农田生态系统碳足迹法:误区、改进与应用——兼析中国集约农作碳效率

刘巽浩，徐文修，李增嘉，褚庆全，杨晓琳，陈 阜

(1.中国农业大学，北京 100193:2.新疆农业大学，乌鲁木齐 830052:3.山东农业大学，泰安 271018)

20世纪以来，地球气候变化加剧。联合国政府间气候变化专业委员会 (IPCC)得出，近25年期间地球气温每10年上升0.19°C;当前空气中的CO2浓度已比过去增加100mg/kg，达到390mg/kg。一些科学家利用数学模拟的方法，将这两种现象联系起来，认为排放的CO2形成温室效应是天气变暖的元凶。于是，“低碳”的声音就空前强化，一些人积极提倡低碳甚至要“农业低碳化”。但也有学者认为，“中国农业不能盲目低碳化”［1］。

所谓“低碳”，指的是在人类各种活动中要尽量减少作为能源碳的消耗和CO2等温室气体 的排放。人类进行各种农业活动以及消费的各种资源都要消耗能量，农田基本建设、种子、肥料、灌溉、机械、燃料、耕种、造林、农产品加工等都直接或间接地消耗能或碳，产量越高，消费的能与碳也就越多。因此要求对稀缺的资源加以保护并予以节约集约利用，这是历史发展的必然。无论CO2促成气候变暖的假说是否正确，地球只有一个，节约资源 (包括能源与碳)、保护环境是人类面临的刻不容缓的历史责任。为此，农业上就要因地制宜地采取节能、节地、节水、节肥、节燃料、节工以及循环利用农业废物 (秸秆、粪尿)等措施。

与工业不同，农业是一种有生命的生物性产业，它一方面消耗各种资源与碳;另一方面，在植物生长过程中通过光合作用，又能吸收空气中的CO2而将以储存，从而减少空气中的温室效应。因此，农业提倡“低碳”，包含着低耗碳和高固碳的双重意义。随着农业现代化与集约化的进展，碳耗总量增加是必然的。农业提倡“低碳”不等于减少碳耗总量的所谓“低碳农业”，而是要努力追求单位产品以较低的耗碳率换取较高的固碳率。为此，就要研究农田生态系统的碳流 (固碳与排碳、碳汇与碳源)，以提高单位产品的碳效率［1］。

1 农田生态系统碳足迹法研究的进展与误区

1.1 农田碳足迹法的出现与进展

有许多方法评价农田系统或农作措施的效率。常用农产品的数量、质量、土地生产率、水效率、劳动生产率、投资效率、环境因素变化等指标。这些指标直观、具体、明确、易于操作、实用可行，是过去、现在和将来常用的方法。但这些方法有一个问题，就是各指标间没有统一可比的量度。因此，很难对农业系统或措施进行综合比较。为了弥补不足，在农业研究历史上相继出现了钱流法、能流法和碳流法。

1.1.1 钱流 (货币流)法

该方法由经济学家创立，以金钱作为评价农业系统 (包括农田系统)各因素的统一指标，以资金的投入与产出和产品的价格来计算成本收益率、劳动生产率、资金生产率等。钱流法开创了农业系统统一比较方法的先声，是一种行之有效进行综合比较的途径。当然，这种方法也有它的局限性，某些情况下，市场价格易于变动，金钱并不能完善反应投入物质与产出产品的实质。

1.1.2 能流 (能值)法

20世纪中叶生态学派兴起，1935年发现了生态系统的概念，60年代Odum开创了能流学说，Pimental等建立了能量法，统一将各种人工投入 (燃油、肥料、机械、人畜力等)与产出 (籽粒秸秆等)折合成能量，进行系统比较其效率［2］。这是一次方法上的飞跃，其特点是着眼于生态效率。20世纪80年代初，沈亨理、刘巽浩等将此法引入我国，并应用于各地能效率和养分效率的比较［3-4］，引起了农业工作者的兴趣。但是，这种方法也有它的局限性，能量相同并不等于质量相同，例如，1g钻石与1g石墨的能量是相等的，但它们的价值相差千倍。因此，它只能作为评价农业系统的一种角度，是众多的评价方法之一，而不能将它作为评价农业系统的唯一标准。

1.1.3 碳流 (碳足迹)法

随着空气中温室气体增加和温室气体学派的兴起，美国、加拿大等学术研究上出现碳流法，称之为“碳足迹 (carbon footprint)”法［5］。“碳足迹”是“碳流 (carbon flux)”的一种形象性表达，含义是相似的。1992年，Rees提出“生态足迹” (ecological footprint)［6］，1994年，Wackernagel给出定义和计算方法［7］。21世纪初，在IPCC的基础上，美国橡树岭国家实验室的环境学家West and Marland测算了美国化肥、农药、灌溉、种子等在生产、包装、储存、运输、使用过程中的CO2排放量，开启了碳足迹法指标体系的先声［8-9］。随之，Ohio州立大学的Lal.R教授从生命周期评价的角度对碳足迹指标体系进行了系统归纳［10］，他们均做出了有益的贡献。随后一些加拿大等国学者进一步将与农业有关的温室气体 (GHG)范围扩大，涉及CO2、N2O和CH4，并将后两者按增暖潜势折算为CO2当量 (CO2e)，N2O折算系数为298，CH4折算系数为21～25(IPCC)［11］。中国的一些农业足迹法的研究就是以他们为蓝本进行的。由于碳足迹法在农业上应用时间尚短，目前方法与指标本身还不够成熟。

