華北平原冬小麥－夏玉米種植模式碳足跡研究

史磊剛 陳 阜 孔凡磊 范士超

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點開放實驗室，北京100193)

華北平原冬小麥－夏玉米種植模式碳足跡研究

史磊剛 陳 阜 孔凡磊 范士超

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點開放實驗室，北京100193)

農(nóng)業(yè)碳足跡理論可以系統(tǒng)評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人為因素引起的碳排放，是構(gòu)建低碳農(nóng)業(yè)的理論基礎(chǔ)，對實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。為探明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳足跡，本文基于河北吳橋縣農(nóng)戶生產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及研究方法，評價了華北平原冬小麥－夏玉米兩熟種植模式的碳足跡。結(jié)果表明:冬小麥－夏玉米種植模式碳足跡的大小為1 737．37±337．02 kgCe/hm2·a，生產(chǎn)1 kg糧食的碳成本是0．12 ±0．03 kgCe，其中冬小麥的碳足跡是 1 101．3l±251．91 kgCe/hm2·a，小麥的碳成本是 0．16 ±0．04 kgCe/kg，夏玉米的碳足跡是636．06±163．90 kgCe/hm2·a，玉米的碳成本是0．08±0．02 kgCe/kg。冬小麥 － 夏玉米種植模式碳足跡的組成中，化肥占總量的61．76%，電能占25．03%，柴油占7．44%，種子占4．75%，農(nóng)藥占1．02%。同時，發(fā)現(xiàn)N肥的施用量和電能消耗量均與碳足跡有正相關(guān)性，種植規(guī)模與碳成本有負相關(guān)性。因此，構(gòu)建節(jié)肥、節(jié)水及規(guī)模化的低碳種植模式是實現(xiàn)華北平原農(nóng)業(yè)節(jié)能減排的重要途徑。

小麥－玉米兩熟制;碳足跡;碳成本;低碳農(nóng)業(yè)

碳足跡是指人類在生產(chǎn)和消費過程中的碳排放總量，是一種測量人類碳排放對全球溫室效應(yīng)影響的新方法［1－3］。目前，能源和城市建設(shè)等領(lǐng)域中的碳足跡得到高度關(guān)注［4－7］，農(nóng)業(yè)碳足跡能夠系統(tǒng)地評價耕作、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，定量測算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響［8－9］。目前，農(nóng)業(yè)碳足跡的研究尚處于起步階段，主要研究集中在區(qū)域農(nóng)業(yè)碳足跡、作物碳足跡和糧食碳足跡(碳成本)。Nelson等測算了美國農(nóng)業(yè)的碳足跡［10］，Dubey和Lal研究了美國俄亥俄州和印度旁遮普邦的農(nóng)業(yè)碳足跡，并對兩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性進行了評價［11］;國外多位學(xué)者分別對冬油菜、春燕麥和冬小麥等多種農(nóng)作物從播種到收獲整個田間生長期的碳足跡進行了研究［10，12－14］。國內(nèi)農(nóng)業(yè)碳足跡僅有少量報道，梁龍等評估了生產(chǎn)1 t小麥－玉米的碳成本［15］，本實驗室前人計算了冬小麥—夏玉米種植模式(以下簡稱為“麥玉模式”)農(nóng)資部分的碳足跡［16－17］。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對農(nóng)業(yè)碳足跡進行了研究，但研究結(jié)果存在很大差異。本研究基于實地調(diào)研的農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論，并綜合投入—產(chǎn)出法和生命周期法，對華北平原麥玉兩熟模式的碳足跡進行研究，以期獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放清單，為農(nóng)業(yè)節(jié)能減排提供有效的指導(dǎo)。

1 研究方法

本研究以華北平原典型的冬小麥—夏玉米兩熟制種植區(qū)域—河北吳橋縣為例，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)，分析華北平原主體種植模式—麥玉兩熟模式的碳足跡。

