濱海灘涂墾區主要大田作物生產碳足跡研究*
——以江蘇省鹽城市為例

李 強，楊文慧，鄒晨昕，徐新悅，李建國※，張忠啟

(1.江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院，徐州 221116；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

0 引言

氣候變化是當今人類面臨最嚴峻的全球環境問題，受到國際社會廣泛關注。氣候變化主要原因已經被證實為人類向大氣中排放過量的溫室氣體，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等[1]。據聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評估報告，2010年全球農業溫室氣體排放量為12.0 Gt(CO2當量)，占人類活動排放總量的24%[2]。我國是世界主要農業大國之一，以稻麥、麥玉輪作為主的農業生產方式對全球碳排放總量的影響不容小覷[3]。我國海岸帶地區圍墾面積超過7 500km2，占我國鹽漬土面積的2.1%，占全國農地面積的0.56%[4-5]。我國東部沿海地區經濟最為發達，人口最為集中，人地矛盾最為突出。該區域的農業可持續生產和管理在保障區域社會經濟平穩發展、緩解人地矛盾過程中起到重要作用[6]。東部濱海灘涂墾區作為后備土地資源開發的主要對象，是調和土地資源供需矛盾、提升糧食產量、緩解經濟發展壓力的重要舉措[7-8]。根據最新IPCC報告，作為海陸生態系統重要的碳庫，海岸帶由于區位特殊、交互帶的復雜性等原因，同時又受人類活動干擾嚴重，一直未能將海岸帶灘涂作為獨立生態單元納入國際碳排放清單當中[9]。由于我國海岸帶鹽漬土農業具有不同于傳統農區的耕作制度和耕作方式，圍墾后農業活動會對區域的生態環境產生何種影響，當前對這一領域的關注還有待提高[10]。農業活動是重要的人為源碳排放因子。不同于傳統農區的農業活動，灘涂鹽土農業具有其獨特的耕作習慣和制度。因此，針對東部灘涂農業生產碳排放的研究有助于完善我國農業人為源碳排放和國際碳收支平衡體系目錄。江蘇濱海灘涂作為我國最大的濱海農業墾區，開發歷史早，農業規模大且具有相對成熟的農業圍墾技術與耕作體系，以江蘇濱海墾區作為研究區具有典型代表性[11]。

源于“生態足跡”的概念，農業生產過程當中由生產資料投入引起的碳排放強度被稱為碳足跡(Carbon Footprint，CF)。碳足跡方法是近年來出現的研究人類活動強度和優化資源配置的優秀方法，已經成為氣候變化領域新的研究熱點[12]。農業碳足跡的研究方法是在生命周期評價方法基礎上，分析單位質量農作物從播種、生長、收獲和廢棄物處理的全生命周期內直接或間接溫室氣體排放總和，通常使用生產單位產品的CO2當量表示[13-14]。國內外已有許多學者開展了農業碳足跡的研究。West等[15]綜合考慮農業生命周期中各個排碳因素，測算美國農業碳足跡，Gan等[16]研究加拿大半干旱地區小麥碳足跡，并討論了降低碳足跡的耕作方法，Dubey等[17]對比分析了美國俄亥俄州和印度旁遮普邦碳足跡碳足跡分布特點和差異，王占彪等[18]就華北平原農業生產狀況揭示華北平原碳足跡空間分布規律，劉松等[19]分析關中平原大麥、玉米、苜蓿等飼料作物碳足跡，劉巽浩等[20]討論了國內碳足跡研究方法誤區以及改進與應用。綜上來看，國內外學者從不同角度對農業碳足跡進行了研究，取得了一定的成果。但大部分的研究多注重傳統農區的農業生產的碳足跡[18-22]，針對某一特殊生態區的研究案例較為鮮見，關于濱海地區特別是發展中國家濱海地區農業發展的碳足跡更是鮮有報道。文章以江蘇省濱海墾區最為集中的鹽城市為例，通過實地農戶調研，摸清濱海地區農業生產過程中生產資料及其相關資源投入的結構與規律，借助農業碳足跡理論以及生命周期法，對濱海灘涂常見的大田作物(大麥、小麥、玉米、水稻)生產的碳足跡進行研究，評估濱海灘涂地區碳足跡，分析其影響因素并提出相應減排措施，為優化濱海地區農業生產資料的配置，構建濱海地區生態農業的發展模式，促進區域可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區與數據來源

