南方雙季稻區水稻不同種植模式碳足跡和經濟效益比較研究

何 浩，伍龍梅，黃 慶，鄒積祥，何瑞毓，黃海鵬，王天平，林鴻生

（1.廣東省農業科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640；2.汕尾市農業科學院，廣東 汕尾 516600；3.廣東中榮農業有限公司，廣東 汕尾 516600；4.汕尾供銷中禾農業科技服務有限公司，廣東 汕尾 516600）

【研究意義】為適應并減緩氣候變化的影響，固碳減排行動正被國際主流社會廣泛關注、認可并積極推進，截至2021 年5 月，全球約有130 個國家承諾在2050 年實現碳中和，碳達峰、碳中和已經成為世界發展的共同目標［1］。2020 年9 月22 日，在第75 屆聯合國大會一般性辯論上，中國向全世界宣布將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和［2］。自“雙碳”目標提出后，以能源為代表的各行各業均在積極謀劃，農業作為重要的固碳場所也要積極探索，助力國家“雙碳”目標盡早實現。南方雙季稻區9 省區（包括安徽、湖北、湖南、江西、浙江、福建、廣東、廣西、海南）作為我國最重要的水稻生產地區之一（2019 年水稻播種面積占全國水稻總播種面積的57.1%，產量占全國水稻總產量的53.5%），其水稻生產過程中產生的碳排放和種植經濟效益對我國農業減排和穩定水稻產量至關重要。本研究旨在通過比較分析南方雙季稻區水稻各種植模式的碳足跡（Carbon footprint）和經濟效益，提出適宜目前發展的種植模式，以期為保障糧食安全、提高農民收入和制定農業生產政策提供決策參考，為農業固碳減排提供新思路、新途徑。【前人研究進展】為統一碳足跡的基本概念內容及其核算方法等，國際標準化組織經過多年的交流與探討，發布了產品碳足跡計算的技術規范ISO 14067—2018［3］。碳足跡目前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整個生命周期內的溫室氣體排放。國內外多位學者對農業碳足跡進行研究［4-6］，主要為某一種作物碳足跡計算［7-9］，對種植模式方面開展的研究較少，且集中在華北平原和長江下游地區，如Zhang 等［10］對華北平原的小麥玉米輪作模式、陳中督等［11］對長江下游地區稻麥輪作模式進行研究，而不同種植模式之間碳足跡的比較研究很少［12］。【本研究切入點】從水稻種植模式的碳足跡總數量值及其構成、經濟效益構成、碳足跡和經濟效益之間的關系等方面，對南方雙季稻區水稻一熟、二熟、三熟種植模式進行研究。【擬解決的關鍵問題】指出目前水稻種植模式碳足跡和經濟效益的現狀，提出發展方向，以期促進南方雙季稻區水稻低碳種植模式的理論研究與應用。

1 材料與方法

1.1 數據來源和研究邊界

數據包括浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西和海南9 個雙季稻種植省區早稻、中稻、晚稻、花生、油菜、露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角的播種面積、產量、產值以及成本等，來源于《中國農業統計資料（1949—2019）》《2020 全國農產品成本收益資料匯編》《中國統計年鑒2020》《中國農村統計年鑒2020》、9 省區2020 年統計年鑒等資料；除草劑、殺蟲劑、殺菌劑用量參照文獻［13-14］；農業經營過程中柴油消耗費用按以下公式計算：

柴油費用=（機械作業費+排灌費-水費）×21%+燃料動力費［15］

碳足跡包括直接碳排放和間接碳排放兩部分，由于統計資料中缺少具體環節和數量的數據，本研究碳足跡計算只考慮間接排放，主要包括化肥、農藥、農膜生產和使用過程中導致的溫室氣體排放，以及農業機械使用消耗化石燃料（主要是農用柴油）等產生的溫室氣體排放，大田溫室氣體直接排放未計算在內。

本研究將水稻種植模式按照熟制劃分為：（1）一熟模式：一季稻；（2）二熟模式：包括一季稻-花生、一季稻-油菜、雙季稻、一季稻-蔬菜（露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角）；（3）三熟模式：包括雙季稻-油菜、雙季稻-蔬菜（露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角）。

考慮到數據的完整性和一致性，種植模式中的一季稻均以晚稻計。

1.2 碳足跡計算方法

碳足跡的計算是將每種作物在一個生命周期過程中的農資和人力投入視為間接碳排放，并將其轉化為二氧化碳當量（CO2-eq）。基于種植面積的碳足跡計算公式如下：

式中，CF 為各種作物生產過程中產生的單位面積碳足跡〔kg/hm2（CO2-eq）〕；n表示該作物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）總數量：?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，主要參考中國生命周期基礎數據庫（CLCD 0.7）、Ecoinvent 2.2 數據庫和劉巽浩等［16-17］研究（表1）。

