安徽省沿江平原雙季稻3種栽培體系碳足跡

王光宇 朱麗君 張揚

摘要：基于安徽省沿江平原糧食豐產(chǎn)科技工程示范區(qū)農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)，運用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及方法，分析課題研究集成的2種雙季稻栽培體系創(chuàng)新模式與當?shù)貍鹘y(tǒng)對照模式的碳足跡。結(jié)果表明，創(chuàng)新模式1單位面積碳足跡（早+晚雙機播）為2 376.32 kg（CO2-eq）/hm2，創(chuàng)新模式2（早+晚雙拋）為2 505.58 kg（CO2-eq）/hm2，對照模式（早直播+晚拋）為3 398.29 kg（CO2-eq）/hm2;3種模式內(nèi)晚稻單位面積碳足跡高于早稻，化肥和電力對總單位面積碳足跡貢獻排前位，農(nóng)藥對單位面積碳足跡貢獻最小;在單位面積產(chǎn)量碳足跡方面，2種創(chuàng)新模式低于對照模式，創(chuàng)新模式1（早+晚雙機播）單位產(chǎn)量碳足跡為201.26×10-3 kg（CO2-eq）/kg，創(chuàng)新模式2（早+晚雙拋）單位產(chǎn)量碳足跡為211.90×10-3 kg（CO2-eq）/kg，對照模式（早直播+晚拋）單位產(chǎn)量碳足跡為317.22×10-3 kg（CO2-eq）/kg。

關(guān)鍵詞：碳足跡;雙季稻;溫室氣體;安徽省;沿江平原;栽培體系

溫室氣體包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等，它們的排放會引起氣候變化。如何減少溫室氣體的排放是科學家研究的方向，也是政府關(guān)注的熱點。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是重要溫室氣體排放源之一[1]，生產(chǎn)過程的排放量、影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的因素，一直是農(nóng)業(yè)科研者探究的方向，定量評價和測算各因素排放量，對減緩溫室氣體的排放具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。碳足跡（carbon footprint，簡稱CF）是指某項活動或某產(chǎn)品的生命階段直接和間接的溫室氣體排放總量[2]。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[3]。發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推行溫室氣體減排成為現(xiàn)階段應(yīng)對氣候變化的重要措施[4]。定量研究作物生產(chǎn)碳足跡，可為發(fā)展低碳綠色農(nóng)業(yè)提供參考[5]。

安徽省沿江雙季稻區(qū)是我國適宜雙季稻種植的北緣地區(qū)，也是長江中下游雙季稻主產(chǎn)區(qū)之一[6]。近年來安徽省沿江雙季稻面積有所下降，每年至少有10萬hm2播種面積，對安徽省糧食總產(chǎn)量發(fā)揮重要的作用。近10年來，沿江雙季稻栽插基本擺脫過去人工栽插的方式，轉(zhuǎn)為以機插、直播、拋栽方式為栽培主體方式，形成了多種組合的栽培體系，促使栽培體系逐步完善。2019年7、11月，本研究團隊2次深入沿江平原的廬江縣和無為市（縣級市），調(diào)查糧食豐產(chǎn)工程項目示范區(qū)約900 hm2，重點圍繞雙季稻連作模式開展生產(chǎn)資料投入調(diào)查，運用國際通行的生命周期法（life cycle assessment，簡稱LCA）定量測算作物生產(chǎn)對溫室效應(yīng)的影響，旨在為探討低碳農(nóng)業(yè)模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

本研究以“十三五”國家重點研發(fā)計劃“安徽糧食多元種植規(guī)?；S產(chǎn)增效技術(shù)集成與示范”在沿江平原集成的創(chuàng)新模式為研究對象，對照傳統(tǒng)模式，基于實地調(diào)研的農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及研究方法，參考前人相關(guān)研究的碳排放參數(shù)，分析模式碳足跡。

