安徽省淮北小麦-玉米全程机械化绿色丰产模式碳足迹研究

王光宇，朱丽君，张扬

（安徽省农业科学院农业经济与信息研究所，合肥 230031）

0 引言

全球气候变暖导致一系列环境问题的发生，它形成的原因之一是温室气体排放量的增加[1]。为应对和缓解气候变暖，全球应研究并制定温室气体减排目标和低碳发展战略，及相应实施规划和行动方案[2]。作物生产既是“碳汇”，也是“碳源”[3]，既受气候变化的影响，又是重要的温室气体排放源[4]，直接影响气候的变化。中国农业碳排放占全国碳排放总量的17%，是碳排放的重要来源[5]。中国作物生产温室气体排放对全球气候变化的影响不可小觑[6]。运用碳足迹对农田生态系统的温室气体排放进行研究在学术界得到了认可[7]。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[8]。农业碳足迹能够系统地评价耕作、施肥和收获等农业生产活动过程中，由人为因素引起直接和间接的碳排放总量，能够定量测算农业生产活动对温室效应的影响[9]。

发展低碳农业、在农业领域推行温室气体减排成为现阶段应对气候变化的重要措施[10]。定量研究作物生产碳足迹，已成为科研人员研究作物生产温室气体排放情况的重要部分[11]。李春喜等[12]采用田间试验方法研究不同有机物料还田和减施氮肥对小麦-玉米周年农田碳氮足迹及经济效益的影响。刘宇峰等[12]利用1993—2013 年的农业统计数据，采用生命周期法，分析中国农作物生产碳排放及碳足迹的时序变化。尚杰等[13]选取了2000—2017年山东潍坊市种植业数据，核算了种植业碳足迹，得出种植业规模对碳足迹具有抑制作用的结论。郑恒等[14]从制定发展战略、促进碳交易、创新生产技术等多个方面探索低碳农业发展模式。还有学者围绕减排机制[15]及政策措施[16]等内容开展系统研究，为研究碳排放提供理论借鉴。

安徽淮北平原种植方式常年以小麦-玉米连作为主[17]，两季作物的产前、产中和产后全生产过程都与能源消耗和温室气体排放密切关联，如化肥、农药、种子等农资投入，以及耕作、植保、灌溉和收获过程中农业机械的作业均不同程度地带来了温室气体排放。因此，本研究拟通过种植全过程农资投入和农机耗能数据的调查，采用生命周期法进行碳足迹分析，揭示淮北平原连作的两季作物生产碳排放结构，为准确而全面地评估该区域农田生态系统的碳排放，制定科学有效的减排措施，也为发展低碳农业提供参考。

1 研究材料与方法

本研究以“十三五”国家重点研发计划“安徽粮食多元种植规模化丰产增效技术集成与示范”在安徽淮北平原集成的创新模式——小麦-玉米全程机械化绿色丰产模式为研究对象，对照模式为小麦-玉米连作高产技术模式，基于实地调研的农户生产数据，利用农业碳足迹理论及研究方法，参考前人相关研究的碳排放参数，分析模式碳足迹。

1.1 模式技术要点

小麦-玉米全程机械化绿色丰产模式（创新模式）：优质强筋小麦品种+土壤培肥+旋耕施肥播种一体化（专用保持性复合肥）+重施拔节肥+机械喷防+小麦机械收获秸秆还田一体化+籽粒机收+玉米品种+板茬种肥同播（专用保持性复合肥）+热雾机防治病虫害+玉米机械收获秸秆还田一体化，适时晚收。

小麦-玉米连作高产技术模式（传统模式）：半冬偏冬高产小麦品种+旋耕+施肥（常规复合肥+拔节追尿素）+旋耕播种+一喷三防+小麦机械收获+秸秆还田+高产玉米品种+带状旋播或种肥板茬同播（常规复合肥+大喇叭口追尿素）+病虫害防治+玉米机械收获+秸秆粉碎还田+2～3年翻耕1次。

1.2 碳足迹计算的边界

本研究碳足迹分析评价以小麦、玉米连作，从小麦播种到连作玉米收获的一个完整生命周期为研究界限，核算其生产过程碳足迹，并与传统小麦-玉米连作高产技术模式对比，为有针对性地制订生产计划、改善生产管理方式，在丰产的基础上降低农田温室气体排放，实现资源节约与环境友好的目标。

本研究碳足迹计算包括（1）两季作物生产的整个生命周期中农资投入，如化肥、种子、柴油和农药等，这些投入品在生产、加工及运输过程中都直接或间接地使用了能源，相应地排放了CO2[18]；（2）生产中的各环节农事操作造成的能源消耗（如耕作、植保、播种、收获和灌溉等）带来CO2排放；（3）土壤非CO2排放（如CH4和N2O）。由于旱地氮肥的施用是一个弱的CH4汇，其量值比较低，在各国的温室气体清单中一般都不予单独计算[19]，所以在计算旱地非CO2排放中，仅计算大田温室气体N2O 排放[20]，折算成CO2当量，见折算公式(1)。

