滨海滩涂垦区主要大田作物生产碳足迹研究*——以江苏省盐城市为例

李 强，杨文慧，邹晨昕，徐新悦，李建国※，张忠启

(1.江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，徐州 221116；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引言

气候变化是当今人类面临最严峻的全球环境问题，受到国际社会广泛关注。气候变化主要原因已经被证实为人类向大气中排放过量的温室气体，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等[1]。据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告，2010年全球农业温室气体排放量为12.0 Gt(CO2当量)，占人类活动排放总量的24%[2]。我国是世界主要农业大国之一，以稻麦、麦玉轮作为主的农业生产方式对全球碳排放总量的影响不容小觑[3]。我国海岸带地区围垦面积超过7 500km2，占我国盐渍土面积的2.1%，占全国农地面积的0.56%[4-5]。我国东部沿海地区经济最为发达，人口最为集中，人地矛盾最为突出。该区域的农业可持续生产和管理在保障区域社会经济平稳发展、缓解人地矛盾过程中起到重要作用[6]。东部滨海滩涂垦区作为后备土地资源开发的主要对象，是调和土地资源供需矛盾、提升粮食产量、缓解经济发展压力的重要举措[7-8]。根据最新IPCC报告，作为海陆生态系统重要的碳库，海岸带由于区位特殊、交互带的复杂性等原因，同时又受人类活动干扰严重，一直未能将海岸带滩涂作为独立生态单元纳入国际碳排放清单当中[9]。由于我国海岸带盐渍土农业具有不同于传统农区的耕作制度和耕作方式，围垦后农业活动会对区域的生态环境产生何种影响，当前对这一领域的关注还有待提高[10]。农业活动是重要的人为源碳排放因子。不同于传统农区的农业活动，滩涂盐土农业具有其独特的耕作习惯和制度。因此，针对东部滩涂农业生产碳排放的研究有助于完善我国农业人为源碳排放和国际碳收支平衡体系目录。江苏滨海滩涂作为我国最大的滨海农业垦区，开发历史早，农业规模大且具有相对成熟的农业围垦技术与耕作体系，以江苏滨海垦区作为研究区具有典型代表性[11]。

源于“生态足迹”的概念，农业生产过程当中由生产资料投入引起的碳排放强度被称为碳足迹(Carbon Footprint，CF)。碳足迹方法是近年来出现的研究人类活动强度和优化资源配置的优秀方法，已经成为气候变化领域新的研究热点[12]。农业碳足迹的研究方法是在生命周期评价方法基础上，分析单位质量农作物从播种、生长、收获和废弃物处理的全生命周期内直接或间接温室气体排放总和，通常使用生产单位产品的CO2当量表示[13-14]。国内外已有许多学者开展了农业碳足迹的研究。West等[15]综合考虑农业生命周期中各个排碳因素，测算美国农业碳足迹，Gan等[16]研究加拿大半干旱地区小麦碳足迹，并讨论了降低碳足迹的耕作方法，Dubey等[17]对比分析了美国俄亥俄州和印度旁遮普邦碳足迹碳足迹分布特点和差异，王占彪等[18]就华北平原农业生产状况揭示华北平原碳足迹空间分布规律，刘松等[19]分析关中平原大麦、玉米、苜蓿等饲料作物碳足迹，刘巽浩等[20]讨论了国内碳足迹研究方法误区以及改进与应用。综上来看，国内外学者从不同角度对农业碳足迹进行了研究，取得了一定的成果。但大部分的研究多注重传统农区的农业生产的碳足迹[18-22]，针对某一特殊生态区的研究案例较为鲜见，关于滨海地区特别是发展中国家滨海地区农业发展的碳足迹更是鲜有报道。文章以江苏省滨海垦区最为集中的盐城市为例，通过实地农户调研，摸清滨海地区农业生产过程中生产资料及其相关资源投入的结构与规律，借助农业碳足迹理论以及生命周期法，对滨海滩涂常见的大田作物(大麦、小麦、玉米、水稻)生产的碳足迹进行研究，评估滨海滩涂地区碳足迹，分析其影响因素并提出相应减排措施，为优化滨海地区农业生产资料的配置，构建滨海地区生态农业的发展模式，促进区域可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区与数据来源

