2017, Vol. 34文章信息
- 朱永昶, 李玉娥, 姜德锋, 邹晓霞
- ZHU Yong-chang, LI Yu-e, JIANG De-feng, ZOU Xiao-xia
- 基于生命周期评估的冬小麦-夏玉米种植系统碳足迹核算——以山东省高密地区为例
- Life Cycle Assessment on Carbon Footprint of Winter Wheat-Summer Maize Cropping System Based on Survey Data of Gaomi in Shandong Province, China
- 农业资源与环境学报, 2017, 34(5): 473-482
- Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(5): 473-482
- http://dx.doi.org/10.13254/j.jare.2017.0180
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文章历史
- 收稿日期: 2017-06-29
2. 中国气象局资产管理事务中心, 北京 100081;
3. 青岛农业大学农学院, 山东 青岛 266109
2. Asset Operation Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
3. College of Agronomy, Qingdao Agriculture University, Qingdao 266109, China
气候变化作为重大全球性问题，会对人类的生产生活造成影响。农业是受气候变化影响最大的部门[1]同时也是重要的温室气体排放源。农业温室气体排放主要来源于反刍动物肠道发酵、肥料管理、水稻种植和生物质燃烧等方面[2]。2010年全球农业领域总的非CO2温室气体排放为5.2~5.8 Gt CO2-eq·a-1[3]，占全球人为温室气体排放的10%~12%[2]。1994年、2005年和2012年，我国农业活动温室气体排放分别为0.66[4]、0.82 Gt CO2-eq·a-1[6]和0.94 Gt CO2-eq·a-1[6]，分别占同年全国温室气体排放总量的17.59%、10.97%和7.9%，年均增长率为0.02 Gt CO2-eq·a-1。核算农业生产过程中的碳足迹，是识别农业生产过程中温室气体排放的关键步骤，有助于推进我国农业的清洁生产。
碳足迹指的是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[7]。碳足迹的概念最早来源于“生态足迹”[8]，Gan等[9]将农业生产过程中的碳足迹进一步定义为与某种食物生产或某项服务相关的总的温室气体排放，温室气体排放可能产生于农业原材料的生产、运输和分销过程，氮肥的施用，农业机械使用和灌溉耗能等过程中。生命周期评价(Life cycle assessment.LCA)是一种评价某生产过程或活动整个生命周期内的环境负荷的工具[10]。国家标准化管理委员会将生命周期评价定义为对一个产品的生命周期中输人、输出及其潜在环境影响的汇编和评价[11]。国际标准化组织(ISO)于2012年发布了应用LCA方法学的碳足迹核算标准[12]，规定碳足迹的量化应包括目标和范围的确定、生命周期清单分析、生命周期影响分析和生命周期解释等4部分。采用LCA方法评估农业生产过程中的碳足迹已在世界范围内被广泛使用[13-19]。
本研究以我国典型冬小麦-夏玉米轮作核心区——山东省高密市为研究对象，对小麦、玉米生产过程中的各项投人、产出和管理措施等进行问卷调查，采用生命周期评估方法学，核算当地冬小麦-夏玉米种植系统的温室气体排放，以期为实现小麦-玉米轮作体系清洁生产提供参考。
1 材料与方法 1.1 核算目标和范围的确定本研究在山东省高密市进行，该地区位于我国的冬小麦-夏玉米轮作核心区域一黄淮海平原。研究以问卷调查的形式进行，共访问经营小麦-玉米轮作的农户56户。问卷内容包括粮食生产过程中的投人和产出情况:(1) 粮食产量; (2) 种子、肥料、除草剂、杀菌剂和杀虫剂等农资投人; (3) 农业机械能耗情况，包括播种、耕作和粮食运输等过程的油耗等；(4) 灌溉能耗等。
本研究核算了粮食生产过程从摇篮到门口的温室气体排放，核算系统边界包括:农资(例如种子、农药、肥料等)投人的温室气体排放; 农机使用过程(耕作、播种、收获和粮食运输等）的温室气体排放; 肥料施用造成的田间N2O排放; 灌溉能耗温室气体排放等(图 1)。由于本研究为调研数据，无法获得农户土壤碳的本底状况，且由于不同农户管理方式的不同，其土壤碳的本底状况不同，故没有在核算土壤碳的变化。本研究选取的功能单元为单位面积和单位产量的碳足迹。
