英国水培生菜与田间生菜生产在环境和经济方面的生命周期比较评估

《Sustainable Futures》：Comparative environmental and economic life cycle assessment of hydroponic and in-field lettuce production in the UK

　　穆斯塔法·阿里 | 伦尼·科 | 托比·P·埃文斯 | 雅各布·尼克尔斯
谢菲尔德大学管理学院，英国谢菲尔德

**摘要**
英国种植的大部分蔬菜都是进口的，这使得国家的粮食安全容易受到国际供应冲击的影响。此外，泥炭作为田间园艺基质的提取和使用也受到限制，这进一步增加了挑战。本研究旨在评估水培生长的生菜作为替代泥炭基田间生产方式的环境和经济性能，这种做法在英国较为普遍。本研究使用的数据来自谢菲尔德大学生物科学学院进行的两次试验。水培系统的生产数据还与从其他来源收集的非泥炭基田间生菜生产数据进行了比较。所有数据均使用SimaPro v.9.5软件和ReCiPe 2016方法（采用层次视角）进行了生命周期评估。结果以18个中间指标类别表示，并对比较对象进行了生命周期成本分析。通过替代分析方法（能量分析），结果以标准能量表和比率的形式呈现。总体而言，结果表明，与水培系统相比，田间生产的环境影响和成本更低；当排除基础设施成本后，能源使用对水培生产的影响最大。本文还讨论了这一障碍可能带来的机遇，并探讨了“低投入”水培技术和能源组合的作用。

**1. 引言**
确保可持续的粮食安全是当今世界面临的最大挑战之一。近年来，由于多次外部冲击，英国的新鲜园艺产品供应不足问题日益突出。例如，新冠疫情及其导致的封锁措施限制了投入、减少了劳动力，并限制了食品生产和运输活动[1]。在大规模零售商店的空货架旁，城市社区的花园里出现了食品生产的繁荣，这些花园同时实现了提供食物、提供户外活动以及在封锁期间缓解孤独感的功能[2]。随着环境、食品和农村事务部（DEFRA）禁止销售园艺用泥炭的规定实施，英国的园艺业和园艺产品进口将面临更多挑战。英国的沼泽和泥炭地传统上用于生产全国三分之一的蔬菜[3]。然而，研究表明，排水、园艺活动、牲畜放牧和农林复合系统会降低其减少洪水风险、吸收二氧化碳（CO2）和为不同物种提供栖息地的能力。因此，目前只有22%的泥炭地保持接近自然状态，而泥炭地占英国温室气体（GHG）排放总量的4%[4]。尽管有各种恢复计划试图阻止或逆转退化，但仍有74%（24万公顷）的低地泥炭地用于食品生产[5]。不过，将这部分土地从食品生产中移除仅会影响英国4.9%的耕地（490万公顷）和约3%的农业总产值[5,6]。由于本地水果和蔬菜供应不足以及食品价格上涨的阻碍，需要将生产转移到其他地方。尽管如此，这种转变的整体环境净效益可能是显著的。

虽然英国70%的泥炭销售来自零售市场，但专业植物生产商和食品及作物植物的进口对粮食安全的潜在威胁仍需进一步研究，2021年这类进口额约为100亿英镑/1300万吨[7]。许多这些苗木和移栽植物是在泥炭基培养基中生长的[8]。有趣的是，如图1所示，自20世纪90年代以来，某些蔬菜（如生菜）的产量持续下降。目前，英国三分之二的生菜依赖进口，且这一趋势仍在上升。这凸显了英国粮食安全的脆弱性，而潜在的供应侧短缺将加剧这一问题。与1988年相比，进口量增加了703.58%，保护性种植面积减少了67.7%，出口减少了85%，田间种植面积减少了59.08%。

