玉米花生宽幅间作碳足迹初探

邹晓霞，张 巧，张晓军，王月福，王铭伦*

(1. 青岛农业大学山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109； 2. 高唐县农业局，山东 高唐 252800)

玉米花生宽幅间作碳足迹初探

邹晓霞1，张 巧2，张晓军1，王月福1，王铭伦1*

(1. 青岛农业大学山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109； 2. 高唐县农业局，山东 高唐 252800)

为明确玉米花生宽幅间作农田碳足迹，探索有效途径实现低碳与高效的协同效益，依据全生命周期评价分析原理，建立农田碳排放核算模型，设置农用物资(种子、肥料、农药、地膜)投入、农机能耗(耕地、播种、灌溉、收获)、秸秆处理及氮肥施用导致的田间N2O直接和间接排放四个模块，估算山东聊城地区典型玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作与传统玉米单作、花生单作单位面积和单位产值的碳足迹差异。结果表明，3∶4和3∶6间作模式单位面积碳排放分别为3782.44kg CO2e/hm2和3829.94kg CO2e/hm2，均低于花生单作的3930.64kg CO2e/hm2、高于玉米单作的1361.38kg CO2e/hm2；二种间作模式的温室气体排放主要来自肥料(包括肥料生产、氮肥施用导致的田间N2O排放)和地膜，3∶4模式下占总排放的60.09%，3∶6模式下占60.54%；3∶4模式单位净产值的碳排放强度为0.197 kg CO2e/元，高于花生单作(0.179kg CO2e/元)和玉米单作(0.154kg CO2e/元)，3∶6模式为0.177 kg CO2e/元，低于花生单作，但若能避免玉米条带的重复施肥和冗余翻耕，二种间作模式单位产值的碳排放强度将低于玉米和花生单作。玉米花生宽幅间作不仅提高土地产出率和资源利用率，而且具有显著的经济效益和生态效益。

玉米花生宽幅间作；碳足迹；生命周期评价；低碳高效农业

农业生产是重要的温室气体排放源[1]，但农业较其他产业，碳减排具有较强的正外部效应，在减少温室气体排放减缓温室效应的同时，往往还意味着土壤肥力的提高、结构的改良和农业环境品质的改善[2]，而这些正外部效应对推进我国农业的健康可持续发展大有裨益[3]。因此，提高农业生产效率，将农业现代化与农业低碳化发展相结合是中国农业改革的重要内容[4]，而采取有效种植模式及耕作措施减少农田温室气体排放是农业生产中亟待解决的难题。

合理的种间配置可以提高资源利用效率，降低作物生产的环境风险，达到资源节约及减排增效目的[5]。近年来，玉米花生间作在黄淮海及四川等地有较快发展[6-7]，玉米花生宽幅间作能充分发挥作物边际效应和花生生物固氮的双重优势，有效缓解粮油争地和人畜争粮等矛盾，符合粮经饲协调发展的国家需求，能较好地解决小麦—玉米一年两熟单一种植模式造成的土壤板结、地力下降等问题。玉米花生间作较传统单作可提高土壤酶活性[8]、改善花生铁营养状况[9-10]、提高间作体系氮、磷效益[11-12]、提高农田光能利用[7,13]，在西北多风沙地区还能减少土壤风蚀，达到蓄水保墒的显著效果[14]，有较高的土地产出率和经济收益[7-8,15]。

碳足迹(Carbon footprint, CF)是指某项活动或某产品的生命阶段直接和间接的温室气体排放总量[16]，定量研究作物生产碳足迹，可为低碳绿色农业发展提供参考。小麦[17-19]、玉米[17-19]、棉花[20]等作物单作均有碳足迹研究案例，但玉米花生宽幅间作种植模式的碳足迹未见研究报道。而玉米花生宽幅间作作为一种高效种植模式应用的同时，也面临高效与低碳如何协调的挑战。因此，本文依据全生命周期原理，构建玉米花生宽幅间作模式生命周期碳足迹模型，估算玉米花生3∶4和3∶6 二种典型宽幅间作模式下农田碳足迹，并与花生、玉米单作种植比较，以明确主要生产环节的碳足迹，为有效改善生产管理方式、实现间作模式高效与低碳的协同效益提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况及数据来源

