楚雄市主要水稻種植區域的溫室氣體排放因素探究

段智源　王學良　何萍

摘 要 水稻種植會造成直接和間接的溫室氣體排放，采用生命周期法對楚雄市主要水稻種植區域的溫室氣體排放進行了綜合評估，揭示該區域水稻生產中溫室氣體排放的來源結構，從而為該區域水稻的低碳、減排種植提供一定參考。結果表明：1）楚雄市單位面積水稻種植的溫室氣體排放量為7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2;2）造成溫室氣體排放的項目中，稻田CH4排放量>豬糞施用排放量>復合肥排放量>氮肥排放量，是排放量最大的4個溫室氣體來源，占溫室氣體總量的49.68%、16.98%、15.25%和9.03%，其余項目對溫室氣體總量的貢獻均小于5%;3）單位稻米產量的溫室氣體排放量為692.88～719.02 kgCO2﹒t-1，單位凈收益的溫室氣體排放量為2 492.31～2 595.84 kgCO2/萬元。降低稻田CH4排放及施肥造成的溫室氣體排放是該區域水稻低碳種植的關鍵。

關鍵詞 水稻;溫室氣體;生命周期評價;產量;經濟效益

中圖分類號：TU986 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.05.080

當前，全球氣候變暖已成為世界各國共同關注的問題，造成全球持續變暖的根源被認為是近年來幾種重要溫室氣體的快速增加，包括CO2、CH4和N2O等。人類活動排放的溫室氣體中，14%來自于農業生產[1]。水稻在生產過程中會直接或間接排放一定量的溫室氣體，其作為中國第一大糧食作物，對全球持續增溫的貢獻不容忽視[2-6]。目前，對于水稻生產過程中溫室氣體排放的研究，主要著重于種植過程中水稻田造成的CH4排放和施用氮肥造成的N2O排放[7-9]。較多研究表明，施肥、灌溉、秸稈還田等措施都會對水稻種植過程中的溫室氣體排放造成影響[8，10-11]。

事實上，除種植過程會直接造成溫室氣體排放外，水稻生產前和生產后的諸多過程都會間接造成溫室氣體的排放，如化肥、農藥的生產，種子的運輸，耕作過程中柴油的消耗等。因此，為了更加全面地評估水稻生產造成的溫室氣體排放，一些學者開始用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）的方法對該過程進行研究，結果顯示，間接造成的溫室氣體排放也占有不可忽視的比例[5，12-13]。

楚雄市是云南省重要的水稻生產區域，目前對于楚雄市的水稻生產已有較多研究，主要集中在育種、田間管理、提高產量和經濟效益等方面[14-16];而對于該區域水稻生產過程中溫室氣體排放的研究還較少。因此，采用生命周期評價的方法對楚雄市典型水稻生產區域的溫室氣體排放進行評估，揭示該區域水稻生產中溫室氣體排放的來源結構，從而為該區域水稻的低碳、減排種植提供一定參考。

1 研究區域概況

楚雄市位于云貴高原中部，地跨東經100°35′～101°48′、北緯24°30′～25°15′;屬于北亞熱帶季風氣候區，冬干夏濕，氣溫日差較大，年差較小;冬無嚴寒、夏無酷暑;干濕季分明，雨熱同季;日照充足，年均日照為2 422 h，無霜期242 d，冬季降水偏少。年降水量為864 mm，年均氣溫為17.4 ℃。其中，水稻生產的主要區域分布在東瓜、蒼嶺、紫溪、東華、呂合和子午6個下轄鎮境內。研究選取了東瓜、蒼嶺、紫溪、東華和子午作為具體的調查區域，這5個區域的水稻生產均是在楚雄彝族自治州農業科學研究推廣所的指導下進行的，種植面積大且種植模式統一，較能代表楚雄市的水稻生產模式。

2 基本原理與研究方法

2.1 生命周期評價方法

生命周期評價方法是一種“從搖籃到墳墓”的系統研究方法，其最開始用于工業方面的評估;2004年，Brentrup等[17]設計了適用于農業生產的生命周期評價方法，其系統邊界包括原材料的收集、相關農資的生產和農作生產3個環節，基于該方法，農作中產生的溫室氣體能夠得到全面、系統的評估。參照其研究成果，本研究中水稻生產的溫室氣體排放邊界從水稻生產上游與水稻生產相關農用物資的原材料采集開始，包含水稻生產相關的化肥、農藥、柴油的生產、運輸、原料采集等環節的溫室氣體排放、水稻種子生產的排放、施用肥料造成的排放、加工稻米消耗電能造成的排放，直到加工成稻米結束，計算公式如式1所示。

