賈翹 袁洪印

摘 要 ：基于吉林省中部地區(qū)機(jī)械化保護(hù)性耕作的調(diào)查數(shù)據(jù)，利用基于農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)（LCA）分析的碳足跡分析研究，對(duì)不同保護(hù)性耕作模式進(jìn)行的碳足跡分析。結(jié)果表明：玉米均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式碳足跡為516.38 kg·CO2-eq/hm2，寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式為522.30 kg·CO2-eq/hm2，高光效玉米栽培機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的碳足跡最大，可以達(dá)587.1 kg·CO2-eq/hm2。分析發(fā)現(xiàn)，氮肥的施用和農(nóng)機(jī)機(jī)械的使用對(duì)玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作的碳足跡分析有最大的影響。因此，需要加大玉米種植的規(guī)模效應(yīng)，提高農(nóng)機(jī)的使用效率，定量施肥并增強(qiáng)單位面積上氮肥的使用效率。

關(guān)鍵詞：保護(hù)性耕作；機(jī)械化生產(chǎn)；碳足跡；生命周期評(píng)價(jià)；玉米

中圖分類號(hào)： S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160532025

引言

由于人類長(zhǎng)期對(duì)自然資源的不合理的進(jìn)行開發(fā)利用，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨著眾多資源與環(huán)境問題的挑戰(zhàn)。因此，不斷提高人類對(duì)環(huán)境資源的利用效率，保護(hù)生物多樣性及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，是農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必經(jīng)之路[1]。農(nóng)業(yè)碳足跡分析是一種碳排放對(duì)溫室效應(yīng)影響的定量方法，以農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)（LCA）理論為基礎(chǔ)，可以系統(tǒng)評(píng)價(jià)農(nóng)作過程引起碳排放的主要環(huán)境影響因子，是低碳農(nóng)業(yè)和可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的理論基礎(chǔ)[2]。農(nóng)業(yè)LCA理論可以定量分析與評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)整個(gè)生命周期過程的資源利用與環(huán)境負(fù)荷之間的關(guān)系，農(nóng)業(yè)LCA分析方式對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義[3]。

農(nóng)業(yè)碳足跡分析能夠系統(tǒng)地評(píng)價(jià)玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作生命周期中，由不同因素及環(huán)境影響因子直接或間接產(chǎn)生的碳排放，定量地計(jì)算農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)氣候變暖、碳排放的影響，為改進(jìn)玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作農(nóng)藝方式提供依據(jù)，并對(duì)低碳機(jī)具設(shè)計(jì)與選擇指明方向[4]。本文依托農(nóng)戶跟蹤調(diào)研，以玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作模式為研究對(duì)象，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論、農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)LCA理論及其相關(guān)研究方法，在參照國(guó)內(nèi)及國(guó)際上碳排放參數(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，定量的對(duì)玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作碳排放當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算，并分析其相關(guān)指標(biāo)與碳排放的關(guān)系，并篩選出吉林中部地區(qū)碳排放減低的玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式，為改進(jìn)農(nóng)藝方式和低碳機(jī)具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 玉米保護(hù)性耕作模式調(diào)查及分析

2014年2-4月在吉林省中部地區(qū)對(duì)玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的調(diào)研，本次調(diào)研涉及對(duì)象包括公主嶺、榆樹等6個(gè)縣市的農(nóng)技推廣站，農(nóng)機(jī)大戶，農(nóng)機(jī)合作社以及普通玉米種植戶等不同的玉米種植主體。調(diào)研對(duì)象選取具有代表性的對(duì)象，基于隨機(jī)抽選的原則，調(diào)研小組通過與調(diào)研主體的近距離交流，獲得不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的投入及產(chǎn)出數(shù)據(jù)。

1.1 均勻壟保護(hù)性耕作模式

農(nóng)業(yè)技術(shù)流程為：整地（包括滅茬、旋耕、起壟、鎮(zhèn)壓多個(gè)過程）→農(nóng)田播種及施肥→田間管理（老式的三鏟三趟等多種類型）→收獲環(huán)節(jié)（留茬、還田）。

技術(shù)特點(diǎn)：

整地可分為滅茬、翻地、耙地、起壟、鎮(zhèn)壓等5部分。農(nóng)戶會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)這5部分分別進(jìn)行選擇整地步驟。