研究区为山东省聊城市高唐县梁村镇玉米花生宽幅间作示范田(36°58′N，116°14′E)，该区地处暖温带半干旱季风区域，属大陆性气候，季节季风变化显著，平均气温13.3 ℃，光照充足，降水量540.4 mm，一般集中在7-8月。选取当地典型玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作(图1)为研究对象，调查收集农业生产信息资料，包括农用物资(种子、肥料、农药、地膜)投入、农机使用及能耗情况、秸秆处理方式等。

图1 玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作模式Fig. 1 3∶4 and 3∶6 maize-peanut wide-band intercropping patterns

1.2 碳足迹核算边界

文中碳足迹的核算的基线情景包括：花生单作模式和玉米单作模式；项目情景包括：玉米花生3∶4宽幅间作和玉米花生3∶6宽幅间作。边界内碳排放核算包括下述四个板块：① 农用物资(包括种子、肥料、农药、地膜)投入碳排放；② 农机耗能(包括耕地、播种、灌溉、收获)导致的碳排放；③ 秸秆还田造成的碳排放；④ 氮肥施用导致的田间N2O直接和间接排放(图2)。所有模块的核算均采用调研数据的平均值，以单位面积(公顷)为核算基础。

图2 玉米花生宽幅间作模式碳足迹核算边界 Fig. 2 System boundary for calculating carbon footprint of maize-peanut wide-band intercropping

1.3 碳足迹核算方法及参数确定

1.3.1 农资投入和能源消耗碳排放

农用物资(包括种子、肥料、农药、地膜)投入和农机耗能(包括耕地、播种、灌溉、收获)导致的碳排放，计算公式如下[21]：

BE=∑(EFi*Activityi)……………(1)

式中：EF为活动因子的碳排放系数(表1)；Activity为活动因子水平，如种子、肥料、农药、地膜，柴油和电力的消耗量；i为活动因子，如种子、肥料、农药、地膜，柴油和电力。

表1 主要生产环节及物资排放因子

1.3.2 秸秆还田和氮肥输入导致的碳排放

目前,高血压已经成为威胁我国居民身体健康的慢性疾病之一,若血压水平控制不当,则会导致脑卒中、冠心病等严重并发症,极大威胁了患者的生命安全。如今,临床中尚无根治高血压的特效药物,从而造成患者需要长期服药。但如果高血压患者用药依从性差、自身护理能力不足以及生活方式不当,则会极大影响临床治疗效果[1]。所以提高对高血压患者的护理干预力度,对于提高其生活质量,改善医疗资源的合理配置具有重要的意义。本研究选择90例老年高血压患者,探讨延续性护理的效果。现报道如下。

秸秆处理环节的碳排放主要为还田过程导致的排放，在实际田间管理过程中，玉米秸秆100%还田；花生秸秆清出农田用作饲料，85%的根部还田。氮肥输入导致的田间N2O排放包括二部分：直接排放和间接排放，农用地N2O直接排放由当季氮肥输入引起，N2O间接排放源于施肥土壤的氮挥发经过大气氮沉降后引起N2O排放，以及土壤氮淋溶或径流损失进入水体而引起的N2O排放。秸秆还田和氮肥输入导致的田间N2O排放参照《省级温室气体清单编制指南》[21]进行计算。

2 结果与分析

2.1 玉米花生宽幅间作成本效益分析

玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作模式总成本投入相近，稍高于花生单作模式，约为玉米单作的2倍，与玉米单作相比，增加的成本主要为种子和土地翻耕投入，与花生单作相比，增加的成本主要为肥料投入(表2)。单作玉米采取免耕播种，单作花生播种前则需翻耕2次，而间作模式下，由于缺乏有效的分类整地机械，耕地过程玉米条带与花生条带同等处理，均翻耕2次，不但增加了翻耕成本，还增加了翻耕过程的碳排放。但若能实现分条带整地，3∶4和3∶6模式可分别减少投入425.0元/hm2和325.0元/hm2；若能避免玉米条带重复施肥，3∶4和3∶6模式可分别减少肥料投入1287.8元/hm2和984.8元/hm2。两项合计3∶4和3∶6模式可分别降低成本1739.8元/hm2和1309.8元/hm2。

四种模式中，3∶4和3∶6模式净收益分别为19156.8元/hm2和21559.3元/hm2(表3)，较花生单作分别减少25.09%和15.70%，而较玉米单作则分别提高151.20%和182.71%，间作模式的净收益主要来自于花生。若按上所述再降低间作模式的翻耕和施肥投入，3∶4和3∶6模式的净收益将分别达20896.6元/hm2和22869.1元/hm2。

表2 四种种植模式成本投入 (元/hm2)

表3 四种种植模式收益核算 (元/hm2)

注：玉米价格按照1.5元/kg，花生按照6.0元/kg核算总收益。

Note: The price of maize was 1.5 CNY/kg and the price of peanut was 6.0 CNY/kg.

