皖南不同种植模式碳汇效应及经济效益评价

2022-09-02姜超强李晨朱启法徐海清刘炎红沈嘉阎轶峰余飞祖朝龙

生态环境学报 2022年7期

姜超强，李晨，朱启法，徐海清，刘炎红，沈嘉，阎轶峰，余飞，祖朝龙*

1.安徽省农业科学院烟草研究所，安徽合肥 230001；2.安徽省烟草公司，安徽合肥 230071；3.安徽皖南烟叶有限责任公司，安徽宣城 242000

种植模式是影响作物产量、土壤质量和农田可持续生产的重要因素（吴玉红等，2021）。种植模式由农作物组成及其在时间、空间上配置等所决定。合理的种植模式不仅能够增产，还可以改善土壤理化性质，增加土壤微生物多样性，提高土壤有机碳，实现稻田可持续发展（孟宇辉等，2019；张鹏等，2019；吴玉红等，2021）。已有的一些研究认为水旱轮作比常规连作模式的土壤微生物含量和多样性更高，有助于减少病害发生，提高农作物产量；与旱地轮作相比，水旱轮作可提高马铃薯根际土壤的细菌群落多样性（苏燕等，2020）；油-稻-稻轮作比稻-稻轮作微生物碳和微生物氮分别增加 15.3%—35.7%和14.3%—34.6%，且微生物丰富度指数显著提高（张立成等，2017）。因此，适宜的种植模式对提高作物经济效益，促进地区农业可持续发展至关重要。

不同种植模式除了影响产量和经济效益之外，对农田生态系统碳汇效应和碳足迹也有重要影响。农田的碳足迹是指人类在农田生态系统上进行生产活动引起的直接的或者间接的碳流量，研究农田碳足迹对减少农业对温室气体的排放具有重要意义（刘巽浩等，2013；马怀英等，2021）。通常用生命周期评价法（Life cycle assessment，LCA）评价作物生产系统中的碳足迹（刘巽浩等，2013；陈中督等，2019）。不同土地利用方式下碳足迹有较大差异，马怀英等（2021）比较分析燕麦（ArenasativaL.）与豆科作物的3种间作模式，发现燕麦与大豆（Glycinemax(Linn.) Merr.）间作具有较强的增产稳产效果和较低的单位面积碳足迹。曾昭海（2018）研究发现，禾本科作物与豆科作物间，通过豆科作物的生物固氮作用，能够有效减少化学氮肥施用产生的碳排放。并且不同耕作模式对稻田碳汇效应也有显著影响，唐海明等（2020）研究发现，翻耕、旋耕结合秸秆还田处理均有利于提高双季稻田耕层土壤的固碳速率、碳汇效应和经济收益，是增加耕层土壤有机碳库贮量的有效措施。采取合理的轮作模式和耕作措施能够提升土壤肥力，增强稻田固碳能力、增加净碳汇，促进水稻高产稳产，保障国家粮食安全（Tang et al.，2019；唐海明等，2020）。农田碳汇效应的研究已经成为当前研究的一个热点。研究农田碳汇效应，定量评价种植模式的碳足迹对优化种植模式，降低农田碳排放和绿色可持续发展具有重要意义。

