安徽省淮北小麥-玉米全程機(jī)械化綠色豐產(chǎn)模式碳足跡研究

王光宇，朱麗君，張揚(yáng)

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，合肥 230031）

0 引言

全球氣候變暖導(dǎo)致一系列環(huán)境問題的發(fā)生，它形成的原因之一是溫室氣體排放量的增加[1]。為應(yīng)對和緩解氣候變暖，全球應(yīng)研究并制定溫室氣體減排目標(biāo)和低碳發(fā)展戰(zhàn)略，及相應(yīng)實(shí)施規(guī)劃和行動方案[2]。作物生產(chǎn)既是“碳匯”，也是“碳源”[3]，既受氣候變化的影響，又是重要的溫室氣體排放源[4]，直接影響氣候的變化。中國農(nóng)業(yè)碳排放占全國碳排放總量的17%，是碳排放的重要來源[5]。中國作物生產(chǎn)溫室氣體排放對全球氣候變化的影響不可小覷[6]。運(yùn)用碳足跡對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放進(jìn)行研究在學(xué)術(shù)界得到了認(rèn)可[7]。碳足跡(carbon footprint，CF)是指某項(xiàng)活動或某產(chǎn)品的生命階段直接和間接的溫室氣體排放總量[8]。農(nóng)業(yè)碳足跡能夠系統(tǒng)地評價(jià)耕作、施肥和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，由人為因素引起直接和間接的碳排放總量，能夠定量測算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響[9]。

發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)、在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推行溫室氣體減排成為現(xiàn)階段應(yīng)對氣候變化的重要措施[10]。定量研究作物生產(chǎn)碳足跡，已成為科研人員研究作物生產(chǎn)溫室氣體排放情況的重要部分[11]。李春喜等[12]采用田間試驗(yàn)方法研究不同有機(jī)物料還田和減施氮肥對小麥-玉米周年農(nóng)田碳氮足跡及經(jīng)濟(jì)效益的影響。劉宇峰等[12]利用1993—2013 年的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用生命周期法，分析中國農(nóng)作物生產(chǎn)碳排放及碳足跡的時序變化。尚杰等[13]選取了2000—2017年山東濰坊市種植業(yè)數(shù)據(jù)，核算了種植業(yè)碳足跡，得出種植業(yè)規(guī)模對碳足跡具有抑制作用的結(jié)論。鄭恒等[14]從制定發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)碳交易、創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)等多個方面探索低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。還有學(xué)者圍繞減排機(jī)制[15]及政策措施[16]等內(nèi)容開展系統(tǒng)研究，為研究碳排放提供理論借鑒。

安徽淮北平原種植方式常年以小麥-玉米連作為主[17]，兩季作物的產(chǎn)前、產(chǎn)中和產(chǎn)后全生產(chǎn)過程都與能源消耗和溫室氣體排放密切關(guān)聯(lián)，如化肥、農(nóng)藥、種子等農(nóng)資投入，以及耕作、植保、灌溉和收獲過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)均不同程度地帶來了溫室氣體排放。因此，本研究擬通過種植全過程農(nóng)資投入和農(nóng)機(jī)耗能數(shù)據(jù)的調(diào)查，采用生命周期法進(jìn)行碳足跡分析，揭示淮北平原連作的兩季作物生產(chǎn)碳排放結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確而全面地評估該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放，制定科學(xué)有效的減排措施，也為發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供參考。

1 研究材料與方法

本研究以“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“安徽糧食多元種植規(guī)模化豐產(chǎn)增效技術(shù)集成與示范”在安徽淮北平原集成的創(chuàng)新模式——小麥-玉米全程機(jī)械化綠色豐產(chǎn)模式為研究對象，對照模式為小麥-玉米連作高產(chǎn)技術(shù)模式，基于實(shí)地調(diào)研的農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及研究方法，參考前人相關(guān)研究的碳排放參數(shù)，分析模式碳足跡。

1.1 模式技術(shù)要點(diǎn)

