近20年来, 中国蔬菜生产发展十分迅速, 2015年全国蔬菜种植面积达到2200万hm², 占农作物总种植面积的13.2%.其中, 设施蔬菜种植因能摆脱自然环境和传统生产条件的束缚和实现高产、高效的生产方式得到迅速的发展.中国是世界上最大的设施蔬菜种植国家, 近年来以每年10%左右的速度增长, 2014年设施蔬菜面积已达到386万hm², 产值超过7000亿元.设施蔬菜产业的迅速发展极大地带动了农民就业并为中国农民的创收起到了积极的作用^[1].然而这种反季节生产需要投入大量额外的资源和能源^[2], 加之特殊的封闭环境和种植方式, 带来了不可忽视的环境问题.研究表明蔬菜种植相比于大田作物具有更高的环境危害, 加剧了全球变暖、环境酸化及水体富营养化等环境影响^[3].

当前对设施蔬菜生产系统的研究较多, 主要集中在栽培模式的农学和经济效益^[4]、病虫害防治^[5]、微生物多样性^[6]及产出效率^[7]等.也有部分研究者对设施蔬菜生产的环境影响进行了研究, 但主要集中在土壤质量^[8]、温室气体排放^[9]和对地下水的污染^[10]等某一方面.然而, 由于设施蔬菜生产不再是单纯的蔬菜种植活动, 而是以蔬菜生产为目的, 包括农资生产、农作生产、农产品运输、消费及废弃物排放等的“从摇篮到坟墓”的生产系统.传统的环境影响评价方法在对农产品生产进行评价时往往具有片面性.只有从整个生产系统的角度评价, 才有助于全面了解设施蔬菜这种农业生产方式对环境的影响, 有利于指导设施蔬菜的可持续发展.

生命周期评价(life cycle assessment, LCA)作为一种以产品为导向的全过程评价方法, 提供了一种从系统角度评价产品环境影响的思路和标准方法^[11].近几年, 国外学者已把LCA方法广泛应用于农业领域^[12], 用其来评价农产品生产和田间管理措施对环境的影响. Andrews等^[13]研究了魁北克温室番茄供应链的社会效果, 提出了生命周期属性评价(LCAA). Boulard等^[14]应用LCA方法对需要加热塑料大棚和玻璃温室、日光温室这3种不同种植环境下番茄生产过程环境影响和资源消耗进行了分析评价. Cellura等^[15]对意大利南部设施蔬菜的生产进行了生命周期评价, 认为蔬菜包装和温室建造对环境的影响较大, 大棚生产比温室生产可节约能源.目前像日本和瑞士等国家都拥有农业生命周期评价系统, 而国内缺乏完整的农业LCA数据库和统一标准, 其应用的研究还需要不断完善.近年来, 国内学者也相继开展了农业LCA相关研究, 为中国农业生命周期研究的探索和发展做出了贡献, 然而这些研究在核算农产品生产阶段污染物排放时主要是基于国外已发表的资料^[16~18].一方面, 估算的排放系数存在很大的不确定性.另一方面, 由于LCA的地域性很强, 国外粗放的农业生产模式并不适合中国的情况.此外, 目前对不同生产模式下蔬菜生产体系的环境效应进行LCA评价的研究还鲜见报道.基于此, 本文以华北平原长期定位蔬菜生产为例, 在对蔬菜生长阶段主要污染物排放进行实测的基础上, 结合LCA方法对比分析不同生产模式下设施蔬菜(茄子)生产系统的资源消耗和环境排放, 以期为更准确、系统和全面地改善设施蔬菜生产的环境问题和实现设施蔬菜可持续发展提供理论依据.

研究地点位于中国农业大学河北省曲周实验站(36°52′N, 115°01′E), 设施蔬菜长期定位实验于2002年3月开始, 研究区属温带半湿润季风气候区, 光、热、水等气候资源比较丰富, 但受季风的强烈影响, 冬春寒冷干燥, 夏季温暖多雨, 属一年两熟种植区.年平均温度为13.2℃, 年均降雨量604 mm, 其中60%发生于7~9月, 年蒸发量为1841 mm.供试土壤为盐化潮褐土, pH为7.8, 耕层(0~20 cm)多年平均有机质含量在16.63 g·kg^-1以上, 全氮为1.36 g·kg^-1, 碱解氮101.3 mg·kg^-1, 有效磷139.1 mg·kg^-1, 有效钾257.3 mg·kg^{-1 [6, 8, 9]}.