1．1 農(nóng)業(yè)碳足跡的涵義

碳足跡理論源于生態(tài)足跡，農(nóng)業(yè)碳足跡主要是在West和Lal等人對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的成果上形成的［8，18－20］。農(nóng)業(yè)碳足跡可以系統(tǒng)定量地計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，由人為因素引起的各種直接和間接的碳排放總量及各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)上排放的分量。農(nóng)業(yè)碳足跡可以有效地評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響，是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排的理論基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)碳足跡包括直接碳足跡和間接碳足跡:直接碳足跡是指在使用農(nóng)業(yè)機械進行耕地、播種和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，柴油消耗直接在農(nóng)田上的碳排放，同時也包括由于施用化肥而導(dǎo)致土壤增加的直接碳排放量;農(nóng)業(yè)間接碳足跡是指在生產(chǎn)運輸化肥、農(nóng)藥和種子等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料過程中，在農(nóng)業(yè)上游部門的碳排放，其中也包括灌溉消耗的電能產(chǎn)生的碳排放。

1．2 碳足跡計算方法

麥玉模式碳足跡的邊界為從玉米秸稈還田開始到收獲玉米離開農(nóng)田結(jié)束，時間為1年，冬小麥碳足跡邊界是從玉米秸稈還田開始到小麥收獲結(jié)束，夏玉米碳足跡的邊界是從玉米播種開始到玉米收獲結(jié)束。農(nóng)業(yè)碳足跡的測算內(nèi)容為1．2中的直接碳足跡和間接碳足跡，計算公式如下:

Cf為農(nóng)業(yè)碳足跡，n表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程消耗了n種能源(柴油和電能等)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料(化肥、農(nóng)藥和種子等)，Cfi表示第i種能源或農(nóng)資的碳足跡，m為消耗第i種能源或農(nóng)資的量，β為第i種能源或農(nóng)資的碳排放參數(shù)，碳足跡的單位是kg Ce/hm2·a。

糧食碳足跡也稱為糧食碳成本，麥玉模式糧食碳成本是麥玉模式碳足跡與糧食單產(chǎn)的比值，小麥和玉米的碳成本分別是冬小麥和夏玉米碳足跡與各自單產(chǎn)的比值，碳成本單位是kg Ce/kg。

1．3 碳排放參數(shù)選擇

由于農(nóng)業(yè)碳足跡研究目前尚處于萌芽狀態(tài)，國內(nèi)許多碳排放參數(shù)還是空白，本研究參數(shù)參考前人研究的結(jié)果，并依據(jù)“就近原則”，首選國內(nèi)的參數(shù)，其次是國外的參數(shù)，若相同項目存在多個參數(shù)，選取權(quán)威的或取平均值。各種物質(zhì)的碳排放參數(shù)見表1，并統(tǒng)一用單位數(shù)量排放的碳當(dāng)量來表示(Carbon equivalent，簡稱“Ce”)［8］。

1．4 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本研究數(shù)據(jù)來源于實地農(nóng)戶生產(chǎn)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括種植規(guī)模、化肥用量、灌溉用電量、農(nóng)機投入消耗的柴油量、播種量和農(nóng)藥用量。采用SPSS13．0和Excel 2007統(tǒng)計軟件，進行方差分析和相關(guān)顯著性檢測。

表1 不同農(nóng)業(yè)資料的碳排放參數(shù)Tab．1 Index of carbon emission of differentmaterial for agricultural production

2 結(jié)果與分析

2．1 冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡清單

麥玉模式在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥、柴油、電能、種子和土壤N2O排放量，以及相應(yīng)的碳足跡見表2。麥玉模式總的碳足跡是1 737．37±337．02 kgCe/hm2·a，冬小麥碳足跡是 1 101．31 ±251．91 kgCe/hm2·a，夏玉米碳足跡是636．06 ±163．90 kgCe/hm2·a，冬小麥的碳足跡比夏玉米的多 534．05 kgCe/hm2·a。

麥玉模式碳足跡可分為化肥、電能、柴油、種子和農(nóng)藥五大部分(由于土壤N2O排放是施用N肥造成的，因此該部分碳足跡歸入化肥部分)，詳見表2和圖1。施用化肥造成的碳足跡為 1 072．00 ±223．11 kgCe/hm2·a，占總碳足跡的 61．76%;灌溉消耗電能的碳足跡為 434．88±264．60 kgCe/hm2·a，占總量的 25．03%;農(nóng)業(yè)機械投入消耗柴油的碳足跡是 129．24 kgCe/hm2·a，占總量的7．44%;種子碳足跡為 82．49 ±9．93 kgCe/hm2·a，占總量的4．75%;農(nóng)藥碳足跡為17．75 kgCe/hm2·a，占總碳足跡的1．02%。冬小麥和夏玉米碳足跡的構(gòu)成情況與麥玉模式碳足跡相似，按各部分碳足跡比重，從大到小依次為化肥、灌溉、柴油、種子和農(nóng)藥。

