中國糧食作物生命周期生產(chǎn)過程溫室氣體排放的研究進(jìn)展及展望

夏龍龍，顏曉元

（土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008）

確保糧食安全、應(yīng)對溫室氣體排放所引起的氣候變暖以及環(huán)境惡化是當(dāng)今世界各國所共同面臨的挑戰(zhàn)[1-2]。作為世界上最大的發(fā)展中國家之一，中國以世界9%的耕地養(yǎng)育了世界22% 的人口[3]。因此，中國的糧食生產(chǎn)對于全球糧食安全以及氣候變化都具有至關(guān)重要的影響。例如就三大主糧作物而言，我國水稻、小麥以及玉米的年總產(chǎn)量分別約占世界總產(chǎn)量的30%、18%和21%[4]。大量田間試驗表明糧食作物田間生產(chǎn)過程是溫室氣體甲烷（CH4，尤其是水稻的田間生產(chǎn)過程）和氧化亞氮（N2O）的重要來源。近年來，伴隨著生命周期評價法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的運用，越來越多有關(guān)碳足跡的研究表明，除了糧食作物田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)以外，各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（如肥料和農(nóng)藥等）生產(chǎn)加工過程中排放的溫室氣體同樣不容忽視，特別是考慮到當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料用量普遍高于西方發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)狀。因此，系統(tǒng)研究我國糧食作物全生命周期生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放，對于農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的全面評估，特別是對于準(zhǔn)確定位溫室氣體的關(guān)鍵排放源以及制定有效的減排措施具有重要意義。

1 糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放及其影響因素

眾所周知，糧食作物田間生產(chǎn)過程是溫室氣體CH4和N2O 的重要排放源。對于水稻田間生產(chǎn)而言，在持續(xù)淹水所形成的極端厭氧條件下，土壤中產(chǎn)甲烷菌作用于有機肥料、根系分泌物和動植物殘體等產(chǎn)甲烷基質(zhì)，產(chǎn)生了大量CH4[5]。淹水稻田CH4的排放是CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)。任何影響這三個過程的因素都會對CH4排放產(chǎn)生影響。例如，有機肥施用可以直接為產(chǎn)甲烷菌提供作用底物，顯著促進(jìn)稻田CH4排放。此外，有機物在淹水條件下快速分解會加速土壤氧化還原電位下降，為產(chǎn)甲烷菌生長提供適宜的環(huán)境條件，促進(jìn)CH4產(chǎn)生和排放[2]。整合分析研究的結(jié)果表明[6]，與對照處理相比，秸稈還田和動物有機肥施用分別顯著促進(jìn)了稻田CH4排放41%和78%。水分管理制度是影響稻田CH4排放的另一個關(guān)鍵因素。如果水稻長期處于淹水環(huán)境中，持續(xù)嚴(yán)格厭氧會促進(jìn)CH4大量產(chǎn)生以及排放；相對于持續(xù)淹水，中期烤田會增加土壤通氣性，破壞土壤的極端還原條件，抑制CH4產(chǎn)生并促進(jìn)CH4氧化[7]，從而減少CH4排放；而且，中期烤田的水稻田，即使在烤田結(jié)束覆水后仍能將CH4排放量保持在較低的水平，直到水稻收獲[8-9]。

中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國。截至2009年，我國稻田面積大約為2700 萬hm2，占我國耕地總面積的20%以上，約占世界稻田面積的30%[1]。因此，合理評估我國水稻CH4排放至關(guān)重要。對于我國水稻CH4排放最早的估算要追溯到1991 年，Khalil等[10]利用四川省成都市稻田兩年田間試驗觀測的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出1980s我國稻田CH4排放量為30 Tg。Wassmann 等[11]利用浙江省稻田CH4測定結(jié)果估算出1980s 我國稻田CH4總排放量在18～28 Tg。我國科學(xué)家利用多個農(nóng)業(yè)氣候區(qū)中的CH4觀測數(shù)據(jù)推算出1991 年我國水稻CH4排放總量大約為15 Tg[12]。隨后，Cai 等[13]綜合考慮有機物料和稻田水分管理的影響，推算出1993 年我國水稻CH4排放總量約為8.5 Tg。Yan 等[14]通過收集全國范圍內(nèi)23 個田間試驗數(shù)據(jù)并綜合考慮有機物料和水分管理的影響，估算出1995 年我國水稻CH4排放總量約為7.7 Tg。Cao 等[15]利用模型估算出1990s 我國稻田CH4總排放量為16 Tg。Huang 等[16]綜合考慮水稻光合作用以及土壤和環(huán)境因子模擬得出1995 年我國稻田CH4總排放量約為9.66 Tg。Matthews 等[17]利用水稻生長模擬模型推算出1997 年我國稻田CH4排放量為7.2～8.6 Tg。Yan等[18]利用政府間氣候變化專門委員會估算區(qū)域稻田排放的方法估算出2000 年我國稻田CH4排放量為7.68 Tg，約占世界總排放量的30%（綜合考慮不同估算方法結(jié)果，中國稻田CH4實際排放量應(yīng)該在8 Tg 左右，約占我國農(nóng)業(yè)活動總排放的20%）。