農(nóng)戶選擇播種機(jī)對(duì)農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行半精量播種施肥。

田間管理過程包括除草、深松、追肥、灌溉等多種作業(yè)方式，農(nóng)戶也是根據(jù)實(shí)際情況選擇田間管理的不同類型。

收獲環(huán)節(jié)主要有人力收獲及機(jī)械收獲2大類型。

1.2 寬窄行保護(hù)性耕作模式

技術(shù)特點(diǎn)：

寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式不是傳統(tǒng)的均勻壟種植方式，而是通過機(jī)械整地將均勻壟耕作模式改為平作耕作模式或大壟雙行耕作模式。

寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式經(jīng)常使用半株加密精量播種方式而非常用的半精量播種方式。

寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式每對(duì)休耕輪作帶進(jìn)行深松處理，其中農(nóng)田深松深度需達(dá)30～40cm。

寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式是高留茬，留茬高度平均為30～40cm，留根茬到第2年各種自然過程腐化進(jìn)行還田。

1.3 高光效保護(hù)性耕作模式

技術(shù)特點(diǎn)：

整地改壟。玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式在吉林省中部地區(qū)壟向大約為磁南偏西20°左右，會(huì)根據(jù)每個(gè)地區(qū)的光照條件進(jìn)行調(diào)整，耕作時(shí)大壟行距為165 cm，小壟行距35 cm。

播種方法。第1年玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式按耕作行寬40cm，休耕行寬160cm進(jìn)行播種。第2年在第1年耕作行的東側(cè)30cm處仍按耕作行寬35cm，休閑行寬165cm進(jìn)行播種。第3年按耕作行寬40cm，休閑行寬160cm再間隔30cm進(jìn)行播種。3a形成1個(gè)耕作輪回。

采用機(jī)械精量播種。

2 典型模式的碳足跡測(cè)算

2.1 清單分析

清單分析階段包括分析特定系統(tǒng)的功能單位內(nèi)涉及的所有資源投入及物質(zhì)產(chǎn)出，本文研究過程中所涉及的特定系統(tǒng)是吉林省中部地區(qū)不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的農(nóng)作系統(tǒng)。不同機(jī)械化保護(hù)性耕作模式1hm2玉米田所涉及的投入產(chǎn)出清單見表1。

表1 吉林省中部地區(qū)不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式投入產(chǎn)出清單

均勻壟 寬窄行 高光效

復(fù)合肥/（kg·hm2） 1047.5 977.5 950

N/（kg·hm2） 293.3 273.7 266

柴油/（kg·hm2） 78.6 82 96.7

2.2 參數(shù)選擇

NH3揮發(fā)按照氮素投入總量的14%進(jìn)行計(jì)算，淋洗損失以氮素投入總量的12%計(jì)算，每向空氣揮發(fā)1 kg氨和水體流失1 kg硝化氮（NO3），會(huì)間接產(chǎn)生氧化亞氮（N2O），其中間接揮發(fā)氧化亞氮（N2O）分別取0.01 kg和0.025 kg，氧化氮（NOx）的揮發(fā)系數(shù)為氧化亞氮的10%。柴油燃燒清單如下：CO為0.629 g/kg；NOx為4.794 g/kg；SOx為3.995 g/kg；CO2為3185.005 g/kg；CH4為0.007 g/kg；N2O為0.016 g/kg。計(jì)算可得吉林省中部地區(qū)不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的碳足跡清單匯總見表2。

表2 吉林省不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式生命周期清單匯總 單位：kg/hm2

物質(zhì)名稱 均勻壟 寬窄行 高光效

NOx 0.858 0.842 0.900

CO2 250.34 261.17 307.990

CH4 0.000550 0.000574 0.000677

CO 0.0494 0.0516 0.0608

2.3 特征化

2.3.1 環(huán)境負(fù)荷

國(guó)際上已經(jīng)建立了比較完善的LCA當(dāng)量模型，利用相對(duì)完善的LCA當(dāng)量模型可以對(duì)氣候變暖進(jìn)行評(píng)價(jià)分析[5]。其中造成不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式農(nóng)田碳排放負(fù)荷的環(huán)境影響因子以及各個(gè)環(huán)境影響因子當(dāng)量系數(shù)見表3。

表3 碳足跡排放物質(zhì)的當(dāng)量系數(shù)

排放物質(zhì) 當(dāng)量系數(shù)

