陳中督，李鳳博，馮金飛，周錫躍，徐春春，紀(jì) 龍，方福平

(中國水稻研究所，浙江杭州 311300)

0 引言

在全球范圍內(nèi)，大氣中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)的濃度顯著增加，幾乎可以肯定是自1750年以來人類活動的結(jié)果[1， 2]。二氧化碳排放量的增加主要歸因于化石燃料的燃燒和土地利用的變化，而CH4和N2O排放主要來自于農(nóng)業(yè)。IPCC第五次評估報告表明，農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的24%，其中CH4和N2O排放分別占全球總的CH4和N2O排放量的70%和90%[3]。2011年，化學(xué)肥料在農(nóng)田施用過程中排放的溫室氣體占農(nóng)業(yè)排放量的13%，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中增長最快的排放源，自2001年以來增加了約37%。因此，減少全球農(nóng)業(yè)溫室氣體排放、促進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳經(jīng)濟在控制全球溫室氣體排放總量方面顯得尤為重要。

現(xiàn)如今，碳足跡(Carbon footprint)已被廣泛應(yīng)用于全球范圍內(nèi)與作物生產(chǎn)相關(guān)的碳排放的量化評價，并基于生命周期法原則定量描述一種產(chǎn)品或一個活動“從搖籃到墳?zāi)埂闭麄€生命周期內(nèi)的溫室氣體排放[4]。在過去的幾十年中，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳足跡已經(jīng)被廣泛運用。王興等[5]基于全國2004—2014年水稻生產(chǎn)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用碳足跡評價方法核算了全國水稻生產(chǎn)碳足跡及其變化趨勢，指出我國水稻單位面積碳足跡呈逐年增長，而單位產(chǎn)量碳足跡則出現(xiàn)下降趨勢。Dubey和Lal對美國俄亥俄州和印度旁遮普邦的農(nóng)業(yè)碳足跡進(jìn)行了詳細(xì)分析，并探討了兩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[6]。黃祖輝和米松華[7]基于浙江省投入產(chǎn)出表，結(jié)合投入產(chǎn)出和生命周期評價法，詳細(xì)闡明了浙江省農(nóng)業(yè)碳排放特征及其組成成分。所有這些研究表明，農(nóng)業(yè)碳足跡理論結(jié)合生命周期評價方法，作為評估氣候變化影響的一種行之有效的評價方法，為綠色低碳的糧食作物系統(tǒng)評價提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

長江下游地區(qū)是我國稻麥輪作種植模式的主要生產(chǎn)基地，每年稻麥產(chǎn)量對我國谷物生產(chǎn)貢獻(xiàn)了將近30%，為保障我國糧食生產(chǎn)安全做出了重要貢獻(xiàn)。大量統(tǒng)計資料表明，近年來，長江下游地區(qū)水稻和小麥的單產(chǎn)和總產(chǎn)均有大幅度的提高[8， 9]。但是，稻麥產(chǎn)量提升的背后皆伴隨著大量的肥料投入，從而不可避免帶來溫室氣體排放的增加。協(xié)調(diào)好作物持續(xù)高產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等之間的矛盾，一直是備受關(guān)注的焦點[10， 11]。因此，研究長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡及其構(gòu)成，分析各組分碳足跡貢獻(xiàn)率，對于我國稻麥輪作系統(tǒng)低碳可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。文章基于調(diào)研數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及生命周期評價法定量分析了長江中下游流域稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡及其構(gòu)成，以及探討了長江下游地區(qū)稻麥生產(chǎn)低碳策略與潛力，為實現(xiàn)我國低碳農(nóng)業(yè)提供理論支撐與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該研究立足于長江下游地區(qū)江蘇、安徽稻麥輪作主產(chǎn)區(qū)，采用農(nóng)戶走訪式問卷調(diào)研形式， 2016—2017年前后共收到農(nóng)戶調(diào)查問卷130份，有效問卷116份，問卷合格率達(dá)89%。調(diào)查內(nèi)容為農(nóng)戶在稻麥種植過程中的農(nóng)資投入及農(nóng)事操作能源消耗數(shù)據(jù)，主要包括稻麥種子投入量、出售價格，化肥投入、農(nóng)膜使用量、機械柴油消耗量、灌溉耗水量等。