近10年来，我国一些学者和研究生们引进了国外碳足迹的方法和指标，初步开展了农田系统碳足迹的探寻。主要方面有:研究少免耕的碳足迹的有黄坚雄［12］、伍芬琳［13］、李琳［14］、张海林［15］、韩宾［16］;研究施肥与碳足迹有逯非［17］;研究农作制的碳足迹的有聂祚仁［18］、史磊刚［19］、梁龙［20-21］、刘允芬［22］、鲁春霞［23］、耿涌［24］、段华平［25］等。中国科学院土壤研究所蔡祖聪揭示了中国稻田CH4排放量，从而纠正了IPCC夸大的估算量［26］。

目前，对农田系统碳足迹的方法论研究尚少，我国有人也引进并介绍了农业碳足迹方法 (黄祖辉［27］、董红敏［28］、杜受祜［29］、冉光和［30］、于曼［31］、罗运周［32］等)，但对方法以及指标体系本身探讨不足。中国农业大学黄坚雄在博士论文中，比较了农田碳流全环法和半环法的优劣［33-34］，难能可贵。但总体上目前农田碳流研究的方法和指标存在问题较多，并影响到结果的真实性，故亟须加强。

1.1.4 农业碳足迹定义与特征

目前碳足迹尚没有一个确切的统一定义。有人认为，是指人类活动 (工业、商业、交通运输、消费、人的日常活动等)直接或间接排放温室气体总量，Peters认为“碳足迹是一定的时间和空间边界内，生产和消费过程中的碳排放或固定”［35］。

研究农田碳足迹法的目的在于减少农业对温室气体的排放。同时，一些人也将它作为评价农田系统或某一农业措施优劣的方法加以应用。应该说，它和能量法一样，是评价农田以至农业系统的方法之一，不宜将它作为唯一方法与标准。

一般工商业交通运输等活动是以只有碳排放而无碳固定为特征的，碳的足迹是有去无回，因而一般舆论上也往往就把碳排放等同碳足迹。但对有生命活动的农业生产活动来讲，它一方面在生产前后过程中，直接或间接向空气中排放CO2等温室气体，另一方面，绿色植物通过光合作用固定空气中的CO2。因此，农田的碳足迹指的是人类在农田上进行生产活动形成的碳流 (carbon flux)量，它的特点是有去有回，是全环式的。农田生态系统的碳流包括碳固定与碳排放两个并存的方面:碳固定，就是指在农田生态系统中，绿色植物光合作用吸收CO2减去呼吸作用排出CO2而得到的净初级生产力 (NPP)，其中少量转化为土壤腐殖质。碳排放，指植物在农田生态系统中，向空气中排出CO2等，它包括直接与间接排放两部分。直接排放指的是在农田系统活动中直接排放的温室气体，如运作机械的燃油、电等能源，还有部分回田的秸秆残茬分解排出的CO2(还有N2O、CH4)。间接排放指的是向农田投入的物资所导致的间接排放温室气体，包括机械、肥料、农药、灌溉设备、种子在制造、储存、运输、维修、田间运作等过程中所排出的温室气体，也间接包括劳动力、畜力所消耗的食物能。

通过植物整个生命活动的碳足迹所得出的碳固定与碳排放这两个方面的净差值，反映了它们对空气中温室气体的贡献，或增或减。如果只讲排放而不讲固定的有去无回的半环式的碳足迹，就不能反映空气中温室气体的真实增减状况。明确这一点，对于确定农业碳足迹方法与指标体系的确定至关重要。

1.2 研究方法中存在的问题与误区

近10多年来，国内外农业碳足迹研究者趋之若鹜，但除了用正确的方法进行研究者外，实实在在的成果较少。有的甚至将固碳与耗碳、碳汇 (sink)与碳源 (source)相互颠倒，有的虽有碳排放数据而无固碳数据，因而不能说明是否减少还是增加空气中温室气体量。究其原因，与采用方法与指标不当有很大关系。国内许多论文，其方法多采取West体系，或半环式，或重要指标缺失，或各指标逻辑起点不一，很多指标未中国化，从而影响了研究结果的“含金量”。

1.2.1 碳流路径短路 (半环式路径)

在农田生态系统中植物碳流的特点是固碳与耗碳并存、有来有回的全环式进行 (图1a)。但当前碳足迹研究中却流行一种短路的半环式路径 (图1b)，只讲耗碳而不讲作物的碳固定，这是当前普遍存在的严重问题，并被以环境为中心的主流学派所青睐。这一派别的典型代表并影响甚大的仍是West and Marland［8-9］的论文，他们将足迹法应用于农业，创建了一系列以美国资料为基础的指标体系，常为许多人所采用，中国许多农田碳足迹研究的方法也源出于此。

West等认为，“通过收获作物而丢失的碳量可认为由下一茬作物的吸收碳而被置换”［8］。也就是说，认为农田系统内作物固碳与系统外收获物丢碳相抵消，并在实际方法上把作物固碳从农田生态系统的碳流环上砍掉，完全排除了作物在碳流中的固碳地位，形成了半环式的碳流短路(图1b、图2)。这种方法的理论依据是《植物中性说》，即，从大气圈的角度看，植物 (无论是一年生作物或多年生林木)所固定的碳最终都将转变为CO2而回归大气。这种推论是有道理的，但有人将此推论延伸到农田 (农业)生态系统时常出现概念与系统边界混淆的问题。

