采用碳水足迹评价中国与哈萨克斯坦大豆机械化生产模式

楚天舒，赖世宣，韩鲁佳，杨增玲

（中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引 言

农业生产过程中，气候变化、水资源紧缺、土壤退化等问题日益凸显，给未来农业发展带来巨大挑战，引起社会各界的广泛关注[1-2]。2015年，联合国将可持续农业作为《2030年可持续发展议程》的核心内容。近年来，农业科学家们开展大量研究，从资源与环境[3]、工程[4]等角度提出农业可持续与绿色发展思路。定量评价农业生产过程的环境影响、水资源消耗等，提出优化策略，促进生产过程减排降耗，已成为国内外研究热点。

目前，农业生产过程的环境影响评价主要采用碳足迹方法对农作物或动物生产过程的温室气体排放量进行定量核算。例如，Eranki等[5]对美国玉米-大豆-燕麦生产模式的碳排放核算发现，由氮肥输入导致的土壤N2O排放量较大，建议优化氮肥种类与施用量，降低系统碳排放总量。Ronga等[6]分析意大利南部番茄生产模式发现，杀虫剂和杀菌剂带来的碳排放最大，建议选用新的抗病品种和优化栽培措施。部分学者对中国南方水稻生产碳排放核算后提出优化氮肥施用量[7]、增施生物炭[8]和提高机械作业效率[9]等措施。水足迹方法被大量应用于分析农业生产过程的水资源消耗量。Karandish等[10]对伊朗粮食作物水足迹进行评估发现，绿水和蓝水总量为4.3×1010m3，灰水总量为3.0×1010m3，建议调整水稻和小麦的种植面积与种植区域。Mekonnen等[11]研究发现，2016年美国单位动物产品水足迹较1960年减少了36%，主要原因是饲料转化率和饲料作物产量的提高。操信春等[12]采用水足迹分析发现，中国耕地水资源短缺呈现加剧的趋势。

从上述研究进展可知，碳足迹和水足迹方法在农业生产过程评价中已经成熟运用。而单一方法仅能从一个方面分析当下农业生产情况；若多个方法联合使用，可以同时获取农业生产过程的多方面信息，便于研究人员更精准分析当下农业生产现状，提出优化思路或方案。并且，当前农业生产已经完全进入机械化时代，如何多角度评价机械化生产模式下农作物生产现状也成为迫切需要解决的研究课题。

大豆是中国重要的油料作物，但过度依赖进口。输出先进的大豆机械化生产模式，开发海外大豆种植潜力，是保障中国大豆供给的一种可行途径，也符合农业“走出去”发展战略。本研究团队将黑龙江垦区大豆机械化生产模式在哈萨克斯坦阿拉木图州进行示范与推广，以提升哈萨克斯坦大豆机械化生产水平，扩充中国大豆进口渠道，降低国际贸易风险。本研究拟运用碳足迹和水足迹方法，以中国黑龙江垦区和哈萨克斯坦阿拉木图州的大豆生产为例，尝试多角度分析与评价两地的大豆机械化生产模式，进而提出哈萨克斯坦大豆机械化生产的优化建议，以期为作物机械化生产的多角度评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究思路

定量评价农作物机械化生产模式，是优化与推广农业机械化的基础。在传统的机械化评价中，主要采用作业效率、燃油效率等指标，分析不同机械化生产模式的优劣，筛选出相对适宜模式，提出发展建议[13]。随着农业绿色发展口号的提出[4]，如何将农业机械化生产与绿色发展有机结合成为农机化急需解决的问题。

农业绿色发展不仅是产出绿色优质的农产品，同时需要实现绿色生产。绿色生产农作物本质指向为农作物机械化生产过程的环境影响与资源消耗[3]。因此，结合农业绿色发展的背景与实际生产经验，本研究从过程和结果2个方面评价机械化生产模式，将生产过程绿色、农产品高效产出设为机械化生产模式的发展目标。在生产过程中，对机械化带来的环境影响与资源消耗进行定量核算，评估是否绿色生产；在产出中，分析机械化带来的农产品产量或品质改变，评价是否高效生产。

