随着建设生态文明、深化节能减排战略的持续推进，农业面临着保障粮食安全与减少碳排放的双重压力。种植模式是影响碳排放的重要因素之一，不同模式间碳排放及经济成本差异显著。目前关于种植模式的评价多关注经济、社会效益的分析，主要包括对产量、经济收益、劳动力投入等的评估^[1]，鲜有将碳排放指标纳入评价体系。识别种植模式，定量核算其碳排放及相关经济成本，分析通过改变种植模式实现碳减排的可行性，对于评价种植模式的综合效益，实现农业低碳排、高效益的发展目标具有重要的参考意义。

农业碳减排的可行性受技术、经济2个方面因素影响，分别用减排潜力和减排成本表征。减排潜力是指通过调整农田管理措施而产生的碳排放量改变，反映技术措施对碳减排的贡献。推广免耕、合理施肥、优化稻田水分管理方式等是目前应用最为广泛的种植业碳减排措施。如推广配方施肥以及加施缓释肥可显著降低农业用地N₂O排放^[2]，稻田间歇灌溉较长期淹溉处理减少46%的稻田CH₄排放及42%的总温室效应^[3]。秦晓波等^[4]的研究结果则显示免耕高茬还田的耕作方式能在提高水稻产量的同时降低双季稻田温室气体排放强度。减排成本表示减少（增加）单位农业碳排放量所导致生产成本的变化量，反映减排措施的经济有效性。关于农业减排成本的研究多集中于应用边际减排成本核算不同国家或部门层面的减排成本及单项减排措施的实施成本^[5-7]。农业边际减排成本与碳排放强度密切相关，碳排放强度越低，其农业减排成本相对越高，通过减轻农业碳减排成本较高区域的减排任务可促进区域农业经济发展^[8]。定量分析不同种植模式的碳减排潜力、减排成本，从经济效益及环境影响方面辨析种植模式，可为种植业低碳排高效益种植模式的筛选提供参考。

湖北省属于我国华东、华中单双季稻作带，亚热带季风性湿润气候，光照充足，降雨充沛，雨热同季，耕地质量优越，是我国仅次于湖南、江西的第三大水稻生产省份。水稻作为湖北省产量最高、种植面积最广的粮食作物，在农业发展中占有极重要的地位。受地形、土壤、气候、降水、耕作习惯等多方面因素影响，湖北省可分为鄂中北丘陵岗地种植区、江汉平原种植区、鄂东北低山丘陵种植区三大区域。本文选取武汉市新洲区、仙桃市、荆门市沙洋县为三大种植区域代表，依据种植习惯及发展现状识别现有种植模式，从碳排放及经济成本两方面对模式进行比较分析，评估其减排潜力及综合效益。

水稻种植模式是特定自然条件下种植习惯的组合。除自然因素外，耕作方式、水分管理、施肥习惯、秸秆处理方式和轮作制度是区分水稻种植模式的主要依据^[9-10]。本研究基于实地调研结果，依据上述几方面因素识别归纳各区域的主要种植模式。

基准模式是区域内具有较高普及程度，能够代表区域种植平均水平的种植模式。利用种植模式的普及度、碳排放负荷、经济成本3个指标，从社会、环境、经济等方面对基准模式进行筛选，确保其符合当下的农业现状并具备技术及经济有效性，从而确保种植模式综合效益评价的客观可靠。其中，普及度是进行基准模式选取的首要因素，代表区域的种植现状，碳负荷代表种植模式的碳水平，经济成本则代表区域农业经济水平。各指标含义及评价方法见表 1。

表 1　基准模式选取指标 Table 1　The index for selecting baseline pattern

表选项

利用表 1所确定的指标，通过确定指标权重，结合实际调研情况对各指标进行排序评分，最终将各指标评分进行加和排名，选取得分最高，即普及度较高，碳排放负荷及经济效益接近平均水平的模式作为基准模式。

水稻生产过程的净碳排放量，即碳源与碳汇的差值。本文中碳源包括稻田甲烷排放、农用能源和农业投入品生产及使用过程中的间接碳排放、秸秆处置产生的碳排放。碳汇部分则包括水稻经济产量、水稻根系和秸秆中的固碳量。计算方法见表 2。

表 2　水稻种植碳排放及相关成本核算 Table 2　The methods for calculating carbon emissions and costs in paddy planting

表选项

单位水稻产出碳排放核算如下：

(1)

