吉林省玉米保護性耕作機械化生產的碳足跡研究

賈翹 袁洪印

摘 要 ：基于吉林省中部地區機械化保護性耕作的調查數據，利用基于農業生命周期評價（LCA）分析的碳足跡分析研究，對不同保護性耕作模式進行的碳足跡分析。結果表明：玉米均勻壟機械化保護性耕作模式碳足跡為516.38 kg·CO2-eq/hm2，寬窄行機械化保護性耕作模式為522.30 kg·CO2-eq/hm2，高光效玉米栽培機械化保護性耕作模式的碳足跡最大，可以達587.1 kg·CO2-eq/hm2。分析發現，氮肥的施用和農機機械的使用對玉米生產機械化保護性耕作的碳足跡分析有最大的影響。因此，需要加大玉米種植的規模效應，提高農機的使用效率，定量施肥并增強單位面積上氮肥的使用效率。

關鍵詞：保護性耕作；機械化生產；碳足跡；生命周期評價；玉米

中圖分類號： S513 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532025

引言

由于人類長期對自然資源的不合理的進行開發利用，我國農業生產面臨著眾多資源與環境問題的挑戰。因此，不斷提高人類對環境資源的利用效率，保護生物多樣性及農業生態環境，是農業的可持續發展必經之路[1]。農業碳足跡分析是一種碳排放對溫室效應影響的定量方法，以農業生命周期評價（LCA）理論為基礎，可以系統評價農作過程引起碳排放的主要環境影響因子，是低碳農業和可持續發展農業的理論基礎[2]。農業LCA理論可以定量分析與評價農業生產活動整個生命周期過程的資源利用與環境負荷之間的關系，農業LCA分析方式對我國農業可持續發展具有重要指導意義[3]。

農業碳足跡分析能夠系統地評價玉米生產機械化保護性耕作生命周期中，由不同因素及環境影響因子直接或間接產生的碳排放，定量地計算農業活動對氣候變暖、碳排放的影響，為改進玉米生產機械化保護性耕作農藝方式提供依據，并對低碳機具設計與選擇指明方向[4]。本文依托農戶跟蹤調研，以玉米生產機械化保護性耕作模式為研究對象，利用農業碳足跡理論、農業生命周期評價LCA理論及其相關研究方法，在參照國內及國際上碳排放參數的相關研究內容，定量的對玉米生產機械化保護性耕作碳排放當量進行計算，并分析其相關指標與碳排放的關系，并篩選出吉林中部地區碳排放減低的玉米機械化保護性耕作模式，為改進農藝方式和低碳機具設計提供依據。

1 玉米保護性耕作模式調查及分析

2014年2-4月在吉林省中部地區對玉米機械化保護性耕作模式的調研，本次調研涉及對象包括公主嶺、榆樹等6個縣市的農技推廣站，農機大戶，農機合作社以及普通玉米種植戶等不同的玉米種植主體。調研對象選取具有代表性的對象，基于隨機抽選的原則，調研小組通過與調研主體的近距離交流，獲得不同玉米機械化保護性耕作模式的投入及產出數據。

1.1 均勻壟保護性耕作模式

農業技術流程為：整地（包括滅茬、旋耕、起壟、鎮壓多個過程）→農田播種及施肥→田間管理（老式的三鏟三趟等多種類型）→收獲環節（留茬、還田）。

技術特點：

整地可分為滅茬、翻地、耙地、起壟、鎮壓等5部分。農戶會根據實際情況對這5部分分別進行選擇整地步驟。

農戶選擇播種機對農業用地進行半精量播種施肥。

田間管理過程包括除草、深松、追肥、灌溉等多種作業方式，農戶也是根據實際情況選擇田間管理的不同類型。

收獲環節主要有人力收獲及機械收獲2大類型。

1.2 寬窄行保護性耕作模式

技術特點：

寬窄行機械化保護性耕作模式不是傳統的均勻壟種植方式，而是通過機械整地將均勻壟耕作模式改為平作耕作模式或大壟雙行耕作模式。

寬窄行機械化保護性耕作模式經常使用半株加密精量播種方式而非常用的半精量播種方式。

寬窄行機械化保護性耕作模式每對休耕輪作帶進行深松處理，其中農田深松深度需達30～40cm。

寬窄行機械化保護性耕作模式是高留茬，留茬高度平均為30～40cm，留根茬到第2年各種自然過程腐化進行還田。

1.3 高光效保護性耕作模式

技術特點：

整地改壟。玉米高光效機械化保護性耕作模式在吉林省中部地區壟向大約為磁南偏西20°左右，會根據每個地區的光照條件進行調整，耕作時大壟行距為165 cm，小壟行距35 cm。

播種方法。第1年玉米高光效機械化保護性耕作模式按耕作行寬40cm，休耕行寬160cm進行播種。第2年在第1年耕作行的東側30cm處仍按耕作行寬35cm，休閑行寬165cm進行播種。第3年按耕作行寬40cm，休閑行寬160cm再間隔30cm進行播種。3a形成1個耕作輪回。

