄共选择??了六个影响类别进行评价。其中，对水消耗方面的潜在环境影响的评价选用??了水稀缺影响类别，其特征化因子来自Ｂｅｒｇｅｒ等人的研究对水污染方面??的潜在环境影响的评价选用了致癌性、非致癌性、淡水生态毒性、富营养??化、水体酸性化等五个影响类别，各影响类别的特征化因子选取自目前被广??泛运用的评价模型。致癌性、非致癌性与淡水生态毒性的特征化因子来自于??ＵＳＥｔｏｘ？模型［ｗ，酸性化与富营养化影响类别的特征化因子基于ＣＭＬ模型??［：ｗ。为提高评价结果的准确性、科学性，使评价结果能够充分符合中国国??情，作者所在实验室已将影响类别的特征化因子均依据中国国情进行了本土??１１??
?山东大学硕士学位论文???化处理，基于中国的气象、地理、社会等要素对特征化因子进行了更新。采??用了?Ｍａｃｋａｙ?ＩＩＩ级逸度模型来计算各类污染物质在水体、底泥、大气等各介质??间的迁移数量，从而保证只有最终进入到水体内、对水环境产生污染效应的??污染物质才参与到水足迹评价的计算中［１＂：。在终点评价层面，本研究将各中??间点影响类别归汇到人体健康与生态系统质量两个影响类别，其中，水稀??缺、致癌性、非致癌性三个中间点影响类别归到终点人体健康影响类别上；??淡水生态毒性、淡水生态毒性、富营养化、水体酸性化以及水稀缺等四个中??间点影响类别被归到生态系统质量终点影响类别上。从中间点到终点计算所??需的特征化因子采用了?ＲｅＣｉＰｅ?２０１６模型中的特征化因子［１１。??中间点影响类别?终点影响类别??？?一．?＿?一?．?＿?．一．?—?—?？?—?？?—?ｆ－?—?—?－?—?？?—?？?—?－?一?？?—？??＼ｉ?｜?｜???１?！?Ｉ：?—?人体｜??命?，Ｉ＇水微?（ｉ?，?，??周?〇?丨?Ｊ?＼?１?１??ＨＩＪ?Ｉ?????＼?；?ｐ－?；??单：????｜水体常賴ｔ??■：水体酸性化?Ｉ丨、Ｉ??ｉ?Ｉ?（??ｉ?ｉ?；???图２－２水足迹评价方法??Ｆｉｇ．?２－２?Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｗａｔｅｒ?ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ?ａｎａｌｙｓｉｓ??１２??
?山东大学硕士学位论文???ｆｌ衣作物雪７Ｘ＊计籯软件?—?Ｘ??作物话懸?Ｓ：间选择时间选择选项设Ｓ??Ｋｃ?时长??Ｉｎｉｔ．??ｌｉｄ．??开始计ｓ?Ｌａｔｅ－??Ｗ＿作物名＆??…一梦．?种植时间??神？日期格式为－ＭＤＤ”?．如■０１０１＂??ｔｆｅＡ?［?保存｜??图３－１软件界面??Ｆｉｇ．?３－１?Ｓｏｆｔｗａｒｅ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ??ＦＡＯ?Ｐｅｎｍａｎ－Ｍｏｎｔｅｉｔｈ模型假设在农作物生长过程对水的需求量近似于作??物的蒸散量（ＥＴ。），作物蒸散量由基准作物蒸散量（ＥＴ〇）和作物系数（Ｋ〇）??确定１４５１。其计算公式如下：??ＥＴＣ?＝?ＥＴ〇Ｋｃ?（３－１）??式中，ＥＴｃ为作物蒸散量（ｍｍ?ｃＴ１）；?Ｋｃ为作物系数；ＥＴ０为参考作物蒸发??蒸腾量（ｍｍ?ｄ＿１）。??０．４０８（／？？－Ｇ）?＋７ｆ－９〇〇＾ｕ２（ｅｓ－ｅａ）??印＝?■?ｚ＞?＋?ｙ（ｌ?＋?〇．３４？）??（３－２）??式中，ＥＴ〇为作物基准蒸散量（ｍｍｄ，；?Ｒｎ为冠层表面净辐射量（ＭＪｎｒ２??ｄａｙ－１）；?Ｇ为土壤热通量（ＭＪｎ＾ｄａｙ－１）；?Ｔ为２ｍ处日平均温度（°Ｃ）；?ｕ２为高度??２ｍ处的风速（ｍ?ｓ－１）；?ｅｓ为饱和水汽压（ｋＰａ）；?ｅａ为实际水汽压（ｋＰａ）；?Ａ为饱和水汽??压温度曲线的斜率（ｋＰａ?Ｙ为温度计常数（ｋＰａ／°Ｃ）。??本研究采用了?ＵＳＤＡ公式的有效降雨量的概念对作物对降水的利用量进??行估算，其计算公式如下：??＿?ｆ?Ｐ（４．１７－０．２Ｐ）／４．１７?ｉｆＰ＜Ｓ．３??Ｐｅｆｆ￣?ｙ?４．１７?＋?０．ＩＰ?ｉｆＰ＾Ｓ．３
【参考文献】
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1 白雪;胡梦婷;朱春雁;;ISO14046:2014《环境管理水足迹原则、要求与指南》国际标准解读[J];标准科学;2015年09期
2 张福锁;王激清;张卫峰;崔振岭;马文奇;陈新平;江荣风;;中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J];土壤学报;2008年05期
3 闫湘;金继运;何萍;梁鸣早;;提高肥料利用率技术研究进展[J];中国农业科学;2008年02期
本文编号：2868521
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