式中，298 为N2O 转换为百年尺度上相对全球增温潜力；为C与CO2的分子量比重。作者定义（1）和（2）为间接排放碳足迹，（3）为直接排放碳足迹。

1.3 碳足迹计算方法及参数设定

1.3.1 非CO2(N2O)排放计算碳足迹计算中，N2O 排放包括2 个部分，即直接排放和间接排放。直接排放是由农田当季氮输入引起的排放。输入的氮包括氮肥、粪肥和秸秆还田。间接排放包括大气氮沉降引起的N2O排放和氮淋溶径流损失引起的N2O排放。农用地N2O直接排放等于各排放过程的氮输入量乘以其相应的N2O排放因子，见公式(2)。

式中，N化肥为化肥氮（施入土壤氮肥和复合肥中的氮），N粪肥为粪肥氮，N秸秆为秸秆还田氮（包括地上秸秆还田氮和地下根氮。运用经济系数比计算小麦、玉米秸秆量，运用根冠比得根量，参照相关文献秸秆、根系含氮量计算秸秆和根还田氮），EF直接为N2O 直接排放因子。据国家发展与改革委《省级温室气体清单编制指南（试行）》中的全国各大区域农用地平均N2O 排放因子推荐值，安徽居Ⅳ区，默认值为0.0109。

农用地N2O间接排放计算见公式(3)～(5)。

式中，20%、10%为《省级温室气体清单编制指南（试行）》推荐值；0.01、0.0075为排放因子，采用IPCC《国家温室气体清单指南》的默认值。

1.3.2 CO2间接排放计算碳足迹计算间接碳排放主要指农田生产投入（如化肥、农药、灌溉用电等）和农机耗能导致的碳排放，并将其转化为CO2当量(CO2-eq)。其单位面积碳足迹计算见公式(6)。

式中，i指某一种作物在生产过程中投入的化肥、种子、农药、电力、柴油等农资产品；Costi指某种农资产品的投入量(kg/hm2或kWh/hm2)；EFi某种农资产品排放因子。本研究排放因子间接从中国本土化生命周期数据库(CLCD)中获取（表1）。CLCD是国内目前唯一可公开获得的中国本土生命周期评价(LCA)基础数据库，其数据代表了中国生产技术及市场平均水平[21]。

单位面积碳足迹计算是将CO2排放和N2O排放造成的碳足迹相加，其中CO2排放又包含农资投入和耗能引起间接排放，N2O 排放又包含直接排放和间接排放。

1.4 数据来源

本研究数据除参数参照相关文献外，其他数据来源于实际农户生产调查，调查内容包括生产资料或耗能。生产资料中氮肥、磷肥、钾肥折成纯氮、五氧化二磷、氧化钾，杀虫剂、杀菌剂、除草剂统一折成有效成分；耗能（电力、柴油）调查时如只得到投入金额（人民币数量），将人民币形式的投入数按当年的《物价年鉴》转化为耗能的投入量。

2 结果与分析

2.1 单位面积碳足迹

2.1.1 模式碳足迹数量作者在淮北粮丰工程项目区2个县，选择若干规模化经营主体的创新模式和对照模式，进行生产资料投入调查，按公式(2)～(6)分别计算小麦和玉米各因素的碳足迹，由此得模式的单位面积碳足迹，详见表2。由表2 可知，传统模式单位面积总碳足迹高于集成的创新模式2.11%，达到2159.50 kg(CO2-eq)/hm2。其中农资投入及农事操作造成的能源消耗产生碳足迹，传统模式高于集成创新模式6.30%，施肥造成的碳足迹（排放N2O折成碳当量）传统模式低于集成创新模式9.04%；从连作的作物看，传统模式中的玉米单位面积碳足迹高于创新模式中玉米的8.20%，而小麦碳足迹低于创新模式中的小麦1.78%。

2.1.2 碳足迹构成由表2 整理得图1～6。从图1～6 可知，无论是创新模式还是传统模式，单位面积碳足迹贡献序是一致的，为化肥＞N2O＞柴油＞种子＞电力＞农药，其中创新模式占比分别为53.18%、27.31%、8.24%、5.97%、4.80%、0.51%，传统模式占比分别为43.96%、24.33%、18.40%、8.13%、4.70%、0.48%。模式内作物间各因子碳足迹贡献序稍有不同，但总体是化肥贡献最大，农药贡献最小。创新模式小麦单位面积碳足迹贡献序为化肥＞N2O＞种子＞柴油＞电力＞农药，玉米为化肥＞N2O＞柴油＞电力＞种子＞农药；传统模式小麦碳足迹贡献序为化肥＞柴油＞N2O＞种子＞电力＞农药，玉米为化肥＞N2O＞柴油＞电力＞种子＞农药。