表1 問卷調查基本狀況

該研究的濱海墾區位于江蘇省鹽城市亭湖區，東臨黃海，為圍墾80年的老墾區(圖1)。該地是圍墾歷史較為悠久的墾區，土壤雖經數十年的洗鹽增肥，土壤質量依然不高，農業生產與傳統農區依然有很大的差異，具有鮮明鹽漬土農業生產特點[23]。研究區大田作物輪作方式主要為典型的春小麥—夏玉米輪作，當地農戶在春季選擇種植大麥或小麥等麥類作物，于夏季種植玉米。因為圍墾區土壤含鹽量大、水源不充足等原因制約，當地農戶不選擇種植水稻。但隨著近些年土地流轉政策的推進，許多土地承包商來到墾區承包大面積的土地進行水稻生產，改變了該地大田作物種植以麥玉輪作為主的格局。

課題組于2017年7月使用農情調查問卷的方式，走訪了當地266戶農戶，土地承包商10戶，入戶調研了濱海墾區亭湖區內8個村鎮的大田作物的化肥、農藥、農機使用、產量、灌溉等作物種植管理以及產出情況，獲取大麥種植樣本84個，小麥181個，玉米213個，水稻10個。因為當地普通農戶不種植水稻，土地承包商數量又遠不及農戶數量，故該研究水稻樣本數量相較大麥、小麥、玉米樣本小，10個水稻樣本均來自當地大的土地承包商。但這10個水稻樣本數據涉及耕作土地面積大，種植管理模式一致性好，能代表該區域一般水稻種植情況。調研數據的基本情況如表1所示，文中數據使用SPSS22.0、Excel2010處理分析。

圖1 研究區位置

圖2 作物碳足跡的邊界與清單

1.2 評價方法

農業碳足跡根據生命周期評價標準方法(GB/T24040)，可分為目的和范圍的確定、清單分析、影響評價、解釋[24]。

1.2.1 目的和范圍的確定

該文研究對象為濱海墾區大田作物碳足跡，即生產1kg糧食作物(干重)整個生命周期過程中所消耗的溫室氣體排放量(以CO2當量)。系統邊界劃分是碳足跡評價中極為重要環節，邊界范圍直接影響最終研究結果的不確定性[25]。與農業種植相關的溫室氣體排放可分為“從種植到農場大門”和“從農場大門到市場”兩部分。但因“從農場大門到市場”環節涉及到農產品的加工、銷售過程，類目繁雜、難以追溯，通過調查問卷的數據獲取方式難以定量化獲取相關數據。故該研究將邊界范圍定義為“從種植到農場大門”，即只考慮作物從種植、生長、管理、收獲過程中碳排放量，不考慮農作物收獲后進入市場后加工、銷售等環節。

1.2.2 清單分析

清單分析是生命周期評價中最重要的步驟[24-25]，主要列舉出范圍邊界中所產生碳排放的全部環節，如圖2所示?？v觀作物生長過程，“從種植到農場大門”整個生產過程中的碳排放包括如下幾點：(1)犁地、播種作物使用農機時碳排放；(2)生產農藥、化肥過程中碳排放；(3)化肥施用時田間直接或間接的碳排放；(4)灌溉時電機抽水耗能的碳排放；(5)作物收割時農機使用時碳排放；(6)殘留秸稈帶來的碳排放。在對農戶進行調查時，有些數據并不能直接獲取，需要通過一系列間接換算得到。化肥用量在碳足跡的計算中通常以有效成分計，當地使用的尿素有效成分為46.4%，磷肥38%；秸稈殘余量的計算采用國內畢于運[26]草谷比的相關研究，大麥、小麥、玉米、水稻的草谷比分別為1.3：1，1.36：1，1.1：1，1：1；農機柴油667m2耗油量來自當地農機租賃商，并結合各農戶田地大小和實際租賃情況進行折算；其他化肥、農藥、電能、作物產量等數據可從農戶處直接獲取。投入和產出量詳見表2。