1.1 碳足跡界定

以早稻播種至晚稻收獲的一個完整生命周期為研究時限，采用生命周期評價方法，分別計算早稻和晚稻各自生產(chǎn)過程的碳足跡，從而得到雙季稻的碳足跡。理論上，生命周期法計算碳足跡應(yīng)包括直接碳排放，即稻田生態(tài)系統(tǒng)直接排放的溫室氣體，主要為CH4、N2O、CO2;農(nóng)資投入及耗能引起的間接碳排放，即水稻生產(chǎn)投入的化肥、種子、農(nóng)藥、電力、農(nóng)膜在生產(chǎn)、加工及運輸過程造成碳的排放，以及生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)農(nóng)事操作造成的能源消耗（耕作、植保、收獲、灌溉消耗柴油）造成的碳排放。但有實證研究報道，水稻生長過程中光合作用所固定的CO2要大于呼吸作用產(chǎn)生的CO2，在水稻生育期內(nèi)CO2凈排放通量為負值，因此CO2一般不列入稻田溫室氣體排放清單中予以計算[7]。另據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，稻田產(chǎn)生的CH4排放影響條件有土壤類型、復(fù)種作物、水稻品種、灌水方式?？紤]本研究只比較創(chuàng)新模式與對照模式碳足跡，模式間產(chǎn)生CH4條件基本一致，所以CH4排放也不列入本研究中。至于N2O，考慮受監(jiān)測精度和可靠數(shù)據(jù)獲取限制，本論文也不作研究。綜上，大田溫室氣體（CH4、N2O、和CO2）直接排放本研究不作計算。所以，本研究只考慮間接排放，即農(nóng)田生產(chǎn)投入（如化肥、農(nóng)藥、灌溉、用電等）碳足跡。

1.2 數(shù)據(jù)來源

除參數(shù)參照相關(guān)文獻外，其他數(shù)據(jù)來源于實際農(nóng)戶生產(chǎn)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括生產(chǎn)資料或耗能。生產(chǎn)資料中氮肥、磷肥、鉀肥折成純氮、五氧化二磷、氧化鉀，農(nóng)藥折成有效成分，但殺蟲劑、殺菌劑、除草劑調(diào)查戶無法區(qū)分，經(jīng)與植保專家座談，認為當年除草劑占農(nóng)藥的20%，殺蟲劑、殺菌劑各占40%;耗能（電力）調(diào)查時只得到投入金額（人民幣數(shù)量），筆者將人民幣的投入數(shù)按當年的《物價年鑒》灌溉用電0.5元/（kW·h）轉(zhuǎn)化為電力的投入量（kW·h）。

1.3 碳足跡計算方法及參數(shù)設(shè)定

間接碳排放主要指農(nóng)田生產(chǎn)投入（如化肥、農(nóng)藥、灌溉用電等）和農(nóng)機耗能導(dǎo)致的碳排放，并將其轉(zhuǎn)化為CO2當量（CO2-eq）。其單位面積計算公式為

式中：i指某一種作物在生產(chǎn)過程中投入的化肥、種子、農(nóng)藥、電力、柴油等農(nóng)資產(chǎn)品;Costi指某種農(nóng)資產(chǎn)品的投入量（kg/hm2或kW·h/hm2）;EFi指某種農(nóng)資產(chǎn)品排放因子。本研究排放因子間接從中國本土化生命周期數(shù)據(jù)庫（chinese life cycle database，簡稱CLCD）中獲?。ū?）。CLCD是國內(nèi)目前唯一可公開獲得的中國本土生命周期評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)代表我國生產(chǎn)技術(shù)及市場平均水平[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位面積碳足跡

