陳中督,李鳳博,馮金飛,周錫躍,徐春春,紀 龍,方福平
(中國水稻研究所,浙江杭州 311300)
在全球范圍內,大氣中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的濃度顯著增加,幾乎可以肯定是自1750年以來人類活動的結果[1, 2]。二氧化碳排放量的增加主要歸因于化石燃料的燃燒和土地利用的變化,而CH4和N2O排放主要來自于農業。IPCC第五次評估報告表明,農業源溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的24%,其中CH4和N2O排放分別占全球總的CH4和N2O排放量的70%和90%[3]。2011年,化學肥料在農田施用過程中排放的溫室氣體占農業排放量的13%,是農業領域中增長最快的排放源,自2001年以來增加了約37%。因此,減少全球農業溫室氣體排放、促進農業低碳經濟在控制全球溫室氣體排放總量方面顯得尤為重要。
現如今,碳足跡(Carbon footprint)已被廣泛應用于全球范圍內與作物生產相關的碳排放的量化評價,并基于生命周期法原則定量描述一種產品或一個活動“從搖籃到墳墓”整個生命周期內的溫室氣體排放[4]。在過去的幾十年中,農業領域碳足跡已經被廣泛運用。王興等[5]基于全國2004—2014年水稻生產相關統計數據,利用碳足跡評價方法核算了全國水稻生產碳足跡及其變化趨勢,指出我國水稻單位面積碳足跡呈逐年增長,而單位產量碳足跡則出現下降趨勢。Dubey和Lal對美國俄亥俄州和印度旁遮普邦的農業碳足跡進行了詳細分析,并探討了兩地農業生產的可持續性[6]。黃祖輝和米松華[7]基于浙江省投入產出表,結合投入產出和生命周期評價法,詳細闡明了浙江省農業碳排放特征及其組成成分。所有這些研究表明,農業碳足跡理論結合生命周期評價方法,作為評估氣候變化影響的一種行之有效的評價方法,為綠色低碳的糧食作物系統評價提供了強有力的數據支撐和理論依據。
長江下游地區是我國稻麥輪作種植模式的主要生產基地,每年稻麥產量對我國谷物生產貢獻了將近30%,為保障我國糧食生產安全做出了重要貢獻。大量統計資料表明,近年來,長江下游地區水稻和小麥的單產和總產均有大幅度的提高[8, 9]。但是,稻麥產量提升的背后皆伴隨著大量的肥料投入,從而不可避免帶來溫室氣體排放的增加。協調好作物持續高產和生態環境保護等之間的矛盾,一直是備受關注的焦點[10, 11]。因此,研究長江下游地區稻麥輪作系統碳足跡及其構成,分析各組分碳足跡貢獻率,對于我國稻麥輪作系統低碳可持續發展有著重要意義。文章基于調研數據,利用農業碳足跡理論及生命周期評價法定量分析了長江中下游流域稻麥輪作系統碳足跡及其構成,以及探討了長江下游地區稻麥生產低碳策略與潛力,為實現我國低碳農業提供理論支撐與科學依據。
該研究立足于長江下游地區江蘇、安徽稻麥輪作主產區,采用農戶走訪式問卷調研形式, 2016—2017年前后共收到農戶調查問卷130份,有效問卷116份,問卷合格率達89%。調查內容為農戶在稻麥種植過程中的農資投入及農事操作能源消耗數據,主要包括稻麥種子投入量、出售價格,化肥投入、農膜使用量、機械柴油消耗量、灌溉耗水量等。
該研究的系統邊界為水稻季和小麥季播種到收獲整個生育期內直接和間接溫室氣體排放。具體包括各項農資投入(種子、化肥、農膜、農藥)溫室氣體排放、農事操作(灌溉、耕作、收獲等)過程中能源消耗所形成的溫室氣體排放、作物種植期間CH4、N2O排放。理論上,稻田溫室氣體排放主要包括有CH4、N2O和CO2等,但水稻光合作用所固定的CO2要大于呼吸CO2,在水稻生育期內的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[12]。

圖1 稻麥輪作系統碳足跡計算邊界