图1 农田生态系统碳流示意图

第一，混淆“碳耗”与“GHGB”(空气中温室气体平衡)两个概念。一些论文将某种措施减少“碳耗”与减少“GHGB”相混淆。农田生态系统对空气中温室气体平衡的影响，不仅仅由碳耗决定，而是由固碳和耗碳两者共同作用的结果。以半环式为蓝本进行碳足迹研究的许多国内外人士往往有意无意踏入了这个陷阱。有一项耕作试验研究得出，用半环法得出的翻耕和旋耕是碳汇，分别每公顷减少GHG排放-3 533和-2 241kgCO2e，而用全环法得出结果却是碳耗，结果恰好颠倒［34］。West论文的本身就证明了半环法的失误。该论文得出，美国免耕比传统的翻耕减少了碳耗［9］，这个结果是不言而喻的也是可信的。但是，这里隐藏了一个重大隐患，即该论文不能证明免耕是否减少了大气中的温室气体，因为它不知道在免耕条件下作物固定多少碳，如果因免耕导致作物固碳量减少并少于因免耕的减碳量，那么，免耕引起的碳平衡反而是负的。令人费解的是，作者最后又得出因免耕导致“大气CO2减少189kgC/hm2·年”的结论［9］(图 2)。

第二，混淆系统的边界。有些碳足迹研究在名义上对象是农田 (农业)生态系统，而实际上却又超出了系统边界。企图以系统外“异地”(非农田)、“异时”(产后)的“收获物丢碳”的概念来否定农田系统“作物固碳”的事实，将两个不同性质的概念与系统相混淆、违反逻辑学的同一律 (A=A)原则。从哲理角度看，它是以终端否定灿烂多样的过程和现实，从而导向对现实世界的虚无主义。据研究，人类生活的地球将在17亿年后终将消亡，但当今的人们不会因此而停止建设美好生活的进程。实际上，在一个植物生态系统中，无论是一年生作物还是多年生的乔木，在它们的生长周期内，通过光合作用和呼吸作用的净固碳作用是客观存在而不能抹杀的，是该农田 (农业)生态系统碳流的重要组成部分。人们不会因木材移出森林而否认森林生长期间的净固碳作用，连年种植的一年生作物和多年生的树木成为碳库的机理是一致的，只不过它们的“收获物”保留时间长短不同而已。至于今后这部分收获物 (籽粒、秸秆、木材等)中碳的去向 (它们迟早都将分解成CO2而回归大气)，已经是超越了农田 (农业或森林)生态系统的边界，而不应在这里干扰或混淆概念。

1.2.2 指标缺项或逻辑起点不一

由于资料来源困难、国情不同、学派观点刚性或疏漏等原因，以致在农田系统碳流研究中缺少应有的指标项，造成指标不全，使结果不够准确或有一定的片面性。例如，《秸秆还田对江西农田土壤固碳影响的模拟分析》一文，认为“秸秆还田…增加土壤碳储量，从而有利于减少大气CO2浓度的上升”［36］。但该研究中缺少秸秆还田后分解排放的CO2、CH4以及作物固碳等项，远不能说明对大气中温室气体的影响。此外，稻田秸秆还田后会大大增加CH4的排放，因而“减少大气CO2浓度的上升”的结论有可能是一个伪命题。

当前在农田碳流研究中偏重化学合成品的碳耗而轻机械、灌溉、有机肥、人工等非化学合成品的碳耗，其结果是有意无意地形成“化石能是罪魁祸首”这一误导社会公众和决策界的片面观点。这种做法，往往带有某些学派影响的痕迹。至于人工耗能，无论在发达与不发达国家都是重要内容之一，但在国外碳流研究中却常予以忽略，有人的奇怪逻辑是“不管是否参加劳动，人总是要吃饭的，因而可忽略不计”。

指标间逻辑起点不一是当前流行的普遍问题。例如，化肥的耗碳是按整个生命周期评价 (LCA)的，从原料收集、制造开始一直到田间使用，而机械、灌溉等项则只计油耗，而不计机械制造或设备建造等的碳耗。有的也计机械制造的油耗，但不计原料收集、管理、维修、驾驶等的碳耗。又如，西方碳足迹研究往往不计驾驶机械的人工，个别作者有计人工的，但只计人力工作时呼出的CO2量，未从一天的食品碳耗算起，仍是逻辑起点不一。结果是导致结论失真或扭曲，厚此薄彼。一般表现为放大化学合成品耗碳的比重，缩小机械、灌溉、人畜力等耗能的份额。这一点，20世纪80年代产生的能量法的各指标边界和逻辑起点基本一致，值得借鉴［3-4］。

图2 美国由传统耕作转为免耕的碳流示意

1.2.3 指标参数不符合实际

由于农业的复杂性、资料收集困难、信息不灵、路径与方法有误等原因，造成现有的某些碳足迹指标参数失真，或不符合实际情况。其中，研究者本身的主观性或学术观点倾向性也起了一定作用。如有的国际机构为了佐证气候变暖理论，有意无意地放大或缩小某些事实或数据，这对农田系统碳足迹的研究带来了某些失误。