表1 问卷调查基本状况

该研究的滨海垦区位于江苏省盐城市亭湖区，东临黄海，为围垦80年的老垦区(图1)。该地是围垦历史较为悠久的垦区，土壤虽经数十年的洗盐增肥，土壤质量依然不高，农业生产与传统农区依然有很大的差异，具有鲜明盐渍土农业生产特点[23]。研究区大田作物轮作方式主要为典型的春小麦—夏玉米轮作，当地农户在春季选择种植大麦或小麦等麦类作物，于夏季种植玉米。因为围垦区土壤含盐量大、水源不充足等原因制约，当地农户不选择种植水稻。但随着近些年土地流转政策的推进，许多土地承包商来到垦区承包大面积的土地进行水稻生产，改变了该地大田作物种植以麦玉轮作为主的格局。

课题组于2017年7月使用农情调查问卷的方式，走访了当地266户农户，土地承包商10户，入户调研了滨海垦区亭湖区内8个村镇的大田作物的化肥、农药、农机使用、产量、灌溉等作物种植管理以及产出情况，获取大麦种植样本84个，小麦181个，玉米213个，水稻10个。因为当地普通农户不种植水稻，土地承包商数量又远不及农户数量，故该研究水稻样本数量相较大麦、小麦、玉米样本小，10个水稻样本均来自当地大的土地承包商。但这10个水稻样本数据涉及耕作土地面积大，种植管理模式一致性好，能代表该区域一般水稻种植情况。调研数据的基本情况如表1所示，文中数据使用SPSS22.0、Excel2010处理分析。

图1 研究区位置

图2 作物碳足迹的边界与清单

1.2 评价方法

农业碳足迹根据生命周期评价标准方法(GB/T24040)，可分为目的和范围的确定、清单分析、影响评价、解释[24]。

1.2.1 目的和范围的确定

该文研究对象为滨海垦区大田作物碳足迹，即生产1kg粮食作物(干重)整个生命周期过程中所消耗的温室气体排放量(以CO2当量)。系统边界划分是碳足迹评价中极为重要环节，边界范围直接影响最终研究结果的不确定性[25]。与农业种植相关的温室气体排放可分为“从种植到农场大门”和“从农场大门到市场”两部分。但因“从农场大门到市场”环节涉及到农产品的加工、销售过程，类目繁杂、难以追溯，通过调查问卷的数据获取方式难以定量化获取相关数据。故该研究将边界范围定义为“从种植到农场大门”，即只考虑作物从种植、生长、管理、收获过程中碳排放量，不考虑农作物收获后进入市场后加工、销售等环节。

1.2.2 清单分析

清单分析是生命周期评价中最重要的步骤[24-25]，主要列举出范围边界中所产生碳排放的全部环节，如图2所示。纵观作物生长过程，“从种植到农场大门”整个生产过程中的碳排放包括如下几点：(1)犁地、播种作物使用农机时碳排放；(2)生产农药、化肥过程中碳排放；(3)化肥施用时田间直接或间接的碳排放；(4)灌溉时电机抽水耗能的碳排放；(5)作物收割时农机使用时碳排放；(6)残留秸秆带来的碳排放。在对农户进行调查时，有些数据并不能直接获取，需要通过一系列间接换算得到。化肥用量在碳足迹的计算中通常以有效成分计，当地使用的尿素有效成分为46.4%，磷肥38%；秸秆残余量的计算采用国内毕于运[26]草谷比的相关研究，大麦、小麦、玉米、水稻的草谷比分别为1.3：1，1.36：1，1.1：1，1：1；农机柴油667m2耗油量来自当地农机租赁商，并结合各农户田地大小和实际租赁情况进行折算；其他化肥、农药、电能、作物产量等数据可从农户处直接获取。投入和产出量详见表2。