碳足跡計算方法及稻田CH4排放的相關參數均來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[13]。水稻從播種到收獲過程的農資投入碳足跡計算為:
(1)
式(1)中,CFi為早稻和晚稻生產的農資投入單位面積碳足跡(kg CO2-eqhm-2);n表示該雙季稻生產系統從播種到收獲整個過程消耗的農業生產資料種類和農事操作(化肥、農藥、柴油等),?表示某種農資的消耗量(kg),m表示某種農資的溫室氣體排放參數,該研究排放參數主要源于中國生命周期數據庫(CLCD)和 Ecoinvent 2.2數據庫(表1)。
表1 農業投入資料的溫室氣體排放系數

項 目單位系數來源柴油kg CO2-eq/kg0.89CLCD0.7柴油燃燒kg CO2-eq/kg4.1CLCD0.7灌溉用電kg CO2-eq/kWh0.82CLCD0.7氮肥kg CO2-eq/kg1.53CLCD0.7磷肥kg CO2-eq/kg1.63CLCD0.7鉀肥kg CO2-eq/kg0.65CLCD0.7農膜kg CO2-eq/kg22.72Ecoinvent2.2殺蟲劑 kg CO2-eq/kg16.61Ecoinvent2.2除草劑 kg CO2-eq/kg10.15Ecoinvent2.2殺菌劑 kg CO2-eq/kg10.57Ecoinvent2.2水稻種子kg CO2-eq/kg1.84Ecoinvent2.2小麥種子kg CO2-eq/kg0.58Ecoinvent2.2
稻田是CH4的主要排放源[14],而稻田N2O的直接排放很小[15],可忽略不計,故該研究在計算稻田碳足跡的構成時,根據ISO/TS14067碳足跡核算標準估算了稻田CH4的排放量。水稻生長期間CH4引起的碳排放計算公式為:
CFCH4=EFi,j,k×ti,j,k×25
(2)
EFi,j,k=EFC×SFW×SFP×SFO
(3)
(4)
ROAi=Y×0.623×ISRp×0.85
(5)
式(2)~(5)中,CFCH4為甲烷排放引起的二氧化碳排放當量(kgCO2-eq/hm2)。EFi,j,k是在i,j和k條件下的日排放因子(kgCH4/(hm2·day));ti,j,k=i,j和k條件下的水稻種植期(日)。i,j,k分別代表不同的生態系統,水分狀況和有機添加量,以及其他可以引起水稻甲烷排放變化的條件;EFc是不含有機添加物的持續性灌水稻田的基準排放因子(1.3kgCH4/(hm2·day)),SFw、SFp分別為種植期不同水分狀況的換算系數和種植期前季前不同水分狀況的換算系數,結合肖玉的研究[16],該研究SFw=1,SFp=1。SFo是有機添加物類型和數量變化的換算系數,CFOAi=1表示在品種土質之間有機添加物的轉換系數,ROAi為有機添加物的施用比率,Y為雙季稻產量(kg hm2-1year-1), 0.623為水稻草谷比,ISRp為稻谷的秸稈還田系數,表示農戶稻草還田占稻草產量的比例。0.85為水稻秸稈干重占鮮重的比值[14]。
旱地的CH4排放量較少,可忽略不計,旱地直接和間接的N2O排放主要由施用氮肥所引起,因此N2O排放的計算公式為:
CFN2O=DCFN2O+GCFN2O+LCFN2O
(6)
DCFN2O=N×F1×44/28×298
(7)
GCFN2O=N×FG×F2×44/28×298
(8)
LCFN2O=N×FL×F3×44/28×298
(9)