表1 農業投入資料的溫室氣體（GHG）排放參數Table 1 Coefficient of GHG emission of agricultural production material

采用DPS 數據處理系統9.01 版進行數據相關分析，采用Microsoft Excel 2019 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 南方雙季稻區各省區水稻碳足跡及其構成比較

從表2 可以看出，南方雙季稻區9 省區水稻碳足跡的總量和構成差異較大。從碳足跡總量來看，浙江最高為1 057.3 kg/hm2（CO2-eq），海南最低為747.8 kg/hm2（CO2-eq），兩者相差達309.4 kg/hm2（CO2-eq）。碳足跡構成中，9 省區均以肥料為主，其中以廣西中稻肥料占比最高、達75.0%；農膜的碳足跡最低，其中海南早、晚稻農膜碳足跡均為0，而且多個省區的晚稻農膜碳足跡也為0，這是因為海南全年溫度較高，其他8 省區晚稻種植氣溫高，不需要農膜保溫。

表2 南方雙季稻區各省區水稻碳足跡及其構成Table 2 Composition of rice carbon footprint in various provinces in double cropping rice area of southern China

2.2 南方雙季稻區水稻不同種植模式碳足跡比較

本研究結果表明，早、中、晚稻的碳足跡分別為927.4、947.8和941.9 kg/hm2（CO2-eq），差異不顯著，具體碳足跡構成見表3。盡管早、中、晚稻的碳足跡構成占比不盡相同，但均以肥料占比最大、平均66.7%，其中中稻肥料占比最大（69.7%）；肥料中以復合肥所占比例最大，最高為中稻（46.1%），最低為早稻（34.2%）；柴油和農藥的碳足跡占比在10%左右，勞動力碳足跡占比在6%～7%之間。

一熟、二熟、三熟模式的平均碳足跡分別為939.0、2 910.1 和3 961.8 kg/hm2（CO2-eq），二熟模式和三熟模式的碳足跡分別比一熟模式增加1 971.0 和3 022.8 kg/hm2（CO2-eq），增幅達210.0%和321.9%，可見增加一季作物對碳足跡排放增加影響非常大，尤其是增加蔬菜作物，具體見表3。二熟模式的碳足跡大小表現為稻-菜椒＞稻-西紅柿＞稻-茄子＞稻-黃瓜＞稻-豆角＞稻-蘿卜＞稻-花生＞雙季稻＞稻-油菜籽：三熟模式的碳足跡大小排序與二熟模式基本相同，表現為稻-稻-菜椒＞稻-稻-西紅柿＞稻-稻-茄子＞稻-稻-黃瓜＞稻-稻-豆角＞稻-稻-蘿卜＞稻-稻-花生＞稻-稻-油菜籽。

整體來看，二熟模式和三熟模式碳足跡構成仍以肥料所占比例最大，平均占比分別為59.0%和59.2%，其中以復合肥平均占比最大（42.4%、41.0%）；其次是農藥，二熟模式和三熟模式平均占比為12.3%和11.9%，其中以殺蟲劑占比最大、分別達12.0%和11.2%；第三是勞動力，二熟模式和三熟模式平均占比分別為11.3%和10.8%；二熟模式和三熟模式的碳足跡占比最小的均為種子，平均占比分別為3.1%和3.8%。

2.3 南方雙季稻區不同種植模式水稻經濟效益比較

本研究3 種種植模式中，三熟模式的產值最高，平均為13.0 萬元/hm2，其中稻-稻-西紅柿模式高達21.5 萬元/hm2；一熟模式的產值最低，平均僅為1.8 萬元/hm2。從總成本來看，三熟模式的總成本最高，分別比二熟、一熟模式平均高出7.3 萬元/hm2和2.1 萬元/hm2，以稻-稻-西紅柿的總成本在所有模式中最高；從凈利潤來看，大多數種植模式凈利潤是正值，但是早稻、雙季稻和稻-稻-油菜模式是負值，說明這3 種模式是虧損的；二熟模式的成本利潤率最高、達到51.1%，其中稻-西紅柿模式成本利潤率高達94.0%；然而水稻平均成本利潤率最低，尤其是早稻成本利潤率為-11.2%（表3）。

