吉林省玉米保护性耕作机械化生产的碳足迹研究

贾翘 袁洪印

摘 要 ：基于吉林省中部地区机械化保护性耕作的调查数据，利用基于农业生命周期评价（LCA）分析的碳足迹分析研究，对不同保护性耕作模式进行的碳足迹分析。结果表明：玉米均匀垄机械化保护性耕作模式碳足迹为516.38 kg·CO2-eq/hm2，宽窄行机械化保护性耕作模式为522.30 kg·CO2-eq/hm2，高光效玉米栽培机械化保护性耕作模式的碳足迹最大，可以达587.1 kg·CO2-eq/hm2。分析发现，氮肥的施用和农机机械的使用对玉米生产机械化保护性耕作的碳足迹分析有最大的影响。因此，需要加大玉米种植的规模效应，提高农机的使用效率，定量施肥并增强单位面积上氮肥的使用效率。

关键词：保护性耕作；机械化生产；碳足迹；生命周期评价；玉米

中图分类号： S513 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532025

引言

由于人类长期对自然资源的不合理的进行开发利用，我国农业生产面临着众多资源与环境问题的挑战。因此，不断提高人类对环境资源的利用效率，保护生物多样性及农业生态环境，是农业的可持续发展必经之路[1]。农业碳足迹分析是一种碳排放对温室效应影响的定量方法，以农业生命周期评价（LCA）理论为基础，可以系统评价农作过程引起碳排放的主要环境影响因子，是低碳农业和可持续发展农业的理论基础[2]。农业LCA理论可以定量分析与评价农业生产活动整个生命周期过程的资源利用与环境负荷之间的关系，农业LCA分析方式对我国农业可持续发展具有重要指导意义[3]。

农业碳足迹分析能够系统地评价玉米生产机械化保护性耕作生命周期中，由不同因素及环境影响因子直接或间接产生的碳排放，定量地计算农业活动对气候变暖、碳排放的影响，为改进玉米生产机械化保护性耕作农艺方式提供依据，并对低碳机具设计与选择指明方向[4]。本文依托农户跟踪调研，以玉米生产机械化保护性耕作模式为研究对象，利用农业碳足迹理论、农业生命周期评价LCA理论及其相关研究方法，在参照国内及国际上碳排放参数的相关研究内容，定量的对玉米生产机械化保护性耕作碳排放当量进行计算，并分析其相关指标与碳排放的关系，并筛选出吉林中部地区碳排放减低的玉米机械化保护性耕作模式，为改进农艺方式和低碳机具设计提供依据。

1 玉米保护性耕作模式调查及分析

2014年2-4月在吉林省中部地区对玉米机械化保护性耕作模式的调研，本次调研涉及对象包括公主岭、榆树等6个县市的农技推广站，农机大户，农机合作社以及普通玉米种植户等不同的玉米种植主体。调研对象选取具有代表性的对象，基于随机抽选的原则，调研小组通过与调研主体的近距离交流，获得不同玉米机械化保护性耕作模式的投入及产出数据。

1.1 均匀垄保护性耕作模式

农业技术流程为：整地（包括灭茬、旋耕、起垄、镇压多个过程）→农田播种及施肥→田间管理（老式的三铲三趟等多种类型）→收获环节（留茬、还田）。

技术特点：

整地可分为灭茬、翻地、耙地、起垄、镇压等5部分。农户会根据实际情况对这5部分分别进行选择整地步骤。

农户选择播种机对农业用地进行半精量播种施肥。

田间管理过程包括除草、深松、追肥、灌溉等多种作业方式，农户也是根据实际情况选择田间管理的不同类型。

收获环节主要有人力收获及机械收获2大类型。

1.2 宽窄行保护性耕作模式

技术特点：

宽窄行机械化保护性耕作模式不是传统的均匀垄种植方式，而是通过机械整地将均匀垄耕作模式改为平作耕作模式或大垄双行耕作模式。

宽窄行机械化保护性耕作模式经常使用半株加密精量播种方式而非常用的半精量播种方式。

宽窄行机械化保护性耕作模式每对休耕轮作带进行深松处理，其中农田深松深度需达30～40cm。

宽窄行机械化保护性耕作模式是高留茬，留茬高度平均为30～40cm，留根茬到第2年各种自然过程腐化进行还田。

1.3 高光效保护性耕作模式

技术特点：

整地改垄。玉米高光效机械化保护性耕作模式在吉林省中部地区垄向大约为磁南偏西20°左右，会根据每个地区的光照条件进行调整，耕作时大垄行距为165 cm，小垄行距35 cm。

播种方法。第1年玉米高光效机械化保护性耕作模式按耕作行宽40cm，休耕行宽160cm进行播种。第2年在第1年耕作行的东侧30cm处仍按耕作行宽35cm，休闲行宽165cm进行播种。第3年按耕作行宽40cm，休闲行宽160cm再间隔30cm进行播种。3a形成1个耕作轮回。

