基于秸稈全量還田的不同耕作方法下稻麥生產(chǎn)的碳效率及收益評估

薛亞光　劉建　魏亞鳳　李波　汪波

摘要：為探明江蘇稻麥輪作農(nóng)業(yè)的固碳減排效應(yīng)，以江蘇沿江地區(qū)稻麥兩熟田塊為研究對象，利用基于秸稈全量還田的不同耕作方法下（麥稻寬行交互保護性耕作技術(shù)模式和稻麥周年機械化耕作方式）作物產(chǎn)量、系統(tǒng)物質(zhì)投入以及人工投入等資料，估算稻麥生產(chǎn)的碳投入、碳產(chǎn)出、碳效率以及經(jīng)濟收益。結(jié)果表明：保護性耕作方式和機械化耕作方式下稻麥輪作系統(tǒng)年度碳投入總量分別為1836.3kg/hm²和2290.5kg/hm²，保護性耕作的種子、化肥以及機械的碳投入較低，但勞動力碳投入高于機械化耕作方式。2種耕作方式的年度碳產(chǎn)出總量分別為18.23t/hm²和16.15t/hm²，保護性耕作較機械化耕作增加了12.9%。年度的碳效率在兩者之間也存在差異，保護性耕作的生產(chǎn)效率、生態(tài)效率以及經(jīng)濟效率分別較機械化耕作提高了40.4%、40.8%和40.3%。另外，保護性耕作的年度純收益為20.25×10³元/hm²，較機械化耕作增加了22.8%。研究結(jié)果表明秸稈全量還田下采取保護性耕作方法既可以提高碳效率也能增加經(jīng)濟收益，取得環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的雙贏。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；保護性耕作；碳效率；經(jīng)濟收益

中圖分類號：S344

文獻標志碼：A

論文編號：2014-0980

0引言

稻田是中國最重要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，在中國糧食安全和生態(tài)安全保障上起著至關(guān)重要的作用。盡管稻田總面積只占全國耕地面積的20%，卻生產(chǎn)了全國48.2%的糧食。江蘇省常年麥稻輪作制集約化稻田約160萬hm²左右，占全省水稻面積70%以上，是江蘇確保糧食安全的主體農(nóng)作制。隨著江蘇省農(nóng)業(yè)的連年豐產(chǎn)，秸稈產(chǎn)生量越來越大，其中水稻秸稈和小麥秸稈分別占總量的45.8%和25.3%，可利用潛力巨大。秸稈直接還田是當前江蘇省秸稈肥料化利用最主要的途徑，也是最現(xiàn)實、最易推廣操作的秸稈利用方式，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。江蘇省農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃中指出，隨著機械化水平的提高和機械更新的加快，全省將全面推行稻麥秸稈機械化全量還田。但同時快速腐熟還田、覆蓋還田、稻麥雙套還田、留高茬還田等非機械化還田方式近年來被越來越多的利用。江蘇沿江地區(qū)農(nóng)科所提出了一種基于秸稈留高茬原位還田、埋溝還田、覆蓋還田等方式的保護性耕作方法。

關(guān)于秸稈還田方式和耕作方式的研究，以往主要集中在稻田糧食生產(chǎn)力提升和光照、水、肥、土地等資源高效利用上，對稻田低碳生長及如何提高碳效率的關(guān)注較少。碳是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中一種重要資源，其效率是指投入單位數(shù)量碳所產(chǎn)出的經(jīng)濟產(chǎn)量和經(jīng)濟價值等有效價值量，提高碳效率是農(nóng)業(yè)節(jié)能減排的重要途徑之一，隨著人類對氣候變暖重視程度的提高，對碳效率的研究逐步開展。有研究表明，通過提高農(nóng)業(yè)中碳效率，可以增加農(nóng)業(yè)的碳匯能力，減少大氣中二氧化碳濃度的增加。史磊剛等通過對不同作物生產(chǎn)的碳效率研究，結(jié)果表明夏玉米綜合碳效率最高，棉花次之，冬小麥最低。李沽靜等通過對水稻一油菜和雙季稻模式的碳固定量與碳投入和經(jīng)濟收入的關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)作物生產(chǎn)系統(tǒng)的碳匯總量很大，并且具有巨大的固碳減排潛力。但關(guān)于江蘇稻麥輪作農(nóng)業(yè)的固碳減排效應(yīng)以及碳效率的研究，目前還鮮有報道。

筆者擬通過對基于秸稈全量還田的不同耕作方式下稻麥輪作系統(tǒng)的碳效率及經(jīng)濟收益進行研究，旨在探討江蘇沿江地區(qū)稻作農(nóng)業(yè)的固碳減排效應(yīng)，說明稻田良好管理可以取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。