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| 图 1 温室气体排放核算系统边界 Figure 1 Carbon footprint accounting system boundary |
温室气体排放核算采用《2006 IPCC国家温室气体清单指南》推荐的方法学[20]，并依照国际标准《ISO/DIS 14067》[2]进行。不同投人源的温室气体排放系数详见表 1。
(1) 农业生产原材料生产和能源投人产生的温室气体排放，农机使用过程(耕作、播种、收获和粮食运输等)产生的温室气体排放，以及灌溉过程产生的温室气体排放，采用方程(1) 进行计算：
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(1) |
式中，i:不同投人源; GHGinput:农资生产和运输过程，以及油、电等能源投人产生的温室气体排放(kg CO2-eq·hm-2); Input:农资投人，例如种子、肥料、农药、柴油消耗(kg·hm-2)和电耗(kWh·hm-2); EFi:农资和能源投人的排放系数(种子、肥料、农药、柴油消耗等的温室气体排放系数，单位为kg CO2-eq·kg-1，电耗的温室气体排放系数单位为kg CO2-eq·kWh-1)。
(2) 施肥导致的直接和间接N2O排放。肥料投人包括无机肥、有机肥和还田秸秆。施肥产生的直接N2O排放采用方程(2) 计算。肥料以NH3和NOX形式挥发后沉降产生的间接N2O排放以及淋溶和径流产生的间接KO排放采用方程(3) 和(4) 计算：
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(2) |
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(3) |
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(4) |
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(5) |
式中，N2Odirect:土壤施肥直接N2O排放(kg N2O-N·-hm-2); FSN:每季土壤化肥投入(kg N·hm-2·growing season-1); Fon:每季土壤有机肥投人(kg N·hm-2·growing season-1); FCR:每季秸秆还田量(包括秸秆和地下根系）(kg N·hm-2·growing season-1); EF1 :施肥N2O直接排放系数[kg N2O-N·(kg NinPut)-1]; N2O(ATD):肥料以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放(kg N2O-N·hm-2); FRACGASF:化肥以NH3和NOx-N的形式挥发的比例，FRACGASF=0.1 kg N·kg-1N[21]; FRACgasm:有机肥以NH3和NOx-N的形式挥发的比例，FRACgasm= 0.2 kg N·kg-1 N[21]; EF2sn:化肥以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放[kg N2O·(kg N)-1]; EF2ON:有机肥以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放[kg N2O(kg N)-1]; N2O(L):氮肥淋溶和径流产生的N2O间接排放(kg N2O-N·hm-2); FRACLEACH:氮肥因淋溶和径流损失的比例，FRACLEACH=0.2 kg N·kg-1 N[21]; EF3:氮肥淋溶和径流产生的N2O间接排放系数[kg N2O·(kg N)-1]; 44/28:N2O-N向N2O的转换系数; GHGN2O:施肥产生的N2O排放(kg CO2·hm-2); 265:N2O的100年全球增温潜势[22]。
作物秸秆含氮量由公式(6) 计算：
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(6) |
