肖廣敏，茹淑華，侯利敏，王 策，趙歐亞，孫世友，王 凌，劉 蕾，張國(guó)印

(河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所/河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展,溫室氣體排放引發(fā)的全球氣候變暖問(wèn)題被各國(guó)廣泛關(guān)注，氣候變化成為全世界面臨的共同挑戰(zhàn)[1]。農(nóng)業(yè)源排放是主要的溫室氣體排放源，占人類溫室氣體排放量的30%[2]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，以占世界總量9%的耕地養(yǎng)活了22%的人口[3]，農(nóng)業(yè)源溫室氣體是我國(guó)第二大溫室氣體排放源[4]。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，黨的十九屆五中全會(huì)提出，到2035年我國(guó)碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降。碳足跡(carbon footprint)是用來(lái)衡量某種活動(dòng)引起的直接或間接溫室氣體總排放量的生態(tài)足跡概念[5]。碳足跡計(jì)算方法主要包括生命周期評(píng)價(jià)法(life cycle assessment，LCA)、投入產(chǎn)出法(input output assessment，IOA)和混合生命周期評(píng)價(jià)法(hybird LAC)。LCA法是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可的一種碳足跡計(jì)算方法，LCA法將碳足跡定義為基于生命周期評(píng)價(jià)方法來(lái)計(jì)算產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體排放與消納之和，并用CO2當(dāng)量(以CO2計(jì))形式來(lái)評(píng)價(jià)對(duì)氣候變化的影響[6]。LCA法在計(jì)算碳足跡時(shí)考慮了較多細(xì)節(jié)，其分析結(jié)果具有很強(qiáng)針對(duì)性，目前被廣泛應(yīng)用[7]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是典型的人工生態(tài)系統(tǒng)，在作物種植過(guò)程中既能引起碳排放，同時(shí)又能引起碳固定，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡應(yīng)該是碳排放量與碳固定量的差值[8]。目前已經(jīng)有眾多研究將生命周期評(píng)價(jià)方法運(yùn)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域碳足跡核算中[9]。但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡研究中計(jì)算方法存在較大差異，導(dǎo)致不同研究中出現(xiàn)同一種作物生產(chǎn)體系碳足跡為正或負(fù)這樣完全相反的結(jié)論[10-11]，碳足跡計(jì)算方法的差異成為我國(guó)低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。造成碳足跡計(jì)算差異的因素較多，不同區(qū)域間自然條件、種植制度和農(nóng)業(yè)管理措施存在較大差異，導(dǎo)致同一種作物在不同地區(qū)碳足跡變異較大[12]，而計(jì)算碳足跡時(shí)系統(tǒng)邊界選擇和碳排放系數(shù)選擇的差異也會(huì)造成碳足跡計(jì)算結(jié)果的差異[13]。以LCA方法為基礎(chǔ)，根據(jù)我國(guó)國(guó)情建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡核算方法，科學(xué)評(píng)價(jià)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳減排具有重要意義。

河北省地處華北平原，是我國(guó)重要的小麥玉米生產(chǎn)基地，2019年小麥和玉米產(chǎn)量分別達(dá)到1 451萬(wàn)和1 941萬(wàn)t。河北省作為京津冀一體化協(xié)同發(fā)展的重要組成部分，在保障國(guó)家糧食安全的同時(shí)，大量農(nóng)資投入也帶來(lái)了溫室效應(yīng)和面源污染等環(huán)境問(wèn)題。隨著國(guó)家“碳中和”概念的提出，河北省糧食生產(chǎn)的碳減排面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而目前針對(duì)該省糧食作物生產(chǎn)的碳足跡還缺乏深入研究。為促進(jìn)河北省農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展，基于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用中國(guó)學(xué)者提出的符合中國(guó)實(shí)際情況的碳排放和碳固定系數(shù)，充分考慮小麥玉米生產(chǎn)體系碳排放及碳固定，建立小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡模型，估算了2018年河北省小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡，定量分析小麥玉米生產(chǎn)過(guò)程碳足跡及其構(gòu)成，探討小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡的影響因素，以期為河北省農(nóng)業(yè)碳中和研究和綠色發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