西班牙是英国头型/卷心菜型生菜和非卷心菜型生菜的主要进口来源。为了减少对进口的依赖，人们尝试了多种非传统的园艺生产方法，包括屋顶花园、城市和城郊温室、垂直农场、水培和鱼菜共生系统等[10,11]。其中，水培农场越来越受欢迎，尤其是在增强城市食品系统韧性方面。这些系统可以实现可控的食品生产，可能提高土地和水资源利用效率，同时比长途运输的园艺产品具有更小的环境足迹[12]。下表1总结了英国及其他发达国家中水培和其他替代生菜生产系统的比较结果。表中的阴影单元表示使用加热和/或人工照明的系统。水培和温室的产量数据为年度数据，而田间园艺的产量数据为季节性数据（通常每年两次）。表中的一些数据来自相关研究的补充文件或表格。在所有情况下，水培系统的产量（kg/m2）均高于其他系统，但每公斤产量的环境影响也更大。这表明，在推广水培园艺之前，需要权衡韧性（粮食安全）和可持续性之间的平衡[13]。

**2. 方法**
2.1. 生命周期评估
生命周期评估（LCA）广泛用于评估食品系统的环境和健康影响[15, [16]]。本研究也使用LCA方法评估2023年英国谢菲尔德水培系统中的生菜生产环境影响。LCA方法的具体内容如下：

**目标与范围**：本LCA研究的目的是评估水培生菜生产系统，具体为“试验1”，该试验包含四种处理方式（T1、T2、T3和T4）。这些试验的数据随后与田间园艺的环境影响和产出进行了对比。“试验1”中使用的渠道由方形聚氯乙烯（PVC）排水管或平底PVC沟槽制成，并按长度切割。每种渠道类型包含7个50毫米的种植孔，间距为150毫米。这些渠道类型的差异在补充信息文件（图S1）和相应文本中有所说明。在“H3”项目（“健康土壤，健康食品，健康人民”BBSRC - BB/V004719/1）的框架下，研究目标是仅通过渠道设计确定最佳产量，因此从“试验1”中选择了一种渠道类型用于“试验2”（更多信息见补充文件）。本研究仅关注“试验1”。采用的系统边界是从源头到最终产品的整个过程，不包括下游活动（如废水处理等）。本研究的功能单位是1公斤通过水培方式生产并运输到英国的生菜。该研究强调了这些环境影响与泥炭基田间农业相比的重要性。为了便于比较，还使用另一项研究的库存数据进行了类似品种的田间生菜生产的LCA[17]。需要注意的是，这里比较的仅是生产操作方面，因为两者的投入相同。因此，可以使用来自不同来源的生命周期清单（LCI）数据。此外，所研究的水培设备理想情况下应设置在塑料隧道中，但在本研究中是在谢菲尔德大学“亚瑟·威利斯环境中心”的步入式环境室中进行的，因此建筑/设施投入被省略。LCA还包括与作物安装和繁殖相关的其他操作成本，如营养液（含矿物肥料的水）、矿物棉作为培养基、用于输送营养液的塑料以及泵送营养液和通风所需的能源。研究未包括投入和产出的运输及废物处理情况。

**库存数据**：LCI基于谢菲尔德大学“试验1”的数据编制，结果使用SimaPro v.9.15软件和Ecoinvent 3.8版本进行分析[18]。SimaPro v.9.15是一款专业的LCA软件，用于建模、量化和分析产品和过程的环境影响。

**评估**：LCA采用ReCiPe 2016方法（层次视角），结果以18个中间指标类别表示[19]。这些指标在许多LCA研究中常用，便于比较和交叉参考。补充信息文件中的表S3至表S7提供了四种处理方式的详细投入权重和成本清单。为了分析泥炭基田间生菜的敏感性，模拟了不同泥炭量下的全球变暖潜力（GWP）变化。假设产量保持不变，泥炭含量和混合比例的变化范围从基线情景的0.25公斤增加到替代情景的0.5公斤和1公斤。此外，还比较了两种运输方式：从当地农场（假设距离5公里）使用轻型车辆运输和从西班牙进口（公路和海运）。选择谢菲尔德作为研究地点，是因为它是英国地理中心位置最大的城市之一。为了扩大结果范围，还进行了其他敏感性分析，以考虑英国不同地区电网排放的变化以及温度的季节性和地理差异对人工加热或通风的需求。详细信息见补充文件中的图S3。生命周期成本评估
为了进行经济评估，基于10年的时间范围[21]进行了生命周期成本（LCC）[20]分析。折现率是根据英国的历史通货膨胀率确定的。所有成本数据均来自水培系统的材料清单。对于田间园艺，数值是根据二手资料[17]估算的。所有成本均根据英国过去10年的平均通货膨胀率进行了折现。