1.2 研究邊界

該研究的系統(tǒng)邊界為水稻季和小麥季播種到收獲整個生育期內(nèi)直接和間接溫室氣體排放。具體包括各項農(nóng)資投入(種子、化肥、農(nóng)膜、農(nóng)藥)溫室氣體排放、農(nóng)事操作(灌溉、耕作、收獲等)過程中能源消耗所形成的溫室氣體排放、作物種植期間CH4、N2O排放。理論上，稻田溫室氣體排放主要包括有CH4、N2O和CO2等，但水稻光合作用所固定的CO2要大于呼吸CO2，在水稻生育期內(nèi)的CO2凈排放通量為負(fù)值，因此，CO2一般不列入稻田溫室氣體排放清單中予以計算[12]。

圖1 稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡計算邊界

1.3 計算方法

碳足跡計算方法及稻田CH4排放的相關(guān)參數(shù)均來源于《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[13]。水稻從播種到收獲過程的農(nóng)資投入碳足跡計算為：

(1)

式(1)中，CFi為早稻和晚稻生產(chǎn)的農(nóng)資投入單位面積碳足跡(kg CO2-eqhm-2)；n表示該雙季稻生產(chǎn)系統(tǒng)從播種到收獲整個過程消耗的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料種類和農(nóng)事操作(化肥、農(nóng)藥、柴油等)，?表示某種農(nóng)資的消耗量(kg)，m表示某種農(nóng)資的溫室氣體排放參數(shù)，該研究排放參數(shù)主要源于中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)和 Ecoinvent 2.2數(shù)據(jù)庫(表1)。

表1 農(nóng)業(yè)投入資料的溫室氣體排放系數(shù)

項 目單位系數(shù)來源柴油kg CO2-eq/kg0.89CLCD0.7柴油燃燒kg CO2-eq/kg4.1CLCD0.7灌溉用電kg CO2-eq/kWh0.82CLCD0.7氮肥kg CO2-eq/kg1.53CLCD0.7磷肥kg CO2-eq/kg1.63CLCD0.7鉀肥kg CO2-eq/kg0.65CLCD0.7農(nóng)膜kg CO2-eq/kg22.72Ecoinvent2.2殺蟲劑 kg CO2-eq/kg16.61Ecoinvent2.2除草劑 kg CO2-eq/kg10.15Ecoinvent2.2殺菌劑 kg CO2-eq/kg10.57Ecoinvent2.2水稻種子kg CO2-eq/kg1.84Ecoinvent2.2小麥種子kg CO2-eq/kg0.58Ecoinvent2.2

稻田是CH4的主要排放源[14]，而稻田N2O的直接排放很小[15]，可忽略不計，故該研究在計算稻田碳足跡的構(gòu)成時，根據(jù)ISO/TS14067碳足跡核算標(biāo)準(zhǔn)估算了稻田CH4的排放量。水稻生長期間CH4引起的碳排放計算公式為：

CFCH4=EFi，j，k×ti，j，k×25

(2)

EFi，j，k=EFC×SFW×SFP×SFO

(3)

(4)

ROAi=Y×0.623×ISRp×0.85

(5)

式(2)～(5)中，CFCH4為甲烷排放引起的二氧化碳排放當(dāng)量(kgCO2-eq/hm2)。EFi，j，k是在i，j和k條件下的日排放因子(kgCH4/(hm2·day))；ti，j，k=i，j和k條件下的水稻種植期(日)。i，j，k分別代表不同的生態(tài)系統(tǒng)，水分狀況和有機添加量，以及其他可以引起水稻甲烷排放變化的條件；EFc是不含有機添加物的持續(xù)性灌水稻田的基準(zhǔn)排放因子(1.3kgCH4/(hm2·day))，SFw、SFp分別為種植期不同水分狀況的換算系數(shù)和種植期前季前不同水分狀況的換算系數(shù)，結(jié)合肖玉的研究[16]，該研究SFw=1，SFp=1。SFo是有機添加物類型和數(shù)量變化的換算系數(shù)，CFOAi=1表示在品種土質(zhì)之間有機添加物的轉(zhuǎn)換系數(shù)，ROAi為有機添加物的施用比率，Y為雙季稻產(chǎn)量(kg hm2-1year-1)， 0.623為水稻草谷比，ISRp為稻谷的秸稈還田系數(shù)，表示農(nóng)戶稻草還田占稻草產(chǎn)量的比例。0.85為水稻秸稈干重占鮮重的比值[14]。

