干旱地区用于蔬菜（番茄和黄瓜）生产的开放式和封闭式水培系统的生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Life cycle assessment of open and closed hydroponic systems for vegetable (tomato and cucumber) production in arid lands

本研究采用生命周期评估（LCA）方法，对比阿联酋35家农场中开放（OHS）与封闭（CHS）水培系统对环境影响。结果显示，CHS在温室气体排放（降低9%）、水资源利用（减少11%）和生态毒性（降低8%-9%）等方面显著优于OHS。经济分析表明，OHS在黄瓜生产中更具成本效益，而CHS在番茄生产中生态效率更高。研究强调可再生能源整合对降低CHS环境影响的关键作用，并提出需平衡初期投资与长期可持续收益。

　　本研究聚焦于在阿联酋阿布扎比地区，对开放式水培系统（OHS）和封闭式水培系统（CHS）的环境影响进行比较分析。通过对35个农场的数据进行生命周期评估（LCA）和经济分析，我们旨在探讨水培系统在可持续农业中的应用潜力，尤其是在水资源稀缺的干旱地区。研究结果表明，封闭式水培系统在多个关键环境指标上表现出显著优势，包括减少温室气体排放、降低能源消耗和水资源使用。此外，通过引入太阳能等可再生能源，进一步提升了封闭式系统的环境友好性，为未来农业发展提供了新的思路。

### 研究背景与重要性

全球人口预计将在2030年达到85亿，2050年将达到97亿。这种增长不仅对全球粮食供应提出了更高要求，还伴随着收入水平的提高、饮食习惯的改变以及对多样化食品的需求增加。这些因素共同加剧了全球粮食系统的压力。与此同时，关键资源如水、能源和可耕地的可用性及生产效率在不同地区存在显著差异，这使得可持续农业实践变得尤为重要。特别是在干旱和半干旱地区，如阿拉伯半岛，农业用水占总用水量的78%，主要来源于不可再生的地下水。这种过度开采导致了地下水位下降和土壤盐碱化，进一步加剧了水资源短缺问题，威胁农业的可持续发展。

在这样的背景下，水培技术作为一种无需土壤、优化水资源利用的可持续农业策略，逐渐受到关注。阿联酋作为干旱地区代表国家，正在积极发展水培农业，以提高本地食品供应，减少对进口食品的依赖，并改善食品价格和食品安全。水培系统，尤其是封闭式水培系统，由于其对营养液和水资源的循环利用，展现出更高的资源效率。然而，这些系统在建设和运营过程中仍面临高成本和能源需求等挑战。因此，如何通过技术优化和能源结构调整来提高水培系统的可持续性，成为本研究的重点。

### 研究方法

本研究采用“从摇篮到大门”的生命周期评估（LCA）方法，以评估OHS和CHS在阿联酋的环境影响。LCA是一种系统性方法，用于分析产品或服务在整个生命周期中的环境影响，包括原材料获取、生产过程、运输和最终处置等环节。研究的系统边界涵盖从材料生产到蔬菜准备用于配送的所有过程。具体而言，研究关注了温室结构、辅助设备、营养液、灌溉用水、冷却系统用水以及能源消耗等关键输入因素，同时考虑了蔬菜产量和空气、水和土壤中的排放作为输出指标。

为了更全面地评估环境影响，本研究结合了经济分析。通过计算每种作物-系统组合的净收益，研究探讨了不同系统在经济上的可行性。此外，还进行了敏感性分析，以评估不同变量对结果的影响，例如材料选择、能源使用比例的变化等。研究使用的ReCiPe方法论能够将多个环境影响指标整合为单一评分，便于进行比较分析。

### 研究结果

通过LCA分析，研究发现封闭式水培系统（CHS）在所有环境影响类别中均优于开放式水培系统（OHS）。例如，在生物资源消耗（abiotic depletion）方面，CHS比OHS减少了11%；在温室气体排放（全球变暖潜力，GWP）方面，减少了9%；在富营养化（eutrophication potential）方面，减少了8%。这些结果表明，封闭式系统在资源利用效率和环境保护方面具有显著优势。

此外，对番茄和黄瓜的经济与环境表现分析显示，黄瓜在OHS中的净收益最高，而番茄在CHS中表现出更优的环境表现。具体而言，番茄在CHS中的全球变暖潜力降低了近一半，从OHS的61.811千克CO?当量降至31.37千克CO?当量。这种环境效益虽然伴随着稍低的净收益，但整体上表明CHS在番茄生产中的生态效益更具优势。

