楚雄市主要水稻种植区域的温室气体排放因素探究

段智源　王学良　何萍

摘 要 水稻种植会造成直接和间接的温室气体排放，采用生命周期法对楚雄市主要水稻种植区域的温室气体排放进行了综合评估，揭示该区域水稻生产中温室气体排放的来源结构，从而为该区域水稻的低碳、减排种植提供一定参考。结果表明：1）楚雄市单位面积水稻种植的温室气体排放量为7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2;2）造成温室气体排放的项目中，稻田CH4排放量>猪粪施用排放量>复合肥排放量>氮肥排放量，是排放量最大的4个温室气体来源，占温室气体总量的49.68%、16.98%、15.25%和9.03%，其余项目对温室气体总量的贡献均小于5%;3）单位稻米产量的温室气体排放量为692.88～719.02 kgCO2﹒t-1，单位净收益的温室气体排放量为2 492.31～2 595.84 kgCO2/万元。降低稻田CH4排放及施肥造成的温室气体排放是该区域水稻低碳种植的关键。

关键词 水稻;温室气体;生命周期评价;产量;经济效益

中图分类号：TU986 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.05.080

当前，全球气候变暖已成为世界各国共同关注的问题，造成全球持续变暖的根源被认为是近年来几种重要温室气体的快速增加，包括CO2、CH4和N2O等。人类活动排放的温室气体中，14%来自于农业生产[1]。水稻在生产过程中会直接或间接排放一定量的温室气体，其作为中国第一大粮食作物，对全球持续增温的贡献不容忽视[2-6]。目前，对于水稻生产过程中温室气体排放的研究，主要着重于种植过程中水稻田造成的CH4排放和施用氮肥造成的N2O排放[7-9]。较多研究表明，施肥、灌溉、秸秆还田等措施都会对水稻种植过程中的温室气体排放造成影响[8，10-11]。

事实上，除种植过程会直接造成温室气体排放外，水稻生产前和生产后的诸多过程都会间接造成温室气体的排放，如化肥、农药的生产，种子的运输，耕作过程中柴油的消耗等。因此，为了更加全面地评估水稻生产造成的温室气体排放，一些学者开始用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）的方法对该过程进行研究，结果显示，间接造成的温室气体排放也占有不可忽视的比例[5，12-13]。

楚雄市是云南省重要的水稻生产区域，目前对于楚雄市的水稻生产已有较多研究，主要集中在育种、田间管理、提高产量和经济效益等方面[14-16];而对于该区域水稻生产过程中温室气体排放的研究还较少。因此，采用生命周期评价的方法对楚雄市典型水稻生产区域的温室气体排放进行评估，揭示该区域水稻生产中温室气体排放的来源结构，从而为该区域水稻的低碳、减排种植提供一定参考。

1 研究区域概况

楚雄市位于云贵高原中部，地跨东经100°35′～101°48′、北纬24°30′～25°15′;属于北亚热带季风气候区，冬干夏湿，气温日差较大，年差较小;冬无严寒、夏无酷暑;干湿季分明，雨热同季;日照充足，年均日照为2 422 h，无霜期242 d，冬季降水偏少。年降水量为864 mm，年均气温为17.4 ℃。其中，水稻生產的主要区域分布在东瓜、苍岭、紫溪、东华、吕合和子午6个下辖镇境内。研究选取了东瓜、苍岭、紫溪、东华和子午作为具体的调查区域，这5个区域的水稻生产均是在楚雄彝族自治州农业科学研究推广所的指导下进行的，种植面积大且种植模式统一，较能代表楚雄市的水稻生产模式。

2 基本原理与研究方法

2.1 生命周期评价方法

生命周期评价方法是一种“从摇篮到坟墓”的系统研究方法，其最开始用于工业方面的评估;2004年，Brentrup等[17]设计了适用于农业生产的生命周期评价方法，其系统边界包括原材料的收集、相关农资的生产和农作生产3个环节，基于该方法，农作中产生的温室气体能够得到全面、系统的评估。参照其研究成果，本研究中水稻生产的温室气体排放边界从水稻生产上游与水稻生产相关农用物资的原材料采集开始，包含水稻生产相关的化肥、农药、柴油的生产、运输、原料采集等环节的温室气体排放、水稻种子生产的排放、施用肥料造成的排放、加工稻米消耗电能造成的排放，直到加工成稻米结束，计算公式如式1所示。

