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

李春喜，駱婷婷，閆廣軒，許雙，宗潔靜，邵云*

1. 河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2. 黃淮水環(huán)境污染與防治教育部重點實驗室/河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007

應(yīng)對氣候危機(jī)已經(jīng)成為全球各國共同努力的目標(biāo)。農(nóng)業(yè)作為溫室氣體的最大的人為源，每年由農(nóng)業(yè)活動所造成的溫室氣體排放占全球溫室氣體排放的13.5%（Montzka et al.，2011），其中CO2、CH4和N2O是最主要的3種溫室氣體（王玉英等，2018）。我國是溫室氣體排放第二大國，由各種農(nóng)業(yè)活動造成的碳排放對全球環(huán)境變化有不可忽視的影響。因此減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的溫室氣體排放，進(jìn)行低碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對應(yīng)對氣候變暖的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

碳足跡可以用于明確整個生產(chǎn)過程中各部分產(chǎn)生溫室氣體的情況，以便采取針對性的措施來改善生產(chǎn)行為。碳足跡這一概念源于“生態(tài)足跡”，其定義為某種活動或者某種產(chǎn)品生命周期的過程中，引起的直接或者間接的CO2排放量總和（武寧等，2017）。實質(zhì)上是以 CO2為基礎(chǔ)與其他溫室氣體進(jìn)行碳當(dāng)量的轉(zhuǎn)換來衡量全球變暖潛勢（方愷，2015）。不同作物在生產(chǎn)過程中其灌溉，肥料用量，氣候，燃料消耗有所不同，并且單位面積的產(chǎn)量和收獲技術(shù)也有所差異，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中溫室氣體排放量因作物而異。（Alam et.，2019）。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，碳足跡已經(jīng)成為評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境有力的工具之一（王鈺喬等，2015）。如俞祥群等（2019）估算了減氮施肥對春玉米-晚稻（Oryza sativaL.）生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡的影響；鄒曉霞等（2018）采用生命周期評估的方法核算了山東小麥-花生（Arachis hypogaeaL.）種植體系的碳足跡；王占彪等（2015）分析了華北平原作物生產(chǎn)碳足跡的動態(tài)分布及構(gòu)成。但是大多研究關(guān)注某種種植體系在單個區(qū)域中的碳排放構(gòu)成，且作物生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放的數(shù)據(jù)主要是在前人研究結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行估算得到，而沒有結(jié)合實際溫室氣體排放情況。

河南省作為我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國具有重要的地位，小麥-玉米是其中主要的種植模式（張志高等，2018）。從2004—2017年河南省糧食生產(chǎn)已實現(xiàn) 14年連增，而優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)的背后也存在一些問題。在過去的幾十年中，為了維持作物高產(chǎn)，投入了大量的農(nóng)藥和化肥，使得環(huán)境問題突出，農(nóng)田生態(tài)壓力增大。本文以河南省為研究對象，選取4個不同生態(tài)類型區(qū)，基于田間調(diào)查結(jié)果以及實驗數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)生態(tài)碳足跡理論，評估河南省冬小麥-夏玉米兩熟制農(nóng)田碳足跡構(gòu)成，通過不同地區(qū)碳足跡的定量計算和定性分析，探究河南省農(nóng)田碳足跡的構(gòu)成特點和時空分布的差異，以期為河南省低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一些理論支持和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和設(shè)計

河南省是我國的主要糧食大省，是典型的大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度12.8—15.5 ℃。溫暖的氣候條件適宜一年兩熟種植，小麥玉米輪作是其中主要的種植系統(tǒng)。河南省處于北亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，南屬亞熱帶，北屬暖溫帶，四季分明，南北的氣候特征具有明顯差異。年降水量為500—1300 mm，降水在季節(jié)、年際、空間上分布很不均勻，主要集中在6—9月，在地理位置上，降水量從南到北有所減少。根據(jù)氣候條件和耕作習(xí)慣，將河南省分為不同的生態(tài)區(qū)，即豫南雨養(yǎng)區(qū)、豫中補灌區(qū)、豫北灌溉區(qū)和豫西旱作區(qū)。本試驗根據(jù)地理位置和農(nóng)業(yè)條件的差異，選取豫南、豫中、豫北及豫西4個具有代表性的地點，分別位于駐馬店市西平縣（豫南）、許昌市許昌縣（豫中）、鶴壁市?？h（豫北）以及洛陽市孟津縣（豫西）。具體位置如圖1。