本实验采用的日光温室为拱圆式, 长60 m、宽7 m.温室内多种蔬菜轮作(每年两茬), 本研究茄子生长于每年3~8月, 进行了为期4 a(2013~2016年)的实验.实验设3个处理①常规模式：采用当地农民传统的温室管理模式, 主要施用化肥, 少量施用有机肥, 病虫害的防治以化学防治为主; ②综合模式：所施有机肥和化肥用量分别为有机和常规模式施用量的50%, 病虫害防治主要用生物防治方法, 严重时用低毒低残留的化学农药进行处理; ③有机模式：按照有机蔬菜生产标准, 只施用有机肥(堆肥和鸡粪), 不使用化肥和农药, 病虫害防治以农业措施和物理防治为主(如使用黄板诱杀、防虫网等).综合和有机模式施氮量同常规模式均为同一水平, 各处理灌水情况一致, 灌溉方式为大水漫灌(表 1).

表 1 (Table 1)

表 1 华北平原不同生产模式设施茄子生产投入产出情况 Table 1 Input and output from an eggplant production facility in the North China Plain (NCP) under different modes of production 项目 传统 综合 有机 N 661.1±234.95 330.5±117.5 — 化肥/kg·hm-2 P2O5 758.4±0.0 379.2±0.0 — K2O 630.4±0.0 315.2±0.0 — N 182.6±33.4 366.5±65.3 732.9±130.6 有机肥/kg·hm-2 P2O5 206.5±29.7 422.6±50.9 878.7±90.3 K2O 217.3±17.1 406.2±9.3 799.7±35.3 杀虫剂/kg·hm-2 15.1±4.0 5.8±7.0 — 农膜/kg·hm-2 41.67 41.67 41.67 柴油/kg·hm-2 50 50 50 灌溉/m3·hm-2 9425 9425 9425 产量/kg·hm-2 117171±13834 122073±16345 139253±15344

表 1 华北平原不同生产模式设施茄子生产投入产出情况 Table 1 Input and output from an eggplant production facility in the North China Plain (NCP) under different modes of production

氧化亚氮的收集采用静态箱法^[19], 测定采用Agilent 7890A型气相色谱仪.土壤硝态氮(NO₃^--N)和总磷淋溶采用自流式农田地下淋溶收集装置, 每次灌溉后3~5 d内用抽水器抽取渗漏液, 用流动分析仪(TRAACS2000)测定.有机肥中重金属含量(主要考虑Cu、Zn、Pb和Cd)的浸提采用硝酸-盐酸-氢氟酸消煮法, 待测液用ICP-MS测定.作物收获时, 对每次采摘果实进行称量和记录, 取3次平均值.各指标的详细测定过程参见文献[6, 8~10].

根据ISO14040和ISO14044^{[20, 21]}环境管理标准的LCA技术框架, 生命周期评价包括以下4个步骤：目标定义与范围界定、清单分析、影响评价和结果解释.下面对主要步骤进行简要描述.

本研究的目标是通过调查不同生产模式茄子生产生命周期各阶段的投入输出情况, 结合田间实测值定量化茄子生产生命周期各阶段的资源消耗和污染物的排放特征, 识别其节能减排关键调控点, 并综合评价以反映不同生产模式下的环境影响总潜值.本研究LCA的系统边界设置为从摇篮到农场大门, 包括农资生产子系统、农作生产子系统和运输子系统, 不包括基础设施建设、农业机械生产、蔬菜消费及废弃物排放等过程(图 1).在运输子系统中, 假设传统和综合模式生产的茄子全部由小型货车运输到当地农贸市场, 有机模式茄子通过冷链车被运输至邯郸市中心进行销售.本研究的功能单位为生产1 t茄子.