2.3. 能量分析
本研究使用了以太阳能量焦耳（seJ）[22]为单位的“能量”指标。能量会计方法用于评估生产系统所使用的直接和间接的社会生态投入。能量是指制造某物（例如产品或服务）所需的直接和间接可用能量[23]，从而反映了参与生产的全球过程，并以相同的能量单位表示。能量单位通常以太阳能量为基础，称为太阳能量焦耳（sej），所有支持整个生产过程的资源量都通过文献中提供的适当计算的单位能量值（UEVs）以能量单位表示，这些单位能量值代表了相应数量（焦耳、克、劳动小时等）的太阳能量焦耳。能量的概念扩展了热力学中的有效能（Exergy，E）的概念，追踪了不同能量转换过程中的能量质量变化[24]。根据上述缩写和定义，能量计算的数学表达式为：
(1) U = Σi UEV * Ei
根据能量的原理，产品或系统的能量越大，生产或维持它所需的环境工作就越大[25,26]。因此，能量分析从自然/供给者的角度全面展示了生产系统对环境支持的需求。能量方法已应用于许多过程和系统，例如废物管理[27]、城市食物流动[28]、建筑[29]以及整个城市生态系统[30]等。在城市农业的背景下，它已被用于评估中国的垂直农场[31]。在农产品方面，能量分析过去已被用于评估苹果汁、绿茶和樱桃生产的可持续性[[32]、[33]、[34]]。
在能量会计中，U是系统使用的总能量，由可再生资源R的能量贡献、当地不可再生资源N的能量贡献以及购买的资源（如劳动力等）的总进口能量F组成。具体来说，我们计算了能量产出比EYR=U/F，该比率比较了总能量产出与来自经济的能量产出；环境负荷比ELR=(F + N)/R，即来自经济的投入与当地不可再生资源和当地可再生资源的投入之比；能量投资比EIR=F/(R + N)，衡量经济为利用环境资源所投资的程度；以及能量可持续性指数ESI=EYR/ELR，衡量每单位环境压力下场景对经济的贡献[35]，这是一个综合衡量经济产出和环境绩效的指标。

3. 结果
3.1. 生命周期评估
“试验1”的生命周期评估结果如表2所示，该表列出了18个不同的指标，对比了水培试验与田间试验在42天生产周期内的表现。在所有处理方法中，处理4（T4）的环境影响最大，除了平流层臭氧消耗方面，处理3（T3）的影响较小，因为T4使用的PVC量略少于T3。结果表明，总体而言，处理1（T1）的环境影响最小，其次是处理2（T2）。田间实践在大多数类别中产生的环境影响最小。贡献分析在补充文件中的图S9中呈现。每种处理方法和田间园艺的相对贡献也在补充信息文件中的图S9-S13中展示。这些图表显示，肥料和泥炭的使用对田间园艺的影响最大。另一方面，水培系统中使用的处理方法主要受塑料（PVC）在渠道中的使用以及用于通风和运行水泵的电力驱动。详细结果和相关桑基图在补充文件中提供。根据设计，“试验2”中没有使用能源/电力进行加热或照明，以减少能源使用的环境影响。这些结果也在补充文件中以桑基图的形式呈现，用于GWP（全球变暖潜力）。

