摘要：这项研究旨在评估三种耕作系统：免耕(NT)、少耕(RT)和常规耕作(CT)，在单一玉米种植中的可持续性。本研究利用生命周期评价法(LCA)和模糊层次分析法(FAHP)来评估耕作系统的经济、环境和社会方面。结果显示，CT在经济和社会标准方面表现最佳，而NT和RT在环境方面表现更好。然而，最终评估显示，CT的整体表现最佳，其次是RT和NT。该研究还进行了敏感性分析，以观察气候条件和权重方案对不同耕作措施整体表现的影响。研究结果强调了考虑可持续性所有层面的重要性，以及研究产量变异对不同耕作措施表现的影响的必要性。

关键词：可持续性评价；多准则分析；模糊层次分析法；耕作简化

文 章 信 息

译名：不同耕作方式在玉米生产中的环境和社会经济绩效：生命周期评价和多准则决策的应用

发表时间：2021年1月1日

期刊IF：9.6（2024）

第一单位：波兰土壤科学与植物栽培国家研究所生物经济与系统分析系

通讯单位：波兰土壤科学与植物栽培国家研究所生物经济与系统分析系

文 章 亮 点

1.玉米籽粒生产中3种耕作措施的多准则评价；

2.生命周期评价在环境标准评价中的应用；

3.与其他耕作方式相比，传统耕作具有较好的经济效益和社会效益；

4.耕作方式的简化减少了对环境的影响；

5.传统耕作是最可能的折衷方案。

文 章 简 介

1.研究意义

  由于全球食品需求量高且可耕地有限，需要通过可持续集约化来增加农产品产量。近几十年来，可持续性是农业面临的主要挑战之一。为实现可持续发展目标，需要平衡环境、经济和社会三个方面的因素。

  玉米是欧盟(EU-28)主要农作物之一，占2016年总谷物产量的21%。波兰约占EU-28玉米总产量的7%。过去十年，波兰玉米种植面积从73.3万公顷增加到120万公顷。波兰玉米种植最常见的措施是采用传统深翻耕作方式。尽管传统耕作(CT)对植物有诸多好处，但也会对环境和自然资源造成损害。减少耕作强度可以带来环境优势，如减少二氧化碳排放、增加碳汇和改善土壤结构。

  以往研究仅从经济或环境角度评估了不同耕作方式，忽视了社会层面。由于可持续性评估需要全面考虑，因此本研究采用多准则决策分析(MCDM)方法，从经济、环境和社会三个维度评估不同耕作方式的可持续性。

2.研究方法

  本研究于2013-2017年在波兰土壤科学与植物栽培研究所农业试验站(51°23’N, 21°38’E)进行，旨在评价和比较玉米单作免耕(NT)、少耕(RT)和传统耕作(CT) 3种耕作措施的可持续性。本研究通过图1所示的方法框架进行。

  多准则评价的主要步骤如下：(1)玉米单作生产中3种耕作措施替代方案的描述；(2)明确了各主要准则中的主要准则(经济、环境和社会指标)和次要准则；(3)根据选定的主要标准和次要标准，采用FAHP方法对替代方案进行评价。(4)对耕作系统进行最终排序。

3.结果与讨论

3.1 经济评价

  表3显示了基于盈利能力、补贴独立性和经济效率子标准的耕作系统比较的结果。不同耕作措施的平均总产值和生产成本见表S13。可以发现，CT在所有经济子标准中的水平最高，其次是RT和NT。CT的成本高于NT和RT，因为其更密集的耕作导致更高的人工成本，燃料消耗，机械使用和更高的与外包有关的成本。

  本研究经济评价与Sime等人(2015)的相似，其表明保护性耕作替代传统耕作降低了毛利率和收入。也有研究表明，这些变化量取决于分析的时期和地点。与本研究结果相反，在一些研究中，NT措施的净收益高于CT，且在少数研究中，RT比CT有更高的净收入。这些不同的结果可以用气候和土壤条件的多样性以及田间管理的变化来解释。

