耕作方式對(duì)小麥—玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的影響

武寧++王恩慧++王充卯++寧堂原++李玉浩++周常營(yíng)

摘要：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡分析有利于找出問題，為低碳農(nóng)業(yè)提供支撐。本文基于碳足跡全循環(huán)指標(biāo)系統(tǒng)，以山東省泰安、滕州、龍口三地的中高產(chǎn)田為例，研究了耕作方式對(duì)中高產(chǎn)田耗碳足跡、固碳足跡、凈耗碳（△GHG）、單位產(chǎn)值碳足跡（CFv）及單位產(chǎn)量碳足跡（CFy）的影響。結(jié)果表明：農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)耗碳足跡中，化合物耗碳中N肥和土壤N2O耗碳占了79.69%～92.53%，其中僅N肥就占了53.82%～62.49%；機(jī)電油耗碳的80%以上是灌溉、耕作、播種和收獲產(chǎn)生的；有機(jī)耗碳中98.83%以上是秸稈耗碳。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要是籽粒與秸稈固碳，籽粒固碳占總固碳的39.05%～52.64%；滕州的總固碳比其他兩個(gè)城市高出196.3～7 801.5 kgCO2/hm2（旋耕除外）；三地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的ΔGHG值在-3 524.7～-8 774.3 kgCO2/hm2，均表現(xiàn)為碳匯；夏玉米季的凈固碳高于冬小麥季；翻耕的凈固碳量明顯高于旋耕和耙耕。在冬小麥-夏玉米一年兩熟條件下，夏玉米的CFv和CFy均顯著高于冬小麥；CFv和CFy均表現(xiàn)為冬小麥翻耕-夏玉米免耕>冬小麥旋耕-夏玉米免耕>冬小麥耙耕-夏玉米免耕；地區(qū)間的CFv和CFy規(guī)律性不明顯。因此，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率、減少機(jī)電油耗，提高氮肥和水分利用效率，建立合適的土壤耕作制度，提高作物產(chǎn)量，是山東省提高凈固碳能力的重要突破方向。同時(shí)，繼續(xù)挖掘夏玉米的固碳潛力、提高冬小麥的固碳能力，是作物育種與栽培應(yīng)該重點(diǎn)解決的問題。

關(guān)鍵詞：耕作方式；小麥-玉米兩熟；中高產(chǎn)田；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；碳足跡

中圖分類號(hào)：S157.4+2+S181.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2017）06-0034-07

AbstractCarbon footprint analysis in farmland ecosystem was beneficial to find problems and provide the support for the development of low-carbon agriculture. Based on the whole-circle carbon footprint index system， the effects of tillage mode on carbon consumption and sequestration， carbon footprint， net carbon consumption （△GHG）， carbon footprint per unit of output （CFv） and carbon footprint per unit of production （CFy） were studied in the high- and middle- yield field in Taian， Tengzhou and Longkou in Shandong Province. The results showed that the carbon consumption from N fertilizer and soil N2O emission accounted for 79.69%～92.53%， in which，that from N fertilizer accounted for 53.82%～62.49%， in the carbon consumption from chemical compounds. More than 80% mechanical fuel consumption was used for irrigation， tillage， sowing and harvest. The carbon consumption of straw accounted for 98.83% in the organic carbon consumptions. In the farmland ecosystem， the carbon was mainly sequestrated in grain and straw， in which， the carbon sequestration in grain accounted for 39.05%～52.64% of the total carbon sequestration. The total carbon sequestration in Tengzhou was 196.3～7 801.5 kgCO2/hm2 higher than those of the other two cities， except under the rotary tillage mode. The △GHG in the 3 cities were between -3 524.7 and -8 774.3 kgCO2/hm2， which showed that the farmland ecosystem was a carbon sink. The carbon sequestration of summer maize was higher than that of winter wheat. The carbon sequestration under plough tillage was higher than those under rotary tillage and harrow tillage. Under the winter wheat- summer maize double cropping farmland ecosystem， the CFv and CFy of summer maize both were significantly higher than those of winter wheat， the CFv and CFy were winter wheat with plough tillage - summer maize with no-tillage > winter wheat with rotary tillage - summer maize with no-tillage > winter wheat with harrow tillage - summer maize with no-tillage. But there were no significant rules in the CFv and CFy of different cities. Thus， in order to improve the net carbon sequestration in Shandong Province， we should improve the agricultural mechanical efficiency， reduce the mechanical and electronic consumption， increase the nitrogen and water use efficiencies， build the suitable tillage system， and increase the crop yield. Meanwhile， to excavate the carbon sequestration potential of summer maize and to improve the carbon sequestration capacity of winter wheat were important for crop breeding and cultivation.