式(6)~(9)中,CFN2O為N2O排放引起的二氧化碳排放當量。DCFN2O為氮肥引起的田間N2O直接排放,GCFN2O是由NH3和NHX形式揮發到大氣后氮沉降造成的間接N2O排放。LCFN2O為通過淋失和徑流損失的氮素造成的間接N2O排放。F1、F2、F3分別為氮肥投入引起的N2O直接排放的排放因子、氮沉降造成的間接N2O排放因子和淋失和徑流損失的氮素造成的間接N2O排放因子,系數分別為0.01、0.01和0.007 5。FG和FL分別為以NH3和NHX形式揮發的化肥氮比例(0.1kg/kg)和土壤中淋失和徑流損失的氮比例(0.3kg/kg)。44/28為N2O與N2O-N分子量之比, 298為在100年尺度上將N2O轉化為CO2的全球增溫潛勢,以上排放因子均來源于2006年IPCC國家溫室氣體清單指南。
作物生產的單位面積碳足跡(CF),單位產量碳足跡(CFy)、單位生物產量碳足跡(CFb)、單位產值的作物生產碳足跡(CFv)的計算分別見公式(10)~(13)。
CF=CFi+CFCH4+CFN2O
(10)
CFy=CF/Y
(11)
CFb=CF/B
(12)
CFv=CF/V
(13)
式(10)~(13)中,Y指作物產量,B指作物生物產量,V指作物產值。
利用EXCEL 2011和SPSS17.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,US)軟件對數據進行處理和統計分析,采用EXCEL 2011和Sigmaplot 12制作圖表。
長江下游地區稻麥輪作模式碳足跡如圖2所示。長江下游地區水稻生產單位產量碳足跡值為0.53kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為0.75kgCO2-eq/kg、0.40kgCO2-eq/kg; 單位生物產量碳足跡值為0.26kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為0.37kgCO2-eq/kg、0.20kgCO2-eq/kg; 單位產值碳足跡值為0.20kgCO2-eq/CNY,最大值與最小值分別為0.29kgCO2-eq/CNY、0.15kgCO2-eq/CNY; 小麥生產單位產量碳足跡值為0.48kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為1.04kgCO2-eq/kg、0.23kgCO2-eq/kg; 單位生物產量碳足跡值為0.18kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為0.38kgCO2-eq/kg、0.08kgCO2-eq/kg; 單位產值碳足跡值為0.25kgCO2-eq/CNY,最大值與最小值分別為0.55kgCO2-eq/CNY、0.12kgCO2-eq/CNY。稻麥輪作系統生產單位產量碳足跡值為0.50kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為0.73kgCO2-eq/kg、0.36kgCO2-eq/kg; 單位生物產量碳足跡值為0.22kgCO2-eq/kg,最大值與最小值分別為0.32kgCO2-eq/kg、0.16kgCO2-eq/kg; 單位產值碳足跡值為0.22kgCO2-eq/CNY,最大值與最小值分別為0.31kgCO2-eq/CNY、0.16kgCO2-eq/CNY。

注:a:水稻單位產量、單位生物量、單位產值碳足跡;b:小麥單位產量、單位生物量、單位產值碳足跡;c:稻麥輪作系統單位產量、單位生物量、單位產值碳足跡圖2 長江下游地區稻麥輪作系統碳足跡
長江下游地區稻麥輪作系統生產的碳足跡構成如圖3所示。水稻生產碳足跡構成中以CH4排放占比最大,約為65%,農資投入品引起的碳足跡占35%。在農資投入品中,柴油和氮肥投入所產生的碳足跡較大,分別占到15%和11%,其次為農膜和種子,分別占到4%和2%,農藥各組分所占比例較小,幾乎可忽略不計。小麥生產碳足跡構成與水稻類似,田間直接排放所占比例最大,N2O占比為53%,其他農資投入占比為47%。農資投入中,化肥投入引起的碳足跡最大(23.4%),其中氮肥、磷肥、鉀肥分別占總碳足跡的20%、1.8%和1.6%。其次是柴油投入引起的碳足跡,稍高于氮肥占比,占到22%。由于長江中下游流域雨水較多,小麥生產不需要進行灌溉,因此不產生碳足跡。稻麥輪作系統中農藥投入所帶來的溫室氣體排放最低,水稻和小麥貢獻度分別為0.5%和0.8%。其中,農藥組成中,貢獻率表現為殺菌劑>殺蟲劑>除草劑。