3.2 环境评价

  不同耕作制度的环境影响结果见表3。对于几乎所有评价的影响类别(除ODP外)，RT表现出最佳的环境性能(最低环境影响)，其次是NT，而CT最差。可以看出，CT和保护性耕作系统的环境影响存在很大差异，而RT和NT的环境影响差异小于4 %。NT中最坏的环境性能是由于较低的产量造成的。对于RT而言，由于耕作贡献了大量的总排放(8 %)，ODP对环境的影响高于NT。

  在每1千克玉米籽粒中，所评估的GWP从RT的0.57 kg CO_{2 eq}到NT的0.59 kg CO_{2 eq}再到CT的0.85 kg CO_{2 eq}。尽管在一些研究中考虑了玉米籽粒生产的环境影响评估，但由于LCIA方法、系统边界和应用的功能单元不同，结果的比较相当困难。

  除了基于重量的功能单位(FU)外，还应用了基于土地的FU进行环境评估。表S14显示了单位耕地面积的环境影响，表明NT在所有评价的影响类别中表现出最佳的环境性能(最低环境影响)，RT和CT的环境影响差异均小于2 %。尽管与耕作相关的排放较低，但由于产量干燥过程中较高的排放量，其环境性能(除ODP)最差。这是由于RT的籽粒含水量高于CT，导致水分蒸发量较高。

  基于两种功能单位对环境影响进行的评估显示，尽管与CT相比，NT系统每公顷的环境影响较小，但由于粮食产量的大幅减少，免耕系统每千克谷粒的环境影响(除2015年和2017年外)却更大。尽管在大多数研究年份中，NT每千克谷粒(除2015年外)的环境影响大于CT，但CT在2013-2017年的平均环境影响最大。这是因为在2015年(由于产量低)，CT的排放量远高于NT，而在其余年份，这种差异较小。

3.3 社会评价

  表3展示了不同耕作系统的社会评估结果。尽管CT被评为最复杂的系统，NT被评为复杂性最低的系统，但除复杂性指标外，基于所有社会子标准，CT的数值最高。根据所得结果，由于免除或减少了耕作所需的工作量，从CT转变为RT和NT分别会使当地就业贡献(h ha^-1)减少12%和31%。常规耕作涉及犁耕，需要最高的耕作工作量(3.80 h ha^-1)，因此也需要最高的总工作时间（10.80 h ha^-1）。

  由于NT和RT系统中杀虫剂的使用量更高，与CT系统相比，这些耕作系统的健康风险值也更高。有研究表明，由于使用犁板或田间耕地机减少了杂草，理论上CT系统中对农药的需求较低。NT被定义为最困难的耕作系统，对农民来说难度更大，且对专业知识和专用机械的要求更高。而CT被确定为最复杂的系统，对农民来说难度更大，这是由于耕作更为密集，涉及到需要的操作数量(机器和设备的数量)也越多。

3.4 标准权重

  图2显示了根据成对比较的标准权重评估。换句话说，权重是每个标准相对于其他标准在农民、决策者和专家意见方面的优先级或重要性值。受访者认为，经济问题是最重要的，而社会和环境效率重要性较低。可以看出，在经济主要标准中，盈利能力具有最大的优先级，其次是经济效率和补贴独立性。在社会子标准中，工作难度是最重要的标准，其次是健康风险、实施复杂性和对当地就业的贡献(图2)。而环境指标的权重采用Sala等人(2018)的方法，可以看出GWP的重要性最高，其次是AD，而ODP、AP、EP和POCP的优先级较低。

3.5 最终排序

  基于经济、社会和环境子标准对三种耕作系统进行评估，并使用FAHP对子标准进行加权，然后对结果进行汇总和排序。各耕作制度在子标准和主标准下的相对比较如图3、图4所示。在图3中，每个子标准的替代方案的性能以总和为100 %的百分比表示。在环境影响类别中，CT的相对性能最低，这意味着与其他替代方案相比，这种替代方案对环境的影响最大。正如第3.1至3.3详细讨论的那样，CT具有最佳的经济性能，而RT和NT在环境子标准方面表现最佳(环境影响最小)。在社会标准中，除了复杂性，CT在几乎所有子标准中都表现出了最佳性能，而在复杂性中NT表现最佳。