旱地的CH4排放量較少，可忽略不計，旱地直接和間接的N2O排放主要由施用氮肥所引起，因此N2O排放的計算公式為：

CFN2O=DCFN2O+GCFN2O+LCFN2O

(6)

DCFN2O=N×F1×44/28×298

(7)

GCFN2O=N×FG×F2×44/28×298

(8)

LCFN2O=N×FL×F3×44/28×298

(9)

式(6)～(9)中，CFN2O為N2O排放引起的二氧化碳排放當(dāng)量。DCFN2O為氮肥引起的田間N2O直接排放，GCFN2O是由NH3和NHX形式揮發(fā)到大氣后氮沉降造成的間接N2O排放。LCFN2O為通過淋失和徑流損失的氮素造成的間接N2O排放。F1、F2、F3分別為氮肥投入引起的N2O直接排放的排放因子、氮沉降造成的間接N2O排放因子和淋失和徑流損失的氮素造成的間接N2O排放因子，系數(shù)分別為0.01、0.01和0.007 5。FG和FL分別為以NH3和NHX形式揮發(fā)的化肥氮比例(0.1kg/kg)和土壤中淋失和徑流損失的氮比例(0.3kg/kg)。44/28為N2O與N2O-N分子量之比， 298為在100年尺度上將N2O轉(zhuǎn)化為CO2的全球增溫潛勢，以上排放因子均來源于2006年IPCC國家溫室氣體清單指南。

作物生產(chǎn)的單位面積碳足跡(CF)，單位產(chǎn)量碳足跡(CFy)、單位生物產(chǎn)量碳足跡(CFb)、單位產(chǎn)值的作物生產(chǎn)碳足跡(CFv)的計算分別見公式(10)～(13)。

CF=CFi+CFCH4+CFN2O

(10)

CFy=CF/Y

(11)

CFb=CF/B

(12)

CFv=CF/V

(13)

式(10)～(13)中，Y指作物產(chǎn)量，B指作物生物產(chǎn)量，V指作物產(chǎn)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用EXCEL 2011和SPSS17.0(SPSS Inc.，Chicago，IL，US)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析，采用EXCEL 2011和Sigmaplot 12制作圖表。

2 結(jié)果分析

2.1 長江下游地區(qū)稻麥輪作模式碳足跡

長江下游地區(qū)稻麥輪作模式碳足跡如圖2所示。長江下游地區(qū)水稻生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡值為0.53kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為0.75kgCO2-eq/kg、0.40kgCO2-eq/kg； 單位生物產(chǎn)量碳足跡值為0.26kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為0.37kgCO2-eq/kg、0.20kgCO2-eq/kg； 單位產(chǎn)值碳足跡值為0.20kgCO2-eq/CNY，最大值與最小值分別為0.29kgCO2-eq/CNY、0.15kgCO2-eq/CNY； 小麥生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡值為0.48kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為1.04kgCO2-eq/kg、0.23kgCO2-eq/kg； 單位生物產(chǎn)量碳足跡值為0.18kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為0.38kgCO2-eq/kg、0.08kgCO2-eq/kg； 單位產(chǎn)值碳足跡值為0.25kgCO2-eq/CNY，最大值與最小值分別為0.55kgCO2-eq/CNY、0.12kgCO2-eq/CNY。稻麥輪作系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡值為0.50kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為0.73kgCO2-eq/kg、0.36kgCO2-eq/kg； 單位生物產(chǎn)量碳足跡值為0.22kgCO2-eq/kg，最大值與最小值分別為0.32kgCO2-eq/kg、0.16kgCO2-eq/kg； 單位產(chǎn)值碳足跡值為0.22kgCO2-eq/CNY，最大值與最小值分別為0.31kgCO2-eq/CNY、0.16kgCO2-eq/CNY。

注：a：水稻單位產(chǎn)量、單位生物量、單位產(chǎn)值碳足跡；b：小麥單位產(chǎn)量、單位生物量、單位產(chǎn)值碳足跡；c：稻麥輪作系統(tǒng)單位產(chǎn)量、單位生物量、單位產(chǎn)值碳足跡圖2 長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡

2.2 長江下游地區(qū)稻麥輪作模式的碳足跡構(gòu)成

長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)生產(chǎn)的碳足跡構(gòu)成如圖3所示。水稻生產(chǎn)碳足跡構(gòu)成中以CH4排放占比最大，約為65%，農(nóng)資投入品引起的碳足跡占35%。在農(nóng)資投入品中，柴油和氮肥投入所產(chǎn)生的碳足跡較大，分別占到15%和11%，其次為農(nóng)膜和種子，分別占到4%和2%，農(nóng)藥各組分所占比例較小，幾乎可忽略不計。小麥生產(chǎn)碳足跡構(gòu)成與水稻類似，田間直接排放所占比例最大，N2O占比為53%，其他農(nóng)資投入占比為47%。農(nóng)資投入中，化肥投入引起的碳足跡最大(23.4%)，其中氮肥、磷肥、鉀肥分別占總碳足跡的20%、1.8%和1.6%。其次是柴油投入引起的碳足跡，稍高于氮肥占比，占到22%。由于長江中下游流域雨水較多，小麥生產(chǎn)不需要進(jìn)行灌溉，因此不產(chǎn)生碳足跡。稻麥輪作系統(tǒng)中農(nóng)藥投入所帶來的溫室氣體排放最低，水稻和小麥貢獻(xiàn)度分別為0.5%和0.8%。其中，農(nóng)藥組成中，貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為殺菌劑>殺蟲劑>除草劑。

注：a：水稻碳足跡構(gòu)成； b：小麥碳足跡構(gòu)成圖3 長江中下游流域稻麥輪作模式碳足跡構(gòu)成

注：a：水稻； b：小麥； c； 稻麥輪作模式。小黑點表示柴油消耗量與碳足跡的相關(guān)性，小白點表示氮肥投入量與碳足跡的相關(guān)性圖4 長江中下游流域稻麥輪作模式碳足跡影響因素解析

2.3 稻麥輪作模式碳足跡影響因素分析

進(jìn)一步，我們通過對農(nóng)戶角度各個農(nóng)資投入與總碳足跡做相關(guān)性分析可知，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮肥的施用量和柴油消耗量與總碳足跡存在正相關(guān)性關(guān)系(圖4)。由圖4可以看出，水稻生產(chǎn)過程中，每公頃柴油使用量增加1kg，水稻生產(chǎn)碳足跡增加8.26kgCO2-eq/hm2(趨勢線方程為y=8.2 568x+3 781.6，R2=0.5 082)，每公頃增施1kg 氮肥，水稻生產(chǎn)碳足跡增加3.07kgCO2-eq/hm2(趨勢線方程為y=3.068 4x+3 738.1，R2=0.650 5)，可見水稻生產(chǎn)過程中，氮肥增加對碳足跡的影響程度小于柴油。小麥生產(chǎn)過程中，每公頃增加1kg 柴油和1kg氮肥，小麥碳足跡分別增加9.74和7.80kgCO2-eq/hm2，同樣表現(xiàn)為柴油碳足跡影響程度略大于肥料。稻麥輪作模式下，每公頃增加1kg 柴油和1kg氮肥，稻麥輪作模式碳足跡分別增加10.34和5.35kgCO2-eq/hm2，趨勢線方程分別為y=10.343x+5 074(R2=0.507 7)和y=5.350 2x+4 589.5(R2=0.836 9)。綜合來看，氮肥施用量對水稻碳足跡的影響程度略小于小麥碳足跡，柴油消耗量對水稻碳足跡的影響程度小于小麥。

2.4 不同種植規(guī)模對稻麥輪作模式碳足跡的影響

不同種植規(guī)模的稻麥輪作模式生產(chǎn)糧食(水稻和小麥)的碳足跡情況見圖5。由圖5可知，稻麥輪作模式中水稻碳足跡和小麥碳足跡均與種植規(guī)模成顯著的負(fù)相關(guān)性，即碳足跡隨著種植規(guī)模的增大而呈下降趨勢。進(jìn)一步將種植規(guī)模分為小(0～3.5hm2)、中(3.5～4.0hm2)和大(>4.0hm2)3種類型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水稻在3類種植規(guī)模上的平均單位產(chǎn)量碳足跡分別為0.57kgCO2-eq/kg、0.55kgCO2-eq/kg和0.53kgCO2-eq/kg，而小麥相應(yīng)的碳足跡分別為0.53kgCO2-eq/kg、0.52kgCO2-eq/kg和0.45kgCO2-eq/kg。可見，稻麥輪作系統(tǒng)中的水稻和小麥在3種種植規(guī)模中的碳足跡均是小規(guī)模類型最高，中規(guī)模的較低，大規(guī)模的最低。