图 1

Fig. 1

图 1 蔬菜生命周期评价系统边界 Fig. 1 System boundaries in the life cycle assessment of eggplant production

清单分析包括数据的收集和对数据进行量化处理.农资生产子系统中化肥、有机肥、杀虫剂、地膜和柴油等生产的污染物排放(包括CO、CO₂、NO_x、SO₂、CH₄、N₂O和COD等)及能源消耗等计算参考梁龙^[22]的研究结果.

农作子系统中施肥造成的污染物排放如N₂O排放, 硝酸盐淋洗来源于实测值.根据前人的研究成果, NH₃挥发系数取施氮量的12.5%进行估算^[23], 挥发的氧化氮的量以氧化亚氮挥发的10%计算^[24].不考虑钾素的淋失.施用有机肥会伴随重金属的输入, 会对环境及人体造成风险, 有机肥中重金属的含量来源于实测值.本研究常规和综合模式农药残留率参照van Collker等^[25]的研究结果, 进入土壤、大气和水体的污染物分别以农药有效成分投入量的43%、10%和1%计算.有机模式中病虫害防治依靠粘虫板等物理手段, 忽略不计.整地等用柴油的污染物排放及能源消耗参考梁龙^[22]的研究结果.

本研究运输子系统主要考虑汽油生产和燃烧过程中的污染物排放及能源消耗, 其中汽油生产和燃烧的生命周期数据借鉴梁龙^[22]的研究结果.在本研究中, 运输子系统包括农资运输和农产品的运输.农资运输包括化肥和有机肥, 其他投入物(如农膜和农药等)的量较少, 不予考虑.

影响评价是根据清单分析的结果, 鉴别系统的能源和资源消耗, 污染物排放可能对自然资源、人体健康、生态环境产生的定性或定量影响的系统化过程.评价包括3个步骤：特征化、标准化和加权评估.环境影响分为以下9个方面：能源耗竭、土地消耗、水资源量、全球变暖、环境酸化、富营养化、人类毒性、水体毒性和土壤毒性.不可再生能源的计算根据Frischknecht等^[26]的研究结果.土地以及水资源耗竭的评价参考Wang等^[27]的研究结果. 100年内全球变暖潜势的计算根据IPCC(2001)^[28]的报告结果.环境酸化、富营养化和水体毒性潜势的计算参考EDIP97方法^[29].人体毒性潜势的计算根据CML2001方法^[30].土壤毒性潜势的计算涉及土壤物理、化学和生物性质, 包括9种指标, 参照Nemecek等^[31]的研究结果.

污染物排放的当量系数参考Wang等^[27]和Huijbregts等^[32]的研究结果.土地消耗和水资源量的标准化过程参考中国人均环境影响基准值(NBS2000), 权重系数参考梁龙^[22]和Wang等^[27]的研究结果.

茄子生产生命周期过程中的资源消耗包括可再生资源(土地消耗和水资源量)及非再生资源(化石燃料).在农资生产子系统中, 与常规模式相比, 综合和有机模式的非再生资源消耗分别降低了35.60%和65.06%(表 2).农作生产子系统中, 与常规模式相比, 综合和有机模式的非再生资源消耗分别降低了4.02%和15.84%;土地资源分别降低了4.02%和15.86%;在运输子系统中, 与常规模式相比, 综合和有机模式的非再生资源消耗分别增加了13.04%和82.22%.

表 2 (Table 2)