小麥和玉米化肥用量、農(nóng)藥用量、農(nóng)膜用量、柴油用量、灌溉耗電量、播種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《2019全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》和《2019中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，氮肥用量根據(jù)施用肥料單質(zhì)氮肥用量和復(fù)合肥種類及用量進(jìn)行計(jì)算，秸稈量根據(jù)小麥玉米產(chǎn)量，使用草谷比進(jìn)行估算，秸稈還田比例為90%[14]。

1.2 構(gòu)建小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡理論模型

系統(tǒng)邊界由農(nóng)資的生產(chǎn)(化肥等農(nóng)資排放因子核算中包括上游化石燃料和原料的開(kāi)采、運(yùn)輸和制造)開(kāi)始，至作物收獲后結(jié)束(圖1)。小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡核算的系統(tǒng)邊界包括種子、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)投入品生產(chǎn)加工過(guò)程中的碳排放，作物生長(zhǎng)過(guò)程中灌溉耗電的碳排放，播種耕作收割等過(guò)程中農(nóng)機(jī)柴油消耗造成的碳排放，施用氮肥造成的農(nóng)田氧化亞氮(N2O)直接排放和由氨揮發(fā)氮淋溶造成的N2O間接排放轉(zhuǎn)化的碳排放(農(nóng)田碳排放)，施用氮肥引起的碳固定和秸稈還田引起的碳固定。除了施用氮肥和秸稈還田外，免耕也會(huì)引起土壤碳固定[12]，但是由于河北省在實(shí)際農(nóng)田管理中免耕技術(shù)使用較少，所以該研究未考慮免耕引起的碳固定。模型中涵蓋的碳類型包括CO2和N2O兩種溫室氣體及土壤固定的有機(jī)碳。根據(jù)LCA方法，小麥玉米種植體系碳足跡由碳排放和碳固定2個(gè)部分構(gòu)成，碳排放、碳固定和碳足跡的計(jì)算參考張丹[12]的計(jì)算方法。碳排放由農(nóng)資投入(種子、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、灌溉耗電和機(jī)械柴油)碳排放和施肥引起的直接和間接N2O排放構(gòu)成。碳固定由施氮肥和秸稈還田引起的碳固定構(gòu)成。

圖1 小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡系統(tǒng)邊界

1.3 碳排放

ECO2=ICO2+FN2O×298，

(1)

ICO2=∑TI×EI，

(2)

FN2O=FN×EN2O+FN×ENH3×1%+FN×

ENO3-×2.5%。

(3)

式(1)～(3)中，ECO2為小麥玉米生產(chǎn)體系的碳排放量(以CO2計(jì)，下同)，萬(wàn)t；ICO2為農(nóng)資產(chǎn)品投入產(chǎn)生的碳排放量，萬(wàn)t；FN2O為農(nóng)田直接排放和間接排放的N2O量，萬(wàn)t；298為N2O轉(zhuǎn)換為100 a尺度上的相對(duì)全球增溫潛勢(shì)[12]；TI為第I種農(nóng)資投入的量，萬(wàn)t；EI為第I種農(nóng)資投入的碳排放系數(shù)；FN為氮肥投入量，萬(wàn)t；EN2O為N2O排放系數(shù)；ENH3為氨揮發(fā)系數(shù)；1%為氨揮發(fā)轉(zhuǎn)換為N2O的轉(zhuǎn)換系數(shù)；ENO3-為氮淋溶系數(shù)；2.5%為氮淋溶轉(zhuǎn)換為N2O的轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]。

1.4 碳固定

CS=CSOC-FerN+CSOC-straw，

(4)

CSOC-FerN=FN×SFerN，

(5)

CSOC-straw=S×Sstraw。

(6)

式(4)～(6)中，CS為小麥玉米生產(chǎn)體系的碳固定量(以CO2計(jì)，下同)，萬(wàn)t；CSOC-FerN為施氮引起的碳固定量，萬(wàn)t；SFerN為施氮肥碳固定系數(shù)；CSOC-straw為秸稈還田引起的碳固定量，萬(wàn)t；S為秸稈還田量，萬(wàn)t；SStraw為秸稈還田碳固定系數(shù)。

1.5 碳足跡

F=ECO2-CS，

(7)

FA=F/A，

(8)

FY=F/Y，

(9)

FV=F/V，

(10)

FP=F/P。

(11)