敏感性分析进一步揭示了系统设计和能源使用对环境影响的重要性。例如，当使用聚碳酸酯替代聚乙烯作为温室覆盖材料时，虽然减少了材料更换频率，从而降低了生态系统影响，但增加了生产过程中的能源消耗，特别是在封闭式系统中。另一方面，当清洁能源比例提升至20%、30%和40%时，所有环境影响类别均有所改善，尤其是人类健康和资源消耗方面。这表明，通过引入可再生能源，可以显著提升水培系统的可持续性。

### 环境影响比较

开放式水培系统（OHS）和封闭式水培系统（CHS）在多个环境影响类别中表现出显著差异。OHS在生物资源消耗、全球变暖潜力、臭氧层消耗、人类毒性、淡水和海洋生态毒性、陆地生态毒性、光化学氧化和酸化等方面均比CHS更高。这些差异主要源于OHS中较高的水资源使用和能源消耗，以及较少的资源回收机制。相比之下，CHS通过循环利用营养液和水资源，有效降低了这些影响。

值得注意的是，封闭式系统在富营养化方面的影响相对较低，这得益于其对营养流失的控制。此外，封闭式系统减少了污染物排放，从而降低了对人类健康和生态环境的负面影响。这种差异表明，封闭式系统在环境保护方面具有更高的潜力，特别是在水资源稀缺和能源成本较高的地区。

### 经济分析与可持续性

经济分析结果显示，黄瓜在OHS中的净收益最高，而番茄在CHS中表现出更高的环境效益。然而，封闭式系统在经济上的表现并不总是优于开放式系统，这取决于具体作物和系统类型。例如，黄瓜在OHS中的每千克净收益为1.44阿联酋迪拉姆，而在CHS中则降至1.27阿联酋迪拉姆。相比之下，番茄在OHS中的每千克净收益为1.10阿联酋迪拉姆，而在CHS中进一步下降至1.02阿联酋迪拉姆。尽管如此，封闭式系统在番茄生产中的环境效益显著，特别是在减少全球变暖潜力方面。

为了评估不同系统在经济和环境方面的综合表现，研究引入了“生态效率”（eco-efficiency）的概念，即单位全球变暖潜力下的净收益。结果显示，黄瓜在OHS中的生态效率最高，而番茄在CHS中的生态效率则显著提高。这表明，在某些情况下，封闭式系统虽然在经济上可能不如开放式系统，但其在环境效益方面更具优势，特别是在应对气候变化和资源短缺的背景下。

### 敏感性分析与政策建议

敏感性分析进一步揭示了材料选择和能源使用对系统环境表现的影响。例如，使用聚碳酸酯作为温室覆盖材料虽然提高了系统的耐用性和保温性能，但增加了能源消耗，从而在某些情况下降低了生态效率。因此，材料选择需要根据具体条件进行权衡，特别是在短期或低技术需求的系统中，聚乙烯仍是一个可行的替代方案。

另一方面，当清洁能源比例提升时，所有环境影响类别均出现明显改善。例如，当清洁能源比例从20%提升至40%时，封闭式系统的健康影响降低了约18%，资源稀缺性减少了约15%，生态系统质量提高了约12%。这些结果表明，清洁能源的引入对于提升水培系统的可持续性至关重要。

基于这些发现，研究提出了多项政策建议。首先，应鼓励政府和相关机构对封闭式水培系统提供财政支持和技术补贴，以降低初始投资成本。其次，应推动清洁能源在农业领域的应用，特别是在水资源和能源紧张的地区。此外，优化温室设计和隔热措施，以减少加热和冷却需求，也是提升系统效率的重要手段。

### 未来展望

尽管封闭式水培系统在环境和经济上表现出色，但其高初始成本和运营复杂性仍然是推广的主要障碍。因此，未来的研究应聚焦于如何优化成本效益比，使这些系统更具经济可行性。同时，技术进步和政策支持对于推动水培农业的广泛应用至关重要。例如，通过引入先进的水处理和循环系统，可以进一步减少水资源消耗和污染。此外，智能传感器和数据分析技术的结合，有助于提高水培系统的资源利用效率。

总体而言，水培技术，尤其是封闭式系统，为干旱地区的可持续农业提供了重要解决方案。通过整合可再生能源、优化系统设计和推动政策支持，水培农业有望在未来发挥更大的作用，不仅改善粮食安全，还减少对环境的负面影响。这些发现为政策制定者、农业工程师和农民提供了宝贵的参考，以促进更加环保和高效的农业生产模式。