碳排放 CO2 1

CO 2

CH4 21

NOx 310

（1）

式中：為玉米農(nóng)作系統(tǒng)對(duì)碳排放的特征化結(jié)果；為第i種環(huán)境影響因子對(duì)碳排放的影響潛值；為第i種環(huán)境影響因子的排放量；為第i種環(huán)境影響影子對(duì)碳排放的當(dāng)量系數(shù)。

根據(jù)表3選定的影響因子和當(dāng)量系數(shù)，利用式（1）對(duì)各種影響因子進(jìn)行特征化分析，結(jié)果見表4。

2.3.2 碳足跡分析

全球氣候變暖是近年來較受關(guān)注的有全球性影響的環(huán)境負(fù)荷，根據(jù)當(dāng)今有關(guān)碳排放的研究，可知導(dǎo)致氣候變暖的主要因素為二氧化碳、甲烷、氟利昂、氧化氮等，國(guó)際上通常以二氧化碳作為參照物，二氧化碳的當(dāng)量系數(shù)被視為1，其他相關(guān)環(huán)境影響因子按照百年影響分別設(shè)置當(dāng)量系數(shù)[6]。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化通過特征化獲得的結(jié)果除以已選好的基準(zhǔn)值，相關(guān)數(shù)據(jù)見表5。

（2）

式中：為碳足跡分析的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果；為2000年世界基準(zhǔn)值。

表4 不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式碳足跡特征化結(jié)果 單位：kg/hm2

影響因子 均勻壟 寬窄行 高光效 當(dāng)量系數(shù)（CO2） 均勻壟 寬窄行 高光效

CO2 250.34 261.17 307.99 1 250.34 261.17 307.99

CO 0.0494 0.0516 0.0608 2 0.0989 0.103 0.122

CH4 0.000550 0.00057 0.000677 21 0.0116 0.0121 0.0142

NOx 0.858 0.842 0.900 310 265.92 261.01 278.94

總計(jì) 516.37 522.30 587.07

表5 不同玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作模式生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

影響類型 單位 模式類型 基準(zhǔn)值/（人·年-1） 地域類型 標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

均勻壟 寬窄行 高光效 均勻壟 寬窄行 高光效

碳足跡 Kg·CO2eq 516.38 522.30 587.07 6869 全球 0.0752 0.076 0.0855

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果解釋

從表5中可以看出，玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式的碳足跡最大，可以達(dá)到587 kg·CO2-eq/hm2。玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式比均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式和玉米寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式分別多70.7 kg·CO2-eq/hm2和64.8 kg·CO2-eq/hm2。

玉米農(nóng)作系統(tǒng)碳排放主要來自于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程中柴油燃燒產(chǎn)生的CO2和過量氮肥使用過程引發(fā)的NOx。其中在農(nóng)作過程中，均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式產(chǎn)生的CO2和NOx造成的碳排放分別占到此種種植模式總碳排放量的48.5%和51.5%（見圖1）；寬窄行休閑機(jī)械化保護(hù)性耕作模式農(nóng)作階段產(chǎn)生的二氧化碳和NOx能夠占到此類模式碳足跡的50.00%和49.97%，玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式產(chǎn)生CO2和NOx能夠分別占到此類模式碳排放總量的52.6%和47.5%。

可見CO2和NOx是造成農(nóng)田溫室氣體排放主要的因素，也是碳足跡分析重點(diǎn)，其中CO2主要是有機(jī)械油料燃燒引起，而NOx主要是由農(nóng)田化肥的施用導(dǎo)致的，減少單位土地的這2種物質(zhì)的施用是減少溫室氣體排放的節(jié)點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 影響因素分析及對(duì)策建議

農(nóng)業(yè)碳足跡受土地條件、農(nóng)業(yè)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)社會(huì)等不同因素的影響，不同區(qū)域、不同種植模式，經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件相差較大，種種原因?qū)е绿甲阚E的差異較大；相同區(qū)域內(nèi)的不同種植模式的碳足跡也會(huì)產(chǎn)生些微差異，因?yàn)椴煌挠衩追N植主體在機(jī)械運(yùn)用上、在農(nóng)技環(huán)節(jié)上及農(nóng)田環(huán)境差異較大，對(duì)最終的碳足跡分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