麥玉模式中化肥碳足跡由氮肥、磷肥和鉀肥組成，其中氮肥碳足跡占化肥碳足跡的93．93%，磷肥占5．11%，鉀肥占 1．96%;氮肥碳足跡中，生產(chǎn)和運輸部分占73．11%，土壤N2O部分占26．89%。冬小麥和夏玉米各自三種肥料的碳足跡比例與麥玉模式的情況相似，都是氮肥最多，磷肥此次，鉀肥最少，但是冬小麥化肥碳足跡比夏玉米的多44．63%，其中氮肥多43．08%，磷肥多91．90%，鉀肥多18．38%。

麥玉模式電能碳足跡是434．88 ±264．60 kgCe/hm2·a，冬小麥電能碳足跡為 309．01 ±181．44 kgCe/hm2·a，夏玉米電能碳足跡為125．87±96．10 kgCe/hm2·a，冬小麥電能碳足跡是夏玉米的近3倍。

麥玉模式柴油碳足跡中，玉米秸稈還田碳足跡所占比例最大，約占30%;旋耕和小麥收獲所占比例略小，各約占27%;冬小麥和夏玉米播種碳足跡最小，各約占8%。冬小麥柴油部分碳足跡是夏玉米的近13倍。

麥玉模式中農(nóng)藥碳足跡由除草劑、殺蟲劑和殺菌劑組成，其中除草劑碳足跡約占農(nóng)藥總碳足跡的70%，殺蟲劑和殺菌劑碳足跡各約占15%。冬小麥農(nóng)藥碳足跡中，殺菌劑碳足跡所占比例最大，殺蟲劑次之，除草劑最少;夏玉米農(nóng)藥碳足跡中，除草劑所占比例最大，殺蟲劑次之，殺菌劑最少。

2．2 冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡影響因素分析

麥玉模式的碳足跡受多種因素的影響，用相關(guān)分析法分別檢驗各項農(nóng)資消耗量與麥玉模式碳足跡的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有N肥的施用量和電能消耗量與碳足跡存在正相關(guān)性(見圖2、圖3)。

表2 冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡清單Tab．2 List of carbon footprint ofwinter wheat-summermaize cropping pattern

圖1 冬小麥－夏玉米種植模式碳足跡構(gòu)成Fig．1 Composition of carbon footprint ofwinter wheat-summermaize cropping pattern

圖2 N肥施用量與冬小麥－夏玉米種植模式碳足跡的相關(guān)性Fig．2 Correlation between amount of applying nitrogenous fertilizer and carbon footprint ofwinter wheat-summermaize cropping pattern

N肥施用量與麥玉模式、冬小麥和夏玉米的碳足跡均存在顯著的正相關(guān)性(P 值分別為 0．62＊＊，0．70＊＊和0．80＊＊)。由圖2可以看出，每公頃增施1kg N 肥，麥玉模式的碳足跡增加2．23 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為 y=2．226x+804．5)，冬小麥碳足跡增加 2．71 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為y=2．714x+432．0)，夏玉米碳足跡增加2．16 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為 y=2．156x+264．3)，可見N肥施用量對冬小麥碳足跡的影響程度略大于夏玉米碳足跡。

圖3 電能消耗量與碳足跡的相關(guān)性Fig．3 Correlation between the amount of applying electricenergy and carbon footprint ofwinter wheat-summermaize cropping pattern

灌溉電能消耗量與麥玉模式、冬小麥和夏玉米的碳足跡也均存在顯著的正相關(guān)性(P 值分別為 0．75＊＊、0．80＊＊和0．47＊＊)。由圖 3可知，每公頃多消耗 1 kWh電，麥玉模式的碳足跡就增加0．24 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為y= 0．238x + 1 323)，冬小麥的碳足跡增加0．34 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為 y=0．340x+649．9)，夏玉米的碳足跡增加0．20 kgCe/hm2·a(趨勢線方程為y=0．199x+535．4)，可見電能消耗量對冬小麥碳足跡的影響程度顯著大于夏玉米。

