水稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力與碳足跡研究
——以湖南省為例

路 壹，黃 璜，鄭華斌，姚 林，賀 慧，劉建霞，李靜怡

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410128； 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128； 3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128)

水稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力與碳足跡研究
——以湖南省為例

路 壹1，2，黃 璜2，3，鄭華斌2，3，姚 林1，2，賀 慧1，2，劉建霞1，2，李靜怡2，3

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長沙 410128； 2 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128； 3 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128)

運(yùn)用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，對湖南省典型水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的固碳能力與碳足跡進(jìn)行系統(tǒng)分析和比較。結(jié)果表明：早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力分別為3 901.7、5 375.2、4 852.3 kgC/hm2，3個水稻生產(chǎn)系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kg的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量相當(dāng)于固定0.61、0.67、0.65 kgC。早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡分別為0.172、0.133、0.139 kgCO2equi./kg。早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡以化肥最大，其次是電力和柴油的碳足跡。

水稻；固碳能力；碳足跡；稻田；湖南

伴隨著礦物燃料的大量使用和森林大火，大氣中的二氧化碳(CO2)濃度或?qū)⒃黾又?00 mg/L，是全球氣候變暖最主要的原因，進(jìn)一步導(dǎo)致全球降水量增加和極端氣候事件增多。因此，人為減少CO2的排放量和增加CO2的固定量，以期減緩和降低CO2濃度，有利于保護(hù)全球氣候和生態(tài)環(huán)境，其中，增加生態(tài)系統(tǒng)中的碳固定量被《京都議定書》(Kyoto Protocol)認(rèn)可為有效的減緩和降低大氣中CO2排放的技術(shù)措施之一。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的固碳減排自20世紀(jì)80年代以來一直是研究熱點(diǎn)。Cole[1]估計(jì)未來50～100年里全世界的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可固碳量為20～30 Pg(1 Pg=103Tg=1015g)；趙榮欣和秦明周[2]研究表明，中國沿海地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳固定總量為22 482.4萬噸；韓冰等[3]對我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的農(nóng)田土壤固碳潛力進(jìn)行了測算，認(rèn)為我國農(nóng)業(yè)措施的每年固碳潛力為182.1 Tg。

水稻生產(chǎn)系統(tǒng)是我國重要的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。湖南省2013年水稻總產(chǎn)量和播種面積分別為2 631.63萬噸和4 095 khm2，均居我國第一，在我國水稻種植省份中具有代表性。因此，研究湖南省典型水稻生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和碳足跡，有利于制定湖南省水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生態(tài)補(bǔ)償建議，促進(jìn)湖南省乃至全國水稻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

將水稻生產(chǎn)系統(tǒng)按生產(chǎn)季節(jié)分為早稻、中稻(一季稻)、晚稻3種生產(chǎn)系統(tǒng)，水稻生產(chǎn)成本分為若干部分，包括化肥、農(nóng)藥、電力、柴油、種子、農(nóng)膜等，所需數(shù)據(jù)來源于前人已公開發(fā)表的研究成果。同時(shí)，所需的早稻、中稻和晚稻的播種面積和產(chǎn)量來源于《湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 固碳能力的計(jì)算

以NEP表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的凈碳庫變化：

NEP=NPP-Rs

(1)

式中：NPP為作物凈初級生產(chǎn)力，Rs為土壤微生物異養(yǎng)呼吸。

NPP包括籽粒、秸稈、根和根分泌物。由于根分泌物較少，忽略不計(jì)。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量含C量(CG)的計(jì)算公式：CG=M×(1-w)×0.45；秸稈含C量(CS)的計(jì)算公式為：CS=CG/H-CG；根含C量(CR)的計(jì)算公式：CR=(CG+CS)×R；總生物量中的含C量(CNPP)的計(jì)算公式：CNPP=CG+CS+CR。其中，CG、CS、CR和CNPP分別為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量、根量和總生物量中的含C量，單位為kgC/hm2；M為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，0.45為生物量與含C量的轉(zhuǎn)化系數(shù)[4]，單位是kg，w為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的含水量，H為收獲系數(shù)，R為根冠比系數(shù)，分別取14%、0.52和0.18。

土壤呼吸主要包括根呼吸和異養(yǎng)呼吸(Rs)兩個過程。Rs占土壤呼吸的比例通常在10%～90%[5]。該指標(biāo)通過直接測量裸地上的CO2排放量，或者通過下層放置微氣孔袋的土表上測量CO2的排放量來獲得的。