所有試驗點均具有示范區(qū)和農(nóng)民常規(guī)耕作區(qū)，且常規(guī)耕作區(qū)位于示范田附近。示范區(qū)是包括品種選育、水肥一體化技術(shù)、綠色防控技術(shù)等多項技術(shù)集成示范田，常規(guī)區(qū)在當(dāng)?shù)仉S機(jī) 10戶作為調(diào)查對象，并就近選擇一戶作為采樣點。示范區(qū)和常規(guī)區(qū)的面積分別為 0.13—0.67 hm?2，示范區(qū)的面積在6.67—26.67 hm?2。各示范區(qū)和常規(guī)區(qū)小麥-玉米周年具體的生產(chǎn)投入如表1。

1.2 數(shù)據(jù)收集

圖1 試驗地點的地理位置Fig. 1 Geographical location of the experimental site

表1 不同生態(tài)區(qū)各項生產(chǎn)投入Table 1 Different input items in the four ecological regions

本試驗于 2018—2019年進(jìn)行，試驗數(shù)據(jù)的收集包括大田試驗數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)兩個部分。大田試驗分別在示范田塊（示范區(qū)）和臨近的農(nóng)民田塊（常規(guī)區(qū)）設(shè)置采樣點，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法收集溫室氣體。取樣箱由泡沫制成，長、寬、高分別為50、30、50 cm，外附有鋁箔紙用于反射光線，防止陽光直射引起溫度變化。氣體采樣在08:00—10:00進(jìn)行，關(guān)閉腔室后的0、8、16、24、32 min收集氣體樣本。重復(fù) 3次。然后將氣體樣品注入德霖鋁箔采樣袋中，并立即運送到實驗室進(jìn)行分析。使用配備有火焰離子化檢測器（FID）和電子捕獲檢測器（ECD）的氣相色譜儀（Agilent 7890A，美國）同時分析氣體樣品中的CO2，CH4和N2O濃度。分析的條件與文獻(xiàn)（李春喜等，2019）的工作中描述的條件保持一致。由0、8、16、24、32 min獲取的5個連續(xù)樣本中溫室氣體濃度的累積速率確定氣體通量。在整個小麥-玉米周年生長過程中，每月進(jìn)行一次采樣，有重大農(nóng)事活動進(jìn)行時增加采樣頻率，如播種、收獲前后采樣，施肥后連續(xù)采樣一周，灌溉后連續(xù)采樣3 d。采用加權(quán)平均法計算每月的累計排放通量。

調(diào)查數(shù)據(jù)通過當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局以及實地走訪調(diào)查獲取，收集的信息包括冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量、種植面積、施肥量、灌溉時間與灌溉量，以及各項農(nóng)業(yè)投入，包括種子、農(nóng)藥、機(jī)械以及人力投入等費用。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 碳足跡邊界和間接排放計算

碳足跡計算的邊界為從小麥種植開始到下一季小麥種植之前結(jié)束，時間為1年。包括冬小麥碳足跡和夏玉米碳足跡的總和。碳足跡的測算內(nèi)容由直接碳足跡和間接碳足跡兩部分構(gòu)成，直接碳排放即農(nóng)田溫室氣體CH4和N2O的排放，間接排放指的是由種子、農(nóng)藥、化肥等農(nóng)資投入引起的碳排放。其中間接排放的計算公式如下：

CF 為農(nóng)業(yè)碳足跡（kg·hm?2），n表示從播種到收獲期間消耗的各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（農(nóng)藥、化肥、種子等），m表示第i種農(nóng)資的消耗量（kg），β表示第i種農(nóng)資的碳排放參數(shù)（kg·kg?1），具體參數(shù)見表2。

1.3.2 GWP的計算

由于CH4和N2O兩種氣體的增溫效應(yīng)不同，為了評價各種溫室氣體對氣候變化的共同影響，所以統(tǒng)一折算成相同效應(yīng)的CO2的質(zhì)量，用全球增溫潛勢（Global Warming Potential，GWP）表示二者的共同作用（張衛(wèi)紅等，2018）。以100年影響尺度計算，1 kg CH4的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的25倍，1 kg N2O的增溫效應(yīng)是1 kg CO2的298倍（姚凡云等，2019），GWP的計算方法如下：

式中：GWP為溫室氣體綜合增溫潛勢（kg·hm?2）fCH4為土壤 CH4排放量（kg·hm?2），fN2O（kg·hm?2）為土壤 N2O 排放量fN2O（kg·hm?2）。

表2 不同投入項目的碳排放系數(shù)Table 2 Carbon emission indexes of different input items

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中所有數(shù)據(jù)由Mircosoft Office Excel 2016進(jìn)行處理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)區(qū)溫室氣體排放及其GWP