2．3 不同種植規(guī)模冬小麥—夏玉米模式的糧食碳成本比較

麥玉模式糧食碳成本為0．12±0．03 kgCe/kg，小麥碳成本和玉米碳成本分別為 0．16±0．04和 0．08±0．02 kgCe/kg。不同種植規(guī)模的麥玉模式生產(chǎn)糧食(小麥和玉米)的碳成本情況見圖4。

由圖4可知，麥玉模式糧食碳成本、小麥碳成本和玉米碳成本均與種植規(guī)模成顯著的負相關(guān)性(P值分別為－0．31＊＊，－0．29＊＊和 －0．19＊＊)，碳成本隨著種植規(guī)模的增大而呈下降趨勢。進一步將種植規(guī)模分為小(0－5畝)、中(5－10畝)和大(≥10畝)三種類型進行研究，發(fā)現(xiàn)麥玉模式的糧食碳成本在小、中和大規(guī)模類型上的碳足跡分別為 0．13 ± 0．03，0．12 ± 0．03 和 0．10 ± 0．02 kgCe/kg;小麥在3類種植規(guī)模上的碳成本分為0．17±0．04，0．16 ±0．04 和 0．14 ±0．03 kgCe/kg;玉米相應(yīng)的碳成本分別為 0．09 ± 0．02，0．08 ± 0．03 和 0．07 ± 0．02 kgCe/kg?？梢?，麥玉模式的糧食碳成本、小麥和玉米碳成本在3種種植規(guī)模中的碳成本均是小規(guī)模類型最高，中規(guī)模的較低，大規(guī)模的最低。

圖4 不同種植規(guī)模冬小麥－夏玉米種植模式碳成本Fig．4 Carbon cost ofwinter wheat-summermaize cropping pattern at different cropping scopes

3 討論與結(jié)論

3．1 華北平原麥玉模式節(jié)能減排潛力巨大

農(nóng)業(yè)碳足跡受土壤、農(nóng)作措施及社會經(jīng)濟等多因素的影響，并且各因素彼此之間又存在互作，因此不同區(qū)域，不同種植模式，農(nóng)業(yè)碳足跡差異顯著;相同區(qū)域內(nèi)不同種植模式以及相同種植模式在不同區(qū)域都會存在差異。Nelson等計算美國農(nóng)業(yè)的碳足跡是 91 －365 kgCe/hm2·a［6］;Hillier等人在蘇格蘭研究了冬油菜、春燕麥、冬燕麥、豆菜和冬小麥5種作物的碳足跡分別為436，310，388，125和764．9kgCe/hm2·a［10］;Mondelaers等計算出普通小麥的碳成本為0．08 kgCe/kg［10］;梁龍等測算冬小麥－夏玉米的碳成本是0．15 kgCe/kg［15］;本實驗室前人研究麥玉模式農(nóng)資部分的碳足跡為 762．90 kgCe/hm2·a［13］。本研究麥玉模式的碳足跡普遍高于國內(nèi)外研究結(jié)果，主要原因如下:國外農(nóng)業(yè)碳足跡研究的主要是一年一熟的種植模式，麥玉兩熟模式在化肥、水和機械等投入量上顯著高于國外;農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、水和農(nóng)藥等農(nóng)資利用效率低;土壤N2O的排放主要是人為施用化肥造成的，有些研究結(jié)果并未包含這部分［16－17］;國產(chǎn)農(nóng)機能耗高和農(nóng)戶播種量偏大也是造成碳足跡高的原因。總之，由于本研究中數(shù)據(jù)來源是調(diào)研所得，碳排放參數(shù)是借鑒前人研究的結(jié)果，因此所得的麥玉模式的碳足跡與真實值會存在一定差異，但是研究結(jié)果表明華北地區(qū)麥玉模式的碳足跡是相對較高的，麥玉模式在生產(chǎn)管理方面具有巨大的節(jié)能減排潛力，且冬小麥是重點。

