热带果类农产品碳足迹核算研究——以海南芒果为例

张明洁 张京红 李文韬,3 张亚杰 杨静 林绍伍

（1. 海南省气候中心 海南海口 570203；2. 海南省南海气象防灾减灾重点实验室 海南海口 570203；3. 海南省气象探测中心 海南海口 570203）

世界气象组织发布的《温室气体公报》数据显示，2020 年大气中吸热温室气体的年增长率高出2011—2020 年的平均水平，且2021 年这一趋势仍在延续[1]。农业是重要的温室气体排放源，农业活动中耕地释放的CO2约为150 亿t，占比超过全球人为CO2排放总量的30%[2]。一方面，农业生产过程需要消耗大量的能源和投入农资，而能源消耗和农资生产、使用等活动均会产生大量的CO2、N2O、CH4等温室气体[2]。另一方面，农作物通过光合作用固定空气中的CO2。因此，农业碳足迹是指人类在农田上进行生产活动形成的碳流量，包括碳排放和碳固定两方面[3]。其中，碳排放是指植物在农田生态系统中直接或间接地排放CO2等温室气体[3]；碳固定是指农田生态系统中，绿色植物光合作用吸收CO2减去呼吸作用排出的CO2而得到的净初级生产力，其中少量转化为土壤腐殖质[3]。农业碳足迹能够定量测算农业生产活动对温室效应的影响[4]。

关于农作物碳足迹，我国已有部分学者对小麦[5]、水稻[6]、玉米[6]、油菜[7]、花生[8]、苹果[9]、脐橙[4]等开展了研究。例如，周志花[6]利用生命周期法对2014 年我国小麦、玉米、水稻碳足迹的核算结果表明，氮肥生产造成的CO2排放和施用氮肥造成的农田N2O 排放是小麦、玉米生产的最主要排放源，稻田CH4排放是水稻生产的最主要排放源。陈中督等[7]以长江中下游地区油菜为研究对象，对其生命周期的碳足迹核算结果表明，肥料和人工投入是长江流域油菜生产主要的温室气体排放源。沙建英等[9]基于生命周期评价法核算了天水花牛苹果生命周期内的碳足迹，得出花牛苹果碳足迹为0.069 824 9 kg Ce/kg，其中CO2排放热点环节为施肥环节和生产加工电能消耗环节，分别占CO2总排放量的52.20%和29.82%。以上研究为研究区域低碳农业的发展提供了科学支撑。然而，因角度和方法不同，大多数研究仅考虑了碳排放过程而忽略了碳固定过程，无法真实反映农作物对空气中温室气体的贡献状况。此外，关于热带果类农产品的碳足迹研究也鲜见报道。

作为我国热带水果优势产区，海南的热带水果产业保持稳定发展。2010—2020 年海南热带水果面积和产量呈波动上升趋势，2020 年海南热带水果总产量349.75 万t，收获面积15.94 万hm2，分别比2010 年增长22.57%、14.73%。其中2020年芒果总产量76.47 万t，收获面积5.58 万hm2，分别比2010 年增长了41.59%和1.06 倍。本研究以海南芒果为研究对象，遵循芒果园生态系统中碳流的全环式路径原则，采用生命周期评价法核算芒果生产碳足迹，量化芒果在整个生命周期对空气中温室气体的贡献，识别其生命周期中的碳排放热点，为相关部门制定有效的碳减排方案、推行碳标签制度及发展热带特色高效低碳农业提供理论及数据支撑。

1 资料与方法

生命周期评价法是指通过分析研究对象从原材料、生产、运输、销售、使用到处理阶段温室气体排放量和固定量[4，10]，从而得出其碳足迹的研究方法。适用于从商业到消费者的各类商品和服务、从商业到商业的各类商品和服务在其生命周期内的温室气体排放评价[4]。本研究采用生命周期评价法核算芒果碳足迹，由于在芒果食用和废弃过程中基本不产生碳排放，因此，采用从商业到商业的评价模式来绘制芒果碳足迹的过程图，如图1 所示。