本研究中玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式農(nóng)業(yè)碳足跡的最大，意味著玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式碳足跡最高，玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式使用農(nóng)業(yè)機(jī)械最多，機(jī)械化程度最高，導(dǎo)致燃油較多，產(chǎn)生更多的碳排放。而寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式和均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式2種模式相對(duì)玉米高光效機(jī)械化保護(hù)性耕作模式相對(duì)較為傳統(tǒng)，使用機(jī)械較少，因而由燃油燃燒導(dǎo)致的碳排放相對(duì)較少。

肥料的使用上，3種模式在實(shí)際應(yīng)用過程中，施肥量基本一致，因其在長(zhǎng)時(shí)間的種植過程中，享受了肥料增加帶來的增產(chǎn)效應(yīng)，形成了施肥多產(chǎn)量多的固定思路。農(nóng)業(yè)合作社和農(nóng)機(jī)大戶有一定的科學(xué)的種植技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)，生產(chǎn)機(jī)械化程度相對(duì)較高，但是隨著土壤質(zhì)量下降，農(nóng)業(yè)合作社及農(nóng)機(jī)大戶在傳統(tǒng)思維的束縛下并不敢降低施肥量，這也就導(dǎo)致實(shí)際施肥量并未按照新型保護(hù)性種植模式來減少施肥量。根據(jù)研究結(jié)果表明東北地區(qū)機(jī)械化保護(hù)性耕作模式有巨大的節(jié)能減排的能力與潛力，其中玉米均勻壟模式是重點(diǎn)。

在實(shí)際農(nóng)作過程中，只有使用新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，加強(qiáng)研發(fā)與普及適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的測(cè)土配方技術(shù)等節(jié)肥技術(shù)，提高玉米作業(yè)過程中的化肥使用效率，是降低吉林省玉米機(jī)械化保護(hù)性耕作的關(guān)鍵；加強(qiáng)玉米種植的規(guī)?；矊?duì)降低碳排放具有重要意義，但是提高規(guī)模種植面積同樣也受經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件的作用，需要1個(gè)長(zhǎng)期的發(fā)展演變過程，提高種植大戶的管理水平，提高水肥的利用效率，降低單位面積上碳排放水平。分析發(fā)現(xiàn)，氮肥的施用和農(nóng)機(jī)機(jī)械的使用對(duì)玉米生產(chǎn)機(jī)械化保護(hù)性耕作的碳足跡分析有最大的影響。因此需要加大玉米種植的規(guī)模效應(yīng)，提供機(jī)械的使用效率，并施行定量施肥，增強(qiáng)單位面積上氮肥的使用效率。

4 結(jié)論

基于吉林省中部地區(qū)機(jī)械化保護(hù)性耕作的調(diào)查數(shù)據(jù)，利用基于農(nóng)業(yè)生命周期評(píng)價(jià)分析的碳足跡分析研究，對(duì)不同保護(hù)性耕作模式進(jìn)行的碳足跡分析。綜合吉林省中部地區(qū)各縣市的農(nóng)業(yè)實(shí)際農(nóng)作條件及本研究評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出在吉林省中部地區(qū)適合推廣玉米寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式和在傳統(tǒng)壟作基礎(chǔ)上的均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式，有較強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力。

玉米寬窄行機(jī)械化保護(hù)性耕作模式要對(duì)原有壟作習(xí)慣進(jìn)行調(diào)整，一次性投入較大，在農(nóng)田改造完成后能產(chǎn)生較好的環(huán)境效益，碳排放減少，且一次投入后會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)環(huán)保效果，能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，農(nóng)機(jī)大戶及農(nóng)業(yè)合作社有較大的動(dòng)力進(jìn)行推廣應(yīng)用。均勻壟機(jī)械化保護(hù)性耕作模式是在原有壟作基礎(chǔ)上應(yīng)用一定的保護(hù)性耕作技術(shù)，推廣簡(jiǎn)便，在普通農(nóng)戶中較受歡迎，較為應(yīng)用于吉林省大部分地區(qū)，實(shí)施難度較小，可在普通農(nóng)戶廣泛推廣應(yīng)用

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作者簡(jiǎn)介：賈翹（1989-），吉林長(zhǎng)春人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化經(jīng)營(yíng)管理；袁洪印（1963-），男，吉林長(zhǎng)春人，博士，教授，碩導(dǎo)，研究方向：農(nóng)業(yè)信息化與智能化。