式(7)～(11)中，F(xiàn)為凈碳排放量即碳足跡(以CO2計(jì)，下同)，萬(wàn)t；FA為單位播種面積碳足跡(以CO2計(jì)，下同)，t·hm-2；A為播種面積，hm2；FY為單位產(chǎn)量碳足跡(以CO2計(jì)，下同)，t·t-1；Y為作物產(chǎn)量，t；FV為單位產(chǎn)值碳足跡(以CO2計(jì)，下同)，kg·萬(wàn)元-1；V為產(chǎn)值，109元；FP為單位利潤(rùn)碳足跡(以CO2計(jì)，下同)，t·萬(wàn)元-1；P為利潤(rùn)，109元。各指標(biāo)碳排放系數(shù)見(jiàn)表1[16-19]。

表1 碳足跡模型系數(shù)[16-19]

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥玉米生產(chǎn)體系碳排放量及成產(chǎn)成本

基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中各農(nóng)資投入量，采用碳排放和碳固定系數(shù)(表1)計(jì)算得到河北省小麥玉米輪作體系的碳排放總量(圖2)，其中，碳固定使用負(fù)碳排放表示，農(nóng)田碳排放則是農(nóng)田直接和間接N2O排放轉(zhuǎn)化的CO2之和。小麥季、玉米季和全年碳排放量分別為952萬(wàn)、899萬(wàn)和1 851萬(wàn)t。小麥季碳排放量比玉米季高53萬(wàn)t(6.56%)，小麥季碳排放量占全年碳排放量的51.43%。小麥季、玉米季和全年碳固定量分別為463萬(wàn)、588萬(wàn)和1 051萬(wàn)t，玉米季碳固定量比小麥季高125萬(wàn)t(27.00%)，玉米季碳固定量占全年固碳量的55.95%。小麥季和玉米季碳排放量均大于碳固定量。灌溉產(chǎn)生的碳排放是小麥玉米生產(chǎn)體系碳排放最主要部分，小麥季、玉米季和全年灌溉產(chǎn)生的碳排放量分別為369萬(wàn)、316萬(wàn)和685萬(wàn)t，分別占小麥季、玉米季和全年碳排放總量的38.76%、35.15%和37.00%；其次，肥料產(chǎn)生的碳排放量分別為304萬(wàn)、272萬(wàn)和576萬(wàn)t，分別占全年碳排放總量的31.93%、30.26%和31.17%；農(nóng)田排放是第3大碳排放源，小麥季、玉米季和全年碳排放量分別為150萬(wàn)、196萬(wàn)和346萬(wàn)t，分別占全年碳排放總量的15.76%、21.80%和18.69%。其他排放源的碳排放量占比均小于10%。秸稈還田是最主要的固碳方式，小麥季、玉米季及全年通過(guò)秸稈還田分別固定碳達(dá)373萬(wàn)、518萬(wàn)和891萬(wàn)t，分別占固碳量的80.56%、88.10%和84.78%。玉米季秸稈還田的碳固定量比小麥季高145萬(wàn)t(38.87%)，占全年固碳量的58.14%。除了秸稈還田可以固碳以外，施用氮肥也能起到固碳作用，其全年固碳量?jī)H為秸稈還田固碳量的17.96%。小麥季、玉米季和全年施用氮肥的碳固定量分別為90萬(wàn)、70萬(wàn)和160萬(wàn)t，小麥季施用氮肥的碳固定量比玉米季高20萬(wàn)t(28.57%)。

