新疆棉花//花生間作碳足跡研究

趙亞飛，李 強，侯獻飛，司 彤，王銘倫，王月福，鄒曉霞*

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學山東省旱作農(nóng)業(yè)技術重點實驗室，山東 青島 266109；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

氣候變暖已成為當前國際社會面臨的一個重要環(huán)境問題，該變化的主導因素之一是人類活動導致的碳排放增加[1-2]，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的二氧化碳、氧化亞氮和甲烷等溫室氣體排放在全球氣候變暖中起著重要作用[3]。但是，作為第一產(chǎn)業(yè)的農(nóng)業(yè)相比于其他產(chǎn)業(yè)，在減少溫室氣體排放的同時，兼有提高地力、改善土壤結構和農(nóng)業(yè)環(huán)境品質(zhì)等效應[4]，而這些效應對促進我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展大有裨益[5]，如何在進一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時不逾越資源與環(huán)境的承載能力，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[6]。采取有效種植模式及耕作措施來減少溫室氣體排放是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題[7]，而明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的碳足跡是解決此問題的先決條件。

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，中國耕地利用轉型發(fā)展成為主要趨勢，其顯性形態(tài)變化主要指空間結構的改變，耕地利用轉型將導致農(nóng)業(yè)碳排放和農(nóng)作物植被碳源匯性能的重要變化，同時對農(nóng)業(yè)碳排放產(chǎn)生重要影響[8]。合理利用不同農(nóng)作物之間的生態(tài)位差別，選取適當?shù)拈g套作模式，可以有效提高土地利用效率，是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式之一[9]。棉花//花生間作可以作為一種提高土地利用率、改善土壤養(yǎng)分的耕作方式，其不僅可以提高作物產(chǎn)量，而且具有較高的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益[10-12]，研究發(fā)現(xiàn)，棉花//花生間作可以相互提供所需養(yǎng)分，且不會產(chǎn)生競爭現(xiàn)象[13]，有利于肥料的合理運籌，經(jīng)濟高效[14]，花生可以為棉花提供自身所固定的氮，棉花可以為花生提供自身活化土壤中的磷[15]，棉花//花生間作時，花生促進了棉花的養(yǎng)分吸收，或者說棉花的競爭性相對較強，整體表現(xiàn)為經(jīng)濟效益有所提高[16]。

碳足跡(carbon footprint，CF)是對人為干擾引起的CO2排放量的度量[17]，在低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展中，對碳足跡的研究可作為指標進行參考。當前國內(nèi)在玉米[18-20]、小麥[18-20]、棉花[21]等作物上均有對碳足跡的研究，但棉花//花生間作生產(chǎn)相關過程未見研究報道。因此，本文根據(jù)兩種作物生命周期特征，構建了棉花//花生間作碳足跡模型，計算棉花//花生等幅間作模式下農(nóng)田碳足跡，并與花生單作、棉花單作兩種常規(guī)種植方式相比較，明確棉花//花生間作種植模式下主要的碳足跡來源，探索高效的農(nóng)田管理措施，在保障棉花//花生間作種植模式具有高效益的同時，可以降低農(nóng)田的溫室氣體排放，從而為實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)的協(xié)同效益提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

新疆作為我國棉花主產(chǎn)區(qū)之一，2017年種植面積達到1963.1 hm2，占全國棉花種植面積的80%，居全國第一位，總產(chǎn)408.2萬t，居全國第一位。本文以新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)疏勒縣(38°50′～39°28′N，75°57′～76°55′E)棉花、花生種植田為對象開展研究，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱型氣候，四季分明，日照長，降水少，蒸發(fā)強；年平均氣溫11.8℃，1月平均氣溫-6.5℃，7月平均氣溫25.8℃。

選取當?shù)氐湫兔藁?/花生間作、棉花單作、花生單作三種種植模式，調(diào)查收集各種植模式下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息資料，包括秸稈還田、農(nóng)資投入、氮肥施用、農(nóng)機使用及能耗情況等。

1.2 碳足跡核算邊界

文中碳足跡核算的基線情景包括：花生單作模式和棉花單作模式；項目情景包括：棉花//花生等幅間作。邊界內(nèi)碳排放核算包括下述4個板塊：①農(nóng)資投入(包括種子、肥料、農(nóng)藥、地膜等)碳排放；②農(nóng)機耗能(包括耕地、播種、收獲、灌溉)導致的碳排放；③秸稈還田造成的碳排放；④氮肥施用導致的田間N2O排放(圖1)。所有模塊的核算均采用單位面積(hm2)數(shù)據(jù)。碳足跡核算方法及參數(shù)確定參見文獻[22]。

2 結果與分析

2.1 棉花//花生間作成本效益

表1可見，三種種植模式總投入成本相比較而言，花生單作>棉花//花生間作>棉花單作。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)種子占花生生產(chǎn)環(huán)節(jié)中總投入成本比重最高，而棉花生產(chǎn)環(huán)節(jié)人工的投入占總投入成本比重最高。三種種植模式中棉花//花生間作的凈收益最高，約為棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍。

表1 棉花//花生間作成本效益核算(元/hm2)

