劉巽浩，徐文修，李增嘉，褚慶全，楊曉琳，陳 阜

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100193:2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830052:3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安 271018)

20世紀(jì)以來，地球氣候變化加劇。聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會 (IPCC)得出，近25年期間地球氣溫每10年上升0.19°C;當(dāng)前空氣中的CO2濃度已比過去增加100mg/kg，達(dá)到390mg/kg。一些科學(xué)家利用數(shù)學(xué)模擬的方法，將這兩種現(xiàn)象聯(lián)系起來，認(rèn)為排放的CO2形成溫室效應(yīng)是天氣變暖的元兇。于是，“低碳”的聲音就空前強(qiáng)化，一些人積極提倡低碳甚至要“農(nóng)業(yè)低碳化”。但也有學(xué)者認(rèn)為，“中國農(nóng)業(yè)不能盲目低碳化”［1］。

所謂“低碳”，指的是在人類各種活動(dòng)中要盡量減少作為能源碳的消耗和CO2等溫室氣體 的排放。人類進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及消費(fèi)的各種資源都要消耗能量，農(nóng)田基本建設(shè)、種子、肥料、灌溉、機(jī)械、燃料、耕種、造林、農(nóng)產(chǎn)品加工等都直接或間接地消耗能或碳，產(chǎn)量越高，消費(fèi)的能與碳也就越多。因此要求對稀缺的資源加以保護(hù)并予以節(jié)約集約利用，這是歷史發(fā)展的必然。無論CO2促成氣候變暖的假說是否正確，地球只有一個(gè)，節(jié)約資源 (包括能源與碳)、保護(hù)環(huán)境是人類面臨的刻不容緩的歷史責(zé)任。為此，農(nóng)業(yè)上就要因地制宜地采取節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)燃料、節(jié)工以及循環(huán)利用農(nóng)業(yè)廢物 (秸稈、糞尿)等措施。

與工業(yè)不同，農(nóng)業(yè)是一種有生命的生物性產(chǎn)業(yè)，它一方面消耗各種資源與碳;另一方面，在植物生長過程中通過光合作用，又能吸收空氣中的CO2而將以儲存，從而減少空氣中的溫室效應(yīng)。因此，農(nóng)業(yè)提倡“低碳”，包含著低耗碳和高固碳的雙重意義。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化與集約化的進(jìn)展，碳耗總量增加是必然的。農(nóng)業(yè)提倡“低碳”不等于減少碳耗總量的所謂“低碳農(nóng)業(yè)”，而是要努力追求單位產(chǎn)品以較低的耗碳率換取較高的固碳率。為此，就要研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳流 (固碳與排碳、碳匯與碳源)，以提高單位產(chǎn)品的碳效率［1］。

1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡法研究的進(jìn)展與誤區(qū)

1.1 農(nóng)田碳足跡法的出現(xiàn)與進(jìn)展

有許多方法評價(jià)農(nóng)田系統(tǒng)或農(nóng)作措施的效率。常用農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量、質(zhì)量、土地生產(chǎn)率、水效率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、投資效率、環(huán)境因素變化等指標(biāo)。這些指標(biāo)直觀、具體、明確、易于操作、實(shí)用可行，是過去、現(xiàn)在和將來常用的方法。但這些方法有一個(gè)問題，就是各指標(biāo)間沒有統(tǒng)一可比的量度。因此，很難對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)或措施進(jìn)行綜合比較。為了彌補(bǔ)不足，在農(nóng)業(yè)研究歷史上相繼出現(xiàn)了錢流法、能流法和碳流法。

1.1.1 錢流 (貨幣流)法

該方法由經(jīng)濟(jì)學(xué)家創(chuàng)立，以金錢作為評價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng) (包括農(nóng)田系統(tǒng))各因素的統(tǒng)一指標(biāo)，以資金的投入與產(chǎn)出和產(chǎn)品的價(jià)格來計(jì)算成本收益率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、資金生產(chǎn)率等。錢流法開創(chuàng)了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)一比較方法的先聲，是一種行之有效進(jìn)行綜合比較的途徑。當(dāng)然，這種方法也有它的局限性，某些情況下，市場價(jià)格易于變動(dòng)，金錢并不能完善反應(yīng)投入物質(zhì)與產(chǎn)出產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)。

1.1.2 能流 (能值)法

20世紀(jì)中葉生態(tài)學(xué)派興起，1935年發(fā)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的概念，60年代Odum開創(chuàng)了能流學(xué)說，Pimental等建立了能量法，統(tǒng)一將各種人工投入 (燃油、肥料、機(jī)械、人畜力等)與產(chǎn)出 (籽粒秸稈等)折合成能量，進(jìn)行系統(tǒng)比較其效率［2］。這是一次方法上的飛躍，其特點(diǎn)是著眼于生態(tài)效率。20世紀(jì)80年代初，沈亨理、劉巽浩等將此法引入我國，并應(yīng)用于各地能效率和養(yǎng)分效率的比較［3-4］，引起了農(nóng)業(yè)工作者的興趣。但是，這種方法也有它的局限性，能量相同并不等于質(zhì)量相同，例如，1g鉆石與1g石墨的能量是相等的，但它們的價(jià)值相差千倍。因此，它只能作為評價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的一種角度，是眾多的評價(jià)方法之一，而不能將它作為評價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 碳流 (碳足跡)法

隨著空氣中溫室氣體增加和溫室氣體學(xué)派的興起，美國、加拿大等學(xué)術(shù)研究上出現(xiàn)碳流法，稱之為“碳足跡 (carbon footprint)”法［5］?！疤甲阚E”是“碳流 (carbon flux)”的一種形象性表達(dá)，含義是相似的。1992年，Rees提出“生態(tài)足跡” (ecological footprint)［6］，1994年，Wackernagel給出定義和計(jì)算方法［7］。21世紀(jì)初，在IPCC的基礎(chǔ)上，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境學(xué)家West and Marland測算了美國化肥、農(nóng)藥、灌溉、種子等在生產(chǎn)、包裝、儲存、運(yùn)輸、使用過程中的CO2排放量，開啟了碳足跡法指標(biāo)體系的先聲［8-9］。隨之，Ohio州立大學(xué)的Lal.R教授從生命周期評價(jià)的角度對碳足跡指標(biāo)體系進(jìn)行了系統(tǒng)歸納［10］，他們均做出了有益的貢獻(xiàn)。隨后一些加拿大等國學(xué)者進(jìn)一步將與農(nóng)業(yè)有關(guān)的溫室氣體 (GHG)范圍擴(kuò)大，涉及CO2、N2O和CH4，并將后兩者按增暖潛勢折算為CO2當(dāng)量 (CO2e)，N2O折算系數(shù)為298，CH4折算系數(shù)為21～25(IPCC)［11］。中國的一些農(nóng)業(yè)足跡法的研究就是以他們?yōu)樗{(lán)本進(jìn)行的。由于碳足跡法在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用時(shí)間尚短，目前方法與指標(biāo)本身還不夠成熟。