皖南是安徽重要的粮食产区，也是中国典型烟稻轮作区，该区域以稻麦轮作、烟稻轮作等种植模式为主，为安徽粮食丰收和优质烟叶生产作出重要贡献（董建江等，2015；相智华等，2020）。如何进一步优化种植模式，协调作物高产稳产与绿色高效之间的矛盾，发展绿色低碳循环农业已成为热点问题。为此，诸多学者在探索不同的种植模式对农田碳汇效应的研究方面也取得了良好成效（张若焰等，2019；马怀英等，2021）。例如，燕麦与大豆在稳产增产的同时还能够降低碳足迹（马怀英等，2021）；春玉米 (ZeamaysL.)-晚稻轮作与早稻-晚稻种植相比降低了稻田生态系统的碳排放和碳足迹（姜振辉等，2019）。近年来，由于种植模式的单一化，且随着农资产品的大量投入和消耗，皖南地区维持水稻和烟叶高产稳产的同时，也造成了生态环境污染问题（王浩田等，2020）。因此，采取科学合理的种植模式对提升土壤肥力，增强农田固碳和净碳汇效应，保障粮食高产稳产和烟叶优质高产生产至关重要。当前对皖南地区种植模式的评价主要集中在作物产量和经济效益方面，对其生态效益和碳汇效应方面的研究尤为缺乏。未能准确评价不同种植模式（烟稻轮作、稻麦轮作、再生稻种植）的碳足迹和碳汇效应，直接制约了该区节能减排、绿色生产方案的制定和实施。因此，本研究以大田试验为基础，系统分析皖南不同种植模式经济效益、碳汇效应、碳足迹大小及其构成，以明确不同种植模式下稻田生态系统的碳汇效应和经济效益，为该区科学评价和选择绿色低碳可持续的种植模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于安徽省宣城市文昌镇（30°53′54″N，118°30′7″E），该区平均海拔 50 m，年平均气温15.6 ℃，年平均降水量 1200—1500 mm，日照时数为1780 h，无霜期240 d。试验田土壤为水稻土，质地为粉砂质黏壤。试验前耕层土壤（0—20 cm）理化性质为：pH 5.63；有机质质量分数18.2 g·kg-1，碱解氮 96.5 mg·kg-1，有效磷 31.6 mg·kg-1，速效钾145.3 mg·kg-1。

1.2 试验设计

于2020—2021年设置4种不同种植模式：单季稻、烟稻轮作、稻麦轮作、再生稻，小区面积为72 m2（7.2 m×10 m），完全随机区组排列，每个处理重复3次。供试单季稻品种为隆两优1686，烟稻轮作的烤烟品种为云烟97、水稻品种为陵两优268，稻麦轮作的水稻品种为隆两优1686、小麦品种为扬麦19号，再生稻品种为丰两优香一号。各种植模式不同作物的播种、移栽和收获时间，以及肥料施用量如表1所示。

表1 不同种植模式的农田管理情况Table 1 Management practice of different planting patterns

1.3 作物产量测定

烟叶成熟期分次采烤，每次按照小区分别单独挂牌采收烘烤，烤后烟叶按照烤烟分级标准（国家技术监督局，1992）分别评定等级，计算产量和产值。水稻和小麦成熟时，每个小区选择具代表性的3个样方（1 m2）进行测产，计算产量和产值。

1.4 经济效益评价

不同种植模式的经济效益计算为：

式中：

E——经济净收益；

Y——作物产量；

P——作物产品单价；

C1——物资投入成本（种子、化肥、农药、农膜、柴油）；

C2——管理人工成本（灌溉、耕作、收获的劳动力成本）。所有物资和劳动力成本均是当年价。

1.5 碳足迹及碳汇效应计算

采用生命周期评价法，参照刘巽浩等（2013）和陈中督等（2019）文献计算农田生态系统碳足迹，系统边界为作物从播种到收获全过程物资投入（种子、化肥、农药、农膜、柴油等）和农事活动（耕作、灌溉、收获等）产生的间接温室气体排放，以及CH4和N2O直接温室气体排放。碳足迹（单位面积碳足迹，CO2-eq，kg·hm-2）计算公式为：

式中：

C——作物生产单位面积碳足迹；

n——该作物从播种到收获全过程消耗的生产物资（种子、化肥、农药、农膜、柴油等）和农事活动（耕作、灌溉、收获等）；

∂——某种生产物资和农事活动（kg）；

mc——生产物资和农事活动的温室气体排放系数。温室气体排放系数、CH4和N2O排放系数参照刘巽浩等（2013）、胡乃娟等（2018）和陈中督等（2019）的相关标准。

农田生态系统碳汇效应参照胡志华等（2017）和唐海明等（2020）的方法计算碳吸收量、碳排放量和净碳汇。碳吸收为农田生态系统作物的碳吸收总量，碳排放为生产活动中涉及的碳排放总量。净碳汇计算公式为：

式中：

Cs——系统的净碳汇；

Ca——系统的碳吸收量；

Ce——系统的碳排放量，碳排放并未计入植物呼吸和土壤呼吸。

1.6 数据分析

数据用SPSS 19.0进行统计分析，采用最小显著差数法（LSD法）分析数据间的差异显著性，并用Microsoft Excel 2013进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式的产量及经济效益

