何 浩，伍龍梅，黃 慶，鄒積祥，何瑞毓，黃海鵬，王天平，林鴻生

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640；2.汕尾市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣東 汕尾 516600；3.廣東中榮農(nóng)業(yè)有限公司，廣東 汕尾 516600；4.汕尾供銷中禾農(nóng)業(yè)科技服務(wù)有限公司，廣東 汕尾 516600）

【研究意義】為適應(yīng)并減緩氣候變化的影響，固碳減排行動正被國際主流社會廣泛關(guān)注、認可并積極推進，截至2021 年5 月，全球約有130 個國家承諾在2050 年實現(xiàn)碳中和，碳達峰、碳中和已經(jīng)成為世界發(fā)展的共同目標(biāo)［1］。2020 年9 月22 日，在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，中國向全世界宣布將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和［2］。自“雙碳”目標(biāo)提出后，以能源為代表的各行各業(yè)均在積極謀劃，農(nóng)業(yè)作為重要的固碳場所也要積極探索，助力國家“雙碳”目標(biāo)盡早實現(xiàn)。南方雙季稻區(qū)9 省區(qū)（包括安徽、湖北、湖南、江西、浙江、福建、廣東、廣西、海南）作為我國最重要的水稻生產(chǎn)地區(qū)之一（2019 年水稻播種面積占全國水稻總播種面積的57.1%，產(chǎn)量占全國水稻總產(chǎn)量的53.5%），其水稻生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放和種植經(jīng)濟效益對我國農(nóng)業(yè)減排和穩(wěn)定水稻產(chǎn)量至關(guān)重要。本研究旨在通過比較分析南方雙季稻區(qū)水稻各種植模式的碳足跡（Carbon footprint）和經(jīng)濟效益，提出適宜目前發(fā)展的種植模式，以期為保障糧食安全、提高農(nóng)民收入和制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策提供決策參考，為農(nóng)業(yè)固碳減排提供新思路、新途徑?！厩叭搜芯窟M展】為統(tǒng)一碳足跡的基本概念內(nèi)容及其核算方法等，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)過多年的交流與探討，發(fā)布了產(chǎn)品碳足跡計算的技術(shù)規(guī)范ISO 14067—2018［3］。碳足跡目前被廣泛應(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)品或一個活動整個生命周期內(nèi)的溫室氣體排放。國內(nèi)外多位學(xué)者對農(nóng)業(yè)碳足跡進行研究［4-6］，主要為某一種作物碳足跡計算［7-9］，對種植模式方面開展的研究較少，且集中在華北平原和長江下游地區(qū)，如Zhang 等［10］對華北平原的小麥玉米輪作模式、陳中督等［11］對長江下游地區(qū)稻麥輪作模式進行研究，而不同種植模式之間碳足跡的比較研究很少［12］。【本研究切入點】從水稻種植模式的碳足跡總數(shù)量值及其構(gòu)成、經(jīng)濟效益構(gòu)成、碳足跡和經(jīng)濟效益之間的關(guān)系等方面，對南方雙季稻區(qū)水稻一熟、二熟、三熟種植模式進行研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】指出目前水稻種植模式碳足跡和經(jīng)濟效益的現(xiàn)狀，提出發(fā)展方向，以期促進南方雙季稻區(qū)水稻低碳種植模式的理論研究與應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和研究邊界

數(shù)據(jù)包括浙江、安徽、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣西和海南9 個雙季稻種植省區(qū)早稻、中稻、晚稻、花生、油菜、露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角的播種面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值以及成本等，來源于《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料（1949—2019）》《2020 全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》《中國統(tǒng)計年鑒2020》《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒2020》、9 省區(qū)2020 年統(tǒng)計年鑒等資料；除草劑、殺蟲劑、殺菌劑用量參照文獻［13-14］；農(nóng)業(yè)經(jīng)營過程中柴油消耗費用按以下公式計算：