2.2 玉米花生宽幅间作碳足迹分析

2.2.1 单位面积碳排放

玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作模式单位面积碳排放分别为3782.44kg CO2e/hm2和3829.94kg CO2e/hm2，均低于花生单作的3930.64kg CO2e/hm2，高于玉米单作的1361.38kg CO2e/hm2，二种间作模式的碳排放主要来自于花生生产的相关环节(表4)。

2.2.2 单位产值碳排放

3∶4模式单位产值碳排放最高，达0.197kg CO2e/元，3∶6模式单位产值的碳排放为0.177kg CO2e/元，低于花生单作的0.179kg CO2e/元，高于玉米单作的0.154kg CO2e/元。但若改进玉米花生间作模式的技术操作，优化耕作和施肥，3∶4和3∶6模式单位产值的碳排放可分别降为0.146kg CO2e/元和0.143kg CO2e/元(表5)，较单作玉米分别低5.48%和7.14%，较单作花生分别低18.44%和20.11%。可实现玉米花生宽幅间作高收益和低碳排放的协同效益。

表4 四种种植模式下各生产环节单位面积碳排放 (kg/hm2，CO2e)

表5 四种种植模式单位产值碳排放 (kg CO2e/元)

图3 四种模式下各生产环节碳排放贡献率Fig.3 Contribution rate of each production component under 4 planting patterns

2.2.3 碳足迹构成分析

分析四种种植模式各生产环节的碳排放贡献率发现，二种间作模式的碳排放主要来自肥料(包括肥料投入、施肥导致的田间N2O直接和间接排放)和地膜投入，3∶4和3∶6模式下分别占总排放量的60.09%和60.54%；玉米单作的碳排放主要来自肥料(包括肥料投入、施肥导致的田间N2O直接和间接排放)和灌溉耗能，两者占总排放量的66.53%；花生单作的碳排放主要来源同二种间作模式，占总排放量的62.77%(图3)。

3 讨 论

前人研究表明，施肥与灌溉是农田碳排放的主要来源[18-20]。在本研究所涉及的4种种植模式中，施肥同样是碳排放的最主要来源。虽然化肥对我国粮食增产的贡献率可达40%左右[25]，但主要农作物单位面积化肥施用量普遍偏高，氮肥和磷肥当季利用率仅35%和10%～25%[26]。化肥的过量及不合理施用不仅造成严重的资源浪费，且土壤盈余的养分在降雨或灌溉条件下易随水流失，造成大气污染和地下水体富营养化等环境问题[27-28]。因此，通过有效方式，如精准施肥[29]、新型缓/控释肥[30]、硝化抑制剂[31-32]等，提高肥料利用率，降低肥料投入，可降低作物生产过程中的碳排放，改善生态环境质量。

玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作模式60%以上的碳排放来自肥料和地膜投入，然而存在施肥不当造成过度排放问题。调查发现，二种间作模式施肥包括两个方面：一是整地过程全田范围撒施有机肥+花生专用肥(同花生单作模式)，二是玉米播种时随播种施入玉米专用肥(同玉米单作模式)，间作模式在玉米条带较玉米单作多施入了花生肥，在一定程度上既造成肥料浪费，又增加了田间温室气体排放。经核算，多施入的肥料，在3∶4和3∶6模式下可分别造成碳排放637.5 kg CO2e/hm2和487.5 kg CO2e/hm2，占其当前肥料总排放的34.88%和27.85%。二种间作模式下，地膜的碳排放仅次于肥料，3∶4和3∶6模式下分别占总排放的17.32%和20.08%，而且地膜残留对土壤质量、作物生长及环境均造成严重的负面影响[33-34]。因此，若能采取有效措施进行残膜回收并再利用，或研发新型可降解地膜[35]、液态地膜[36]及其他地膜替代品，将有助于降低残膜污染，提高花生秸秆的饲料化利用率，对同步实现稳粮、优经、扩饲，低碳绿色农业有积极作用。