N2O 是旱地糧食作物生產(chǎn)過程中排放的重要溫室氣體。在一百年尺度下，單位質(zhì)量N2O 的全球增溫潛勢是CO2的298 倍[3]。土壤N2O 產(chǎn)生主要是微生物對氮素的硝化和反硝化作用的結(jié)果[19-20]?；瘜W(xué)氮肥施用可以為土壤硝化和反硝化微生物提供作用底物，顯著促進(jìn)土壤N2O排放[21]?；瘜W(xué)氮肥對于N2O排放的影響主要通過N2O 排放系數(shù)（Emission factor，EF）表示，即施用化學(xué)氮肥處理和不施氮肥處理N2O 排放量的差值與氮肥施用量的比值。對區(qū)域乃至整個國家N2O 排放量的估算都是基于該排放系數(shù)進(jìn)行[22-23]。Davidson[24]的研究表明，2000 年全球因為化學(xué)氮肥施用所造成的土壤直接和間接的N2O 排放量高達(dá)2.2 Tg N·a-1。1995 年，我國化學(xué)氮肥施用引起的土壤N2O 排放量高達(dá)0.2 Tg N·a-1[22]。其中，水稻、小麥以及玉米三大主糧作物田間生產(chǎn)中化學(xué)氮肥施用所造成的N2O 排放量高達(dá)0.16 Tg N·a-1[24]。利用N2O 排放系數(shù)對N2O 排放量進(jìn)行估算是基于N2O 排放量與化學(xué)氮肥施用量之間存在線性關(guān)系的前提進(jìn)行的。然而，越來越多的研究表明土壤N2O 排放量與化學(xué)氮肥施用量之間并非為線性關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系[25-28]。主要原因為當(dāng)?shù)适┯昧砍^作物氮吸收量時，大量有效氮在土壤表層累積，N2O 排放對氮肥的響應(yīng)更為劇烈[29]。通過對已發(fā)表數(shù)據(jù)的整合分析，Chen 等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，我國水稻、小麥以及玉米田間生產(chǎn)N2O 的排放量與土壤氮盈余（N surplus）呈現(xiàn)顯著的指數(shù)關(guān)系。除了化學(xué)氮肥外，有機肥料施用，如作物秸稈、動物有機肥等，也是土壤N2O排放的主要推動因子之一[31-32]。Davidson[24]估算出全球大約2%的有機肥料氮轉(zhuǎn)化成了N2O（1860—2005年）。1995年，我國有機肥料施用所引起的土壤N2O排放量高達(dá)0.12 Tg N·a-1。