小麥-玉米全程機(jī)械化綠色豐產(chǎn)模式（創(chuàng)新模式）：優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種+土壤培肥+旋耕施肥播種一體化（專用保持性復(fù)合肥）+重施拔節(jié)肥+機(jī)械噴防+小麥機(jī)械收獲秸稈還田一體化+籽粒機(jī)收+玉米品種+板茬種肥同播（專用保持性復(fù)合肥）+熱霧機(jī)防治病蟲害+玉米機(jī)械收獲秸稈還田一體化，適時晚收。

小麥-玉米連作高產(chǎn)技術(shù)模式（傳統(tǒng)模式）：半冬偏冬高產(chǎn)小麥品種+旋耕+施肥（常規(guī)復(fù)合肥+拔節(jié)追尿素）+旋耕播種+一噴三防+小麥機(jī)械收獲+秸稈還田+高產(chǎn)玉米品種+帶狀旋播或種肥板茬同播（常規(guī)復(fù)合肥+大喇叭口追尿素）+病蟲害防治+玉米機(jī)械收獲+秸稈粉碎還田+2～3年翻耕1次。

1.2 碳足跡計(jì)算的邊界

本研究碳足跡分析評價(jià)以小麥、玉米連作，從小麥播種到連作玉米收獲的一個完整生命周期為研究界限，核算其生產(chǎn)過程碳足跡，并與傳統(tǒng)小麥-玉米連作高產(chǎn)技術(shù)模式對比，為有針對性地制訂生產(chǎn)計(jì)劃、改善生產(chǎn)管理方式，在豐產(chǎn)的基礎(chǔ)上降低農(nóng)田溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約與環(huán)境友好的目標(biāo)。

本研究碳足跡計(jì)算包括（1）兩季作物生產(chǎn)的整個生命周期中農(nóng)資投入，如化肥、種子、柴油和農(nóng)藥等，這些投入品在生產(chǎn)、加工及運(yùn)輸過程中都直接或間接地使用了能源，相應(yīng)地排放了CO2[18]；（2）生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)農(nóng)事操作造成的能源消耗（如耕作、植保、播種、收獲和灌溉等）帶來CO2排放；（3）土壤非CO2排放（如CH4和N2O）。由于旱地氮肥的施用是一個弱的CH4匯，其量值比較低，在各國的溫室氣體清單中一般都不予單獨(dú)計(jì)算[19]，所以在計(jì)算旱地非CO2排放中，僅計(jì)算大田溫室氣體N2O 排放[20]，折算成CO2當(dāng)量，見折算公式(1)。

式中，298 為N2O 轉(zhuǎn)換為百年尺度上相對全球增溫潛力；為C與CO2的分子量比重。作者定義（1）和（2）為間接排放碳足跡，（3）為直接排放碳足跡。

1.3 碳足跡計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)定

1.3.1 非CO2(N2O)排放計(jì)算碳足跡計(jì)算中，N2O 排放包括2 個部分，即直接排放和間接排放。直接排放是由農(nóng)田當(dāng)季氮輸入引起的排放。輸入的氮包括氮肥、糞肥和秸稈還田。間接排放包括大氣氮沉降引起的N2O排放和氮淋溶徑流損失引起的N2O排放。農(nóng)用地N2O直接排放等于各排放過程的氮輸入量乘以其相應(yīng)的N2O排放因子，見公式(2)。

式中，N化肥為化肥氮（施入土壤氮肥和復(fù)合肥中的氮），N糞肥為糞肥氮，N秸稈為秸稈還田氮（包括地上秸稈還田氮和地下根氮。運(yùn)用經(jīng)濟(jì)系數(shù)比計(jì)算小麥、玉米秸稈量，運(yùn)用根冠比得根量，參照相關(guān)文獻(xiàn)秸稈、根系含氮量計(jì)算秸稈和根還田氮），EF直接為N2O 直接排放因子。據(jù)國家發(fā)展與改革委《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》中的全國各大區(qū)域農(nóng)用地平均N2O 排放因子推薦值，安徽居Ⅳ區(qū)，默認(rèn)值為0.0109。