式中：分别代表i种植模式下单位水稻产出的净碳排放量、甲烷排放量、农用能源生产及使用碳排放量、农资生产及使用碳排放量、水稻秸秆处置产生碳排放量、水稻固碳量，kg CO₂-eq·kg^-1。本文将秸秆处置方式分为还田和不还田2种，秸秆不还田统一简化为焚烧情景。秸秆还田后秸秆在微生物的作用下，大部分被分解最终以CO₂形式进入大气中，只有少量被微生物同化或加工，以微生物残体或代谢产物的形式进入土壤有机碳库^[11]。本文假设秸秆和根系固碳量与秸秆焚烧及秸秆还田腐解产生碳排放可以相互抵消，因此不考虑秸秆还田的碳排放量，秸秆焚烧主要关注CH₄、N₂O的排放，不考虑CO₂排放，水稻固碳量指水稻经济产量部分的固碳，不包括秸秆和根系的固碳。

水稻产出成本的核算范围界定为可能影响到碳排放的人为可控投入。主要包括水稻种植过程中购买化肥、农药产生的费用（农资成本）、雇佣农机的费用以及灌溉过程中所消耗的电力。当一项投入变化后造成的结果不会对碳排放造成影响，或造成的影响并非人为可控时，则不包含在本次经济成本核算中。计算方法见表 2。

单位水稻产出成本核算如下：

(2)

式中：分别表示i种植模式下单位水稻产出消耗的成本、农资成本、农用机械使用成本及灌溉成本，元·kg^-1。

水稻种植模式的减排潜力是指当基准模式向另一种种植模式转变时，单位水稻产出所带来的碳排放的变化：

(3)

式中：ΔQ_i表示i种植模式下单位水稻产出的减排潜力（kg CO₂-eq·kg^-1）；E_To、E_Ti分别表示基准种植模式与i种植模式下单位水稻产出的碳排放量（kg CO₂-eq·kg^-1）。

减排成本是单位碳排放改变而产生的经济成本的差异：

(4)

式中：C_i表示i种植模式下的减排成本[元·（kg CO₂-eq）^-1]；W_To、W_Ti分别表示基准种植模式与i种植模式下单位水稻产出的经济成本（元·kg^-1）。

区域内水稻种植模式确定数据由实地调研获得，有效问卷共158份。各排放系数、温室气体排放因子和模型运行所需数据来自《IPCC温室气体排放清单指南》、《省级温室气体清单编制指南》、《湖北农村统计年鉴》（2014年）、《湖北统计年鉴》（2014年）、《中国能源统计年鉴》。

湖北省水稻轮作模式以水稻-油菜、水稻-小麦为主。水分管理方式包括全淹水、淹水-烤田-淹水-间歇灌溉、淹水-烤田-间歇灌溉、间歇灌溉等。以农业主管部门的推荐施肥量为标准，大于推荐肥料施用量30%视为过量施肥，反之视为不足，±30%区间内则属于适量施肥。调研结果显示各区域均存在过量施肥现象，秸秆还田在农户间的推广并不理想，大部分农户仍选择焚烧或其他方式处理秸秆，论文对不还田秸秆均以焚烧处理来核算其碳排放。研究区域已基本实现水稻机械收割、翻耕，畜力使用比重较低。依据实际调研结果中各项管理措施在3个稻作区的应用，归纳出20种主要水稻种植模式（表 3）。

表 3　湖北省水稻种植模式 Table 3　Paddy planting patterns in Hubei Province

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排名结果显示最能代表湖北省水稻种植普遍水平的模式为1-3，即鄂中丘陵岗地种植区的中稻-油菜、淹水-烤田-复水-间歇灌溉、适量施肥、秸秆不还田、机械耕作模式。水稻种植模式的单位减排潜力、单位减排成本均以此为基础进行核算。

各种植区域由于自然条件、种植习惯的不同，单位面积稻田碳排放量及生产成本差异显著（图 1）。单位面积碳净排放量最高为模式2-1，达17 215.2 kg CO₂-eq·hm^-2，最低的为模式2-3，仅3 019.5 kg CO₂-eq·hm^-2。因此通过排放因子法进行稻田碳排放的核算存在较大的不确定性，不能充分体现种植模式对碳排放的影响。

图 1 湖北省各水稻种植区域水稻种植碳排放及投入成本结构图 Figure 1　Structure of carbon emissions and input costs in different paddy planting patterns in Hubei Province