柴油費用=（機械作業(yè)費+排灌費-水費）×21%+燃料動力費［15］

碳足跡包括直接碳排放和間接碳排放兩部分，由于統(tǒng)計資料中缺少具體環(huán)節(jié)和數(shù)量的數(shù)據(jù)，本研究碳足跡計算只考慮間接排放，主要包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜生產(chǎn)和使用過程中導(dǎo)致的溫室氣體排放，以及農(nóng)業(yè)機械使用消耗化石燃料（主要是農(nóng)用柴油）等產(chǎn)生的溫室氣體排放，大田溫室氣體直接排放未計算在內(nèi)。

本研究將水稻種植模式按照熟制劃分為：（1）一熟模式：一季稻；（2）二熟模式：包括一季稻-花生、一季稻-油菜、雙季稻、一季稻-蔬菜（露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角）；（3）三熟模式：包括雙季稻-油菜、雙季稻-蔬菜（露地西紅柿、黃瓜、茄子、菜椒、蘿卜、豆角）。

考慮到數(shù)據(jù)的完整性和一致性，種植模式中的一季稻均以晚稻計。

1.2 碳足跡計算方法

碳足跡的計算是將每種作物在一個生命周期過程中的農(nóng)資和人力投入視為間接碳排放，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳當(dāng)量（CO2-eq）?；诜N植面積的碳足跡計算公式如下：

式中，CF 為各種作物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的單位面積碳足跡〔kg/hm2（CO2-eq）〕；n表示該作物生產(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）總數(shù)量：?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)，主要參考中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD 0.7）、Ecoinvent 2.2 數(shù)據(jù)庫和劉巽浩等［16-17］研究（表1）。

表1 農(nóng)業(yè)投入資料的溫室氣體（GHG）排放參數(shù)Table 1 Coefficient of GHG emission of agricultural production material

采用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9.01 版進行數(shù)據(jù)相關(guān)分析，采用Microsoft Excel 2019 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南方雙季稻區(qū)各省區(qū)水稻碳足跡及其構(gòu)成比較

從表2 可以看出，南方雙季稻區(qū)9 省區(qū)水稻碳足跡的總量和構(gòu)成差異較大。從碳足跡總量來看，浙江最高為1 057.3 kg/hm2（CO2-eq），海南最低為747.8 kg/hm2（CO2-eq），兩者相差達309.4 kg/hm2（CO2-eq）。碳足跡構(gòu)成中，9 省區(qū)均以肥料為主，其中以廣西中稻肥料占比最高、達75.0%；農(nóng)膜的碳足跡最低，其中海南早、晚稻農(nóng)膜碳足跡均為0，而且多個省區(qū)的晚稻農(nóng)膜碳足跡也為0，這是因為海南全年溫度較高，其他8 省區(qū)晚稻種植氣溫高，不需要農(nóng)膜保溫。

表2 南方雙季稻區(qū)各省區(qū)水稻碳足跡及其構(gòu)成Table 2 Composition of rice carbon footprint in various provinces in double cropping rice area of southern China

2.2 南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式碳足跡比較

本研究結(jié)果表明，早、中、晚稻的碳足跡分別為927.4、947.8和941.9 kg/hm2（CO2-eq），差異不顯著，具體碳足跡構(gòu)成見表3。盡管早、中、晚稻的碳足跡構(gòu)成占比不盡相同，但均以肥料占比最大、平均66.7%，其中中稻肥料占比最大（69.7%）；肥料中以復(fù)合肥所占比例最大，最高為中稻（46.1%），最低為早稻（34.2%）；柴油和農(nóng)藥的碳足跡占比在10%左右，勞動力碳足跡占比在6%～7%之間。

一熟、二熟、三熟模式的平均碳足跡分別為939.0、2 910.1 和3 961.8 kg/hm2（CO2-eq），二熟模式和三熟模式的碳足跡分別比一熟模式增加1 971.0 和3 022.8 kg/hm2（CO2-eq），增幅達210.0%和321.9%，可見增加一季作物對碳足跡排放增加影響非常大，尤其是增加蔬菜作物，具體見表3。二熟模式的碳足跡大小表現(xiàn)為稻-菜椒＞稻-西紅柿＞稻-茄子＞稻-黃瓜＞稻-豆角＞稻-蘿卜＞稻-花生＞雙季稻＞稻-油菜籽：三熟模式的碳足跡大小排序與二熟模式基本相同，表現(xiàn)為稻-稻-菜椒＞稻-稻-西紅柿＞稻-稻-茄子＞稻-稻-黃瓜＞稻-稻-豆角＞稻-稻-蘿卜＞稻-稻-花生＞稻-稻-油菜籽。