我國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國和消耗國。截止到2010 年，我國用于糧食作物生產(chǎn)的化學(xué)氮肥用量高達(dá)5500萬t，約占世界氮肥總量的30%[33]。然而，過量氮肥施用以及不合理的管理措施導(dǎo)致了較低的氮肥利用率水平（約30%），以及大量N2O 排放和其他活性氮損失。合理評估我國糧食作物田間生產(chǎn)中的N2O 排放對于提高氮肥利用率、減少溫室氣體和活性氮損失至關(guān)重要。對于我國糧食作物生產(chǎn)過程N2O排放最早的估算要追溯到2000 年，王效科等[34]利用DNDC 模型結(jié)合中國氣候、農(nóng)業(yè)土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分縣數(shù)據(jù)庫初步估算出1990 年我國農(nóng)業(yè)土壤N2O 總排放量為310 Gg。隨后，Yan 等[22]利用不用氮肥投入的N2O 排放系數(shù)估算出1995 年我國農(nóng)田土壤N2O 總排放量為476 Gg N，其中化學(xué)氮肥施用引起的排放量為202 Gg N，有機肥（動物糞便和秸稈）施用引起的排放量為119 Gg N。Zheng 等[31]通過對全國不同作物種植系統(tǒng)收集的54 個N2O 排放系數(shù)并結(jié)合蒙特卡洛隨機數(shù)方法，估算出我國1990s 農(nóng)田土壤N2O 總排放量約為275 Gg N，其中旱地作物田間生產(chǎn)排放量為226 Gg N，水稻生產(chǎn)過程排放總量約為49 Gg N。Lu 等[35]通過建立N2O 排放通量與降雨和氮肥施用量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)，推算出1997 年我國農(nóng)田土壤N2O 總排放量為259 Gg N，其中旱地作物生產(chǎn)排放總量約為227 Gg N，水稻生產(chǎn)過程排放量約為32 Gg N。Zou 等[21]通過區(qū)分稻田不同水分管理措施下的N2O排放系數(shù)估算出1990s我國水稻田間生產(chǎn)過程N2O總排放量約為33 Gg。張強等[36]通過本地參數(shù)修正IPCC2006 計算方法，結(jié)合統(tǒng)計資料估算了1980—2007 年間我國農(nóng)田土壤N2O 總排放量。結(jié)果顯示，2007年我國農(nóng)田土壤N2O 總排放量為288 Gg N，其中旱地作物排放量約為253 Gg N，水稻生產(chǎn)排放總量約為33 Gg N。Zhou 等[32]通過對不同土壤氣候因子的N2O排放系數(shù)建立分段回歸模型，估算出2008年我國農(nóng)田土壤N2O 總排放量為324 Gg N，其中旱地糧食作物生產(chǎn)排放量約為273 Gg N，水稻生產(chǎn)排放總量約為51 Gg N。由此可見，不同研究方法對農(nóng)田土壤N2O估算的結(jié)果有較大差異，其原因之一為區(qū)域有機肥施用量的不確定性?！吨腥A人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》顯示2005 年農(nóng)用地N2O 排放0.67 Tg·a-1，約占我國農(nóng)業(yè)活動總排放的25.4%。

農(nóng)田土壤有機碳變化也是表征糧食作物田間生產(chǎn)過程溫室氣體排放的重要指標(biāo)。大量研究表明，1980s 至2000s，我國農(nóng)田土壤碳庫明顯增加。Yan等[37]通過對全國范圍內(nèi)的土壤樣品土壤有機碳含量測定并結(jié)合第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1979—1982 年至2007—2008 年間，我國農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）有機碳含量從11.95 g·kg-1增加到12.67 g·kg-1，年平均增長率約為0.22%。其中，黃河流域的鈣化沖積土和我國南部的水稻土有機碳增幅比例最大。Zhao 等[38]的研究結(jié)果表明，1980—2011 年間，我國農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）有機碳儲量平均增長速率為140 kg C·hm-2·a-1，其中秸稈還田貢獻(xiàn)約為40%。農(nóng)作物產(chǎn)量提高以及秸稈還田比例的增加是我國土壤有機碳庫增加的主要原因。

2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程以及糧食加工運輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