借鉴系统分析方法[14]，本研究采用碳足迹和水足迹评价方法，从环境影响、水资源消耗、产量3个方面分析与评价大豆的机械化生产模式，进而核算大豆机械化生产主要过程（耕整地、种植、田间管理、收获和秸秆处理）的碳排放与水资源消耗（图1），使科研人员能综合分析不同模式评价结果的差异，提出机械化生产改进措施。碳足迹评价结果表征生产模式对环境的影响程度；水足迹评价结果表征生产模式对水资源的消耗情况；单位面积大豆产量表征生产模式的生产效率。

1.2 研究区域概况

嫩江农场（48°07'N，125°50'E）位于中国东北部，地处小兴安岭南麓向松嫩平原过渡的丘陵漫岗地带，属温带大陆性季风气候，夏季降水充沛，冬季干燥少雨，年降水量在450 mm左右，积温为2 100～2 300 ℃。土壤以黑土为主，富含有机质。

阿曼格迪农场（44°57' N，78°04' E）位于哈萨克斯坦东南部，属于温带大陆性气候，干旱少雨，平原地区年降水量在300 mm左右，且平均分布在四季，积温2 500～3 000 ℃。土壤以栗钙土为主，肥力富足[15]。

1.3 数据来源

本研究采用实地调研与访谈的方式，分别对2个农场的技术人员访谈，了解大豆的机械化生产作业流程、作业时间、农机选配、单产、株高等；查阅农场此前的农资投入和生产记录；参观农机库。

2018—2019年，本研究团队3次前往嫩江农场调研。该农场农作物总播种面积30 105 hm2，其中大豆播种面积17 086 hm2，平均单产2 875 kg/hm2。农场有大中型拖拉机243台，谷物联合收获机43台，农机总动力为45 433 kW，农机装备齐全，已实现大豆生产全程机械化，其生产模式见图2a，各生产阶段农资投入见表1。

2018年1月，本研究团队前往阿曼格迪农场调研获取2017年数据。该农场大豆播种面积为170 hm2，平均单产2 000 kg/hm2。农机主要产自俄罗斯，包括58.84 kW拖拉机1台、88.26 kW拖拉机2台、110.33 kW拖拉机2台和联合收割机1台，各机具使用时间均超过10 a，存在型号老旧、磨损严重的情况。生产与管理水平较为粗放，如采用玉米播种机播种大豆、沟渠大水漫灌等，其生产模式与农资投入量[16]分别见图2b和表1。

1.4 研究方法

1.4.1 碳足迹

碳足迹常被用于核算某种农牧产品整个生命周期的碳排放量，主要包括CO2、CH4和N2O三种气体，并统一转化成当量CO2计算[17]。本研究根据最新温室气体排放清单指南[18]，确定大豆机械化生产模式的碳足迹核算内容为土壤N2O排放和农资碳排放（间接碳排放量）（图1）。其中，土壤N2O排放根据N2O形成过程分为直接排放和间接排放2部分，农资碳排放主要来自化肥、种子、农药、柴油和劳动力，具体计算方法如式（1）。

表1 嫩江农场（2018年）和阿曼格迪农场（2017年）的农资投入量Table 1 Agricultural material inputs in Nenjiang Farm (2018) and Amangel’dy Farm (2017)

式中CFsoy为单位质量大豆的碳排放量，kg/kg；CF为大豆机械化生产过程的碳排放总量，kg/hm2；Y为大豆产量，kg/hm2，根据调研结果，嫩江农场和阿曼格迪农场大豆的平均产量分别为2 875和2 000 kg/hm2；CFN2O为土壤N2O排放量，kg/hm2；265为N2O的100 a全球增温潜势[19]；CFinput为农资的产品碳排放量，kg/hm2；CFdirect-N2O为土壤N2O直接排放量，kg/hm2；CFindirect-N2O为N2O间接排放量，kg/hm2；Ni为第i种农资的用量，详见表1；i为农资种类，i=1, 2,…, 7，详见表2；Ecarbon,i为第i种农资的碳排放系数，详见表2；ESF为施用氮肥导致的土壤N2O直接排放系数，取1.1×10-2kg/kg[20]；NCR为农田秸秆还田输入的氮质量，kg/hm2，由大豆平均产量、草谷比、根冠比、秸秆含氮量计算而得[18]，嫩江农场和阿曼格迪农场分别为54.38和39.15 kg；ECR为秸秆还田导致的土壤N2O直接排放系数，取5×10-3kg/kg[20]；44/28为N与N2O转换系数；RSN为氮肥以NH3形式挥发的比例，取21.3%[21]；EATD为NH3挥发后因大气氮沉降间接引起的N2O排放的系数，取5×10-3kg/kg[18]；Rleach为氮淋溶和径流损失的比例，取12.6%[21]；Eleach为氮淋溶和径流间接引起的N2O排放的系数，取1.1×10-2kg/kg[21]。