1.2.2 碳足跡計(jì)算

碳足跡公式：

(2)

式中：E為產(chǎn)品碳足跡，Qi為物質(zhì)或活動的數(shù)量或強(qiáng)度數(shù)據(jù)(質(zhì)量/體積/km/kW·h)，Ci為單位碳排放因子(每個單位的CO2當(dāng)量，簡稱kgCO2equi.)，具體轉(zhuǎn)化系數(shù)詳見表1。

表1 不同物質(zhì)的單位碳排放因子[6]

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的固碳能力

早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于兩個途徑，即已公開發(fā)表的科研論文和2012年不同生產(chǎn)季節(jié)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從表2可知，科研論文公開的早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)量分別比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)高20.2%、26.5%和39.3%。以產(chǎn)量為基礎(chǔ)，分別計(jì)算出CG、CS、CR和CNPP。早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的總生物量中的含C量分別為5 588.9(5 075.1，6 102.6)、7 062.3(6 236.0，7 888.5)、6 539.5 kgC/hm2(5 465.0，7 613.9 kgC/hm2)。本文假設(shè)湖南省稻區(qū)的土壤微生物異氧呼吸為1 687.1 kgC/hm2，最終獲得單位面積的早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力，分別為3 901.7(3 387.9，4 415.5)、5 375.2(4 548.9，6 201.4)、4 852.3 kgC/hm2(3 777.9，5 926.8 kgC/hm2)。3個系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kg的干物質(zhì)相當(dāng)于固定0.61(0.59，0.64)、0.67(0.64，0.69)、0.65 kgC(0.61，0.68 kgC)。

表2 湖南省典型水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的固碳能力

2.2 水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡

由表3可知，水稻生產(chǎn)過程投入的生產(chǎn)資料包括化肥、農(nóng)藥、電力、柴油、種子和農(nóng)膜等6大項(xiàng)10小項(xiàng)，早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡分別為9.94E+02、7.53E+02、9.41E+02 kgCO2equi./hm2。以統(tǒng)計(jì)年鑒獲取的產(chǎn)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得出不同水稻生產(chǎn)系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kg稻谷所產(chǎn)生的碳足跡，早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡分別為1.72E-01、1.33E-01、1.39E-01 kgCO2equi./kg。從湖南省典型水稻生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡因子構(gòu)成來看(圖1)，早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡以化肥最大，分別占整個生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡的50%、58%和53%，其中又以氮肥的碳足跡最大，所占比例超過30%，其次是電力和柴油的碳足跡，兩者之和分別占整個生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡的35%、37%和40%。

表3 湖南省典型水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡

注：a.估計(jì)值。b.整地工序共消耗49.1 L/hm2柴油，其中耕地采用鏵式犁深翻1次耗油16.05 L、重型圓盤耙耙地1次耗油6.17 L、旋耕1次耗油14.17 L、泡水后水田平整1次耗油11.47 L、其他作業(yè)(開溝、做埂、施肥等)1.24 L；收割工序共消耗31.4 L/hm2柴油，主要用于水稻機(jī)械收割作業(yè)、秸稈粉碎全量還田等。

圖1 湖南典型水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡因子構(gòu)成

3 討論

根據(jù)栽培季節(jié)的氣候條件差異，將湖南省水稻生產(chǎn)系統(tǒng)分為早稻、中稻和晚稻3種生產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)而也造成3種生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量差異，以光熱資源最好的中稻產(chǎn)量最高，其次為晚稻和早稻。本文以科研論文和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的產(chǎn)量進(jìn)行對比計(jì)算，以科研論文的產(chǎn)量為基礎(chǔ)計(jì)算的3種生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力(NEP)分別比以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)量為基礎(chǔ)的高30.3%、36.3%和56.9%，因此，通過農(nóng)業(yè)管理措施(如：耕作、施肥和灌溉等)的優(yōu)化，湖南省水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的NEP還有進(jìn)一步提高的空間。

碳足跡能準(zhǔn)確的反映單位面積作物生產(chǎn)所有投入物質(zhì)的碳量(折算)和構(gòu)成。通過計(jì)算3種生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡清單來看，化肥的碳足跡最大，其比例都超過了50%，而化肥中又以氮肥的碳足跡最大，間接說明湖南省水稻生產(chǎn)系統(tǒng)有可能過度依賴氮肥的施用，而在有機(jī)肥化肥配施、秸稈還田和綠肥還田培肥地力方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)。其次是電力和柴油，但是電力的單位碳排放因子要比柴油高，可能的原因是由于中國過去的60年里，煤炭火力發(fā)電是我國主要發(fā)電形式之一，排放了大量的CO2。然而，隨著水力發(fā)電和清潔能源的比例增加，電力的單位碳排放因子應(yīng)進(jìn)一步修正，以期正確的反應(yīng)水稻生產(chǎn)過程中的碳足跡及其構(gòu)成。