圖2 小麥玉米輪作體系碳排放量

除主要排放源外，小麥玉米生產(chǎn)體系其他碳排放源的組成還包括種子、柴油、農(nóng)藥和農(nóng)膜(圖3)。

圖3 其他來(lái)源碳排放量

圖3顯示，小麥和玉米其他碳排放源的碳排放量差別較大。小麥種子產(chǎn)生的碳排放量高達(dá)71萬(wàn)t，而玉米種子產(chǎn)生的碳排放量?jī)H為14萬(wàn)t，約為小麥種子碳排放的20%。玉米季柴油和農(nóng)藥產(chǎn)生的碳排放量分別為82萬(wàn)和14萬(wàn)t，分別比小麥季高35萬(wàn)(74.47%)和3萬(wàn)t(27.27%)。與小麥相比，春玉米種植過(guò)程中使用了農(nóng)膜，其碳排放源較小麥增加一項(xiàng)，但農(nóng)膜使用量較小，其碳排放量?jī)H為5萬(wàn)t，占玉米生產(chǎn)碳排放總量的比例低于1%。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)資投入成本進(jìn)行計(jì)算(圖4)。機(jī)械成本包括機(jī)械作業(yè)費(fèi)及排灌費(fèi)用，由于農(nóng)膜僅在春玉米生產(chǎn)中使用且成本較低，在計(jì)算時(shí)沒(méi)有將農(nóng)膜考慮在內(nèi)。小麥季、玉米季和全年農(nóng)資投入成本分別為7 175、5 349和12 524 元·hm-2，小麥季農(nóng)資投入成本比玉米季高1 826元·hm-2(34.13%)，小麥季農(nóng)資投入占全年農(nóng)資投入成本的57.29%。機(jī)械費(fèi)和肥料費(fèi)是農(nóng)資投入成本的主要組成部分，小麥季、玉米季和全年機(jī)械費(fèi)分別為3 034、2 326和5 360 元·hm-2，約占總成本的43%，肥料費(fèi)分別為2 813、2 084和4 897 元·hm-2，約占總成本的39%。小麥季機(jī)械費(fèi)、種子費(fèi)和肥料費(fèi)投入均高于玉米季，分別比玉米季高708元·hm-2(30.44%)、385元·hm-2(56.20%)和729元·hm-2(34.98%)，小麥季和玉米季農(nóng)藥費(fèi)差異較小，為4元 hm-2(1.57%)。

圖4 小麥玉米輪作體系生產(chǎn)成本

2.2 小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡

河北省小麥和玉米的播種面積、作物產(chǎn)量和收購(gòu)價(jià)格均不相同，單純比較總碳排放量不能準(zhǔn)確反映小麥玉米生產(chǎn)體系碳排放的真實(shí)情況，因此根據(jù)小麥和玉米碳凈排放量以及播種面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值和利潤(rùn)計(jì)算單位播種面積、單位產(chǎn)量、單位產(chǎn)值和單位利潤(rùn)的碳足跡(表2)。由于小麥、玉米碳排放量均大于碳固定量，碳凈排放量為正值，因此，小麥玉米生產(chǎn)體系屬于碳排放源。玉米播種面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值和利潤(rùn)分別比小麥高46%、34%、33%和45%，同時(shí)玉米碳排放量比小麥低6%，碳固定量比小麥高27%，碳足跡比小麥低36%。更大的播種面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值和利潤(rùn)以及更低的碳足跡使玉米單位播種面積、單位產(chǎn)量、單位產(chǎn)值和單位利潤(rùn)碳足跡均低于小麥，分別比小麥低57%、53%、52%和59%。

表2 小麥玉米輪作體系碳足跡

2.3 農(nóng)資投入對(duì)碳排放和成本的貢獻(xiàn)

為了對(duì)比不同農(nóng)資投入對(duì)碳排放和成本的貢獻(xiàn)程度，該研究計(jì)算了不同農(nóng)資投入對(duì)每公頃碳排放和生產(chǎn)成本的貢獻(xiàn)率(圖5)。由于農(nóng)田碳排放受施肥影響較大，所以肥料碳排放包含農(nóng)田碳排放，機(jī)械碳排放包含柴油和灌溉碳排放。機(jī)械對(duì)碳排放和成本的貢獻(xiàn)率接近，在小麥季、玉米季和全年貢獻(xiàn)率均約為40%；化肥對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率大于對(duì)成本的貢獻(xiàn)率，化肥在小麥季、玉米季和全年對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率約為50%，而對(duì)成本的貢獻(xiàn)率約為40%。農(nóng)藥和種子對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率均小于其對(duì)成本的貢獻(xiàn)率。小麥季和玉米季農(nóng)藥對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)為1%，但是對(duì)成本的貢獻(xiàn)可以達(dá)到4%。不同作物種子對(duì)碳排放貢獻(xiàn)差異較大，小麥種子對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率高于玉米，小麥季和玉米季種子對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)率分別為7.50%和1.57%，全年為5.18%，但兩者對(duì)成本的貢獻(xiàn)率接近，均約為14%。