各種植模式的生產成本均以人工成本占比最大、平均為54.1%，其中二熟模式人工成本占比達59.2%；物質與服務費用中的機械作業費和化肥費用占比較大，尤其是水稻機械作業費平均占20.3%，化肥費用占水稻生產成本的14.3%，在二熟和三熟模式中的占比約為12%；種子費用和農藥費用相似，占比約6%；相對來說，農家肥和農膜的費用占比較低，尤其是水稻農家肥費用占比不到1%（表4）。

表4 南方雙季稻區不同種植模式水稻生產成本構成Table 4 Composition of production cost of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

2.4 南方雙季稻區水稻不同種植模式單位碳足跡比較

以單位產值碳足跡和單位凈利潤碳足跡來統一直觀地比較南方雙季稻區水稻不同種植模式的碳足跡，結果見表3。水稻不同種植模式單位產值碳足跡平均為0.037 kg/hm2·元（CO2-eq），其中最高為早稻0.060 kg/hm2·元（CO2-eq），最低為稻-西紅柿0.019 kg/hm2·元（CO2-eq）。總的來看，水稻不同種植模式產值越高，單位產值碳足跡越低。

由于早稻、雙季稻和稻-稻-油菜籽3 種模式的凈利潤為負值，稻-油菜籽模式的單位凈利潤碳足跡達到15.56 kg/hm2·元（CO2-eq），為異常值，計算一熟、二熟、三熟模式的單位凈利潤碳足跡平均值時將以上4種模式剔除。一熟、二熟、三熟模式的平均單位凈利潤碳足跡分別為1.36、0.10 和0.15 kg/hm2·元（CO2-eq）；由于一熟模式凈利潤低，導致其單位凈利潤碳足跡顯著高于二熟和三熟模式，達到13.8 和9.3 倍。

2.5 南方雙季稻區水稻不同種植模式碳足跡和生產成本構成比較

比較各生產要素分別在碳足跡和生產成本中的占比可以看出，其占比并不相同，差異最大的是肥料和勞動力，肥料在碳足跡中占比約61%，但在生產成本中的占比僅約13%；而勞動力成本在生產成本中的占比高達53%，但在碳足跡中占比不足10%；其他部分占比相差不大，平均各模式相差不到6%，差距最小的是種子、占比相差僅為2.4%（圖1）。

圖1 南方雙季稻水稻不同種植模式碳足跡和生產成本構成比較Fig.1 Comparison of carbon footprint and composition of production cost of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

2.6 南方雙季稻區水稻不同種植模式碳足跡和經濟效益關系分析

為探討各種植模式的碳足跡和產值之間關系，利用典型相關分析方法，對上述20 個種植模式的碳足跡和產值進行分析，結果（圖2）顯示二者相關系數為0.9087，呈顯著正相關，即隨著產值的增加碳足跡隨之增加。從變化趨勢上看，二者相似。

圖2 南方雙季稻區水稻不同種植模式碳足跡和產值變化Fig.2 Change of carbon footprint and production value of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

3 討論

3.1 為實現雙碳目標，從種植模式調整方面降低農業碳足跡

一是推廣碳足跡較低的種植模式。從上面分析可以看出，二熟模式中，雙季稻和稻-花生模式的碳足跡較低，分別為1 869.3、1 883.3 kg/hm2（CO2-eq），比稻-西紅柿模式〔3 801.7 kg/hm2（CO2-eq）〕和稻-菜椒模式〔3 815.7 kg/hm2（CO2-eq）〕，降低近2 000 kg/hm2（CO2-eq）。三熟模式中的稻-稻-油菜籽模式碳足跡為2 540.3 kg/hm2（CO2-eq），僅為稻-稻-菜椒模式碳足跡的53.7%。從降低農業碳足跡角度考慮，可以在給予一定補貼的基礎上適當增加雙季稻、稻-花生、稻-稻-油菜的推廣面積。從單位產值碳足跡角度方面考慮，由于大部分三熟模式和部分二熟高產值種植模式的單位產值碳足跡較低，可以在一定范圍內推廣嘗試。

二是從種植模式搭配和作物還田角度來增加土壤的固碳效應。例如，龍攀等［18］通過冬季種植油菜、紫云英、黑麥草并將其還田，結果表明可促進土壤活性有機碳含量和土壤碳庫管理指數的增加；袁嘉欣等［19］通過測定油菜-早稻-晚稻、馬鈴薯-早稻-晚稻、紫云英-早稻-甘薯||晚大豆、油菜-早稻-甘薯||晚大豆等種植模式的土壤有機碳、活性有機碳及其組分含量，結果表明各種植模式均有利于增加作物產量并可引起土壤有機碳及其組分的變化，其中紫云英-早稻-甘薯||晚大豆和馬鈴薯-早稻-晚稻模式的綜合效果較好，可以在長江中游地區推廣應用。

