半干旱沙漠生态系统中的供水与灌溉生命周期评估

《Sustainable Production and Consumption》：Life cycle assessment of water supply and irrigation in a semi-arid desert ecosystem

　　

摘要

农业对淡水灌溉日益增长的需求可能会导致各种环境影响——尤其是在干旱地区——但生命循环评估（LCA）研究往往对这些影响表征不足，通常将灌溉影响的考量局限于水和能源消耗。本研究开发了一套区域化的生命循环清单（LCI），涵盖半干旱沙漠生态系统（加拿大欧肯纳根河谷）为农业用户服务的供水和灌溉系统，并应用LCA确定输送至农场的灌溉水相关环境负担的规模和分布，以及代表性樱桃果园场界影响。结果表明，供水系统的分配网络和水质处理阶段在多个影响类别中贡献显著，凸显了建设无需处理的专用农业配水网络的需求（若技术可行）。灌溉对樱桃生产的生命循环影响贡献巨大（1%–87%），不同灌溉技术和配水系统之间存在显著差异。在气候变化方面，由于土壤水分及相关微生物的差异，微喷灌溉相比滴灌，土壤氧化亚氮排放估计低29%。然而，这一优势被微喷技术18%的效率劣势所抵消（从而需要更多的用水量及相关上游影响）。本工作展示了农民减少果园灌溉影响的有效策略，也为LCA从业者开发区域化LCI模型、用于灌溉农业系统及其投入品的上游生产，以提高LCA结果的代表性和准确性提供了借鉴。

引言

淡水是维持水生和陆地生态系统的基本资源，在全球粮食安全中发挥着关键作用（UN, 2010, UN, 2019）。20世纪以来，农业扩张推动了淡水需求的急剧增长，灌溉约占全球淡水消耗量的70%（Foley, 2010）。这一趋势在加拿大不列颠哥伦比亚省半干旱沙漠欧肯纳根河谷区域同样得到体现，该地区大量利用淡水资源以支持蓬勃发展的园艺和农业部门以及日益增长的城市人口（Van Der Gulik et al., 2010）。

仅树果生产就占欧肯纳根农业用水需求的35%（Van Der Gulik et al., 2010）。该地区大部分（87%）樱桃果园采用相对低效的灌溉系统（即系统输送的水分中仅80%以下能留在土壤中供植物吸收），包括固置树下喷灌、微喷灌溉和喷灌系统（B.C. Ministry of Agriculture, 2014a; BC Ministry of Agriculture 2016a）。通过提高灌溉效率来减少欧肯纳根的农业用水需求，是缓解水资源消耗的潜在途径。一份针对欧肯纳根盆地的报告估算，若所有生产者采用"良好"灌溉技术，农业用水需求将减少16%（Van Der Gulik et al., 2010），这可能也有望减少与配水系统相关的其他环境影响。

农场灌溉还可能影响农业土壤的温室气体（GHG）排放。最新研究表明，灌溉水中的溶解钙和碳酸氢盐可导致土壤中碳酸钙沉淀并向大气释放二氧化碳（CO₂）（Hannam et al., 2016）。观测到的CO₂排放量取决于水分的空间分布（基于灌溉类型）以及所使用的灌溉水源（Hannam et al., 2016）。来自沉积碳酸氢盐的CO₂排放因灌溉技术效率低下而加剧，因为更多水分（以及更多碳酸盐）被沉积到农业系统中。欧肯纳根及其他半干旱地区的一些研究还表明，氮类温室气体排放受农场和果园所用灌溉技术类型的影响，这主要源于配水效率及其对土壤动力学（特别是水filled孔隙空间（WFPS）和微生物N₂O还原菌）的影响（Fentabil et al., 2016; Deng et al., 2018）。

生命循环思维，通过生命循环评估（LCA）等工具实现，为评估人类活动相关的环境负担提供了一个框架，通过量化自然系统与工艺技术之间的相互作用（ISO, 2006）。该方法认识到灌溉系统嵌入于更广泛的社会技术网络之中，并强调系统层面分析对于农场层面的知情决策的重要性（Bosch et al., 2007）。将田间研究纳入灌溉欧肯纳根果园的LCA，为理解灌溉影响在系统层面的意义提供了一种新颖的方法，也有助于理解采用不同灌溉技术时可能出现的环境权衡。

章节摘要

文献综述

在过去十年中，生命循环思维已被纳入ISO水足迹方法标准，使LCA成为水使用相关影响评估的适用工具（ISO, 2014）。生命循环评估已被应用于量化不同情境下农业食品系统中灌溉配水的资源权衡和环境意义。例如，Abeliotis等人（2013）发现，用于灌溉泵送的电力是主要的

目标与范围

本研究的LCA方法遵循LCA的ISO 14044标准（ISO, 2014），以及水足迹评估的ISO 14046标准，后者基于并兼容ISO 14044中规定的方法（ISO, 2014）。本研究的目的是：

• 1.
  量化欧肯纳根供水网络和农业用户所用灌溉技术的环境影响，
• 2.
  确定供应链各环节环境影响的相对贡献

生命循环清单

所有前台清单数据均收集了区域化原始数据，果园土壤氮排放除外，后者基于IPCC二级方程进行建模（表2）。后台数据均来自ecoinvent，采用最具区域代表性的数据集，并对电力供应商进行修改以反映加拿大不列颠哥伦比亚省的电网结构。详细的清单结果见第4.1.1–4.1.7节。

结论

人类对淡水的消费给淡水资源带来压力，并伴随着各种资源和其他环境影响。本研究旨在确定欧肯纳根农业用户供水网络和灌溉技术的环境影响，以及不同技术在环境绩效方面的差异。LCI数据收集了欧肯纳根全境3家供水公司输送至农业用户的1 m³水的数据

CRediT作者贡献声明

Alyssa Smart：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。Nicole Bamber：写作 – 审阅与编辑，监督。Melanie Jones：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资金获取，概念化。Johannus Janmaat：写作 – 审阅与编辑，验证，监督。Nathan Pelletier：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，

资助

本研究由加拿大农业与农业食品部的农业温室气体计划（AAFC-AGGP）资助。

未引用参考文献

Corporation M, 2022

Toffoletto et al., 2007

利益冲突声明

作者声明，不存在可能对本论文所报告的工作产生影响的已知竞争性经济利益或个人关系。

Alyssa Smart|Nicole Bamber|Melanie Jones|Johannus Janmaat|Nathan Pelletier