表 2 华北平原不同生产模式设施茄子生产资源消耗和污染物排放生命周期清单/kg·t-1 Table 2 Resource use and emissions inventories under different modes of greenhouse eggplant production in the North China Plain/kg·t-1 清单名称 农资子系统 农作子系统 运输子系统 常规 综合 有机 常规 综合 有机 常规 综合 有机 能源耗竭/MJ·t-1 983.75 633.58 343.72 18.18 17.45 15.30 133.40 153.41 750.38 土地消耗/m2·t-1 — — — 85.34 81.92 71.81 — — — 水资源量/m3·t-1 1.7618 0.9177 0.0434 80.44 77.21 67.68 — — — HC 0.0084 0.0055 0.0022 1.24E-05 1.19E-05 1.04E-05 0.0007 0.0008 0.0020 CO 0.0407 0.0221 0.0018 0.0003 0.0003 0.0002 0.0560 0.0591 0.7495 CO2 88.14 46.82 1.95 1.36 1.31 1.15 82.67 98.63 171.37 NH3 0.0374 0.0418 0.0621 1.1134 0.8857 0.8234 — — — N2O 0.0015 0.0008 4.34E-05 0.1790 0.1353 0.0922 0.0005 0.0006 0.0023 NOx 0.3197 0.1826 0.0408 0.0020 0.0020 0.0017 0.1236 0.1476 0.2434 NO3- — — — 2.1173 1.6843 1.5657 — — — SOx 0.2798 0.1472 0.0006 0.0017 0.0016 0.0014 0.1016 0.1216 0.1772 CH4 0.0146 0.0226 0.0421 2.99E-06 2.87E-06 2.51E-06 0.0007 0.0007 0.0089 Ptot 0.0121 0.0045 — 0.0165 0.0131 0.0126 — — — NH4+ 0.1417 0.0789 0.0083 — — — — — — COD 0.7517 0.4015 0.0414 — — — — — — Cd 8.28E-08 3.98E-08 — 0.0004 0.0004 0.0007 — — — Pb 1.29E-06 6.21E-07 — 0.0015 0.0010 0.0008 — — — Cu 6.47E-07 3.11E-07 — 0.0048 0.0079 0.0152 — — — Zn 3.24E-06 1.55E-06 — 0.0148 0.0237 0.0462 — — — 有机磷 — — — 0.0005 0.0005 — — — — 除虫菊酯 — — — 0.0320 0.0120 — — — — 苯菌灵 — — — 0.0325 0.0125 — — — — 多菌灵 — — — 0.0325 0.0124 — — — — 代森锰锌 — — — 0.0325 0.0125 — — — —

表 2 华北平原不同生产模式设施茄子生产资源消耗和污染物排放生命周期清单/kg·t-1 Table 2 Resource use and emissions inventories under different modes of greenhouse eggplant production in the North China Plain/kg·t-1

各处理中, 综合和有机模式的全球变暖潜势较小, 均为311.20 kg·t^-1(以CO₂-eq计)左右, 比常规模式降低了约19.40%(表 3).环境酸化潜势为有机模式最小[2.04 kg·t^-1(以SO₂-eq计)], 分别比常规和综合模式降低了27.08%和9.01%.水体富营养化潜势为常规模式最大[1.50 kg·t^-1(以PO₄-eq计)], 与之相比, 综合和有机模式分别降低了22.51%和30.59%.

表 3 (Table 3)

表 3 不同生产模式生产1吨设施茄子的潜在环境影响指数 Table 3 Environmental indices per ton of eggplant produced under conventional, integrated and organic modes in the NCP 环境影响分类 单位 特征化结果 标准化结果 加权平均结果 常规 综合 有机 常规 综合 有机 常规 综合 有机 能源耗竭 MJ 1135.33 804.44 1109.39 0.0004 0.0003 0.0004 6.57E-05 4.66E-05 6.42E-05 土地资源 m2 85.35 81.92 71.81 0.0864 0.0829 0.0727 — — — 水资源 m3 82.20 77.21 67.73 0.0309 0.0296 0.0260 0.0049 0.0046 0.0040 全球变暖(以CO2-eq计) kg·t-1 386.07 311.20 311.13 0.0562 0.0453 0.0453 0.0067 0.0054 0.0054 环境酸化(以SO2-eq计) kg·t-1 2.858 2.247 2.044 0.0547 0.0430 0.0391 0.0077 0.0060 0.0055 富营养化(以PO4-eq计) kg·t-1 1.501 1.163 1.042 0.7902 0.6123 0.5482 0.0948 0.0735 0.0658 人体毒性(以1, 4-DCB-eq计) kg·t-1 0.0104 0.0040 — 0.0001 2.03E-05 — 7.42E-05 2.84E-05 — 水体毒性(以1, 4-DCB-eq计) kg·t-1 31.53 21.48 23.55 6.5288 4.4468 4.8751 0.7183 0.4892 0.5363 土壤毒性(以1, 4-DCB-eq计) kg·t-1 0.575 0.820 1.512 0.0941 0.1343 0.2474 0.0224 0.0174 0.0223 综合指数 0.8549 0.5962 0.6393