由于以上方法上的失误往往导致研究结果的错位、失真甚至颠倒，夸大了农田生态系统的碳耗，放大了化学合成物的消极作用，误认为一切免耕、免肥、免药、免除草、低投入、“低碳”等措施都是正当的，甚至形成认为不施肥也可增产的潮流派新论。这样，碳足迹法研究就与一些极端的环境保护主义者相呼应，在农业战略上误认为作物种植、集约持续农业、农业现代化等都在碳流中起着消极作用，因而在技术层面上无选择地宣扬“一切地方都适用免耕”、“中国可减少一半化肥用量”，在农业发展战略层面上则提倡“低投入农业”、“有机生态农业”、“低熵农业”、“自然农业”“农业低碳化”等等。

2 改进的原则与方案

当前国人研究农田碳足迹多引用国外研究框架式方法论，包括路径、方法、指标与参数等，有的正确，有的欠正确;有的虽正确但与中国国情相差较远。因而在引用时应加以筛选、鉴别并结合本国本地的实际情况加以修正。

2.1 改进3原则

为了完善碳足迹研究，在前人研究基础上，应从农田生态系统碳流的路径、研究系统边界、指标体系、参数以至科学研究严肃性的角度确立相应的原则和方法。

2.1.1 遵循农田生态系统的边界和碳流的规律

首先，研究对象的范畴和边界要明确。农业方面碳足迹研究主要指的是“农田生态系统”，宽一点的可涉及“农业”。该文所指的研究对象的范畴是“农田生态系统”(farmland eco-system)，“农田”指种植短期作物的土地，不包括种植多年生乔木的林地，也不涵盖更为广泛的整个“农业生态系统 (agricultural eco-system)”范畴。各种指标要遵循这个范畴，谨防越界，谨防混淆概念。如果研究对象只是就事论事而不涉及农田生态系统，那么不一定要采用全环式，如“水稻烤田对CH4的影响”，它的目标就是探讨烤田这个措施对土壤排出CH4的影响。如果不涉及作物整个系统的碳足迹，也不直接涉及对空气中温室气体平衡的影响，那么不一定要进行全环式的研究。但若要研究它对温室气体平衡的影响，那么就必须遵循全环式路径进行。任何以降低GHG为目的并影响作物生长发育的农业措施，若不与作物固碳相联系，其结果必将是不完整的或失真的;如果从大气角度研究植物与温室气体平衡的关系，那么，《植物中性论》是正确的，CO2的固定与丢失量可相互抵消。该文作者也认为森林老化或移出林田系统后，也终将化为CO2而排向天空［1］。但是，不能因农田 (农业)系统外的“收获物丢碳”而否定农田 (农业)生态系统内的固碳过程与现实，特别要避免在客观上导向虚无主义。

其次，重要的是要遵循农田生态系统的全环式路径。在一定的农田生态系统中，同时存在着耗碳和固碳、碳汇与碳源，和多年生植物一样，农田上年年种植的一年生作物同样是碳流中的碳汇和碳源，因而反映在方法上必须包括整个环流，不能是瘸腿式的半环流。这是碳足迹研究的方法论基础。此外，研究某一对象的碳流时，它的范围、时间、地点要有一定的边界，耗碳与固碳、碳源与碳汇的比较，应在时间、地点上应保持同一性，即在同期、同系统内进行比较分析，不能借口今日的碳汇将是明日的碳源而否定今日的碳汇，否则，将导致概念混淆或结果颠倒。

以West and Marland为代表的农田碳足迹路径就是半环式的典型，其表达式是:

NGHGB指空气中净温室气体平衡，GWPdSOC/n指土壤有机碳累计年变化量的增温潜势，GWPsoilGHG指土壤中逸出的N2O和CH4的增温潜势;GWPindirect指温室气体间接排放 (机械、肥料、药剂、灌溉、种子、人畜力等)的增温潜势。此公式表示温室气体平衡决定于土壤中有机质、N2O、CH4的变化和间接投入的排放，而与作物无关。就是说，他完全忽略了作物固碳的事实与存在。显然，这种路径与事实不符。

另一些学者如 Soussana［37］、Smith［38］、Lehuger［39］等采用的是全环式的路径，其公式是:

式中:GWP指增温潜势，GWPNPP指净初级生产率 (包括籽粒和秸秆残茬根系);GWPIMPORT指外部直接投入的碳，实际指厩肥;GWPsoilexport指土壤排出的温室气体量，包括CO2、N2O、CH4(非水田可忽略);GWPRH指土壤的异氧呼吸排出的碳 (可忽略);GWPSOILGHGS指土壤有机质变化引起的温室气体增减量 (在某些短期田间试验中此项可忽略);GWPinput指各种间接碳汇 (化肥、有机肥、农药、种子、灌溉、人力、畜力等)。此公式碳足迹路径是正确的、全面的，反映了农田生态系统有去有回的碳流真实情况，机理上是完善的、合理的。

为简便计，也为了更好适于中国的情况，在以上公式⑴基础上做了点非实质性的修改:

式中:△GHG为空气中温室气体增减量;GWPNPP指净初级生产率 (包括籽粒和秸秆残茬根系)的增温潜势;GWPSOC指土壤有机碳的增温潜势 (此项短期试验可忽略);GWPSOILEXPORT指土壤排放CO2(主要是秸秆还田)、N2O(主要决定于施N量)、CH4(非稻田可忽略)的增温潜势;GWPINPUT指间接投入的增温潜势 (包括机、油、电、化肥、农药、厩肥、人畜力等)。另外，也可以从投入与产出角度进行计算分析:即

Lal、Gan等研究利用的方法及能量法等均遵循着这种全环法进行了农田生态系统碳流的研究并得出有益的结果［10-11］。美国斯坦福大学的研究人员以全环法的思路，通过历史比较得出，集约化农业减少了碳排放［40］，这个与主流看法相悖的结论，引起了美国学术界的轰动。Gan在加拿大半干旱地区25年试验的结果显示，连作小麦年固碳量为1340kgCO2/hm2，是小麦—休闲的127%［11］，说明作物种植农田比不种植农田 (休闲)减少了空气中的温室气体。Lal计算Clements试验结果得出，每公顷玉米大豆小麦轮作的碳耗为174.6kg，而碳汇为416.0kg，碳汇与碳耗之比为2.4∶1［10］。王福军等研究华北农田的碳流显示，不同耕作方式的碳持续性指数均在1.47以上［41］。该文作者在以下的我国历年农田以及两个当今案例的碳流分析中也得出了同样正态结果。说明作物种植并不是一般认为的是净耗碳行为，相反，它和种树一样，是减少空气中温室气体的一个重要成员。

2.1.2 指标参数力求准确公平

(1)重要指标项不能缺失:指标体系要力求完整地反映当时的农田生态系统碳流状况，包括碳消耗与碳合成、化肥与有机肥、机电与人畜力、灌溉等。不能畸轻畸重或忽略碳流环中的某个重要环节。中国与美国不同，在农业中广泛使用有机肥、人畜力，尤其在中西部仍很多。灌溉农业、多熟制是中国农业特色，在指标体系中不可缺失。(2)尽可能地要遵循生命周期评价 (Life Cycle Assessment，LCA)原则，各指标的边界与逻辑起点要公平一致。各种指标的边界怎么定?这是一个为难的问题，但也要尽可能的公平化。国际上确定企业碳足迹时，是原料—生产—分配至消费者，也就是生命周期评价法 (LCA)俗称从摇篮到坟墓的计算方法。当前在农田生态系统碳足迹研究中，化肥的指标基本上符合这一框架，但在计算机械、灌溉等碳足迹时，往往是只计油耗，而不计制造、基本建设等的碳耗，显然不大公平。理想的做法是包括制造及制造前一级原料所含的碳耗。如，作为农机制造原料铁所隐含的碳耗 (但不包括在前一级制造铁所消耗的碳量)、农业劳动力在农田劳动过程中消耗食物的含碳量 (但不包括制造食物所消耗的碳量)、作为磷肥原料开采磷矿石所消耗的碳量 (但不包括开采磷矿石使用的机械的制造过程的碳耗量)、灌溉不能只记耗油或耗电量，应包括收集与导引水资源的碳耗量，如灌溉机具、水库、灌溉渠系的修建、维修、管理等。至于农田所消耗的油、电，则直接以它们所含的能量或碳量计。(3)对待一年生作物与多年生乔木的碳流行为要一视同仁，不能薄此厚彼。

2.1.3 加强客观性与实用性

农业活动十分复杂，涉及面广、变化多端、地域差异大，在足迹设计和运作过程中，要进行资料收集、田间测定、试验与实验、实地调查、数据折算、分析归纳、模型应用等多个环节，其中有一些数据又难以直接获得，于是往往借助他人他国的资料，有时不得已还要做点“设定”。在这些过程中，难免有一些主观性干预。为此，有关碳足迹的研究理论、方法、指标、参数更要力求真实、可靠、科学化，避免主观臆测，更要避免站在某个学派或机构的立场上而强化主观性。在筛选过程中，要求:(1)力求准确，避免有的机构或科学家为了某种观点而尽力夸大或缩小某项参数;(2)从客观实际出发，指标与参数要力求符合当地实际，逐步走向中国化;(3)指标体系既要科学化又要简便实用，避免繁琐化。宏观性研究可以粗一点，微观性研究可根据研究的需要而加以细化。

2.2 指标体系的比较与改进方案

面对当前农田足迹法应用中存在的问题与误区，根据以上的改进3原则，对现有的各种指标体系和参数进行了比较与筛选并初步形成改进方案。

当前，广泛引用的指标体系有IPCC、West and Marland、Lal、Gan等，这些多半是以美、加等国的资料为基础的，可以借鉴，但要结合本国本地情况。20世纪80年代兴起的能量分析是碳流分析的重要基础，已有的能量法指标体系，对碳流研究方法与指标体系构建仍有重要的参考价值。因为它比较完整、逻辑起点基本一致、资料可获得性强，又接近中国国情。它的不足之处，可参考其他指标体系互为补充。