農(nóng)用地N2O間接排放計(jì)算見公式(3)～(5)。

式中，20%、10%為《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》推薦值；0.01、0.0075為排放因子，采用IPCC《國家溫室氣體清單指南》的默認(rèn)值。

1.3.2 CO2間接排放計(jì)算碳足跡計(jì)算間接碳排放主要指農(nóng)田生產(chǎn)投入（如化肥、農(nóng)藥、灌溉用電等）和農(nóng)機(jī)耗能導(dǎo)致的碳排放，并將其轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量(CO2-eq)。其單位面積碳足跡計(jì)算見公式(6)。

式中，i指某一種作物在生產(chǎn)過程中投入的化肥、種子、農(nóng)藥、電力、柴油等農(nóng)資產(chǎn)品；Costi指某種農(nóng)資產(chǎn)品的投入量(kg/hm2或kWh/hm2)；EFi某種農(nóng)資產(chǎn)品排放因子。本研究排放因子間接從中國本土化生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)中獲取（表1）。CLCD是國內(nèi)目前唯一可公開獲得的中國本土生命周期評價(jià)(LCA)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)代表了中國生產(chǎn)技術(shù)及市場平均水平[21]。

單位面積碳足跡計(jì)算是將CO2排放和N2O排放造成的碳足跡相加，其中CO2排放又包含農(nóng)資投入和耗能引起間接排放，N2O 排放又包含直接排放和間接排放。

1.4 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)除參數(shù)參照相關(guān)文獻(xiàn)外，其他數(shù)據(jù)來源于實(shí)際農(nóng)戶生產(chǎn)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括生產(chǎn)資料或耗能。生產(chǎn)資料中氮肥、磷肥、鉀肥折成純氮、五氧化二磷、氧化鉀，殺蟲劑、殺菌劑、除草劑統(tǒng)一折成有效成分；耗能（電力、柴油）調(diào)查時如只得到投入金額（人民幣數(shù)量），將人民幣形式的投入數(shù)按當(dāng)年的《物價(jià)年鑒》轉(zhuǎn)化為耗能的投入量。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位面積碳足跡

2.1.1 模式碳足跡數(shù)量作者在淮北糧豐工程項(xiàng)目區(qū)2個縣，選擇若干規(guī)模化經(jīng)營主體的創(chuàng)新模式和對照模式，進(jìn)行生產(chǎn)資料投入調(diào)查，按公式(2)～(6)分別計(jì)算小麥和玉米各因素的碳足跡，由此得模式的單位面積碳足跡，詳見表2。由表2 可知，傳統(tǒng)模式單位面積總碳足跡高于集成的創(chuàng)新模式2.11%，達(dá)到2159.50 kg(CO2-eq)/hm2。其中農(nóng)資投入及農(nóng)事操作造成的能源消耗產(chǎn)生碳足跡，傳統(tǒng)模式高于集成創(chuàng)新模式6.30%，施肥造成的碳足跡（排放N2O折成碳當(dāng)量）傳統(tǒng)模式低于集成創(chuàng)新模式9.04%；從連作的作物看，傳統(tǒng)模式中的玉米單位面積碳足跡高于創(chuàng)新模式中玉米的8.20%，而小麥碳足跡低于創(chuàng)新模式中的小麥1.78%。