KeywordsTillage mode； Wheat-maize double cropping； Middle- and high- yield field； Farmland ecosystem； Carbon footprint

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著溫室效應(yīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放情況成為科研人員研究的重要部分。運(yùn)用碳足跡對(duì)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[1-3]。碳足跡（carbon footprint）是在生態(tài)足跡[4]的概念基礎(chǔ)上提出來的，是對(duì)某種活動(dòng)或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)直接或間接CO2排放量的度量，最早出現(xiàn)于英國(guó)，隨后在學(xué)術(shù)界和非政府組織等推動(dòng)下迅速發(fā)展起來[5]。21世紀(jì)初，美國(guó)環(huán)境科學(xué)家West和Marland明確了種子、化肥、灌溉、農(nóng)藥等在生產(chǎn)、包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中的CO2排放量，是運(yùn)用碳足跡法指標(biāo)體系的先驅(qū)[6，7]；隨后，Ohio州立大學(xué)的Lal教授從生命周期評(píng)價(jià)的角度對(duì)碳足跡指標(biāo)體系進(jìn)行了系統(tǒng)歸納[8]。后人的碳足跡研究大多是基于他們的指標(biāo)體系。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同于草地、森林、城市等生態(tài)系統(tǒng)，既是“碳匯”，也是“碳源”，但究竟是“凈碳匯”還是“凈碳源”存在著巨大爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為，農(nóng)業(yè)活動(dòng)及其過程是重要的溫室氣體排放源而非碳匯，對(duì)全球CO2的吸收沒有什么貢獻(xiàn)[9]；但更多的研究者傾向于農(nóng)田具有巨大的碳匯量[10]。目前對(duì)農(nóng)田碳匯的研究已從農(nóng)田土壤的碳匯效應(yīng)向整個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳匯效率轉(zhuǎn)移[11-13]，并以碳足跡表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體凈增減量、碳流的效率等[1，2]。但針對(duì)耕作方式和高低產(chǎn)田的相關(guān)研究卻很少。山東省作為我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，2013年的耕地面積是760萬公頃，占全省面積的48%以上。因此，分析山東省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳效應(yīng)與碳流效率等，對(duì)制定農(nóng)田管理和溫室氣體減排措施具有重要的指導(dǎo)意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域包括山東省膠東半島的龍口（中產(chǎn)田）、中部地區(qū)的泰安（中產(chǎn)田）和南部地區(qū)的滕州（高產(chǎn)田）。三地的冬小麥產(chǎn)量分別為7.50、6.32、8.26 t/hm2，夏玉米產(chǎn)量分別為8.60、8.73、10.36 t/hm2。本研究對(duì)三個(gè)地區(qū)2012年翻耕、旋耕、耙耕三種耕作方式的碳排放和固定進(jìn)行了比較分析。

1.2碳足跡分析原理

1.2.1碳流路徑農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一種既有碳排放也有碳固定的生產(chǎn)活動(dòng)。其碳排放包含兩個(gè)方面：一是生產(chǎn)過程中直接向空氣中排放的溫室氣體，如植物呼吸、秸稈還田分解釋放的CO2等；二是農(nóng)田生產(chǎn)過程中投入的物資如農(nóng)藥、化肥、機(jī)械等所釋放的溫室氣體。而農(nóng)田作物進(jìn)行光合作用時(shí)又會(huì)固定大氣中的CO2。因此，本研究采用全環(huán)式碳流模型[1，14-17]對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的碳足跡進(jìn)行研究，模型如下：

