張明潔 張京紅 李文韜,3 張亞杰 楊靜 林紹伍

（1. 海南省氣候中心 海南海口 570203；2. 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南?？?570203；3. 海南省氣象探測(cè)中心 海南?？?570203）

世界氣象組織發(fā)布的《溫室氣體公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2020 年大氣中吸熱溫室氣體的年增長(zhǎng)率高出2011—2020 年的平均水平，且2021 年這一趨勢(shì)仍在延續(xù)[1]。農(nóng)業(yè)是重要的溫室氣體排放源，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中耕地釋放的CO2約為150 億t，占比超過(guò)全球人為CO2排放總量的30%[2]。一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能源和投入農(nóng)資，而能源消耗和農(nóng)資生產(chǎn)、使用等活動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、N2O、CH4等溫室氣體[2]。另一方面，農(nóng)作物通過(guò)光合作用固定空氣中的CO2。因此，農(nóng)業(yè)碳足跡是指人類在農(nóng)田上進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)形成的碳流量，包括碳排放和碳固定兩方面[3]。其中，碳排放是指植物在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接地排放CO2等溫室氣體[3]；碳固定是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，綠色植物光合作用吸收CO2減去呼吸作用排出的CO2而得到的凈初級(jí)生產(chǎn)力，其中少量轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)[3]。農(nóng)業(yè)碳足跡能夠定量測(cè)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)溫室效應(yīng)的影響[4]。

關(guān)于農(nóng)作物碳足跡，我國(guó)已有部分學(xué)者對(duì)小麥[5]、水稻[6]、玉米[6]、油菜[7]、花生[8]、蘋果[9]、臍橙[4]等開(kāi)展了研究。例如，周志花[6]利用生命周期法對(duì)2014 年我國(guó)小麥、玉米、水稻碳足跡的核算結(jié)果表明，氮肥生產(chǎn)造成的CO2排放和施用氮肥造成的農(nóng)田N2O 排放是小麥、玉米生產(chǎn)的最主要排放源，稻田CH4排放是水稻生產(chǎn)的最主要排放源。陳中督等[7]以長(zhǎng)江中下游地區(qū)油菜為研究對(duì)象，對(duì)其生命周期的碳足跡核算結(jié)果表明，肥料和人工投入是長(zhǎng)江流域油菜生產(chǎn)主要的溫室氣體排放源。沙建英等[9]基于生命周期評(píng)價(jià)法核算了天水花牛蘋果生命周期內(nèi)的碳足跡，得出花牛蘋果碳足跡為0.069 824 9 kg Ce/kg，其中CO2排放熱點(diǎn)環(huán)節(jié)為施肥環(huán)節(jié)和生產(chǎn)加工電能消耗環(huán)節(jié)，分別占CO2總排放量的52.20%和29.82%。以上研究為研究區(qū)域低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了科學(xué)支撐。然而，因角度和方法不同，大多數(shù)研究?jī)H考慮了碳排放過(guò)程而忽略了碳固定過(guò)程，無(wú)法真實(shí)反映農(nóng)作物對(duì)空氣中溫室氣體的貢獻(xiàn)狀況。此外，關(guān)于熱帶果類農(nóng)產(chǎn)品的碳足跡研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。

作為我國(guó)熱帶水果優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，海南的熱帶水果產(chǎn)業(yè)保持穩(wěn)定發(fā)展。2010—2020 年海南熱帶水果面積和產(chǎn)量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2020 年海南熱帶水果總產(chǎn)量349.75 萬(wàn)t，收獲面積15.94 萬(wàn)hm2，分別比2010 年增長(zhǎng)22.57%、14.73%。其中2020年芒果總產(chǎn)量76.47 萬(wàn)t，收獲面積5.58 萬(wàn)hm2，分別比2010 年增長(zhǎng)了41.59%和1.06 倍。本研究以海南芒果為研究對(duì)象，遵循芒果園生態(tài)系統(tǒng)中碳流的全環(huán)式路徑原則，采用生命周期評(píng)價(jià)法核算芒果生產(chǎn)碳足跡，量化芒果在整個(gè)生命周期對(duì)空氣中溫室氣體的貢獻(xiàn)，識(shí)別其生命周期中的碳排放熱點(diǎn)，為相關(guān)部門制定有效的碳減排方案、推行碳標(biāo)簽制度及發(fā)展熱帶特色高效低碳農(nóng)業(yè)提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

生命周期評(píng)價(jià)法是指通過(guò)分析研究對(duì)象從原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用到處理階段溫室氣體排放量和固定量[4，10]，從而得出其碳足跡的研究方法。適用于從商業(yè)到消費(fèi)者的各類商品和服務(wù)、從商業(yè)到商業(yè)的各類商品和服務(wù)在其生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)[4]。本研究采用生命周期評(píng)價(jià)法核算芒果碳足跡，由于在芒果食用和廢棄過(guò)程中基本不產(chǎn)生碳排放，因此，采用從商業(yè)到商業(yè)的評(píng)價(jià)模式來(lái)繪制芒果碳足跡的過(guò)程圖，如圖1 所示。

