河南省不同生态区小麦-玉米两熟制农田碳足迹分析

李春喜，骆婷婷，闫广轩，许双，宗洁静，邵云*

1. 河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007；2. 黄淮水环境污染与防治教育部重点实验室/河南师范大学环境学院，河南 新乡 453007

应对气候危机已经成为全球各国共同努力的目标。农业作为温室气体的最大的人为源，每年由农业活动所造成的温室气体排放占全球温室气体排放的13.5%（Montzka et al.，2011），其中CO2、CH4和N2O是最主要的3种温室气体（王玉英等，2018）。我国是温室气体排放第二大国，由各种农业活动造成的碳排放对全球环境变化有不可忽视的影响。因此减少农业生产造成的温室气体排放，进行低碳农业生产，对应对气候变暖的挑战至关重要。

碳足迹可以用于明确整个生产过程中各部分产生温室气体的情况，以便采取针对性的措施来改善生产行为。碳足迹这一概念源于“生态足迹”，其定义为某种活动或者某种产品生命周期的过程中，引起的直接或者间接的CO2排放量总和（武宁等，2017）。实质上是以 CO2为基础与其他温室气体进行碳当量的转换来衡量全球变暖潜势（方恺，2015）。不同作物在生产过程中其灌溉，肥料用量，气候，燃料消耗有所不同，并且单位面积的产量和收获技术也有所差异，因此在农业生产过程中温室气体排放量因作物而异。（Alam et.，2019）。目前在农业领域，碳足迹已经成为评估农业生产和生态环境有力的工具之一（王钰乔等，2015）。如俞祥群等（2019）估算了减氮施肥对春玉米-晚稻（Oryza sativaL.）生产系统碳足迹的影响；邹晓霞等（2018）采用生命周期评估的方法核算了山东小麦-花生（Arachis hypogaeaL.）种植体系的碳足迹；王占彪等（2015）分析了华北平原作物生产碳足迹的动态分布及构成。但是大多研究关注某种种植体系在单个区域中的碳排放构成，且作物生产过程中的温室气体排放的数据主要是在前人研究结果基础上进行估算得到，而没有结合实际温室气体排放情况。

河南省作为我国的粮食主产区，其农业生产在我国具有重要的地位，小麦-玉米是其中主要的种植模式（张志高等，2018）。从2004—2017年河南省粮食生产已实现 14年连增，而优质丰产的背后也存在一些问题。在过去的几十年中，为了维持作物高产，投入了大量的农药和化肥，使得环境问题突出，农田生态压力增大。本文以河南省为研究对象，选取4个不同生态类型区，基于田间调查结果以及实验数据，利用农业生态碳足迹理论，评估河南省冬小麦-夏玉米两熟制农田碳足迹构成，通过不同地区碳足迹的定量计算和定性分析，探究河南省农田碳足迹的构成特点和时空分布的差异，以期为河南省低碳农业发展提供一些理论支持和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点和设计

河南省是我国的主要粮食大省，是典型的大陆性季风气候，年平均温度12.8—15.5 ℃。温暖的气候条件适宜一年两熟种植，小麦玉米轮作是其中主要的种植系统。河南省处于北亚热带向暖温带过渡地带，南属亚热带，北属暖温带，四季分明，南北的气候特征具有明显差异。年降水量为500—1300 mm，降水在季节、年际、空间上分布很不均匀，主要集中在6—9月，在地理位置上，降水量从南到北有所减少。根据气候条件和耕作习惯，将河南省分为不同的生态区，即豫南雨养区、豫中补灌区、豫北灌溉区和豫西旱作区。本试验根据地理位置和农业条件的差异，选取豫南、豫中、豫北及豫西4个具有代表性的地点，分别位于驻马店市西平县（豫南）、许昌市许昌县（豫中）、鹤壁市浚县（豫北）以及洛阳市孟津县（豫西）。具体位置如图1。

所有试验点均具有示范区和农民常规耕作区，且常规耕作区位于示范田附近。示范区是包括品种选育、水肥一体化技术、绿色防控技术等多项技术集成示范田，常规区在当地随机 10户作为调查对象，并就近选择一户作为采样点。示范区和常规区的面积分别为 0.13—0.67 hm−2，示范区的面积在6.67—26.67 hm−2。各示范区和常规区小麦-玉米周年具体的生产投入如表1。