式中：NGHGB指空氣中凈溫室氣體平衡；GWPNPP指凈初級(jí)生產(chǎn)率（包括籽粒、秸稈、殘茬和根系）；GWPIMPORT指外部直接投入的碳，實(shí)際是指廄肥；GWPEXPORT指土壤排出的溫室氣體量，包括CO2、N2O、CH4（非水田可忽略）；GWPRH指土壤異氧呼吸排出的碳（可忽略）；GWPSOILGHGS指土壤有機(jī)質(zhì)變化引起的溫室氣體增減量（在某些短期田間試驗(yàn)中此項(xiàng)可忽略）；GWPINPUT指各種間接碳匯，包括肥料、農(nóng)藥、種子、灌溉、人力、畜力等。

為了更好地適應(yīng)中國(guó)的實(shí)際情況，在公式（1）的基礎(chǔ)上進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的修改[1]，將模型簡(jiǎn)化為：

式中：△GHG指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈耗碳量，也可指空氣中溫室氣體增減量；GWPNPP指凈初級(jí)生產(chǎn)率的增溫潛勢(shì)；GWPSOC指土壤有機(jī)碳的增溫潛勢(shì)（短期試驗(yàn)可忽略）；GWPSOILEXPORT指土壤排放CO2（主要是秸稈還田）、N2O（主要決定于施N量）、CH4（非水田可忽略）的增溫潛勢(shì)；GWPINPUT指間接投入的增溫潛勢(shì)。

△GHG也可以從投入與產(chǎn)出的角度進(jìn)行計(jì)算，即：

△GHG=總耗碳-總固碳；

總耗碳=無機(jī)要素耗碳+有機(jī)要素耗碳；

無機(jī)要素耗碳=機(jī)電油耗碳+化合物耗碳。

若△GHG<0，則農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣溫室氣體的作用為負(fù)，即凈碳固定；若△GHG>0，則農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣溫室氣體的作用為正，即凈碳排放。

1.2.2指標(biāo)體系為了方便計(jì)算和比較，需要將碳的主要來源、排放和參數(shù)按一定標(biāo)準(zhǔn)折算成同一單位。目前用的比較多的有IPCC（2006）[1]、West和Marland[7]、Lal[8]、Gan[17]和劉巽浩[18]五種指標(biāo)體系。劉巽浩等[1]在此基礎(chǔ)上制定出了更加符合中國(guó)的指標(biāo)體系，并對(duì)其賦值，見表1。

1.2.3單位產(chǎn)量與單位產(chǎn)值的碳足跡CFy指單位產(chǎn)量的作物生產(chǎn)耗碳，CFv指單位產(chǎn)值的作物生產(chǎn)耗碳[3，19]。

CFy=ΔGHG/TY

CFv=ΔGHG/TV

式中，ΔGHG為凈消耗碳（kgCO2/hm2），TY為產(chǎn)量（kg/hm2），TV為作物產(chǎn)值（元/hm2）。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用SigmaPlot 10.0作圖。

2結(jié)果與分析

2.1山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的耗碳足跡

2.1.1山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的化合物耗碳由表2可知，在泰安、滕州和龍口三地的農(nóng)田生產(chǎn)中，冬小麥季的純N+土壤N2O耗碳分別占化合物耗碳總計(jì)的86.66%、79.69%和88.80%，夏玉米季分別占86.68%、92.53%和88.40%；其中，純N肥的耗碳量占總化合物耗碳的53.82%～62.49%?？梢钥闯觯芯恐仓昀肗肥規(guī)律，設(shè)計(jì)合理施肥方式，減少N肥施用量，提高N肥的有效利用率，也是減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中糧食生產(chǎn)耗碳的方式之一。