如表2所示，各种植模式水稻的产量存在较大差异，其中再生稻的水稻产量最高（头季 8557.0 kg·hm-2，再生季 4364.5 kg·hm-2），其次是单季中稻（9513.5 kg·hm-2），烟后晚稻的产量最低（7817.0 kg·hm-2）。各种植模式作物产值的大小顺序表现为烟稻＞稻麦＞再生稻＞单季稻，总投入的大小顺序也表现为烟稻＞稻麦＞再生稻＞单季稻。烟稻轮作模式的经济净收益为19716.6 yuan·hm-2，显著高于其他种植模式，分别是单季稻、稻麦、再生稻的2.2、1.5和1.4倍。

表2 不同种植模式作物产量及经济效益Table 2 Yield and economic benefits of different planting patterns

2.2 不同模式的农田生态系统及其作物的碳流通

如图1所示，稻麦轮作的碳吸收和净碳汇均显著高于其他模式，单季稻的碳吸收和碳排放均最低。各种植模式的碳吸收大小表现为稻麦＞再生稻＞烟稻＞单季稻，碳排放大小表现为烟稻＞稻麦＞再生稻＞单季稻。烟稻轮作的碳排放高于碳吸收，净碳汇为-815.5 kg·hm-2·a-1，显著低于其他种植模式。可见，各种植模式相比，稻麦轮作的碳吸收和净碳汇最高；烟稻轮作则是碳排放最高，净碳汇最低。

图1 不同种植模式农田生态系统生产中的碳流通Figure 1 Carbon flux estimation in paddy ecosystem production under different planting patterns

如表3所示，各种植模式不同作物碳吸收有显著差异，中稻的碳吸收显著最高；烤烟的碳吸收最低，仅为中稻的27%，显著低于其他作物。冬小麦的碳排放最低，中稻的碳排放最高，是冬小麦的2.2倍。冬小麦的净碳汇最高，烤烟的净碳汇为负值（-1463.4 kg·hm-2·a-1），显著低于其他作物。中稻、烟后晚稻、头季稻和再生季稻均表现为高碳吸收和高碳排放。总体而言，不同作物的净碳汇的大小表现为冬小麦＞头季稻＞中稻＞晚稻＞再生季稻＞烤烟。

表3 不同种植模式下农田生态系统不同作物的碳流通Table 3 Carbon flux estimation of different crops in paddy ecosystem production under different planting patterns

2.3 不同模式的生产的碳足迹构成成分

如表4所示，各种植模式碳足迹有较大差异，单季稻和再生稻的 CH4占总碳足迹的比例分别为56.5%和 54.5%，可见 CH4是水稻种植碳足迹的主要来源。水旱轮作的烟稻和稻麦轮作两种模式的CH4占总碳足迹的比例均低于40%。4种种植模式的碳足迹主要来源均是CH4、N2O和肥料。稻麦轮作肥料碳足迹比例（24%）为各处理最高，烟稻轮作中农膜和劳力碳足迹分别为8.3%和6.0%，均为各模式最高。进一步对不同作物的碳足迹分析发现（表5），水稻的碳足迹主要来源是CH4，超过50%；烤烟碳足迹主要来源是肥料、N2O和农膜，分别占26.2%、24.4%和20.7%。值得注意的是，烤烟种植的柴油和劳力分别占总碳足迹的 12.7%和11.7%，远高于其他作物。

表4 不同种植模式的碳足迹构成Table 4 Source of carbon footprint under different planting patterns %