表2 单位公顷作物投入与产出

1.2.3 评价方法

大麦、小麦、玉米、水稻碳足迹涉及的温室气体有CO2、N2O和CH4，为便于汇总排放量，用CO2当量计量不同种类温室气体的排放量，根据N2O和CH4的温室效应贡献度(增温潜势值)换算为CO2的温室效应贡献度。计算公式为：

CFSi=(eco2i×WCO2+eNo2i×WN2O+eCH4i×WCH4)/Gi

(1)

式(1)中，CFSi为第i种作物的碳足迹(kg/kg)；eco2i为第i种作物生命周期内CO2的排放量(kg/hm2)；eNo2i为第i种作物生命周期内N2O的排放量(kg/hm2)；eCH4i为第i种作物生命周期内CH4的排放量(kg/hm2)；WCO2、WN2O、WCH4分别为CO2、N2O和CH4增温潜势值，根据2007年IPCC报告，取值分别为1，298，25；Gi为第i种干物质产量(kg/hm2)。

(2)

式(2)中，CFij为生产第i种作物使用第j种肥料量(kg/hm2)，WCFj为生产第j种肥料的CO2排放系数(kg/kg)；PEi为第i种作物的农药施用量(kg/hm2，以有效成分为准)，WPE为生产农药的排放系数(kg/kg)；MAi为第i种作物农机消耗柴油量(L/hm2)，WMA为柴油燃烧CO2排放系数(kg/L；ELi为耗电总量(kW·h/hm2)，WEL为生产电的CO2排放系数(kg/kWh)；URi为第i种作物尿素施用量(kg/hm2)，WUR为尿素排放因子(kg/kg)。

eNo2i=(FNi+GRi×WGR)×(DN+GASi×WNH+L×NL)

(3)

式(3)中，FNi为第i种作物施氮量(kg/hm2)；GRi为第i种作物田间残余量，WGR为作物残余中含氮量(kg/kg)；DN为氮肥直接排放系数(kg/kg)；GASi为第i种作物氨挥发系数，WNH为大气氮沉降排放N2O系数；L为氮肥淋溶损失系数；NL为渗透或径流损失N的N2O排放系数。

eCH4i=d×E(CH4)diff×A

(4)

式(4)中，d为每年田中淹水天数(day/年1)；E(CH4)diff为日每公顷CH4挥发量(kg/kg/d)；A为覆水面积(hm2)。有关计算参数见表3。

表3 碳足迹计算相关参数

图3 不同作物二氧化碳、氧化亚氮排放量

2 结果与分析

2.1 温室气体排放强度测算

从不同的温室气体来看(图3)，不同作物不同温室气体排放量差异显著(由于该地旱田作物为雨养作物，甲烷排放量为0，故不参与显著性检验)。作物CO2排放量(eco2i)由大到小顺序为：水稻(3 896.01kg/hm2)>玉米(2 505.55kg/hm2)>小麦(2 093.05kg/hm2)>大麦(1 886.44kg/hm2)。其中，水稻与玉米生产过程的CO2排放量显著高于小麦和大麦(P<0.05)，而大麦与小麦之间不具有显著性差异。从氧化亚氮排放量(eN2Oi)来看，排放强度由大到小依次为玉米(9.53kg/hm2)>小麦(8.79kg/hm2)>水稻(8.39kg/hm2)>大麦(7.05kg/hm2)。其中，玉米和小麦的N2O排放强度显著高于大麦(P<0.05)；甲烷由于其特殊的排放环境，在4种作物中仅有水稻具有较大的排放量(eCH4i)，约为15.05kg/hm2，其余作物生产无甲烷释放(表4)。从图3中可以看出，不同农作物之间的调研数据变异性较为一致，反映出研究区不同农户的生产投入偏好趋于一致，具有较为可靠一致的农业行为。以增温潜势参数(表3)将不同温室气体换算成CO2当量发现，不同温室气体的贡献度也各不相同。从表3可以看出，N2O贡献度均大于CO2，CO2释放在4种大田作物碳足迹的贡献分别达到47.32%(大麦)、44.41%(小麦)、46.88%(玉米)和49.43%(水稻)，而氧化亚氮碳足迹贡献度分别达到52.68%(大麦)、55.59%(小麦)、53.12%(玉米)和50.57%(水稻)。