近10年來，我國一些學(xué)者和研究生們引進(jìn)了國外碳足跡的方法和指標(biāo)，初步開展了農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的探尋。主要方面有:研究少免耕的碳足跡的有黃堅(jiān)雄［12］、伍芬琳［13］、李琳［14］、張海林［15］、韓賓［16］;研究施肥與碳足跡有逯非［17］;研究農(nóng)作制的碳足跡的有聶祚仁［18］、史磊剛［19］、梁龍［20-21］、劉允芬［22］、魯春霞［23］、耿涌［24］、段華平［25］等。中國科學(xué)院土壤研究所蔡祖聰揭示了中國稻田CH4排放量，從而糾正了IPCC夸大的估算量［26］。

目前，對農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的方法論研究尚少，我國有人也引進(jìn)并介紹了農(nóng)業(yè)碳足跡方法 (黃祖輝［27］、董紅敏［28］、杜受祜［29］、冉光和［30］、于曼［31］、羅運(yùn)周［32］等)，但對方法以及指標(biāo)體系本身探討不足。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)黃堅(jiān)雄在博士論文中，比較了農(nóng)田碳流全環(huán)法和半環(huán)法的優(yōu)劣［33-34］，難能可貴。但總體上目前農(nóng)田碳流研究的方法和指標(biāo)存在問題較多，并影響到結(jié)果的真實(shí)性，故亟須加強(qiáng)。

1.1.4 農(nóng)業(yè)碳足跡定義與特征

目前碳足跡尚沒有一個(gè)確切的統(tǒng)一定義。有人認(rèn)為，是指人類活動(dòng) (工業(yè)、商業(yè)、交通運(yùn)輸、消費(fèi)、人的日?；顒?dòng)等)直接或間接排放溫室氣體總量，Peters認(rèn)為“碳足跡是一定的時(shí)間和空間邊界內(nèi)，生產(chǎn)和消費(fèi)過程中的碳排放或固定”［35］。

研究農(nóng)田碳足跡法的目的在于減少農(nóng)業(yè)對溫室氣體的排放。同時(shí)，一些人也將它作為評價(jià)農(nóng)田系統(tǒng)或某一農(nóng)業(yè)措施優(yōu)劣的方法加以應(yīng)用。應(yīng)該說，它和能量法一樣，是評價(jià)農(nóng)田以至農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的方法之一，不宜將它作為唯一方法與標(biāo)準(zhǔn)。

一般工商業(yè)交通運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)是以只有碳排放而無碳固定為特征的，碳的足跡是有去無回，因而一般輿論上也往往就把碳排放等同碳足跡。但對有生命活動(dòng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)來講，它一方面在生產(chǎn)前后過程中，直接或間接向空氣中排放CO2等溫室氣體，另一方面，綠色植物通過光合作用固定空氣中的CO2。因此，農(nóng)田的碳足跡指的是人類在農(nóng)田上進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)形成的碳流 (carbon flux)量，它的特點(diǎn)是有去有回，是全環(huán)式的。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳流包括碳固定與碳排放兩個(gè)并存的方面:碳固定，就是指在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，綠色植物光合作用吸收CO2減去呼吸作用排出CO2而得到的凈初級生產(chǎn)力 (NPP)，其中少量轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)。碳排放，指植物在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，向空氣中排出CO2等，它包括直接與間接排放兩部分。直接排放指的是在農(nóng)田系統(tǒng)活動(dòng)中直接排放的溫室氣體，如運(yùn)作機(jī)械的燃油、電等能源，還有部分回田的秸稈殘茬分解排出的CO2(還有N2O、CH4)。間接排放指的是向農(nóng)田投入的物資所導(dǎo)致的間接排放溫室氣體，包括機(jī)械、肥料、農(nóng)藥、灌溉設(shè)備、種子在制造、儲存、運(yùn)輸、維修、田間運(yùn)作等過程中所排出的溫室氣體，也間接包括勞動(dòng)力、畜力所消耗的食物能。

通過植物整個(gè)生命活動(dòng)的碳足跡所得出的碳固定與碳排放這兩個(gè)方面的凈差值，反映了它們對空氣中溫室氣體的貢獻(xiàn)，或增或減。如果只講排放而不講固定的有去無回的半環(huán)式的碳足跡，就不能反映空氣中溫室氣體的真實(shí)增減狀況。明確這一點(diǎn)，對于確定農(nóng)業(yè)碳足跡方法與指標(biāo)體系的確定至關(guān)重要。

1.2 研究方法中存在的問題與誤區(qū)

近10多年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)碳足跡研究者趨之若鶩，但除了用正確的方法進(jìn)行研究者外，實(shí)實(shí)在在的成果較少。有的甚至將固碳與耗碳、碳匯 (sink)與碳源 (source)相互顛倒，有的雖有碳排放數(shù)據(jù)而無固碳數(shù)據(jù)，因而不能說明是否減少還是增加空氣中溫室氣體量。究其原因，與采用方法與指標(biāo)不當(dāng)有很大關(guān)系。國內(nèi)許多論文，其方法多采取West體系，或半環(huán)式，或重要指標(biāo)缺失，或各指標(biāo)邏輯起點(diǎn)不一，很多指標(biāo)未中國化，從而影響了研究結(jié)果的“含金量”。

1.2.1 碳流路徑短路 (半環(huán)式路徑)

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中植物碳流的特點(diǎn)是固碳與耗碳并存、有來有回的全環(huán)式進(jìn)行 (圖1a)。但當(dāng)前碳足跡研究中卻流行一種短路的半環(huán)式路徑 (圖1b)，只講耗碳而不講作物的碳固定，這是當(dāng)前普遍存在的嚴(yán)重問題，并被以環(huán)境為中心的主流學(xué)派所青睞。這一派別的典型代表并影響甚大的仍是West and Marland［8-9］的論文，他們將足跡法應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，創(chuàng)建了一系列以美國資料為基礎(chǔ)的指標(biāo)體系，常為許多人所采用，中國許多農(nóng)田碳足跡研究的方法也源出于此。

West等認(rèn)為，“通過收獲作物而丟失的碳量可認(rèn)為由下一茬作物的吸收碳而被置換”［8］。也就是說，認(rèn)為農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)作物固碳與系統(tǒng)外收獲物丟碳相抵消，并在實(shí)際方法上把作物固碳從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳流環(huán)上砍掉，完全排除了作物在碳流中的固碳地位，形成了半環(huán)式的碳流短路(圖1b、圖2)。這種方法的理論依據(jù)是《植物中性說》，即，從大氣圈的角度看，植物 (無論是一年生作物或多年生林木)所固定的碳最終都將轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2而回歸大氣。這種推論是有道理的，但有人將此推論延伸到農(nóng)田 (農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)概念與系統(tǒng)邊界混淆的問題。