表2 农资的碳排放系数与水足迹系数Table 2 Carbon emission factors and water footprint factors of agricultural materials

1.4.2 水足迹

水足迹被用于计算某种农牧产品整个生命周期中水资源的消耗量[27]。结合水足迹最新研究进展[23]，本研究确定大豆机械化生产模式的水足迹核算内容为直接水足迹和间接水足迹（图1）。其中，直接水足迹根据水资源来源分为绿水、蓝水和灰水足迹，间接水足迹主要来自化肥、种子、农药和柴油等农资产生的水资源消耗，计算方法如式（2）。

式中WFsoy为每单位质量大豆的水资源消耗量，m3/kg；WF为大豆机械化生产模式的水资源消耗总量，m3/hm2；WFdirect为直接水资源消耗量，m3/hm2；WFindirect为间接水资源消耗量，m3/hm2；WFgreen为绿水足迹，即有效降水量，m3/hm2；WFblue为蓝水足迹，即从地表或地下抽取的用于灌溉的水资源量，m3/hm2，WFgreen和WFblue由FAO推荐的CROPWAT8.0软件进行计算。通过输入相应的气候数据、土壤水力性质数据、作物数据，求得WFgreen和WFblue，其中气候数据来自Climatic Research Unit of the University of East Anglia[18]，土壤水力性质数据来自“高分辨率的世界土壤水力性质地图”[28]，作物数据来自实际生产调研与文献[15]；WFgray为灰水足迹，即用于稀释大豆生产过程中产生的污染所需用水[29]，m3/hm2；α1、α2分别为因地表径流、地下淋溶导致的N损失比例，阿曼格迪农场分别取0.082%、0.675%，嫩江农场分别取0.180%、0.442%[30]；Cmax,1、Cmax,2分别为《GB/T14848-2017地下水质量标准》中地表水Ⅴ级、《GB 3838-2002地表水环境质量标准》中地下水Ⅳ级质量标准中氮质量浓度的最大限值，取2.00×10-3kg/m3和3.63×10-2kg/m3；Cnet,1，Cnet,2分别为地表水、地下水的氮质量浓度的本底值，由于缺乏长期观测值，暂取0 kg/m3；Ewater,i为农资的水足迹系数，详见表2。

2 结果与分析

2.1 碳足迹计算结果与分析

根据式（1），计算嫩江农场和阿曼格迪农场的大豆机械化生产的碳足迹分别为0.51和0.52 kg/kg，碳排放总量分别为1 470.14和1 043.94 kg/hm2。虽然阿曼格迪农场碳排放总量小于嫩江农场，但2个农场的碳足迹却相近。从嫩江农场和阿曼格迪农场的大豆机械化生产的碳排放情况（表3）分析可知，嫩江农场和阿曼格迪农场的间接碳排放分别为1 122.34和843.94 kg/hm2，主要原因是嫩江农场的化肥施用量高于阿曼格迪农场。

表3 嫩江农场和阿曼格迪农场的碳排放Table 3 Carbon emissions of Nenjiang Farm and Amangel’dy Farm kg·hm-2