式中，i:不同的作物类型; Yieldi:作物产量(kg); RAG(i):产量和地上部生物量的比例，小麦和玉米的值分别为0.434和0.438[21]; RRT(i)作物秸秆还田率(%); Nc(i):各种作物的含氮量，小麦和玉米水稻分别为0.005 16 kg N·(kg DM)-1和0.005 8 kg N·(kg DM)-1[21]; RRS(i)作物根冠比，小麦和玉米的根冠比分别为0.166和0.17[21]。
(3) 粮食生产过程中总的温室气体排放采用公式(7) 计算：
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(7) |
式中，GHGall:粮食生产过程中总的温室气体排放。
由于所调研地区农户年龄普遍偏高(平均年龄为50.64岁），不适合外出务工，故不考虑其田间劳动和土地外租的机会成本，采用净现值(Net present value，Npv)核算其收益。净现值指用贴现值减去贴现收益[27]。Npv采用公式(8) 计算：
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(8) |
式中，Bt:贴现收益，元; Ct，贴现费用，元; t:年，范围为0年(项目开始时间)至T年(项目结束时间）。由于本研究为1年内的粮食生产情况，此项设为0;i:贴现率，由于本研究为1年内的粮食生产情况，此项设为0。
1.3 数据分析采用Microsoft Excel(2013) 和SPSS Statics 20的Pearson相关分析对数据进行处理和分析。
2 结果与分析 2.1 粮食生产投入和产出本研究中，农户平均耕作面积为0.99 hm2·户-1，且每户的农田平均被分为了3.00块。农户小麦和玉米生产中平均氮肥用量分别为316.49 kg N·hm-2和205.03 kg N·hm-2 (表 2)，平均农药用量分别为5.43 kg·hm-2和10.79 kg·hm-2。农业机械使用带来了较高的能源投人，农户小麦和玉米生产过程中平均机械耗油分别为210.47 kg·hm-2和113.35 kg·hm-2, 平均灌溉耗电量分别为798.87 kWh·hm-2和651.04 kWh·hm-2。
农户经营小麦，玉米和冬小麦-夏玉米种植系统的净现值(NPV)为11 059.98、12 210.99元·hm-2·a-1和23 270.97元·hm-2·a-1。其中经营小麦和玉米的支出分别为8 626.18元·hm-2·a-1和7 714.91元·hm-2·a-1(图 2)，这些支出主要来源于购买肥料(42.67%~ 43.57%)，租赁机械用于播种、耕作(21.00%~26.04%)和购买种子(6.50%~9.61%)等方面。
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| 图 2 小麦、玉米生产过程中的经济收支 Figure 2 Economy inputs and outputs of wheat and maize production |
粮食生产过程中大量的原材料投人导致了大量的温室气体排放。冬小麦-夏玉米种植系统单位面积，单位产量和单位净现值的碳足迹分别为8 961.42 kg CO2-eq·hm-2、0.53 kg CO2-eq·kg-1和0.44 kg CO2-eq·元(表 3)。
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小麦和玉米生产过程中的碳足迹主要来源于氮肥施用和农业机械使用等方面。在冬小麦-夏玉米种植系统中氮肥的生产所产生的温室气体排放为4 328.60 kg CO2-eq·hm-2(48.30%)，氮肥施用所产生的温室气体排放为1 079.36 kg CO2-eq·hm-2(12.04%)，其中直接排放为536.42 kg CO2-eq·hm-2(5.98%)，间接排放为542.94 kg CO2-eq·hm-2(6.06%)。冬小麦-夏玉米种植系统中灌溉耗电产生的温室气体排放为1 159.92 kg CO2-eq·hm-2 (12.94%)，农业机械耗油产生的温室气体排放为1 003.86 kg CO2-eq·hm-2(11.20%)(图 3)。
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| 图 3 不同生产环节碳排放对粮食生产单位面积碳排放的贡献 Figure 3 Relative contribution of different production processes to the carbon footprint of grain production |