采用機械精量播種。

2 典型模式的碳足跡測算

2.1 清單分析

清單分析階段包括分析特定系統的功能單位內涉及的所有資源投入及物質產出，本文研究過程中所涉及的特定系統是吉林省中部地區不同玉米機械化保護性耕作模式的農作系統。不同機械化保護性耕作模式1hm2玉米田所涉及的投入產出清單見表1。

表1 吉林省中部地區不同玉米機械化保護性耕作模式投入產出清單

均勻壟 寬窄行 高光效

復合肥/（kg·hm2） 1047.5 977.5 950

N/（kg·hm2） 293.3 273.7 266

柴油/（kg·hm2） 78.6 82 96.7

2.2 參數選擇

NH3揮發按照氮素投入總量的14%進行計算，淋洗損失以氮素投入總量的12%計算，每向空氣揮發1 kg氨和水體流失1 kg硝化氮（NO3），會間接產生氧化亞氮（N2O），其中間接揮發氧化亞氮（N2O）分別取0.01 kg和0.025 kg，氧化氮（NOx）的揮發系數為氧化亞氮的10%。柴油燃燒清單如下：CO為0.629 g/kg；NOx為4.794 g/kg；SOx為3.995 g/kg；CO2為3185.005 g/kg；CH4為0.007 g/kg；N2O為0.016 g/kg。計算可得吉林省中部地區不同玉米機械化保護性耕作模式的碳足跡清單匯總見表2。

表2 吉林省不同玉米機械化保護性耕作模式生命周期清單匯總 單位：kg/hm2

物質名稱 均勻壟 寬窄行 高光效

NOx 0.858 0.842 0.900

CO2 250.34 261.17 307.990

CH4 0.000550 0.000574 0.000677

CO 0.0494 0.0516 0.0608

2.3 特征化

2.3.1 環境負荷

國際上已經建立了比較完善的LCA當量模型，利用相對完善的LCA當量模型可以對氣候變暖進行評價分析[5]。其中造成不同玉米機械化保護性耕作模式農田碳排放負荷的環境影響因子以及各個環境影響因子當量系數見表3。

表3 碳足跡排放物質的當量系數

排放物質 當量系數

碳排放 CO2 1

CO 2

CH4 21

NOx 310

（1）

式中：為玉米農作系統對碳排放的特征化結果；為第i種環境影響因子對碳排放的影響潛值；為第i種環境影響因子的排放量；為第i種環境影響影子對碳排放的當量系數。

根據表3選定的影響因子和當量系數，利用式（1）對各種影響因子進行特征化分析，結果見表4。

2.3.2 碳足跡分析

全球氣候變暖是近年來較受關注的有全球性影響的環境負荷，根據當今有關碳排放的研究，可知導致氣候變暖的主要因素為二氧化碳、甲烷、氟利昂、氧化氮等，國際上通常以二氧化碳作為參照物，二氧化碳的當量系數被視為1，其他相關環境影響因子按照百年影響分別設置當量系數[6]。

2.3.3 標準化

標準化通過特征化獲得的結果除以已選好的基準值，相關數據見表5。

（2）

式中：為碳足跡分析的標準化結果；為2000年世界基準值。

表4 不同玉米機械化保護性耕作模式碳足跡特征化結果 單位：kg/hm2

影響因子 均勻壟 寬窄行 高光效 當量系數（CO2） 均勻壟 寬窄行 高光效

CO2 250.34 261.17 307.99 1 250.34 261.17 307.99

CO 0.0494 0.0516 0.0608 2 0.0989 0.103 0.122

CH4 0.000550 0.00057 0.000677 21 0.0116 0.0121 0.0142

NOx 0.858 0.842 0.900 310 265.92 261.01 278.94

總計 516.37 522.30 587.07

表5 不同玉米機械化保護性耕作模式生命周期評價標準化結果

影響類型 單位 模式類型 基準值/（人·年-1） 地域類型 標準化結果

均勻壟 寬窄行 高光效 均勻壟 寬窄行 高光效

碳足跡 Kg·CO2eq 516.38 522.30 587.07 6869 全球 0.0752 0.076 0.0855

2.4 評價結果解釋

從表5中可以看出，玉米高光效機械化保護性耕作模式的碳足跡最大，可以達到587 kg·CO2-eq/hm2。玉米高光效機械化保護性耕作模式比均勻壟機械化保護性耕作模式和玉米寬窄行機械化保護性耕作模式分別多70.7 kg·CO2-eq/hm2和64.8 kg·CO2-eq/hm2。

玉米農作系統碳排放主要來自于農業機械工作過程中柴油燃燒產生的CO2和過量氮肥使用過程引發的NOx。其中在農作過程中，均勻壟機械化保護性耕作模式產生的CO2和NOx造成的碳排放分別占到此種種植模式總碳排放量的48.5%和51.5%（見圖1）；寬窄行休閑機械化保護性耕作模式農作階段產生的二氧化碳和NOx能夠占到此類模式碳足跡的50.00%和49.97%，玉米高光效機械化保護性耕作模式產生CO2和NOx能夠分別占到此類模式碳排放總量的52.6%和47.5%。