圖1 海南芒果碳足跡過(guò)程

1.1 芒果碳足跡系統(tǒng)邊界

碳足跡系統(tǒng)邊界決定了農(nóng)產(chǎn)品碳足跡計(jì)算的范圍[4]。根據(jù)芒果生產(chǎn)實(shí)際，碳足跡系統(tǒng)邊界確定為芒果種植、生產(chǎn)加工、運(yùn)輸分銷3 個(gè)階段。其中，產(chǎn)品運(yùn)輸分銷主要采用電商形式，不包括零售流通階段，故運(yùn)輸分銷過(guò)程的碳排放忽略不計(jì)。在芒果園生態(tài)系統(tǒng)中，同時(shí)存在著耗碳和固碳，芒果生產(chǎn)既是碳流中的碳匯，也是碳源。因此，芒果碳足跡核算范圍主要包括芒果種植階段肥料、農(nóng)藥等農(nóng)資投入品，果園灌溉消耗的電能，生產(chǎn)加工過(guò)程中消耗的電能、包裝使用的紙漿等，勞動(dòng)力引起的直接或間接碳排放，以及芒果種植過(guò)程中果樹(shù)樹(shù)體自身的生物碳積累和有機(jī)肥、凋落物等有機(jī)碳在土壤中的積累[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 活動(dòng)水平數(shù)據(jù)海南是我國(guó)芒果主要產(chǎn)區(qū)之一，芒果種植主要集中在昌江、東方、三亞、陵水等西部和南部沿海市縣，其中昌江縣為“中國(guó)芒果之鄉(xiāng)”。研究過(guò)程中，選取昌江縣種植面積80 畝（1 畝≈667 m2）以上、具有2 年以上種植經(jīng)驗(yàn)的規(guī)模種植戶共15 家，采用入戶調(diào)研的方式，獲取其2020和2021年的主要生產(chǎn)信息：種植面積、樹(shù)齡、產(chǎn)量、農(nóng)藥使用量、化肥施用量、有機(jī)肥施用量、套袋用量、灌溉耗電量、農(nóng)業(yè)機(jī)械消耗燃油量和電量、勞動(dòng)力人數(shù)和年工作天數(shù)等。規(guī)模種植戶的田間管理設(shè)施較為完善，施肥、噴藥等用量賬目較為清晰，因此調(diào)研結(jié)果更加科學(xué)準(zhǔn)確。

1.2.2 排放因子數(shù)據(jù)已有的農(nóng)產(chǎn)品碳足跡核算研究中采用的排放因子系數(shù)主要是參考借鑒國(guó)內(nèi)外的代表性研究結(jié)果[12-14]中的權(quán)威值，或選用IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南、ecoinvent 2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)等[15-18]的推薦值。但多數(shù)研究結(jié)果中的排放因子系數(shù)是以國(guó)外的資料為基礎(chǔ)的，并不完全符合我國(guó)的情況。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉巽浩等[3]遵循農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的邊界和碳流規(guī)律、指標(biāo)參數(shù)力求準(zhǔn)確公平、客觀實(shí)用的原則研究改進(jìn)了排放因子系數(shù)。本研究選用其改進(jìn)后的排放因子系數(shù)（表1）進(jìn)行碳足跡核算。

表1 排放因子系數(shù)

1.3 碳足跡計(jì)算

1.3.1 碳排放芒果園生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放主要包括農(nóng)資投入引起的CO2排放、農(nóng)田N2O 和農(nóng)田土壤呼吸導(dǎo)致的CO2排放。

（1）農(nóng)資投入引起的CO2排放主要來(lái)源于肥料和農(nóng)藥施用、包裝套袋以及農(nóng)業(yè)機(jī)械、灌溉使用的燃油、電力的能源消費(fèi)。計(jì)算公式為：

式中：EC2O為農(nóng)資投入引起的CO2排放當(dāng)量，單位為t·CO2/hm2；Ei為各項(xiàng)農(nóng)資投入的碳排放量，單位為t·CO2/hm2；EiF為第i種活動(dòng)的活動(dòng)水平；iC為第i種活動(dòng)的排放因子。

N2O 排放主要來(lái)源于化肥和有機(jī)肥施用的 N元素釋放，包括：（1）N 元素在硝化與反硝化過(guò)程中的N2O 直接排放；（2）氮揮發(fā)后沉降和淋溶徑流導(dǎo)致的N2O 間接排放。計(jì)算公式如下[20]：