2.1.1 不同生態(tài)區(qū)CH4的排放差異

示范區(qū)和常規(guī)區(qū)的CH4每月累計排放量動態(tài)變化見圖2?？傮w上看，不同生態(tài)區(qū)的麥玉兩熟制農(nóng)田均作為土壤CH4的吸收匯。豫南、豫中、豫北和豫西小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤CH4的月累計排放量變化分別為?36.21— ?6.5、?52.60— ?7.09、?41.57—?7.98、?43.82— ?8.59 mg·m?2·mon?1。豫南、豫中、豫北和豫西示范區(qū)總吸收量分別為240.64、281.25、306.03、325.10 mg·m?2，常規(guī)區(qū)排放量分別 203.53、240.76、270.50、332.76 mg·m?2，4 個生態(tài)區(qū)對于 CH4的吸收能力具有明顯的空間差異，其中豫西地區(qū)CH4的吸收量最大，豫南最小，豫中和豫北地區(qū)的吸收量相當(dāng)。從季節(jié)上看，相比于玉米季，小麥季CH4的月均累計吸收量處于較低的水平，這可能與溫度和降水的增加有關(guān)，但由于生長期不同，小麥季總的吸收量大于玉米季總的吸收量。與常規(guī)區(qū)相比，豫南、豫中和豫北示范區(qū)的對 CH4的總吸收量分別增加15.42%，14.39%和11.61%，豫西減少2.36%。

2.1.2 不同生態(tài)區(qū)N2O的排放差異

圖2 4個生態(tài)區(qū)農(nóng)田土壤CH4月均累計排放量Fig. 2 Cumulative monthly cumulative emissions of CH4 from farmland soils in the four ecological regions

圖3 4個生態(tài)區(qū)農(nóng)田土壤N2O月均累計排放量Fig. 3 Cumulative monthly cumulative emissions of N2O from farmland soils in the four ecological regions

4個不同示范區(qū)和常規(guī)耕作區(qū)的N2O每月累計排放量動態(tài)變化見圖 3。豫南、豫中、豫北和豫西土壤N2O的月累計排放量為3.58—48.22、4.84—57.56、4.02—72.55、7.95—45.80 mg·m?2·mon?1。豫南、豫中、豫北和豫西示范區(qū)總吸收量分別為223.84、259.79、262.52、231.86 mg·m?2，常規(guī)區(qū)排放量分別 261.91、296.12、270.64、252.75 mg·m?2，N2O的總排放量表現(xiàn)為豫北、豫南和豫中的排放量相當(dāng)，豫西地區(qū)最低。與其他地區(qū)相比，豫西地區(qū)在3月間并未出現(xiàn)明顯的峰值，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這可能與該地區(qū)在小麥季不進(jìn)行或少量追肥有關(guān)。從季節(jié)上看，進(jìn)入玉米季后N2O的排放量有所增加，這可能是由于夏季溫度和降水都有所增加，適合土壤中反硝微生物的生存，促進(jìn)反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，溫度的增加也加速了N2O從土壤中釋放速率。N2O排放的主要峰值出現(xiàn)在10月，3月和7月，原因是在這期間均進(jìn)行了施肥。示范區(qū)和常規(guī)區(qū)具有相似的排放趨勢，但相對于常規(guī)區(qū)，豫南、豫中、豫北和豫西示范區(qū)N2O的排放分別降低了14.54%、12.27%、3.00%和8.27%。

2.1.3 不同生態(tài)區(qū)GWP差異

圖4顯示的是不同生態(tài)區(qū)之間的GWP的構(gòu)成。各地區(qū)之間GWP的分布具有一定的差異，其中豫中地區(qū)的GWP最大，達(dá)800.57 kg·hm?2，而豫西地區(qū) GWP最低為 580.41 kg·hm?2，豫南和豫北地區(qū)GWP相當(dāng)。對比常規(guī)耕作，各示范區(qū)的GWP均有不同程度的降低，其中豫中和豫西地區(qū)減排較為明顯，GWP分別降低15.24%和9.32%。而豫南和豫北分別降低4.79%和5.08%。

2.2 不同生態(tài)區(qū)碳足跡構(gòu)成

2.2.1 不同生態(tài)區(qū)碳足跡組成成分

表3綜合了小麥和玉米兩季作物的總投入，從結(jié)果可以看出，農(nóng)田碳排放的主要來源是農(nóng)田灌溉和化肥的投入，占總碳排放的57.86%—73.01%。其次是土壤溫室氣體的直接排放以及農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油的使用。除草劑和殺蟲劑投入所導(dǎo)致的碳排放相對較低。4個生態(tài)區(qū)的碳排放表現(xiàn)為豫北>豫西>豫中>豫南，并且常規(guī)區(qū)大于示范區(qū)。

