熱帶果類農產品碳足跡核算研究
——以海南芒果為例

張明潔 張京紅 李文韜,3 張亞杰 楊靜 林紹伍

（1. 海南省氣候中心 海南?？?570203；2. 海南省南海氣象防災減災重點實驗室 海南?？?570203；3. 海南省氣象探測中心 海南?？?570203）

世界氣象組織發(fā)布的《溫室氣體公報》數據顯示，2020 年大氣中吸熱溫室氣體的年增長率高出2011—2020 年的平均水平，且2021 年這一趨勢仍在延續(xù)[1]。農業(yè)是重要的溫室氣體排放源，農業(yè)活動中耕地釋放的CO2約為150 億t，占比超過全球人為CO2排放總量的30%[2]。一方面，農業(yè)生產過程需要消耗大量的能源和投入農資，而能源消耗和農資生產、使用等活動均會產生大量的CO2、N2O、CH4等溫室氣體[2]。另一方面，農作物通過光合作用固定空氣中的CO2。因此，農業(yè)碳足跡是指人類在農田上進行生產活動形成的碳流量，包括碳排放和碳固定兩方面[3]。其中，碳排放是指植物在農田生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接地排放CO2等溫室氣體[3]；碳固定是指農田生態(tài)系統(tǒng)中，綠色植物光合作用吸收CO2減去呼吸作用排出的CO2而得到的凈初級生產力，其中少量轉化為土壤腐殖質[3]。農業(yè)碳足跡能夠定量測算農業(yè)生產活動對溫室效應的影響[4]。

關于農作物碳足跡，我國已有部分學者對小麥[5]、水稻[6]、玉米[6]、油菜[7]、花生[8]、蘋果[9]、臍橙[4]等開展了研究。例如，周志花[6]利用生命周期法對2014 年我國小麥、玉米、水稻碳足跡的核算結果表明，氮肥生產造成的CO2排放和施用氮肥造成的農田N2O 排放是小麥、玉米生產的最主要排放源，稻田CH4排放是水稻生產的最主要排放源。陳中督等[7]以長江中下游地區(qū)油菜為研究對象，對其生命周期的碳足跡核算結果表明，肥料和人工投入是長江流域油菜生產主要的溫室氣體排放源。沙建英等[9]基于生命周期評價法核算了天水花牛蘋果生命周期內的碳足跡，得出花牛蘋果碳足跡為0.069 824 9 kg Ce/kg，其中CO2排放熱點環(huán)節(jié)為施肥環(huán)節(jié)和生產加工電能消耗環(huán)節(jié)，分別占CO2總排放量的52.20%和29.82%。以上研究為研究區(qū)域低碳農業(yè)的發(fā)展提供了科學支撐。然而，因角度和方法不同，大多數研究僅考慮了碳排放過程而忽略了碳固定過程，無法真實反映農作物對空氣中溫室氣體的貢獻狀況。此外，關于熱帶果類農產品的碳足跡研究也鮮見報道。

作為我國熱帶水果優(yōu)勢產區(qū)，海南的熱帶水果產業(yè)保持穩(wěn)定發(fā)展。2010—2020 年海南熱帶水果面積和產量呈波動上升趨勢，2020 年海南熱帶水果總產量349.75 萬t，收獲面積15.94 萬hm2，分別比2010 年增長22.57%、14.73%。其中2020年芒果總產量76.47 萬t，收獲面積5.58 萬hm2，分別比2010 年增長了41.59%和1.06 倍。本研究以海南芒果為研究對象，遵循芒果園生態(tài)系統(tǒng)中碳流的全環(huán)式路徑原則，采用生命周期評價法核算芒果生產碳足跡，量化芒果在整個生命周期對空氣中溫室氣體的貢獻，識別其生命周期中的碳排放熱點，為相關部門制定有效的碳減排方案、推行碳標簽制度及發(fā)展熱帶特色高效低碳農業(yè)提供理論及數據支撐。

1 資料與方法

生命周期評價法是指通過分析研究對象從原材料、生產、運輸、銷售、使用到處理階段溫室氣體排放量和固定量[4，10]，從而得出其碳足跡的研究方法。適用于從商業(yè)到消費者的各類商品和服務、從商業(yè)到商業(yè)的各類商品和服務在其生命周期內的溫室氣體排放評價[4]。本研究采用生命周期評價法核算芒果碳足跡，由于在芒果食用和廢棄過程中基本不產生碳排放，因此，采用從商業(yè)到商業(yè)的評價模式來繪制芒果碳足跡的過程圖，如圖1 所示。