除了糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體的直接排放，各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（肥料、農(nóng)藥、柴油等）生產(chǎn)過程也會有一定量的溫室氣體排放。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程中排放的溫室氣體不容忽視，特別是考慮當(dāng)前我國農(nóng)資用量（特別是化學(xué)氮肥）普遍高于西方發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)狀。Zhang等[39]利用生命周期評價法估算出我國平均每生產(chǎn)并向土壤中施用1 kg 氮肥就會排放溫室氣體13.5 kg CO2-eq。其中，前期礦石燃料開采和運輸環(huán)節(jié)排放2.2 kg CO2-eq，氨合成環(huán)節(jié)排放5.1 kg CO2-eq，肥料的制造環(huán)節(jié)排放0.9 kg CO2-eq，氮肥的田間施用過程排放5.2 kg CO2-eq。由此可見，氮肥生產(chǎn)加工運輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放高達(dá)8.3 kg CO2-eq（圖1），比氮肥田間施用引起的溫室氣體排放所造成的溫室效應(yīng)高60%。利用這一結(jié)果進(jìn)一步推算發(fā)現(xiàn)，2010 年我國因化學(xué)氮肥生產(chǎn)加工運輸環(huán)節(jié)所造成的溫室氣體排放高達(dá)278 Tg CO2-eq，約占我國農(nóng)業(yè)源總排放的35.3%，分別高于糧食田間生產(chǎn)排放的CH4（20%）和N2O（25.4%）所貢獻(xiàn)的比例（圖2）。除了氮肥以外，我國磷肥和鉀肥的生產(chǎn)加工運輸所排放的溫室氣體分別為1.5、0.98 kg CO2-eq（每千克肥料）[40]。利用這一結(jié)果結(jié)合國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算發(fā)現(xiàn)，2010 年我國因磷肥和鉀肥生產(chǎn)加工運輸造成的溫室氣體排放量分別為17.4、7.06 Tg CO2-eq，分別約占我國農(nóng)業(yè)源總排放的2.2%和0.9%（圖2）。除了化學(xué)肥料以外，農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油和灌溉所耗用電能的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)也會有一定溫室氣體排放，其排放系數(shù)分別為18、19、3.9、1 kg CO2-eq（每升農(nóng)藥/柴油、每千克農(nóng)膜或每度電能）（圖1）。此外，有機肥的生產(chǎn)加工過程也會有大量溫室氣體排放，其排放系數(shù)為11.3 kg CO2-eq·kg-1N。

圖1 我國農(nóng)作物田間糧食生產(chǎn)過程以及肥料生產(chǎn)過程中的溫室氣體總排放量[26，36-38，40]Figure 1 Total greenhouse gas emissions from field crop production and fertilizer production in China[26，36-38，40]

圖2 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)加工過程的溫室氣體排放系數(shù)[40]Figure 2 GHG emission factors from the production and transportation of various agricultural inputs in China[40]

需要引起注意的是，相比于一些發(fā)達(dá)國家的（清潔）能源結(jié)構(gòu)，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)主要以消耗煤炭資源為主，而煤炭的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)通常較低，這意味著在我國每生產(chǎn)單位質(zhì)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，就會比發(fā)達(dá)國家排放更多的CO2[40]。例如，我國氮肥生產(chǎn)加工運輸?shù)臏厥覛怏w排放系數(shù)是美國（4.8 kg CO2-eq·kg-1N）和加拿大（2.9 kg CO2-eq·kg-1N）等國家相同系數(shù)的1.7～2.8倍[41-43]。此外，我國的農(nóng)資用量普遍高于西方發(fā)達(dá)國家。例如，我國主糧作物水稻、小麥和玉米田間生產(chǎn)的平均氮肥用量分別為240、230、205 kg N·hm-2，約是美國和加拿大平均用量的2～3倍。這意味著，相比于發(fā)達(dá)國家的糧食生產(chǎn)，我國更迫切地需要運用生命周期的評價方法全面評估糧食作物田間生產(chǎn)過程中以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放，從而為農(nóng)業(yè)源溫室氣體減排措施的制定提供依據(jù)。

除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料和糧食作物田間生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放外，糧食作物收獲以后的加工運輸過程所引起的能源（如柴油、電能）消耗也會有一定量溫室氣體（CO2和N2O）排放。這一環(huán)節(jié)排放的溫室氣體在以往研究中經(jīng)常容易被忽略。Xia等[40]研究表明，我國水稻、小麥以及玉米加工運輸環(huán)節(jié)平均的溫室氣體排放量分別為623、407、400 kg CO2-eq·hm-2，分別是田間生產(chǎn)過程排放量的8%、44%、41%，分別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料過程排放量的19%、13%、14%。因此糧食作物收獲后加工運輸過程的溫室氣體排放不容忽視。