2.1.1 模式間碳足跡 本研究調(diào)查的模式有3種，2種為國家重點研發(fā)計劃項目“安徽糧食多元種植規(guī)模化豐產(chǎn)增效技術(shù)集成與示范”在示范區(qū)集成的創(chuàng)新模式，1種為當?shù)爻Ｄ甑膶φ漳Ｊ健?種模式的技術(shù)要點本研究不作敘述?！霸绲緳C插+晚稻機插”雙季稻周年綠色豐產(chǎn)增效技術(shù)集成模式[以下簡稱創(chuàng)新模式1（早+晚雙機播）]，調(diào)查主體為規(guī)模經(jīng)營戶，包括農(nóng)業(yè)企業(yè)、種植合作社、家庭農(nóng)場，總共經(jīng)營主體30戶，最小種植規(guī)模為5.44 hm2，最大為66.67 hm2，總種植面積為533.73 hm2。創(chuàng)新模式2為“早稻拋栽+晚稻拋栽”雙季稻周年綠色豐產(chǎn)增效技術(shù)集成模式[以下簡稱創(chuàng)新模式2（早+晚雙拋）]，調(diào)查了20戶，調(diào)查面積為56 hm2。對照模式為“早稻直播+晚稻拋栽”周年輕簡化栽培技術(shù)集成模式[以下簡稱對照模式（早直播+晚拋）]，總調(diào)查30戶，總面積為290 hm2。調(diào)查內(nèi)容有生產(chǎn)資料投入，包括種子、農(nóng)藥、化肥、灌溉用水耗電、不同生產(chǎn)階段機械耗油、單位面積產(chǎn)量，按碳足跡計算公式分別計算早稻和晚稻各因素的碳足跡，由此得出不同模式下的單位面積碳足跡。由表2可知，2種創(chuàng)新模式單位面積總碳足跡基本相近，明顯低于對照模式。創(chuàng)新模式1低于對照模式30.07%，創(chuàng)新模式2低于對照模式26.27%。尤其是化肥、農(nóng)藥、電力，創(chuàng)新模式1和創(chuàng)新模式2分別低于對照模式14.70%、1307%、52.54%和9.61%、25.50%、40.68%。創(chuàng)新模式1電耗對碳足跡“貢獻”低于創(chuàng)新模式2的20%，但能耗（柴油）對碳足跡“貢獻”高于5028%，說明農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化指標的柴油、電力十分關(guān)聯(lián)，在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中非此即彼。

2.1.2 模式內(nèi)碳足跡?3種模式內(nèi)晚稻的碳足跡高于早稻，但模式內(nèi)各要素碳足跡貢獻序稍有不同，創(chuàng)新模式1單位面積碳足跡貢獻序由高到低為化肥>電力>柴油>種子>農(nóng)藥，且早、晚稻碳足跡貢獻序也為這一序列;創(chuàng)新模式2與對照模式單位面積碳足跡貢獻序一致，均為電力>化肥>種子>柴油>農(nóng)藥，且早、晚稻碳足跡貢獻序基本上也為這一序列，除創(chuàng)新模式2中早稻貢獻序稍有差別，為化肥>電力>種子>柴油>農(nóng)藥。創(chuàng)新模式1化肥、電力、柴油、種子、農(nóng)藥對總單位面積碳足跡貢獻分別占38.62%、34.78%、14.55%、10.34%、1.71%。創(chuàng)新模式2電力、化肥、種子、柴油、農(nóng)藥對單位面積碳足跡貢獻占比分別為4124%、3881%、12.12%、6.44%、1.39%;對照模式電力、化肥、種子、柴油、農(nóng)藥對單位面積碳足跡貢獻占比分別為5125%、31.66%、10.88%、4.83%、1.38%。

2.2 單位產(chǎn)量碳足跡

單位產(chǎn)量碳足跡別稱碳成本，即每生產(chǎn)1單位產(chǎn)品產(chǎn)生的碳排放量。有專家提出，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與集約化的進展，碳耗總量增加是必然的。農(nóng)業(yè)提倡“低碳”不等于減少碳耗總量的所謂“低碳農(nóng)業(yè)”，而是要努力追求單位產(chǎn)品以較低的耗碳率換取較高的固碳率[10]。為此，筆者計算出單位產(chǎn)量的碳足跡（表3）。

由表3可知，就模式間單位產(chǎn)量碳足跡相比而言，與單位面積碳足跡相似，2種創(chuàng)新模式單位產(chǎn)量碳足跡相近，低于對照模式。即采用創(chuàng)新模式1方式生產(chǎn)，每生產(chǎn)1 kg稻谷，產(chǎn)生的CO2排放低于傳統(tǒng)模式36.56%;創(chuàng)新模式2低于傳統(tǒng)模式3320%。就模式內(nèi)而言，3種模式內(nèi)晚稻單位產(chǎn)量碳足跡大于早稻，即生產(chǎn)1 kg晚稻造成的碳排放大于生產(chǎn)1 kg早稻產(chǎn)生的碳排放。創(chuàng)新模式1晚稻單位面積碳排放高于早稻43.39%，創(chuàng)新模式2和對照模式晚稻分別高于早稻43.80%、19.44%。