冬小麦-夏玉米种植系统粮食生产的碳足迹来源于其生产过程中大量的农资投人，其中氮肥生产(48.30%)和施用(12.04%)，灌溉耗电(12.94%)和农业机械耗能(11.20%)等方面是粮食生产过程中碳足迹的最主要贡献源。这与前人研究[18-19]得出的肥料与灌溉是农田温室气体排放的主要来源一致。小麦、玉米和冬小麦-夏玉米种植系统粮食生产过程中单位面积的氮肥施用量与单位面积的碳足迹均呈显著相关(P < 0.05)，氮肥的用量能解释其单位面积碳足迹变率的94%、92%和92%，能解释其单位产量碳足迹的75%，75%和77%(图 4)，这与Yan等[17]的研究一致。氮肥施人土壤中部分会因氨挥发或反硝化过程以气态形式进人大气，农用地N2O的排放分为直接排放和间接排放两种，农用地N2O的间接排放又分为大气氮沉降引起的排放和淋溶、径流引起的排放两类[28]。化肥的过量及不合理施用不仅造成严重的资源浪费，且土壤盈余的养分在降雨或灌溉条件下易随水流失，造成大气污染和地下水体富营养化等环境问题[29]。农药的生产过程中排放的温室气体占小麦、玉米和冬小麦-夏玉米种植系统温室气体排放的1.34%、3.49%和2.24%。大量的农药施用会造成土壤污染[30]、水体污染[31]等环境问题。农用化学品的适时适量，合理使用对温室气体减排和生态环境改善意义重大。
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| 图a，b分别为氮肥投入和单位面积、单位产量碳足迹的关系。圆形，三角形和正方形分别代表小麦，玉米和小麦-玉米轮作系统。**表示在P < 0.01上显著 Figure a and b indicate correlation between N fertilizer inputs and carbon footprint per unit area and grain yield, separately. Circle, triangle and squire refer to wheat, maize and wheat-maize rotation, respectively. **Significant at P < 0.01 图 4 肥料投入与粮食生产碳足迹的关系 Figure 4 Correlation between N fertilizer inputs and carbon footprint |
氮肥的生产和施用造成了大量的温室气体排放，通过优化肥料管理，施用缓、控释肥，添加硝化抑制剂，施用有机肥等方式可以减缓氮肥施用后产生的N2O排放，同时能够减少氮肥用量，减缓肥料生产过程中的温室气体排放。本研究中，农户施肥主要以常规三元复合肥和尿素为主，在小麦和玉米生产过程中，缓、控释肥的施用比例仅为0.04%。控释肥能够有效地提高氮肥利用率，且能减少施肥的次数，由此节约了劳动力并减少燃油的消耗。当控释肥氮素的释放跟植物的需要同步时，控释肥能够减少因硝酸根淋溶和N2O排放造成的氮素向环境的流失[32-33]。Akiyama等[32]通过对田间试验数据进行meta分析得出，较传统肥料相比，控释肥能降低35%的N2O排放。为实现农业清洁生产，应当推广缓、控释肥的使用。
添加硝化抑制剂可以抑制农用地N2O排放。硝化抑制剂可以抑制氨氧化过程，通过抑制硝化过程，硝化抑制剂还能减缓后续的反硝化过程并减少氮素的淋溶，提高氮素利用率[32]。Akiyama等[32]通过对田间试验数据进行meta分析得出，较传统肥料相比，添加硝化抑制剂能降低38%的KO排放。Qiao等[34]通过meta分析发现添加硝化抑制剂能够降低44%的N2O排放。脲酶抑制剂能够减缓尿素向NH+的转化过程，由此减小了土壤中的NH+浓度以及NH3的挥发潜力。农地配合施用脲酶抑制剂氢酿(HQ)和硝化抑制剂双氰胺(DCD)能取得明显的减排效果[35]。黄国宏等[36]通过对沈阳玉米田的研究发现施加缓释尿素(尿素+HQ+DCD)的处理较单施尿素处理可以减少62%的N2O排放。
本研究中农户在小麦和玉米种植过程中均未施用有机肥。由于规模化养殖取代了传统散户养殖，传统的有机肥逐渐被化肥取代。用有机肥可以起到培肥地力，增加土壤碳的作用，施有机肥和化肥混施可分别使土壤有机碳增加0.52~0.71 t·hm-2·a-1和0.71~0.96 t·hm-2. a-1[5]。有机肥与化肥混施等可以通过影响土壤中的微生物活性，提高氮素利用率[37]。翟振等[38]对迁西春玉米田的研究发现有机无机肥配施和单施有机肥较单施化肥均能减少N2O的排放。