圖1 海南芒果碳足跡過程

1.1 芒果碳足跡系統(tǒng)邊界

碳足跡系統(tǒng)邊界決定了農產品碳足跡計算的范圍[4]。根據芒果生產實際，碳足跡系統(tǒng)邊界確定為芒果種植、生產加工、運輸分銷3 個階段。其中，產品運輸分銷主要采用電商形式，不包括零售流通階段，故運輸分銷過程的碳排放忽略不計。在芒果園生態(tài)系統(tǒng)中，同時存在著耗碳和固碳，芒果生產既是碳流中的碳匯，也是碳源。因此，芒果碳足跡核算范圍主要包括芒果種植階段肥料、農藥等農資投入品，果園灌溉消耗的電能，生產加工過程中消耗的電能、包裝使用的紙漿等，勞動力引起的直接或間接碳排放，以及芒果種植過程中果樹樹體自身的生物碳積累和有機肥、凋落物等有機碳在土壤中的積累[11]。

1.2 數據來源

1.2.1 活動水平數據海南是我國芒果主要產區(qū)之一，芒果種植主要集中在昌江、東方、三亞、陵水等西部和南部沿海市縣，其中昌江縣為“中國芒果之鄉(xiāng)”。研究過程中，選取昌江縣種植面積80 畝（1 畝≈667 m2）以上、具有2 年以上種植經驗的規(guī)模種植戶共15 家，采用入戶調研的方式，獲取其2020和2021年的主要生產信息：種植面積、樹齡、產量、農藥使用量、化肥施用量、有機肥施用量、套袋用量、灌溉耗電量、農業(yè)機械消耗燃油量和電量、勞動力人數和年工作天數等。規(guī)模種植戶的田間管理設施較為完善，施肥、噴藥等用量賬目較為清晰，因此調研結果更加科學準確。

1.2.2 排放因子數據已有的農產品碳足跡核算研究中采用的排放因子系數主要是參考借鑒國內外的代表性研究結果[12-14]中的權威值，或選用IPCC 國家溫室氣體清單指南、ecoinvent 2.2 數據庫等[15-18]的推薦值。但多數研究結果中的排放因子系數是以國外的資料為基礎的，并不完全符合我國的情況。中國農業(yè)科學院劉巽浩等[3]遵循農田生態(tài)系統(tǒng)的邊界和碳流規(guī)律、指標參數力求準確公平、客觀實用的原則研究改進了排放因子系數。本研究選用其改進后的排放因子系數（表1）進行碳足跡核算。

表1 排放因子系數

1.3 碳足跡計算

1.3.1 碳排放芒果園生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放主要包括農資投入引起的CO2排放、農田N2O 和農田土壤呼吸導致的CO2排放。

（1）農資投入引起的CO2排放主要來源于肥料和農藥施用、包裝套袋以及農業(yè)機械、灌溉使用的燃油、電力的能源消費。計算公式為：

式中：EC2O為農資投入引起的CO2排放當量，單位為t·CO2/hm2；Ei為各項農資投入的碳排放量，單位為t·CO2/hm2；EiF為第i種活動的活動水平；iC為第i種活動的排放因子。

N2O 排放主要來源于化肥和有機肥施用的 N元素釋放，包括：（1）N 元素在硝化與反硝化過程中的N2O 直接排放；（2）氮揮發(fā)后沉降和淋溶徑流導致的N2O 間接排放。計算公式如下[20]：

式中：EN2O表示 N2O 排放總量，單位為t·CO2/hm2；EN2O直接、EN2O沉降和EN2O淋溶分別表示N2O 直接排放量、沉降導致的N2O 間接排放量和淋溶徑流導致的N2O 間接排放量。298 是N2O換算成CO2當量的轉換系數。

（2）土壤呼吸導致的CO2排放。土壤呼吸是陸地植物固定CO2和釋放CO2返回大氣的主要途徑，是與全球變化有關的一個重要過程[20-21]。為避免重復計算，在計算農田土壤呼吸速率時應剔除根系呼吸所引起的CO2排放。計算農田土壤呼吸速率時應剔除根系呼吸所引起的CO2排放。計算公式如下：