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碳排放负荷指标能综合评价不同模式产量、碳排放的特征。已识别的20种模式中，碳排放负荷差异显著，最高的是模式2-1，单位水稻产出的碳排放为1.38 kg CO₂-eq·kg^-1，模式2-3碳排放负荷最低，单位水稻产出碳排放仅为0.27 kg CO₂-eq·kg^-1。分区统计结果显示，鄂中丘陵岗地种植区各模式碳排放负荷为0.50~0.97 kg CO₂-eq·kg^-1，均值0.71 kg CO₂-eq·kg^-1。江汉平原种植区各模式的排放负荷为0.27~1.38 kg CO₂-eq·kg^-1，均值0.69 kg CO₂-eq·kg^-1。鄂东北丘陵种植区各模式碳排放负荷为0.41~0.68 kg CO₂-eq·kg^-1，均值0.53 kg CO₂-eq·kg^-1。区域间碳排放负荷差异不明显，而区域内不同模式间差异显著，水稻碳排放负荷主要受人为管理措施而非自然条件影响。由各种植模式的碳排放构成可知（图 1a），农资生产及使用所产生的碳排放占比最大，占总碳排放量50%~81%，稻田甲烷的贡献次之，占总碳排放量的14%~31%。降低农业碳排放负荷，应从提高农资利用效率、优化稻田管理措施降低甲烷排放入手。

模式间与碳排放有关的生产成本差异明显（图 1b）。模式1-6单位水稻产出经济成本最高，达1.32元·kg^-1，模式1-2、3-1成本最低，仅为0.57元·kg^-1。不同区域及不同模式间农资投入强度、产量水平的差异是引起农资投入成本差异的主要因素。如模式1-6的施肥程度为适量，但因为其具有较高的农药投入、农机雇佣费用及灌溉成本和较低的产量导致该模式单位产出成本代价高于其他种植模式。调研结果显示，农资投入是影响经济成本的主要因素，模式间化肥投入成本差异明显。降低水稻产出成本的关键在于提高农资尤其是化肥的利用效率。

以模式1-3为基准模式，计算当基准模式向各水稻种植模式转换时的减排潜力及减排成本（图 2~图 4），进而对区域水稻种植模式进行评价。所有模式中，低排放低成本（ΔQ_i>0且C_i < 0）的种植模式有6种，占所有模式30%。高排放低成本（ΔQ_i < 0且C_i < 0）种植模式有3种，占所有模式的15%，高排放高成本（ΔQ_i < 0且C_i>0）种植模式有3种，占所有模式的15%。低排放高成本（ΔQ_i>0且C_i < 0）的种植模式有7种，占所有模式的35%。湖北省水稻种植模式仍有巨大的优化空间，已识别的种植模式中有13种模式相对于基准模式有减排的潜力，通过调整种植模式在区域内实现碳减排具有可行性。其中有6种模式在实现碳减排的同时具有低的生产成本，能够满足低碳排放高效益的发展要求。

图 2 鄂中丘陵岗地水稻种植模式单位减排潜力及单位减排成本 Figure 2　The unit emission reduction potential and cost in different paddy planting patterns in middle hill

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图 3 江汉平原水稻种植模式单位减排潜力及单位减排成本 Figure 3　The unit emission reduction potential and cost in different paddy planting patterns in Jianghan plain

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图 4 鄂东北丘陵水稻种植模式单位减排潜力及单位减排成本 Figure 4　The unit emission reduction potential and cost in different paddy planting patterns in northeast hill

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由于水稻种植碳排放及经济成本、种植习惯等存在地域性差异，且模式的推广也应兼顾地域性特征，分区域进行。

鄂中丘陵岗地种植区，模式1-1、1-7相对于基准模式具有低的碳排放和经济成本，模式1-2、1-4减少单位碳排放的经济成本较基准模式低，但碳排放强度较高，模式1-6碳排放强度较低，但成本相对基准模式高，模式1-5具有高的碳排放和经济成本。模式1-1和1-7的减排潜力（ΔQ_i）分别为0.16 kg CO₂-eq·kg^-1和0.21 kg CO₂-eq·kg^-1，对应碳减排成本（C_i）分别为-0.64元·（kg CO₂-eq）^-1和-0.95元·（kg CO₂-eq）^-1（图 2）。两种模式之间的差别在于灌溉模式、农资投入和耕作方式。间歇灌溉需要反复抽水灌溉，由此引起的农用能源碳排放较淹水-烤田-间歇灌溉模式高。水分管理通过影响土壤温度、土壤呼吸强度和组分影响温室气体的排放^[21-23]（图 1a）。模式1-7农资投入水平小于模式1-1（图 1b）。因此，产量相近的情况下，模式1-7具有较高的减排潜力，且经济成本低，具有更高经济效益。此外结合调研结果，农户更偏好机械耕作，模式1-7较模式1-1有较高的推广可行性。鄂中丘陵岗地种植区已有的种植模式向中稻-油菜轮作、间歇灌溉、适量施肥、机械耕作、秸秆不还田模式转换，可以产生较好的经济效益，同时降低单位水稻产出的碳排放强度。