1材料與方法

1.1材料與試驗地基本情況

試驗在江蘇沿江地區(qū)農(nóng)科所試驗田進行，土壤類型是潮土。該地區(qū)位于北亞熱帶南部，屬亞熱帶季風氣候，由于距海較近，受海洋調(diào)節(jié)較明顯，氣溫的日較差和年較差較小，年降雨量在1000mm以上，全市年平均太陽輻射總量為476090J/cm²。試驗時間為2009年至2010年。小麥品種為‘揚麥13，水稻品種為‘南粳44。

1.2試驗設(shè)計

研究基于稻麥秸稈全量還田條件下，主要設(shè)置以下2種耕作方式：

ME：稻麥周年機械化耕作方式，簡稱機械化耕作方式（對照）。于作物機械收獲時，開動機械切碎與分散裝置，做到秸稈切碎（5～8cm），全田均勻分散，并用較大功率拖拉機旋耕埋沒秸稈。稻季應(yīng)用旱育壯秧機插技術(shù)，總施氮量為300kg/hm²，氮肥運籌為基肥：分蘗肥：穗肥=4：2：4，P₂O₅和K₂O均為120kg/hm²，作基肥施用；麥季應(yīng)用半精量機條（勻撒）技術(shù)，總施氮量240kg/hm²，前（基肥、蘗肥、蠟肥）：后（穗肥）=6：4，P₂O₅和K₂O均為90kg/hm²，作基肥施用。

PF：麥稻寬行交互保護性耕作技術(shù)模式，簡稱保護性耕作方式。稻季肥料運籌與對照相一致；麥季化肥總施氮量為144kg/hm²，均作前期肥料施用，返青期增施9.6t/hm²雞糞，P₂O₅和K₂O均為90kg/hm²，作基肥施用。其主要技術(shù)特征有以下幾點：（1）在“麥-稻”兩熟制田塊形成作物帶和空行帶的帶狀結(jié)構(gòu)，1個作物帶+空行帶構(gòu)成1個組合，1個組合寬（即帶型）60cm左右（作物帶寬20-25cm、空行帶寬35-40cm），麥子可線條播（即寬行行距為35-40cm、窄行行距20-25cm）或帶狀撒播（麥帶20-25cm、空行帶35-40cm），水稻可寬窄行栽插（即寬行行距為35-40cm、窄行行距20-25cm）或擺栽、直播（稻帶20-25cm、空行帶35-40cm）；（2）麥子收獲后種植水稻，實現(xiàn)作物帶和空行帶互換，即麥帶轉(zhuǎn)換成稻田的空行帶，麥田的空行帶轉(zhuǎn)換成稻帶；（3）利用麥田溝系填埋麥秸，麥田的溝系轉(zhuǎn)換成稻田的草溝，麥收后、植稻前不進行土壤耕翻；（4）稻麥秸稈采用留高茬原位還田、埋溝還田、覆蓋還田等方式全量還田。麥秸稈采用留高茬、埋溝相結(jié)合的方式還田，水稻秸稈采用埋溝、畦面條帶狀覆蓋（主體集中在小麥空行帶內(nèi)）相結(jié)合方式還田；（5）實現(xiàn)條帶狀的耕作與施肥等方式管理。

2個處理小區(qū)總面積均為0.13hm²，保護性耕作模式為長期定位試驗，始于2006年。2種耕作方式相應(yīng)的農(nóng)機農(nóng)藝配套技術(shù)見表1。

1.3研究方法

田塊物質(zhì)的投入和產(chǎn)出的數(shù)據(jù)為2009年和2010年的平均值。研究涉及的只是作物從播種到收獲期間的物質(zhì)循環(huán)及經(jīng)濟價值，不涉及產(chǎn)品的去向，農(nóng)產(chǎn)品收獲后的經(jīng)濟效益均以2010年的市場價格進行估算。所有數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行統(tǒng)計分析及作圖。

1.3.1碳的投入量（E）作物的碳投入量（E）是指從播種到收獲整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中由于投入種子、農(nóng)藥、化肥、機械、灌溉和生產(chǎn)相關(guān)的人工造成的間接碳排放總量。碳的投入量（E）=種子碳排放（E_s）+灌溉碳排放（E_ir）+機耕碳排放（E_m）+化肥投入碳排放（E_f）+農(nóng)藥投入碳排放（E_p）+人工投入碳排放（E_t）。