其中：EsC2O表示剔除根系呼吸后土壤呼吸導致的CO2排放量，單位為t·CO2/hm2；T表示時間，單位為a；A表示耕地面積，單位為hm2；Rsoil為剔除根系呼吸后的農田土壤呼吸速率，本研究中取值為14.47 t·CO2/（hm2·a）[22-23]。

1.3.2 碳固定（1）作物通過光合作用吸收空氣中的CO2，同時通過葉片、根系的呼吸作用釋放CO2，二者相減得到凈初級生產量[3]。固碳量計算公式為：

式中：Cp表示農田生態(tài)系統(tǒng)作物固碳總量，單位為t·CO2/hm2；F為芒果樹的含碳率，取45%；Y為芒果的經濟產量，單位t；w為芒果樹的水分系數，取90%；R為芒果樹的根冠比，取0.25；H為芒果樹經濟產量與生物產量的比值，即經濟系數，取0.7。44/12 是C 轉換為CO2的轉換系數。

（2）有機肥、凋落物等有機碳在土壤中的積累,植物通過光合作用將大氣中的CO2固定到植物體內，又通過根系分泌物、凋落物及根系生物量等將一部分光合碳輸入到土壤中[24]，即土壤可以通過植物從大氣中吸收、轉化、存儲二氧化碳。韓冰等[25]、金琳等[26]、韓召迎等[27]對全國多個定位試驗站的長期觀測研究結果表明，土壤年平均固碳速率為0.452 t·C/（hm2·a）。

土壤固碳量的計算方法如下：

式中，CS表示土壤固碳量，單位為t·CO2/hm2；RSOC為土壤固碳速率，單位為t·CO2/（hm2·a）；S表示面積，單位為hm2；t為時間，單位為a。

1.3.3 碳足跡芒果生產全生命周期的碳足跡即各項固定源的碳固定總量與各項農資投入和排放源的碳排放總量的差值，計算公式為：

式中，Cf為芒果碳足跡，單位為t·CO2/hm2。

2 結果與分析

2.1 芒果生產碳排放

芒果園生態(tài)系統(tǒng)碳排放量為19.72 t·CO2/hm2，主要來源于農資投入品和土壤呼吸的碳排放。其中土壤呼吸的碳排放量為14.47 t·CO2/hm2，占總碳排放的73.39%，土壤呼吸是芒果碳足跡的最主要碳排放源。農資投入品碳排放量為 5.25 t·CO2/hm2，占總碳排放的26.61%。農資投入品中氮肥生產引起的CO2排放以及施用氮肥造成的N2O 排 放 為 3.04 t·CO2/hm2，占 總 碳 排 放 的15.41%，占農資投入碳排放的57.91%，是芒果生產碳排放的第二大排放源；芒果采摘后生產加工過程中包裝使用的紙漿導致的碳排放量為1.50 t·CO2/hm2，占總碳排放的7.61%，占農資投入碳排放的28.59%，是芒果生產碳足跡的第三大排放源。

究其原因，溫度是影響土壤呼吸的最主要環(huán)境因子，直接影響土壤微生物、土壤動物和植物根系代謝活動[28]。土壤含水量的高低對土壤孔隙的通透性有很大的影響[29]，土壤微生物活動和植物生長及根系代謝均需要一定的土壤濕度和通氣條件[30]，不同形式的降水是土壤水分的主要來源[31]，對土壤呼吸速率具有重要的影響[22]。在一定的范圍內，土壤呼吸速率隨著溫度和水分的增加而增加[22]。海南島地處熱帶邊緣，氣溫高、降水豐富，因此，土壤呼吸速率高于我國其它氣候帶的農業(yè)區(qū)，進而導致土壤呼吸碳排放的貢獻率較高。同時，較高的氣溫導致施肥產生的N2O 直接排放量也高于我國其它處于亞熱帶和溫帶氣候區(qū)的排放量，即施用相同數量的肥料，在熱帶地區(qū)釋放的N2O 量要比在溫帶地區(qū)多[23]，這是導致氮肥施用成為芒果生產碳足跡的第二大碳排放源的重要原因。