注:a:水稻碳足跡構成; b:小麥碳足跡構成圖3 長江中下游流域稻麥輪作模式碳足跡構成

注:a:水稻; b:小麥; c; 稻麥輪作模式。小黑點表示柴油消耗量與碳足跡的相關性,小白點表示氮肥投入量與碳足跡的相關性圖4 長江中下游流域稻麥輪作模式碳足跡影響因素解析
進一步,我們通過對農戶角度各個農資投入與總碳足跡做相關性分析可知,結果發現氮肥的施用量和柴油消耗量與總碳足跡存在正相關性關系(圖4)。由圖4可以看出,水稻生產過程中,每公頃柴油使用量增加1kg,水稻生產碳足跡增加8.26kgCO2-eq/hm2(趨勢線方程為y=8.2 568x+3 781.6,R2=0.5 082),每公頃增施1kg 氮肥,水稻生產碳足跡增加3.07kgCO2-eq/hm2(趨勢線方程為y=3.068 4x+3 738.1,R2=0.650 5),可見水稻生產過程中,氮肥增加對碳足跡的影響程度小于柴油。小麥生產過程中,每公頃增加1kg 柴油和1kg氮肥,小麥碳足跡分別增加9.74和7.80kgCO2-eq/hm2,同樣表現為柴油碳足跡影響程度略大于肥料。稻麥輪作模式下,每公頃增加1kg 柴油和1kg氮肥,稻麥輪作模式碳足跡分別增加10.34和5.35kgCO2-eq/hm2,趨勢線方程分別為y=10.343x+5 074(R2=0.507 7)和y=5.350 2x+4 589.5(R2=0.836 9)。綜合來看,氮肥施用量對水稻碳足跡的影響程度略小于小麥碳足跡,柴油消耗量對水稻碳足跡的影響程度小于小麥。
不同種植規模的稻麥輪作模式生產糧食(水稻和小麥)的碳足跡情況見圖5。由圖5可知,稻麥輪作模式中水稻碳足跡和小麥碳足跡均與種植規模成顯著的負相關性,即碳足跡隨著種植規模的增大而呈下降趨勢。進一步將種植規模分為小(0~3.5hm2)、中(3.5~4.0hm2)和大(>4.0hm2)3種類型進行研究,發現水稻在3類種植規模上的平均單位產量碳足跡分別為0.57kgCO2-eq/kg、0.55kgCO2-eq/kg和0.53kgCO2-eq/kg,而小麥相應的碳足跡分別為0.53kgCO2-eq/kg、0.52kgCO2-eq/kg和0.45kgCO2-eq/kg。可見,稻麥輪作系統中的水稻和小麥在3種種植規模中的碳足跡均是小規模類型最高,中規模的較低,大規模的最低。

注a:水稻不同種植規模碳足跡;b:小麥不同種植規模碳足跡圖5 長江中下游流域不同種植規模稻麥輪作模式碳足跡
長江下游地區稻麥輪作系統不同種植規模碳足跡投入及構成如表2所示。長江下游地區水稻大規模種植平均單產為9 000kg/hm2,較小規模種植平均單產(8 700.0kg/hm2)提高了3.4%。對比分析水稻不同種植規模的碳足跡、單位面積投入和構成發現,大規模種植CF、CFy、CFb和CFv稍高于小規模種植,但差異不顯著(P>0.05)。比較分析小麥不同種植規模生產碳足跡發現,小麥大規模生產CF、CFy、CFb和CFv分別顯著高于小規模生產12.4%、20.9%、18.8%和22.7%,差異呈現顯著水平(P<0.05)。大規模小麥生產單位面積柴油和氮肥碳足跡顯著低于小規模小麥生產,降低幅度分別為15.6%和11.6%(P<0.05);而磷肥則呈現相反趨勢,增加幅度為29.6%(P<0.05)。大規模種植小麥平均單產為5 625.0kg/hm2,較小規模種植平均單產(5 250.0kg/hm2)提高了6.7%,差異呈現顯著水平(P<0.05)。