3.6 敏感性分析或情景分析

  本研究假设情形1是最常见的观点(平等观)，其中所有的经济、环境和社会标准都具有相同的重要性。情形2是生产者的观点，其中经济标准的权重最大。在生态学家的观点中(情形3)，环境标准的权重最大。从社会的角度(情形4)来看，社会准则具有最大的重要性和权重。最后，基于同时关注生产系统的经济和环境方面的观点(情形5)，经济和环境标准具有最高的权重。所有的分类和权重可以见表2。

3.6.1 主要标准分配权重

  本文通过对主要标准的不同权重情况进行评估，进行了敏感性分析，以评估排名的稳定性。最终的排名会根据不同情形所赋予的权重而有所不同（见图5）。就情形1所描述的可持续观点而言，其中所有维度都被视为同等重要，CT的表现最佳，其次是NT和RT。在情形2(最注重经济方面)和情形5(经济和环境标准权重较高)中，CT是最可持续的耕作方式，而RT是次优选择。从环境角度来看(情形3)，排名发生了变化，NT位居第一，其次是RT和CT。在这种情况下，环境方面的重要性最高。考虑到情形4中社会标准的权重较高，CT仍然是最可持续的耕作方式，其次是NT，最后是RT。

  综上所述，在考虑经济、环境和社会维度的情况下，对于所研究的情形(除情形3外)，CT系统获得了最佳的整体结果。如本文之前所讨论的，与NT和RT相比，本研究在经济维度上表明CT的表现更高，这得益于CT下更高的玉米籽粒产量，而这可能是由研究区的天气和土壤条件造成的。

3.6.2 生产情景-逐年变化

  之前所有的评估和评价都是基于2013年至2017年期间各项标准的平均值。在此，本文展示了两个生产场景(低产和高产场景)下的敏感性分析结果。结果表明，不同年份间的变化影响了不同耕作系统的经济、环境和社会评价结果，以及最终的排名。在低产场景中，对于经济和环境标准的评价以及综合评价，NT排名第一，而在社会标准评价中，CT排名第一。在高产场景中，CT是最佳的耕作系统。且在两个场景中，RT都是次优选择。

  基于经济这一主要标准来看，在更详细的评估中，高产场景和低产场景对经济子标准的影响主要源于年份间产量、补贴和价格的变化。在低产场景中，NT获得了最佳的经济评价，而在高产场景中，CT系统表现最佳。产量减少会降低经济评价，因为产出降低而投入几乎保持不变。

  结果表明，产量变异性会间接地对环境表现产生重大影响。产量减少会导致生产系统中产出降低，而投入量几乎保持不变，从而增加环境影响。然而，产量增加会导致作物残茬管理中氮素投入增加，进而引起土壤中的N₂O排放。

在考虑社会这一主要标准时，年份间的产量变化对当地发展贡献和健康风险子标准产生了影响。在当地发展贡献和健康风险子标准方面，对于低产场景和高产场景而言，CT都获得了最佳评价；而在高产场景中，不同耕作系统之间的偏好差异更大。

4.主要结论

1.本研究采用模糊层次分析法(FAHP)对不同耕作方式(CT、RT和NT)在经济、环境和社会三个维度的可持续性进行了综合评估。

2.在经济和社会准则下，CT表现最佳，而在环境准则下，RT和NT的表现更优。

3.综合评估结果表明,CT是最可持续的耕作方式。但是，该结论受到一些局限性的影响，如未考虑气候条件和土壤N₂O排放等因素。

4.未来研究可以进一步扩大评估范围，包括不同作物或轮作体系，并吸收更多专家意见，以提高评估的全面性和精确性。此外，还可以考虑气候变化对可持续性评估的影响。

Reference:

Aleksandra Król-Badziak, Seyyed Hassan Pishgar-Komleh, Stelios Rozakis, et al. Environmental and socio-economic performance of different tillage systems in maize grain production: Application of Life Cycle Assessment and Multi-Criteria Decision Making. J. Clean Prod. (2021)

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123792

本期分享来自2023级农艺与种业专业硕士研究生彭诗雨