江汉平原种植区内，由基准模式向已识别的种植模式转换时，模式2-2、2-3、2-4、2-6都将带来一定的碳减排（ΔQ_i>0），碳减排潜力介于0.02~0.44 kg CO₂-eq·kg^-1之间。当基准模式向模式2-1、2-5、2-7转换时，将在不同程度上增加单位产出的碳排放（ΔQ_i < 0），增幅在0.05~0.0.67 kg CO₂-eq·kg^-1之间（图 3）。轮作模式、秸秆处理方式和农资投入强度是影响不同模式间碳排放强度的主要因素。轮作模式通过影响土壤含水量、温度等理化性质影响稻田CH₄排放，中稻-闲田轮作模式种植前的闲田阶段杂草提供了大量产甲烷基质，会增加稻作季CH₄的排放，中稻-小麦和中稻-油菜轮作模式因前茬种植小麦和油菜在秸秆不还田的情况下可能降低土壤有机碳含量，从而降低CH₄产生量^[24-25]（图 1a）。秸秆处理方式显著影响碳排放，秸秆不还田增加碳排放的同时，不利于提高土壤肥力和增加作物产量，因此模式2-3具有高的减排潜力。但依据调研结果，稻-小麦和稻-油菜轮作是区域内主要的轮作模式，具有较高的代表性（表 3）且对于稳定粮食产量有重要作用，因此中稻-闲田的模式在江汉平原推广存在一定难度。江汉平原种植区碳减排成本（C_i）差异显著，单位碳排放变化所带来的生产成本变化量在-6.55~3.14元·（kg CO₂-eq）^-1之间。模式2-3和模式2-6具有一定的减排潜力，但其减排成本显著高于基准模式，不具有推广价值。模式2-2、2-4均属于低排放高效益模式。就减排成本而言模式2-2最具优势，但模式2-4具有更高的减排潜力，且适量施肥更符合农业发展需求。以模式2-4为代表的中稻-油菜轮作，淹水、烤田、淹水间歇灌溉的水分管理，适量施肥，秸秆不还田情景下已具有较好的减排潜力和成本优势，辅以秸秆还田改进措施将可以产生更好的综合效益，可以作为该区域的推荐模式。

种植模式受地域种植习惯和种植条件的限制，鄂东北种植区农资投入强度低于鄂中丘陵岗地和江汉平原地区，其中推荐施肥量最低，仅为鄂中丘陵岗地种植区89%，因而具有较高的减排潜力。鄂东北丘陵种植区所有种植模式单位水稻产出碳排放量均小于基准模式，具有一定减排潜力（ΔQ_i>0），减排潜力介于0.03~0.29 kg CO₂-eq·kg^-1之间。模式间减排成本（C_i）差异显著，不同模式减少单位碳排放所带来的生产成本差异在-0.88~1.81元·（kg CO₂-eq）^-1之间。模式3-3减排成本最低，单位碳减排将带来0.88元的相对收益。模式3-1减排成本仅次于模式3-3，每单位碳排放的降低将减少0.71元生产成本。综合考虑减排潜力及单位减排成本，模式3-1及模式3-3较其他模式更具推广价值。模式3-1水分管理方式下稻田淹水时间短，能有效降低稻田CH₄排放，具有较高的减排潜力，但模式3-3具有较高的减排收益，且机械耕作方式更易于被农户接受。鄂东北丘陵种植区中稻-油菜是较为普遍的轮作模式，因此模式3-3可以作为该区域的推广模式。

综合碳排放和经济成本2个基本属性对所识别的水稻种植模式进行综合评估，并结合不同种植区域的生产实际，分别筛选出区域内低碳排、低成本的水稻种植模式。种植模式间碳排放及经济成本差异明显，通过改变种植模式可以在降低生产成本的同时，实现碳减排。结果可为区域发展低碳高效稻作提供借鉴。

不同种植区域内由于种植习惯及种植条件等不同，适宜推广的低碳排、低成本水稻种植模式具有明显差异。鄂中丘陵岗地种植区已有的种植模式中，中稻-油菜轮作、间歇灌溉、适量施肥、机械耕作、秸秆不还田种植模式最具推广价值。江汉平原种植区适宜推广的种植模式为中稻-油菜轮作、淹水-烤田-淹水-间歇灌溉、适量施肥、机械耕作、秸秆不还田。鄂东北丘陵种植区适宜推广的模式则为中稻-小麦轮作、间歇灌溉、适量施肥、机械耕作、秸秆不还田。

合理的灌溉方式、轮作制度是影响水稻碳排放强度的关键因素，而农资投入水平不仅影响碳排放，也是影响生产成本的关键因素。通过调整优化农资投入，在有效减少碳排放的同时也可以带来经济成本的降低即减排效益的增加。

文中种植模式均是生产实际调研所获得，各个区域所推荐模式仍具有进一步优化的空间，如秸秆由不还田调整为还田，将更有助于降低生产成本、提高土壤肥力并降低碳排放强度。