注a：水稻不同種植規(guī)模碳足跡；b：小麥不同種植規(guī)模碳足跡圖5 長江中下游流域不同種植規(guī)模稻麥輪作模式碳足跡

長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)不同種植規(guī)模碳足跡投入及構(gòu)成如表2所示。長江下游地區(qū)水稻大規(guī)模種植平均單產(chǎn)為9 000kg/hm2，較小規(guī)模種植平均單產(chǎn)(8 700.0kg/hm2)提高了3.4%。對比分析水稻不同種植規(guī)模的碳足跡、單位面積投入和構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，大規(guī)模種植CF、CFy、CFb和CFv稍高于小規(guī)模種植，但差異不顯著(P>0.05)。比較分析小麥不同種植規(guī)模生產(chǎn)碳足跡發(fā)現(xiàn)，小麥大規(guī)模生產(chǎn)CF、CFy、CFb和CFv分別顯著高于小規(guī)模生產(chǎn)12.4%、20.9%、18.8%和22.7%，差異呈現(xiàn)顯著水平(P<0.05)。大規(guī)模小麥生產(chǎn)單位面積柴油和氮肥碳足跡顯著低于小規(guī)模小麥生產(chǎn)，降低幅度分別為15.6%和11.6%(P<0.05)；而磷肥則呈現(xiàn)相反趨勢，增加幅度為29.6%(P<0.05)。大規(guī)模種植小麥平均單產(chǎn)為5 625.0kg/hm2，較小規(guī)模種植平均單產(chǎn)(5 250.0kg/hm2)提高了6.7%，差異呈現(xiàn)顯著水平(P<0.05)。

表2 不同種植規(guī)模碳足跡投入及構(gòu)成

種類水稻 小麥 大規(guī)模 小規(guī)模 大規(guī)模 小規(guī)模 甲烷3 041.6a2 998.6a氧化二氮1 275.1a1 442.6a柴油451.5b581.0a516.4b611.9a灌溉12.8a20.3a氮肥902.8a1013.8a491.1b555.7a磷肥52.0a55.2a52.7a37.1b鉀肥44.9a58.0a44.7a32.1a農(nóng)膜 165.5a169.7a除草劑 2.8a2.9a3.8a3.2a殺蟲劑 6.6a4.5a8.2a10.3a殺菌劑15.3a10.4a8.1a10.9a水稻種子150.7a136.0a小麥種子32.0a30.1a單位面積碳足跡4 846.5a5 050.5a2 432.2b2 733.8a產(chǎn)量 9 000.0a8 700.0a5 625.0a5 250.0b單位產(chǎn)量碳足跡 0.54a0.58a0.43b0.52a單位生物量碳足跡0.27a0.29a0.16b0.19a單位產(chǎn)值碳足跡0.21a0.23a0.22b0.27a 注:不同小寫字母表示不同種植規(guī)模間的差異顯著水平(P<0.05)