1.2 数据收集

图1 试验地点的地理位置Fig. 1 Geographical location of the experimental site

表1 不同生态区各项生产投入Table 1 Different input items in the four ecological regions

本试验于 2018—2019年进行，试验数据的收集包括大田试验数据和调查数据两个部分。大田试验分别在示范田块（示范区）和临近的农民田块（常规区）设置采样点，采用静态箱-气相色谱法收集温室气体。取样箱由泡沫制成，长、宽、高分别为50、30、50 cm，外附有铝箔纸用于反射光线，防止阳光直射引起温度变化。气体采样在08:00—10:00进行，关闭腔室后的0、8、16、24、32 min收集气体样本。重复 3次。然后将气体样品注入德霖铝箔采样袋中，并立即运送到实验室进行分析。使用配备有火焰离子化检测器（FID）和电子捕获检测器（ECD）的气相色谱仪（Agilent 7890A，美国）同时分析气体样品中的CO2，CH4和N2O浓度。分析的条件与文献（李春喜等，2019）的工作中描述的条件保持一致。由0、8、16、24、32 min获取的5个连续样本中温室气体浓度的累积速率确定气体通量。在整个小麦-玉米周年生长过程中，每月进行一次采样，有重大农事活动进行时增加采样频率，如播种、收获前后采样，施肥后连续采样一周，灌溉后连续采样3 d。采用加权平均法计算每月的累计排放通量。

调查数据通过当地农业局以及实地走访调查获取，收集的信息包括冬小麦和夏玉米的产量、种植面积、施肥量、灌溉时间与灌溉量，以及各项农业投入，包括种子、农药、机械以及人力投入等费用。

1.3 数据处理

1.3.1 碳足迹边界和间接排放计算

碳足迹计算的边界为从小麦种植开始到下一季小麦种植之前结束，时间为1年。包括冬小麦碳足迹和夏玉米碳足迹的总和。碳足迹的测算内容由直接碳足迹和间接碳足迹两部分构成，直接碳排放即农田温室气体CH4和N2O的排放，间接排放指的是由种子、农药、化肥等农资投入引起的碳排放。其中间接排放的计算公式如下：

CF 为农业碳足迹（kg·hm−2），n表示从播种到收获期间消耗的各种农业生产资料（农药、化肥、种子等），m表示第i种农资的消耗量（kg），β表示第i种农资的碳排放参数（kg·kg−1），具体参数见表2。

1.3.2 GWP的计算

由于CH4和N2O两种气体的增温效应不同，为了评价各种温室气体对气候变化的共同影响，所以统一折算成相同效应的CO2的质量，用全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP）表示二者的共同作用（张卫红等，2018）。以100年影响尺度计算，1 kg CH4的增温效应是1 kg CO2的25倍，1 kg N2O的增温效应是1 kg CO2的298倍（姚凡云等，2019），GWP的计算方法如下：

式中：GWP为温室气体综合增温潜势（kg·hm−2）fCH4为土壤 CH4排放量（kg·hm−2），fN2O（kg·hm−2）为土壤 N2O 排放量fN2O（kg·hm−2）。

表2 不同投入项目的碳排放系数Table 2 Carbon emission indexes of different input items

1.4 数据处理

文中所有数据由Mircosoft Office Excel 2016进行处理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同生态区温室气体排放及其GWP

2.1.1 不同生态区CH4的排放差异

示范区和常规区的CH4每月累计排放量动态变化见图2。总体上看，不同生态区的麦玉两熟制农田均作为土壤CH4的吸收汇。豫南、豫中、豫北和豫西小麦-玉米轮作农田土壤CH4的月累计排放量变化分别为−36.21— −6.5、−52.60— −7.09、−41.57—−7.98、−43.82— −8.59 mg·m−2·mon−1。豫南、豫中、豫北和豫西示范区总吸收量分别为240.64、281.25、306.03、325.10 mg·m−2，常规区排放量分别 203.53、240.76、270.50、332.76 mg·m−2，4 个生态区对于 CH4的吸收能力具有明显的空间差异，其中豫西地区CH4的吸收量最大，豫南最小，豫中和豫北地区的吸收量相当。从季节上看，相比于玉米季，小麦季CH4的月均累计吸收量处于较低的水平，这可能与温度和降水的增加有关，但由于生长期不同，小麦季总的吸收量大于玉米季总的吸收量。与常规区相比，豫南、豫中和豫北示范区的对 CH4的总吸收量分别增加15.42%，14.39%和11.61%，豫西减少2.36%。

2.1.2 不同生态区N2O的排放差异

图2 4个生态区农田土壤CH4月均累计排放量Fig. 2 Cumulative monthly cumulative emissions of CH4 from farmland soils in the four ecological regions

图3 4个生态区农田土壤N2O月均累计排放量Fig. 3 Cumulative monthly cumulative emissions of N2O from farmland soils in the four ecological regions