表4 不同温室气体对碳足迹贡献度

表5 滨海滩涂大田作物碳足迹

2.2 滨海垦区主要大田作物生产碳足迹

滨海滩涂大田作物碳足迹计算结果见表5，生产1kg大田作物的温室气体排放量(以CO2当量)由大到小依次为：玉米0.769±0.224kg/kg、水稻0.739±0.241kg/kg、小麦0.636±0.183kg/kg和大麦0.630±0.184kg/kg。玉米作为需肥量大的作物，其碳足迹显著高于大麦、小麦和水稻。玉米氮肥量施用量为439.281±144.852kg/hm2，是大麦259.910±107.207kg/hm2的1.69倍，是小麦299.487±114.782kg/hm2的1.47倍，是水稻362.693±149.339kg/hm2的1.21倍。在入户调研中也发现，玉米肥料施用量差异最大，施用最多氮肥的农户达到1 148.4 kg/hm2，施用氮肥最少的农户不施肥。当地农户有“玉米肥施越多，产量就越高”的说法，但并不是一味盲从，这取决于当地农户对于农产品产量以及成本效益的认识差异。

2.3 不同生产环节对碳足迹的贡献

如图4所示，各作物碳足迹组成结构可分为氮磷肥生产、农药生产、作物残碳、农机使用、氮肥田间排放和灌溉六大部分组成。其中，农药生产对碳足迹贡献最小，仅为0.44%～0.48%，保持在0.5%以下；农机使用贡献度为3.67%～5.79%，贡献度在6%以下，且大麦和小麦农机使用贡献度比玉米、水稻稍大，主要原因是在播种时，麦种较重，机器负载大，耗油多；作物残余的贡献度在4.73%～7.75%之间，小麦占比最大，水稻最小；磷肥生产贡献度在3.11%～7.81%之间，大麦占比最大，玉米最小[34]；氮肥生产贡献度在26.46%～37.12%之间，玉米占比最大，水稻最小；氮肥田间排放贡献度在29.06%～51.94%之间，小麦占比最大，水稻最小；水稻灌溉碳排量占23.83%，而大麦、小麦、玉米在滨海滩涂地区灌溉主要靠降水，不单独引水灌溉，故旱作灌溉碳排放占比为0%[35]。

图4 滨海垦区主要大田作物生产碳足迹组成

可见，滨海围垦地区大田作物生产过程中，氮肥生产和氮肥田间排放这两个环节在碳足迹中占重要组分。由施用氮肥直接或间接带来的碳排放量占总排放量的55.52%～87.40%。且在调研中了解到，氮肥的施用量处于逐年增加的趋势。是因该地区缺乏有机肥的施用、合理轮耕制度，一味追求作物高产带来更高的经济收益，而忽视土壤肥力保护，连年土壤肥力降低只能通过增施氮肥来补足。短期内大量氮肥施入土中，仅有一小部分被作物利用，其余大部分在田间分解释放N2O，而N2O增温潜势很高(298)[27]，即N2O温室效应贡献度是CO2的298倍，这是造成氮肥添加过程碳足迹较大的主要原因。

表6 国内外碳足迹相关研究 kg/kg

3 讨论

3.1 与同类研究结果的比较

国内外同类碳足迹研究如表6、表7所示，由于自然环境条件，农业生产方式，耕作制度以及经济发展状况不同，是造成同种作物碳足迹在不同地区差异性大最主要的原因。该研究玉米碳足迹与韩国[37]接近，但显著高于美国[36]和澳大利亚[39]，主要是因为美国和澳大利亚多为大规模集约化的农业生产，使用的肥料、化石能源和机械投入要低于滨海滩涂农业。由此可知，集约化和机械化的农业生产，可显著降低碳足迹，这给降低盐土农业碳足迹提供了新的思路。日本[38]水稻的碳足迹是该研究的13倍，这是由于其研究边界大，研究的生命周期长，将果实的加工、废物处理环节包含在碳足迹内；在美国[36]和澳大利亚[39]，评估框架内包括微量营养素(硫，硼和石灰等)的投入；在韩国[37]，使用有机肥代替无机肥料，并且存在农田基础设施引起的物质投入；而在规模化农场生产中，会将化肥、农药等农资的交通运输消耗囊入评估框架中[36-39]。因耕作方式差异的原因，使家庭式、小规模的盐土农业生产过程中不存在上述投入，造成同一种作物在不同地区碳足迹的差异，体现出特定区域碳足迹数值和结构上独有的特点。