3.2 在保障糧食安全的前提下，從生產投入方面降低碳足跡和生產成本

肥料和人力成本作為碳足跡和生產成本中占比最大的兩個因素，在保障糧食安全的前提下，可以采取減少化肥用量和減少田間人工操作等措施降低該兩項指標數值。通過增加有機肥使用比例來降低化肥用量，根據劉巽浩等［16-17］研究，廄肥的有機質碳足跡系數僅為氮肥（平均氮肥用量是磷鉀肥用量之和的6～7 倍）的20.2%；通過田間管理措施來降低人工成本，如將水稻移栽改為直播，李靜怡等［20］研究發現，水稻半固態直播有利于改善根系形態結構、提高根系生理活性、增加根系傷流液組分含量，從而使水稻中后期根系衰老減緩，促進地上部生長、增加產量；通過減少施肥次數來降低人工成本，程爽等［21］采用水直播方式下的控釋-速效氮肥配方一次性基施，可大幅減少施肥次數、降低成本，進而實現水稻穩產和改善部分米質。

由于各地碳足跡和生產成本不完全一致，可以考慮相互學習和借鑒，利用各省之間差異來降低碳足跡和生產成本。例如，稻-稻-黃瓜模式，安徽碳足跡為3 839.5 kg/hm2（CO2-eq），海南高達6 255.8 kg/hm2（CO2-eq），是安徽的1.6倍，差異最大的因子是殺蟲劑，二者相差1 135.6 kg/hm2（CO2-eq），海南是安徽的4.6 倍；福建每公頃用工數為268 d，海南高達813 d，是福建的3 倍。通過互相學習借鑒和本地化，更加優化田間管理和種植措施，對降低碳足跡和生產成本都有幫助。

本研究利用統計數據，以南方雙季稻區為研究對象，對不同種植模式碳足跡進行比較分析，但是缺乏更詳實、全面的試驗數據，若能在該地區布置大量有代表性的試驗點采集試驗數據，可以更加完善碳足跡的計算水平。總體來看，碳足跡和生產成本兩者之間不完全一致，有的差異非常大，若通過進一步研究找到其中平衡點和臨界點，對實現雙碳目標和增加農民收入都有重要意義。

3.3 打破碳足跡和經濟效益顯著正相關關系

經濟效益增加亦會導致碳足跡增加，只有將二者之間顯著正相關的關系打破，才能實現降碳、增收的雙贏目標，這是一個長遠目標。目前，可考慮在碳足跡不變的情況下增加產值，如在不增加投入的情況下，選用良種良法［22-24］提高農產品品質來提高產值，這需要農業推廣人員的努力和付出；或在產值不變的情況下降低碳足跡，如規模經營和精準種植，通過規模和規范降低單位面積的投入來實現降低碳足跡。

3.4 碳足跡計算方法有待改進

生命周期評估法存在一定局限和不完整性，如在目標和邊界定義、評價指標選擇及其計算方法有一定的局限性，某項指標所造成的環境影響未納入計算存在一定的缺失；有學者將氮足跡合并到碳足跡中計算［9］，從結果上看，碳足跡值會增加，但是由于缺乏參數，本文未將氮足跡納入進來。總體來說，碳足跡的計算方法仍需完善，若想獲得更加準確的結果，在參數選擇和細化方面需作進一步深入研究。

4 結論

9 省區碳足跡中，總數量值以浙江1 057.3 kg/hm2（CO2-eq）最高，最低為海南7 47.8 kg/hm2（CO2-eq）；碳足跡構成都以肥料為主，其中農膜碳足跡最低。一熟、二熟、三熟模式的平均碳足跡分別為939.0、2 910.1 和3 961.8 kg/hm2（CO2-eq）；早、中、晚稻的碳足跡分別為927.4、947.8 和941.9 kg/hm2（CO2-eq）。三熟模式產值和總成本都最高，分別為13.0 萬和9.1萬元/hm2，一熟模式最低，為1.8 萬元/hm2；二熟模式的成本利潤率最高，為51.1%，早稻、雙季稻和稻-稻-油菜模式的凈利潤是負值；生產成本中以人工成本最大，平均為54.1%。碳足跡和生產成本中各項投入占比差異最大的是肥料和勞動力；因此，減少化肥使用量是降低南方雙季稻區碳足跡的關鍵途徑，降低人工成本是降低生產成本，提高經濟效益的主要途徑；碳足跡和產值之間呈顯著正相關，相關系數為0.9087。