4个不同示范区和常规耕作区的N2O每月累计排放量动态变化见图 3。豫南、豫中、豫北和豫西土壤N2O的月累计排放量为3.58—48.22、4.84—57.56、4.02—72.55、7.95—45.80 mg·m−2·mon−1。豫南、豫中、豫北和豫西示范区总吸收量分别为223.84、259.79、262.52、231.86 mg·m−2，常规区排放量分别 261.91、296.12、270.64、252.75 mg·m−2，N2O的总排放量表现为豫北、豫南和豫中的排放量相当，豫西地区最低。与其他地区相比，豫西地区在3月间并未出现明显的峰值，调查发现，这可能与该地区在小麦季不进行或少量追肥有关。从季节上看，进入玉米季后N2O的排放量有所增加，这可能是由于夏季温度和降水都有所增加，适合土壤中反硝微生物的生存，促进反硝化反应的进行，温度的增加也加速了N2O从土壤中释放速率。N2O排放的主要峰值出现在10月，3月和7月，原因是在这期间均进行了施肥。示范区和常规区具有相似的排放趋势，但相对于常规区，豫南、豫中、豫北和豫西示范区N2O的排放分别降低了14.54%、12.27%、3.00%和8.27%。

2.1.3 不同生态区GWP差异

图4显示的是不同生态区之间的GWP的构成。各地区之间GWP的分布具有一定的差异，其中豫中地区的GWP最大，达800.57 kg·hm−2，而豫西地区 GWP最低为 580.41 kg·hm−2，豫南和豫北地区GWP相当。对比常规耕作，各示范区的GWP均有不同程度的降低，其中豫中和豫西地区减排较为明显，GWP分别降低15.24%和9.32%。而豫南和豫北分别降低4.79%和5.08%。

2.2 不同生态区碳足迹构成

2.2.1 不同生态区碳足迹组成成分

表3综合了小麦和玉米两季作物的总投入，从结果可以看出，农田碳排放的主要来源是农田灌溉和化肥的投入，占总碳排放的57.86%—73.01%。其次是土壤温室气体的直接排放以及农业机械柴油的使用。除草剂和杀虫剂投入所导致的碳排放相对较低。4个生态区的碳排放表现为豫北>豫西>豫中>豫南，并且常规区大于示范区。

2.2.2 小麦-玉米碳足迹

由表4可知，在小麦季，示范田的产量比常规田的产量高出9.7%—16.5%，单位产量碳足迹降低15.41%—24.09%，其中豫南和豫北产量相对较高。与常规区相比，示范区玉米的单位碳足迹降低了8.22%—34.04%。虽然豫北的玉米产量相对较高，但由于豫北地区玉米前期较为干旱，农业灌溉量大大增加，而灌溉用电又是碳足迹的主要构成之一，因此碳足迹也相对较高。对比小麦季和玉米季的单位产量碳足迹，除豫北地区外，其他地区小麦季的碳足迹比玉米季平均高出10.75%—42.15%。从麦玉周年的角度来看，豫北和豫西的单位产量碳足迹较高，这可能是由于豫北在生产过程中农业资源投入较多，而产量较低则是豫西地区单位产量碳足迹较高的原因。

图4 不同生态区GWPFig. 4 GWP in different ecological areas

表3 各生态区生产过程中项各投入的碳排放Table 3 Carbon emissions of each input in the production process of each ecological zone

表4 小麦、玉米产量和单位产量的碳足迹Table 4 Carbon footprint of wheat and maize yield and unit yield

3 讨论

大量的研究表明，农业不仅仅作为温室气体排放的源头，同时，也可能是温室气体的汇，土壤和植被都具有强大的碳汇功能。旱地种植过程中，即使不同生态区气候有所差异，但通常都作为CH4的汇。She et al.（2017）的研究结果表明，玉米是我国华北地区主要的固碳作物。因此如何合理的利用土壤和植被的碳汇功能值得我们探讨，已有研究表明，可以通过优化管理措施来固定碳，包括少免耕、秸秆覆盖、生物固氮等（王小彬等，2011）。在我们的实地调查中发现，很多地方会在夏季减少耕作，同时进行秸秆还田，这些措施不仅减少了农民生产过程中的成本，同时也减少了碳排放。本研究发现不同生态区的排放量虽然有所不同，但排放规律具有相似的趋势。其中施肥是造成的土壤中N2O排放的主要原因之一，氮肥的施入增加了反应底物的浓度，促进土壤中硝化和反硝化的进程，导致N2O的大量排放（朱龙飞等，2019）。同时N2O的排放还受到温度、降水、土壤耕作措施等多种因素的影响（Xu et al.，2017）。