表 3 不同生产模式生产1吨设施茄子的潜在环境影响指数 Table 3 Environmental indices per ton of eggplant produced under conventional, integrated and organic modes in the NCP

有机肥及农药的使用对环境影响引起的毒性包括人体毒性、水体毒性和土壤毒性.对于有机模式, 由于不使用农药, 因此不造成人体毒性, 综合模式的人体毒性比常规模式降低了61.69%.水体毒性(以1, 4-DCB-eq计)表现为常规模式最高(31.53 kg·t^-1), 综合和有机模式接近, 分别为21.48和23.55 kg·t^-1, 分别比常规模式降低了31.89%和25.33%.土壤毒性主要由有机肥带入的重金属及杀虫剂引起, 常规和有机模式土壤毒性较高, 两模式之间无显著差别, 综合模式最低(0.0174 kg·t^-1).与常规模式相比, 综合模式土壤毒性降低了22.11%.

根据Huijbregts等^[32]公布的2000年世界人均基准值, 对3个子系统的特征化结果进行标准化, 结果如表 3所示.可见, 各模式环境影响标准值较大的均为水体毒性、水体富营养化及土壤毒性.综合模式在能源耗竭、水体毒性、土壤毒性这3个方面对环境影响最小.有机模式在土地消耗、水资源量、全球变暖、环境酸化这4个方面引起的环境影响显著低于常规模式, 但是其在能源消耗和土壤毒性方面与常规模式十分接近.

根据Wang等^[27]经专家组评议设定的权重系数结果, 对标准化值进行加权评估得到环境影响综合指数(表 3).常规模式的环境影响综合指数为0.855, 综合模式为0.596, 有机模式为0.639, 与常规模式相比, 综合和有机模式分别降低了30.3%和25.3%(图 2).水体毒性、水体富营养化和土壤毒性这3个方面对环境影响综合指数的贡献最大, 对各处理均占环境影响综合指数的97%以上.

图 2

Fig. 2

图 2 不同生产模式设施茄子生产环境影响贡献分析 Fig. 2 Analysis of the environmental impact indices of conventional, integrated and organic eggplant production

为进一步探究造成各子系统能源耗竭及污染物排放的热点因子, 各子系统被细分为各个投入物对环境的影响, 如图 3所示.在非再生能源耗竭方面：对于常规模式, 化肥生产导致的能源消耗占比最大(74.07%), 这主要是农资阶段化肥生产消耗了大量的化石能源所致.中国与国外化肥行业不同, 中国氮肥中间体合成氨以煤炭作为主要能源物质, 能耗高, 环境污染大^[33].其次是肥料(主要是有机肥)的运输和有机肥的生产, 占比各为8.81%和8.59%.茄子运输、农药生产及柴油燃烧所消耗的能源不足8%.综合模式的非再生能源消耗最小, 为804.44 MJ·t^-1, 分别比常规和有机模式减少29.15%和27.49%.

图 3

Fig. 3

图 3 不同生产模式污染物排放的环境影响热点 Fig. 3 Environmental impact of energy depletion, global warming, acidification, and aquatic eutrophication in conventional, integrated, and organic eggplant production modes

对于有机模式, 运输子系统对于茄子生命周期能源耗竭的影响贡献最大, 农产品运输和农资运输共占总能源耗竭的67.64%, 其中茄子的运输占到54.11%, 这主要是由于有机蔬菜运输环节不同于其他模式蔬菜, 本研究中有机蔬菜搭载冷链车配送到邯郸市中心, 而常规蔬菜主要是通过普通货车运输至当地农贸市场.控温式冷链车的耗油量是普通货车的6倍, 且有机蔬菜的运输距离远大于普通蔬菜.其次, 由于有机模式施用大量的有机肥, 农资阶段有机肥的生产能耗占总能耗的29.89%.由于本研究长期定位实验站并未集成规模养殖场, 所用有机肥来源于10 km外邯郸市的畜禽养殖场, 因此肥料(主要指有机肥)的运输环节也造成了能源的消耗(主要是柴油的燃烧), 占比13.53%.本研究各处理资源消耗要高于He等^[18]对同为华北平原的番茄地的估算, 其主要原因是他们的研究并未考虑有机肥生产过程中的能耗问题.