采用机械精量播种。

2 典型模式的碳足迹测算

2.1 清单分析

清单分析阶段包括分析特定系统的功能单位内涉及的所有资源投入及物质产出，本文研究过程中所涉及的特定系统是吉林省中部地区不同玉米机械化保护性耕作模式的农作系统。不同机械化保护性耕作模式1hm2玉米田所涉及的投入产出清单见表1。

表1 吉林省中部地区不同玉米机械化保护性耕作模式投入产出清单

均匀垄 宽窄行 高光效

复合肥/（kg·hm2） 1047.5 977.5 950

N/（kg·hm2） 293.3 273.7 266

柴油/（kg·hm2） 78.6 82 96.7

2.2 参数选择

NH3挥发按照氮素投入总量的14%进行计算，淋洗损失以氮素投入总量的12%计算，每向空气挥发1 kg氨和水体流失1 kg硝化氮（NO3），会间接产生氧化亚氮（N2O），其中间接挥发氧化亚氮（N2O）分别取0.01 kg和0.025 kg，氧化氮（NOx）的挥发系数为氧化亚氮的10%。柴油燃烧清单如下：CO为0.629 g/kg；NOx为4.794 g/kg；SOx为3.995 g/kg；CO2为3185.005 g/kg；CH4为0.007 g/kg；N2O为0.016 g/kg。计算可得吉林省中部地区不同玉米机械化保护性耕作模式的碳足迹清单汇总见表2。

表2 吉林省不同玉米机械化保护性耕作模式生命周期清单汇总 单位：kg/hm2

物质名称 均匀垄 宽窄行 高光效

NOx 0.858 0.842 0.900

CO2 250.34 261.17 307.990

CH4 0.000550 0.000574 0.000677

CO 0.0494 0.0516 0.0608

2.3 特征化

2.3.1 环境负荷

国际上已经建立了比较完善的LCA当量模型，利用相对完善的LCA当量模型可以对气候变暖进行评价分析[5]。其中造成不同玉米机械化保护性耕作模式农田碳排放负荷的环境影响因子以及各个环境影响因子当量系数见表3。

表3 碳足迹排放物质的当量系数

排放物质 当量系数

碳排放 CO2 1

CO 2

CH4 21

NOx 310

（1）

式中：为玉米农作系统对碳排放的特征化结果；为第i种环境影响因子对碳排放的影响潜值；为第i种环境影响因子的排放量；为第i种环境影响影子对碳排放的当量系数。

根据表3选定的影响因子和当量系数，利用式（1）对各种影响因子进行特征化分析，结果见表4。

2.3.2 碳足迹分析

全球气候变暖是近年来较受关注的有全球性影响的环境负荷，根据当今有关碳排放的研究，可知导致气候变暖的主要因素为二氧化碳、甲烷、氟利昂、氧化氮等，国际上通常以二氧化碳作为参照物，二氧化碳的当量系数被视为1，其他相关环境影响因子按照百年影响分别设置当量系数[6]。

2.3.3 标准化

标准化通过特征化获得的结果除以已选好的基准值，相关数据见表5。

（2）

式中：为碳足迹分析的标准化结果；为2000年世界基准值。

表4 不同玉米机械化保护性耕作模式碳足迹特征化结果 单位：kg/hm2

影响因子 均匀垄 宽窄行 高光效 当量系数（CO2） 均匀垄 宽窄行 高光效

CO2 250.34 261.17 307.99 1 250.34 261.17 307.99

CO 0.0494 0.0516 0.0608 2 0.0989 0.103 0.122

CH4 0.000550 0.00057 0.000677 21 0.0116 0.0121 0.0142

NOx 0.858 0.842 0.900 310 265.92 261.01 278.94

总计 516.37 522.30 587.07

表5 不同玉米机械化保护性耕作模式生命周期评价标准化结果

影响类型 单位 模式类型 基准值/（人·年-1） 地域类型 标准化结果

均匀垄 宽窄行 高光效 均匀垄 宽窄行 高光效

碳足迹 Kg·CO2eq 516.38 522.30 587.07 6869 全球 0.0752 0.076 0.0855

2.4 评价结果解释

从表5中可以看出，玉米高光效机械化保护性耕作模式的碳足迹最大，可以达到587 kg·CO2-eq/hm2。玉米高光效机械化保护性耕作模式比均匀垄机械化保护性耕作模式和玉米宽窄行机械化保护性耕作模式分别多70.7 kg·CO2-eq/hm2和64.8 kg·CO2-eq/hm2。

玉米农作系统碳排放主要来自于农业机械工作过程中柴油燃烧产生的CO2和过量氮肥使用过程引发的NOx。其中在农作过程中，均匀垄机械化保护性耕作模式产生的CO2和NOx造成的碳排放分别占到此种种植模式总碳排放量的48.5%和51.5%（见图1）；宽窄行休闲机械化保护性耕作模式农作阶段产生的二氧化碳和NOx能够占到此类模式碳足迹的50.00%和49.97%，玉米高光效机械化保护性耕作模式产生CO2和NOx能够分别占到此类模式碳排放总量的52.6%和47.5%。