与我国其他地区研究相比，小麦、玉米碳足迹与山东省[34]的研究最为接近，主要原因是山东氮肥施用量、碳足迹结构比与该研究情况相似；而该研究水稻碳足迹较上海[35]的低，主要原因是研究边界差异较大，上海的研究多了稻谷加工环节，将稻谷晾晒、脱壳、碾米、抛光、包装等加工过程中碳排量也计算在水稻生命周期内；玉米研究结果较关中平原高[19]，主要原因是施氮量差异显著，关中平原施氮量为179.9±91.7kg/hm2，而滨海滩涂玉米施氮量为439.281±144.851kg/hm2，是其2.44倍；滨海滩涂碳足迹相较华北、东北地区高[21-22]，因为华北、东北地区环境干燥，灌溉造成的更多能源投入，尤其是后者属于大规模生产，重型机械使用也是造成碳足迹高的原因。

表7 各个国家碳足迹研究框架

3.2 滨海滩涂垦区大田作物生产各环节碳足迹结构特点

研究区碳足迹结构组成具有鲜明的特点。在作物灌溉环节体现最为明显。关中平原玉米灌溉排碳量242.42kg/kg，碳足迹贡献度39.1%，小麦灌溉排碳量为58.8kg/kg，碳足迹贡献度24.5%[19]，华北平原小麦灌溉排放量309.01kg/kg，碳足迹贡献度28.07%[22]。而滨海滩涂大麦、小麦、玉米等旱田作物为雨养作物，无需引水灌溉，节省了灌溉所需能耗，灌溉环节在碳足迹贡献度为0%。滨海垦区主要为沙质土壤，土壤保水性差，加之土壤脱盐改良的需要，与传统农区相比同种作物生长周期里需要更多的灌溉次数，水田灌溉耗能大。江苏内陆地区的水稻种植在生产周期内一般灌溉次数不超过8次，而研究区灌溉次数都在20次以上。因此，研究区水稻灌溉环节排碳量达到1 479.91kg/hm2，碳足迹贡献度23.83%，平均耗电量1 569.364kW·h/hm2，同样是干湿交替灌溉模式，该值是上海水稻灌溉能耗222.75kW·h/hm2的7.04倍[35]。

氮肥施用环节碳足迹贡献度的特点也非常明显。研究区与氮肥施用有关的碳足迹贡献占比水稻为55.52%，大麦78.99%，小麦80.27%，玉米更是达到87.40%。而传统农区氮肥施用对碳足迹的贡献度大麦、小麦为38.96%，玉米47.15%，水稻16.5%，远小于该研究区，可见滨海地区施氮环节贡献占比显著偏大。原因主要有两方面：一方面，研究区存在严重过量施肥状况，较其他研究结果滨海地区氮肥施用量大；另一方面，研究区化肥施用种类单一，因该地土壤为滨海盐渍土，富含钾离子，故不施钾肥，氮肥和磷肥(尤其是氮肥)为该地主要施用的化肥，而其他研究区施肥种类多样化，氮、磷、钾肥根据一定比例施用，故而将滨海地区氮肥对碳足迹的贡献度凸显出来。经研究，氮肥施用量对碳足迹的贡献度存在线性关系，如图5所示。回归结果表明，氮肥的施用量和碳足迹呈显著正相关，氮肥施用越多，碳足迹值越高。每增施1kg的氮肥，大麦、小麦、玉米和水稻碳足迹分别增加0.001 5，0.001 2，0.001 2和0.000 6kg/kg。

