华北平原冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹研究

碳足迹是指人类在生产和消费过程中的碳排放总量，是一种测量人类碳排放对全球温室效应影响的新方法［1-3］。目前，能源和城市建设等领域中的碳足迹得到高度关注［4-7］，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，定量测算农业生产活动对温室效应的影响［8-9］。目前，农业碳足迹的研究尚处于起步阶段，主要研究集中在区域农业碳足迹、作物碳足迹和粮食碳足迹（碳成本）。Nelson等测算了美国农业的碳足迹［10］，Dubey和Lal研究了美国俄亥俄州和印度旁遮普邦的农业碳足迹，并对两地农业生产的可持续性进行了评价［11］；国外多位学者分别对冬油菜、春燕麦和冬小麦等多种农作物从播种到收获整个田间生长期的碳足迹进行了研究［10, 12-14］。国内农业碳足迹仅有少量报道，梁龙等评估了生产1 t小麦-玉米的碳成本［15］，本实验室前人计算了冬小麦—夏玉米种植模式（以下简称为“麦玉模式”）农资部分的碳足迹［16-17］。国内外学者从不同角度对农业碳足迹进行了研究，但研究结果存在很大差异。本研究基于实地调研的农户生产数据，利用农业碳足迹理论，并综合投入—产出法和生命周期法，对华北平原麦玉两熟模式的碳足迹进行研究，以期获得农业生产的碳排放清单，为农业节能减排提供有效的指导。
　　1 研究方法
　　本研究以华北平原典型的冬小麦—夏玉米两熟制种植区域—河北吴桥县为例，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，分析华北平原主体种植模式—麦玉两熟模式的碳足迹。
　　1.1 农业碳足迹的涵义
　　碳足迹理论源于生态足迹，农业碳足迹主要是在West和Lal等人对农田生态系统碳循环研究的成果上形成的［8, 18-20］。农业碳足迹可以系统定量地计算农业生产活动过程中，由人为因素引起的各种直接和间接的碳排放总量及各个生产环节上排放的分量。农业碳足迹可以有效地评价农业生产活动对温室效应的影响，是指导农业节能减排的理论基础。农业碳足迹包括直接碳足迹和间接碳足迹：直接碳足迹是指在使用农业机械进行耕地、播种和收获等农业生产的过程中，柴油消耗直接在农田上的碳排放，同时也包括由于施用化肥而导致土壤增加的直接碳排放量；农业间接碳足迹是指在生产运输化肥、农药和种子等农业生产资料过程中，在农业上游部门的碳排放，其中也包括灌溉消耗的电能产生的碳排放。
　　1.2 碳足迹计算方法
　　麦玉模式碳足迹的边界为从玉米秸秆还田开始到收获玉米离开农田结束，时间为1年，冬小麦碳足迹边界是从玉米秸秆还田开始到小麦收获结束，夏玉米碳足迹的边界是从玉米播种开始到玉米收获结束。农业碳足迹的测算内容为1.2中的直接碳足迹和间接碳足迹，计算公式如下：
　　Cf=∑ni=1Cfi=∑ni=1(mβ)i
　　Cf为农业碳足迹，n表示农业生产过程消耗了n种能源（柴油和电能等）或农业生产资料（化肥、农药和种子等），Cfi表示第i种能源或农资的碳足迹，m为消耗第i种能源或农资的量，β为第i种能源或农资的碳排放参数，碳足迹的单位是kg Ce/hm2•a。
　　粮食碳足迹也称为粮食碳成本，麦玉模式粮食碳成本是麦玉模式碳足迹与粮食单产的比值，小麦和玉米的碳成本分别是冬小麦和夏玉米碳足迹与各自单产的比值，碳成本单位是kg Ce/kg。
　　种植规模、化肥用量、灌溉用电量、农机投入消耗的柴油量、播种量和农药用量。采用SPSS13.0和Excel 2007统计软件，进行方差分析和相关显著性检测。
　　2 结果与分析
　　2.1 冬小麦—夏玉米种植模式碳足迹清单
　　麦玉模式在整个农业生产过程中，化肥、农药、柴油、电能、种子和土壤N2O排放量，以及相应的碳足迹见表2。麦玉模式总的碳足迹是1 737.37±337.02 kgCe/hm2•a，冬小麦碳足迹是1 101.31±251.91 kgCe/hm2•a，夏玉米碳足迹是636.06±163.90 kgCe/hm2•a，冬小麦的碳足迹比夏玉米的多534.05 kgCe/hm2•a。