式中，Cf为温室气体排放总量，n表示生产过程中消耗了n种物质（农药、化肥、能源等），Cfi为第i种物质的温室气体排放，mi为第i种物质的消耗量，βi为第i种物质的温室气体排放因子。温室气体排放量的单位是kgCO2·hm-2，以排放的二氧化碳当量（Carbon dioxide equivalent）计算[18-19]。

2.2 数据收集

研究中造成温室气体排放的项目主要包括农用物资、能源消耗、施肥造成的田间温室气体排放等，其中种子的消耗量、肥料的用量、农药的用量来自于楚雄彝族自治州农业科学研究推广所提供的数据;柴油的消耗量、电能的消耗量通过实地调查获得。东瓜、苍岭、紫溪、东华、子午5个区域种植的水稻品种为楚粳-27号、楚粳-28号、楚粳-29号、楚粳-37号，楚粳-39号和楚粳-80号等，具体种植品种由农户根据自己意愿选择;产量分别为11 194.5 kg·hm-2、11 091 kg·hm-2、11 346 kg·hm-2、11 250 kg·hm-2、10932 kg·hm-2，而水稻加工的耗电量为2.65 kW·h·t-1，因此换算得到5个区域的水稻加工耗电量分别为29.7 kW·h·hm-2、29.4 kW·h·hm-2、30.1 kWh·hm-2、29.8 kW·h·hm-2、29.0 kW·h·hm-2。

氮肥类型为尿素，含氮量为46.4%;磷肥类型为过磷酸钙，P2O5含量为12%;复合肥类型为氮磷钾复合肥，其中N、P2O5、K2O含量均为15%;除草剂类型为98%杀草丹和田毛;杀菌剂类型为25%咪鲜胺、硫环唑、富士1号和井岗霉素;杀虫剂类型为高氯马。如表1所示，为楚雄市水稻生产涉及温室气体排放的项目。

2.3 排放因子

排放因子是指消耗某种物质单位物质的量所造成的温室气体排放量，因为各种物质的单位不尽相同，所以不同物质的排放因子单位也有所差异。如表2所示，排放因子一部分为直接引用前人的研究成果，包括氮肥的生产、氮肥的施用、磷肥的生产、除草剂的生产、杀菌剂的生产、杀虫剂的生产、耕地所消耗柴油的生产、灌溉及水稻加工所消耗的电能生产。

另外一部分在参照前人研究成果的基础上间接计算得出：复合肥的N、P2O5、K2O含量均为15%，而氮肥生产、磷肥生产和钾肥生产的排放因子分别为4.005 kgCO2/kgN、3.894 kgCO2/kgP和5.213 kgCO2/kgK[20]，因此计算得到复合肥生产的排放因子为1.505 kgCO2/kg肥料;猪粪的含氮量参考梁亚男等[21]的研究成果，取2.72%，根据省级温室气体清单编制指南（试行），氮肥输入云南地区农田的排放因子为0.010 6 kgN2O/kgN[22]，而单位质量N2O的全球增温潜势是CO2的310倍[23]，因此换算得到猪粪施用的排放因子为0.089 kgCO2/kg猪粪;同理可得氮肥施用的排放因子为3.286 kgCO2/kgN，复合肥施用的排放因子为0.493 kgCO2/kg复合肥;水稻田的CH4排放参照省级温室气体清单编制指南（试行），云南地区水稻田的CH4排放因子为156.2 kg·hm-2，而单位质量的CH4的全球增温潜势是CO2的25倍，因此换算得到稻田CH4的排放因子为3 905 kgCO2·hm-2[23]。

2.4 成本的计算方法

研究中将种子、化肥、农药、柴油和电能的投入作为成本，如表3所示，根据这些项目的单价计算得到水稻生产的成本。

3 结果与分析

3.1 温室气体排放总量

如表4所示，5个区域的水稻种植均是在楚雄彝族自治州农业科学研究推广所的指导下进行，造成温室气体排放的项目仅在每公顷加工的稻谷一项略有差异，因此5个区域水稻种植的温室气体排放量也较接近，为