3.2.2 优化管理方式以降低粮食生产碳足迹落后的管理方式是导致农业资源投人过大、农业生产温室气体排放较高的原因之一，优化管理方式可以降低粮食生产过程中的温室气体排放。本研究中，高密地区小麦和玉米生产在底肥施用阶段均能采用机械化浅层施肥，但在追肥过程中均使用人工播撒肥料。肥料深施、混施可以通过减少径流、氨挥发和反硝化损失来提高氮素利用率，从而有效地减少N2O的排放量[5, 39]。Kessel等网通过实验数据进行meta分析发现对于免耕和少耕处理，5 cm以上深施可以减少区域N2O排放。Liu等[41]通过对Colorado地区玉米田的研究发现，在常规耕作条件下，10 cm和15 cm深施氮肥(尿素硝铵溶液，32%N)的N20排放总量分别较5 cm少55%和68%。
本研究中小麦和玉米生产过程中灌溉均采用传统漫灌。采用节水灌溉可以提高土壤有机碳储量[42]，减少土壤温室气体排放[43-44], 并能够通过减少能耗降低CO2排放[45]等。Zou等[46]的研究发现2007－2009年，节水灌溉共减少我国C02排放34.67 Mt，且节水灌溉措施是经济可行的[45]。
规模化经营可以起到一定的减缓农业生产温室气体排放的作用。Yan等[17]比较了中国大规模经营( > 0.5 hm2)和小规模经营( > 0.5 hm2)的GHG排放情况，发现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%。规模化经营有利于统一采取优化的管理措施，从而减少粮食生产过程中的物质投人已达到减排的目的。在后续的研究过程中，我们将会调研山东省农业合作社、涉农企业等规模化经营主体对粮食生产碳足迹的影响。
3.3 国内不同碳足迹研究的对比分析针对国内作物生产碳足迹的研究在系统边界和系数的选取等方面不尽相同，得到的核算结果也有不同。Cheng等[16]根据年鉴统计数据核算了我国整个农业生产过程中农用化学品投人、氮肥施用、农用机械油耗和灌溉耗能产生的温室气体排放，得出我国作物生产单位面积碳足迹平均值为2.86 t CO2-eq·hm-2。王占彪等[18]根据年鉴统计数据核算了华北平原作物生产的碳足迹，得出华北平原作物生产单位面积碳足迹平均值为6.55~7.69 t CO2-eq·hm-2。Yan等[17]根据调研数据采用LCA方法学评估我国粮食生产的碳足迹，发现我国水稻、小麦和玉米单位面积的碳足迹分别为6.0、3.0 t C02-eq·hm-2和2.3 t C02-eq·hm-2。史磊刚等[19]根据调研数据核算了河北吴桥县小麦-玉米轮作系统的碳足迹，得出当地小麦生产单位面积碳足迹为4.03 t CO2-eq·hm-2，玉米生产单位面积碳足迹为2.33 t CO2-eq·hm-2。研究结果的不同首先与当地的气候、土壤条件、种植制度和管理方式等有关，不同研究所选取的系统边界和核算系数不同也是造成核算结果不同的重要原因。目前国内尚缺乏对于农业生产碳足迹核算统一的系统边界和核算系数的标准，应加强对此方面的研究。
3.4 不同排放因子的敏感性分析国内外采用生命周期评价方法学核算粮食生产碳足迹的研究中，针对相同粮食生产过程，采用不同的排放因子不尽相同[17-19, 47-49]，这可能是由于不同国家的工业生产水平不同以及生产工艺的逐年进步造成的。本研究取核算中采纳的氮肥生产排放因子(8.30 kg CO2-eq·kg-1)的-25%、-15%、-5%、5%、15%和25%，分析不同氮肥生产温室气体排放因子对高密市冬小麦-夏玉米种植系统碳足迹的敏感性(表 4)，发现采用不同排放因子核算得到的种植系统单位面积碳足迹最高相差1.29倍，相应排放源排放的温室气体占总排放量的比例最高相差1.33倍。应通过大样本实地调研等方式搜集基础数据，通过科学的方法学获取尽可能接近当地实际的排放系数，以提高碳足迹计算的准确性。国家应对农业生产碳足迹核算的内容和深度等进行规范，形成国家和行业标准、方法、参数和指南等规范性文件。
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(1)高密地区小麦-玉米轮作系统单位面积的碳足迹为8 961.42 kg CO2-eq·hm-2，单位产量的碳足迹为0.53 kg CO2-eq·kg-1，单位净现值的碳足迹为0.44 kg CO2-eq·元-1。
⑵小麦-玉米轮作系统粮食生产碳足迹主要来自于:氮肥的生产(48.30%)和氮肥施用(12.04%)、灌溉耗电(12.94%)、农业机械耗油(11.20%)等方面。
(3)可以通过减少氮肥施用和优化农业管理措施，例如采用氮肥深施、节水灌溉等以达到减少当地粮食生产碳足迹的目的。
(4)国内外各研究采用的排放因子不尽相同，应通过试验和实地调研等科学的方法获取尽可能接近当地实际的排放系数，提高碳足迹计算的准确性。
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