新疆棉花//花生间作碳足迹研究

赵亚飞，李 强，侯献飞，司 彤，王铭伦，王月福，邹晓霞*

(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. 新疆农业科学院经济作物研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

气候变暖已成为当前国际社会面临的一个重要环境问题，该变化的主导因素之一是人类活动导致的碳排放增加[1-2]，而农业生产中的二氧化碳、氧化亚氮和甲烷等温室气体排放在全球气候变暖中起着重要作用[3]。但是，作为第一产业的农业相比于其他产业，在减少温室气体排放的同时，兼有提高地力、改善土壤结构和农业环境品质等效应[4]，而这些效应对促进我国农业可持续发展大有裨益[5]，如何在进一步提高农业生产效率的同时不逾越资源与环境的承载能力，是实现农业可持续发展的关键[6]。采取有效种植模式及耕作措施来减少温室气体排放是农业生产中亟待解决的问题[7]，而明确农业生产各环节的碳足迹是解决此问题的先决条件。

随着乡村振兴战略的实施，中国耕地利用转型发展成为主要趋势，其显性形态变化主要指空间结构的改变，耕地利用转型将导致农业碳排放和农作物植被碳源汇性能的重要变化，同时对农业碳排放产生重要影响[8]。合理利用不同农作物之间的生态位差别，选取适当的间套作模式，可以有效提高土地利用效率，是中国传统农业种植模式之一[9]。棉花//花生间作可以作为一种提高土地利用率、改善土壤养分的耕作方式，其不仅可以提高作物产量，而且具有较高的经济效益和生态效益[10-12]，研究发现，棉花//花生间作可以相互提供所需养分，且不会产生竞争现象[13]，有利于肥料的合理运筹，经济高效[14]，花生可以为棉花提供自身所固定的氮，棉花可以为花生提供自身活化土壤中的磷[15]，棉花//花生间作时，花生促进了棉花的养分吸收，或者说棉花的竞争性相对较强，整体表现为经济效益有所提高[16]。

碳足迹(carbon footprint，CF)是对人为干扰引起的CO2排放量的度量[17]，在低碳农业发展中，对碳足迹的研究可作为指标进行参考。当前国内在玉米[18-20]、小麦[18-20]、棉花[21]等作物上均有对碳足迹的研究，但棉花//花生间作生产相关过程未见研究报道。因此，本文根据两种作物生命周期特征，构建了棉花//花生间作碳足迹模型，计算棉花//花生等幅间作模式下农田碳足迹，并与花生单作、棉花单作两种常规种植方式相比较，明确棉花//花生间作种植模式下主要的碳足迹来源，探索高效的农田管理措施，在保障棉花//花生间作种植模式具有高效益的同时，可以降低农田的温室气体排放，从而为实现经济与生态的协同效益提供理论依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况及数据来源

新疆作为我国棉花主产区之一，2017年种植面积达到1963.1 hm2，占全国棉花种植面积的80%，居全国第一位，总产408.2万t，居全国第一位。本文以新疆维吾尔自治区喀什地区疏勒县(38°50′～39°28′N，75°57′～76°55′E)棉花、花生种植田为对象开展研究，该地区属暖温带大陆性干旱型气候，四季分明，日照长，降水少，蒸发强；年平均气温11.8℃，1月平均气温-6.5℃，7月平均气温25.8℃。

选取当地典型棉花//花生间作、棉花单作、花生单作三种种植模式，调查收集各种植模式下的农业生产信息资料，包括秸秆还田、农资投入、氮肥施用、农机使用及能耗情况等。

1.2 碳足迹核算边界

文中碳足迹核算的基线情景包括：花生单作模式和棉花单作模式；项目情景包括：棉花//花生等幅间作。边界内碳排放核算包括下述4个板块：①农资投入(包括种子、肥料、农药、地膜等)碳排放；②农机耗能(包括耕地、播种、收获、灌溉)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排放(图1)。所有模块的核算均采用单位面积(hm2)数据。碳足迹核算方法及参数确定参见文献[22]。

2 结果与分析

2.1 棉花//花生间作成本效益

表1可见，三种种植模式总投入成本相比较而言，花生单作>棉花//花生间作>棉花单作。统计发现种子占花生生产环节中总投入成本比重最高，而棉花生产环节人工的投入占总投入成本比重最高。三种种植模式中棉花//花生间作的净收益最高，约为棉花单作的1.4倍、花生单作的1.2倍。

表1 棉花//花生间作成本效益核算(元/hm2)

图1 棉花//花生宽幅间作模式碳足迹核算边界 Fig.1 System boundary for carbon footprint of cotton-peanut intercropping