2.1.2山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的機(jī)電油耗碳由表3和表4可知，冬小麥生長(zhǎng)季，泰安、滕州和龍口農(nóng)田翻耕處理的灌溉、翻耕和收獲所消耗的機(jī)電油耗碳之和分別是整個(gè)冬小麥生長(zhǎng)季機(jī)電油耗碳總計(jì)的80.61%、80.23%和81.52%，旋耕的分別是77.94%、79.69%和81.09%，耙耕的分別是78.88%、78.22%和81.52%；灌溉耗碳占機(jī)電油耗碳總計(jì)的32.79%～48.69%。夏玉米種植均為免耕播種方式，所以耕作方式耗碳為0。泰安、滕州和龍口三地播種、灌溉和收獲所消耗的機(jī)電油耗碳總計(jì)分別是整個(gè)夏玉米生長(zhǎng)季機(jī)電油耗碳總計(jì)的79.70%、81.30%和93.23%；其中，灌溉耗碳占機(jī)電油耗碳總計(jì)的19.82%～34.55%，收獲占34.29%～41.10%。

可見，泰安、滕州和龍口三地小麥-玉米兩作80%以上的機(jī)電油耗碳是灌溉、耕作、播種和收獲。所以改進(jìn)灌溉技術(shù)，改良收獲、耕作和播種機(jī)械，提高油電利用效率，是減少機(jī)電油耗碳的關(guān)鍵及降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中糧食生產(chǎn)耗碳的方式之一。

2.1.3山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的有機(jī)耗碳從表5可以看出，山東省三個(gè)地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)耗碳98.83%以上來源于秸稈還田，均高于9 800 kgCO2/hm2；種子耗碳只占了有機(jī)耗碳的0.42%～1.17%。雖然秸稈耗碳量非常大，但由于秸稈都來自于上一茬作物的秸稈產(chǎn)量，相對(duì)一年來說，秸稈耗碳等于秸稈固碳。

2.2山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的固碳及凈耗碳足跡分析

從表6可以看出，籽粒固碳占總固碳（籽粒固碳+秸稈固碳）的39.05%～52.64%。滕州的農(nóng)田是高產(chǎn)田，無論是冬小麥還是夏玉米的籽粒固碳都高于其他兩個(gè)城市，高出720.3～2 372.1 kgCO2/hm2。滕州的總固碳比其他兩個(gè)城市高出196.3～7 801.5 kgCO2/hm2（旋耕除外）。三地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的ΔGHG值在-3 524.7～-8 774.3 kgCO2/hm2，均為負(fù)值，所以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的糧食生產(chǎn)是一個(gè)凈固碳而不是耗碳的過程。三地冬小麥生長(zhǎng)季平均ΔGHG值為-4 976.1 kgCO2/hm2，而三地夏玉米生長(zhǎng)季平均ΔGHG值為-7 657.7 kgCO2/hm2，說明夏玉米季的凈固碳高。冬小麥-夏玉米一年兩熟條件下，三種耕作方式平均，泰安、滕州和龍口的ΔGHG值分別為-10 678.3、-14 180.4、-13 042.7 kgCO2/hm2，說明滕州因高產(chǎn)總的凈固碳量最高。冬小麥-夏玉米一年兩熟條件下，三地平均，翻耕、旋耕和耙耕的ΔGHG值分別為-13 219.2、-12 549.9、-12 132.3 kgCO2/hm2，說明翻耕的凈固碳量顯著高于旋耕和耙耕。所以采用翻耕，并通過培育高產(chǎn)新品種和運(yùn)用新技術(shù)增加作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，是提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中糧食生產(chǎn)過程凈固碳的重要途徑。

2.3山東省中高產(chǎn)田不同耕作方式的CFv與CFy足跡分析

翻耕、旋耕與耙耕冬小麥和夏玉米的單位產(chǎn)值碳足跡（CFv）值為-0.2191～-0.4263，單位產(chǎn)量碳足跡（CFy）值為-0.5635～-0.8900，均為負(fù)值，說明均表現(xiàn)為碳匯。三地區(qū)間，除旋耕外，冬小麥季CFv表現(xiàn)為滕州>龍口>泰安，夏玉米季則表現(xiàn)為泰安≈龍口>滕州。在地區(qū)間，冬小麥季CFy值以泰安最低，夏玉米季CFy表現(xiàn)為龍口>滕州>泰安。在冬小麥-夏玉米一年兩熟條件下，夏玉米的CFv和CFy均顯著高于冬小麥，表明夏玉米的碳匯效應(yīng)高于冬小麥。耕作方式相比，CFv和CFy表現(xiàn)趨勢(shì)為冬小麥翻耕-夏玉米免耕>冬小麥旋耕-夏玉米免耕>冬小麥耙耕-夏玉米免耕（圖1）。