可見CO2和NOx是造成農田溫室氣體排放主要的因素，也是碳足跡分析重點，其中CO2主要是有機械油料燃燒引起，而NOx主要是由農田化肥的施用導致的，減少單位土地的這2種物質的施用是減少溫室氣體排放的節點和難點。

3 影響因素分析及對策建議

農業碳足跡受土地條件、農業設施和經濟社會等不同因素的影響，不同區域、不同種植模式，經濟社會條件相差較大，種種原因導致碳足跡的差異較大；相同區域內的不同種植模式的碳足跡也會產生些微差異，因為不同的玉米種植主體在機械運用上、在農技環節上及農田環境差異較大，對最終的碳足跡分析結果產生較大影響。

本研究中玉米高光效機械化保護性耕作模式農業碳足跡的最大，意味著玉米高光效機械化保護性耕作模式碳足跡最高，玉米高光效機械化保護性耕作模式使用農業機械最多，機械化程度最高，導致燃油較多，產生更多的碳排放。而寬窄行機械化保護性耕作模式和均勻壟機械化保護性耕作模式2種模式相對玉米高光效機械化保護性耕作模式相對較為傳統，使用機械較少，因而由燃油燃燒導致的碳排放相對較少。

肥料的使用上，3種模式在實際應用過程中，施肥量基本一致，因其在長時間的種植過程中，享受了肥料增加帶來的增產效應，形成了施肥多產量多的固定思路。農業合作社和農機大戶有一定的科學的種植技術進行指導，生產機械化程度相對較高，但是隨著土壤質量下降，農業合作社及農機大戶在傳統思維的束縛下并不敢降低施肥量，這也就導致實際施肥量并未按照新型保護性種植模式來減少施肥量。根據研究結果表明東北地區機械化保護性耕作模式有巨大的節能減排的能力與潛力，其中玉米均勻壟模式是重點。

在實際農作過程中，只有使用新型農業技術，加強農業基礎設施的建設，加強研發與普及適應當地實際情況的測土配方技術等節肥技術，提高玉米作業過程中的化肥使用效率，是降低吉林省玉米機械化保護性耕作的關鍵；加強玉米種植的規模化也對降低碳排放具有重要意義，但是提高規模種植面積同樣也受經濟社會條件的作用，需要1個長期的發展演變過程，提高種植大戶的管理水平，提高水肥的利用效率，降低單位面積上碳排放水平。分析發現，氮肥的施用和農機機械的使用對玉米生產機械化保護性耕作的碳足跡分析有最大的影響。因此需要加大玉米種植的規模效應，提供機械的使用效率，并施行定量施肥，增強單位面積上氮肥的使用效率。

4 結論

基于吉林省中部地區機械化保護性耕作的調查數據，利用基于農業生命周期評價分析的碳足跡分析研究，對不同保護性耕作模式進行的碳足跡分析。綜合吉林省中部地區各縣市的農業實際農作條件及本研究評價結果，可以看出在吉林省中部地區適合推廣玉米寬窄行機械化保護性耕作模式和在傳統壟作基礎上的均勻壟機械化保護性耕作模式，有較強的可持續發展能力。

玉米寬窄行機械化保護性耕作模式要對原有壟作習慣進行調整，一次性投入較大，在農田改造完成后能產生較好的環境效益，碳排放減少，且一次投入后會有一個長期的經濟環保效果，能產生較好的經濟效益，農機大戶及農業合作社有較大的動力進行推廣應用。均勻壟機械化保護性耕作模式是在原有壟作基礎上應用一定的保護性耕作技術，推廣簡便，在普通農戶中較受歡迎，較為應用于吉林省大部分地區，實施難度較小，可在普通農戶廣泛推廣應用

參考文獻

[1] 楊印生.中國式精確農業發展問題研究[M].吉林科學技術出版社，2003（12）.

[2] 楊印生，盛國輝，呂廣宏.我國開展農業LCA研究的對策建議[J].中國軟科學，2003（5）：7-11.

[3] 楊印生，李洪偉.基于DEA模型的綠色產品非均一評價[J].中國機械工程，2003，14（11）：964-966.

[4]李向東，陳尚洪，陳源泉，等.四川盆地稻田多熟高效保護性耕作模式的生態系統服務價值評估[J].生態學報， 2006， 26（11）：3782-3788.

[5]陳源泉，高旺盛.農牧交錯帶農業生態服務功能的作用及其保護途徑[J].中國人口·資源與環境， 2005， 15（4）：110-115.

[6]陳源泉，隋鵬，高旺盛，等.不同方法對保護性耕作的生態評價結果對比[J].農業工程學報， 2014，30（6）：80-87.

作者簡介：賈翹（1989-），吉林長春人，在讀碩士，研究方向：農業機械化經營管理；袁洪?。?963-），男，吉林長春人，博士，教授，碩導，研究方向：農業信息化與智能化。