表2 不同種植規模碳足跡投入及構成

種類水稻 小麥 大規模 小規模 大規模 小規模 甲烷3 041.6a2 998.6a氧化二氮1 275.1a1 442.6a柴油451.5b581.0a516.4b611.9a灌溉12.8a20.3a氮肥902.8a1013.8a491.1b555.7a磷肥52.0a55.2a52.7a37.1b鉀肥44.9a58.0a44.7a32.1a農膜 165.5a169.7a除草劑 2.8a2.9a3.8a3.2a殺蟲劑 6.6a4.5a8.2a10.3a殺菌劑15.3a10.4a8.1a10.9a水稻種子150.7a136.0a小麥種子32.0a30.1a單位面積碳足跡4 846.5a5 050.5a2 432.2b2 733.8a產量 9 000.0a8 700.0a5 625.0a5 250.0b單位產量碳足跡 0.54a0.58a0.43b0.52a單位生物量碳足跡0.27a0.29a0.16b0.19a單位產值碳足跡0.21a0.23a0.22b0.27a 注:不同小寫字母表示不同種植規模間的差異顯著水平(P<0.05)
該研究發現,相對與我國水稻(0.89kgCO2-eq/kg)和小麥(0.81kgCO2-eq/kg)平均碳足跡而言[5, 17],長江下游地區水稻和小麥碳足跡有所降低。研究表明,長江下游地區水稻生產單位產量碳足跡、單位產值碳足跡分別為0.53kgCO2-eq/kg, 0.20kgCO2-eq/CNY,小麥生產單位產量碳足跡、單位產值碳足跡分別為0.48kgCO2-eq/kg, 0.25kgCO2-eq/CNY。這可能跟中國各省作物生產對于農資投入的規模,各結構組分的比例不同有關,例如不同省份對灌溉需求不同,相對于水資源較為匱乏的中國北方農作區,長江下游地區因其天然優越的氣候資源,其對灌溉的需求較小,從而減少了灌溉用電帶來的碳足跡。另外,由于長江下游地區優越的地理特征及氣候條件,其產量普遍高于其他農作區,從而導致其單位產量碳足跡較小。根據2014年全國農業普查可知,江蘇省水稻和小麥產量分別為8 824.5kg/hm2和6 604.1kg/hm2,較全國水稻和小麥產量分別提高了2.9%和6.3%。作物生產碳足跡受種植制度、農作措施以及社會經濟等多方面影響,并且各因素存在互作,因此不同作物的碳足跡存在顯著差異[18]。盧小宏等基于田間試驗數據,計算分析了河北吳橋玉米單位產量碳足跡值為0.29kgCO2-eq/kg[19]。王占彪等[20]基于農戶調研數據,指出河北省棉花單位產量碳足跡平均值為0.11kgCO2-eq/kg。可見,單位產量碳足跡表現為水稻生產平均值>冬小麥>夏玉米>棉花,說明長江中下游流域水稻生產投入較其他作物高,因此在未來長江中下游流域作物生產布局中應適當壓縮雙季稻播種面積,適當擴大小麥、玉米等其他作物種植面積,推廣多形式的輪作模式,從而減少農業溫室氣體排放。從國際層面上來看,我國稻麥碳足跡水平較其他發達國家普遍較高,研究結果與Kitzes等(2008)[21]報道類似。當前,我國農資投入水平普遍高于發達國家。例如,在中國,合成氮肥的施用率約為發達國家的2~3倍。其次,我國小麥產量普遍低于發達國家。據估計,荷蘭的小麥產量為中國的小麥產量的1.9倍。此外,中國嚴重依賴煤炭獲取各種能源和材料的生產,由于煤的能源效率較低,因此農資投入的溫室氣體排放系數顯著高于發達國家,從而導致了更高的溫室氣體排放[22, 23]。這對中國糧食生產的可持續性提出了巨大挑戰,提高作物生產率,減少農田溫室氣體排放是提高我國糧食安全的重要途徑。