整體來看，二熟模式和三熟模式碳足跡構(gòu)成仍以肥料所占比例最大，平均占比分別為59.0%和59.2%，其中以復(fù)合肥平均占比最大（42.4%、41.0%）；其次是農(nóng)藥，二熟模式和三熟模式平均占比為12.3%和11.9%，其中以殺蟲劑占比最大、分別達12.0%和11.2%；第三是勞動力，二熟模式和三熟模式平均占比分別為11.3%和10.8%；二熟模式和三熟模式的碳足跡占比最小的均為種子，平均占比分別為3.1%和3.8%。

2.3 南方雙季稻區(qū)不同種植模式水稻經(jīng)濟效益比較

本研究3 種種植模式中，三熟模式的產(chǎn)值最高，平均為13.0 萬元/hm2，其中稻-稻-西紅柿模式高達21.5 萬元/hm2；一熟模式的產(chǎn)值最低，平均僅為1.8 萬元/hm2。從總成本來看，三熟模式的總成本最高，分別比二熟、一熟模式平均高出7.3 萬元/hm2和2.1 萬元/hm2，以稻-稻-西紅柿的總成本在所有模式中最高；從凈利潤來看，大多數(shù)種植模式凈利潤是正值，但是早稻、雙季稻和稻-稻-油菜模式是負值，說明這3 種模式是虧損的；二熟模式的成本利潤率最高、達到51.1%，其中稻-西紅柿模式成本利潤率高達94.0%；然而水稻平均成本利潤率最低，尤其是早稻成本利潤率為-11.2%（表3）。

各種植模式的生產(chǎn)成本均以人工成本占比最大、平均為54.1%，其中二熟模式人工成本占比達59.2%；物質(zhì)與服務(wù)費用中的機械作業(yè)費和化肥費用占比較大，尤其是水稻機械作業(yè)費平均占20.3%，化肥費用占水稻生產(chǎn)成本的14.3%，在二熟和三熟模式中的占比約為12%；種子費用和農(nóng)藥費用相似，占比約6%；相對來說，農(nóng)家肥和農(nóng)膜的費用占比較低，尤其是水稻農(nóng)家肥費用占比不到1%（表4）。

表4 南方雙季稻區(qū)不同種植模式水稻生產(chǎn)成本構(gòu)成Table 4 Composition of production cost of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

2.4 南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式單位碳足跡比較

以單位產(chǎn)值碳足跡和單位凈利潤碳足跡來統(tǒng)一直觀地比較南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式的碳足跡，結(jié)果見表3。水稻不同種植模式單位產(chǎn)值碳足跡平均為0.037 kg/hm2·元（CO2-eq），其中最高為早稻0.060 kg/hm2·元（CO2-eq），最低為稻-西紅柿0.019 kg/hm2·元（CO2-eq）?？偟膩砜?，水稻不同種植模式產(chǎn)值越高，單位產(chǎn)值碳足跡越低。

由于早稻、雙季稻和稻-稻-油菜籽3 種模式的凈利潤為負值，稻-油菜籽模式的單位凈利潤碳足跡達到15.56 kg/hm2·元（CO2-eq），為異常值，計算一熟、二熟、三熟模式的單位凈利潤碳足跡平均值時將以上4種模式剔除。一熟、二熟、三熟模式的平均單位凈利潤碳足跡分別為1.36、0.10 和0.15 kg/hm2·元（CO2-eq）；由于一熟模式凈利潤低，導(dǎo)致其單位凈利潤碳足跡顯著高于二熟和三熟模式，達到13.8 和9.3 倍。

2.5 南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式碳足跡和生產(chǎn)成本構(gòu)成比較

比較各生產(chǎn)要素分別在碳足跡和生產(chǎn)成本中的占比可以看出，其占比并不相同，差異最大的是肥料和勞動力，肥料在碳足跡中占比約61%，但在生產(chǎn)成本中的占比僅約13%；而勞動力成本在生產(chǎn)成本中的占比高達53%，但在碳足跡中占比不足10%；其他部分占比相差不大，平均各模式相差不到6%，差距最小的是種子、占比相差僅為2.4%（圖1）。