各種碳排放估算參照李沽靜和陳琳等的方法，見式（1）～（6）。

種子碳排放：E_s=V_s×W_s………………………（1）

式中：V_s為種子的碳排放系數(shù)，水稻取值0.795kgC/kg，小麥取值0.11kgC/kg；W_s為每公頃種子的用量。

1.3.2碳的產(chǎn)出量 作物的碳產(chǎn)出量是指作物通過光合作用固定在總生物量中的C量，主要包括地上部分生物量中的C量和根系中的C量，其中地上部生物量中的C量以及總生物量中的C量可以通過作物的經(jīng)濟產(chǎn)量推算得到。碳產(chǎn)出量計算參照史磊剛等方法，并略做調(diào)整，見式（7）～9）。

經(jīng)濟產(chǎn)量中的含C量：C_G=Y×（1-w₂）×a………（7）

式中：C_G的單位是kgC；Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，單位是kg；w₂為經(jīng)濟產(chǎn)量的含水量，水稻和小麥分別為14%和13%；a為生物量與含C量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，水稻、小麥分別取0.41和0.48。

地上部生物量中的含C量：C_A=C_G|H…………（8）

式中：H為經(jīng)濟系數(shù)，水稻、小麥分別取0.45和0.40。

總生物量中的C量：C_T=C_A/（1-R）………………（9）

式中：R為根冠比系數(shù)，水稻和小麥分別取0.17和0.14。

1.3.3碳效率 作物的碳效率主要包括碳的生產(chǎn)效率、碳的經(jīng)濟效率以及碳的生態(tài)效率3種。作物生產(chǎn)中碳的生產(chǎn)效率是經(jīng)濟產(chǎn)量與碳投入量的比值，是衡量碳投入的經(jīng)濟產(chǎn)量的指標；作物生產(chǎn)中碳的經(jīng)濟效率是指經(jīng)濟產(chǎn)值與碳投入量的比值，是衡量作物生產(chǎn)經(jīng)濟效益的指標；作物生產(chǎn)中碳的生態(tài)效率是指作物通過光合作用固定在體內(nèi)的碳量與碳投入量的比值，是評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性的指標之一，其數(shù)值越大，表明碳匯能力越強，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性越高。3種碳效率計算參照史磊剛等方法，見式（10）～（12）：

作物生產(chǎn)過程中碳生產(chǎn)效率：C_C=Y/E………（10）

式中：C_c的單位是kg/kgC，Y為經(jīng)濟產(chǎn)量，E為碳投入總量。

作物生產(chǎn)過程中碳經(jīng)濟效率：C_r=（Y×P）/E…（11）

式中：C_E的單位是元/kgC，P為產(chǎn)量的價格。

作物生產(chǎn)過程中碳生態(tài)效率：C_S=C_T/E……（12）

式中：Cs單位是kgC/kgC，C_T為總生物量中的C量。

1.3.4經(jīng)濟效益 通過記錄不同耕作方法下作物生產(chǎn)中的物質(zhì)（種子、化肥、農(nóng)藥、灌溉、機電等）投入和勞動力投入情況，統(tǒng)計不同作物的實收產(chǎn)量，按照當?shù)氐耐度肱c產(chǎn)品的市場價格分別計算不同耕作方法的成本與產(chǎn)值，進行經(jīng)濟效益評價與分析。筆者主要采用純收益、勞力成本收益率以及物質(zhì)成本收益率作為經(jīng)濟效益的評價指標，其計算公式見式（13）～（16）。

純收益=產(chǎn)值-物質(zhì)成本-勞力成本……………………………………………………（13）

物質(zhì)成本=種子投入成本+化肥投入成本+農(nóng)藥投入成本+灌溉水投入成本+機電投入成本………（14）

勞力成本收益率=（產(chǎn)值-物質(zhì)成本）/勞力成本……………………………………………………（15）

物質(zhì)成本收益率=（產(chǎn)值-勞力成本）/物質(zhì)成本……………………………………………………（16）

式中：純收益和物質(zhì)成本單位為元/hm²，勞力成本收益率和物質(zhì)成本收益率單位為元/元。

調(diào)查得到的農(nóng)田物質(zhì)投入的數(shù)量與價格見表2，可用于物質(zhì)成本和勞力成本的估算。

2結(jié)果與分析

2.1碳的投入量及構(gòu)成

水稻和小麥2種作物從播種到收獲整個過程中，碳的投入包括種子、化肥、農(nóng)藥、灌溉、機耕和勞動力6個部分。根據(jù)試驗記錄的各種農(nóng)資和能源的投入量，利用式（1）～（6），計算出2種耕作方式下稻麥的碳投入量（表3）。與機械化耕作相比，保護性耕作下稻季和麥季的種子和機耕碳投入均有所降低，麥季由于施用有機肥，化肥的碳投入量也有所降低，但勞動力的碳投入均有所增加，但其增加量要少于物質(zhì)碳投入減少量，所以保護性耕作在稻季和麥季的碳的總投入量均低于機械化耕作。稻季和麥季的碳投入量相加之和，則為年度碳投入量，保護性耕作和機械化耕作的年度碳投入總量分別為1836.3kgC/hm²和2290.5kgC/hm²，保護性耕作減少了19.8%（表3）。