表2. 不同处理方法下每周期生产1公斤生菜的环境影响
影响类别 T1 T2 T3 T4
全球变暖（kg CO2 eq） 2.56E-01 2.64E-01 2.84E-01 2.88E-01 6.62E-02
平流层臭氧消耗（kg CFC11 eq） 2.91E-07 3.01E-07 3.17E-07 3.16E-07 1.68E-07
电离辐射（kBq Co-60 eq） 1.69E-01 1.70E-01 1.72E-01 1.72E-01 1.71E-02
臭氧形成（kg NOx eq） 6.08E-04 6.31E-04 6.79E-04 6.91E-04 1.95E-04
细颗粒物形成（kg PM2.5 eq） 3.24E-04 3.39E-04 3.70E-04 3.85E-04 1.22E-04
臭氧形成（kg NOx eq） 6.54E-04 6.78E-04 7.28E-04 7.41E-04 2.01E-04
陆地酸化（kg SO2 eq） 8.39E-04 8.71E-04 9.39E-04 9.78E-04 3.36E-04
淡水富营养化（kg P eq） 7.51E-05 7.84E-05 8.59E-05 8.77E-05 3.40E-05
海洋富营养化（kg N eq） 1.01E-05 1.03E-05 1.13E-05 1.14E-05 4.77E-06
陆地生态毒性（kg 1,4-DCB） 1.20E+00 1.24E+00 1.36E+00 1.37E+00 3.82E-01
淡水生态毒性（kg 1,4-DCB） 1.18E-02 1.22E-02 1.33E-02 1.35E-02 3.53E-03
海洋生态毒性（kg 1,4-DCB） 5.48E+01 5.68E+01 6.22E+01 6.30E+01 1.76E+01
人类致癌毒性（kg 1,4-DCB） 1.11E+00 1.14E+00 1.23E+00 1.24E+00 3.01E-01
人类非致癌毒性（kg 1,4-DCB） 4.64E+01 4.81E+01 5.27E+01 5.33E+01 1.45E+01
土地利用（m2/作物） 1.54E-02 1.56E-02 1.60E-02 1.63E-02 3.85E-03
矿产资源稀缺（kg Cu eq） 2.47E-03 2.49E-03 2.58E-03 2.61E-03 4.68E-04
化石资源稀缺（kg oil eq） 1.12E-01 1.15E-01 1.27E-01 1.27E-01 2.63E-01
水资源消耗（m3） 1.63E-02 1.66E-02 1.67E-02 1.67E-02 1.44E-03

表2显示，处理方法的排放量通常是田间园艺的3-4倍。这与表1中的数据一致，其中在大多数情况下，田间园艺的污染程度通常比未加热的水培园艺低3-5倍。考虑到泥炭的影响，即基于估计的全球泥炭地退化每年产生2-3 Gt CO2eq[36]，以及实际田间生产中使用的泥炭量的不确定性，我们必须考虑一系列泥炭浓度。如果泥炭需求增加0.50 kg和1.00 kg，相应的GWP贡献将分别增加到42.94%和60.09%。在这种情况下，总GWP将分别增加到8.43E-02 kg CO2 eq和1.20E-01 kg CO2 eq。
探索水培的影响表明，较低的电力环境影响可以减少水培处理的排放，使这些系统更具竞争力。这可以通过投资更清洁和可再生的电力来源（例如光伏）来实现。图2显示了随着产量增加，每公斤生菜生产的GWP假设变化。在英国，田间生菜生产的GWP将保持不变，以水平线表示。假设所有田间操作投入（例如土地/土壤使用）随产量线性变化。在水培系统中，由于某些投入（例如PVC渠道）不变，总体环境影响以非线性方式下降。

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图2. 除电力外所有投入的GWP变化
总体而言，图2显示T4的GWP最高，其次是T3、T2和T1。这种影响随着产量的增加而减少，但从3公斤产量开始，边际减少幅度逐渐减小。这是因为固定投入（例如PVC渠道）的影响减小，而可变投入（例如营养素）的影响每公斤产出保持不变。