圖1 南方雙季稻水稻不同種植模式碳足跡和生產(chǎn)成本構(gòu)成比較Fig.1 Comparison of carbon footprint and composition of production cost of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

2.6 南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式碳足跡和經(jīng)濟效益關(guān)系分析

為探討各種植模式的碳足跡和產(chǎn)值之間關(guān)系，利用典型相關(guān)分析方法，對上述20 個種植模式的碳足跡和產(chǎn)值進行分析，結(jié)果（圖2）顯示二者相關(guān)系數(shù)為0.9087，呈顯著正相關(guān)，即隨著產(chǎn)值的增加碳足跡隨之增加。從變化趨勢上看，二者相似。

圖2 南方雙季稻區(qū)水稻不同種植模式碳足跡和產(chǎn)值變化Fig.2 Change of carbon footprint and production value of different cropping patterns in double cropping rice area of southern China

3 討論

3.1 為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，從種植模式調(diào)整方面降低農(nóng)業(yè)碳足跡

一是推廣碳足跡較低的種植模式。從上面分析可以看出，二熟模式中，雙季稻和稻-花生模式的碳足跡較低，分別為1 869.3、1 883.3 kg/hm2（CO2-eq），比稻-西紅柿模式〔3 801.7 kg/hm2（CO2-eq）〕和稻-菜椒模式〔3 815.7 kg/hm2（CO2-eq）〕，降低近2 000 kg/hm2（CO2-eq）。三熟模式中的稻-稻-油菜籽模式碳足跡為2 540.3 kg/hm2（CO2-eq），僅為稻-稻-菜椒模式碳足跡的53.7%。從降低農(nóng)業(yè)碳足跡角度考慮，可以在給予一定補貼的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加雙季稻、稻-花生、稻-稻-油菜的推廣面積。從單位產(chǎn)值碳足跡角度方面考慮，由于大部分三熟模式和部分二熟高產(chǎn)值種植模式的單位產(chǎn)值碳足跡較低，可以在一定范圍內(nèi)推廣嘗試。

二是從種植模式搭配和作物還田角度來增加土壤的固碳效應(yīng)。例如，龍攀等［18］通過冬季種植油菜、紫云英、黑麥草并將其還田，結(jié)果表明可促進土壤活性有機碳含量和土壤碳庫管理指數(shù)的增加；袁嘉欣等［19］通過測定油菜-早稻-晚稻、馬鈴薯-早稻-晚稻、紫云英-早稻-甘薯||晚大豆、油菜-早稻-甘薯||晚大豆等種植模式的土壤有機碳、活性有機碳及其組分含量，結(jié)果表明各種植模式均有利于增加作物產(chǎn)量并可引起土壤有機碳及其組分的變化，其中紫云英-早稻-甘薯||晚大豆和馬鈴薯-早稻-晚稻模式的綜合效果較好，可以在長江中游地區(qū)推廣應(yīng)用。

3.2 在保障糧食安全的前提下，從生產(chǎn)投入方面降低碳足跡和生產(chǎn)成本

肥料和人力成本作為碳足跡和生產(chǎn)成本中占比最大的兩個因素，在保障糧食安全的前提下，可以采取減少化肥用量和減少田間人工操作等措施降低該兩項指標(biāo)數(shù)值。通過增加有機肥使用比例來降低化肥用量，根據(jù)劉巽浩等［16-17］研究，廄肥的有機質(zhì)碳足跡系數(shù)僅為氮肥（平均氮肥用量是磷鉀肥用量之和的6～7 倍）的20.2%；通過田間管理措施來降低人工成本，如將水稻移栽改為直播，李靜怡等［20］研究發(fā)現(xiàn)，水稻半固態(tài)直播有利于改善根系形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高根系生理活性、增加根系傷流液組分含量，從而使水稻中后期根系衰老減緩，促進地上部生長、增加產(chǎn)量；通過減少施肥次數(shù)來降低人工成本，程爽等［21］采用水直播方式下的控釋-速效氮肥配方一次性基施，可大幅減少施肥次數(shù)、降低成本，進而實現(xiàn)水稻穩(wěn)產(chǎn)和改善部分米質(zhì)。