圖5 農(nóng)資對(duì)碳排放和成本的貢獻(xiàn)率

3 討論

3.1 小麥玉米生產(chǎn)體系碳排放構(gòu)成

研究發(fā)現(xiàn)小麥季、玉米季和全年碳排放量均大于碳固定量，碳凈排放量為正值，說(shuō)明小麥玉米生產(chǎn)體系屬于碳排放源。玉米季碳排放總量低于小麥季，這與前人研究結(jié)果[20]一致。比較河北省小麥玉米體系碳排放構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)盡管小麥播種面積比玉米少31.44%，但是小麥季灌溉和肥料碳排放仍然高于玉米季，這主要是由于小麥和玉米季灌溉和化肥投入的不同造成。華北平原冬小麥生育期內(nèi)多年平均降水量約為150 mm，而冬小麥作物多年平均耗水量達(dá)450 mm[21]，在小麥生長(zhǎng)周期內(nèi)需要灌溉3～4次才能滿足其生長(zhǎng)需求，而玉米生長(zhǎng)季水熱同期往往只需要灌溉1～2次就能夠滿足其生長(zhǎng)需要。氣候和作物自身特點(diǎn)導(dǎo)致小麥生產(chǎn)過(guò)程中往往比玉米需要更多的灌溉次數(shù)，消耗更多的電力，同時(shí)產(chǎn)生更多的碳排放。小麥季肥料產(chǎn)生的碳排放比玉米季高32萬(wàn)t(11.76%)，但是肥料使用量?jī)H比玉米季高1萬(wàn)t(0.93%)，其中，復(fù)合肥和氮肥占肥料用量的95%以上，是主要的排放源。河北省小麥季施用氮肥、復(fù)合肥和其他肥料分別為35.5萬(wàn)、72.1萬(wàn)和0.4萬(wàn)t，玉米季分別為26.0萬(wàn)、80.9萬(wàn)和0.5萬(wàn)t。與玉米季相比，小麥季單質(zhì)氮肥用量增加9.5萬(wàn)t，復(fù)合肥用量減少8.8萬(wàn)t，但單質(zhì)氮肥碳排放系數(shù)是復(fù)合肥的3倍(表1)，排放系數(shù)和使用肥料種類的差異導(dǎo)致小麥和玉米在肥料用量接近的情況下，小麥季肥料產(chǎn)生的碳排放高于玉米季。玉米季農(nóng)田碳排放總量高于小麥季，這是由于利用氮損失模型計(jì)算得到的玉米季N2O排放、氨揮發(fā)和氮淋溶損失高于小麥季，導(dǎo)致玉米季直接和間接碳排放增加。玉米季氮素?fù)p失高于小麥季這一結(jié)果與前人研究結(jié)果[22]一致，近年來(lái)我國(guó)關(guān)于主要農(nóng)作物碳足跡的研究大多認(rèn)為肥料是種植業(yè)最主要的碳排放源[23]。但筆者研究結(jié)果表明，灌溉是河北省小麥玉米生產(chǎn)體系最大的碳排放源，占總碳排放量的37%。造成這種差異的主要原因是研究區(qū)小麥玉米生產(chǎn)方式不同[24]。我國(guó)幅員遼闊，受到種植制度和自然環(huán)境的影響，不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式存在較大差異。例如，我國(guó)西北地區(qū)大面積雨養(yǎng)農(nóng)田不需要進(jìn)行灌溉，灌溉不屬于碳排放源。在計(jì)算農(nóng)作物生產(chǎn)碳排放時(shí)，碳排放構(gòu)成受到區(qū)域差異的影響，這導(dǎo)致不同區(qū)域不同因素對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)也不同。