涉及农业碳流因素的数据有两种来源:一是测定物体的碳量，如煤、柴油 (IPCC)，二是从物体的能量折算成碳量。农业上能量与碳量有很大的相关性，能耗大的碳耗也大，反之亦然。少免耕能耗少，碳耗也少。高产的能耗大，碳耗也大。碳足迹实际上是能足迹的另一种表现，能与碳之间存在着一定的比值，即能碳比。在实际计算某项因素的能碳比时，如果能同时实际测定能量和碳量最好，如IPCC得出的原煤的能值和碳值、West and Marland得出的化肥农药的能量和碳量。当只有能值而无碳值时，可利用能量折算碳量。尽管不同对象的“能碳比”并不完全相同，但为了简便计，也可按平均的能碳比进行折算，如Lal［10］综合的折算系数是:1Mcal=93.5*10-3kgCe，1GJ=20.15kgCe，1H.P(马力)=5.41*10-2kgCe［其中:cal=卡，J=焦耳，均为能量单位;M=106，G=109，Ce(碳当量)*3.66=CO2e(CO2当量)］。碳足迹法中应用的某些指标 (如人力、畜力、机械、有机肥、灌溉等)均可用能量法的能值来折算碳值。

为了便于比较与筛选，必须着手按一定标准将五种主要来源的指标和参数折算成统一的表达单位，将农田作物固定的能量或碳量 (籽粒、秸秆、土壤有机质)、消费的资源 (煤、油、农机、肥料、农药、种子、人畜力)和土壤排放或库存的温室气体等折算成能量、碳量。表1中列出了当前流行的五种主要指标体系，即 IPCC(2006)、West and Marland［9］、Gan［11］、Lal［10］和能量法［3］以供比较研究 (表 1)。在此基础上，根据改进3原则以及研究项目的需要，在宏观整体性研究中以能量法指标体系为骨架，借鉴IPCC、West、Lal、Gan等若干参数形成改进方案，而在微观措施性研究中，除能量法外，更多借鉴West、Lal等参数，方案详见表2的宏观研究和表3的微观研究。指标与参数的具体改进意见如下。

2.2.1 农田机械

当前普遍存在的弊病是不遵守生命周期 (LCA)和逻辑起点一致的约定，常见的是化肥农药碳足迹是按整个生命周期进行追寻，而农田机械只计机械运作的燃油而不包括机械制造等的碳耗，这样就形成指标间逻辑起点差异而造成的不公平评议。其原因之一是难于获得相关资料。

改进办法:最好是直接测定机械制造、运输、保养、管理等的碳耗，不得已时可采取替代的办法。当研究一个农业单位整体 (如两个乡两个国家农业碳足迹比较，或同一单元不同时间比较)，可采用能量法的碳足迹整体的投入产出法，以整个单位 (县、乡)农业机械量推算出碳耗量，燃油、人工、管理等的碳耗则另计。若比较单项农业措施 (如不同耕法、不同农作制)时，则用各项措施的生命周期法，或用混合法，以单项耕作措施计算碳耗量。如翻耕、免耕的燃油量及机械制造折旧运行等的耗碳量。后者数据很难得到，不得已时，可考虑用费用来进行推算。具体做法是以某项机械操作的燃油费与全作业费之比，推算出整个作业的碳耗。如山东小麦玉米两熟例:每公顷泰安、龙口、滕县3地平均翻耕作业费为60元，其中，油耗为15元，油耗与非油耗的比例为1∶3。设定机械作业的利税费占1/4(15元)，则机械部分(包括原料、制造加工、储存、运输、保养、操作等)的碳耗为30元，油耗与机耗之比为1∶2。

表1 农田生态系统碳流指标体系及其赋值

2.2.2 化肥农药

已有方法与参数多以生命周期 (LCA)为基础且逻辑起点一致，不同作者间参数有所差异。氮肥以IPCC数字最大，氮肥的耗碳为10.2kgCO2e/kg，West数字最小，为2.96kgCO2e/kg，Gan、Lal、能法等为4.8kgCO2e/kg。P2O5仍以 IPCC 数字最大，达 1.5，West为 0.37，Lal为 0.73，能量法为 1.14kgCO2e/kg。K2O仍以IPCC最大，为0.98，West最少，为0.29，Lal和能法为0.6kgCO2e/kg。农药的数字国外约为18kgCO2e/kg，但能量法为6.58kgCO2/kg。比较起来，能量法的化学品参数更接近中国的实际。

2.2.3 灌溉

这项对中国尤其重要，与农业机械存在的问题相同，即普遍只计油耗而不计油耗外的碳耗。原因是油耗外的碳耗更难统计，当前对此研究也较少。从逻辑起点一致与LCA角度，理应包括水源收集源 (井、塘、库)、渠系的修建、灌溉机具以及灌溉时的油电耗工等，但做到这一点是很困难的。

可选择的改进的办法:(1)能法计入了灌溉机具的制造和灌溉时的油 (电)耗，但尚未计入灌溉系统建造的能耗，可作为参考应用。(2)不得已时可通过费用求得每公顷农田灌溉总费用与油耗费用之比，间接推算出油耗与油耗外的灌溉耗碳比。

此外，可参考的数值有:Batty得出地面灌溉泵水耗能决定于提水高度，0米时为油碳耗为235kgCO2/(hm2·m)，50m时为4 148kgCO2/(hm2·m)，100m时为8 062kgCO2/hm2·m);Dvoskin得出美国西部提灌油耗为472(250mm灌量时)-944kgCO2e(500mm灌量时);李增嘉得出灌溉的油碳耗为109kgCO2/hm2;油耗外的碳耗约为219kgCO2/hm2麦季，灌溉系统装备耗碳为344～433kgCO2e/(hm2.yr)［10］。