在全球变暖方面：常规、综合和有机模式全球变暖潜值(以CO₂-eq计)分别为386.07、311.20和311.13 kg·t^-1, 综合和有机模式相差不大, 但和常规模式相比, 综合和有机模式分别降低了19.39%和19.41%.运输阶段对3个处理都产生较大的影响, 对3种模式全球变暖的贡献分别为33.05%、49.42%和84.48%, 这主要是由于运输过程中汽油燃烧产生大量的温室气体(CO₂、N₂O和NO_x)所致.对于常规和综合模式, 农资阶段化肥的生产也会引起温室气体的排放, 分别占47.94%和32.99%;农资阶段对有机模式全球变暖的贡献最低, 这是由于有机模式不施用化肥和杀虫剂等.

对于常规、综合和有机模式, 农作阶段来源于茄子生长季N₂O的直接排放分别占14.37%、13.48%和9.19%.前人在华北平原的研究也证明相比于大田作物, 菜地具有更高的N₂O排放量^[3], 菜地每多消费1 kg肥料氮(N), 将增加13 kg碳排放(以CO₂-eq计)^[34].此外, 农作阶段的灌溉用电对各模式全球变暖的影响在4.97%~5.92%.

环境酸化方面：农作生产阶段是排放环境酸化影响物质的最主要来源, 环境酸化的影响因子主要是N₂O、NO_x和NH₃.造成氨挥发、N₂O和NO_x排放主要是因为茄子在种植过程中氮肥的大量施用, 导致土壤的反硝化作用等氨挥发及氮氧化物的排放^[24].对于常规和综合模式, 施肥(有机肥+化肥)造成的环境酸化分别为73.23%和74.12%(图 3);对于有机模式, 施用有机肥对环境酸化的影响占75.72%.施肥对3个模式环境酸化影响差异不大, 但总体表现为随施用有机肥的增加, 环境酸化加剧.这与Hansen等^[35]和Mattsson等^[36]的研究结论相一致, 其研究认为生产单位质量的有机产品将具有更高的环境酸化潜力, 增大有机肥用量会导致更多的氮淋洗和径流的损失.

农作生产阶段施肥环节是造成水体富营养化的最重要方面, 主要的影响因子包括PO₄^3-、NO_x、NH₃和NO₃^-, 施肥对各模式水体富营养化的贡献在88.62%~94.08%.施肥对常规、综合和有机模式水体富营养化潜势(以PO₄-eq计)分别为1.33、1.06和0.98 kg·t^-1.茄子的种植过程中, 由于肥料的大量施用(有机肥和化肥)导致NH₃挥发和NO₃^-的淋洗, 在本研究中, 由于有机和综合模式的NO₃^-淋洗率低于常规模式^[37], 因此, 有机和综合模式由NO₃^-淋洗造成的富营养化也低于常规模式, 这与周冉等^[38]的研究结果相一致.

人体毒性, 水体毒性和土壤毒性主要是由农作生产阶段施入的有机肥和杀虫剂引起的.常规和综合模式的人体毒性来自施入的杀虫剂及杀菌剂.在本研究中, 主要是由有机磷、代森锰锌、除虫菊酯、苯菌灵和多菌灵引起.由于有机模式不施用杀虫剂, 因此不造成人体毒性(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 不同生产模式环境毒性的热点因子 Fig. 4 Environmental impact of toxicity to humans, aquatic eco-toxicity, and soil eco-toxicity under conventional, integrated, and organic eggplant production modes

在本研究中, 对综合环境影响指标贡献最大的是水体毒性.常规、综合和有机模式的水体毒性(以1, 4-DCB-eq计)指标分别为0.7183、0.4892和0.5363 kg·t^-1.与常规模式相比, 综合和有机模式的水体毒性分别降低了31.89%和25.33%.对常规模式, 有机肥对水体毒性的贡献为24.59%, 杀虫剂的贡献达到75.41%;对综合模式, 有机肥和杀虫剂的贡献分别为57.40%和42.60%;对于有机模式, 全部来自有机肥. Nicoletti等^[39]的研究认为, 有机生产系统中有机肥的大量施用将导致生态毒性(土壤和水体毒性)风险逐渐增加, 甚至超过常规生产系统, 本文的研究结果与之基本吻合.