大量研究指出,大田溫室氣體的直接排放農田主要來源于肥料的施用,其中氮肥投入所產生的溫室氣體排放占到農田總排放的44%~79%[24]。該研究也發現,水稻生產中肥料的碳足跡貢獻率達到17.1%,小麥季肥料(包括氮肥導致的田間N2O直接和間接排放)碳足跡貢獻率高達76.5%。該研究氮肥生產過程的溫室氣體排放系數基于中國生命周期基礎數據庫(CLCD)[12],系數為1.53kgCO2-eq/kg,遠高于國外氮肥溫室氣體排放系數(0.86kgCO2-eq/kg),從而造成了氮肥生產過程中的高排放。另一方面,我國農作物連續高產的同時,也伴隨著我國化肥的高使用量。研究表明我國當季氮肥和磷肥利用率普遍較低,分別為35%和18%,遠低于國際標準水平[25]。再者,農田中施用過量化肥,會在植物和土壤中大量集聚,在降雨及灌溉的條件下隨著水分流失,造成間接的N2O排放。另外,該研究發現柴油在稻麥輪作系統農資投入碳排放中所占比重較大,農業機械化及其自動化是我國農業未來發展的方向及目標,機械能源的消耗必然有所增加,如何協調生態環境及經濟效益和調發展是未來研究的重點,從經濟能源高效利用角度實現我國低碳農業生產。稻田CH4排放是水稻生產碳足跡的主要來源之一,已得到學術界的廣泛認同。例如,曹黎明等[26]對上海市單季晚稻農田溫室氣體評估值為1.28×104kgCO2-eq/hm2,占全部碳排放的77.2%。王興等[5]的研究發現全國水稻生產碳足跡組成中占比最大的部分為稻田CH4排放,達85.05%。本研究也得出類似的結論,CH4排放量對水稻季碳排放貢獻顯著,占到總碳足跡的65%左右。目前,對于如何抑制稻田CH4排放,國內外學者也已開展了大量研究,主要集中在稻田灌溉[27]、肥料管理[28]、品種選擇[27]、稻田綜合種養[29]、耕作方式[15]等方面。但是,影響稻田CH4排放的因素有很多,如土壤性質、水分因素、施肥、耕作、氣候因素等[24],今后的研究中需要多方面綜合考慮。
該研究顯示了不同種植規模單位產量碳足跡存在顯著差別,稻麥輪作系統的碳足跡隨種植規模增大而呈下降趨勢,小麥季大規模農場單位產量碳足跡顯著低于小規模家庭農場,這與Feng 等(2011)[30]的研究結果一致,其研究報告指出,大規模種植農場(>0.7hm2)表層土壤有機碳儲量較小規模種植農場(<0.7hm2)提高30%,從而提高了作物單位產量。Sefeedpari等(2013)[31]在一項類似的研究中發現,小于1hm2的農場的總能量投入比1~4hm2、4~10hm2和>10hm2的總能量投入要高,分別提高了17%、21%和34%,主要原因是種植規模大的農戶生產管理相對科學,提高了水肥的利用效率,可見種植規模化對實現低碳農業具有積極作用。但是由于種植規模效益同時受經濟社會條件的影響,在不同區域,效果會存在差異,因此該研究結果有待進一步完善。同時,該研究發現小麥單位產量碳足跡對農作措施的敏感性高于水稻。現階段,我國農地破碎化問題嚴重,需要加快構建土地流轉規模化經營體系,從而推動我國農業現代化發展[32]。通過土地的流轉和兼并,減少了額外的農作技術投入,避免了多余的能耗損失,從而促進我國農作物低碳綠色生產。因此,改善農業系統管理,特別是加強農業集約化,是中國農業低碳發展的關鍵問題。
該研究利用農戶調研數據核算長江下游地區稻麥生產的碳足跡,計算過程考慮了稻麥生產中最主要的10種農資投入以及田間溫室氣體排放,實現了同一標準下較為全面的計算衡量與比較。但是,該研究的農田溫室氣體直接排放的計算方法借鑒了前人研究結果,由于氣候、土壤及管理方式的不同,估算的結果與實測數據存在一定的差異。因此,今后的研究中,將補充大田試驗,通過實測數據排除背景影響,從而獲得更加科學的一手試驗結果。另外,該研究采用生命周期評價法,系統邊界存在一定的爭議,例如計算碳足跡時是否考慮土壤碳儲量變化、人工投入以及機械磨損等[33, 34]。這些爭議需要國內外學者進行進一步的討論和完善,從而為農作物碳足跡的研究制定一套統一的評價體系,為最終構建低碳農業生態系統做鋪墊。