由于当前农机条件的限制，二种间作模式在农机使用方面较单作存在较严重的无效损耗，即整地过程玉米条带的冗余翻耕，造成3∶4和3∶6模式碳增排101.55kg CO2e/hm2和77.66kg CO2e/hm2。若能通过田间管理方式改进或开发配套的玉米花生间作一体化机械，实现玉米和花生条带的分块整地、施肥、播种和收获，降低间作模式下的成本投入和碳排放，二种间作模式单位产值的碳排放均将低于花生和玉米单作。可见二种间作模式在当前技术条件下虽然土地产出率和经济效益较高，但随着间作技术体系的不断完善，在不减少土地产出的前提下，减少投入和碳排放的潜力很大。加之，玉米花生间作相对于传统单作可以提高土壤养分[9-12]和自然资源[7,13]的利用率，具备较高的生态[14]和经济效益[7-8,15]，符合稳粮、优经、扩饲的要求，符合优化供给、提质增效、农民增收的农业供给侧结构性改革目标[25]。

4 结 论

玉米花生3∶4和3∶6宽幅间作模式单位面积碳排放均低于花生单作，而高于玉米单作，主要来自肥料和地膜投入。3∶4模式单位产值碳排放高于花生单作和玉米单作，3∶6模式低于花生单作、高于玉米单作；若能避免玉米条带的重复施肥和冗余翻耕，二种间作模式单位产值碳排放将均低于花生和玉米单作。实践表明，玉米花生宽幅间作模式具有较高的经济效益和社会效益，同时具有良好的生态可行性。随着间作模式技术体系的进一步完善，间作模式的土地产出率和资源利用率将更高，碳排放将更少，更符合农业绿色发展和农业供给侧结构性改革的要求，具有广阔的应用前景。

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CarbonFootprintAnalysisonMaize-peanutWide-bandIntercropping

ZOU Xiao-xia1, ZHANG Qiao2, ZHANG Xiao-jun1, WANG Yue-fu1, WANG Ming-lun1*

(1.ShandongKeyLab.ofDrylandFarmingTechnology,QingdaoAgriculturalUniversity,Qingdao266109,China; 2.AgriculturalBureauofGaotang,Gaotang252800,China)

In order to make clear the carbon footprint of maize-peanut wide-band intercropping and realize its synergistic effect of low carbon and high efficiency, based on life cycle assessment, this paper established a carbon emission accounting model and set 4 modules, including agricultural input (seeds, fertilizers, pesticides and plastic film), agricultural energy consumption (plough, seeding, irrigation and reaping), straw treatment and N2O direct and indirect emissions from nitrogen fertilizer application. The carbon footprint of per unit area and net income under typical 3∶4 and 3∶6 intercropping patterns in Liaocheng Shandong were calculated. This study found that the carbon emissions of per unit area under 3∶4 and 3∶6 intercropping patterns were 3782.44kg CO2e/ha and 3829.94kg CO2e/ha separately, both were lower than peanut-only (3930.64kg CO2e/ha) and higher than maize-only (1361.38kg CO2e/ha) . The greenhouse gas emissions of 2 intercropping patterns were mainly from fertilizer (including fertilizer production and N2O direct and indirect emissions from nitrogen fertilizer application) and plastic film, which accounted for 60.09% of total emissions under 3∶4 pattern and 60.54% under 3∶6 pattern. The carbon emission of per unit net income under 3∶4 pattern was 0.197kg CO2e/CNY, which was higher than that of peanut-only (0.179kg CO2e/CNY) and maize-only (0.154kgCO2e/CNY), and the carbon emission of per unit net income under 3∶6 pattern was 0.177kg CO2e/CNY, which was lower than peanut-only. But if the repeated fertilization and redundant tillage can be avoided, the carbon emission of per unit net income under 2 intercropping patterns would be lower than maize-only and peanut-only. The maize-peanut wide-band intercropping can not only increase the land output and resource utilization, but also has remarkable economic and ecological benefits.

maize-peanut wide-band intercropping; carbon footprint; life cycle assessment; low-carbon and high-efficiency agriculture

10.14001/j.issn.1002-4093.2017.02.002

S565.2047; S344.2

A

2017-04-21

科技部 “十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD11B04)；国家花生产业技术体系建设专项(CARS-14-东北区栽培)；山东省高校优秀科研创新团队建设项目(6212n2)；山东省现代农业产业技术体系花生产业创新团队建设项目(SDAIT-04-05)；中国清洁发展机制基金赠款项目(2013087)

邹晓霞(1985-)，女，山东莱阳人，青岛农业大学讲师，博士，主要从事花生栽培与生态研究。

*通讯作者：王铭伦(1958-)，男，教授，主要从事花生栽培理论与技术研究。E-mail: mlwang@qau.edu.cn