圖1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流示意圖

第一，混淆“碳耗”與“GHGB”(空氣中溫室氣體平衡)兩個(gè)概念。一些論文將某種措施減少“碳耗”與減少“GHGB”相混淆。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對空氣中溫室氣體平衡的影響，不僅僅由碳耗決定，而是由固碳和耗碳兩者共同作用的結(jié)果。以半環(huán)式為藍(lán)本進(jìn)行碳足跡研究的許多國內(nèi)外人士往往有意無意踏入了這個(gè)陷阱。有一項(xiàng)耕作試驗(yàn)研究得出，用半環(huán)法得出的翻耕和旋耕是碳匯，分別每公頃減少GHG排放-3 533和-2 241kgCO2e，而用全環(huán)法得出結(jié)果卻是碳耗，結(jié)果恰好顛倒［34］。West論文的本身就證明了半環(huán)法的失誤。該論文得出，美國免耕比傳統(tǒng)的翻耕減少了碳耗［9］，這個(gè)結(jié)果是不言而喻的也是可信的。但是，這里隱藏了一個(gè)重大隱患，即該論文不能證明免耕是否減少了大氣中的溫室氣體，因?yàn)樗恢涝诿飧麠l件下作物固定多少碳，如果因免耕導(dǎo)致作物固碳量減少并少于因免耕的減碳量，那么，免耕引起的碳平衡反而是負(fù)的。令人費(fèi)解的是，作者最后又得出因免耕導(dǎo)致“大氣CO2減少189kgC/hm2·年”的結(jié)論［9］(圖 2)。

第二，混淆系統(tǒng)的邊界。有些碳足跡研究在名義上對象是農(nóng)田 (農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)，而實(shí)際上卻又超出了系統(tǒng)邊界。企圖以系統(tǒng)外“異地”(非農(nóng)田)、“異時(shí)”(產(chǎn)后)的“收獲物丟碳”的概念來否定農(nóng)田系統(tǒng)“作物固碳”的事實(shí)，將兩個(gè)不同性質(zhì)的概念與系統(tǒng)相混淆、違反邏輯學(xué)的同一律 (A=A)原則。從哲理角度看，它是以終端否定燦爛多樣的過程和現(xiàn)實(shí)，從而導(dǎo)向?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界的虛無主義。據(jù)研究，人類生活的地球?qū)⒃?7億年后終將消亡，但當(dāng)今的人們不會因此而停止建設(shè)美好生活的進(jìn)程。實(shí)際上，在一個(gè)植物生態(tài)系統(tǒng)中，無論是一年生作物還是多年生的喬木，在它們的生長周期內(nèi)，通過光合作用和呼吸作用的凈固碳作用是客觀存在而不能抹殺的，是該農(nóng)田 (農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)碳流的重要組成部分。人們不會因木材移出森林而否認(rèn)森林生長期間的凈固碳作用，連年種植的一年生作物和多年生的樹木成為碳庫的機(jī)理是一致的，只不過它們的“收獲物”保留時(shí)間長短不同而已。至于今后這部分收獲物 (籽粒、秸稈、木材等)中碳的去向 (它們遲早都將分解成CO2而回歸大氣)，已經(jīng)是超越了農(nóng)田 (農(nóng)業(yè)或森林)生態(tài)系統(tǒng)的邊界，而不應(yīng)在這里干擾或混淆概念。

1.2.2 指標(biāo)缺項(xiàng)或邏輯起點(diǎn)不一

由于資料來源困難、國情不同、學(xué)派觀點(diǎn)剛性或疏漏等原因，以致在農(nóng)田系統(tǒng)碳流研究中缺少應(yīng)有的指標(biāo)項(xiàng)，造成指標(biāo)不全，使結(jié)果不夠準(zhǔn)確或有一定的片面性。例如，《秸稈還田對江西農(nóng)田土壤固碳影響的模擬分析》一文，認(rèn)為“秸稈還田…增加土壤碳儲量，從而有利于減少大氣CO2濃度的上升”［36］。但該研究中缺少秸稈還田后分解排放的CO2、CH4以及作物固碳等項(xiàng)，遠(yuǎn)不能說明對大氣中溫室氣體的影響。此外，稻田秸稈還田后會大大增加CH4的排放，因而“減少大氣CO2濃度的上升”的結(jié)論有可能是一個(gè)偽命題。

當(dāng)前在農(nóng)田碳流研究中偏重化學(xué)合成品的碳耗而輕機(jī)械、灌溉、有機(jī)肥、人工等非化學(xué)合成品的碳耗，其結(jié)果是有意無意地形成“化石能是罪魁禍?zhǔn)住边@一誤導(dǎo)社會公眾和決策界的片面觀點(diǎn)。這種做法，往往帶有某些學(xué)派影響的痕跡。至于人工耗能，無論在發(fā)達(dá)與不發(fā)達(dá)國家都是重要內(nèi)容之一，但在國外碳流研究中卻常予以忽略，有人的奇怪邏輯是“不管是否參加勞動(dòng)，人總是要吃飯的，因而可忽略不計(jì)”。

指標(biāo)間邏輯起點(diǎn)不一是當(dāng)前流行的普遍問題。例如，化肥的耗碳是按整個(gè)生命周期評價(jià) (LCA)的，從原料收集、制造開始一直到田間使用，而機(jī)械、灌溉等項(xiàng)則只計(jì)油耗，而不計(jì)機(jī)械制造或設(shè)備建造等的碳耗。有的也計(jì)機(jī)械制造的油耗，但不計(jì)原料收集、管理、維修、駕駛等的碳耗。又如，西方碳足跡研究往往不計(jì)駕駛機(jī)械的人工，個(gè)別作者有計(jì)人工的，但只計(jì)人力工作時(shí)呼出的CO2量，未從一天的食品碳耗算起，仍是邏輯起點(diǎn)不一。結(jié)果是導(dǎo)致結(jié)論失真或扭曲，厚此薄彼。一般表現(xiàn)為放大化學(xué)合成品耗碳的比重，縮小機(jī)械、灌溉、人畜力等耗能的份額。這一點(diǎn)，20世紀(jì)80年代產(chǎn)生的能量法的各指標(biāo)邊界和邏輯起點(diǎn)基本一致，值得借鑒［3-4］。

圖2 美國由傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)為免耕的碳流示意

1.2.3 指標(biāo)參數(shù)不符合實(shí)際

由于農(nóng)業(yè)的復(fù)雜性、資料收集困難、信息不靈、路徑與方法有誤等原因，造成現(xiàn)有的某些碳足跡指標(biāo)參數(shù)失真，或不符合實(shí)際情況。其中，研究者本身的主觀性或?qū)W術(shù)觀點(diǎn)傾向性也起了一定作用。如有的國際機(jī)構(gòu)為了佐證氣候變暖理論，有意無意地放大或縮小某些事實(shí)或數(shù)據(jù)，這對農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的研究帶來了某些失誤。

