耕作方式對小麥—玉米兩熟農田生態系統碳足跡的影響

武寧++王恩慧++王充卯++寧堂原++李玉浩++周常營

摘要：農田生態系統碳足跡分析有利于找出問題，為低碳農業提供支撐。本文基于碳足跡全循環指標系統，以山東省泰安、滕州、龍口三地的中高產田為例，研究了耕作方式對中高產田耗碳足跡、固碳足跡、凈耗碳（△GHG）、單位產值碳足跡（CFv）及單位產量碳足跡（CFy）的影響。結果表明：農田生態系統耗碳足跡中，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%；機電油耗碳的80%以上是灌溉、耕作、播種和收獲產生的；有機耗碳中98.83%以上是秸稈耗碳。農田生態系統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城市高出196.3～7 801.5 kgCO2/hm2（旋耕除外）；三地農田生態系統的ΔGHG值在-3 524.7～-8 774.3 kgCO2/hm2，均表現為碳匯；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；地區間的CFv和CFy規律性不明顯。因此，提高農業機械作業效率、減少機電油耗，提高氮肥和水分利用效率，建立合適的土壤耕作制度，提高作物產量，是山東省提高凈固碳能力的重要突破方向。同時，繼續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該重點解決的問題。

關鍵詞：耕作方式；小麥-玉米兩熟；中高產田；農田生態系統；碳足跡

中圖分類號：S157.4+2+S181.6文獻標識號：A文章編號：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

農田生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，隨著溫室效應成為全球關注的熱點，農田生態系統的溫室氣體排放情況成為科研人員研究的重要部分。運用碳足跡對農田生態系統的溫室氣體排放進行研究在學術界得到了認可[1-3]。碳足跡（carbon footprint）是在生態足跡[4]的概念基礎上提出來的，是對某種活動或某種產品生命周期內直接或間接CO2排放量的度量，最早出現于英國，隨后在學術界和非政府組織等推動下迅速發展起來[5]。21世紀初，美國環境科學家West和Marland明確了種子、化肥、灌溉、農藥等在生產、包裝、儲存、運輸和使用過程中的CO2排放量，是運用碳足跡法指標體系的先驅[6，7]；隨后，Ohio州立大學的Lal教授從生命周期評價的角度對碳足跡指標體系進行了系統歸納[8]。后人的碳足跡研究大多是基于他們的指標體系。

農田生態系統不同于草地、森林、城市等生態系統，既是“碳匯”，也是“碳源”，但究竟是“凈碳匯”還是“凈碳源”存在著巨大爭議。一些學者認為，農業活動及其過程是重要的溫室氣體排放源而非碳匯，對全球CO2的吸收沒有什么貢獻[9]；但更多的研究者傾向于農田具有巨大的碳匯量[10]。目前對農田碳匯的研究已從農田土壤的碳匯效應向整個農田生態系統的凈碳匯效率轉移[11-13]，并以碳足跡表征農田生態系統的溫室氣體凈增減量、碳流的效率等[1，2]。但針對耕作方式和高低產田的相關研究卻很少。山東省作為我國的農業大省，2013年的耕地面積是760萬公頃，占全省面積的48%以上。因此，分析山東省農田生態系統的固碳效應與碳流效率等，對制定農田管理和溫室氣體減排措施具有重要的指導意義。

1材料與方法

1.1研究區域概況

研究區域包括山東省膠東半島的龍口（中產田）、中部地區的泰安（中產田）和南部地區的滕州（高產田）。三地的冬小麥產量分別為7.50、6.32、8.26 t/hm2，夏玉米產量分別為8.60、8.73、10.36 t/hm2。本研究對三個地區2012年翻耕、旋耕、耙耕三種耕作方式的碳排放和固定進行了比較分析。

1.2碳足跡分析原理

1.2.1碳流路徑農業生產是一種既有碳排放也有碳固定的生產活動。其碳排放包含兩個方面：一是生產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；二是農田生產過程中投入的物資如農藥、化肥、機械等所釋放的溫室氣體。而農田作物進行光合作用時又會固定大氣中的CO2。因此，本研究采用全環式碳流模型[1，14-17]對農田系統的碳足跡進行研究，模型如下：

式中：NGHGB指空氣中凈溫室氣體平衡；GWPNPP指凈初級生產率（包括籽粒、秸稈、殘茬和根系）；GWPIMPORT指外部直接投入的碳，實際是指廄肥；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指土壤有機質變化引起的溫室氣體增減量（在某些短期田間試驗中此項可忽略）；GWPINPUT指各種間接碳匯，包括肥料、農藥、種子、灌溉、人力、畜力等。

為了更好地適應中國的實際情況，在公式（1）的基礎上進行非實質性的修改[1]，將模型簡化為：

式中：△GHG指農田生態系統的凈耗碳量，也可指空氣中溫室氣體增減量；GWPNPP指凈初級生產率的增溫潛勢；GWPSOC指土壤有機碳的增溫潛勢（短期試驗可忽略）；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；GWPINPUT指間接投入的增溫潛勢。