從圖1可知，2種耕作方式下年度碳投入構(gòu)成中，均以化肥部分所占比例最大，占總量的45%左右；灌溉消耗電能部分所占比例也較大，均在20%以上，而機械投入消耗柴油部分的碳投入，機械化耕作顯著增加，占總量的25%左右，保護性耕作僅占13%左右，投入較少。勞動力消耗的碳投入均較少，但保護性耕作要高于機械化耕作。農(nóng)藥部分和種子碳投入占總投入量的比例最小，均在5%以下。

2.2碳的產(chǎn)出量

作物生產(chǎn)中碳產(chǎn)出量與作物的經(jīng)濟產(chǎn)量和總生物量密切相關(guān)。保護性耕作下水稻和小麥的產(chǎn)量分別為10.17t/hm²和7.19t/hm²，較機械化耕作增加了10.8%和15.4%（表4）。2種耕作方式下作物的碳產(chǎn)出量與產(chǎn)量表現(xiàn)相一致，保護性耕作均要高于機械化耕作，其年度的碳產(chǎn)出總量為18.23tC/hm²，較機械化耕作增加了12.9%（表4）。

2.3碳效率

根據(jù)水稻和小麥的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用公式（10）～（12），分別得到不同耕作方式下2種作物的生產(chǎn)中的碳生產(chǎn)效率、生態(tài)效率和經(jīng)濟效率（圖2）。

由圖2可知，保護性耕作方式下稻季、麥季以及年度的作物碳生產(chǎn)效率分別為7.39、15.62和9.45kg/kgC，機械化耕作方式下作物碳生產(chǎn)效率則分別為6.00、8.18和6.73kg/kgC。保護性耕作下的碳生產(chǎn)效率均高于機械化耕作，其中麥季的碳生產(chǎn)效率高出的最多，達到91.0%。作物的碳生態(tài)效率、經(jīng)濟效率與生產(chǎn)效率趨勢相一致，也均表現(xiàn)為保護性耕作在稻季、麥季以及年度均高于機械化耕作，麥季增加的最多。保護性耕作下年度生態(tài)效率和經(jīng)濟效率分別為9.93kgC/kgC和18.36元/kgC，較機械化耕作增加了40.80%和40.26%。表明保護性耕作方式下作物的碳匯能力強，農(nóng)業(yè)可持續(xù)性高，單位面積碳帶來的經(jīng)濟價值也要高。

2.4經(jīng)濟收益

2種方式下稻麥的生產(chǎn)均能獲得收益，但保護性耕作增加的更多，稻麥年度純收益達到20.25×10³元/hm²，較機械化耕作增加了22.8%（表5）。保護性耕作方式產(chǎn)值的顯著增加是收益增加的主要原因，2種耕作方式下稻麥兩季年度的總投入成本分別是13.47×10³元/hm²和13.50×10³元/hm²，沒有顯著差異（表5）。從成本構(gòu)成來看，與機械耕作方式相比，保護性耕作降低了稻麥生產(chǎn)上的物質(zhì)成本，卻顯著增加了勞動力投入的成本，因此保護性耕作下稻麥生產(chǎn)有更高的物質(zhì)成本收益率，而較低的勞力成本收益率（表5）。

3討論

3.1不同耕作方式下碳效率的比較

研究中發(fā)現(xiàn)2種耕作方式下作物生產(chǎn)的碳效率差異顯著，保護性耕作下水稻、小麥以及年度的生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效率和生態(tài)效率均顯著高于機械化耕作方式。碳投入量的不同是造成2種耕作方式作物碳效率不同的重要原因，保護性耕作下作物在種子、化肥和機耕的碳投入量均要低于機械化耕作方式，但由于沒有機械的投入，需要更多的人工進行播種、育秧以及有機肥施用等，其人工的碳投入要高于機械化耕作，但人工方面增加的碳投入要顯著低于在其他方面的減少的碳投入，因此保護性耕作下總的碳投入量要顯著低于機械化耕作下的碳投入量。另外保護性耕作下稻麥的經(jīng)濟產(chǎn)量和生物產(chǎn)量也均高于機械化耕作，這也是造成2種耕作方式碳效率差異的重要原因。