各模式土壤毒性表现为常规和有机模式十分接近, 均显著高于综合模式, 常规模式土壤毒性主要是由土壤中的农残引起(占63.63%), 36.37%是由有机肥带入的重金属引起的; 对于综合模式, 主要是由施用有机肥引起, 占68.57%, 少量由杀虫剂引起(31.43%); 有机模式由于不施用杀虫剂, 土壤毒性主要由有机肥带入的重金属引起.

目前对于有机农业的认识, 大量研究表明：相比于传统农业, 有机农业具有更高的环境减排潜力, 更小的环境酸化和富营养化潜力, 并能有效减少能源耗竭和持续提高土壤肥力^[40~42], 但也有部分研究认为有机农业施入大量的畜禽粪便不可避免的会带入大量重金属, 给土壤和水体带来环境威胁, 甚至超过常规生产系统^[36].本研究也认为有机农业并非是无可挑剔的, 有机农产品运输环节比常规农产品消耗更多的能量并产生更多的碳排放, 有机肥的大量施用也会引起土壤毒性的加剧, 本研究中在能源耗竭和土壤毒性方面有机和常规模式十分接近, 在这两方面, 有机模式没有显示出环境优势.另外, 本研究结果表明：对环境影响综合指数贡献最大的是水体毒性、水体富营养化和土壤毒性, 都来自农作生产子系统.由于综合模式几乎不施用农药且有机肥用量仅为有机模式的50%, 有机肥带入的重金属含量大大降低, 因此, 水体毒性和土壤毒性相比于常规模式分别降低31.90%和22.11%.水体富营养化比常规模式降低22.51%.可见, 与常规和有机模式相比, 综合模式可在提高产量的同时, 降低对环境的负影响, 为最佳的生产模式.

优化田间管理被认为是应对农作生产中环境排放热点的有效措施.在本研究中, 施肥很大程度上影响着作物生产的环境影响潜值. Brentrup等^[24]的研究表明高产高效是获得高环境效益的途径, 不断提高产量、优化施肥量和施肥方式以减少环境排放是实现环境和经济协调发展的根本途径.优化施肥、提高肥料利用率可有效减少N₂O排放、氨挥发、氮磷的径流和淋溶损失^[43].轮作、豆科固氮、填闲作物、物理除虫、减少饲料的重金属添加等可以有效提高土壤肥力、控制病虫害、维持生物多样性和提高产量^[42].以沼气为纽带的田间施肥管理模式对节约能源与环境减排具有非常实际的意义^[7].未来, 无公害蔬菜将是中国大力推广的蔬菜生产模式, 如果能优化田间管理措施保证清洁生产将极大地降低蔬菜生产的环境负影响并提高其可持续性.

本研究采用田间实测结合生命周期评价方法, 对中国华北地区常规、综合及有机3种设施茄子生产模式的农资、农作及运输阶段所产生的资源消耗及污染物排放进行了清单分析和环境影响评价.综合模式的环境影响综合指数最低, 为0.596, 分别比常规和有机模式降低了30.3%和6.7%, 该模式显著降低了设施茄子农作子系统的污染物排放, 为最佳生产模式.水体毒性、土壤毒性及水体富营养化对各模式环境影响贡献均最大, 杀虫剂和有机肥是造成环境污染的热点因子.当前华北平原蔬菜种植系统迫切需要优化田间管理方式, 建议改进有机肥生产技术、减少氮磷损失、提高肥料利用效率.田间实测结合生命周期评价方法对精量化评估中国农产品生产对环境的综合影响, 促进中国农产品生产的可持续性, 具有广阔的应用前景和较高的实用价值.