表2 單位公頃作物投入與產出

1.2.3 評價方法

大麥、小麥、玉米、水稻碳足跡涉及的溫室氣體有CO2、N2O和CH4，為便于匯總排放量，用CO2當量計量不同種類溫室氣體的排放量，根據N2O和CH4的溫室效應貢獻度(增溫潛勢值)換算為CO2的溫室效應貢獻度。計算公式為：

CFSi=(eco2i×WCO2+eNo2i×WN2O+eCH4i×WCH4)/Gi

(1)

式(1)中，CFSi為第i種作物的碳足跡(kg/kg)；eco2i為第i種作物生命周期內CO2的排放量(kg/hm2)；eNo2i為第i種作物生命周期內N2O的排放量(kg/hm2)；eCH4i為第i種作物生命周期內CH4的排放量(kg/hm2)；WCO2、WN2O、WCH4分別為CO2、N2O和CH4增溫潛勢值，根據2007年IPCC報告，取值分別為1，298，25；Gi為第i種干物質產量(kg/hm2)。

(2)

式(2)中，CFij為生產第i種作物使用第j種肥料量(kg/hm2)，WCFj為生產第j種肥料的CO2排放系數(kg/kg)；PEi為第i種作物的農藥施用量(kg/hm2，以有效成分為準)，WPE為生產農藥的排放系數(kg/kg)；MAi為第i種作物農機消耗柴油量(L/hm2)，WMA為柴油燃燒CO2排放系數(kg/L；ELi為耗電總量(kW·h/hm2)，WEL為生產電的CO2排放系數(kg/kWh)；URi為第i種作物尿素施用量(kg/hm2)，WUR為尿素排放因子(kg/kg)。

eNo2i=(FNi+GRi×WGR)×(DN+GASi×WNH+L×NL)

(3)

式(3)中，FNi為第i種作物施氮量(kg/hm2)；GRi為第i種作物田間殘余量，WGR為作物殘余中含氮量(kg/kg)；DN為氮肥直接排放系數(kg/kg)；GASi為第i種作物氨揮發系數，WNH為大氣氮沉降排放N2O系數；L為氮肥淋溶損失系數；NL為滲透或徑流損失N的N2O排放系數。

eCH4i=d×E(CH4)diff×A

(4)

式(4)中，d為每年田中淹水天數(day/年1)；E(CH4)diff為日每公頃CH4揮發量(kg/kg/d)；A為覆水面積(hm2)。有關計算參數見表3。

表3 碳足跡計算相關參數

圖3 不同作物二氧化碳、氧化亞氮排放量

2 結果與分析

2.1 溫室氣體排放強度測算

從不同的溫室氣體來看(圖3)，不同作物不同溫室氣體排放量差異顯著(由于該地旱田作物為雨養作物，甲烷排放量為0，故不參與顯著性檢驗)。作物CO2排放量(eco2i)由大到小順序為：水稻(3 896.01kg/hm2)>玉米(2 505.55kg/hm2)>小麥(2 093.05kg/hm2)>大麥(1 886.44kg/hm2)。其中，水稻與玉米生產過程的CO2排放量顯著高于小麥和大麥(P<0.05)，而大麥與小麥之間不具有顯著性差異。從氧化亞氮排放量(eN2Oi)來看，排放強度由大到小依次為玉米(9.53kg/hm2)>小麥(8.79kg/hm2)>水稻(8.39kg/hm2)>大麥(7.05kg/hm2)。其中，玉米和小麥的N2O排放強度顯著高于大麥(P<0.05)；甲烷由于其特殊的排放環境，在4種作物中僅有水稻具有較大的排放量(eCH4i)，約為15.05kg/hm2，其余作物生產無甲烷釋放(表4)。從圖3中可以看出，不同農作物之間的調研數據變異性較為一致，反映出研究區不同農戶的生產投入偏好趨于一致，具有較為可靠一致的農業行為。以增溫潛勢參數(表3)將不同溫室氣體換算成CO2當量發現，不同溫室氣體的貢獻度也各不相同。從表3可以看出，N2O貢獻度均大于CO2，CO2釋放在4種大田作物碳足跡的貢獻分別達到47.32%(大麥)、44.41%(小麥)、46.88%(玉米)和49.43%(水稻)，而氧化亞氮碳足跡貢獻度分別達到52.68%(大麥)、55.59%(小麥)、53.12%(玉米)和50.57%(水稻)。