圖1 棉花//花生寬幅間作模式碳足跡核算邊界 Fig.1 System boundary for carbon footprint of cotton-peanut intercropping

2.2 棉花//花生間作種植模式碳足跡

2.2.1 單位面積碳足跡核算

圖2可見，棉花生產(chǎn)過程單位面積碳排放量最高，為5479.9kg CO2-eq/hm2，花生次之，為5089.7kg CO2-eq/hm2，棉花//花生間作最低，為4878.4kg CO2-eq/hm2。棉花//花生間作單位面積碳排放量比棉花單作低11.0%，比花生單作低4.1%。三種種植模式的碳排放均主要來自施肥和地膜使用。

2.2.2 單位產(chǎn)值碳排放

圖3可見，就單作種植模式而言，棉花單作生產(chǎn)環(huán)節(jié)單位凈產(chǎn)值碳排放最高，為0.6kg CO2-eq/元，花生次之，為0.5kg CO2-eq/元，棉花//花生間作最低，為0.4kg CO2-eq/元，即在獲得相同經(jīng)濟效益的情況下，棉花//花生間作生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放量比棉花低33.3%，比花生低20.0%。

圖3 不同種植模式單位凈產(chǎn)值碳排放 Fig.3 Carbon emissions per unit output value of different cropping patterns

圖4 不同種植模式碳足跡構成 Fig.4 Composition of carbon footprint in different planting patterns

2.2.3 碳足跡構成

圖4可看出，3種種植模式生產(chǎn)過程中的碳排放主要來自施肥過程(包括施用肥料、施肥后田間N2O排放)導致的碳排放量，其在棉花生產(chǎn)過程占44.0%，在花生生產(chǎn)過程中占37.0%，在棉花//花生間作生產(chǎn)過程中占38.0%；其次是來自地膜投入導致的碳排放，其在棉花生產(chǎn)過程占29.0%，在花生生產(chǎn)過程占31.0%，在棉花//花生間作生產(chǎn)過程占32.0%，另外，生產(chǎn)過程中來自農(nóng)機的碳排放量也不容忽視，其在棉花生產(chǎn)過程占18.0%，在花生生產(chǎn)過程占18.0%，在棉花//花生間作生產(chǎn)過程占20.0%。

3 討論

棉花//花生間作的凈收益是棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍(表1)，單位面積碳排放均低于棉花單作、花生單作(圖2)，由此可見，與棉花、花生單作比較，棉花//花生間作可以提高收益的同時降低單位面積碳排放量，對實現(xiàn)低碳生產(chǎn)，保障糧食、油脂與飼草安全，提高生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟效益有重大意義。相關研究表明，施肥導致農(nóng)田溫室氣體過量排放[19,21]，尤其是農(nóng)田中施用氮肥，占總排放的44%～79%[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，棉花//花生間作生產(chǎn)過程中來自肥料(包括施用肥料、施肥后田間N2O排放)的碳排放占總排放的38.0%，棉花單作生產(chǎn)過程占總排放的44.0%，花生單作生產(chǎn)過程占總排放的37.0%。農(nóng)田中肥料的施用導致高強度的碳排放，其中非常重要的一個原因是肥料生產(chǎn)過程的高碳排放，Zhang等大量調(diào)研分析我國的化肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)過程發(fā)現(xiàn)，溫室氣體排放系數(shù)以氮肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)為最高，為8.20 kg CO2eq/kgN，如果采用更先進的生產(chǎn)技術，溫室氣體排放系數(shù)可降到4.7～5.8 kg CO2eq/kgN[24]，屆時棉花//花生間作生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳排放將繼續(xù)降低。同時，化肥的過量及不合理的使用[25]，造成環(huán)境污染，土壤污染，水污染，大氣污染[26]。因此，通過合理的施肥方式，如根據(jù)土壤類型合理選擇肥料，按照作物營養(yǎng)時期分段進行施肥，有機肥與化肥配合使用，大量元素與微量元素配合等措施，提高肥料利用效率，降低肥料的投入[27]，將大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的溫室氣體排放，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。另外，作物生產(chǎn)環(huán)節(jié)來自地膜的碳排放也不容忽視，占花生單作總排放的31.0%，占棉花單作總排放的29.0%，占棉花//花生間作總排放的32.0%，僅次于肥料。王占彪等研究得出，地膜是導致棉花生產(chǎn)過程中溫室氣體排放較高的主要因素，占總排放的17.3%[21]。另外地膜的不合理使用，如地膜的殘留會破壞土壤的理化性質(zhì)[28]，改變作物合理的種植環(huán)境[29]，如果可以采取有效措施，如降低地膜在田間的殘留率，提高適期揭膜技術[30]，或研發(fā)新型綠色地膜，降低地膜殘留污染，對發(fā)展低碳綠色農(nóng)業(yè)有積極作用。

4 結論

棉花//花生間作的凈收益是棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍，單位面積碳排放均低于棉花單作、花生單作，棉花、花生單作與棉花//花生間作相比，可以實現(xiàn)高產(chǎn)出與低碳排放的協(xié)同效益，符合綠色、高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。同時，若能通過科學研發(fā)技術的改進，或加強田間管理措施，對降低肥料和地膜的投入，棉花//花生間作模式將有更大的減排空間。