3.2. 生命周期成本
在本研究中，生命周期成本（LCC）仅涉及生菜生产的运营成本。结果基于每年从水培系统获得8个作物周期和从田间生产获得2个作物周期的假设在表4中呈现。从水培系统获得8个周期的假设源于本研究中使用的主要数据，其中生菜生产周期为42天。这一假设基于谢菲尔德大学在类似环境控制下进行的连续（全年）生长试验中作物周期的平均长度，并考虑了季节间的光照强度和温度变化。“试验1”中4种处理的实际总产量为13.70公斤，生菜生产面积约为9平方米（或每种处理2.25平方米），因此平均产量为1.52公斤/平方米，即每公斤产出使用0.65平方米。田间园艺的产量为4.34公斤/平方米，即每公斤产出使用0.23平方米。表4展示了四种水培处理方法与田间园艺的生命周期成本比较。为了进行敏感性分析，泥炭的贡献从0.25公斤变化到1.00公斤/功能单位。可以看出，生命周期成本（LCC）对这些变化非常敏感。

表4. 水培和田间生菜生产的生命周期成本比较
周期 生命周期成本（￡）
T1 0.31
T2 0.37
T3 0.31
T4 0.32
田间（0.25公斤泥炭） 0.40
田间（0.50公斤泥炭） 0.58
田间（1.00公斤泥炭） 0.52
每平方米周期 1.27
每年2.25平方米水培生产的总成本（8个周期） 7.28
每年2.25平方米田间生产的总成本 10.37
每年8.88
每年9.44
每年10.56
每年2.25平方米水培生产的总成本 7.28
每年8.88
每年9.44
每年10.56

表4显示，基于选定的功能单位（即1公斤生菜产出），田间生菜生产的成本低于任何一种处理方法。然而，按平方米计算，田间园艺的成本相对较高，这反映了泥炭的高成本和一年中收获次数的减少。在水培处理中，主要成本组成部分是电力使用，这反映了最近几个月电价的高昂[39]。补充文件中的图S15以堆叠条形图的形式展示了不同投入对成本的贡献。这里的固定成本指的是与PVC渠道使用相关的成本。在评估的情景中，水培生产的生菜的生命周期平均全球变暖潜力（GWP）成本是田间园艺的9.19倍。水培系统可以垂直扩展和/或位于城市内部，从而减少对土地使用和运输的影响。通过提高产量（例如，通过垂直堆叠的渠道），可以减少来自“固定投入”（如PVC）的总体影响。在这里，我们探讨了这一情景，尽管假设所有渠道都会接收到相同的阳光，因此不需要人工照明。然而，如上所述，相应的成本也会增加，导致GWP与生命周期成本（LCC）的比率逐渐降低。这在下图4中以图形方式显示，该图展示了产量达到20公斤时各种处理的GWP与LCC比率。