式中，Cf為溫室氣體排放總量，n表示生產過程中消耗了n種物質（農藥、化肥、能源等），Cfi為第i種物質的溫室氣體排放，mi為第i種物質的消耗量，βi為第i種物質的溫室氣體排放因子。溫室氣體排放量的單位是kgCO2·hm-2，以排放的二氧化碳當量（Carbon dioxide equivalent）計算[18-19]。

2.2 數據收集

研究中造成溫室氣體排放的項目主要包括農用物資、能源消耗、施肥造成的田間溫室氣體排放等，其中種子的消耗量、肥料的用量、農藥的用量來自于楚雄彝族自治州農業科學研究推廣所提供的數據;柴油的消耗量、電能的消耗量通過實地調查獲得。東瓜、蒼嶺、紫溪、東華、子午5個區域種植的水稻品種為楚粳-27號、楚粳-28號、楚粳-29號、楚粳-37號，楚粳-39號和楚粳-80號等，具體種植品種由農戶根據自己意愿選擇;產量分別為11 194.5 kg·hm-2、11 091 kg·hm-2、11 346 kg·hm-2、11 250 kg·hm-2、10932 kg·hm-2，而水稻加工的耗電量為2.65 kW·h·t-1，因此換算得到5個區域的水稻加工耗電量分別為29.7 kW·h·hm-2、29.4 kW·h·hm-2、30.1 kWh·hm-2、29.8 kW·h·hm-2、29.0 kW·h·hm-2。

氮肥類型為尿素，含氮量為46.4%;磷肥類型為過磷酸鈣，P2O5含量為12%;復合肥類型為氮磷鉀復合肥，其中N、P2O5、K2O含量均為15%;除草劑類型為98%殺草丹和田毛;殺菌劑類型為25%咪鮮胺、硫環唑、富士1號和井崗霉素;殺蟲劑類型為高氯馬。如表1所示，為楚雄市水稻生產涉及溫室氣體排放的項目。

2.3 排放因子

排放因子是指消耗某種物質單位物質的量所造成的溫室氣體排放量，因為各種物質的單位不盡相同，所以不同物質的排放因子單位也有所差異。如表2所示，排放因子一部分為直接引用前人的研究成果，包括氮肥的生產、氮肥的施用、磷肥的生產、除草劑的生產、殺菌劑的生產、殺蟲劑的生產、耕地所消耗柴油的生產、灌溉及水稻加工所消耗的電能生產。

另外一部分在參照前人研究成果的基礎上間接計算得出：復合肥的N、P2O5、K2O含量均為15%，而氮肥生產、磷肥生產和鉀肥生產的排放因子分別為4.005 kgCO2/kgN、3.894 kgCO2/kgP和5.213 kgCO2/kgK[20]，因此計算得到復合肥生產的排放因子為1.505 kgCO2/kg肥料;豬糞的含氮量參考梁亞男等[21]的研究成果，取2.72%，根據省級溫室氣體清單編制指南（試行），氮肥輸入云南地區農田的排放因子為0.010 6 kgN2O/kgN[22]，而單位質量N2O的全球增溫潛勢是CO2的310倍[23]，因此換算得到豬糞施用的排放因子為0.089 kgCO2/kg豬糞;同理可得氮肥施用的排放因子為3.286 kgCO2/kgN，復合肥施用的排放因子為0.493 kgCO2/kg復合肥;水稻田的CH4排放參照省級溫室氣體清單編制指南（試行），云南地區水稻田的CH4排放因子為156.2 kg·hm-2，而單位質量的CH4的全球增溫潛勢是CO2的25倍，因此換算得到稻田CH4的排放因子為3 905 kgCO2·hm-2[23]。

2.4 成本的計算方法

研究中將種子、化肥、農藥、柴油和電能的投入作為成本，如表3所示，根據這些項目的單價計算得到水稻生產的成本。

3 結果與分析

3.1 溫室氣體排放總量

如表4所示，5個區域的水稻種植均是在楚雄彝族自治州農業科學研究推廣所的指導下進行，造成溫室氣體排放的項目僅在每公頃加工的稻谷一項略有差異，因此5個區域水稻種植的溫室氣體排放量也較接近，為