△GHG也可以從投入與產出的角度進行計算，即：

△GHG=總耗碳-總固碳；

總耗碳=無機要素耗碳+有機要素耗碳；

無機要素耗碳=機電油耗碳+化合物耗碳。

若△GHG<0，則農田生態系統對大氣溫室氣體的作用為負，即凈碳固定；若△GHG>0，則農田生態系統對大氣溫室氣體的作用為正，即凈碳排放。

1.2.2指標體系為了方便計算和比較，需要將碳的主要來源、排放和參數按一定標準折算成同一單位。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]五種指標體系。劉巽浩等[1]在此基礎上制定出了更加符合中國的指標體系，并對其賦值，見表1。

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

CFy=ΔGHG/TY

CFv=ΔGHG/TV

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

1.3數據處理與分析

用Microsoft Excel 2013對數據進行統計分析，用SigmaPlot 10.0作圖。

2結果與分析

2.1山東省中高產田不同耕作方式的耗碳足跡

2.1.1山東省中高產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田生產中，冬小麥季的純N+土壤N2O耗碳分別占化合物耗碳總計的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%。可以看出，研究植株利用N肥規律，設計合理施肥方式，減少N肥施用量，提高N肥的有效利用率，也是減少農田生態系統中糧食生產耗碳的方式之一。

2.1.2山東省中高產田不同耕作方式的機電油耗碳由表3和表4可知，冬小麥生長季，泰安、滕州和龍口農田翻耕處理的灌溉、翻耕和收獲所消耗的機電油耗碳之和分別是整個冬小麥生長季機電油耗碳總計的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%；灌溉耗碳占機電油耗碳總計的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電油耗碳總計分別是整個夏玉米生長季機電油耗碳總計的79.70%、81.30%和93.23%；其中，灌溉耗碳占機電油耗碳總計的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%以上的機電油耗碳是灌溉、耕作、播種和收獲。所以改進灌溉技術，改良收獲、耕作和播種機械，提高油電利用效率，是減少機電油耗碳的關鍵及降低農田生態系統中糧食生產耗碳的方式之一。

2.1.3山東省中高產田不同耕作方式的有機耗碳從表5可以看出，山東省三個地區農田生態系統中有機耗碳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量，相對一年來說，秸稈耗碳等于秸稈固碳。

2.2山東省中高產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%。滕州的農田是高產田，無論是冬小麥還是夏玉米的籽粒固碳都高于其他兩個城市，高出720.3～2 372.1 kgCO2/hm2。滕州的總固碳比其他兩個城市高出196.3～7 801.5 kgCO2/hm2（旋耕除外）。三地農田生態系統的ΔGHG值在-3 524.7～-8 774.3 kgCO2/hm2，均為負值，所以農田生態系統的糧食生產是一個凈固碳而不是耗碳的過程。三地冬小麥生長季平均ΔGHG值為-4 976.1 kgCO2/hm2，而三地夏玉米生長季平均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，并通過培育高產新品種和運用新技術增加作物經濟產量，是提高農田生態系統中糧食生產過程凈固碳的重要途徑。

2.3山東省中高產田不同耕作方式的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值碳足跡（CFv）值為-0.2191～-0.4263，單位產量碳足跡（CFy）值為-0.5635～-0.8900，均為負值，說明均表現為碳匯。三地區間，除旋耕外，冬小麥季CFv表現為滕州>龍口>泰安，夏玉米季則表現為泰安≈龍口>滕州。在地區間，冬小麥季CFy值以泰安最低，夏玉米季CFy表現為龍口>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高于冬小麥。耕作方式相比，CFv和CFy表現趨勢為冬小麥翻耕-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討論與結論

山東省農田生態系統耗碳是由農田生產過程的投入決定的，主要包括化合物耗碳、機電油耗碳和有機物耗碳三部分。化合物耗碳主要指農田生態系統生產過程中的肥料施用，其中僅N肥施用的耗碳就占據了化合物耗碳的1/2以上，這與田慎重[20]的研究結果相同。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，是降低農田生態系統耗碳的主要方式。機電油耗碳主要是由灌溉、收獲、播種和耕作方式決定的，灌溉耗碳約占了機電油耗碳的1/3，由此可看出政府部門增加農田灌溉基礎建設投入的必要性。雖然農田生態系統中的有機物耗碳非常高，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。可見，山東省農田生態系統無論是中產田還是高產田，無論是翻耕、旋耕還是耙耕，主要耗碳的是農田機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。