表5 不同作物的碳足迹构成Table 5 Source of carbon footprint of different crops %

3 讨论

3.1 不同种植模式的产量和经济效益分析

不同种植模式经济效益有显著差异，烟稻轮作的经济效益最高（表 2）。烟稻轮作经济净收益较高主要是烟叶产值较高，每季烟叶产值分别是水稻和小麦3.7倍和4.6倍，因为烟叶的单价远高于水稻和小麦。董建江等（2015）研究也发现，烟稻轮作总产值显著高于稻麦轮作和油稻轮作，主要是烟叶产值显著高于小麦和油菜。值得注意的是，烟稻轮作生产投入显著高于稻麦轮作和再生稻种植，烟叶生产属于劳动密集型，田间烟叶收获需要人工分次成熟采收耗费大量劳动力，并且每次烟叶采收后需要及时烘烤耗费大量的燃料成本（张若焰等，2019）。因此，生产成本投入远高于机械化程度较高的稻麦轮作和再生稻种植。随着农村劳动力的紧缺和燃料成本的提高，如果生产方式不能及时转变，烤烟种植的成本投入必然还会增加。因此，积极研发烟叶机械化技术和设备，探索烟叶烘烤新型能源，提高烟叶生产机械化程度，提升燃料利用效率将是烟叶减工降本关键所在，也是稳定烟稻轮作模式，保障烟粮双丰收的必然要求。

再生稻种植成本投入显著低于烟稻轮作和稻麦轮作，经济净收益仅次于烟稻轮作，并且水稻产量达到12.92 t·hm-2。再生稻种植是一种经济高效、增产增收的水稻管理措施，在温、光、热资源充足的皖南地区，种植再生稻一方面响应耕地轮休的国家政策，减轻土地耕作强度、缓解土壤退化，另一方面还能增加水稻产量、提升稻米品质（徐富贤等，2015；王天宇等，2021）。近年来，再生稻种植也得到了大面积的推广应用（Ziska et al.，2018；孔盼等，2021；王天宇等，2021）。王天宇等（2021）研究表明，在安徽省巢湖圩区再生稻产量为 12.63 t·hm-2，与此类似，湖南再生稻产量为 12.22 t·hm-2（张浪等，2019）。在湖北优化栽培模式的再生稻产量则高达 17.67 t·hm-2，采用优化栽培技术头季和再生季的产量分别可达到 12.81 t·hm-2和 4.86 t·hm-2（邓桥江等，2019）。因此，皖南地区再生稻产量还有较大提升空间，可以从选育再生力强的品种、绿肥种植、肥料运筹、水分管理与稻桩留桩高度等方面优化以提高水稻产量。再生季稻收获前播种紫云英（AstragalussinicusL.）等绿肥，冬作绿肥还田能够提高土壤肥力、改善土壤质地、改善微生物群落结构等，进而提高养分吸收、增加水稻产量，实现节肥增产（田卡等，2015；高嵩涓等，2020）。有研究表明，水稻季减施氮肥40%，通过紫云英翻压还田能够显著提高精米率、Ca、Mg和Fe含量，降低了垩白率，提升稻米品质（卜容燕等，2022）。稻桩留桩高度与再生稻休眠芽萌发数量密切相关，适当高留桩（≥35 cm）能够促进再生芽多发和高位芽再生，还能有效发挥头季留下叶片的功能作用，达到高产稳产（林文雄等，2015）。因此，优化皖南地区种植模式，通过品种选育和栽培技术优化等，推广种一茬收获两次的再生稻，对适应农业结构调整、增加粮食产量、提高农民收入和保障粮食安全有重大意义。

3.2 不同种植模式碳汇效应及碳足迹构成分析

不同种植模式的净碳汇大小表现为稻麦＞再生稻＞单季稻＞烟稻，稻麦轮作净碳汇高主要是由于具有较高的碳吸收。再生稻的碳排放量较烟稻轮作和稻麦轮作显著降低9.8%和9.2%（表3），N2O排放量比稻麦轮作降低37.2%（表4）。王天宇等（2021）研究也发现，再生稻田全年N2O排放量和总温室气体排放量分别比稻麦轮作降低了86.5%和36.3%；此外，稻麦轮作下，小麦收割后实施秸秆全量还田，为CH4的产生提供适宜的环境条件，从而增加稻田CH4排放（Ma et al.，2009；Thangarajan et al.，2013；孔盼等，2021）。水稻再生季种植没有秸秆还田，并且再生季稻是从收割部位重新抽穗，减少了由水稻分蘖造成的CH4排放（张浪等，2019）。再生稻的种植减少了翻耕频度和强度，再生稻季免耕一次，可以有效降低稻田土壤有机碳的矿化分解损失（佘玮等，2016）。因此，皖南地区种植再生稻不仅提高水稻产量，还显著降低碳排放总量。