2.2.2 小麥-玉米碳足跡

由表4可知，在小麥季，示范田的產(chǎn)量比常規(guī)田的產(chǎn)量高出9.7%—16.5%，單位產(chǎn)量碳足跡降低15.41%—24.09%，其中豫南和豫北產(chǎn)量相對較高。與常規(guī)區(qū)相比，示范區(qū)玉米的單位碳足跡降低了8.22%—34.04%。雖然豫北的玉米產(chǎn)量相對較高，但由于豫北地區(qū)玉米前期較為干旱，農(nóng)業(yè)灌溉量大大增加，而灌溉用電又是碳足跡的主要構(gòu)成之一，因此碳足跡也相對較高。對比小麥季和玉米季的單位產(chǎn)量碳足跡，除豫北地區(qū)外，其他地區(qū)小麥季的碳足跡比玉米季平均高出10.75%—42.15%。從麥玉周年的角度來看，豫北和豫西的單位產(chǎn)量碳足跡較高，這可能是由于豫北在生產(chǎn)過程中農(nóng)業(yè)資源投入較多，而產(chǎn)量較低則是豫西地區(qū)單位產(chǎn)量碳足跡較高的原因。

圖4 不同生態(tài)區(qū)GWPFig. 4 GWP in different ecological areas

表3 各生態(tài)區(qū)生產(chǎn)過程中項各投入的碳排放Table 3 Carbon emissions of each input in the production process of each ecological zone

表4 小麥、玉米產(chǎn)量和單位產(chǎn)量的碳足跡Table 4 Carbon footprint of wheat and maize yield and unit yield

3 討論

大量的研究表明，農(nóng)業(yè)不僅僅作為溫室氣體排放的源頭，同時，也可能是溫室氣體的匯，土壤和植被都具有強大的碳匯功能。旱地種植過程中，即使不同生態(tài)區(qū)氣候有所差異，但通常都作為CH4的匯。She et al.（2017）的研究結(jié)果表明，玉米是我國華北地區(qū)主要的固碳作物。因此如何合理的利用土壤和植被的碳匯功能值得我們探討，已有研究表明，可以通過優(yōu)化管理措施來固定碳，包括少免耕、秸稈覆蓋、生物固氮等（王小彬等，2011）。在我們的實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，很多地方會在夏季減少耕作，同時進(jìn)行秸稈還田，這些措施不僅減少了農(nóng)民生產(chǎn)過程中的成本，同時也減少了碳排放。本研究發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)的排放量雖然有所不同，但排放規(guī)律具有相似的趨勢。其中施肥是造成的土壤中N2O排放的主要原因之一，氮肥的施入增加了反應(yīng)底物的濃度，促進(jìn)土壤中硝化和反硝化的進(jìn)程，導(dǎo)致N2O的大量排放（朱龍飛等，2019）。同時N2O的排放還受到溫度、降水、土壤耕作措施等多種因素的影響（Xu et al.，2017）。

本研究中，碳足跡是由農(nóng)藥，灌溉電力，機(jī)械耗油，化肥，種子和溫室氣體的直接排放所構(gòu)成。其中電力和化肥是碳足跡的主要來源，目前大部分的農(nóng)田灌溉還是以大水漫灌方式為主，這種粗放方式導(dǎo)致了大量水資源的浪費，同時也增加了農(nóng)業(yè)碳排放，因此優(yōu)化水管理不僅可以提高水分利用率，減少農(nóng)業(yè)成本，也能夠降低碳排放?；实氖┯檬翘甲阚E的主要來源，也是節(jié)能減排的關(guān)鍵點。肥料的施用是農(nóng)事活動中重要的一環(huán)，化肥所導(dǎo)致的碳排放占總投入的57%（Cheng et al.，2011）。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)農(nóng)民在種植的過程中仍然有過量施肥的現(xiàn)象，這給土壤和環(huán)境都造成了很大的負(fù)荷，需要控制、減少化肥的使用。同時施肥和灌溉也是影響溫室氣體排放的主要因素（Tan et al.，2017），合理的施肥灌溉也可以減少農(nóng)田溫室氣體的排放，進(jìn)一步降低農(nóng)田碳足跡。