由于以上方法上的失誤往往導(dǎo)致研究結(jié)果的錯(cuò)位、失真甚至顛倒，夸大了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳耗，放大了化學(xué)合成物的消極作用，誤認(rèn)為一切免耕、免肥、免藥、免除草、低投入、“低碳”等措施都是正當(dāng)?shù)?，甚至形成認(rèn)為不施肥也可增產(chǎn)的潮流派新論。這樣，碳足跡法研究就與一些極端的環(huán)境保護(hù)主義者相呼應(yīng)，在農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略上誤認(rèn)為作物種植、集約持續(xù)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等都在碳流中起著消極作用，因而在技術(shù)層面上無選擇地宣揚(yáng)“一切地方都適用免耕”、“中國可減少一半化肥用量”，在農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略層面上則提倡“低投入農(nóng)業(yè)”、“有機(jī)生態(tài)農(nóng)業(yè)”、“低熵農(nóng)業(yè)”、“自然農(nóng)業(yè)”“農(nóng)業(yè)低碳化”等等。

2 改進(jìn)的原則與方案

當(dāng)前國人研究農(nóng)田碳足跡多引用國外研究框架式方法論，包括路徑、方法、指標(biāo)與參數(shù)等，有的正確，有的欠正確;有的雖正確但與中國國情相差較遠(yuǎn)。因而在引用時(shí)應(yīng)加以篩選、鑒別并結(jié)合本國本地的實(shí)際情況加以修正。

2.1 改進(jìn)3原則

為了完善碳足跡研究，在前人研究基礎(chǔ)上，應(yīng)從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流的路徑、研究系統(tǒng)邊界、指標(biāo)體系、參數(shù)以至科學(xué)研究嚴(yán)肅性的角度確立相應(yīng)的原則和方法。

2.1.1 遵循農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的邊界和碳流的規(guī)律

首先，研究對象的范疇和邊界要明確。農(nóng)業(yè)方面碳足跡研究主要指的是“農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)”，寬一點(diǎn)的可涉及“農(nóng)業(yè)”。該文所指的研究對象的范疇是“農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)”(farmland eco-system)，“農(nóng)田”指種植短期作物的土地，不包括種植多年生喬木的林地，也不涵蓋更為廣泛的整個(gè)“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng) (agricultural eco-system)”范疇。各種指標(biāo)要遵循這個(gè)范疇，謹(jǐn)防越界，謹(jǐn)防混淆概念。如果研究對象只是就事論事而不涉及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，那么不一定要采用全環(huán)式，如“水稻烤田對CH4的影響”，它的目標(biāo)就是探討烤田這個(gè)措施對土壤排出CH4的影響。如果不涉及作物整個(gè)系統(tǒng)的碳足跡，也不直接涉及對空氣中溫室氣體平衡的影響，那么不一定要進(jìn)行全環(huán)式的研究。但若要研究它對溫室氣體平衡的影響，那么就必須遵循全環(huán)式路徑進(jìn)行。任何以降低GHG為目的并影響作物生長發(fā)育的農(nóng)業(yè)措施，若不與作物固碳相聯(lián)系，其結(jié)果必將是不完整的或失真的;如果從大氣角度研究植物與溫室氣體平衡的關(guān)系，那么，《植物中性論》是正確的，CO2的固定與丟失量可相互抵消。該文作者也認(rèn)為森林老化或移出林田系統(tǒng)后，也終將化為CO2而排向天空［1］。但是，不能因農(nóng)田 (農(nóng)業(yè))系統(tǒng)外的“收獲物丟碳”而否定農(nóng)田 (農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的固碳過程與現(xiàn)實(shí)，特別要避免在客觀上導(dǎo)向虛無主義。

其次，重要的是要遵循農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的全環(huán)式路徑。在一定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，同時(shí)存在著耗碳和固碳、碳匯與碳源，和多年生植物一樣，農(nóng)田上年年種植的一年生作物同樣是碳流中的碳匯和碳源，因而反映在方法上必須包括整個(gè)環(huán)流，不能是瘸腿式的半環(huán)流。這是碳足跡研究的方法論基礎(chǔ)。此外，研究某一對象的碳流時(shí)，它的范圍、時(shí)間、地點(diǎn)要有一定的邊界，耗碳與固碳、碳源與碳匯的比較，應(yīng)在時(shí)間、地點(diǎn)上應(yīng)保持同一性，即在同期、同系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行比較分析，不能借口今日的碳匯將是明日的碳源而否定今日的碳匯，否則，將導(dǎo)致概念混淆或結(jié)果顛倒。

以West and Marland為代表的農(nóng)田碳足跡路徑就是半環(huán)式的典型，其表達(dá)式是:

NGHGB指空氣中凈溫室氣體平衡，GWPdSOC/n指土壤有機(jī)碳累計(jì)年變化量的增溫潛勢，GWPsoilGHG指土壤中逸出的N2O和CH4的增溫潛勢;GWPindirect指溫室氣體間接排放 (機(jī)械、肥料、藥劑、灌溉、種子、人畜力等)的增溫潛勢。此公式表示溫室氣體平衡決定于土壤中有機(jī)質(zhì)、N2O、CH4的變化和間接投入的排放，而與作物無關(guān)。就是說，他完全忽略了作物固碳的事實(shí)與存在。顯然，這種路徑與事實(shí)不符。

另一些學(xué)者如 Soussana［37］、Smith［38］、Lehuger［39］等采用的是全環(huán)式的路徑，其公式是:

式中:GWP指增溫潛勢，GWPNPP指凈初級生產(chǎn)率 (包括籽粒和秸稈殘茬根系);GWPIMPORT指外部直接投入的碳，實(shí)際指廄肥;GWPsoilexport指土壤排出的溫室氣體量，包括CO2、N2O、CH4(非水田可忽略);GWPRH指土壤的異氧呼吸排出的碳 (可忽略);GWPSOILGHGS指土壤有機(jī)質(zhì)變化引起的溫室氣體增減量 (在某些短期田間試驗(yàn)中此項(xiàng)可忽略);GWPinput指各種間接碳匯 (化肥、有機(jī)肥、農(nóng)藥、種子、灌溉、人力、畜力等)。此公式碳足跡路徑是正確的、全面的，反映了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有去有回的碳流真實(shí)情況，機(jī)理上是完善的、合理的。

為簡便計(jì)，也為了更好適于中國的情況，在以上公式⑴基礎(chǔ)上做了點(diǎn)非實(shí)質(zhì)性的修改:

式中:△GHG為空氣中溫室氣體增減量;GWPNPP指凈初級生產(chǎn)率 (包括籽粒和秸稈殘茬根系)的增溫潛勢;GWPSOC指土壤有機(jī)碳的增溫潛勢 (此項(xiàng)短期試驗(yàn)可忽略);GWPSOILEXPORT指土壤排放CO2(主要是秸稈還田)、N2O(主要決定于施N量)、CH4(非稻田可忽略)的增溫潛勢;GWPINPUT指間接投入的增溫潛勢 (包括機(jī)、油、電、化肥、農(nóng)藥、廄肥、人畜力等)。另外，也可以從投入與產(chǎn)出角度進(jìn)行計(jì)算分析:即