2.2.4 动力

这一项比较简单，与农田直接有关的动力主要是柴油、电、极少量的煤。煤、油、天然气等可直接测定能量并折CO2，一般选用IPCC的参数，如原煤为2.1kgCO2/kg，柴油为3.9 kgCO2e/kg。电不能直接测定CO2，需从供给发电的能源 (煤、柴油、天然气等)间接获得。煤的CO2排放量比天然气约多60%，中国发电用煤多，因而中国每度电的耗碳量比美国多。按West的计算方法，美国形成1度电要排放0.66kgCO2，而针对中国的国情，适于选择能法的标准，即一度电排放0.92kgCO2e/kWh。

2.2.5 人畜力

国外研究碳足迹往往忽略人力和畜力，发达国家不用畜力，当然可以不计，但人力是不能忽略的。也有少数作者在农田碳流研究中计算了人力，但只计算人劳动时呼出的CO2而没有以进食的耗能为起点进行计算，不符合LCA原则。

改进的方案:可按能量法计算，人力和畜力均以进食为起点。劳力一年工作以300天计，每天进食3 000kcal=12 600J，扣除粪便部分为836Mcal［(3 500MJ=3.5GJ=70.5kgCe=258kgCO2e)/(人·年)，或0.86kgCO2/人·天)。此数与王福军得出的每小时0.07kgCO2相近［41］。役畜1年工作以250天计，1天需饲料的能量为30Mcal，1年扣除粪便部分共为21GJ，折1 586kgCO2kg/(头·年)，折6.34kgCO2e/(头·天)］。

2.2.6 厩肥

美国很少使用有机肥，因而也不予以计入，但中国厩肥仍是许多地区的重要肥源。计算的方法:⑴直接测定施用厩肥中的能量或碳量;⑵以牲畜存栏数推算厩肥量。按能量法，畜禽1年排出的粪便中的有机质折能为:马牛、羊、猪、鸡鸭一年每只相应为2503Mcal、262Mcal、480Mcal、8Mcal，折排出CO2相应为2.1、0.22、0.41、0.007kgCO2/(只·年)。

2.2.7 种子

繁殖种子比一般作物生产要额外增加一些资源的投入，如土地、肥料、农药、灌溉、人工等，因此种子的碳耗除了本身所含的能量或碳量外，应再乘上繁育种子过程中额外投入的碳耗系数。

2.2.8 土壤有机碳 (SOC)

生物量中的非经济产量部分 (秸秆残茬根系等)还田后，其中有极少量的碳转化为土壤腐殖质碳，与此同时，在土壤中还进行着腐殖质的分解而排出CO2，两者相抵，就是土壤有机碳变化量 (土壤腐殖质含C为58%)。刘巽浩等试验得出，在中国多数农田土壤中，土壤腐殖质变化幅度极少，在每年大量秸秆还田条件下，一般只有土壤腐殖质含量的0.01%左右［42］，因此在短期试验中，土壤腐殖质变化可忽略不计。

2.2.9 土壤温室气体 (GHG)排放

相关的GHG变化包括 (1)CO2:土壤排放的CO2主要来自还田的秸秆 (包括根系)逐步经微生物分解而排出CO2。据农业部委托的全国南北8地联合试验研究得出，在秸秆还田的10年期间，平均有97%的有机碳经微生物分解转化为CO2而从土壤中逸出，只有3%碳转化为土壤腐殖质的碳［42］。如果在作物收获同时，全部秸秆归还农田，则可将NPP中秸秆的固碳量和土壤CO2排出量相抵消而不计。如果秸秆只部分还田，则应同时计算其出与入的CO2值 (干秸秆含C为40%)。

(2)N2O:据研究，土壤排出N2O量与氮肥量密切相关。据IPCC(2006)，每千克氮肥约排出0.01kgN2O-N，据 Rochette［43］在加拿大不同土壤研究得出，平均每千克 N 肥产生0.008kgN2O-N［43］，而Gan的数字是0.004-0.012kgN2O-N［44］。据IPCC，单位N2O的增暖潜势甚高，为CO2的298倍。果真如此，若以0.008kgN2O-N/kgN肥计，等于每千克氮肥产生2.38kgCO2e。

(3)CH4:这是特殊问题，一般旱地产生CH4微少，可忽略不计。稻田CH4是温室气体的重要来源之一。单位CH4的增暖潜势相当于CO2的21～25倍。1990年，IPCC第一次提出全球甲烷排放量为1.1亿t，其中中国为0.3亿t［45］，但经中国科学院南京土壤所的蔡祖聪［26］和颜晓元等［45］的研究，指出IPCC夸大了这个数字。蔡祖聪得出，中国稻田排放CH4数据应少于IPCC的1/3，颜晓元制作了世界甲烷地图，其得出的中国稻田共计排放CH4为世界普遍采用数字的1/4，折合约750万t。中国科学家的研究纠正了IPCC夸大的估算量。随后，IPCC将全球甲烷排放量修正为0.6亿t［26］。尽管如此，稻田排放CH4仍是一个重大隐患，缓解的措施有烤田、避免秸秆还田于淹水季节等措施。