图4显示了随着产量增加，由于固定成本的影响减少，GWP/LCC比率趋于平稳的结果。在这种情况下，T3的处理效果最差，因为它包含了更多的投入（例如硅胶）。

3.3. 能量分析
表5展示了四种处理方法和田间系统的能量流结果。表6总结了基于表5提供的数值的能量指标结果。

表5. 不同生产系统的能量流值。
| 项目 | UEV（Sej/单位） | 能量流（Sej） |
|-----------|---------|---------|
| PB 田间 | | |
| 可再生资源（R） | | |
| 1 太阳能 | 1.00E+00 | 7.58E+08 |
| 2 蒸发蒸腾 | 1.50E+05 | 4.40E+10 |
| 3 风能 | 2.50E+03 | 2.32E+10 |
| 4 地热能 | 1.20E+04 | 1.18E+10 |
| 非可再生资源（N） | | |
| 5 泥炭 | 3.19E+04 | 0.00E+00 |
| 6 岩棉 | 1.86E+12 | 3.10E+09 |
| 7 氮肥 | 4.10E+10 | 9.49E+10 |
| 8 磷肥 | 3.70E+10 | 4.48E+10 |
| 9 钾肥 | 2.90E+10 | 1.02E+11 |
| 10 农药 | 2.49E+10 | 0.00E+00 |
| 11 柴油/石油 | 1.80E+05 | 0.00E+00 |
| 12 电力（英国） | 2.90E+05 | 3.21E+11 |
| 13 劳动力和服务 | 3.98E+12 | 9.29E+11 |
| 14 橡胶 | 1.69E+11 | 1.61E+08 |
| 15 铜 | 8.57E+12 | 5.01E+09 |
| 16 塑料 | 7.45E+12 | 2.45E+11 |
| 17 购买的不可再生资源 | | |
| 18 灌溉水（地面） | 1.11E+06 | 0.00E+00 |
| 19 灌溉水（自来水） | 2.30E+06 | 1.10E+11 |

表6. 对比组的能量指标值。

表5的结果显示，虽然水培和田间园艺中最大的能量消耗来自劳动力和服务，但田间生产的第二大影响来自肥料的使用。在水培处理中，第二大能量贡献来自电力的使用。表6表明，田间园艺的能量产出比率（EYR）略低，但能量负荷比率（ELR）高于任何水培处理。这也反映在能量可持续性指数（ESI）的值上，ESI本质上是EYR和ELR之间的比率。较低的ESI值表示每单位能量输出的环境压力更大。因此，与任何水培处理相比，田间园艺的可持续性相对较低。这主要是由于田间园艺使用的可再生资源较少（比水培处理少35.40%）。然而，总体而言，田间和水培园艺的ESI值相当。

在少数通过能量视角研究低投入城市园艺的研究中，意大利的一项最新研究报告称，能量值为1.02E+13 sej/kg（其中劳动力和服务是主要投入[43]）。这突显了劳动力在传统种植系统中的重要性，尤其是在英国等国家，这部分工作依赖于移民劳动力。脱欧后，这种劳动力的进入壁垒也对英国的食品安全构成了威胁[44]。另一项在英国进行的研究报告了三种不同生产模式的18种作物的能量值，报告显示劳动力投入占总投入的98.57%，而在对比组中这一比例超过99.0%[40]。在本研究中，劳动力和服务占田间园艺总投入的73.49%，占水培处理的47%至52%。因此，我们可以得出结论，水培生产可以减少劳动力对园艺能量指标的影响。

4. 讨论
我们的研究表明，水培生产的生菜比田间生产的生菜具有更高的碳足迹。这并不令人惊讶；然而，田间生产仍然具有显著的碳足迹，尽管我们的分析中没有探讨，但一些田间园艺实践对生态系统有害，并通过土地使用减少了自然资本。此外，水培园艺主要在保护环境中进行，如塑料大棚、温室和建筑物内，这些环境较少受到外部条件的影响。

食品系统的韧性和可持续性是全球各国政府关注的重点。在新冠疫情后的世界中，这一点尤为明显，因为食品供应链受到了供需两侧的严重干扰。英国大部分食品进口来自欧洲邻国，这些国家一方面面临能源短缺，另一方面又受到热浪的影响。英国脱离欧盟后，采购不同食品的问题变得更加复杂。同样，由于食品卡车司机数量不足，也导致了食品短缺。一些研究人员建议缩短供应链以克服食品系统的脆弱性[45]。值得注意的是，英国大多数主要城市地区距离农作物生产地并不遥远。然而，随着DEFRA的生态系统服务补贴咨询（环境土地管理、可持续农业激励）的继续实施，人们担心可用于食品生产和农业的土地可能会减少[46]。这些因素与土地使用的竞争以及非食品用途的激励或农业生态实践的建立有关，这些做法本身会降低生产能力。房地产压力增加了对可用土地的需求。因此，已经提出了不同的缓解策略[47]。