3 糧食作物生產(chǎn)生命周期過程的溫室氣體排放

國際上通常采用生命周期評價法（Life cycle assessment）評價某種糧食作物（如水稻）從前期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料加工過程到糧食作物田間生產(chǎn)過程以及作物收獲后加工運輸過程的整個生命周期的溫室氣體總排放[40]。評價過程中將單位質(zhì)量的糧食作物生命周期生產(chǎn)過程排放的溫室氣體折合成CO2-eq 則為碳足跡（Carbon footprint，kg CO2-eq·kg-1籽粒或kg CO2-eq·kg-1食品）。其中，“kg CO2-eq·kg-1籽粒”表示生命周期評價法的研究邊界從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)開始到糧食作物的籽粒收獲為止；“kg CO2-eq·kg-1食品”表示研究邊界從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)開始到糧食作物的籽粒被收獲并進(jìn)一步加工成相應(yīng)食品為止。農(nóng)資生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放主要包括化肥、農(nóng)藥、殺蟲劑等生產(chǎn)過程中能源消耗所排放的CO2、N2O[44-45]；田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放主要包括糧食作物田間生產(chǎn)期間排放的CH4（水稻生產(chǎn)包含育秧環(huán)節(jié)的排放）、N2O（包含土壤背景排放）和CO2（灌溉、耕作等引起的能源消耗排放），并結(jié)合考慮土壤有機碳變化（碳足跡）[40]；加工運輸環(huán)節(jié)的排放主要包括糧食作物收獲后籽粒的加工和運輸過程中能源（如柴油、電能）消耗引起的CO2和N2O 的排放。碳足跡的評價方法能夠更準(zhǔn)確地定位糧食作物生命周期各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中溫室氣體最大的環(huán)節(jié)，有利于制定更有針對性的減排措施。

針對于三大主糧作物（水稻、小麥以及玉米）的碳足跡評價，國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。Pathak 等[46]的研究表明，印度水稻生產(chǎn)的碳足跡為1.6～1.9 kg CO2-eq·kg-1食品，其中稻田CH4排放在碳足跡中占有最大比例。在日本，水稻生產(chǎn)過程的平均碳足跡約為0.8 kg CO2-eq·kg-1籽粒[44]。在美國，小麥和玉米的平均碳足跡分別約為0.25～0.35、0.12～0.25 kg CO2-eq·kg-1籽粒[47]。在加拿大，小麥和玉米生產(chǎn)的平均碳足跡分別約為0.27～0.50、0.24～0.35 kg CO2-eq·kg-1籽粒[48-49]。在我國，最早的關(guān)于糧食作物生產(chǎn)過程碳足跡的系統(tǒng)研究是在2011 年，Cheng 等[44]利用國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研的溫室氣體排放系數(shù)估算出1993—2007 年間我國農(nóng)作物生命周期生產(chǎn)過程的年平均碳排放量約為4.38 Tg CO2-eq，折算后得到我國農(nóng)作物生產(chǎn)的平均碳足跡為0.40 kg CO2-eq·kg-1籽粒。其中，氮肥生產(chǎn)施用環(huán)節(jié)所排放的溫室氣體約占整個生命周期的54.8%。而對于主糧作物，他們的結(jié)果顯示我國水稻、小麥以及玉米生產(chǎn)過程中的碳足跡分別為1.36、0.51、0.44 kg CO2-eq·kg-1籽粒。在水稻生產(chǎn)中，田間CH4排放占總碳足跡的比例最大，為69%；小麥和玉米生產(chǎn)過程中，氮肥施用引起的溫室氣體排放分別占碳足跡總量的80%和81%。但是，他們的估算并沒有考慮有機肥（動物糞便以及作物秸稈）施用對N2O 排放的貢獻(xiàn)且未考慮土壤有機碳變化。而且，關(guān)于農(nóng)藥和柴油等農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)，他們參考的是國外文獻(xiàn)的數(shù)值，這會給估算結(jié)果帶來進(jìn)一步不確定性，因為我國農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)要普遍高于西方國家的系數(shù)。