可见CO2和NOx是造成农田温室气体排放主要的因素，也是碳足迹分析重点，其中CO2主要是有机械油料燃烧引起，而NOx主要是由农田化肥的施用导致的，减少单位土地的这2种物质的施用是减少温室气体排放的节点和难点。

3 影响因素分析及对策建议

农业碳足迹受土地条件、农业设施和经济社会等不同因素的影响，不同区域、不同种植模式，经济社会条件相差较大，种种原因导致碳足迹的差异较大；相同区域内的不同种植模式的碳足迹也会产生些微差异，因为不同的玉米种植主体在机械运用上、在农技环节上及农田环境差异较大，对最终的碳足迹分析结果产生较大影响。

本研究中玉米高光效机械化保护性耕作模式农业碳足迹的最大，意味着玉米高光效机械化保护性耕作模式碳足迹最高，玉米高光效机械化保护性耕作模式使用农业机械最多，机械化程度最高，导致燃油较多，产生更多的碳排放。而宽窄行机械化保护性耕作模式和均匀垄机械化保护性耕作模式2种模式相对玉米高光效机械化保护性耕作模式相对较为传统，使用机械较少，因而由燃油燃烧导致的碳排放相对较少。

肥料的使用上，3种模式在实际应用过程中，施肥量基本一致，因其在长时间的种植过程中，享受了肥料增加带来的增产效应，形成了施肥多产量多的固定思路。农业合作社和农机大户有一定的科学的种植技术进行指导，生产机械化程度相对较高，但是随着土壤质量下降，农业合作社及农机大户在传统思维的束缚下并不敢降低施肥量，这也就导致实际施肥量并未按照新型保护性种植模式来减少施肥量。根据研究结果表明东北地区机械化保护性耕作模式有巨大的节能减排的能力与潜力，其中玉米均匀垄模式是重点。

在实际农作过程中，只有使用新型农业技术，加强农业基础设施的建设，加强研发与普及适应当地实际情况的测土配方技术等节肥技术，提高玉米作业过程中的化肥使用效率，是降低吉林省玉米机械化保护性耕作的关键；加强玉米种植的规模化也对降低碳排放具有重要意义，但是提高规模种植面积同样也受经济社会条件的作用，需要1个长期的发展演变过程，提高种植大户的管理水平，提高水肥的利用效率，降低单位面积上碳排放水平。分析发现，氮肥的施用和农机机械的使用对玉米生产机械化保护性耕作的碳足迹分析有最大的影响。因此需要加大玉米种植的规模效应，提供机械的使用效率，并施行定量施肥，增强单位面积上氮肥的使用效率。

4 结论

基于吉林省中部地区机械化保护性耕作的调查数据，利用基于农业生命周期评价分析的碳足迹分析研究，对不同保护性耕作模式进行的碳足迹分析。综合吉林省中部地区各县市的农业实际农作条件及本研究评价结果，可以看出在吉林省中部地区适合推广玉米宽窄行机械化保护性耕作模式和在传统垄作基础上的均匀垄机械化保护性耕作模式，有较强的可持续发展能力。

玉米宽窄行机械化保护性耕作模式要对原有垄作习惯进行调整，一次性投入较大，在农田改造完成后能产生较好的环境效益，碳排放减少，且一次投入后会有一个长期的经济环保效果，能产生较好的经济效益，农机大户及农业合作社有较大的动力进行推广应用。均匀垄机械化保护性耕作模式是在原有垄作基础上应用一定的保护性耕作技术，推广简便，在普通农户中较受欢迎，较为应用于吉林省大部分地区，实施难度较小，可在普通农户广泛推广应用

参考文献

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[2] 杨印生，盛国辉，吕广宏.我国开展农业LCA研究的对策建议[J].中国软科学，2003（5）：7-11.

[3] 杨印生，李洪伟.基于DEA模型的绿色产品非均一评价[J].中国机械工程，2003，14（11）：964-966.

[4]李向东，陈尚洪，陈源泉，等.四川盆地稻田多熟高效保护性耕作模式的生态系统服务价值评估[J].生态学报， 2006， 26（11）：3782-3788.

[5]陈源泉，高旺盛.农牧交错带农业生态服务功能的作用及其保护途径[J].中国人口·资源与环境， 2005， 15（4）：110-115.

[6]陈源泉，隋鹏，高旺盛，等.不同方法对保护性耕作的生态评价结果对比[J].农业工程学报， 2014，30（6）：80-87.

作者简介：贾翘（1989-），吉林长春人，在读硕士，研究方向：农业机械化经营管理；袁洪印（1963-），男，吉林长春人，博士，教授，硕导，研究方向：农业信息化与智能化。