Lal、Gan等研究利用的方法及能量法等均遵循著這種全環(huán)法進(jìn)行了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流的研究并得出有益的結(jié)果［10-11］。美國斯坦福大學(xué)的研究人員以全環(huán)法的思路，通過歷史比較得出，集約化農(nóng)業(yè)減少了碳排放［40］，這個(gè)與主流看法相悖的結(jié)論，引起了美國學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)。Gan在加拿大半干旱地區(qū)25年試驗(yàn)的結(jié)果顯示，連作小麥年固碳量為1340kgCO2/hm2，是小麥—休閑的127%［11］，說明作物種植農(nóng)田比不種植農(nóng)田 (休閑)減少了空氣中的溫室氣體。Lal計(jì)算Clements試驗(yàn)結(jié)果得出，每公頃玉米大豆小麥輪作的碳耗為174.6kg，而碳匯為416.0kg，碳匯與碳耗之比為2.4∶1［10］。王福軍等研究華北農(nóng)田的碳流顯示，不同耕作方式的碳持續(xù)性指數(shù)均在1.47以上［41］。該文作者在以下的我國歷年農(nóng)田以及兩個(gè)當(dāng)今案例的碳流分析中也得出了同樣正態(tài)結(jié)果。說明作物種植并不是一般認(rèn)為的是凈耗碳行為，相反，它和種樹一樣，是減少空氣中溫室氣體的一個(gè)重要成員。

2.1.2 指標(biāo)參數(shù)力求準(zhǔn)確公平

(1)重要指標(biāo)項(xiàng)不能缺失:指標(biāo)體系要力求完整地反映當(dāng)時(shí)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流狀況，包括碳消耗與碳合成、化肥與有機(jī)肥、機(jī)電與人畜力、灌溉等。不能畸輕畸重或忽略碳流環(huán)中的某個(gè)重要環(huán)節(jié)。中國與美國不同，在農(nóng)業(yè)中廣泛使用有機(jī)肥、人畜力，尤其在中西部仍很多。灌溉農(nóng)業(yè)、多熟制是中國農(nóng)業(yè)特色，在指標(biāo)體系中不可缺失。(2)盡可能地要遵循生命周期評價(jià) (Life Cycle Assessment，LCA)原則，各指標(biāo)的邊界與邏輯起點(diǎn)要公平一致。各種指標(biāo)的邊界怎么定?這是一個(gè)為難的問題，但也要盡可能的公平化。國際上確定企業(yè)碳足跡時(shí)，是原料—生產(chǎn)—分配至消費(fèi)者，也就是生命周期評價(jià)法 (LCA)俗稱從搖籃到墳?zāi)沟挠?jì)算方法。當(dāng)前在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡研究中，化肥的指標(biāo)基本上符合這一框架，但在計(jì)算機(jī)械、灌溉等碳足跡時(shí)，往往是只計(jì)油耗，而不計(jì)制造、基本建設(shè)等的碳耗，顯然不大公平。理想的做法是包括制造及制造前一級原料所含的碳耗。如，作為農(nóng)機(jī)制造原料鐵所隱含的碳耗 (但不包括在前一級制造鐵所消耗的碳量)、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力在農(nóng)田勞動(dòng)過程中消耗食物的含碳量 (但不包括制造食物所消耗的碳量)、作為磷肥原料開采磷礦石所消耗的碳量 (但不包括開采磷礦石使用的機(jī)械的制造過程的碳耗量)、灌溉不能只記耗油或耗電量，應(yīng)包括收集與導(dǎo)引水資源的碳耗量，如灌溉機(jī)具、水庫、灌溉渠系的修建、維修、管理等。至于農(nóng)田所消耗的油、電，則直接以它們所含的能量或碳量計(jì)。(3)對待一年生作物與多年生喬木的碳流行為要一視同仁，不能薄此厚彼。

2.1.3 加強(qiáng)客觀性與實(shí)用性

農(nóng)業(yè)活動(dòng)十分復(fù)雜，涉及面廣、變化多端、地域差異大，在足跡設(shè)計(jì)和運(yùn)作過程中，要進(jìn)行資料收集、田間測定、試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)、實(shí)地調(diào)查、數(shù)據(jù)折算、分析歸納、模型應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中有一些數(shù)據(jù)又難以直接獲得，于是往往借助他人他國的資料，有時(shí)不得已還要做點(diǎn)“設(shè)定”。在這些過程中，難免有一些主觀性干預(yù)。為此，有關(guān)碳足跡的研究理論、方法、指標(biāo)、參數(shù)更要力求真實(shí)、可靠、科學(xué)化，避免主觀臆測，更要避免站在某個(gè)學(xué)派或機(jī)構(gòu)的立場上而強(qiáng)化主觀性。在篩選過程中，要求:(1)力求準(zhǔn)確，避免有的機(jī)構(gòu)或科學(xué)家為了某種觀點(diǎn)而盡力夸大或縮小某項(xiàng)參數(shù);(2)從客觀實(shí)際出發(fā)，指標(biāo)與參數(shù)要力求符合當(dāng)?shù)貙?shí)際，逐步走向中國化;(3)指標(biāo)體系既要科學(xué)化又要簡便實(shí)用，避免繁瑣化。宏觀性研究可以粗一點(diǎn)，微觀性研究可根據(jù)研究的需要而加以細(xì)化。

2.2 指標(biāo)體系的比較與改進(jìn)方案

面對當(dāng)前農(nóng)田足跡法應(yīng)用中存在的問題與誤區(qū)，根據(jù)以上的改進(jìn)3原則，對現(xiàn)有的各種指標(biāo)體系和參數(shù)進(jìn)行了比較與篩選并初步形成改進(jìn)方案。

當(dāng)前，廣泛引用的指標(biāo)體系有IPCC、West and Marland、Lal、Gan等，這些多半是以美、加等國的資料為基礎(chǔ)的，可以借鑒，但要結(jié)合本國本地情況。20世紀(jì)80年代興起的能量分析是碳流分析的重要基礎(chǔ)，已有的能量法指標(biāo)體系，對碳流研究方法與指標(biāo)體系構(gòu)建仍有重要的參考價(jià)值。因?yàn)樗容^完整、邏輯起點(diǎn)基本一致、資料可獲得性強(qiáng)，又接近中國國情。它的不足之處，可參考其他指標(biāo)體系互為補(bǔ)充。