7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2，各排放项目占总排放量的百分比也几乎相同。其中水稻田甲烷排放造成的温室气体排放量为3 905.0 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的49.68%，是最主要的排放源;施用猪粪造成的温室气体排放为1 335.00 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的16.98%;复合肥生产和施用共造成温室气体排放1 198.8 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的15.25%;氮肥生产和施用共造成温室气体排放710.44 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的9.03%。

总的来说，肥料造成的直接温室气体排放（N2O的排放）为1 950.99 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的24.82%;间接温室气体排放（化肥的生产）为1 423.43 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的18.11%;肥料的施用共计造成温室气体排放3 374.41 kgCO2·hm-2，占水稻生产温室气体排放量的42.93%，是除稻田甲烷排放外第2大温室气体排放源。

其他项目包括种子的生产、农药的使用和能源的消耗造成的温室气体排放相对较少，分别为50.82 kgCO2·hm-2、149.57 kgCO2·hm-2和381.27 kgCO2·hm-2，分别占水稻生产温室气体排放量的0.65%、1.90%和4.85%。

3.2 单位产量和产值的温室气体排放量

根据各区域的温室气体排放量、水稻的产量、水稻生产的成本及当地稻米收购的价格（3.05元/kg），计算了单位稻米产量的温室气体排放量及单位净收益的温室气体排放量。如表5结果显示，5个区域单位稻米产量的温室气体排放量为692.88～719.02 kgCO2·t-1，单位净收益的温室气体排放量为2 492.31～2 595.84 kgCO2/万元，该兩项值的大小均是子午最高，紫溪最低。原因是5个区域在相同的的水稻生产措施下，单位面积的产量有所差异，从而造成了单位面积的净收益也有所不同;在此生产条件下，随着水稻产量的提高，该两项指标均呈现出降低的趋势，进一步说明了由于产量的差异造成的各区域加工水稻耗电差异对温室气体排放的影响较小。因此5个区域在种植模式相同的情况下，提高产量有益于降低单位产量的温室气体排放和单位净收益的温室气体排放，是相对低碳和环保的选择。

4 讨论

通过详细调查楚雄市5个典型水稻种植区域的各项农资消耗，测算出单位面积的温室气体排放量为7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2。国内一些学者对不同区域水稻种植的温室气体作了一定测算，其结果与本研究不尽相同。例如徐小明[20]借助DNDC模型测算了吉林省西部水稻生产的温室气体排放为13 303 kgCO2·hm-2，比本研究的结果高73.2%，原因主要是其研究根据DNDCM模型估算得到的CH4排放量相当于8 250～11 500 kgCO2·hm-2，为本研究的211.3%～294.5%;曹黎明等[5]测算得到上海市水稻生产的碳足迹为11 811.4 kgCO2﹒hm-2，比本研究高53.8%，其研究监测到的CH4排放量相当于7 918.1～9 943.1 kgCO2·hm-2，为本研究的202.8%～254.6%，而较多大田试验方面的研究表明，水稻田的CH4排放量相当于1 985.0～4 447.5 kgCO2·hm-2[3，7-8]。目前已有研究表明，稻田CH4和N2O的排放量受到气候、土壤、施肥管理等多种因素的影响[6，19]，因此该项数值在各个具体的研究中均不尽相同。若能在研究区域开展观测试验，直接测定稻田CH4的排放量，温室气体核算数值准确性将得到进一步提高。

此外，研究中对温室气体排放的核算参数涉及到多种农用物资，这些农用物资都对应着一定的排放参数。随着相关研究的开展，这些排放参数的数值将日益精确。

5 结论

通过列出楚雄市主要水稻种植区域的各种温室气体排放源及对应的温室气体排放量，计算了单位产量和单位经济效益的排放强度，可作为楚雄市区域温室气体清单编制的依据，也为水稻的低碳种植提供一定参考。研究表明，稻田CH4排放和施肥造成的排放是该研究区域水稻生产的主要温室气体来源。因此，降低稻田CH4排放、合理施肥以降低施肥造成的温室气体排放是低碳种植的关键。

参考文献：

[1] Smith P，Maitino P，Cai ZC.Greenhouse gas mitigation in agriculture[J].Biological Science，2008，363（14）：789-813.