为简便计，以上3项，在实际操作时可视情况而定。短期的田间试验，土壤腐殖质变化很少，可考虑忽略之;排出的CO2、N2O、CH4可在田间测定。非水田的旱作CH4可忽略之。农田排出N2O数量虽少，它的增温潜势极大，不可忽视。

2.2.10 净初级生产率 (NPP)

绿色植物通过光合作用从空气中吸收CO2减去呼吸作用呼出的CO2，得出净光合产物，即指净初级生产率 (NPP)，包括经济产量 (籽粒)和秸秆 (包括根系等)。这一项是农田系统碳足迹的最重要一环，数据获得甚为简便，但许多研究却因此项缺失而前功尽弃，West等的半环法的误区就在于此。

测定NPP方法:(1)直接测收获物的碳量;(2)将收获物的重量折能量与碳量。按能量法，一般禾本科作物籽粒折1.18kgCO2/kg，大豆折1.53kgCO2/kg，秸秆折1.0kgCO2/kg。

2.2.11 碳效率

在选用适当的路径、方法、指标体系基础上，结合研究对象的实际，进行必要调查研究、资料分析、数字运算。最后，将产生的数据进行分析，并得出结论。农田生态系统碳流的效率可用以下方式表示。

(1)以温室气体净增减量表示。如公式 (1)、(2)所示，农田生态系统碳足迹的最终结果，要看该研究项目对空气中温室气体 (GHG)的净增减效应，负数说明减少了空气中的温室气体，反之亦然。

(2)以碳流的效率表示 (表4)。

总固碳/总耗碳比:这是最重要的指标，比值＞1为正，＜1为负。正比数越大，说明对空气中温室气体的贡献越少，反之说明增加温室气体越多。

籽粒固碳/籽粒耗碳比:这是在农田作物收获同时将秸秆全部回田情况下的固碳与耗碳比。

总耗碳/kg籽粒:表示形成1kg籽粒产量的耗碳数，是反映碳效率的一个实用指标。

有机耗碳/无机耗碳比、有机质耗碳/总耗碳比:反映有机投入与无机投入间的比例关系。

化合物耗碳/总耗碳比、化合物耗碳/机电油耗碳比:表示化学物品在耗碳中的比重。

劳畜力耗碳/总耗碳比:表示劳畜力在耗碳中的比重。

2.2.12 改进方案的验证

上文讨论了现有农田足迹法的进展，肯定了前人许多有成效的贡献及其初步形成的碳足迹研究路径与框架。同时，也对存在的主要问题与误区提出商榷，对现有农田碳足迹路径、指标、参数进行了比较、筛选与适当改进。主要是指出当前流行的半环式路径存在着重大隐患，从理论上强调了植物 (包括一年生和多年生植物)具有碳汇与碳库、固碳与耗碳的双重性;论证了全环式与半环式的利弊，从而在方法上确定全环式碳足迹路径;力求指标体系完整化、本地化和逻辑起点一致，强化了农田的间接碳投入;在比较现有几种主要指标体系基础上，将各种来源数值折合成可比较的CO2当量 (CO2e);尝试着对有关指标和参数进行选择性吸收、补充、修改并初步形成改进后的完整体系。

为了验证并进一步改善上述有关碳足迹研究的路径、方法、指标与参数等形成的改进体系，也为了研究中国农田碳流效率的实际问题，剖析了两个典例:一是从宏观角度分析了中国历年农田碳流的动向、效率及其对空气中温室气体平衡的影响，二是以新疆伊宁和山东滕州的小麦、玉米为案例，从微观角度探讨了当代集约农业的碳效率。

通过两案例验证显示:第一，上述两种案例选用的方法指标的特点是:(1)全环式碳流路径，它反映了农田系统碳足迹的本来面目;(2)经过补充修改的指标体系基本完整化，适用于中国的实际情况;⑶边界与逻辑起点大体一致，改正了偏重化合物耗碳轻机械耗碳的弊病;(4)努力尊重客观事实，不以某个学派的观点而强化主观性。

第二，无论是整体性全国性的宏观研究还是微观性的单项措施研究，上述选择性吸收并改进后的农田碳足迹改进方案基本上是可行的。参数的选用要看研究对象的具体情况而定，表中引用的参数大体上可供参考应用 (表1、表2和表3)。

第三，改进方案中的方法指标参数仍需进一步完善。(1)有些指标参数采集困难，一些参数来源样本少、准确性与科学性不足。(2)有的数据设定仍带有主观性与作者视野的局限性。(3)指标体系与参数仍显粗糙，如某些N2O、CH4排放被忽略或遗漏。应针对不同研究对象的需要加以细化。(4)很多指标参数仍引自国外资料，结合本国本地实情不足。

需要强调的是，农业涉及面十分复杂，它是多目标、多层次的生态经济技术系统，当前热门的碳足迹研究就像当年热门研究能流一样，只是研究农业的一种角度，可为农业决策提供一种思路参考，但不能绝对化。例如，尽管当前全中国农田平均和两个高产案例的农田系统的碳足迹均呈正平衡 (见下文)，但这并不足以说明中国农业系统可以高枕无忧了。当前中国农作单位规模甚小，土地生产力虽高，但劳动生产率甚低，农民收入甚低，农业现代化水平甚低，有待于进一步大幅度的改变与改善。