3.2 小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡

不同研究得到的小麥玉米生產(chǎn)碳足跡相差較大。張丹[12]研究表明華北地區(qū)小麥和玉米的單位面積碳足跡分別為5.62和3.00 t·hm-2，史磊剛等[25]研究表明華北地區(qū)小麥和玉米的單位面積碳足跡分別為1.10和0.64 t·hm-2。筆者研究結(jié)果表明，河北省小麥和玉米單位面積碳足跡分別為2.07和0.90 t·hm-2。碳足跡計(jì)算結(jié)果存在差異的主要原因是由于碳足跡系統(tǒng)邊界不一致和碳排放參數(shù)選擇不一致。張丹[12]在計(jì)算碳足跡時(shí)考慮了施用有機(jī)肥和秸稈焚燒產(chǎn)生的碳排放，筆者研究則根據(jù)河北省小麥玉米在實(shí)際生產(chǎn)中有機(jī)肥投入較少及禁止秸稈焚燒的實(shí)際情況，沒(méi)有考慮這部分碳排放，因此得到的碳足跡低于其研究結(jié)果。在計(jì)算碳足跡時(shí)是否考慮土壤固碳效應(yīng)會(huì)對(duì)碳足跡結(jié)果產(chǎn)生較大影響。筆者研究結(jié)果顯示，小麥玉米生產(chǎn)體系每年的碳固定量約為碳排放量的60%，如果計(jì)算碳足跡時(shí)忽略土壤碳固定會(huì)大大高估碳足跡。農(nóng)田碳排放包括N2O直接排放和間接排放，筆者研究結(jié)果表明由于氨揮發(fā)和氮淋失導(dǎo)致的碳排放約占農(nóng)田碳排放總量的30%，因此在計(jì)算農(nóng)田碳排放時(shí)僅計(jì)算直接N2O排放而忽略間接排放則會(huì)導(dǎo)致碳排放被低估[26]。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)主要消耗化石燃料，其能量轉(zhuǎn)化效率較低，這意味著我國(guó)每生產(chǎn)單位質(zhì)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，就會(huì)比發(fā)達(dá)國(guó)家排放更多的CO2[23]。如果在計(jì)算我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡時(shí)直接使用國(guó)外的排放系數(shù)，往往會(huì)低估我國(guó)實(shí)際碳排放量，筆者研究在進(jìn)行計(jì)算時(shí)選取了我國(guó)科學(xué)家根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況修正后的碳排放系數(shù)[16-17]。

3.3 降低農(nóng)業(yè)碳排放技術(shù)

從碳足跡的構(gòu)成角度考慮降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡，可以通過(guò)減少碳排放和增加碳固定來(lái)實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理措施，兼顧固碳和減排提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳效率[27]。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和農(nóng)業(yè)管理水平的逐步提高，我國(guó)農(nóng)業(yè)碳足跡已經(jīng)開(kāi)始表現(xiàn)出逐漸減緩的趨勢(shì)[17]。綜合考慮低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)和驅(qū)動(dòng)因素，通過(guò)增強(qiáng)科普宣傳來(lái)影響政府決策，已成為國(guó)內(nèi)外低碳農(nóng)業(yè)的研究趨勢(shì)[28]。政府決策是影響農(nóng)資投入的主要因素，自提出“一控兩減三基本”的目標(biāo)后，河北省農(nóng)藥化肥施用量在2019年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)，而農(nóng)田氮素?fù)p失和氮肥投入具有顯著相關(guān)關(guān)系[10,18]，研究結(jié)果表明河北地區(qū)小麥玉米生產(chǎn)體系施用的肥料對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)達(dá)到50%以上。降低氮肥投入可以直接降低肥料生產(chǎn)運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放，同時(shí)降低農(nóng)田碳排放，因此降低肥料用量是降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放最簡(jiǎn)單有效的手段。除了肥料外，灌溉產(chǎn)生的碳排放也是主要碳排放源之一，尤其是小麥季灌溉量遠(yuǎn)高于玉米季。通過(guò)改變傳統(tǒng)的小麥玉米輪作一年兩熟種植制度，在小麥季休耕或者種植其他作物可以有效降低灌溉量，從而減少由灌溉引起的碳排放[29]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究開(kāi)始考慮農(nóng)田固碳效應(yīng)[30]，通過(guò)有機(jī)肥和化肥合理配施以及添加生物炭都可以增強(qiáng)土壤固碳效應(yīng)，降低碳足跡[31-32]。但是土壤固碳效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與各農(nóng)業(yè)措施之間的關(guān)系還存在很大不確定性，需要針對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境開(kāi)展長(zhǎng)期研究[33]。在不減少小麥玉米產(chǎn)量的前提下減少小麥玉米輪作體系碳足跡最直接有效的方法是降低施氮量和灌溉量。在目前河北地區(qū)小麥產(chǎn)量為6 000 kg·hm-2、玉米產(chǎn)量為7 000 kg·hm-2的水平下，采用由目標(biāo)產(chǎn)量推算最佳施氮量方法計(jì)算得到小麥季最佳施氮量(以N計(jì)，下同)應(yīng)為168 kg·hm-2，玉米季最佳施氮量應(yīng)為161 kg·hm-2[34]。與筆者通過(guò)統(tǒng)計(jì)資料估算的小麥季和玉米季施氮量相比，河北省小麥季氮肥用量還可以減少28 kg·hm-2，而玉米季施氮量減量潛力較小。按照河北省目前小麥播種面積為2 357×103hm2計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化施氮量可以減少氮肥投入量約6.60萬(wàn)t，減少直接碳排放量32.74 萬(wàn)t，減少全年碳足跡4.10%。張喜英[35]研究認(rèn)為在不降低產(chǎn)量的前提下，華北地區(qū)小麥采取虧缺灌溉可以將灌溉次數(shù)由目前3～4次減少為2～3次。小麥季減少1次灌溉可以減少灌溉用電約400 kW·h，減少碳排放量86.74 萬(wàn)t，使全年碳足跡降低10.84%。綜合上述分析，通過(guò)科學(xué)方法優(yōu)化小麥季施氮量和灌溉次數(shù)是減少河北省小麥玉米生產(chǎn)體系碳足跡的最直接有效方法。推廣科學(xué)施肥灌溉需要改變農(nóng)民原有施肥灌溉習(xí)慣，增強(qiáng)農(nóng)民科學(xué)種田意識(shí)。在這些方面政府應(yīng)加強(qiáng)宣傳力度，組織科技下鄉(xiāng)活動(dòng)，宣傳科學(xué)施肥灌溉技術(shù)原理，開(kāi)展示范田建設(shè)，使農(nóng)民切實(shí)感受科學(xué)施肥灌溉技術(shù)的應(yīng)用效果。通過(guò)科學(xué)施肥灌溉技術(shù)的推廣減少小麥玉米生產(chǎn)碳排放，助力鄉(xiāng)村振興。