3．2 化肥和灌溉是影響麥玉模式碳足跡的關(guān)鍵

麥玉模式碳足跡組成中，化肥尤其是施用氮肥造成的碳足跡所占的比重最大，這與其他學(xué)者研究結(jié)果相同［9，17，24］。主要原因是化肥本身在生產(chǎn)和運輸?shù)倪^程中需要消耗大量的化石燃料，另一方面糧食增產(chǎn)很大程度上依靠化肥，農(nóng)民施用化肥的量相對較多，從而造成化肥部分的碳排放量就相對最大。灌溉消耗電能造成的碳足跡所占比重顯著高于他人研究結(jié)果［9，17，24］，主要原因是吳橋地區(qū)灌溉用水部分很大部分來自于深層地下水，耗能必然顯著高于使用地表水或淺層地下水的情況?；屎碗娔軆身椪伎偺甲阚E的絕大部分，因此，加強研發(fā)和普及適合當(dāng)?shù)氐臏y土配方施肥和滴灌等節(jié)肥和節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥和水分的利用效率，是降低華北地區(qū)農(nóng)業(yè)碳足跡的關(guān)鍵。

3．3 規(guī)模種植對糧食碳成本的影響

本研究發(fā)現(xiàn)麥玉模式的糧食碳成本隨種植規(guī)模增大而呈下降趨勢，與Lal的研究結(jié)果相似［4］。主要原因是種植規(guī)模大的農(nóng)戶生產(chǎn)管理相對科學(xué)，提高了水肥的利用效率。可見種植規(guī)?；瘜崿F(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)具有積極作用，但是由于種植規(guī)模效益同時受經(jīng)濟社會條件的影響，在不同區(qū)域，效果會存在差異，因此本研究結(jié)果有待進一步完善?？傊狙芯坷锰甲阚E理論及研究方法評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡，初步測算出了華北平原主體種植模式(冬小麥—夏玉米兩熟制)的碳足跡，并初步繪制了種植冬小麥和夏玉米過程中在施肥、灌溉和農(nóng)機投入等各個環(huán)節(jié)上的碳排放清單，以及生產(chǎn)小麥和玉米的碳成本。本研究豐富了碳足跡理論，為今后優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡，構(gòu)建低碳農(nóng)作系統(tǒng)和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排邁出了關(guān)鍵的一步。

致謝:本研究在河北吳橋縣調(diào)查農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，得到了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋試驗站魯來清站長，本實驗室楊再潔、羅永彬和周志冠等同學(xué)的幫助，在此一并感謝!

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The Carbon Footprint of W inter W heat-Summer M aize Cropping Pattern on North China Plain

SHILei-gang CHEN Fu KONG Fan-lei FAN Shi-chao
(Key Laboratory of Farming System，Ministry of Agriculture/College of Agronomy and Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100193，China)

The theory on carbon footprint of agriculture can systematically evaluate the carbon emission caused by artificial factors，from agricultural production process，which is the theoretical basis for constructing low-carbon agriculture and has important guiding significance in realizing low-carbon agriculture．In order to get a clear understanding of carbon footprint in agricultural production，this paper，Based on the farmer’s production survey data from Wuqiao County of Hebei Province，we systematically evaluated the carbon footprint of winter wheat-summermaize cropping pattern by using agricultural carbon footprint theory．The resultswere as follows:The carbon footprint of winter wheat-summermaize cropping pattern was 1 737．37 ± 337．02 kg Ce/hm2·a，and the carbon cost of grain was 0．12 ±0．03 kg Ce/kg;the carbon footprint of winter wheatwas 1101．31 ±251．91 kg Ce/hm2·a，and the carbon cost of wheat was 0．16 ±0．04 kg Ce/kg;the carbon footprint of summermaize was 636．06 ±163．90 kg Ce/hm2·a，and the carbon cost ofmaize was．0．08 ± 0．02 kg Ce/kg．In the composition of carbon footprint of winter wheat-summer maize cropping pattern，61．76%was chemical fertilizer;25．03%electricity;7．44%diesel;4．75%seed;1．02%pesticides．The amount of nitrogenous fertilizer and electricity consumption was positively correlated with the carbon footprint and the scale of planting was negatively correlated with the carbon cost．Therefore，the construction of low-carbon agricultural cropping patternswith water-saving，fertilizer-saving and a large scale，is an importantway to realize agricultural energy saving and emission reduction on North China Plain．

wheat-maize cropping pattern;carbon footprint;carbon cost;low-carbon agriculture

S34

A

1002－2104(2011)09－0093－06

10．3969/j．issn．1002－2104．2011．09．016

2011－04－29

史磊剛，博士生，主要研究方向為低碳農(nóng)作制度。

陳阜，教授，博導(dǎo)，主要研究方向為農(nóng)作制度。

國家重要基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(編號:2010CB951502);國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(編號:201103001)。

(編輯:于 杰)