2.1.2 碳足跡構(gòu)成由表2 整理得圖1～6。從圖1～6 可知，無論是創(chuàng)新模式還是傳統(tǒng)模式，單位面積碳足跡貢獻(xiàn)序是一致的，為化肥＞N2O＞柴油＞種子＞電力＞農(nóng)藥，其中創(chuàng)新模式占比分別為53.18%、27.31%、8.24%、5.97%、4.80%、0.51%，傳統(tǒng)模式占比分別為43.96%、24.33%、18.40%、8.13%、4.70%、0.48%。模式內(nèi)作物間各因子碳足跡貢獻(xiàn)序稍有不同，但總體是化肥貢獻(xiàn)最大，農(nóng)藥貢獻(xiàn)最小。創(chuàng)新模式小麥單位面積碳足跡貢獻(xiàn)序?yàn)榛剩綨2O＞種子＞柴油＞電力＞農(nóng)藥，玉米為化肥＞N2O＞柴油＞電力＞種子＞農(nóng)藥；傳統(tǒng)模式小麥碳足跡貢獻(xiàn)序?yàn)榛剩静裼停綨2O＞種子＞電力＞農(nóng)藥，玉米為化肥＞N2O＞柴油＞電力＞種子＞農(nóng)藥。

表1 碳足跡計(jì)算中農(nóng)資投入品的排放因子

表2 創(chuàng)新模式與傳統(tǒng)模式單位面積碳足跡比較 kg(CO2-eq)/hm2

2.2 單位產(chǎn)量碳足跡

從單位面積碳足跡分析看，創(chuàng)新模式與傳統(tǒng)模式差異不十分明顯，僅相差44.66 kg(CO2-eq)/hm2。但從調(diào)查2 種模式作物單位面積產(chǎn)量看，相差較明顯。創(chuàng)新模式的小麥平均單產(chǎn)9743.70 kg/hm2、玉米平均單產(chǎn)9137.55 kg/hm2；而傳統(tǒng)模式小麥和玉米平均單產(chǎn)僅為7953.45、7445.40 kg/hm2。劉巽浩等[22]研究認(rèn)為，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與集約化的進(jìn)展，碳耗總量增加是必然的。農(nóng)業(yè)提倡“低碳”不等于減少碳耗總量的所謂“低碳農(nóng)業(yè)”，而是要努力追求單位產(chǎn)品以較低的耗碳率換取較高的固碳率。為此，作者計(jì)算單位產(chǎn)量的碳足跡并形成圖7。單位產(chǎn)量碳足跡(CFY)計(jì)算見公式(8)。

式中，Y為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)；CFY基于產(chǎn)量水平碳足跡；CFA單位面積碳足跡(kg(CO2-eq)/hm2)。

從圖7 可得出，創(chuàng)新模式平均每生產(chǎn)1 kg 小麥和玉米產(chǎn)生碳足跡為0.1120 kg(CO2-eq)，其中每生產(chǎn)1 kg小麥產(chǎn)生碳足跡為0.1324 kg(CO2-eq)，每生產(chǎn)1 kg玉米產(chǎn)生碳足跡0.0903 kg(CO2-eq)；而傳統(tǒng)模式分別為0.1402 kg(CO2-eq)、0.1592 kg(CO2-eq)、0.1199 kg(CO2-eq)。傳統(tǒng)模式單位產(chǎn)量碳足跡分別高出創(chuàng)新模式25.18%、20.24%、32.78%。

2.3 創(chuàng)新模式碳足跡與種植規(guī)模分析

對調(diào)查的創(chuàng)新模式每一新型經(jīng)營主體進(jìn)行碳足跡分析，發(fā)現(xiàn)不同經(jīng)營主體種植規(guī)模不同，小麥的單位面積碳足跡不同，而玉米碳足跡基本相同，相應(yīng)的小麥-玉米創(chuàng)新模式也不同。進(jìn)一步對種植規(guī)模與單位面積碳足跡進(jìn)行相關(guān)分析，得圖8。由圖8可知，小麥-玉米的創(chuàng)新模式單位面積碳足跡與種植規(guī)模構(gòu)成顯著負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.8551；同樣，模式中的小麥碳足跡和與種植規(guī)模也成顯著的負(fù)相關(guān)性。也就是說，隨著規(guī)模的增大，單位面積碳足跡變小。