长期以来，水培农业一直被视为促进食品系统安全的策略。与产量较低的谷物和需要授粉的作物相比，像生菜这样的沙拉作物可以在这样的系统中相对容易地生长[48]。一些研究表明，这也可以带来更好的环境和经济结果。这可以通过用有机消化物替代矿物肥料、使用新型基质、回收废水、延长养分循环以及减少供应链中的农场到市场的距离来实现。例如，生长介质对产量有显著影响[14,49]。有趣的是，关于无土栽培类型的系统及其比较的研究还很少，Barla等人[50]认为，气雾栽培系统在温室气体排放方面优于传统水培系统（营养膜技术和深水栽培），因为其系统设计减少了电力需求。然而，这些系统中未使用的生长介质是一个未被充分利用的机会。同样，封闭环境也有潜力减少有害化学物质（如农药）和病原体的使用。另一方面，冬季运行这些系统所需的高能量可能会抵消部分收益。鉴于英国许多天然气公司因批发价格上涨而面临财务挑战，这个问题尤为重要[51]。然而，通过使用碳中和的能源来源可以解决这个问题。因此，了解水培农场在现实条件下的整体环境和经济影响非常重要。本研究还试图强调这些影响与田间农业相比的重要性。我们的重点是小规模生产，因为全球大约三分之一的作物是由小农户（占地面积小于2公顷）生产的[52]。

讨论水培栽培的优点和缺点时，必须认识到虽然利用垂直空间可以提高产量，但也存在局限性。正如Schmidt Rivera等人[53]所讨论的，水培（或气雾栽培）系统最好作为辅助系统使用，而不是完全取代田间农业。通过“气候适应型”生产方法提高当地食品安全，并减少对进口的依赖，可以与提高供应链韧性和定制能源组合相结合，使影响指标（如气候变化）达到更可接受的水平。Gargaro等人[49]和Sinol等人[54]的情景分析表明，可以通过改进能源供应组合来提高效率，尽管在结果解释时必须谨慎，例如英国能源市场中的贸易和绿色关税应用的影响[53]。Kozai等人[55]指出，许多水培（或类似系统）的高度有限，限制了作物的生长高度在40厘米或以下，这提醒我们，食品安全不仅关乎食品的可获得性，还关乎确保营养价值的多样性。

水培系统相对于田间园艺的优势在于能够实现更多的作物周期[56]。因此，如果考虑更长的时间范围，水培系统中固定组分的环境影响可能会减少。同样，如果分析中考虑不同的功能单位（如面积或成本），结果也可能发生变化。这主要是因为水培生产系统所需的土地较少。相反，随着环境控制程度的提高，这些系统的成本可能会增加。特别是在北欧国家，加热可能会增加生菜生产的整体环境影响。因此，结果应根据研究的背景进行考虑，以避免偏见并确保可复制性。此外，水培系统还有潜力利用废水或通过二次利用提高养分使用效率。历史上，废弃的营养液曾被施用于田间，虽然提高了生产力，但同时也增加了通过渗漏、酸化、富营养化和生态毒性对环境的风险。最近的研究探讨了水培废物的扩展和增值，包括通过各种方式从基于水的废物流中回收有用元素，如修改日光积分[57]、级联水培系统[58]、构建湿地[59]以及过滤和消毒[60]。因此，扩展系统边界以考虑富含养分的废物的生命周期末端情况也将显著改变结果，并为我们团队提供了进一步研究的领域。