7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2，各排放項目占總排放量的百分比也幾乎相同。其中水稻田甲烷排放造成的溫室氣體排放量為3 905.0 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的49.68%，是最主要的排放源;施用豬糞造成的溫室氣體排放為1 335.00 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的16.98%;復合肥生產和施用共造成溫室氣體排放1 198.8 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的15.25%;氮肥生產和施用共造成溫室氣體排放710.44 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的9.03%。

總的來說，肥料造成的直接溫室氣體排放（N2O的排放）為1 950.99 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的24.82%;間接溫室氣體排放（化肥的生產）為1 423.43 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的18.11%;肥料的施用共計造成溫室氣體排放3 374.41 kgCO2·hm-2，占水稻生產溫室氣體排放量的42.93%，是除稻田甲烷排放外第2大溫室氣體排放源。

其他項目包括種子的生產、農藥的使用和能源的消耗造成的溫室氣體排放相對較少，分別為50.82 kgCO2·hm-2、149.57 kgCO2·hm-2和381.27 kgCO2·hm-2，分別占水稻生產溫室氣體排放量的0.65%、1.90%和4.85%。

3.2 單位產量和產值的溫室氣體排放量

根據各區域的溫室氣體排放量、水稻的產量、水稻生產的成本及當地稻米收購的價格（3.05元/kg），計算了單位稻米產量的溫室氣體排放量及單位凈收益的溫室氣體排放量。如表5結果顯示，5個區域單位稻米產量的溫室氣體排放量為692.88～719.02 kgCO2·t-1，單位凈收益的溫室氣體排放量為2 492.31～2 595.84 kgCO2/萬元，該兩項值的大小均是子午最高，紫溪最低。原因是5個區域在相同的的水稻生產措施下，單位面積的產量有所差異，從而造成了單位面積的凈收益也有所不同;在此生產條件下，隨著水稻產量的提高，該兩項指標均呈現出降低的趨勢，進一步說明了由于產量的差異造成的各區域加工水稻耗電差異對溫室氣體排放的影響較小。因此5個區域在種植模式相同的情況下，提高產量有益于降低單位產量的溫室氣體排放和單位凈收益的溫室氣體排放，是相對低碳和環保的選擇。

4 討論

通過詳細調查楚雄市5個典型水稻種植區域的各項農資消耗，測算出單位面積的溫室氣體排放量為7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2。國內一些學者對不同區域水稻種植的溫室氣體作了一定測算，其結果與本研究不盡相同。例如徐小明[20]借助DNDC模型測算了吉林省西部水稻生產的溫室氣體排放為13 303 kgCO2·hm-2，比本研究的結果高73.2%，原因主要是其研究根據DNDCM模型估算得到的CH4排放量相當于8 250～11 500 kgCO2·hm-2，為本研究的211.3%～294.5%;曹黎明等[5]測算得到上海市水稻生產的碳足跡為11 811.4 kgCO2﹒hm-2，比本研究高53.8%，其研究監測到的CH4排放量相當于7 918.1～9 943.1 kgCO2·hm-2，為本研究的202.8%～254.6%，而較多大田試驗方面的研究表明，水稻田的CH4排放量相當于1 985.0～4 447.5 kgCO2·hm-2[3，7-8]。目前已有研究表明，稻田CH4和N2O的排放量受到氣候、土壤、施肥管理等多種因素的影響[6，19]，因此該項數值在各個具體的研究中均不盡相同。若能在研究區域開展觀測試驗，直接測定稻田CH4的排放量，溫室氣體核算數值準確性將得到進一步提高。

此外，研究中對溫室氣體排放的核算參數涉及到多種農用物資，這些農用物資都對應著一定的排放參數。隨著相關研究的開展，這些排放參數的數值將日益精確。

5 結論

通過列出楚雄市主要水稻種植區域的各種溫室氣體排放源及對應的溫室氣體排放量，計算了單位產量和單位經濟效益的排放強度，可作為楚雄市區域溫室氣體清單編制的依據，也為水稻的低碳種植提供一定參考。研究表明，稻田CH4排放和施肥造成的排放是該研究區域水稻生產的主要溫室氣體來源。因此，降低稻田CH4排放、合理施肥以降低施肥造成的溫室氣體排放是低碳種植的關鍵。

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（責任編輯：趙中正）

收稿日期：2020-01-15

作者簡介：段智源（1989—），男，云南楚雄人，碩士，助教，研究方向為農業氣象與農業環境。E-mail： 785282356@qq.com。