3.4 不確定性分析

筆者研究計(jì)算了河北省小麥玉米種植體系的碳足跡，但是研究結(jié)果依然存在不確定性。首先，在選擇碳排放系數(shù)時(shí)，雖然沒(méi)有直接采用國(guó)外學(xué)者研究的碳排放系數(shù)而使用了針對(duì)中國(guó)實(shí)際情況研究得到的碳排放系數(shù)，但是這些排放系數(shù)并非針對(duì)河北省實(shí)際情況得到，受當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展水平的影響，不同地區(qū)碳排放系數(shù)存在較大差異[23]，因此選取這些排放系數(shù)計(jì)算碳排放量時(shí)存在不確定性。其次，由于缺乏田間實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，在計(jì)算氮素?fù)p失量和固碳量時(shí)直接采用了前人研究的區(qū)域模型進(jìn)行計(jì)算，但是氮損失和碳固定量往往受氣候條件和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理措施的影響，直接使用區(qū)域模型計(jì)算氮素?fù)p失量和固碳量時(shí)存在不確定性[36]。針對(duì)上述不確定性還需要進(jìn)行更為深入細(xì)致的研究，得到符合目標(biāo)區(qū)域的碳排放系數(shù)，開(kāi)展田間氮素?fù)p失和碳固定監(jiān)測(cè)，為研究區(qū)發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)提供更加豐富和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

(1)河北省小麥玉米生產(chǎn)體系周年碳排放量為1 851萬(wàn)t，高于碳固定量的1 051萬(wàn)t，屬于碳排放源。灌溉、肥料和農(nóng)田排放是河北省小麥玉米生產(chǎn)體系最主要的碳排放源，分別占周年碳排放總量的37.00%、31.17%和18.69%，秸稈還田是主要的固碳來(lái)源(方式)，其碳固定量占比為85%。

(2)河北省小麥和玉米生產(chǎn)碳足跡分別為489萬(wàn)和311萬(wàn)t，小麥生產(chǎn)碳足跡高于玉米生產(chǎn)。與小麥相比，玉米播種面積、產(chǎn)量、產(chǎn)值和利潤(rùn)更高，碳足跡卻更低，所以玉米單位播種面積、單位產(chǎn)量、單位產(chǎn)值和單位利潤(rùn)碳足跡均低于小麥。

(3)小麥玉米生產(chǎn)體系中每公頃土地化肥和機(jī)械對(duì)碳排放和成本的貢獻(xiàn)高于其他農(nóng)資，對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)分別為約40%和50%，對(duì)成本的貢獻(xiàn)均為約40%，通過(guò)減少氮肥投入和灌溉可以在顯著降低碳排放的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。