最后，规模和扩展是文献中很少涉及的考虑因素。在这项研究中，有两个规模问题需要讨论：首先是实验室规模到生产规模的转换，其次是水培系统在田间规模上的适用性。所使用的主要数据是在两个背景下生成的：步入式生长室（实验室）和小型塑料大棚（约38平方米）。这些试验是“H3；健康土壤，健康食品，健康人民”项目下的初步工作的一部分，用于验证系统设计和实施。一些研究[61]指出，实验室规模与商业生产在产量和营养性能上往往存在差异，认为实验室条件必须反映“现实世界”中的预期情况，引入变异性、匹配的光照积分和种植密度以及其他非生物压力因素。这对我们自己的工作至关重要，因为我们的试验正逐步过渡到全面实施。研究大规模采用水培系统是一个有趣且未充分探索的研究领域。Martin等人[38]探讨了大规模商业水培生产生菜的影响，并指出其温室气体排放低于类似研究，但这些对照组的规模要小得多。这些作者指出，大规模生产的好处包括水和能源使用效率的提高。文献中明显缺乏大规模数据，这在我们研究中一直是一个障碍，可能是因为商业操作的敏感性导致数据难以共享。尽管缺乏商业数据令人沮丧，但从英国国内外的最近失败案例中我们可以看出，大规模部署水培系统（尤其是垂直型水培系统）更容易受到市场因素的影响，这一事实比某些人愿意承认的更为严重。本研究的作者以及“H3”项目中的学者们认为，存在一个明确的机遇来改变这种发展趋势。与其专注于高产量、高技术（和高能耗）的系统，为什么不利用小型、低投入系统的优势呢？虽然我们的分析表明，传统种植方式的生产方式具有更低的全球变暖潜力（GWP），但同时也可以利用空间、城市农场、菜园以及水培生产提供的非传统种植空间。此外，将这些设施设置在城市和城郊地区可以在供应链、交通和劳动力供应等方面带来诸多便利。

5. 结论
过去几十年来，英国本土生产的生菜比例持续下降。目前，英国市场上超过50%的生菜来自进口，主要来自西班牙等欧洲国家。然而，极端天气条件和日益加剧的政治不稳定对欧盟的粮食和蔬菜供应的长期可持续性构成了威胁。英国的田间园艺业还面临着未来禁止使用泥炭作为种植介质的禁令。为了解决这一问题，人们提出了诸如垂直农场和低投入水培系统等创新解决方案。在这项研究中，我们比较了水培生产和传统田间种植方式在环境和经济方面的可持续性。我们得出结论，传统田间种植方式比水培系统更具可持续性。即使考虑到从西班牙到英国的长距离运输成本，水培系统在环境方面的优势也不明显。生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）结果显示，试验方案T1、T3和T2是最佳选择；而能量分析则认为T2是最可持续的选项。研究还确定了需要改进或选择最佳渠道类型的重点领域，这些发现有助于推动水培系统的更大规模应用。在本研究中，电力消耗被确定为环境影响的主要因素。在更大规模的水培系统商业化应用中，可以通过采用太阳能、风能等更可持续的发电方式来缓解这一问题。此外，能量分析揭示了田间园艺业中劳动力消耗的巨大影响，而水培系统似乎可以在一定程度上减轻这一负担。

5.1. 限制与未来研究方向
本研究不得不依赖二手数据来评估田间生菜生产情况，这也是该研究的一个局限性。尽管如此，这些发现仍有助于开发更加稳健和具有韧性的城市园艺系统。其中一些系统已经被设置为示范项目，将成为未来研究的对象。当未来的实验能够评估传统田间种植和水培种植的市场价格时，这项分析可以得到进一步完善。此外，对社区和社会生态系统服务的额外贡献也能为研究增加价值。还可以进行食物-水-能源关联评估等技术[62]，并将营养指标纳入生命周期评估研究中[63]，以丰富研究视角。

5.2. 资金支持
本研究由英国研究与创新署（UKRI）的“转变英国食品系统”计划资助，具体隶属于“健康土壤、健康食品、健康人民”（BBSRC - BB/V004719/1）项目。

5.3. 数据和材料的获取
在合理请求的前提下，可以提供额外的数据和材料。

5.4. 作者贡献声明
Mustafa Ali：撰写初稿、数据可视化、方法设计、调查实施、数据分析、概念构建。
Lenny Koh：项目监督、资源调配、项目管理、资金筹集。
Toby P Evans：撰写初稿、数据收集与整理。
Jacob Nickles：撰写初稿、资源调配、调查实施、数据整理。