3討論與結(jié)論

山東省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)耗碳是由農(nóng)田生產(chǎn)過程的投入決定的，主要包括化合物耗碳、機(jī)電油耗碳和有機(jī)物耗碳三部分?；衔锖奶贾饕皋r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的肥料施用，其中僅N肥施用的耗碳就占據(jù)了化合物耗碳的1/2以上，這與田慎重[20]的研究結(jié)果相同。所以減少N肥的施用，選擇合理的N肥施用方式，提高N肥利用率，是降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)耗碳的主要方式。機(jī)電油耗碳主要是由灌溉、收獲、播種和耕作方式?jīng)Q定的，灌溉耗碳約占了機(jī)電油耗碳的1/3，由此可看出政府部門增加農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)建設(shè)投入的必要性。雖然農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)物耗碳非常高，均高于9 800 kgCO2/hm2，但其中98.83%以上是由作物秸稈還田引起的，而作物秸稈耗碳又等于作物秸稈固碳，因此可以不考慮?？梢?，山東省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)無論是中產(chǎn)田還是高產(chǎn)田，無論是翻耕、旋耕還是耙耕，主要耗碳的是農(nóng)田機(jī)電油耗碳中的灌溉與收獲耗碳和化合物耗碳中的肥料施用，尤其是N肥的施用量。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中固碳主要包括籽粒固碳和秸稈固碳，而籽粒固碳量直接反映了冬小麥和夏玉米的產(chǎn)值碳足跡。滕州高產(chǎn)田的籽粒固碳和秸稈固碳量均高于泰安和龍口的中產(chǎn)田，且翻耕的固碳量要高于旋耕和耙耕，因此，在高產(chǎn)田中采用翻耕能夠提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的作物固碳量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈耗碳量都為負(fù)值，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體來說是一個(gè)固碳的過程，對(duì)整個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)具有與森林相同的吸收大氣中溫室氣體的作用[1，2]。三個(gè)地區(qū)間，滕州高產(chǎn)田的凈固碳量最高，其次為龍口，泰安最低；同一地區(qū)不同耕作方式間比較，翻耕的凈固碳量均最大。

由于ΔGHG值為負(fù)值，冬小麥和夏玉米的CFv和CFy也均為負(fù)值，其中夏玉米的CFv和CFy值要高于冬小麥。這是由作物特性造成的：夏玉米是C4植物，其產(chǎn)量要遠(yuǎn)高于C3植物冬小麥的產(chǎn)量[21]。CFv和CFy表現(xiàn)趨勢(shì)為冬小麥翻耕-夏玉米免耕>冬小麥旋耕-夏玉米免耕>冬小麥耙耕-夏玉米免耕，這主要是因?yàn)榉黾恿水a(chǎn)量和固碳能力。滕州的產(chǎn)量高于泰安和龍口，但CFv和CFy并不是最高，這說明碳足跡的變化不僅與產(chǎn)量有關(guān)，也與生產(chǎn)過程中碳耗和價(jià)格有關(guān)。因此，提高產(chǎn)量和減少生產(chǎn)過程中的碳耗，對(duì)低碳高產(chǎn)均至關(guān)重要。

綜合來看，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率、減少機(jī)電油耗，提高氮肥和水分利用效率，建立合適的土壤耕作制度，提高作物產(chǎn)量，是山東省農(nóng)田系統(tǒng)提高凈固碳能力的重要突破方向。同時(shí)，繼續(xù)挖掘夏玉米的固碳潛力，提高冬小麥的固碳能力，是作物育種與栽培應(yīng)該重點(diǎn)解決的問題。

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