涉及農(nóng)業(yè)碳流因素的數(shù)據(jù)有兩種來源:一是測定物體的碳量，如煤、柴油 (IPCC)，二是從物體的能量折算成碳量。農(nóng)業(yè)上能量與碳量有很大的相關(guān)性，能耗大的碳耗也大，反之亦然。少免耕能耗少，碳耗也少。高產(chǎn)的能耗大，碳耗也大。碳足跡實(shí)際上是能足跡的另一種表現(xiàn)，能與碳之間存在著一定的比值，即能碳比。在實(shí)際計(jì)算某項(xiàng)因素的能碳比時(shí)，如果能同時(shí)實(shí)際測定能量和碳量最好，如IPCC得出的原煤的能值和碳值、West and Marland得出的化肥農(nóng)藥的能量和碳量。當(dāng)只有能值而無碳值時(shí)，可利用能量折算碳量。盡管不同對象的“能碳比”并不完全相同，但為了簡便計(jì)，也可按平均的能碳比進(jìn)行折算，如Lal［10］綜合的折算系數(shù)是:1Mcal=93.5*10-3kgCe，1GJ=20.15kgCe，1H.P(馬力)=5.41*10-2kgCe［其中:cal=卡，J=焦耳，均為能量單位;M=106，G=109，Ce(碳當(dāng)量)*3.66=CO2e(CO2當(dāng)量)］。碳足跡法中應(yīng)用的某些指標(biāo) (如人力、畜力、機(jī)械、有機(jī)肥、灌溉等)均可用能量法的能值來折算碳值。

為了便于比較與篩選，必須著手按一定標(biāo)準(zhǔn)將五種主要來源的指標(biāo)和參數(shù)折算成統(tǒng)一的表達(dá)單位，將農(nóng)田作物固定的能量或碳量 (籽粒、秸稈、土壤有機(jī)質(zhì))、消費(fèi)的資源 (煤、油、農(nóng)機(jī)、肥料、農(nóng)藥、種子、人畜力)和土壤排放或庫存的溫室氣體等折算成能量、碳量。表1中列出了當(dāng)前流行的五種主要指標(biāo)體系，即 IPCC(2006)、West and Marland［9］、Gan［11］、Lal［10］和能量法［3］以供比較研究 (表 1)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)改進(jìn)3原則以及研究項(xiàng)目的需要，在宏觀整體性研究中以能量法指標(biāo)體系為骨架，借鑒IPCC、West、Lal、Gan等若干參數(shù)形成改進(jìn)方案，而在微觀措施性研究中，除能量法外，更多借鑒West、Lal等參數(shù)，方案詳見表2的宏觀研究和表3的微觀研究。指標(biāo)與參數(shù)的具體改進(jìn)意見如下。

2.2.1 農(nóng)田機(jī)械

當(dāng)前普遍存在的弊病是不遵守生命周期 (LCA)和邏輯起點(diǎn)一致的約定，常見的是化肥農(nóng)藥碳足跡是按整個(gè)生命周期進(jìn)行追尋，而農(nóng)田機(jī)械只計(jì)機(jī)械運(yùn)作的燃油而不包括機(jī)械制造等的碳耗，這樣就形成指標(biāo)間邏輯起點(diǎn)差異而造成的不公平評議。其原因之一是難于獲得相關(guān)資料。

改進(jìn)辦法:最好是直接測定機(jī)械制造、運(yùn)輸、保養(yǎng)、管理等的碳耗，不得已時(shí)可采取替代的辦法。當(dāng)研究一個(gè)農(nóng)業(yè)單位整體 (如兩個(gè)鄉(xiāng)兩個(gè)國家農(nóng)業(yè)碳足跡比較，或同一單元不同時(shí)間比較)，可采用能量法的碳足跡整體的投入產(chǎn)出法，以整個(gè)單位 (縣、鄉(xiāng))農(nóng)業(yè)機(jī)械量推算出碳耗量，燃油、人工、管理等的碳耗則另計(jì)。若比較單項(xiàng)農(nóng)業(yè)措施 (如不同耕法、不同農(nóng)作制)時(shí)，則用各項(xiàng)措施的生命周期法，或用混合法，以單項(xiàng)耕作措施計(jì)算碳耗量。如翻耕、免耕的燃油量及機(jī)械制造折舊運(yùn)行等的耗碳量。后者數(shù)據(jù)很難得到，不得已時(shí)，可考慮用費(fèi)用來進(jìn)行推算。具體做法是以某項(xiàng)機(jī)械操作的燃油費(fèi)與全作業(yè)費(fèi)之比，推算出整個(gè)作業(yè)的碳耗。如山東小麥玉米兩熟例:每公頃泰安、龍口、滕縣3地平均翻耕作業(yè)費(fèi)為60元，其中，油耗為15元，油耗與非油耗的比例為1∶3。設(shè)定機(jī)械作業(yè)的利稅費(fèi)占1/4(15元)，則機(jī)械部分(包括原料、制造加工、儲存、運(yùn)輸、保養(yǎng)、操作等)的碳耗為30元，油耗與機(jī)耗之比為1∶2。

表1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流指標(biāo)體系及其賦值

2.2.2 化肥農(nóng)藥

已有方法與參數(shù)多以生命周期 (LCA)為基礎(chǔ)且邏輯起點(diǎn)一致，不同作者間參數(shù)有所差異。氮肥以IPCC數(shù)字最大，氮肥的耗碳為10.2kgCO2e/kg，West數(shù)字最小，為2.96kgCO2e/kg，Gan、Lal、能法等為4.8kgCO2e/kg。P2O5仍以 IPCC 數(shù)字最大，達(dá) 1.5，West為 0.37，Lal為 0.73，能量法為 1.14kgCO2e/kg。K2O仍以IPCC最大，為0.98，West最少，為0.29，Lal和能法為0.6kgCO2e/kg。農(nóng)藥的數(shù)字國外約為18kgCO2e/kg，但能量法為6.58kgCO2/kg。比較起來，能量法的化學(xué)品參數(shù)更接近中國的實(shí)際。

2.2.3 灌溉

這項(xiàng)對中國尤其重要，與農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的問題相同，即普遍只計(jì)油耗而不計(jì)油耗外的碳耗。原因是油耗外的碳耗更難統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前對此研究也較少。從邏輯起點(diǎn)一致與LCA角度，理應(yīng)包括水源收集源 (井、塘、庫)、渠系的修建、灌溉機(jī)具以及灌溉時(shí)的油電耗工等，但做到這一點(diǎn)是很困難的。

可選擇的改進(jìn)的辦法:(1)能法計(jì)入了灌溉機(jī)具的制造和灌溉時(shí)的油 (電)耗，但尚未計(jì)入灌溉系統(tǒng)建造的能耗，可作為參考應(yīng)用。(2)不得已時(shí)可通過費(fèi)用求得每公頃農(nóng)田灌溉總費(fèi)用與油耗費(fèi)用之比，間接推算出油耗與油耗外的灌溉耗碳比。