3 討論與結(jié)論

3.1 長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡

該研究發(fā)現(xiàn)，相對與我國水稻(0.89kgCO2-eq/kg)和小麥(0.81kgCO2-eq/kg)平均碳足跡而言[5， 17]，長江下游地區(qū)水稻和小麥碳足跡有所降低。研究表明，長江下游地區(qū)水稻生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡、單位產(chǎn)值碳足跡分別為0.53kgCO2-eq/kg， 0.20kgCO2-eq/CNY，小麥生產(chǎn)單位產(chǎn)量碳足跡、單位產(chǎn)值碳足跡分別為0.48kgCO2-eq/kg， 0.25kgCO2-eq/CNY。這可能跟中國各省作物生產(chǎn)對于農(nóng)資投入的規(guī)模，各結(jié)構(gòu)組分的比例不同有關(guān)，例如不同省份對灌溉需求不同，相對于水資源較為匱乏的中國北方農(nóng)作區(qū)，長江下游地區(qū)因其天然優(yōu)越的氣候資源，其對灌溉的需求較小，從而減少了灌溉用電帶來的碳足跡。另外，由于長江下游地區(qū)優(yōu)越的地理特征及氣候條件，其產(chǎn)量普遍高于其他農(nóng)作區(qū)，從而導(dǎo)致其單位產(chǎn)量碳足跡較小。根據(jù)2014年全國農(nóng)業(yè)普查可知，江蘇省水稻和小麥產(chǎn)量分別為8 824.5kg/hm2和6 604.1kg/hm2，較全國水稻和小麥產(chǎn)量分別提高了2.9%和6.3%。作物生產(chǎn)碳足跡受種植制度、農(nóng)作措施以及社會經(jīng)濟等多方面影響，并且各因素存在互作，因此不同作物的碳足跡存在顯著差異[18]。盧小宏等基于田間試驗數(shù)據(jù)，計算分析了河北吳橋玉米單位產(chǎn)量碳足跡值為0.29kgCO2-eq/kg[19]。王占彪等[20]基于農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)，指出河北省棉花單位產(chǎn)量碳足跡平均值為0.11kgCO2-eq/kg。可見，單位產(chǎn)量碳足跡表現(xiàn)為水稻生產(chǎn)平均值>冬小麥>夏玉米>棉花，說明長江中下游流域水稻生產(chǎn)投入較其他作物高，因此在未來長江中下游流域作物生產(chǎn)布局中應(yīng)適當(dāng)壓縮雙季稻播種面積，適當(dāng)擴大小麥、玉米等其他作物種植面積，推廣多形式的輪作模式，從而減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放。從國際層面上來看，我國稻麥碳足跡水平較其他發(fā)達(dá)國家普遍較高，研究結(jié)果與Kitzes等(2008)[21]報道類似。當(dāng)前，我國農(nóng)資投入水平普遍高于發(fā)達(dá)國家。例如，在中國，合成氮肥的施用率約為發(fā)達(dá)國家的2～3倍。其次，我國小麥產(chǎn)量普遍低于發(fā)達(dá)國家。據(jù)估計，荷蘭的小麥產(chǎn)量為中國的小麥產(chǎn)量的1.9倍。此外，中國嚴(yán)重依賴煤炭獲取各種能源和材料的生產(chǎn)，由于煤的能源效率較低，因此農(nóng)資投入的溫室氣體排放系數(shù)顯著高于發(fā)達(dá)國家，從而導(dǎo)致了更高的溫室氣體排放[22， 23]。這對中國糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性提出了巨大挑戰(zhàn)，提高作物生產(chǎn)率，減少農(nóng)田溫室氣體排放是提高我國糧食安全的重要途徑。

3.2 長江下游地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡主要構(gòu)成

大量研究指出，大田溫室氣體的直接排放農(nóng)田主要來源于肥料的施用，其中氮肥投入所產(chǎn)生的溫室氣體排放占到農(nóng)田總排放的44%～79%[24]。該研究也發(fā)現(xiàn)，水稻生產(chǎn)中肥料的碳足跡貢獻(xiàn)率達(dá)到17.1%，小麥季肥料(包括氮肥導(dǎo)致的田間N2O直接和間接排放)碳足跡貢獻(xiàn)率高達(dá)76.5%。該研究氮肥生產(chǎn)過程的溫室氣體排放系數(shù)基于中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)[12]，系數(shù)為1.53kgCO2-eq/kg，遠(yuǎn)高于國外氮肥溫室氣體排放系數(shù)(0.86kgCO2-eq/kg)，從而造成了氮肥生產(chǎn)過程中的高排放。另一方面，我國農(nóng)作物連續(xù)高產(chǎn)的同時，也伴隨著我國化肥的高使用量。研究表明我國當(dāng)季氮肥和磷肥利用率普遍較低，分別為35%和18%，遠(yuǎn)低于國際標(biāo)準(zhǔn)水平[25]。再者，農(nóng)田中施用過量化肥，會在植物和土壤中大量集聚，在降雨及灌溉的條件下隨著水分流失，造成間接的N2O排放。另外，該研究發(fā)現(xiàn)柴油在稻麥輪作系統(tǒng)農(nóng)資投入碳排放中所占比重較大，農(nóng)業(yè)機械化及其自動化是我國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的方向及目標(biāo)，機械能源的消耗必然有所增加，如何協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟效益和調(diào)發(fā)展是未來研究的重點，從經(jīng)濟能源高效利用角度實現(xiàn)我國低碳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。稻田CH4排放是水稻生產(chǎn)碳足跡的主要來源之一，已得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同。例如，曹黎明等[26]對上海市單季晚稻農(nóng)田溫室氣體評估值為1.28×104kgCO2-eq/hm2，占全部碳排放的77.2%。王興等[5]的研究發(fā)現(xiàn)全國水稻生產(chǎn)碳足跡組成中占比最大的部分為稻田CH4排放，達(dá)85.05%。本研究也得出類似的結(jié)論，CH4排放量對水稻季碳排放貢獻(xiàn)顯著，占到總碳足跡的65%左右。目前，對于如何抑制稻田CH4排放，國內(nèi)外學(xué)者也已開展了大量研究，主要集中在稻田灌溉[27]、肥料管理[28]、品種選擇[27]、稻田綜合種養(yǎng)[29]、耕作方式[15]等方面。但是，影響稻田CH4排放的因素有很多，如土壤性質(zhì)、水分因素、施肥、耕作、氣候因素等[24]，今后的研究中需要多方面綜合考慮。

