水稻生产系统固碳能力与碳足迹研究
——以湖南省为例

2015-03-24 01:17郑华斌刘建霞李静怡
作物研究 2015年3期
关键词:中稻晚稻早稻

路 壹,黄 璜,郑华斌,姚 林,贺 慧,刘建霞,李静怡

(1 湖南农业大学生物科学与技术学院,长沙 410128; 2 南方粮油作物协同创新中心,长沙 410128; 3 湖南农业大学农学院,长沙 410128)

水稻生产系统固碳能力与碳足迹研究
——以湖南省为例

路 壹1,2,黄 璜2,3,郑华斌2,3,姚 林1,2,贺 慧1,2,刘建霞1,2,李静怡2,3

(1 湖南农业大学生物科学与技术学院,长沙 410128; 2 南方粮油作物协同创新中心,长沙 410128; 3 湖南农业大学农学院,长沙 410128)

运用生态经济学原理,对湖南省典型水稻生产系统的固碳能力与碳足迹进行系统分析和比较。结果表明:早稻、中稻和晚稻生产系统固碳能力分别为3 901.7、5 375.2、4 852.3 kgC/hm2,3个水稻生产系统每生产1 kg的经济产量相当于固定0.61、0.67、0.65 kgC。早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹分别为0.172、0.133、0.139 kgCO2equi./kg。早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹以化肥最大,其次是电力和柴油的碳足迹。

水稻;固碳能力;碳足迹;稻田;湖南

伴随着矿物燃料的大量使用和森林大火,大气中的二氧化碳(CO2)浓度或将增加至400 mg/L,是全球气候变暖最主要的原因,进一步导致全球降水量增加和极端气候事件增多。因此,人为减少CO2的排放量和增加CO2的固定量,以期减缓和降低CO2浓度,有利于保护全球气候和生态环境,其中,增加生态系统中的碳固定量被《京都议定书》(Kyoto Protocol)认可为有效的减缓和降低大气中CO2排放的技术措施之一。农田生态系统中的固碳减排自20世纪80年代以来一直是研究热点。Cole[1]估计未来50~100年里全世界的农田生态系统可固碳量为20~30 Pg(1 Pg=103Tg=1015g);赵荣欣和秦明周[2]研究表明,中国沿海地区的农田生态系统的碳固定总量为22 482.4万吨;韩冰等[3]对我国农田生态系统中的农田土壤固碳潜力进行了测算,认为我国农业措施的每年固碳潜力为182.1 Tg。

水稻生产系统是我国重要的农田生态系统。湖南省2013年水稻总产量和播种面积分别为2 631.63万吨和4 095 khm2,均居我国第一,在我国水稻种植省份中具有代表性。因此,研究湖南省典型水稻生态系统的固碳能力和碳足迹,有利于制定湖南省水稻生产系统的生态补偿建议,促进湖南省乃至全国水稻产业的健康发展。

1 材料与方法

1.1 数据收集

将水稻生产系统按生产季节分为早稻、中稻(一季稻)、晚稻3种生产系统,水稻生产成本分为若干部分,包括化肥、农药、电力、柴油、种子、农膜等,所需数据来源于前人已公开发表的研究成果。同时,所需的早稻、中稻和晚稻的播种面积和产量来源于《湖南省农村统计年鉴》。

1.2 计算方法

1.2.1 固碳能力的计算

以NEP表示农田生态系统中的净碳库变化:

NEP=NPP-Rs

(1)

式中:NPP为作物净初级生产力,Rs为土壤微生物异养呼吸。

NPP包括籽粒、秸秆、根和根分泌物。由于根分泌物较少,忽略不计。经济产量含C量(CG)的计算公式:CG=M×(1-w)×0.45;秸秆含C量(CS)的计算公式为:CS=CG/H-CG;根含C量(CR)的计算公式:CR=(CG+CS)×R;总生物量中的含C量(CNPP)的计算公式:CNPP=CG+CS+CR。其中,CG、CS、CR和CNPP分别为经济产量、秸秆产量、根量和总生物量中的含C量,单位为kgC/hm2;M为经济产量,0.45为生物量与含C量的转化系数[4],单位是kg,w为经济产量的含水量,H为收获系数,R为根冠比系数,分别取14%、0.52和0.18。

土壤呼吸主要包括根呼吸和异养呼吸(Rs)两个过程。Rs占土壤呼吸的比例通常在10%~90%[5]。该指标通过直接测量裸地上的CO2排放量,或者通过下层放置微气孔袋的土表上测量CO2的排放量来获得的。

1.2.2 碳足迹计算

碳足迹公式:

(2)

式中:E为产品碳足迹,Qi为物质或活动的数量或强度数据(质量/体积/km/kW·h),Ci为单位碳排放因子(每个单位的CO2当量,简称kgCO2equi.),具体转化系数详见表1。

表1 不同物质的单位碳排放因子[6]