此外，可參考的數(shù)值有:Batty得出地面灌溉泵水耗能決定于提水高度，0米時(shí)為油碳耗為235kgCO2/(hm2·m)，50m時(shí)為4 148kgCO2/(hm2·m)，100m時(shí)為8 062kgCO2/hm2·m);Dvoskin得出美國西部提灌油耗為472(250mm灌量時(shí))-944kgCO2e(500mm灌量時(shí));李增嘉得出灌溉的油碳耗為109kgCO2/hm2;油耗外的碳耗約為219kgCO2/hm2麥季，灌溉系統(tǒng)裝備耗碳為344～433kgCO2e/(hm2.yr)［10］。

2.2.4 動(dòng)力

這一項(xiàng)比較簡單，與農(nóng)田直接有關(guān)的動(dòng)力主要是柴油、電、極少量的煤。煤、油、天然氣等可直接測定能量并折CO2，一般選用IPCC的參數(shù)，如原煤為2.1kgCO2/kg，柴油為3.9 kgCO2e/kg。電不能直接測定CO2，需從供給發(fā)電的能源 (煤、柴油、天然氣等)間接獲得。煤的CO2排放量比天然氣約多60%，中國發(fā)電用煤多，因而中國每度電的耗碳量比美國多。按West的計(jì)算方法，美國形成1度電要排放0.66kgCO2，而針對中國的國情，適于選擇能法的標(biāo)準(zhǔn)，即一度電排放0.92kgCO2e/kWh。

2.2.5 人畜力

國外研究碳足跡往往忽略人力和畜力，發(fā)達(dá)國家不用畜力，當(dāng)然可以不計(jì)，但人力是不能忽略的。也有少數(shù)作者在農(nóng)田碳流研究中計(jì)算了人力，但只計(jì)算人勞動(dòng)時(shí)呼出的CO2而沒有以進(jìn)食的耗能為起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，不符合LCA原則。

改進(jìn)的方案:可按能量法計(jì)算，人力和畜力均以進(jìn)食為起點(diǎn)。勞力一年工作以300天計(jì)，每天進(jìn)食3 000kcal=12 600J，扣除糞便部分為836Mcal［(3 500MJ=3.5GJ=70.5kgCe=258kgCO2e)/(人·年)，或0.86kgCO2/人·天)。此數(shù)與王福軍得出的每小時(shí)0.07kgCO2相近［41］。役畜1年工作以250天計(jì)，1天需飼料的能量為30Mcal，1年扣除糞便部分共為21GJ，折1 586kgCO2kg/(頭·年)，折6.34kgCO2e/(頭·天)］。

2.2.6 廄肥

美國很少使用有機(jī)肥，因而也不予以計(jì)入，但中國廄肥仍是許多地區(qū)的重要肥源。計(jì)算的方法:⑴直接測定施用廄肥中的能量或碳量;⑵以牲畜存欄數(shù)推算廄肥量。按能量法，畜禽1年排出的糞便中的有機(jī)質(zhì)折能為:馬牛、羊、豬、雞鴨一年每只相應(yīng)為2503Mcal、262Mcal、480Mcal、8Mcal，折排出CO2相應(yīng)為2.1、0.22、0.41、0.007kgCO2/(只·年)。

2.2.7 種子

繁殖種子比一般作物生產(chǎn)要額外增加一些資源的投入，如土地、肥料、農(nóng)藥、灌溉、人工等，因此種子的碳耗除了本身所含的能量或碳量外，應(yīng)再乘上繁育種子過程中額外投入的碳耗系數(shù)。

2.2.8 土壤有機(jī)碳 (SOC)

生物量中的非經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量部分 (秸稈殘茬根系等)還田后，其中有極少量的碳轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)碳，與此同時(shí)，在土壤中還進(jìn)行著腐殖質(zhì)的分解而排出CO2，兩者相抵，就是土壤有機(jī)碳變化量 (土壤腐殖質(zhì)含C為58%)。劉巽浩等試驗(yàn)得出，在中國多數(shù)農(nóng)田土壤中，土壤腐殖質(zhì)變化幅度極少，在每年大量秸稈還田條件下，一般只有土壤腐殖質(zhì)含量的0.01%左右［42］，因此在短期試驗(yàn)中，土壤腐殖質(zhì)變化可忽略不計(jì)。

2.2.9 土壤溫室氣體 (GHG)排放

相關(guān)的GHG變化包括 (1)CO2:土壤排放的CO2主要來自還田的秸稈 (包括根系)逐步經(jīng)微生物分解而排出CO2。據(jù)農(nóng)業(yè)部委托的全國南北8地聯(lián)合試驗(yàn)研究得出，在秸稈還田的10年期間，平均有97%的有機(jī)碳經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為CO2而從土壤中逸出，只有3%碳轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)的碳［42］。如果在作物收獲同時(shí)，全部秸稈歸還農(nóng)田，則可將NPP中秸稈的固碳量和土壤CO2排出量相抵消而不計(jì)。如果秸稈只部分還田，則應(yīng)同時(shí)計(jì)算其出與入的CO2值 (干秸稈含C為40%)。

(2)N2O:據(jù)研究，土壤排出N2O量與氮肥量密切相關(guān)。據(jù)IPCC(2006)，每千克氮肥約排出0.01kgN2O-N，據(jù) Rochette［43］在加拿大不同土壤研究得出，平均每千克 N 肥產(chǎn)生0.008kgN2O-N［43］，而Gan的數(shù)字是0.004-0.012kgN2O-N［44］。據(jù)IPCC，單位N2O的增暖潛勢甚高，為CO2的298倍。果真如此，若以0.008kgN2O-N/kgN肥計(jì)，等于每千克氮肥產(chǎn)生2.38kgCO2e。

(3)CH4:這是特殊問題，一般旱地產(chǎn)生CH4微少，可忽略不計(jì)。稻田CH4是溫室氣體的重要來源之一。單位CH4的增暖潛勢相當(dāng)于CO2的21～25倍。1990年，IPCC第一次提出全球甲烷排放量為1.1億t，其中中國為0.3億t［45］，但經(jīng)中國科學(xué)院南京土壤所的蔡祖聰［26］和顏曉元等［45］的研究，指出IPCC夸大了這個(gè)數(shù)字。蔡祖聰?shù)贸?，中國稻田排放CH4數(shù)據(jù)應(yīng)少于IPCC的1/3，顏曉元制作了世界甲烷地圖，其得出的中國稻田共計(jì)排放CH4為世界普遍采用數(shù)字的1/4，折合約750萬t。中國科學(xué)家的研究糾正了IPCC夸大的估算量。隨后，IPCC將全球甲烷排放量修正為0.6億t［26］。盡管如此，稻田排放CH4仍是一個(gè)重大隱患，緩解的措施有烤田、避免秸稈還田于淹水季節(jié)等措施。

為簡便計(jì)，以上3項(xiàng)，在實(shí)際操作時(shí)可視情況而定。短期的田間試驗(yàn)，土壤腐殖質(zhì)變化很少，可考慮忽略之;排出的CO2、N2O、CH4可在田間測定。非水田的旱作CH4可忽略之。農(nóng)田排出N2O數(shù)量雖少，它的增溫潛勢極大，不可忽視。