在研究中，筆者也發(fā)現(xiàn)保護性耕作和機械化耕作2種方式下年度的總碳投入構(gòu)成中，化肥約接近總量的一半，灌溉消耗的電能約占總量的1/5以上，化肥和灌溉兩部分約占總量的70%左右，而中國農(nóng)業(yè)尤其是集約高產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)，化肥和水分普遍存在浪費的現(xiàn)象，因此，降低肥水的投入量，提高其利用效率是提高作物生產(chǎn)碳效率的關(guān)鍵。另外，與保護性耕作相比，機械化耕作消耗柴油的碳投入接近碳總量的1/4，主要是由于大功率機械進行秸稈粉碎旋耕還田需要消耗大量的柴油，而保護性耕作則采用秸稈覆蓋或留高茬方式還田，減少機械的投入。因此，稻田秸稈還田少、免耕也是提高作物生產(chǎn)碳效率的關(guān)鍵。

3.2不同耕作模式下稻麥生產(chǎn)的成本投入與收益

前人研究表明，提高糧食價格和糧食單產(chǎn)是促進農(nóng)戶增加收益的重要因素，而生產(chǎn)成本的增長是阻礙糧食生產(chǎn)收益的主要因素。生產(chǎn)成本的增長又主要源于物質(zhì)服務(wù)費用、人工成本的增長。研究結(jié)果表明，2種耕作方式下稻麥兩季生產(chǎn)總的成本投入差異不大，從成本構(gòu)成來看，保護性耕作減少了種子，化肥以及機械等物質(zhì)投入，但增加了勞動力的投入成本。這主要是由于保護性耕作方式采用了化肥有機肥的配施，精確定量播種以及濕潤育秧等勞動密集型技術(shù)，需要更多的人工投入。這些栽培技術(shù)的采用也有利于提高稻麥的產(chǎn)量，因此保護性耕作下稻麥兩季總的純收益較機械化耕作增加了22.8%。這表明保護性耕作既能提高作物生產(chǎn)的固碳能力，也能增加經(jīng)濟收益，實現(xiàn)環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的雙贏。

但孫昊等研究表明，近年來工日價快速上漲，造成了生產(chǎn)成本中人工成本比例顯著提高。2010至2012年，每公頃用工日累計減少了22%，而工日價累計上漲了200%，這并不有利于保護性耕作下稻麥經(jīng)濟收益的進一步提高。因此，筆者課題組在今后的研究中將重點探討秸稈還田保護性耕作模式相應(yīng)的低功率配套機械開發(fā)與研制，減少人工成本的投入，但同時不會顯著增加機械投入帶來的碳投入量從而降低碳效率。

3.3研究存在不足

筆者計算了稻麥生產(chǎn)中主要的碳投入和碳產(chǎn)出量，初步評價了保護性耕作方式和機械化耕作方式下的稻麥生產(chǎn)的碳效率，研究結(jié)果加深了對農(nóng)業(yè)固碳減排的認識，為今后開展低碳農(nóng)業(yè)研究提供了科學(xué)依據(jù)。但筆者對于秸稈還田下不同耕作方式對土壤碳庫的影響未有研究。前人研究表明，秸稈還田條件下翻耕、旋耕、免耕均能促進土壤有機碳的積累，但秸稈還田后會通過影響土壤中微生物量和微生物群落，以及改變土壤物理化學(xué)性質(zhì)等來提高土壤呼吸強度，增加土壤CO₂排放。李成芳等研究表明，免耕稻田秸稈還田不僅能提高土壤固碳量，加大稻田固碳對減緩全球變暖的貢獻，同時也能有效降低秸稈還田后稻田溫室氣體增排對稻田土壤固碳效益的抵消作用。試驗中基于秸稈全量還田條件的保護性耕作方式下稻田土壤固碳的效應(yīng)如何，還需做進一步研究。

4結(jié)論

研究結(jié)果表明，與稻麥周年機械化耕作方式相比，麥稻寬行交互保護性耕作技術(shù)模式在稻麥生產(chǎn)中減少了種子、肥料以及機械油耗等碳成本的投入，增加了碳產(chǎn)出量，提高了碳效率，起到固碳減排的效應(yīng)，同時也能增加稻麥的經(jīng)濟產(chǎn)值和收益，最終實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的雙贏。