农田生态系统的碳足迹受多种因素影响，本研究4种种植模式碳足迹主要受CH4、N2O、肥料和柴油的影响，冬小麦、烤烟两种旱作的碳足迹主要构成是肥料和N2O，而水稻生态系统的碳足迹则主要受CH4和N2O的影响，如再生稻种植系统的碳足迹中CH4和N2O分别占54.5%和18.0%（表4）。水稻生产会导致温室气体排放，尤其是淹水情况下的CH4排放和化肥施用引起的N2O排放，稻田CH4排放主要与田间水分状况有关，并且淹水时间越长、新鲜秸秆还田越多CH4排放越高（李得兰等，2008）。从再生稻碳足迹构成来看，减少稻季CH4排放仍是再生稻碳汇减排的重点，蒋静艳等（2003）和胡乃娟等（2018）也有类似的研究结果。陈中督等（2019）研究认为，长江中游地区水稻生产碳足迹主要受柴油、氮肥、磷肥和种子的影响，且表现为正相关关系。综合分析，合理控制水稻生长季水分、提高肥料利用率、稻桩留桩高度和种植绿肥还田是降低再生稻田CH4排放，提高水稻产量的有效措施（Zou et al.，2009；胡乃娟等，2018；邓桥江等，2019；吕泽芳等，2020）。

本研究发现，烟稻轮作模式呈现负净碳汇效应（表 3）。张若焰等（2019）在陕西烟区的研究也发现，烟草农业总碳排放量大于碳汇量，呈现负的净碳汇效应。烤烟作为特殊叶用经济作物，相比烟叶产量，生产上更加注重品质。为了生产优质烟叶，通常采用控施氮肥、打顶抹杈、摘除底脚叶、多次采收烘烤等措施，这在一定程度上减少了烟株的生物量和碳固定（刘青丽等，2020，2021）。因此，与农作物相比，烟田生态系统碳汇量通常较低。减少烤烟生产温室气体排放是降低烟稻轮作碳排放的重要途径，而减少多次采收烘烤的劳动用工和柴油投入则是烟叶生产减排的关键。此外，中国烟叶烘烤严重依赖煤炭，由于煤的能源效率较低，从而导致了更高的温室气体排放（和智君等，2010）。烟田生态系统对大气而言是“弱碳汇”（张若焰等，2019；刘青丽等，2020），如何减少烟田温室气体排放、提高碳汇能力、提升其生态价值，有待深入研究。近年来，现代烟草农业的发展比以往更加注重经济效益和生态效益的协同提升，且低碳化生产特征不断凸显，低碳农业技术也得到更为广泛的推广应用。烤烟碳足迹构成中NO2、肥料和农膜占总排放比例均超过了20%，并且劳动力和燃油所占比例远大于水稻和小麦。因此，烟叶采收的机械化程度和烟叶烘烤的节能减耗也是提高烟稻轮作碳汇效应的重要任务。烟稻轮作种植效益高，但是碳排放也很高，如何降低碳排放至关重要，解决不好直接影响烟粮双丰收和烟区稳定。本研究探明了烤烟生产碳排放的产生环节和主要来源，为下一步更有针对性地推进烟草农业节能减排和绿色生产提供重要依据。

本研究评价分析的再生稻、稻麦轮作、烟稻轮作是水稻“碳达峰碳中和”的重要模式生产实践。在全球携手应对气候变化、共促绿色经济发展的当今，挖掘这些种植模式的“双碳”意义，推广应用适宜的模式和理念，具有重要现实意义。在提高种植模式的碳汇效应方面，今后应重点进行开展以下研究：

一是推进作物生产固碳减排的技术。开展免耕、秸秆还田、绿肥种植、水旱轮作等农艺农技一体化研究，推进全程机械化进程。

二是探索增加作物碳汇途径。皖南地区是典型的多熟制区域，水稻固碳贡献作用突出，因此可以进一步从增加熟制来提高作物产量进而增加碳汇，例如稻-稻-绿肥、烟-稻-绿肥、稻-稻-油菜等增加碳汇的种植模式。

三是建立生态补偿政策。充分发挥再生稻保护性耕作技术，探索秸秆还田或打捆收集补助机制，利用财政补贴、价格优惠等激励政策，进一步促进节能减排、绿色低碳农业生产技术的推广应用。