2.2.10 凈初級生產(chǎn)率 (NPP)

綠色植物通過光合作用從空氣中吸收CO2減去呼吸作用呼出的CO2，得出凈光合產(chǎn)物，即指凈初級生產(chǎn)率 (NPP)，包括經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量 (籽粒)和秸稈 (包括根系等)。這一項(xiàng)是農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的最重要一環(huán)，數(shù)據(jù)獲得甚為簡便，但許多研究卻因此項(xiàng)缺失而前功盡棄，West等的半環(huán)法的誤區(qū)就在于此。

測定NPP方法:(1)直接測收獲物的碳量;(2)將收獲物的重量折能量與碳量。按能量法，一般禾本科作物籽粒折1.18kgCO2/kg，大豆折1.53kgCO2/kg，秸稈折1.0kgCO2/kg。

2.2.11 碳效率

在選用適當(dāng)?shù)穆窂?、方法、指?biāo)體系基礎(chǔ)上，結(jié)合研究對象的實(shí)際，進(jìn)行必要調(diào)查研究、資料分析、數(shù)字運(yùn)算。最后，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出結(jié)論。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流的效率可用以下方式表示。

(1)以溫室氣體凈增減量表示。如公式 (1)、(2)所示，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的最終結(jié)果，要看該研究項(xiàng)目對空氣中溫室氣體 (GHG)的凈增減效應(yīng)，負(fù)數(shù)說明減少了空氣中的溫室氣體，反之亦然。

(2)以碳流的效率表示 (表4)。

總固碳/總耗碳比:這是最重要的指標(biāo)，比值＞1為正，＜1為負(fù)。正比數(shù)越大，說明對空氣中溫室氣體的貢獻(xiàn)越少，反之說明增加溫室氣體越多。

籽粒固碳/籽粒耗碳比:這是在農(nóng)田作物收獲同時(shí)將秸稈全部回田情況下的固碳與耗碳比。

總耗碳/kg籽粒:表示形成1kg籽粒產(chǎn)量的耗碳數(shù)，是反映碳效率的一個(gè)實(shí)用指標(biāo)。

有機(jī)耗碳/無機(jī)耗碳比、有機(jī)質(zhì)耗碳/總耗碳比:反映有機(jī)投入與無機(jī)投入間的比例關(guān)系。

化合物耗碳/總耗碳比、化合物耗碳/機(jī)電油耗碳比:表示化學(xué)物品在耗碳中的比重。

勞畜力耗碳/總耗碳比:表示勞畜力在耗碳中的比重。

2.2.12 改進(jìn)方案的驗(yàn)證

上文討論了現(xiàn)有農(nóng)田足跡法的進(jìn)展，肯定了前人許多有成效的貢獻(xiàn)及其初步形成的碳足跡研究路徑與框架。同時(shí)，也對存在的主要問題與誤區(qū)提出商榷，對現(xiàn)有農(nóng)田碳足跡路徑、指標(biāo)、參數(shù)進(jìn)行了比較、篩選與適當(dāng)改進(jìn)。主要是指出當(dāng)前流行的半環(huán)式路徑存在著重大隱患，從理論上強(qiáng)調(diào)了植物 (包括一年生和多年生植物)具有碳匯與碳庫、固碳與耗碳的雙重性;論證了全環(huán)式與半環(huán)式的利弊，從而在方法上確定全環(huán)式碳足跡路徑;力求指標(biāo)體系完整化、本地化和邏輯起點(diǎn)一致，強(qiáng)化了農(nóng)田的間接碳投入;在比較現(xiàn)有幾種主要指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，將各種來源數(shù)值折合成可比較的CO2當(dāng)量 (CO2e);嘗試著對有關(guān)指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行選擇性吸收、補(bǔ)充、修改并初步形成改進(jìn)后的完整體系。

為了驗(yàn)證并進(jìn)一步改善上述有關(guān)碳足跡研究的路徑、方法、指標(biāo)與參數(shù)等形成的改進(jìn)體系，也為了研究中國農(nóng)田碳流效率的實(shí)際問題，剖析了兩個(gè)典例:一是從宏觀角度分析了中國歷年農(nóng)田碳流的動(dòng)向、效率及其對空氣中溫室氣體平衡的影響，二是以新疆伊寧和山東滕州的小麥、玉米為案例，從微觀角度探討了當(dāng)代集約農(nóng)業(yè)的碳效率。

通過兩案例驗(yàn)證顯示:第一，上述兩種案例選用的方法指標(biāo)的特點(diǎn)是:(1)全環(huán)式碳流路徑，它反映了農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的本來面目;(2)經(jīng)過補(bǔ)充修改的指標(biāo)體系基本完整化，適用于中國的實(shí)際情況;⑶邊界與邏輯起點(diǎn)大體一致，改正了偏重化合物耗碳輕機(jī)械耗碳的弊病;(4)努力尊重客觀事實(shí)，不以某個(gè)學(xué)派的觀點(diǎn)而強(qiáng)化主觀性。

第二，無論是整體性全國性的宏觀研究還是微觀性的單項(xiàng)措施研究，上述選擇性吸收并改進(jìn)后的農(nóng)田碳足跡改進(jìn)方案基本上是可行的。參數(shù)的選用要看研究對象的具體情況而定，表中引用的參數(shù)大體上可供參考應(yīng)用 (表1、表2和表3)。

第三，改進(jìn)方案中的方法指標(biāo)參數(shù)仍需進(jìn)一步完善。(1)有些指標(biāo)參數(shù)采集困難，一些參數(shù)來源樣本少、準(zhǔn)確性與科學(xué)性不足。(2)有的數(shù)據(jù)設(shè)定仍帶有主觀性與作者視野的局限性。(3)指標(biāo)體系與參數(shù)仍顯粗糙，如某些N2O、CH4排放被忽略或遺漏。應(yīng)針對不同研究對象的需要加以細(xì)化。(4)很多指標(biāo)參數(shù)仍引自國外資料，結(jié)合本國本地實(shí)情不足。

需要強(qiáng)調(diào)的是，農(nóng)業(yè)涉及面十分復(fù)雜，它是多目標(biāo)、多層次的生態(tài)經(jīng)濟(jì)技術(shù)系統(tǒng)，當(dāng)前熱門的碳足跡研究就像當(dāng)年熱門研究能流一樣，只是研究農(nóng)業(yè)的一種角度，可為農(nóng)業(yè)決策提供一種思路參考，但不能絕對化。例如，盡管當(dāng)前全中國農(nóng)田平均和兩個(gè)高產(chǎn)案例的農(nóng)田系統(tǒng)的碳足跡均呈正平衡 (見下文)，但這并不足以說明中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以高枕無憂了。當(dāng)前中國農(nóng)作單位規(guī)模甚小，土地生產(chǎn)力雖高，但勞動(dòng)生產(chǎn)率甚低，農(nóng)民收入甚低，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平甚低，有待于進(jìn)一步大幅度的改變與改善。