4 結(jié)論

(1) 早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)固碳能力分別為3 901.7、5 375.2、4 852.3 kgC/hm2，3個水稻生產(chǎn)系統(tǒng)每生產(chǎn)1 kg的干物質(zhì)相當(dāng)于固定0.61、0.67、0.65 kgC。

(2) 早稻、中稻和晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡分別為0.172、0.133、0.139 kgCO2equi./kg，3個水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)資料碳足跡都以化肥最大，其次是電力和柴油的碳足跡。

[1] Cole CV.Agricultural options for mitigation of greenhouse gas emission[A]//Watson RT，Zinyowera MC，Moss RH，et a1.Climate change 1995：Impacts，adaptations and mitigation of climate change：intergovernmental panel on climate change[C].Cambridge：Cambridge University Press，1996.1-27.

[2] 趙榮欽，秦明周.中國沿海地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)部分碳源/匯時(shí)空差異[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，23(2)：1-6，11.

[3] 韓 冰，王效科，歐陽志云.中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的飽和水平及其固碳潛力[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2005，21(4)：6-11.

[4] Fang JY，Guo ZD，Piao SL，et al.Terrestrial vegetation carbon sinks in China，1981-2000[J].Science in China Series D：Earth Science，2007，50(7)：1341-1250.

[5] Hanson PJ，Edwards NT，Garten CT，et al.Separating root and soil microbial contributions to soil respiration：a review of methods and observations[J].Biogeochemistry，2000，48：115-146.

[6] ISO14040.Environmental management life cycle assessment principles and framework[S].

[7] 曹 志，邢文婷，廖丁恒，等.不同基本苗對湖南雙季早稻產(chǎn)量形成的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28(24)：86-92.

[8] 湖南省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)調(diào)查隊(duì).湖南省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒(2013)[M].

[9] 張海鵬，劉 強(qiáng)，彭建偉，等.鈣鎂磷型復(fù)混肥對湖南晚稻產(chǎn)量及磷肥效率的影響[J].中國土壤與肥料，2012(6)：53-56.

[10]姚 君，向君民，薛 勇，等.配方施肥對中稻產(chǎn)量及肥料利用率的影響研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013(21)：49-51，57.

[11]李成芳，曹湊貴，汪金平，等.不同耕作方式下稻田土壤CH4和CO2的排放及碳收支估算[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(12)：2482-2488.

[12]喻光孟.湖南省水稻施肥技術(shù)指標(biāo)體系的建立[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[13]Zheng HB，Huang H，Li DQ，et al.Assessment of nomadic rice-duck complex ecosystem on energy and economy[J].Ecological Processes，2014，3：20.

Evaluation of the Carbon Sequestration Capacity and Carbon Footprints in the Rice Production Systems——A Case of Hunan Province

LU Yi1，2，HUANG Huang2，3，ZHENG Hua-bin2，3，YAO Lin1，2，HE Hui1，2，LIU Jian-xia1，2，LI Jin-yi2，3

(1 College of Bio-science & Technology，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in South China，Changsha，Hunan 410128，China；3 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China)

The carbon sequestration and carbon footprint in the typical rice production system in Hunan province were analyzed and compared by the principle of ecological economics.The results showed that carbon sequestration capacity of early rice，middle-season rice and late rice production system were 3 901.7，5 375.2，4 852.3 kg C/hm2，respectively.1 kg economic yield in three rice production systems were equivalent to fix 0.65，0.67，0.61 kg C，respectively.Carbon footprints of production materials in the early rice，middle-season rice and late rice production system were 0.172，0.133，0.139 kgCO2equi./kg，the biggest carbon footprint among production materials in the early rice，middle-season rice and late rice production system was chemical fertilizer，followed by the electric power and diesel.

rice；carbon sequestration capacity；carbon footprints；paddy field；Hunan

2015-01-24

路 壹(1990-)，男，碩士研究生。

*通信作者：黃璜，教授，Email：hh863@126.com。

S314；S511

A

1001-5280(2015)03-0240-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.05