2 结果与分析

2.1 水稻生产系统的固碳能力

早稻、中稻和晚稻生产系统的产量数据来源于两个途径,即已公开发表的科研论文和2012年不同生产季节的统计数据。从表2可知,科研论文公开的早稻、中稻和晚稻生产系统产量分别比统计数据高20.2%、26.5%和39.3%。以产量为基础,分别计算出CG、CS、CR和CNPP。早稻、中稻和晚稻生产系统的总生物量中的含C量分别为5 588.9(5 075.1,6 102.6)、7 062.3(6 236.0,7 888.5)、6 539.5 kgC/hm2(5 465.0,7 613.9 kgC/hm2)。本文假设湖南省稻区的土壤微生物异氧呼吸为1 687.1 kgC/hm2,最终获得单位面积的早稻、中稻和晚稻生产系统固碳能力,分别为3 901.7(3 387.9,4 415.5)、5 375.2(4 548.9,6 201.4)、4 852.3 kgC/hm2(3 777.9,5 926.8 kgC/hm2)。3个系统每生产1 kg的干物质相当于固定0.61(0.59,0.64)、0.67(0.64,0.69)、0.65 kgC(0.61,0.68 kgC)。

表2 湖南省典型水稻生产系统的固碳能力

2.2 水稻生产系统的碳足迹

由表3可知,水稻生产过程投入的生产资料包括化肥、农药、电力、柴油、种子和农膜等6大项10小项,早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹分别为9.94E+02、7.53E+02、9.41E+02 kgCO2equi./hm2。以统计年鉴获取的产量数据为基础,计算得出不同水稻生产系统每生产1 kg稻谷所产生的碳足迹,早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹分别为1.72E-01、1.33E-01、1.39E-01 kgCO2equi./kg。从湖南省典型水稻生产系统碳足迹因子构成来看(图1),早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹以化肥最大,分别占整个生产系统碳足迹的50%、58%和53%,其中又以氮肥的碳足迹最大,所占比例超过30%,其次是电力和柴油的碳足迹,两者之和分别占整个生产系统碳足迹的35%、37%和40%。

表3 湖南省典型水稻生产系统的碳足迹

注:a.估计值。b.整地工序共消耗49.1 L/hm2柴油,其中耕地采用铧式犁深翻1次耗油16.05 L、重型圆盘耙耙地1次耗油6.17 L、旋耕1次耗油14.17 L、泡水后水田平整1次耗油11.47 L、其他作业(开沟、做埂、施肥等)1.24 L;收割工序共消耗31.4 L/hm2柴油,主要用于水稻机械收割作业、秸秆粉碎全量还田等。

图1 湖南典型水稻生产系统的碳足迹因子构成

3 讨论

根据栽培季节的气候条件差异,将湖南省水稻生产系统分为早稻、中稻和晚稻3种生产系统,进而也造成3种生产系统的产量差异,以光热资源最好的中稻产量最高,其次为晚稻和早稻。本文以科研论文和统计数据的产量进行对比计算,以科研论文的产量为基础计算的3种生产系统固碳能力(NEP)分别比以统计数据产量为基础的高30.3%、36.3%和56.9%,因此,通过农业管理措施(如:耕作、施肥和灌溉等)的优化,湖南省水稻生产系统的NEP还有进一步提高的空间。

碳足迹能准确的反映单位面积作物生产所有投入物质的碳量(折算)和构成。通过计算3种生产系统的碳足迹清单来看,化肥的碳足迹最大,其比例都超过了50%,而化肥中又以氮肥的碳足迹最大,间接说明湖南省水稻生产系统有可能过度依赖氮肥的施用,而在有机肥化肥配施、秸秆还田和绿肥还田培肥地力方面还需进一步加强。其次是电力和柴油,但是电力的单位碳排放因子要比柴油高,可能的原因是由于中国过去的60年里,煤炭火力发电是我国主要发电形式之一,排放了大量的CO2。然而,随着水力发电和清洁能源的比例增加,电力的单位碳排放因子应进一步修正,以期正确的反应水稻生产过程中的碳足迹及其构成。

4 结论

(1) 早稻、中稻和晚稻生产系统固碳能力分别为3 901.7、5 375.2、4 852.3 kgC/hm2,3个水稻生产系统每生产1 kg的干物质相当于固定0.61、0.67、0.65 kgC。

(2) 早稻、中稻和晚稻生产系统的生产资料碳足迹分别为0.172、0.133、0.139 kgCO2equi./kg,3个水稻生产系统的生产资料碳足迹都以化肥最大,其次是电力和柴油的碳足迹。

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Evaluation of the Carbon Sequestration Capacity and Carbon Footprints in the Rice Production Systems——A Case of Hunan Province

LU Yi1,2,HUANG Huang2,3,ZHENG Hua-bin2,3,YAO Lin1,2,HE Hui1,2,LIU Jian-xia1,2,LI Jin-yi2,3

(1 College of Bio-science & Technology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128,China;2 Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in South China,Changsha,Hunan 410128,China;3 College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan 410128,China)

The carbon sequestration and carbon footprint in the typical rice production system in Hunan province were analyzed and compared by the principle of ecological economics.The results showed that carbon sequestration capacity of early rice,middle-season rice and late rice production system were 3 901.7,5 375.2,4 852.3 kg C/hm2,respectively.1 kg economic yield in three rice production systems were equivalent to fix 0.65,0.67,0.61 kg C,respectively.Carbon footprints of production materials in the early rice,middle-season rice and late rice production system were 0.172,0.133,0.139 kgCO2equi./kg,the biggest carbon footprint among production materials in the early rice,middle-season rice and late rice production system was chemical fertilizer,followed by the electric power and diesel.

rice;carbon sequestration capacity;carbon footprints;paddy field;Hunan

2015-01-24

路 壹(1990-),男,硕士研究生。

*通信作者:黄璜,教授,Email:hh863@126.com。

S314;S511

A

1001-5280(2015)03-0240-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2015.03.05

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