通過在我國主糧作物主產(chǎn)區(qū)開展大量大田試驗并結(jié)合田間調(diào)查，Chen 等[30]研究表明我國水稻、小麥以及玉米生產(chǎn)過程中的碳足跡分別約為1.38、0.63、0.44 kg CO2-eq·kg-1籽粒。以往研究通常利用確定的N2O排放系數(shù)來估算施肥對糧食作物田間生產(chǎn)中N2O排放的影響，而他們的研究則采用土壤氮盈余與N2O排放的指數(shù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠砉浪鉔2O 排放，因此更加符合實際情況。然而，他們的研究同樣沒有考慮土壤有機碳變化對于糧食作物碳足跡的影響。通過采用Chen等計算田間生產(chǎn)N2O 排放的方法，結(jié)合我國的農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)，并綜合考慮土壤有機碳變化，Xia等[40]系統(tǒng)評估了2001—2010年間我國主糧作物生命周期生產(chǎn)過程的溫室氣體排放總量。結(jié)果顯示，2001—2010年間，我國三大主糧作物生產(chǎn)過程中溫室氣體的總排放量為564 Tg CO2-eq·a-1。水稻、小麥以及玉米的碳足跡分別約為1.77、0.91、0.74 kg CO2-eq·kg-1籽粒（圖3），結(jié)果高于Cheng 等[44]和Chen 等[30]的研究結(jié)果。水稻碳足跡較高的區(qū)域分布在我國南方雙季稻種植面積較大的省份，如廣東、廣西、海南以及湖南省等[40]。小麥碳足跡較高的區(qū)域主要分布在貴州、云南、甘肅以及陜西省等[40]。玉米則在福建、海南、廣西、廣東省等地區(qū)的碳足跡較高[40]，主要原因為這些省份的玉米產(chǎn)量較低。水稻碳足跡較低的區(qū)域主要分布在黑龍江、江蘇以及四川省等；小麥碳足跡較低的區(qū)域主要分布在江蘇、青海以及安徽省等；玉米碳足跡較低的區(qū)域主要分布在我國北部的一些省份，如內(nèi)蒙古自治區(qū)和青海省等。

圖3 我國主要糧食作物的碳足跡[40]Figure 3 Carbon footprint of staple crops in China[40]

對于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)，稻田CH4排放（包含育秧期）占水稻碳足跡的54%，農(nóng)業(yè)資料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放占29%，灌溉環(huán)節(jié)占11%[40]。而對于旱地糧食作物的碳足跡，田間生產(chǎn)過程（主要是N2O 排放）約占23%～26%，農(nóng)業(yè)資料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫室氣體排放占74%～77%，其中氮肥生產(chǎn)施用過程的排放約占71%～80%。而且，氮肥生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的貢獻(xiàn)（45%～48%）高于氮肥田間施用后引起N2O 排放的貢獻(xiàn)（22%～35%）。因此，稻田CH4排放和氮肥的生產(chǎn)與施用是我國水稻和旱地糧食作物生命周期生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的溫室氣體排放環(huán)節(jié)。

對于旱地糧食作物溫室氣體減排，以往的研究通常只關(guān)注田間N2O 排放的減排，例如硝化抑制劑施用。實際上，碳足跡研究的結(jié)果顯示氮肥生產(chǎn)過程中排放溫室氣體的貢獻(xiàn)要明顯高于田間N2O 排放的貢獻(xiàn)。因此，在推廣針對性N2O 減排措施的基礎(chǔ)上，合理減少氮肥用量是旱地糧食作物溫室氣體減排的重中之重，特別是考慮到我國氮肥施用普遍過量的實際情況。通過情景分析，Xia 等[40]發(fā)現(xiàn)如果將化學(xué)氮肥用量減少20%并保持糧食產(chǎn)量不變，能夠?qū)⑺?、小麥以及玉米的碳足跡分別平均減少7.6%、12.7%和11.1%。Chen 等[30]的研究結(jié)果顯示，合理減少化學(xué)氮肥用量19%～25%并配合氮肥優(yōu)化管理措施，可以進(jìn)一步將我國水稻、小麥以及玉米的產(chǎn)量提高13%～20%，大幅度降低其碳足跡37%～59%。合理減少化學(xué)氮肥用量在有效減少糧食作物碳足跡的同時，還能夠顯著降低各種活性氮排放，降低糧食作物生命周期的活性氮足跡。通過對大量田間試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，Xia 等[50]發(fā)現(xiàn)通過配方施肥合理減少化學(xué)氮肥用量在顯著減少田間N2O排放31%的同時，顯著降低了氨揮發(fā)30.7%，氮淋溶40.9%以及氮徑流27.6%。除了合理減少氮肥用量以外，優(yōu)化氮肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)同樣對碳足跡的減排至關(guān)重要，例如提高煤開采過程中的CH4回收率和提高氮肥生產(chǎn)過程的能源利用效率等。Zhang 等[39]的研究結(jié)果顯示，優(yōu)化氮肥生產(chǎn)模式并結(jié)合氮肥減量施用能夠?qū)⑽覈噬a(chǎn)施用過程中排放的溫室氣體減少20%～63%。