朱永昶等（2017）的研究表明，山東省高密地區(qū)小麥玉米種植系統(tǒng)的碳足跡分別為0.69 kg·kg?1和0.40 kg·kg?1，在 She et al.（2017）的研究中小麥玉米的碳足跡分別為 0.4 kg·kg?1和 0.25 kg·kg?1。本文研究的小麥的碳足跡范圍在 0.20—0.33 kg·kg?1，玉米的碳足跡為 0.16—0.29 kg·kg?1，這與前人研究的結(jié)果有所差異。造成結(jié)果差異的原因可能是在數(shù)據(jù)收集過程中的來源不同，以及碳排放參數(shù)的選擇有所不同。除豫北地區(qū)外，其他地區(qū)小麥種植過程中的單位產(chǎn)量碳足跡高于玉米。這可能是由于小麥的生長周期長，累計直接排放量更多，也可能是由于玉米的產(chǎn)量更高。除此之外，玉米種植期間生產(chǎn)資料投入較少，大部分地區(qū)在玉米種植過程中會選擇免耕或少耕，能夠降低機(jī)械投入所造成的碳足跡。

相比于示范區(qū)，常規(guī)區(qū)所使用的農(nóng)藥（包括殺蟲劑和除草劑）更多，雖然在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)有很多農(nóng)民已經(jīng)具有減少農(nóng)藥使用量的意識，但是在使用的過程中往往僅根據(jù)自身的經(jīng)驗進(jìn)行噴灑，并且缺乏提前預(yù)防和針對性的使用農(nóng)藥的意識，因此在使用的過程中具有一定的盲目性，造成農(nóng)藥使用量的增加。在郭霞（2008）的研究中發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥施用技術(shù)和農(nóng)業(yè)知識的傳播具有“鄰近效應(yīng)”和“規(guī)模等級效應(yīng)”，示范區(qū)的建立不僅僅是降低農(nóng)業(yè)碳足跡，而且起到了一定的示范效應(yīng)，能夠影響到周圍農(nóng)戶們的操作習(xí)慣。

農(nóng)民常規(guī)種植的過程中，通常種植的面積在0.13—0.67 hm?2，示范區(qū)的面積在 6.67—26.67 hm?2。相比與示范區(qū)，農(nóng)民常規(guī)耕作不僅種植的成本增加，相對的碳排放也有所增加。陳中督等（2019）的研究表明，隨著種植規(guī)模的增加，稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。Yan et al.（2015）研究中也表明相對于小型農(nóng)場，大型農(nóng)場小麥和玉米的碳足跡均顯著減少22%—28%，這表明規(guī)模化種植有助于減少生產(chǎn)過程中的碳排放，因此，通過擴(kuò)大合作社規(guī)模，或者整合小戶建立新型經(jīng)營主體，大規(guī)模統(tǒng)一種植可以有效減少農(nóng)田碳足跡。在調(diào)查的過程中我們還發(fā)現(xiàn)，示范區(qū)的建立具有一定的輻射范圍，對周圍村鎮(zhèn)具有一定的影響，農(nóng)民在種植的過程中會參考借鑒示范區(qū)的種植品種、施肥、灌溉的時間和頻率。因此示范區(qū)的建立不僅本身有低碳減排的作用，同時在一定空間范圍內(nèi)具有很好的示范效應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）河南省小麥-玉米輪作農(nóng)田作為 CH4的吸收匯，N2O的排放源。玉米季的CH4吸收量和N2O的排放量大于小麥季。GWP表現(xiàn)為豫中>豫北>豫南>豫西。

（2）在本試驗中，河南省碳足跡呈現(xiàn)出中北高，西南低的分布格局。碳足跡的主要來源是農(nóng)業(yè)灌溉和化肥投入，其次是土壤的直接排放和農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用。

（3）在本研究中，小麥的單位產(chǎn)量碳足跡為0.20—0.33 kg·kg?1，玉米的單位產(chǎn)量碳足跡為0.16—0.29 kg·kg?1。

對比各生態(tài)區(qū)的溫室氣體排放和碳足跡，優(yōu)化灌溉模式，適時適量施肥是降低農(nóng)田碳排放的主要方式。同時針對不同生態(tài)區(qū)的特點應(yīng)當(dāng)制定不同的減排措施。豫南雨養(yǎng)區(qū)夏季雨水充沛，但病蟲害頻發(fā)，控制農(nóng)藥使用，提倡生物防治是豫南地區(qū)的重要減排方法之一。豫中補灌區(qū)和豫北灌溉區(qū)地勢相對較為平坦，灌溉條件便利，優(yōu)化灌溉，合理利用水資源是豫中和豫北降低碳排放的關(guān)鍵點。而豫西旱作區(qū)由于灌溉和降水條件有限，品種選育上應(yīng)選擇分蘗強，根系發(fā)達(dá)，耐旱強的作物品種，提高產(chǎn)量降低單位產(chǎn)量碳足跡。

然而對于如何有效降低河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳排放還需進(jìn)一步的探討。