3 討論

3.1 探尋雙季稻種植新模式，減少模式的間接碳排放

本研究數(shù)據(jù)來源于調(diào)研所得，碳排放系數(shù)借鑒前人的研究結(jié)果，只計算雙季稻碳足跡中的間接碳排放，因此所得模式的碳足跡與真實值可能存在一定差異，低于一些學者研究的結(jié)論[9]。但研究結(jié)果表明，模式間種植體系、技術(shù)接點不同，引起模式間無論是單位面積碳足跡還是單位產(chǎn)量碳足跡均有所不同，創(chuàng)新模式低于對照模式，即說明模式有減排空間。因此，從全生命周期的角度，減少稻田溫室氣體的排放，迫切需要探討新的種植模式。

3.2 強化政策扶持，增加早稻面積

在本研究中，無論是單位面積碳足跡還是單位產(chǎn)量碳足跡，也無論是創(chuàng)新模式還是對照模式，模式內(nèi)早稻的碳足跡低于晚稻。因此，應(yīng)從減少碳排放的角度，鼓勵農(nóng)戶擴大早稻種植面積。但相比中晚稻，早稻品質(zhì)一般，不太好賣，效益不高，政府應(yīng)該出臺具體的務(wù)實激勵政策來扶持農(nóng)戶，保證早稻面積的擴大。

3.3 減少農(nóng)業(yè)化學品使用，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放

減少農(nóng)業(yè)化學品施用、提高農(nóng)業(yè)投入品利用率是實現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)和降低農(nóng)業(yè)溫室氣體排放、緩解氣候變化的一條重要的農(nóng)業(yè)措施。這就要求一方面要加大農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費投入，扎實做好基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為低碳型化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機械的研發(fā)提供條件;另一方面創(chuàng)新農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化激勵機制，完善農(nóng)業(yè)科技成果推廣體系，使清潔型農(nóng)業(yè)技術(shù)得到示范、推廣和應(yīng)用[10]。

4 結(jié)論

4.1 模式間碳足跡有差別

早+晚雙機播技術(shù)集成模式單位面積碳足跡為2 376.32 kg（CO2-eq）/hm2，其中早稻為 1 049.96 kg（CO2-eq）/hm2，晚稻為1 326.35 kg（CO2-eq）/hm2;早+晚雙拋技術(shù)集成模式單位面積碳足跡為2 505.58 kg（CO2-eq）/hm2，其中早稻為1 049.24 kg（CO2-eq）/hm2，晚稻為 1 457.59 kg（CO2-eq）/hm2;早直播+晚拋輕簡化模式單位面積碳足跡為3 398.29 kg（CO2-eq）/hm2，其中早稻為1 429.29 kg（CO2-eq）/hm2，晚稻為1 968.27 kg（CO2-eq）/hm2。前2種模式為項目研究集成的創(chuàng)新模式，后者為當?shù)爻Ｒ?guī)對照模式?？傮w上，創(chuàng)新模式單位面積碳足跡低于常規(guī)模式，即模式的創(chuàng)新有利于溫室氣體的減排。

4.2 模式內(nèi)早、晚稻碳足跡有差別

3種模式內(nèi)晚稻單位面積碳足跡高于早稻，化肥和電力對總單位面積碳足跡貢獻排前位，農(nóng)藥對單位面積碳足跡貢獻最小。

4.3 2種碳足跡（單位面積碳足跡、單位產(chǎn)量碳足跡）趨勢無差別

單位產(chǎn)量碳足跡與單位面積碳足跡趨勢一致，2種創(chuàng)新模式單位產(chǎn)量碳足跡相近，低于常規(guī)模式。

早+晚雙機播技術(shù)集成模式單位產(chǎn)量碳足跡為201.26×10-3 kg（CO2-eq）/kg;早+晚雙拋技術(shù)集成模式單位產(chǎn)量碳足跡為211.90×10-3 kg（CO2-eq）/kg;早直播+晚拋輕簡化模式單位產(chǎn)量碳足跡為317.22×10-3 kg（CO2-eq）/kg。

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