對于水稻碳足跡的減排，通過優(yōu)化水分管理方式以及秸稈施用方式來減少稻田CH4排放是關(guān)鍵。據(jù)估算，我國大約有27 萬～40 萬hm2的稻田常年處于淹水狀態(tài)，每年因此排放的CH4約為2.44 Tg，約占我國稻田總排放量的32%[2]。Yan 等[18]的研究結(jié)果表明如果將所有淹水稻田中間排水一次，則會將我國稻田CH4總排放量減少15.6%；如果將作物秸稈在非稻季還田會使CH4總排放量減少12.8%；如果將兩種措施結(jié)合運用則會使我國稻田CH4總排放量減少26.4%。雖然將所有淹水稻田中間排水一次會增加N2O 排放，但是增加的N2O 的溫室效應(yīng)小于CH4的減排效應(yīng)。Xia等[40]的結(jié)果表明，如果在減少氮肥用量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過合理的秸稈還田以及水分管理措施降低稻田CH4排放，能夠?qū)⑽覈旧a(chǎn)的平均碳足跡降低26.1%。除了秸稈的非稻季還田以外，將作物秸稈發(fā)酵以后還田同樣可以降低稻田CH4排放。Xia 等[50]在太湖地區(qū)水稻-小麥輪作兩年的觀測結(jié)果表明，秸稈發(fā)酵后還田能夠顯著降低稻田CH4排放12%～33%；結(jié)合氮肥減量與秸稈發(fā)酵后還田能夠?qū)⑻貐^(qū)水稻生產(chǎn)的碳足跡顯著降低31%～53%。綜上，碳足跡的研究方法對于我國農(nóng)田溫室氣體減排具有指導(dǎo)意義。

4 碳足跡研究的展望

近二十年來，我國在糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體排放觀測和評估方面取得了豐碩的成果。近十年來，伴隨著生命周期評價方法的成功運用，越來越多的田間觀測試驗開始運用碳足跡估算我國糧食作物生命周期生產(chǎn)的溫室氣體總排放，力求為溫室氣體減排措施制定提供思路。目前碳足跡研究大部分針對我國主要糧食（水稻、小麥以及玉米）的生產(chǎn)過程，未來應(yīng)該將其應(yīng)用到更多的農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中，比如用于氮肥用量顯著高于糧食作物的集約化蔬菜種植系統(tǒng)，進(jìn)而探究不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的共性與特性。除此之外，需要進(jìn)一步明確我國各種區(qū)域化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的溫室氣體排放系數(shù)。目前，有機肥、柴油、農(nóng)藥/殺蟲劑等排放系數(shù)仍有較大的不確定性。對于集約化蔬菜種植系統(tǒng)，有機肥的溫室氣體排放系數(shù)對于碳足跡的準(zhǔn)確評估起到關(guān)鍵性作用。對于國家尺度上碳足跡的評估，田間過程中N2O 排放應(yīng)該采取土壤氮殘留量（Soil N surplus）或者氮肥施用量與N2O 排放響應(yīng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠砉浪?，而不是采用單一的IPCC N2O 排放系數(shù)來進(jìn)行估算。此外，需要更加深入地探討造成不同區(qū)域（省份）農(nóng)作物碳足跡差異的具體原因，需要更加明確分析不同區(qū)域碳足跡的特點和減排潛力，為制定區(qū)域化和有針對性的溫室氣體減排措施提供思路。因為農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)緊密耦合，未來的研究還需要進(jìn)一步將碳足跡研究與氮足跡研究相結(jié)合，探討農(nóng)作物生產(chǎn)過程中碳氮足跡的相互關(guān)系，以更加全面地評價我國糧食生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境的綜合影響，推動我國農(nóng)業(yè)源溫室氣體和活性氮的綜合減排以及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。