表4 不同溫室氣體對碳足跡貢獻度

表5 濱海灘涂大田作物碳足跡

2.2 濱海墾區主要大田作物生產碳足跡

濱海灘涂大田作物碳足跡計算結果見表5，生產1kg大田作物的溫室氣體排放量(以CO2當量)由大到小依次為：玉米0.769±0.224kg/kg、水稻0.739±0.241kg/kg、小麥0.636±0.183kg/kg和大麥0.630±0.184kg/kg。玉米作為需肥量大的作物，其碳足跡顯著高于大麥、小麥和水稻。玉米氮肥量施用量為439.281±144.852kg/hm2，是大麥259.910±107.207kg/hm2的1.69倍，是小麥299.487±114.782kg/hm2的1.47倍，是水稻362.693±149.339kg/hm2的1.21倍。在入戶調研中也發現，玉米肥料施用量差異最大，施用最多氮肥的農戶達到1 148.4 kg/hm2，施用氮肥最少的農戶不施肥。當地農戶有“玉米肥施越多，產量就越高”的說法，但并不是一味盲從，這取決于當地農戶對于農產品產量以及成本效益的認識差異。

2.3 不同生產環節對碳足跡的貢獻

如圖4所示，各作物碳足跡組成結構可分為氮磷肥生產、農藥生產、作物殘碳、農機使用、氮肥田間排放和灌溉六大部分組成。其中，農藥生產對碳足跡貢獻最小，僅為0.44%～0.48%，保持在0.5%以下；農機使用貢獻度為3.67%～5.79%，貢獻度在6%以下，且大麥和小麥農機使用貢獻度比玉米、水稻稍大，主要原因是在播種時，麥種較重，機器負載大，耗油多；作物殘余的貢獻度在4.73%～7.75%之間，小麥占比最大，水稻最小；磷肥生產貢獻度在3.11%～7.81%之間，大麥占比最大，玉米最小[34]；氮肥生產貢獻度在26.46%～37.12%之間，玉米占比最大，水稻最??；氮肥田間排放貢獻度在29.06%～51.94%之間，小麥占比最大，水稻最??；水稻灌溉碳排量占23.83%，而大麥、小麥、玉米在濱海灘涂地區灌溉主要靠降水，不單獨引水灌溉，故旱作灌溉碳排放占比為0%[35]。

圖4 濱海墾區主要大田作物生產碳足跡組成

可見，濱海圍墾地區大田作物生產過程中，氮肥生產和氮肥田間排放這兩個環節在碳足跡中占重要組分。由施用氮肥直接或間接帶來的碳排放量占總排放量的55.52%～87.40%。且在調研中了解到，氮肥的施用量處于逐年增加的趨勢。是因該地區缺乏有機肥的施用、合理輪耕制度，一味追求作物高產帶來更高的經濟收益，而忽視土壤肥力保護，連年土壤肥力降低只能通過增施氮肥來補足。短期內大量氮肥施入土中，僅有一小部分被作物利用，其余大部分在田間分解釋放N2O，而N2O增溫潛勢很高(298)[27]，即N2O溫室效應貢獻度是CO2的298倍，這是造成氮肥添加過程碳足跡較大的主要原因。

表6 國內外碳足跡相關研究 kg/kg

3 討論

3.1 與同類研究結果的比較

國內外同類碳足跡研究如表6、表7所示，由于自然環境條件，農業生產方式，耕作制度以及經濟發展狀況不同，是造成同種作物碳足跡在不同地區差異性大最主要的原因。該研究玉米碳足跡與韓國[37]接近，但顯著高于美國[36]和澳大利亞[39]，主要是因為美國和澳大利亞多為大規模集約化的農業生產，使用的肥料、化石能源和機械投入要低于濱海灘涂農業。由此可知，集約化和機械化的農業生產，可顯著降低碳足跡，這給降低鹽土農業碳足跡提供了新的思路。日本[38]水稻的碳足跡是該研究的13倍，這是由于其研究邊界大，研究的生命周期長，將果實的加工、廢物處理環節包含在碳足跡內；在美國[36]和澳大利亞[39]，評估框架內包括微量營養素(硫，硼和石灰等)的投入；在韓國[37]，使用有機肥代替無機肥料，并且存在農田基礎設施引起的物質投入；而在規?；r場生產中，會將化肥、農藥等農資的交通運輸消耗囊入評估框架中[36-39]。因耕作方式差異的原因，使家庭式、小規模的鹽土農業生產過程中不存在上述投入，造成同一種作物在不同地區碳足跡的差異，體現出特定區域碳足跡數值和結構上獨有的特點。