2.2 芒果生產碳固定

植株的固碳量受到生物量、含水率、含碳率、種植密度等多種因素的影響，土壤固碳量受到微生物和氣候條件等自然因素及土地利用方式、農田管理措施等人為因素的影響[32]。芒果園生態(tài)系統(tǒng)固碳量為 10.50 t·CO2/hm2，其中植株固碳8.84 t·CO2/hm2，土壤固碳1.66 t·CO2/hm2，分別占總固碳量的84.2%、15.8%，可見芒果樹樹體本身的固碳是主要的固碳途徑。芒果單位面積經濟產量、含碳率高，因此單位面積植株固碳量高。

2.3 芒果生產碳足跡

芒果園生態(tài)系統(tǒng)的碳排放大于碳固定，碳足跡表現為凈碳源，單位面積碳足跡為9.22 t·CO2/hm2。碳足跡與作物種類密切相關，不同作物的碳足跡差異顯著。由表2 可見，芒果單位面積碳排放量遠小于蜜柚和巴西蕉，略高于皇帝蕉；芒果單位面積碳固定量略高于蜜柚而遠低于皇帝蕉和巴西蕉。芒果單位面積碳足跡為表現為凈碳源，且遠小于蜜柚。但皇帝蕉和巴西蕉碳固定量高于碳排放量，表現為凈碳匯。芒果生產過程的碳排放構成與蜜柚等其他水果的碳排放構成類似，肥料特別是氮肥的施用，是主要的碳排放來源。芒果植株種植密度遠低于的香蕉，因此芒果單位面積固碳量遠低于香蕉。相對而言，芒果園生態(tài)系統(tǒng)是碳排放高而碳固定量較低的生態(tài)系統(tǒng)。

表2 與其他水果碳足跡的比較

3 討論與結論

基于生命周期評價法核算了海南芒果生產的碳足跡，結果表明，芒果生產總碳排放量為19.72 t·CO2/hm2，其中芒果園土壤呼吸、種植過程中的氮肥施用和加工包裝過程中紙漿的使用是芒果碳足跡的主要碳排放源，分別占總排放的73.39%、15.41%、7.61%，其余排放占3.59%。芒果園固碳量為10.50 t·CO2/hm2，芒果樹樹體本身的固碳是主要固碳途徑，占總固碳量的84.2%，土壤固碳量占15.8%。芒果生產過程中碳排放量高于碳固定量，表現為凈碳源，每公頃芒果在生產過程中碳足跡為9.22 t·CO2/hm2，即每公頃芒果園在生產過程中CO2凈排放量為9.22 t。通過碳足跡核算識別熱帶果類農產品生命周期過程中的溫室氣體排放情況，能夠為制定碳減排方案提供理論和數據支撐，有利于熱帶高效低碳農業(yè)的發(fā)展和減排目標的實現。在芒果生產過程中，相關部門需加強對種植戶的技術指導，優(yōu)化施肥方案，可通過測土配方施肥、化肥減氮施用技術等減少氮肥施用量，增加有機肥施用量；芒果產品包裝采用環(huán)保材料，從而減少碳排放。同時，相關部門可以推行碳標簽制度，將產品碳足跡信息用量化的指數標示在產品標簽上[33]，建立以消費者為主體的低碳消費模式，提高企業(yè)的社會責任感和競爭力。

芒果園生態(tài)系統(tǒng)同時存在著碳排放和碳固定、碳源和碳匯。本研究遵循果園生態(tài)系統(tǒng)的全環(huán)式路徑，在核算過程中即同時考慮了碳排放和碳固定（即整個碳循環(huán)），避免了只考慮碳排放而忽略碳固定。因此，從方法上看，核算結果較為接近實際，能夠真實反映芒果園生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡。同時，由于相關數據難以獲取，核算過程未包含農業(yè)機械制造原料所隱含的碳排放和灌溉使用的機械及水庫、管道等修建、維護管理等產生的碳排放。此外，調研選取的是具有一定規(guī)模的芒果園，種植規(guī)模較小的種植散戶未考慮，因此平均單位面積產量可能偏高，單位面積植株固碳量可能偏高，進而導致單位面積芒果碳足跡和單位產量芒果碳足跡均偏小。此外，土壤呼吸速率是借鑒已有研究成果的值，可能與芒果園實際存在誤差。同時，不同地區(qū)的氣候類型、同一地區(qū)不同年份的氣象條件等都是影響芒果生產碳排放和碳固定的重要因素，在今后的研究中，還需通過試驗獲取、增加樣本量、多年連續(xù)觀測記錄等方法，完善活動水平數據和排放因子數據，使碳足跡核算結果更加精確。