表1 碳足迹计算中农资投入品的排放因子

表2 创新模式与传统模式单位面积碳足迹比较 kg(CO2-eq)/hm2

2.2 单位产量碳足迹

从单位面积碳足迹分析看，创新模式与传统模式差异不十分明显，仅相差44.66 kg(CO2-eq)/hm2。但从调查2 种模式作物单位面积产量看，相差较明显。创新模式的小麦平均单产9743.70 kg/hm2、玉米平均单产9137.55 kg/hm2；而传统模式小麦和玉米平均单产仅为7953.45、7445.40 kg/hm2。刘巽浩等[22]研究认为，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，作者计算单位产量的碳足迹并形成图7。单位产量碳足迹(CFY)计算见公式(8)。

式中，Y为作物单位面积产量(kg/hm2)；CFY基于产量水平碳足迹；CFA单位面积碳足迹(kg(CO2-eq)/hm2)。

从图7 可得出，创新模式平均每生产1 kg 小麦和玉米产生碳足迹为0.1120 kg(CO2-eq)，其中每生产1 kg小麦产生碳足迹为0.1324 kg(CO2-eq)，每生产1 kg玉米产生碳足迹0.0903 kg(CO2-eq)；而传统模式分别为0.1402 kg(CO2-eq)、0.1592 kg(CO2-eq)、0.1199 kg(CO2-eq)。传统模式单位产量碳足迹分别高出创新模式25.18%、20.24%、32.78%。

2.3 创新模式碳足迹与种植规模分析

对调查的创新模式每一新型经营主体进行碳足迹分析，发现不同经营主体种植规模不同，小麦的单位面积碳足迹不同，而玉米碳足迹基本相同，相应的小麦-玉米创新模式也不同。进一步对种植规模与单位面积碳足迹进行相关分析，得图8。由图8可知，小麦-玉米的创新模式单位面积碳足迹与种植规模构成显著负相关性，相关系数R2达0.8551；同样，模式中的小麦碳足迹和与种植规模也成显著的负相关性。也就是说，随着规模的增大，单位面积碳足迹变小。

3 讨论

3.1 种植模式有减排的空间

本研究数据来源于调研所得，碳排放系数是借鉴前人研究的结果，因此所得的小麦-玉米模式的碳足迹与真实值可能存在一定差异，低于一些学者研究的结论[23]。如李春喜等[24]在河南省不同生态区小麦-玉米两熟制农田碳足迹分析得出，小麦-玉米周年碳足迹表现为豫北最高为5229.63 kg/hm2，豫南最低为3046.52 kg/hm2。但研究结果表明，淮北地区小麦-玉米创新模式较传统模式的无论是单位面积碳足迹还是单位产量碳足迹均有所降低，这一趋势是不会变的，即说明小麦-玉米模式在生产管理方面具有减排潜力，特别是玉米。

3.2 化肥是影响碳足迹的主要因素

在单位面积碳足迹研究中，无论是创新模式还是对照的传统模式，化肥尤其是氮肥产生的碳足迹占比最大。这仅仅是计算间接碳排放，还不包括氮肥施入土壤促进植物根系生长，提高根系自养呼吸率而引起土壤CO2直接排放量的增加[25]。主要原因是化肥在生产和运输过程中消耗大量的化石能源，造成CO2间接的排放增加。同时N2O 产生碳足迹排第2，很大程度受制于氮肥的施用。因此，加强研发新型肥料、科学施肥、配方施肥、肥水一体，提高肥料利用率，从而减少化肥使用量，不失为降低淮北小麦-玉米模式碳足迹的良策[26]。

3.3 种植规模影响着碳足迹

在生产资料和耗能投入相同情况下，规模化经营可以在一定程度上降低农业生产温室气体排放，这与先前学者研究结论相一致。闫明的研究认为：相对较小农田面积管理，农户管理较大耕地面积下，小麦和玉米单位产量碳足迹显著降低[27]；大规模经营在小麦和玉米生产过程中的碳排放分别比小规模经营降低了22%～24%和2%～16%[28]。规模下经营有利于经营者采取和优化作物生长的管理措施，加强农田基础设施建设，来改变土壤温度、湿度和矿化度，发挥土壤微生物参与氮素硝化与反硝化作用，进而影响N2O 的排放和单位面积碳足迹。

减少氮肥施用、提高氮肥利用率和发展农业规模化经营管理模式可能是实现低碳农业和降低农业温室气体排放、缓解气候变化的一条重要的农业措施[29]。这就要求一方面加大农业科研经费投入，扎实做好基础及应用基础研究，为低碳型化肥、农药、农膜、农业机械的研发提供条件；另一方面创新农业科技成果转化激励机制，完善农业科技成果推广体系，使清洁型农业技术得到示范、推广和应用[30]。

4 结论

安徽淮北地区小麦-玉米连作，单位面积碳足迹传统模式高于创新模式2.11%，达到2159.50 kg(CO2-eq)/hm2，证明模式的创新有利于温室气体的减排；无论是创新模式还是传统模式，单位面积碳足迹贡献序是一致的，为化肥＞N2O＞柴油＞种子＞电力＞农药；单位产量碳足迹传统模式高出创新模式25.18%，达到0.1402 kg(CO2-eq)/kg；创新模式单位面积碳足迹与种植规模构成显著负相关，即随着规模的增大，单位面积碳足迹变小。