本研究中，碳足迹是由农药，灌溉电力，机械耗油，化肥，种子和温室气体的直接排放所构成。其中电力和化肥是碳足迹的主要来源，目前大部分的农田灌溉还是以大水漫灌方式为主，这种粗放方式导致了大量水资源的浪费，同时也增加了农业碳排放，因此优化水管理不仅可以提高水分利用率，减少农业成本，也能够降低碳排放。化肥的施用是碳足迹的主要来源，也是节能减排的关键点。肥料的施用是农事活动中重要的一环，化肥所导致的碳排放占总投入的57%（Cheng et al.，2011）。调查中发现农民在种植的过程中仍然有过量施肥的现象，这给土壤和环境都造成了很大的负荷，需要控制、减少化肥的使用。同时施肥和灌溉也是影响温室气体排放的主要因素（Tan et al.，2017），合理的施肥灌溉也可以减少农田温室气体的排放，进一步降低农田碳足迹。

朱永昶等（2017）的研究表明，山东省高密地区小麦玉米种植系统的碳足迹分别为0.69 kg·kg−1和0.40 kg·kg−1，在 She et al.（2017）的研究中小麦玉米的碳足迹分别为 0.4 kg·kg−1和 0.25 kg·kg−1。本文研究的小麦的碳足迹范围在 0.20—0.33 kg·kg−1，玉米的碳足迹为 0.16—0.29 kg·kg−1，这与前人研究的结果有所差异。造成结果差异的原因可能是在数据收集过程中的来源不同，以及碳排放参数的选择有所不同。除豫北地区外，其他地区小麦种植过程中的单位产量碳足迹高于玉米。这可能是由于小麦的生长周期长，累计直接排放量更多，也可能是由于玉米的产量更高。除此之外，玉米种植期间生产资料投入较少，大部分地区在玉米种植过程中会选择免耕或少耕，能够降低机械投入所造成的碳足迹。

相比于示范区，常规区所使用的农药（包括杀虫剂和除草剂）更多，虽然在调查过程中发现有很多农民已经具有减少农药使用量的意识，但是在使用的过程中往往仅根据自身的经验进行喷洒，并且缺乏提前预防和针对性的使用农药的意识，因此在使用的过程中具有一定的盲目性，造成农药使用量的增加。在郭霞（2008）的研究中发现农药施用技术和农业知识的传播具有“邻近效应”和“规模等级效应”，示范区的建立不仅仅是降低农业碳足迹，而且起到了一定的示范效应，能够影响到周围农户们的操作习惯。

农民常规种植的过程中，通常种植的面积在0.13—0.67 hm−2，示范区的面积在 6.67—26.67 hm−2。相比与示范区，农民常规耕作不仅种植的成本增加，相对的碳排放也有所增加。陈中督等（2019）的研究表明，随着种植规模的增加，稻麦生产系统的碳足迹出现逐渐降低的趋势。Yan et al.（2015）研究中也表明相对于小型农场，大型农场小麦和玉米的碳足迹均显著减少22%—28%，这表明规模化种植有助于减少生产过程中的碳排放，因此，通过扩大合作社规模，或者整合小户建立新型经营主体，大规模统一种植可以有效减少农田碳足迹。在调查的过程中我们还发现，示范区的建立具有一定的辐射范围，对周围村镇具有一定的影响，农民在种植的过程中会参考借鉴示范区的种植品种、施肥、灌溉的时间和频率。因此示范区的建立不仅本身有低碳减排的作用，同时在一定空间范围内具有很好的示范效应。

4 结论

（1）河南省小麦-玉米轮作农田作为 CH4的吸收汇，N2O的排放源。玉米季的CH4吸收量和N2O的排放量大于小麦季。GWP表现为豫中>豫北>豫南>豫西。

（2）在本试验中，河南省碳足迹呈现出中北高，西南低的分布格局。碳足迹的主要来源是农业灌溉和化肥投入，其次是土壤的直接排放和农业机械的使用。

（3）在本研究中，小麦的单位产量碳足迹为0.20—0.33 kg·kg−1，玉米的单位产量碳足迹为0.16—0.29 kg·kg−1。

对比各生态区的温室气体排放和碳足迹，优化灌溉模式，适时适量施肥是降低农田碳排放的主要方式。同时针对不同生态区的特点应当制定不同的减排措施。豫南雨养区夏季雨水充沛，但病虫害频发，控制农药使用，提倡生物防治是豫南地区的重要减排方法之一。豫中补灌区和豫北灌溉区地势相对较为平坦，灌溉条件便利，优化灌溉，合理利用水资源是豫中和豫北降低碳排放的关键点。而豫西旱作区由于灌溉和降水条件有限，品种选育上应选择分蘖强，根系发达，耐旱强的作物品种，提高产量降低单位产量碳足迹。

然而对于如何有效降低河南省农业生产中的碳排放还需进一步的探讨。