2.2 棉花//花生间作种植模式碳足迹

2.2.1 单位面积碳足迹核算

图2可见，棉花生产过程单位面积碳排放量最高，为5479.9kg CO2-eq/hm2，花生次之，为5089.7kg CO2-eq/hm2，棉花//花生间作最低，为4878.4kg CO2-eq/hm2。棉花//花生间作单位面积碳排放量比棉花单作低11.0%，比花生单作低4.1%。三种种植模式的碳排放均主要来自施肥和地膜使用。

2.2.2 单位产值碳排放

图3可见，就单作种植模式而言，棉花单作生产环节单位净产值碳排放最高，为0.6kg CO2-eq/元，花生次之，为0.5kg CO2-eq/元，棉花//花生间作最低，为0.4kg CO2-eq/元，即在获得相同经济效益的情况下，棉花//花生间作生产环节产生的碳排放量比棉花低33.3%，比花生低20.0%。

图3 不同种植模式单位净产值碳排放 Fig.3 Carbon emissions per unit output value of different cropping patterns

图4 不同种植模式碳足迹构成 Fig.4 Composition of carbon footprint in different planting patterns

2.2.3 碳足迹构成

图4可看出，3种种植模式生产过程中的碳排放主要来自施肥过程(包括施用肥料、施肥后田间N2O排放)导致的碳排放量，其在棉花生产过程占44.0%，在花生生产过程中占37.0%，在棉花//花生间作生产过程中占38.0%；其次是来自地膜投入导致的碳排放，其在棉花生产过程占29.0%，在花生生产过程占31.0%，在棉花//花生间作生产过程占32.0%，另外，生产过程中来自农机的碳排放量也不容忽视，其在棉花生产过程占18.0%，在花生生产过程占18.0%，在棉花//花生间作生产过程占20.0%。

3 讨论

棉花//花生间作的净收益是棉花单作的1.4倍、花生单作的1.2倍(表1)，单位面积碳排放均低于棉花单作、花生单作(图2)，由此可见，与棉花、花生单作比较，棉花//花生间作可以提高收益的同时降低单位面积碳排放量，对实现低碳生产，保障粮食、油脂与饲草安全，提高生态、环境、经济效益有重大意义。相关研究表明，施肥导致农田温室气体过量排放[19,21]，尤其是农田中施用氮肥，占总排放的44%～79%[23]。本研究发现，棉花//花生间作生产过程中来自肥料(包括施用肥料、施肥后田间N2O排放)的碳排放占总排放的38.0%，棉花单作生产过程占总排放的44.0%，花生单作生产过程占总排放的37.0%。农田中肥料的施用导致高强度的碳排放，其中非常重要的一个原因是肥料生产过程的高碳排放，Zhang等大量调研分析我国的化肥生产环节过程发现，温室气体排放系数以氮肥生产环节为最高，为8.20 kg CO2eq/kgN，如果采用更先进的生产技术，温室气体排放系数可降到4.7～5.8 kg CO2eq/kgN[24]，届时棉花//花生间作生产环节的碳排放将继续降低。同时，化肥的过量及不合理的使用[25]，造成环境污染，土壤污染，水污染，大气污染[26]。因此，通过合理的施肥方式，如根据土壤类型合理选择肥料，按照作物营养时期分段进行施肥，有机肥与化肥配合使用，大量元素与微量元素配合等措施，提高肥料利用效率，降低肥料的投入[27]，将大大降低农业生产过程的温室气体排放，改善生态环境质量。另外，作物生产环节来自地膜的碳排放也不容忽视，占花生单作总排放的31.0%，占棉花单作总排放的29.0%，占棉花//花生间作总排放的32.0%，仅次于肥料。王占彪等研究得出，地膜是导致棉花生产过程中温室气体排放较高的主要因素，占总排放的17.3%[21]。另外地膜的不合理使用，如地膜的残留会破坏土壤的理化性质[28]，改变作物合理的种植环境[29]，如果可以采取有效措施，如降低地膜在田间的残留率，提高适期揭膜技术[30]，或研发新型绿色地膜，降低地膜残留污染，对发展低碳绿色农业有积极作用。

4 结论

棉花//花生间作的净收益是棉花单作的1.4倍、花生单作的1.2倍，单位面积碳排放均低于棉花单作、花生单作，棉花、花生单作与棉花//花生间作相比，可以实现高产出与低碳排放的协同效益，符合绿色、高产、高效农业发展需求。同时，若能通过科学研发技术的改进，或加强田间管理措施，对降低肥料和地膜的投入，棉花//花生间作模式将有更大的减排空间。