3.3 規(guī)模種植對作物碳足跡的影響

該研究顯示了不同種植規(guī)模單位產(chǎn)量碳足跡存在顯著差別，稻麥輪作系統(tǒng)的碳足跡隨種植規(guī)模增大而呈下降趨勢，小麥季大規(guī)模農(nóng)場單位產(chǎn)量碳足跡顯著低于小規(guī)模家庭農(nóng)場，這與Feng 等(2011)[30]的研究結(jié)果一致，其研究報告指出，大規(guī)模種植農(nóng)場(>0.7hm2)表層土壤有機碳儲量較小規(guī)模種植農(nóng)場(<0.7hm2)提高30%，從而提高了作物單位產(chǎn)量。Sefeedpari等(2013)[31]在一項類似的研究中發(fā)現(xiàn)，小于1hm2的農(nóng)場的總能量投入比1～4hm2、4～10hm2和>10hm2的總能量投入要高，分別提高了17%、21%和34%，主要原因是種植規(guī)模大的農(nóng)戶生產(chǎn)管理相對科學(xué)，提高了水肥的利用效率，可見種植規(guī)?；瘜崿F(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)具有積極作用。但是由于種植規(guī)模效益同時受經(jīng)濟社會條件的影響，在不同區(qū)域，效果會存在差異，因此該研究結(jié)果有待進(jìn)一步完善。同時，該研究發(fā)現(xiàn)小麥單位產(chǎn)量碳足跡對農(nóng)作措施的敏感性高于水稻?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)地破碎化問題嚴(yán)重，需要加快構(gòu)建土地流轉(zhuǎn)規(guī)模化經(jīng)營體系，從而推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[32]。通過土地的流轉(zhuǎn)和兼并，減少了額外的農(nóng)作技術(shù)投入，避免了多余的能耗損失，從而促進(jìn)我國農(nóng)作物低碳綠色生產(chǎn)。因此，改善農(nóng)業(yè)系統(tǒng)管理，特別是加強農(nóng)業(yè)集約化，是中國農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展的關(guān)鍵問題。

3.4 研究局限性

該研究利用農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)核算長江下游地區(qū)稻麥生產(chǎn)的碳足跡，計算過程考慮了稻麥生產(chǎn)中最主要的10種農(nóng)資投入以及田間溫室氣體排放，實現(xiàn)了同一標(biāo)準(zhǔn)下較為全面的計算衡量與比較。但是，該研究的農(nóng)田溫室氣體直接排放的計算方法借鑒了前人研究結(jié)果，由于氣候、土壤及管理方式的不同，估算的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在一定的差異。因此，今后的研究中，將補充大田試驗，通過實測數(shù)據(jù)排除背景影響，從而獲得更加科學(xué)的一手試驗結(jié)果。另外，該研究采用生命周期評價法，系統(tǒng)邊界存在一定的爭議，例如計算碳足跡時是否考慮土壤碳儲量變化、人工投入以及機械磨損等[33， 34]。這些爭議需要國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行進(jìn)一步的討論和完善，從而為農(nóng)作物碳足跡的研究制定一套統(tǒng)一的評價體系，為最終構(gòu)建低碳農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)做鋪墊。