[2] 田展，孙来祥，李长生，等.基于DNDC模型模拟气候变化影响下的中国水稻田温室气体排放[J].应用生态学报，2015，26（3）：793-799.

[3] 郑洁敏，钟一铭，戈长水，等.不同施氮水平下水稻田温室气体排放影响研究[J].核农学报，2016，30（10）：2020-2025.

[4] 张艺.我国稻作技术演变对水稻单产和稻田温室气体排放的影响研究[D].南京：南京农业大学，2015.

[5] 曹黎明，李茂柏，王新其，等.基于生命周期评价的上海市水稻生产的碳足迹[J].生态学报，2014，34（2）：491-499.

[6] 王兴，赵鑫，王钰乔，等.中国水稻生产的碳足迹分析[J].资源科学，2017，39（4）：713-722.

[7] 苏荣瑞，刘凯文，王斌，等.江汉平原施氮水平对稻田CH4和N2O排放及水稻产量的影响[J].中国农业科技导报，2016，18（5）：118-125.

[8] 王斌.新型氮肥对双季稻田温室气体减排的研究[D].北京：中国农业科学院，2014.

[9] 祁乐，高明，郭晓敏，等.生物炭施用量对紫色水稻土温室气体排放的影响[J].环境科学，2018，39（5）：2351-2359.

[10] 徐莹.稻田节水灌溉对稻-油轮作温室气体排放及土壤有机碳的影响机制[D].武汉：华中农业大学，2016.

[11] 史然，陈晓娟，沈建林，等.稻田秸秆还田的土壤增碳及温室气体排放效应和机理研究进展[J].土壤，2013，45（2）：193-198.

[12] 刘建君，陈红.黑龙江省水稻生产碳足迹分析[J].南方农业学报，2018（8）：1667-1673.

[13] 黄晓敏，陈长青，陈铭洲，等.2004—2013年东北三省主要粮食作物生产碳足迹[J].应用生态学报，2016，

27（10）：3307-3315.

[14] 卢腾，李凯，朱景林.楚雄州水稻生产全程机械化水平研究[J].农业开发与装备，2017（2）：54-55.

[15] 金琼.楚雄市水稻施肥技术参数的研究[J].农民致富之友，2016（6）：135.

[16] 王学辉.楚雄州水稻简塑钵育秧技术应用[J].农民致富之友，2014（13）：40.

[17] Brentrup F，Kusters J，Lammel J，et al.Environmental impact assessment of  agricultural  production systems using the life cycle assessment（LCA） methodology Ⅱ. The application  to N fertilizer use in winter wheat production systems[J].European Journal of Agronomy，2004，20（3）：265-279.

[18] Lal R.Carbon emission from farm operations[J].Environment International，2004，30（7）：981-990.

[19] 逯非，王效科，韩冰，等.中国农田施用化学氮肥的固碳潜力及其有效性評价[J].应用生态学报，2008，

19（10）：2239-2250.

[20] 徐小明.吉林西部水田土壤碳库时空模拟及水稻生产的碳足迹研究[D].长春：吉林大学，2011.

[21] 梁亚男，姜军坡，王世英，等.Z-27菌剂对猪舍空气NH3、H2S浓度及排泄物含氮量的影响[J].江苏农业科学，2019，47（5）：148-153.

[22] 国家发展改革委应对气候变化司.省级温室气体清单编制指南（试行）[EB/OL].（2011-05-01）[2020-01-15].https：//wenku.baidu.com/view/7ae95325f111f18583d05a67.html.

[23] IPCC.Summary for Policy Makers of Climate change 2007： the Physical Science Basis. Contribution of Working Group  I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].England：Cambridge University Press，2007.

[24] 中华人民共和国国家发展和改革委员会应对气候变化司.关于公布2009年中国区域电网基准线排放因子的公告[EB/OL].（2013-03-20）[2020-01-15].http：//qhs.ndrc.gov.cn/qjfzjz/t20090703_289357.htm.

（责任编辑：赵中正）

收稿日期：2020-01-15

作者简介：段智源（1989—），男，云南楚雄人，硕士，助教，研究方向为农业气象与农业环境。E-mail： 785282356@qq.com。