3 討論

3.1 種植模式有減排的空間

本研究數(shù)據(jù)來源于調(diào)研所得，碳排放系數(shù)是借鑒前人研究的結(jié)果，因此所得的小麥-玉米模式的碳足跡與真實(shí)值可能存在一定差異，低于一些學(xué)者研究的結(jié)論[23]。如李春喜等[24]在河南省不同生態(tài)區(qū)小麥-玉米兩熟制農(nóng)田碳足跡分析得出，小麥-玉米周年碳足跡表現(xiàn)為豫北最高為5229.63 kg/hm2，豫南最低為3046.52 kg/hm2。但研究結(jié)果表明，淮北地區(qū)小麥-玉米創(chuàng)新模式較傳統(tǒng)模式的無論是單位面積碳足跡還是單位產(chǎn)量碳足跡均有所降低，這一趨勢是不會變的，即說明小麥-玉米模式在生產(chǎn)管理方面具有減排潛力，特別是玉米。

3.2 化肥是影響碳足跡的主要因素

在單位面積碳足跡研究中，無論是創(chuàng)新模式還是對照的傳統(tǒng)模式，化肥尤其是氮肥產(chǎn)生的碳足跡占比最大。這僅僅是計(jì)算間接碳排放，還不包括氮肥施入土壤促進(jìn)植物根系生長，提高根系自養(yǎng)呼吸率而引起土壤CO2直接排放量的增加[25]。主要原因是化肥在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中消耗大量的化石能源，造成CO2間接的排放增加。同時N2O 產(chǎn)生碳足跡排第2，很大程度受制于氮肥的施用。因此，加強(qiáng)研發(fā)新型肥料、科學(xué)施肥、配方施肥、肥水一體，提高肥料利用率，從而減少化肥使用量，不失為降低淮北小麥-玉米模式碳足跡的良策[26]。

3.3 種植規(guī)模影響著碳足跡

在生產(chǎn)資料和耗能投入相同情況下，規(guī)模化經(jīng)營可以在一定程度上降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)溫室氣體排放，這與先前學(xué)者研究結(jié)論相一致。閆明的研究認(rèn)為：相對較小農(nóng)田面積管理，農(nóng)戶管理較大耕地面積下，小麥和玉米單位產(chǎn)量碳足跡顯著降低[27]；大規(guī)模經(jīng)營在小麥和玉米生產(chǎn)過程中的碳排放分別比小規(guī)模經(jīng)營降低了22%～24%和2%～16%[28]。規(guī)模下經(jīng)營有利于經(jīng)營者采取和優(yōu)化作物生長的管理措施，加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，來改變土壤溫度、濕度和礦化度，發(fā)揮土壤微生物參與氮素硝化與反硝化作用，進(jìn)而影響N2O 的排放和單位面積碳足跡。

減少氮肥施用、提高氮肥利用率和發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營管理模式可能是實(shí)現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)和降低農(nóng)業(yè)溫室氣體排放、緩解氣候變化的一條重要的農(nóng)業(yè)措施[29]。這就要求一方面加大農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入，扎實(shí)做好基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為低碳型化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)提供條件；另一方面創(chuàng)新農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化激勵機(jī)制，完善農(nóng)業(yè)科技成果推廣體系，使清潔型農(nóng)業(yè)技術(shù)得到示范、推廣和應(yīng)用[30]。

4 結(jié)論

安徽淮北地區(qū)小麥-玉米連作，單位面積碳足跡傳統(tǒng)模式高于創(chuàng)新模式2.11%，達(dá)到2159.50 kg(CO2-eq)/hm2，證明模式的創(chuàng)新有利于溫室氣體的減排；無論是創(chuàng)新模式還是傳統(tǒng)模式，單位面積碳足跡貢獻(xiàn)序是一致的，為化肥＞N2O＞柴油＞種子＞電力＞農(nóng)藥；單位產(chǎn)量碳足跡傳統(tǒng)模式高出創(chuàng)新模式25.18%，達(dá)到0.1402 kg(CO2-eq)/kg；創(chuàng)新模式單位面積碳足跡與種植規(guī)模構(gòu)成顯著負(fù)相關(guān)，即隨著規(guī)模的增大，單位面積碳足跡變小。