與我國其他地區研究相比，小麥、玉米碳足跡與山東省[34]的研究最為接近，主要原因是山東氮肥施用量、碳足跡結構比與該研究情況相似；而該研究水稻碳足跡較上海[35]的低，主要原因是研究邊界差異較大，上海的研究多了稻谷加工環節，將稻谷晾曬、脫殼、碾米、拋光、包裝等加工過程中碳排量也計算在水稻生命周期內；玉米研究結果較關中平原高[19]，主要原因是施氮量差異顯著，關中平原施氮量為179.9±91.7kg/hm2，而濱海灘涂玉米施氮量為439.281±144.851kg/hm2，是其2.44倍；濱海灘涂碳足跡相較華北、東北地區高[21-22]，因為華北、東北地區環境干燥，灌溉造成的更多能源投入，尤其是后者屬于大規模生產，重型機械使用也是造成碳足跡高的原因。

表7 各個國家碳足跡研究框架

3.2 濱海灘涂墾區大田作物生產各環節碳足跡結構特點

研究區碳足跡結構組成具有鮮明的特點。在作物灌溉環節體現最為明顯。關中平原玉米灌溉排碳量242.42kg/kg，碳足跡貢獻度39.1%，小麥灌溉排碳量為58.8kg/kg，碳足跡貢獻度24.5%[19]，華北平原小麥灌溉排放量309.01kg/kg，碳足跡貢獻度28.07%[22]。而濱海灘涂大麥、小麥、玉米等旱田作物為雨養作物，無需引水灌溉，節省了灌溉所需能耗，灌溉環節在碳足跡貢獻度為0%。濱海墾區主要為沙質土壤，土壤保水性差，加之土壤脫鹽改良的需要，與傳統農區相比同種作物生長周期里需要更多的灌溉次數，水田灌溉耗能大。江蘇內陸地區的水稻種植在生產周期內一般灌溉次數不超過8次，而研究區灌溉次數都在20次以上。因此，研究區水稻灌溉環節排碳量達到1 479.91kg/hm2，碳足跡貢獻度23.83%，平均耗電量1 569.364kW·h/hm2，同樣是干濕交替灌溉模式，該值是上海水稻灌溉能耗222.75kW·h/hm2的7.04倍[35]。

氮肥施用環節碳足跡貢獻度的特點也非常明顯。研究區與氮肥施用有關的碳足跡貢獻占比水稻為55.52%，大麥78.99%，小麥80.27%，玉米更是達到87.40%。而傳統農區氮肥施用對碳足跡的貢獻度大麥、小麥為38.96%，玉米47.15%，水稻16.5%，遠小于該研究區，可見濱海地區施氮環節貢獻占比顯著偏大。原因主要有兩方面：一方面，研究區存在嚴重過量施肥狀況，較其他研究結果濱海地區氮肥施用量大；另一方面，研究區化肥施用種類單一，因該地土壤為濱海鹽漬土，富含鉀離子，故不施鉀肥，氮肥和磷肥(尤其是氮肥)為該地主要施用的化肥，而其他研究區施肥種類多樣化，氮、磷、鉀肥根據一定比例施用，故而將濱海地區氮肥對碳足跡的貢獻度凸顯出來。經研究，氮肥施用量對碳足跡的貢獻度存在線性關系，如圖5所示?；貧w結果表明，氮肥的施用量和碳足跡呈顯著正相關，氮肥施用越多，碳足跡值越高。每增施1kg的氮肥，大麥、小麥、玉米和水稻碳足跡分別增加0.001 5，0.001 2，0.001 2和0.000 6kg/kg。