从表2可知，2个农场在耕整地和种植阶段碳排放存在较大差异。在耕整地阶段，阿曼格迪农场的碳排放量为451.26 kg/hm2，明显高于嫩江农场的碳排放量197.97 kg/hm2；而在种植阶段，嫩江农场和阿曼格迪农场碳排放量分别为707.33和236.70 kg/hm2，嫩江农场明显较高。主要原因是阿曼格迪农场使用老旧的玉米播种机进行大豆播种，无法在种植阶段同时进行施肥作业，而是在耕整地阶段先施用化肥；而嫩江农场选用先进的大豆精量播种机，种植同时完成施肥作业。阿曼格迪农场种子碳排放215.60 kg/hm2，明显高于嫩江农场132.86 kg/hm2，主要因为阿曼格迪农场的播种量相对较高。此外，嫩江农场化肥施用量高于阿曼格迪农场，这也导致嫩江农场由肥料施用引起的土壤N2O排放量比阿曼格迪农场高73.9%。

2.2 水足迹计算结果与分析

根据式（2），计算嫩江农场和阿曼格迪农场的大豆机械化生产模式生产大豆的水足迹分别为1.82和2.76 m3/kg，水资源消耗总量分别为5 222.79和5 516.19 m3/hm2。阿曼格迪农场水足迹和水资源消耗总量均大于嫩江农场。从嫩江农场和阿曼格迪农场的大豆机械化生产的水资源消耗情况（表4）分析可知，在直接消耗水资源方面，嫩江农场和阿曼格迪农场存在较大差异。在绿水（有效降水量）部分，嫩江农场比阿曼格迪农场高112%；而在蓝水（灌溉用水）部分，阿曼格迪农场比嫩江农场高104%。主要是因为阿曼格迪农场年降雨量仅为300 mm，且平均分布在四季，而嫩江农场年降雨量为450 mm，且主要集中在夏季。这导致阿曼格迪农场大豆生长期内有效降雨量较小，需要大量灌溉水满足大豆生长需求。对于灰水部分，嫩江农场氮肥施用量比阿曼格迪农场高108%，所以灰水量比阿曼格迪农场高33%。在间接消耗水资源方面，对于2个农场，柴油均为主要消耗源。

表4 嫩江农场和阿曼格迪农场的水资源消耗Table 4 Water consumption of Nenjiang Farm and Amangel’dy Farm m3·hm-2

2.3 大豆机械化生产模式的评价结果

根据调研结果可知，嫩江农场大豆单产为2 875 kg/hm2，阿曼格迪农场大豆单产为2 000 kg/hm2。阿曼格迪农场大豆产量低主要是因为：1）缺乏大豆良种；2）大豆生育期内，机械化作业不达标，与农艺需求不切合。

兼顾碳足迹、水足迹和产量评价结果可知，相较于嫩江农场，阿曼格迪农场大豆的碳足迹高2.08%，水足迹高51.83%，产量低30.43%。因此，阿曼格迪农场大豆机械化生产模式未来提升重点在于水资源高效利用和产量提高。建议阿曼格迪农场采用节水灌溉技术，高效利用水资源，提高大豆产量。

从各类农资投入角度分析（图3），2个农场大豆机械化生产模式的各类农资在碳足迹与水足迹评价结果中具有较好的一致性。其中，柴油为碳排放与水资源消耗的主要来源，但对水资源消耗影响更大，所占间接水资源消耗量比例均超过54%。种子、氮肥和磷肥次之，均靠近1∶1线，但种子偏向于水资源消耗，氮肥与磷肥偏向于碳排放。而钾肥、农药和劳动力所占比例过低，不作为碳排放和水资源消耗的主要影响因素。因此，柴油、种子、氮肥和磷肥是阿曼格迪农场大豆机械化生产中物资调控的重点内容。

3 讨 论

机械化生产的核心目标是提高生产效率，减少损耗，提高作物产量。随着农业绿色发展的实施推进，定量评估作物机械化生产对产地环境影响与水资源消耗显得尤为重要。评估结果有助于机械化生产未来向着环境友好与资源高效利用的方向发展。本研究以阿曼格迪农场和嫩江农场的大豆机械化生产模式为例分析，找出了阿曼格迪农场大豆机械化生产所存在的不足之处。根据实地调研结果，对2个农场的大豆机械化生产中存在的问题进一步做如下讨论分析：