图5 施氮量与碳足迹的关系

3.3 未来降低滨海滩涂农业生产碳足迹的措施选择

根据研究结果，与氮肥施用有关的环节对碳足迹的贡献率均超过55%，生产氮肥碳排放约占26.46%～37.12%，氮肥田间排放约占29.06%～51.94%，是滨海滩涂大田作物温室气体排放最主要影响因素。针对氮肥生产时的碳排放，可通过淘汰高耗能的油基型氮肥生产路线，优化煤基氮肥生产路线，研发清洁煤基氮肥技术[40]，降低氮肥生产时碳排放量。而采取施用缓释氮肥[41]，脲酶抑制剂[42]等方法，延缓养分释放，延长尿素扩散时间，是提高氮肥利用率[43]，降低氮肥田间排放的可行之策。

经调查，该地区存在严重过量施氮现象，且年均施氮量呈逐年增长的趋势[44]。大量的氮肥投入至田间，只有少量被作物利用，大量残余氮肥滞留在田中，经过土壤硝化、反硝化、分解等作用释放氧化亚氮至大气。在保证作物产量的同时，降低氮肥用量，可大大减少氮肥对碳足迹贡献度。根据《2017年春季主要农作物推荐施肥意见》(下简称《意见》)[45]有关2017年江苏滨海滩涂推荐施肥量数据，大麦、小麦推荐施氮量(N)为233.16kg/hm2，玉米208.8kg/hm2，水稻180.0kg/hm2，皆低于该地实际情况。若使用《意见》提供的施氮量对碳足迹进行评价，大麦、小麦、玉米、水稻排碳量将减少15.63%,14.38%,73.92%,55.58%，碳足迹分别可降低16.58%,18.76%,39.09%,31.75%。

除降低氮肥施用环节碳排放之外，水稻灌溉、农业机械使用、秸秆残留等环节碳排放依然不能小觑。在水稻灌溉方面，采用覆地膜等方法改良土壤储水性，使用滴灌等先进灌溉设备和灌溉技术，集约化节水灌溉，发展节水农业是降低水稻生产碳足迹的有效方法；在农业机械使用方面，因农机作业排碳量受人、机器和作业环境等多种因素的综合影响[46]，推行更为有效的操作方法和选择适合于滨海垦区耕地特点的机器类型能显著提高耕作效率[47]，而采取保护性耕作，少耕、免耕，一定程度上也可减少农机的使用[19]；在农业生产方式上，推行种养结合与生态农业，大力引入有机肥降低化肥使用量，积极推行秸秆肥料化和秸秆还田工作，因地制宜开展农作物秸秆的有效利用[48]。

4 结论

(1)滨海垦区地区主要大田作物的碳足迹(以CO2当量)在0.630～0.769kg/kg之间。由大到小依次为，玉米0.769±0.224kg/kg、水稻0.739±0.241kg/kg、小麦0.636±0.183kg/kg和大麦0.630±0.184kg/kg。玉米作为研究区广泛种植的粮食作物，氮肥投入量大，其碳足迹显著高于其他作物。

(2)滨海垦区主要大田作物生产的碳足迹组成结构中，氮肥生产、氮肥田间排放主要环节，对碳足迹的贡献率分别为26.46%～37.12%和29.06%～51.94%。占比明显大于其他地区。水稻灌溉耗能高，对碳足迹的贡献率为23.83%。

(3)自然环境条件，农业生产方式，耕作制度等差异，使碳足迹研究框架产生巨大差异，是导致同种作物碳足迹在不同地区差异性大最主要的原因。盐土农业小规模、家庭式的生产方式，加之盐渍土肥力低下、含盐量大的土壤肥力状况，农业生产过程中施肥量较我国其他区域大，水田灌溉过程中需要更多水压盐，使得江苏滨海滩涂盐土农业碳足迹在数值和结构上兼具鲜明特点。

(4)降低盐土农业碳足迹，重点应放在施氮和水稻灌溉两个方面。施氮方面可采用氮肥减施、提高氮肥利用率、降低产氮肥能耗等措施；水稻灌溉方面应结合当地土壤性质改良土壤储水性，促使犁底层形成，同时采用节水灌溉设备和灌溉方法，发展节水农业与生态农业。