　　麦玉模式碳足迹可分为化肥、电能、柴油、种子和农药五大部分（由于土壤N2O排放是施用N肥造成的，因此该部分碳足迹归入化肥部分），详见表2和图1。施用化肥造成的碳足迹为1 072.00±223.11 kgCe/hm2•a，占总碳足迹的61.76%；灌溉消耗电能的碳足迹为434.88±264.60 kgCe/hm2•a，占总量的25.03%；农业机械投入消耗柴油的碳足迹是129.24 kgCe/hm2•a，占总量的7.44%；种子碳足迹为82.49±9.93 kgCe/hm2•a，占总量的4.75%；农药碳足迹为17.75 kgCe/hm2•a，占总碳足迹的1.02%。冬小麦和夏玉米碳足迹的构成情况与麦玉模式碳足迹相似，按各部分碳足迹比重，从大到小依次为化肥、灌溉、柴油、种子和农药。
　　麦玉模式中化肥碳足迹由氮肥、磷肥和钾肥组成，其中氮肥碳足迹占化肥碳足迹的93.93%，磷肥占5.11%，钾肥占1.96%；氮肥碳足迹中，生产和运输部分占73.11%，土壤N2O部分占26.89%。冬小麦和夏玉米各自三种肥料的碳足迹比例与麦玉模式的情况相似，都是氮肥最多，磷肥此次，钾肥最少，但是冬小麦化肥碳足迹比夏玉米的多44.63%，其中氮肥多43.08%，磷肥多91.90%，钾肥多18.38%。
　　麦玉模式电能碳足迹是434.88±264.60 kgCe/hm2•a，冬小麦电能碳足迹为309.01±181.44 kgCe/hm2•a，夏玉米电能碳足迹为125.87±96.10 kgCe/hm2•a，冬小麦电能碳足迹是夏玉米的近3倍。
　　麦玉模式柴油碳足迹中，玉米秸秆还田碳足迹所占比例最大，约占30%；旋耕和小麦收获所占比例略小，各约占27%；冬小麦和夏玉米播种碳足迹最小，各约占8%。冬小麦柴油部分碳足迹是夏玉米的近13倍。
　　麦玉模式中农药碳足迹由除草剂、杀虫剂和杀菌剂组成，其中除草剂碳足迹约占农药总碳足迹的70%，杀虫剂和杀菌剂碳足迹各约占15%。冬小麦农药碳足迹中，杀菌剂碳足迹所占比例最大，杀虫剂次之，除草剂最少；夏玉米农药碳足迹中，除草剂所占比例最大，杀虫剂次之，杀菌剂最少。
　　2.2 冬小麦—夏玉米种植模式碳足迹影响因素分析
　　麦玉模式的碳足迹受多种因素的影响，用相关分析法分别检验各项农资消耗量与麦玉模式碳足迹的相关性，结果发现只有N肥的施用量和电能消耗量与碳足迹存在正相关性（见图2、图3）。
　　N肥施用量与麦玉模式、冬小麦和夏玉米的碳足迹均存在显著的正相关性（P值分别为0.62* *，0.70* *和0.80* *）。由图2可以看出，每公顷增施1kg N肥，麦玉模式的碳足迹增加2.23 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y=2.226x+804.5），冬小麦碳足迹增加2.71 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y=2.714x+432.0），夏玉米碳足迹增加2.16 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y=2.156x+264.3），可见N肥施用量对冬小麦碳足迹的影响程度略大于夏玉米碳足迹。
　　灌溉电能消耗量与麦玉模式、冬小麦和夏玉米的碳足迹也均存在显著的正相关性（P值分别为0.75* *、0.80* *和0.47* *）。由图3可知，每公顷多消耗1 kWh 电，麦玉模式的碳足迹就增加0.24 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y = 0.238x + 1 323），冬小麦的碳足迹增加0.34 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y = 0.340x + 649.9），夏玉米的碳足迹增加0.20 kgCe/hm2•a（趋势线方程为y = 0.199x + 535.4），可见电能消耗量对冬小麦碳足迹的影响程度显著大于夏玉米。
　　2.3 不同种植规模冬小麦—夏玉米模式的粮食碳成本比较麦玉模式粮食碳成本为0.12±0.03 kgCe/kg，小麦碳成本和玉米碳成本分别为0.16±0.04和0.08±0.02 kgCe/kg。不同种植规模的麦玉模式生产粮食（小麦和玉米）的碳成本情况见图4。