農田生態系統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值碳足跡。滕州高產田的籽粒固碳和秸稈固碳量均高于泰安和龍口的中產田，且翻耕的固碳量要高于旋耕和耙耕，因此，在高產田中采用翻耕能夠提高農田生態系統的作物固碳量。農田生態系統的凈耗碳量都為負值，表明農業生產整體來說是一個固碳的過程，對整個自然生態系統具有與森林相同的吸收大氣中溫室氣體的作用[1，2]。三個地區間，滕州高產田的凈固碳量最高，其次為龍口，泰安最低；同一地區不同耕作方式間比較，翻耕的凈固碳量均最大。

由于ΔGHG值為負值，冬小麥和夏玉米的CFv和CFy也均為負值，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，其產量要遠高于C3植物冬小麥的產量[21]。CFv和CFy表現趨勢為冬小麥翻耕-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，這主要是因為翻耕增加了產量和固碳能力。滕州的產量高于泰安和龍口，但CFv和CFy并不是最高，這說明碳足跡的變化不僅與產量有關，也與生產過程中碳耗和價格有關。因此，提高產量和減少生產過程中的碳耗，對低碳高產均至關重要。

綜合來看，提高農業機械作業效率、減少機電油耗，提高氮肥和水分利用效率，建立合適的土壤耕作制度，提高作物產量，是山東省農田系統提高凈固碳能力的重要突破方向。同時，繼續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該重點解決的問題。

參考文獻：

[1]劉巽浩，徐文修，李增嘉，等.農田生態系統碳足跡法：誤區、改進與應用——兼析中國集約農作碳效率[J].中國農業資源與區別，2013，34（6）：1-11.

[2]劉巽浩，徐文修，李增嘉，等.農田生態系統碳足跡法：誤區、改進與應用——兼析中國集約農作碳效率（續）[J].中國農業資源與區別，2014，35（1）：1-7.

[3]王占彪，王猛，陳阜. 華北平原作物生產碳足跡分析[J].中國農業科學，2015，48（1）：83-92.

[4]Rees W E. Ecological footprints and appropriated carrying capacity： what urban economics leaves out [J]. Environment and Urbanization， 1992， 4（2）： 121-130.

[5]段華平，張悅，趙建波，等.中國農田生態系統的碳足跡分析[J].水土保持學報，2011，25（5）：203-208.

[6]West T O， Marland G. Net carbon flux from agricultural ecosystems： methodology for full carbon cycle analyses [J]. Environmental Pollution， 2002，116：439-444.

[7]West T O， Marland G. A synthesis of carbon sequestration， carbon emissions， and net carbon flux in agriculture： comparing tillage practices in the United States [J]. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2002， 91： 217-232.

[8]Lal R. Carbon emission from farm operations [J]. Environment International， 2004， 30（7）： 981-990.

[9]方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981—2000年中國陸地植被碳匯的估算[J].中國科學（D輯），2007，37（6）：804-812.

[10]趙榮欽，秦明周.中國沿海地區農田生態系統部分碳源/匯時空差異[J].生態與農村環境學報，2007，23（2）：1-6.

[11]余喜初，黃慶海，李大明，等.潘陽湖地區長期施肥雙季稻稻田生態系統凈碳匯效應變化特征[J].農業環境科學學報，2011，30（5）：1031-1036.

[12]李潔靜，潘根興，張旭輝，等.太湖地區長期施肥條件下水稻-油菜輪作生態系統凈碳匯效率及收益評估[J].應用生態學報，2009，20（7）：1670-1676.

[13]Cao S， Xie G， Zhen L. Total embodied energy requirements and its decomposition in Chinas agricultural sector [J]. Ecological Economics， 2010， 69（7）：1396-1404.

[14]Soussana J F， Allard V， Pilegaard K， et al. Full accounting of the greenhouse gas budget of nine European grassland sites [J]. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2007， 12：1121-1134.

[15]Smith P， Lanigan G， Kutsch W L， et al. Measurements necessary for assessing the net ecosystem carbon budget of croplands [J]. Agriculture， Ecosystems & Environment， 2010， 139：302-315.

[16]Lehuger S， Cabrielle B， Laville P，et al. Predicting and mitigating the net greenhouse gas emissions of crop rotation in Western Europe [J].Agricultural & Forest Meteorology， 2011， 151：1654-1671.

[17]Gan Y， Liang C， Campbell C A， et al. Carbon footprint of spring wheat in response to fallow frequency and soil carbon changes over 25 years on the semiarid Canadian prairie [J]. European Journal of Agronomy， 2012， 43：175-184.

[18]劉巽浩. 能量投入產出研究在農業上的應用[J]. 農業現代化研究，1984（4）：15-20.

[19]Yang X L， Sui P， Zhang M， et al. Reducing agricultural carbon footprint through diversified crop rotation systems in the North China Plain [J]. Journal of Cleaner Production， 2014， 76： 131-139.

[20]田慎重. 基于長期耕作和秸稈還田的農田土壤碳庫演變、固碳減排潛力和碳足跡分析[D].泰安：山東農業大學，2013.

[21]于振文， 主編. 作物栽培學各論（北方本）[M]. 北京：中國農業出版社， 2013.