由于各地碳足跡和生產(chǎn)成本不完全一致，可以考慮相互學(xué)習(xí)和借鑒，利用各省之間差異來降低碳足跡和生產(chǎn)成本。例如，稻-稻-黃瓜模式，安徽碳足跡為3 839.5 kg/hm2（CO2-eq），海南高達6 255.8 kg/hm2（CO2-eq），是安徽的1.6倍，差異最大的因子是殺蟲劑，二者相差1 135.6 kg/hm2（CO2-eq），海南是安徽的4.6 倍；福建每公頃用工數(shù)為268 d，海南高達813 d，是福建的3 倍。通過互相學(xué)習(xí)借鑒和本地化，更加優(yōu)化田間管理和種植措施，對降低碳足跡和生產(chǎn)成本都有幫助。

本研究利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以南方雙季稻區(qū)為研究對象，對不同種植模式碳足跡進行比較分析，但是缺乏更詳實、全面的試驗數(shù)據(jù)，若能在該地區(qū)布置大量有代表性的試驗點采集試驗數(shù)據(jù)，可以更加完善碳足跡的計算水平?？傮w來看，碳足跡和生產(chǎn)成本兩者之間不完全一致，有的差異非常大，若通過進一步研究找到其中平衡點和臨界點，對實現(xiàn)雙碳目標(biāo)和增加農(nóng)民收入都有重要意義。

3.3 打破碳足跡和經(jīng)濟效益顯著正相關(guān)關(guān)系

經(jīng)濟效益增加亦會導(dǎo)致碳足跡增加，只有將二者之間顯著正相關(guān)的關(guān)系打破，才能實現(xiàn)降碳、增收的雙贏目標(biāo)，這是一個長遠目標(biāo)。目前，可考慮在碳足跡不變的情況下增加產(chǎn)值，如在不增加投入的情況下，選用良種良法［22-24］提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)來提高產(chǎn)值，這需要農(nóng)業(yè)推廣人員的努力和付出；或在產(chǎn)值不變的情況下降低碳足跡，如規(guī)模經(jīng)營和精準(zhǔn)種植，通過規(guī)模和規(guī)范降低單位面積的投入來實現(xiàn)降低碳足跡。

3.4 碳足跡計算方法有待改進

生命周期評估法存在一定局限和不完整性，如在目標(biāo)和邊界定義、評價指標(biāo)選擇及其計算方法有一定的局限性，某項指標(biāo)所造成的環(huán)境影響未納入計算存在一定的缺失；有學(xué)者將氮足跡合并到碳足跡中計算［9］，從結(jié)果上看，碳足跡值會增加，但是由于缺乏參數(shù)，本文未將氮足跡納入進來?？傮w來說，碳足跡的計算方法仍需完善，若想獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，在參數(shù)選擇和細化方面需作進一步深入研究。

4 結(jié)論

9 省區(qū)碳足跡中，總數(shù)量值以浙江1 057.3 kg/hm2（CO2-eq）最高，最低為海南7 47.8 kg/hm2（CO2-eq）；碳足跡構(gòu)成都以肥料為主，其中農(nóng)膜碳足跡最低。一熟、二熟、三熟模式的平均碳足跡分別為939.0、2 910.1 和3 961.8 kg/hm2（CO2-eq）；早、中、晚稻的碳足跡分別為927.4、947.8 和941.9 kg/hm2（CO2-eq）。三熟模式產(chǎn)值和總成本都最高，分別為13.0 萬和9.1萬元/hm2，一熟模式最低，為1.8 萬元/hm2；二熟模式的成本利潤率最高，為51.1%，早稻、雙季稻和稻-稻-油菜模式的凈利潤是負值；生產(chǎn)成本中以人工成本最大，平均為54.1%。碳足跡和生產(chǎn)成本中各項投入占比差異最大的是肥料和勞動力；因此，減少化肥使用量是降低南方雙季稻區(qū)碳足跡的關(guān)鍵途徑，降低人工成本是降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益的主要途徑；碳足跡和產(chǎn)值之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9087。