3.1 水资源利用与设施设备配套

由于干旱少雨，灌溉需水量较高，水资源高效利用成为阿曼格迪农场大豆机械化生产的重要发展目标。而实地调研发现：首先，农民仅凭借生产经验进行灌溉作业，导致大豆灌溉时间点选择不合适，水资源利用效率较低。其次，当地主要采用沟渠大水漫灌，田间灌溉沟渠老旧且常年缺乏维护，导致灌溉效率低下。哈萨克斯坦农业生产中，喷灌和滴灌面积分别占总种植面积的1.45%和0.52%[31]。阿曼格迪农场采用沟渠大水漫灌，根据不同灌溉技术的灌溉水有效利用效率[32]测算可知，大豆整个生育时期需从附近河流取水12 131 m3/hm2。若阿曼格迪农场采用喷灌或微灌技术，取水量分别降低至5 038和4 765 m3/hm2。因此，建议阿曼格迪农场采用喷灌等节水灌溉技术与设施设备，并根据大豆作物需水规律进行灌溉作业，提高水资源利用效率，为大豆稳产打下良好基础。

3.2 农机具配套

高性能的农机具是保障机械化作业效率与效果的物质基础。但据2018年实地调研发现：第一，阿曼格迪农场使用的农机具较为老旧，如收获机等，已达到报废年限，但依旧使用，作业效率低于嫩江农场。从哈萨克斯坦全国尺度来说，使用时间超过10 a的拖拉机、收获机械和播种机械数量分别占各类机械总量的85%、68%和88%[33]，农机具老旧且缺乏。第二，当地使用的大豆播种机多为玉米播种机简易改装而成，一方面，导致大豆播种量过高，所带来的碳排放显著高于嫩江农场；另一方面，大豆播种行距达到70 cm，行间距过宽，播种密度较低，作物群体效应不明显。因此，建议阿曼格迪农场配套适宜大豆机械化生产的先进农机具，保障作物科学生产。

3.3 机械化作业与农艺需求

科学的机械化作业流程才能满足大豆生产的农艺需求。但实地调研发现：首先，阿拉木图的大豆种子市场较为混乱，农户选种缺乏技术指导。其次，阿曼格迪农场的除草剂施用时间不合适，导致除草效果不明显，进而严重影响大豆产量与品质。而且，当地主要采用秋施基肥的方式施用化肥，大豆生产季不进行追肥作业，并且缺乏大豆专用肥料，而是使用玉米专用肥料替代，导致大豆所需营养结构不均衡。而嫩江农场选用适宜大豆机械化生产的品种；在植保阶段选择高效喷药机，适宜的施用时间、药剂种类与量；并且，在施肥阶段，合理配比肥料用量，采用种肥与追肥相结合的施肥方式，保障大豆生长的营养需求。因此，建议阿曼格迪农场优选适宜机械化生产的大豆品种，建立大豆机械化生产的机械化作业规范，满足大豆生产的农艺需求。

在未来的研究中，可结合农田土壤养分平衡、能值分析等系统性评价方法，多角度解析作物机械化生产过程中养分资源利用效率、能量流动效率等，找出障碍因素与解决方案，提升地区机械化生产水平，促进农业绿色发展。

4 结 论

本研究从碳足迹、水足迹和产量3个方面对嫩江农场和阿曼格迪农场的大豆机械化生产模式进行分析与评价，得到以下结论：嫩江农场大豆机械化生产模式的碳足迹、水足迹和产量分别为0.51 kg/kg、1.82 m3/kg和2 875 kg/hm2；而阿曼格迪农场分别为0.52 kg/kg、2.76 m3/kg和2 000 kg/hm2。相较于嫩江农场，阿曼格迪农场大豆的碳足迹高2.08%，水足迹高51.83%，产量低30.43%。

因此，阿曼格迪农场大豆机械化生产需以节水增产为重要发展目标。建议阿曼格迪农场更新拖拉机、谷物收获机等老旧机具，配套大豆精量播种机；优先使用喷灌等节水灌溉技术及设施设备，减少沟渠大水漫灌；优选高产品种，并根据大豆农艺需求，建立大豆机械化生产作业规范。