图1 海南芒果碳足迹过程

1.1 芒果碳足迹系统边界

碳足迹系统边界决定了农产品碳足迹计算的范围[4]。根据芒果生产实际，碳足迹系统边界确定为芒果种植、生产加工、运输分销3 个阶段。其中，产品运输分销主要采用电商形式，不包括零售流通阶段，故运输分销过程的碳排放忽略不计。在芒果园生态系统中，同时存在着耗碳和固碳，芒果生产既是碳流中的碳汇，也是碳源。因此，芒果碳足迹核算范围主要包括芒果种植阶段肥料、农药等农资投入品，果园灌溉消耗的电能，生产加工过程中消耗的电能、包装使用的纸浆等，劳动力引起的直接或间接碳排放，以及芒果种植过程中果树树体自身的生物碳积累和有机肥、凋落物等有机碳在土壤中的积累[11]。

1.2 数据来源

1.2.1 活动水平数据海南是我国芒果主要产区之一，芒果种植主要集中在昌江、东方、三亚、陵水等西部和南部沿海市县，其中昌江县为“中国芒果之乡”。研究过程中，选取昌江县种植面积80 亩（1 亩≈667 m2）以上、具有2 年以上种植经验的规模种植户共15 家，采用入户调研的方式，获取其2020和2021年的主要生产信息：种植面积、树龄、产量、农药使用量、化肥施用量、有机肥施用量、套袋用量、灌溉耗电量、农业机械消耗燃油量和电量、劳动力人数和年工作天数等。规模种植户的田间管理设施较为完善，施肥、喷药等用量账目较为清晰，因此调研结果更加科学准确。

1.2.2 排放因子数据已有的农产品碳足迹核算研究中采用的排放因子系数主要是参考借鉴国内外的代表性研究结果[12-14]中的权威值，或选用IPCC 国家温室气体清单指南、ecoinvent 2.2 数据库等[15-18]的推荐值。但多数研究结果中的排放因子系数是以国外的资料为基础的，并不完全符合我国的情况。中国农业科学院刘巽浩等[3]遵循农田生态系统的边界和碳流规律、指标参数力求准确公平、客观实用的原则研究改进了排放因子系数。本研究选用其改进后的排放因子系数（表1）进行碳足迹核算。

表1 排放因子系数

1.3 碳足迹计算

1.3.1 碳排放芒果园生态系统温室气体排放主要包括农资投入引起的CO2排放、农田N2O 和农田土壤呼吸导致的CO2排放。

（1）农资投入引起的CO2排放主要来源于肥料和农药施用、包装套袋以及农业机械、灌溉使用的燃油、电力的能源消费。计算公式为：

式中：EC2O为农资投入引起的CO2排放当量，单位为t·CO2/hm2；Ei为各项农资投入的碳排放量，单位为t·CO2/hm2；EiF为第i种活动的活动水平；iC为第i种活动的排放因子。

N2O 排放主要来源于化肥和有机肥施用的 N元素释放，包括：（1）N 元素在硝化与反硝化过程中的N2O 直接排放；（2）氮挥发后沉降和淋溶径流导致的N2O 间接排放。计算公式如下[20]：

式中：EN2O表示 N2O 排放总量，单位为t·CO2/hm2；EN2O直接、EN2O沉降和EN2O淋溶分别表示N2O 直接排放量、沉降导致的N2O 间接排放量和淋溶径流导致的N2O 间接排放量。298 是N2O换算成CO2当量的转换系数。

（2）土壤呼吸导致的CO2排放。土壤呼吸是陆地植物固定CO2和释放CO2返回大气的主要途径，是与全球变化有关的一个重要过程[20-21]。为避免重复计算，在计算农田土壤呼吸速率时应剔除根系呼吸所引起的CO2排放。计算农田土壤呼吸速率时应剔除根系呼吸所引起的CO2排放。计算公式如下：