圖5 施氮量與碳足跡的關系

3.3 未來降低濱海灘涂農業生產碳足跡的措施選擇

根據研究結果，與氮肥施用有關的環節對碳足跡的貢獻率均超過55%，生產氮肥碳排放約占26.46%～37.12%，氮肥田間排放約占29.06%～51.94%，是濱海灘涂大田作物溫室氣體排放最主要影響因素。針對氮肥生產時的碳排放，可通過淘汰高耗能的油基型氮肥生產路線，優化煤基氮肥生產路線，研發清潔煤基氮肥技術[40]，降低氮肥生產時碳排放量。而采取施用緩釋氮肥[41]，脲酶抑制劑[42]等方法，延緩養分釋放，延長尿素擴散時間，是提高氮肥利用率[43]，降低氮肥田間排放的可行之策。

經調查，該地區存在嚴重過量施氮現象，且年均施氮量呈逐年增長的趨勢[44]。大量的氮肥投入至田間，只有少量被作物利用，大量殘余氮肥滯留在田中，經過土壤硝化、反硝化、分解等作用釋放氧化亞氮至大氣。在保證作物產量的同時，降低氮肥用量，可大大減少氮肥對碳足跡貢獻度。根據《2017年春季主要農作物推薦施肥意見》(下簡稱《意見》)[45]有關2017年江蘇濱海灘涂推薦施肥量數據，大麥、小麥推薦施氮量(N)為233.16kg/hm2，玉米208.8kg/hm2，水稻180.0kg/hm2，皆低于該地實際情況。若使用《意見》提供的施氮量對碳足跡進行評價，大麥、小麥、玉米、水稻排碳量將減少15.63%,14.38%,73.92%,55.58%，碳足跡分別可降低16.58%,18.76%,39.09%,31.75%。

除降低氮肥施用環節碳排放之外，水稻灌溉、農業機械使用、秸稈殘留等環節碳排放依然不能小覷。在水稻灌溉方面，采用覆地膜等方法改良土壤儲水性，使用滴灌等先進灌溉設備和灌溉技術，集約化節水灌溉，發展節水農業是降低水稻生產碳足跡的有效方法；在農業機械使用方面，因農機作業排碳量受人、機器和作業環境等多種因素的綜合影響[46]，推行更為有效的操作方法和選擇適合于濱海墾區耕地特點的機器類型能顯著提高耕作效率[47]，而采取保護性耕作，少耕、免耕，一定程度上也可減少農機的使用[19]；在農業生產方式上，推行種養結合與生態農業，大力引入有機肥降低化肥使用量，積極推行秸稈肥料化和秸稈還田工作，因地制宜開展農作物秸稈的有效利用[48]。

4 結論

(1)濱海墾區地區主要大田作物的碳足跡(以CO2當量)在0.630～0.769kg/kg之間。由大到小依次為，玉米0.769±0.224kg/kg、水稻0.739±0.241kg/kg、小麥0.636±0.183kg/kg和大麥0.630±0.184kg/kg。玉米作為研究區廣泛種植的糧食作物，氮肥投入量大，其碳足跡顯著高于其他作物。

(2)濱海墾區主要大田作物生產的碳足跡組成結構中，氮肥生產、氮肥田間排放主要環節，對碳足跡的貢獻率分別為26.46%～37.12%和29.06%～51.94%。占比明顯大于其他地區。水稻灌溉耗能高，對碳足跡的貢獻率為23.83%。

(3)自然環境條件，農業生產方式，耕作制度等差異，使碳足跡研究框架產生巨大差異，是導致同種作物碳足跡在不同地區差異性大最主要的原因。鹽土農業小規模、家庭式的生產方式，加之鹽漬土肥力低下、含鹽量大的土壤肥力狀況，農業生產過程中施肥量較我國其他區域大，水田灌溉過程中需要更多水壓鹽，使得江蘇濱海灘涂鹽土農業碳足跡在數值和結構上兼具鮮明特點。

(4)降低鹽土農業碳足跡，重點應放在施氮和水稻灌溉兩個方面。施氮方面可采用氮肥減施、提高氮肥利用率、降低產氮肥能耗等措施；水稻灌溉方面應結合當地土壤性質改良土壤儲水性，促使犁底層形成，同時采用節水灌溉設備和灌溉方法，發展節水農業與生態農業。