　　由图4可知，麦玉模式粮食碳成本、小麦碳成本和玉米碳成本均与种植规模成显著的负相关性（P值分别为-0.31* *，-0.29* *和-0.19* *），碳成本随着种植规模的增大而呈下降趋势。进一步将种植规模分为小（0-5亩）、中（5-10亩）和大（≥10亩）三种类型进行研究，发现麦玉模式的粮食碳成本在小、中和大规模类型上的碳足迹分别为0.13±0.03，0.12±0.03和0.10±0.02 kgCe/kg；小麦在3类种植规模上的碳成本分为0.17±0.04，0.16±0.04和0.14±0.03 kgCe/kg；玉米相应的碳成本分别为0.09±0.02，0.08±0.03和0.07±0.02 kgCe/kg。可见，麦玉模式的粮食碳成本、小麦和玉米碳成本在3种种植规模中的碳成本均是小规模类型最高，中规模的较低，大规模的最低。
　　3 讨论与结论
　　3.1 华北平原麦玉模式节能减排潜力巨大
　　农业碳足迹受土壤、农作措施及社会经济等多因素的影响，并且各因素彼此之间又存在互作，因此不同区域，不同种植模式，农业碳足迹差异显著；相同区域内不同种植模式以及相同种植模式在不同区域都会存在差异。Nelson等计算美国农业的碳足迹是91-365 kgCe/hm2•a［6］；Hillier等人在苏格兰研究了冬油菜、春燕麦、冬燕麦、豆菜和冬小麦5种作物的碳足迹分别为436，310，388，125 和764.9kgCe/hm2•a［10］；Mondelaers等计算出普通小麦的碳成本为0.08 kgCe/kg［10］；梁龙等测算冬小麦-夏玉米的碳成本是0.15 kgCe/kg［15］；本实验室前人研究麦玉模式农资部分的碳足迹为762.90 kgCe/hm2•a［13］。本研究麦玉模式的碳足迹普遍高于国内外研究结果，主要原因如下：国外农业碳足迹研究的主要是一年一熟的种植模式，麦玉两熟模式在化肥、水和机械等投入量上显著高于国外；农户在农业生产过程中，化肥、水和农药等农资利用效率低；土壤N2O的排放主要是人为施用化肥造成的，有些研究结果并未包含这部分［16-17］；国产农机能耗高和农户播种量偏大也是造成碳足迹高的原因。总之，由于本研究中数据来源是调研所得，碳排放参数是借鉴前人研究的结果，因此所得的麦玉模式的碳足迹与真实值会存在一定差异，但是研究结果表明华北地区麦玉模式的碳足迹是相对较高的，麦玉模式在生产管理方面具有巨大的节能减排潜力，且冬小麦是重点。
　　3.2 化肥和灌溉是影响麦玉模式碳足迹的关键
　　麦玉模式碳足迹组成中，化肥尤其是施用氮肥造成的碳足迹所占的比重最大，这与其他学者研究结果相同［9, 17, 24］。主要原因是化肥本身在生产和运输的过程中需要消耗大量的化石燃料，另一方面粮食增产很大程度上依靠化肥，农民施用化肥的量相对较多，从而造成化肥部分的碳排放量就相对最大。灌溉消耗电能造成的碳足迹所占比重显著高于他人研究结果［9,17,24］，主要原因是吴桥地区灌溉用水部分很大部分来自于深层地下水,耗能必然显著高于使用地表水或浅层地下水的情况。化肥和电能两项占总碳足迹的绝大部分，因此，加强研发和普及适合当地的测土配方施肥和滴灌等节肥和节水技术，提高农业生产中的化肥和水分的利用效率，是降低华北地区农业碳足迹的关键。
　　3.3 规模种植对粮食碳成本的影响
　　本研究发现麦玉模式的粮食碳成本随种植规模增大而呈下降趋势，与Lal的研究结果相似［4］。主要原因是种植规模大的农户生产管理相对科学，提高了水肥的利用效率。可见种植规模化对实现低碳农业具有积极作用，但是由于种植规模效益同时受经济社会条件的影响，在不同区域，效果会存在差异，因此本研究结果有待进一步完善。总之，本研究利用碳足迹理论及研究方法评价农业生产的碳足迹，初步测算出了华北平原主体种植模式(冬小麦—夏玉米两熟制)的碳足迹，并初步绘制了种植冬小麦和夏玉米过程中在施肥、灌溉和农机投入等各个环节上的碳排放清单，以及生产小麦和玉米的碳成本。本研究丰富了碳足迹理论，为今后优化农业生产管理，降低农业生产的碳足迹，构建低碳农作系统和实现农业节能减排迈出了关键的一步。
　　致谢：本研究在河北吴桥县调查农业生产的过程中，得到了中国农业大学吴桥试验站鲁来清站长，本实验室杨再洁、罗永彬和周志冠等同学的帮助，在此一并感谢!追问： 可以帮我下载全文吗？地膜覆盖    中国地形图    我国玉米种植现状    夏玉米    春小麦生长周期    干旱对玉米的影响    中国三大粮食作物肥料利用率研究报告    我国玉米生产现状    玉米播种量    玉米品种分类    小麦干热风    干旱对农作物的影响