其中：EsC2O表示剔除根系呼吸后土壤呼吸导致的CO2排放量，单位为t·CO2/hm2；T表示时间，单位为a；A表示耕地面积，单位为hm2；Rsoil为剔除根系呼吸后的农田土壤呼吸速率，本研究中取值为14.47 t·CO2/（hm2·a）[22-23]。

1.3.2 碳固定（1）作物通过光合作用吸收空气中的CO2，同时通过叶片、根系的呼吸作用释放CO2，二者相减得到净初级生产量[3]。固碳量计算公式为：

式中：Cp表示农田生态系统作物固碳总量，单位为t·CO2/hm2；F为芒果树的含碳率，取45%；Y为芒果的经济产量，单位t；w为芒果树的水分系数，取90%；R为芒果树的根冠比，取0.25；H为芒果树经济产量与生物产量的比值，即经济系数，取0.7。44/12 是C 转换为CO2的转换系数。

（2）有机肥、凋落物等有机碳在土壤中的积累,植物通过光合作用将大气中的CO2固定到植物体内，又通过根系分泌物、凋落物及根系生物量等将一部分光合碳输入到土壤中[24]，即土壤可以通过植物从大气中吸收、转化、存储二氧化碳。韩冰等[25]、金琳等[26]、韩召迎等[27]对全国多个定位试验站的长期观测研究结果表明，土壤年平均固碳速率为0.452 t·C/（hm2·a）。

土壤固碳量的计算方法如下：

式中，CS表示土壤固碳量，单位为t·CO2/hm2；RSOC为土壤固碳速率，单位为t·CO2/（hm2·a）；S表示面积，单位为hm2；t为时间，单位为a。

1.3.3 碳足迹芒果生产全生命周期的碳足迹即各项固定源的碳固定总量与各项农资投入和排放源的碳排放总量的差值，计算公式为：

式中，Cf为芒果碳足迹，单位为t·CO2/hm2。

2 结果与分析

2.1 芒果生产碳排放

芒果园生态系统碳排放量为19.72 t·CO2/hm2，主要来源于农资投入品和土壤呼吸的碳排放。其中土壤呼吸的碳排放量为14.47 t·CO2/hm2，占总碳排放的73.39%，土壤呼吸是芒果碳足迹的最主要碳排放源。农资投入品碳排放量为 5.25 t·CO2/hm2，占总碳排放的26.61%。农资投入品中氮肥生产引起的CO2排放以及施用氮肥造成的N2O 排 放 为 3.04 t·CO2/hm2，占 总 碳 排 放 的15.41%，占农资投入碳排放的57.91%，是芒果生产碳排放的第二大排放源；芒果采摘后生产加工过程中包装使用的纸浆导致的碳排放量为1.50 t·CO2/hm2，占总碳排放的7.61%，占农资投入碳排放的28.59%，是芒果生产碳足迹的第三大排放源。

究其原因，温度是影响土壤呼吸的最主要环境因子，直接影响土壤微生物、土壤动物和植物根系代谢活动[28]。土壤含水量的高低对土壤孔隙的通透性有很大的影响[29]，土壤微生物活动和植物生长及根系代谢均需要一定的土壤湿度和通气条件[30]，不同形式的降水是土壤水分的主要来源[31]，对土壤呼吸速率具有重要的影响[22]。在一定的范围内，土壤呼吸速率随着温度和水分的增加而增加[22]。海南岛地处热带边缘，气温高、降水丰富，因此，土壤呼吸速率高于我国其它气候带的农业区，进而导致土壤呼吸碳排放的贡献率较高。同时，较高的气温导致施肥产生的N2O 直接排放量也高于我国其它处于亚热带和温带气候区的排放量，即施用相同数量的肥料，在热带地区释放的N2O 量要比在温带地区多[23]，这是导致氮肥施用成为芒果生产碳足迹的第二大碳排放源的重要原因。

2.2 芒果生产碳固定

植株的固碳量受到生物量、含水率、含碳率、种植密度等多种因素的影响，土壤固碳量受到微生物和气候条件等自然因素及土地利用方式、农田管理措施等人为因素的影响[32]。芒果园生态系统固碳量为 10.50 t·CO2/hm2，其中植株固碳8.84 t·CO2/hm2，土壤固碳1.66 t·CO2/hm2，分别占总固碳量的84.2%、15.8%，可见芒果树树体本身的固碳是主要的固碳途径。芒果单位面积经济产量、含碳率高，因此单位面积植株固碳量高。

2.3 芒果生产碳足迹

芒果园生态系统的碳排放大于碳固定，碳足迹表现为净碳源，单位面积碳足迹为9.22 t·CO2/hm2。碳足迹与作物种类密切相关，不同作物的碳足迹差异显著。由表2 可见，芒果单位面积碳排放量远小于蜜柚和巴西蕉，略高于皇帝蕉；芒果单位面积碳固定量略高于蜜柚而远低于皇帝蕉和巴西蕉。芒果单位面积碳足迹为表现为净碳源，且远小于蜜柚。但皇帝蕉和巴西蕉碳固定量高于碳排放量，表现为净碳汇。芒果生产过程的碳排放构成与蜜柚等其他水果的碳排放构成类似，肥料特别是氮肥的施用，是主要的碳排放来源。芒果植株种植密度远低于的香蕉，因此芒果单位面积固碳量远低于香蕉。相对而言，芒果园生态系统是碳排放高而碳固定量较低的生态系统。

表2 与其他水果碳足迹的比较

3 讨论与结论

基于生命周期评价法核算了海南芒果生产的碳足迹，结果表明，芒果生产总碳排放量为19.72 t·CO2/hm2，其中芒果园土壤呼吸、种植过程中的氮肥施用和加工包装过程中纸浆的使用是芒果碳足迹的主要碳排放源，分别占总排放的73.39%、15.41%、7.61%，其余排放占3.59%。芒果园固碳量为10.50 t·CO2/hm2，芒果树树体本身的固碳是主要固碳途径，占总固碳量的84.2%，土壤固碳量占15.8%。芒果生产过程中碳排放量高于碳固定量，表现为净碳源，每公顷芒果在生产过程中碳足迹为9.22 t·CO2/hm2，即每公顷芒果园在生产过程中CO2净排放量为9.22 t。通过碳足迹核算识别热带果类农产品生命周期过程中的温室气体排放情况，能够为制定碳减排方案提供理论和数据支撑，有利于热带高效低碳农业的发展和减排目标的实现。在芒果生产过程中，相关部门需加强对种植户的技术指导，优化施肥方案，可通过测土配方施肥、化肥减氮施用技术等减少氮肥施用量，增加有机肥施用量；芒果产品包装采用环保材料，从而减少碳排放。同时，相关部门可以推行碳标签制度，将产品碳足迹信息用量化的指数标示在产品标签上[33]，建立以消费者为主体的低碳消费模式，提高企业的社会责任感和竞争力。

芒果园生态系统同时存在着碳排放和碳固定、碳源和碳汇。本研究遵循果园生态系统的全环式路径，在核算过程中即同时考虑了碳排放和碳固定（即整个碳循环），避免了只考虑碳排放而忽略碳固定。因此，从方法上看，核算结果较为接近实际，能够真实反映芒果园生态系统的碳足迹。同时，由于相关数据难以获取，核算过程未包含农业机械制造原料所隐含的碳排放和灌溉使用的机械及水库、管道等修建、维护管理等产生的碳排放。此外，调研选取的是具有一定规模的芒果园，种植规模较小的种植散户未考虑，因此平均单位面积产量可能偏高，单位面积植株固碳量可能偏高，进而导致单位面积芒果碳足迹和单位产量芒果碳足迹均偏小。此外，土壤呼吸速率是借鉴已有研究成果的值，可能与芒果园实际存在误差。同时，不同地区的气候类型、同一地区不同年份的气象条件等都是影响芒果生产碳排放和碳固定的重要因素，在今后的研究中，还需通过试验获取、增加样本量、多年连续观测记录等方法，完善活动水平数据和排放因子数据，使碳足迹核算结果更加精确。