式中：EN2O表示 N2O 排放總量，單位為t·CO2/hm2；EN2O直接、EN2O沉降和EN2O淋溶分別表示N2O 直接排放量、沉降導(dǎo)致的N2O 間接排放量和淋溶徑流導(dǎo)致的N2O 間接排放量。298 是N2O換算成CO2當(dāng)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（2）土壤呼吸導(dǎo)致的CO2排放。土壤呼吸是陸地植物固定CO2和釋放CO2返回大氣的主要途徑，是與全球變化有關(guān)的一個(gè)重要過(guò)程[20-21]。為避免重復(fù)計(jì)算，在計(jì)算農(nóng)田土壤呼吸速率時(shí)應(yīng)剔除根系呼吸所引起的CO2排放。計(jì)算農(nóng)田土壤呼吸速率時(shí)應(yīng)剔除根系呼吸所引起的CO2排放。計(jì)算公式如下：

其中：EsC2O表示剔除根系呼吸后土壤呼吸導(dǎo)致的CO2排放量，單位為t·CO2/hm2；T表示時(shí)間，單位為a；A表示耕地面積，單位為hm2；Rsoil為剔除根系呼吸后的農(nóng)田土壤呼吸速率，本研究中取值為14.47 t·CO2/（hm2·a）[22-23]。

1.3.2 碳固定（1）作物通過(guò)光合作用吸收空氣中的CO2，同時(shí)通過(guò)葉片、根系的呼吸作用釋放CO2，二者相減得到凈初級(jí)生產(chǎn)量[3]。固碳量計(jì)算公式為：

式中：Cp表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物固碳總量，單位為t·CO2/hm2；F為芒果樹(shù)的含碳率，取45%；Y為芒果的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，單位t；w為芒果樹(shù)的水分系數(shù)，取90%；R為芒果樹(shù)的根冠比，取0.25；H為芒果樹(shù)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與生物產(chǎn)量的比值，即經(jīng)濟(jì)系數(shù)，取0.7。44/12 是C 轉(zhuǎn)換為CO2的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

（2）有機(jī)肥、凋落物等有機(jī)碳在土壤中的積累,植物通過(guò)光合作用將大氣中的CO2固定到植物體內(nèi)，又通過(guò)根系分泌物、凋落物及根系生物量等將一部分光合碳輸入到土壤中[24]，即土壤可以通過(guò)植物從大氣中吸收、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)二氧化碳。韓冰等[25]、金琳等[26]、韓召迎等[27]對(duì)全國(guó)多個(gè)定位試驗(yàn)站的長(zhǎng)期觀測(cè)研究結(jié)果表明，土壤年平均固碳速率為0.452 t·C/（hm2·a）。

土壤固碳量的計(jì)算方法如下：

式中，CS表示土壤固碳量，單位為t·CO2/hm2；RSOC為土壤固碳速率，單位為t·CO2/（hm2·a）；S表示面積，單位為hm2；t為時(shí)間，單位為a。

1.3.3 碳足跡芒果生產(chǎn)全生命周期的碳足跡即各項(xiàng)固定源的碳固定總量與各項(xiàng)農(nóng)資投入和排放源的碳排放總量的差值，計(jì)算公式為：

式中，Cf為芒果碳足跡，單位為t·CO2/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 芒果生產(chǎn)碳排放

芒果園生態(tài)系統(tǒng)碳排放量為19.72 t·CO2/hm2，主要來(lái)源于農(nóng)資投入品和土壤呼吸的碳排放。其中土壤呼吸的碳排放量為14.47 t·CO2/hm2，占總碳排放的73.39%，土壤呼吸是芒果碳足跡的最主要碳排放源。農(nóng)資投入品碳排放量為 5.25 t·CO2/hm2，占總碳排放的26.61%。農(nóng)資投入品中氮肥生產(chǎn)引起的CO2排放以及施用氮肥造成的N2O 排 放 為 3.04 t·CO2/hm2，占 總 碳 排 放 的15.41%，占農(nóng)資投入碳排放的57.91%，是芒果生產(chǎn)碳排放的第二大排放源；芒果采摘后生產(chǎn)加工過(guò)程中包裝使用的紙漿導(dǎo)致的碳排放量為1.50 t·CO2/hm2，占總碳排放的7.61%，占農(nóng)資投入碳排放的28.59%，是芒果生產(chǎn)碳足跡的第三大排放源。

究其原因，溫度是影響土壤呼吸的最主要環(huán)境因子，直接影響土壤微生物、土壤動(dòng)物和植物根系代謝活動(dòng)[28]。土壤含水量的高低對(duì)土壤孔隙的通透性有很大的影響[29]，土壤微生物活動(dòng)和植物生長(zhǎng)及根系代謝均需要一定的土壤濕度和通氣條件[30]，不同形式的降水是土壤水分的主要來(lái)源[31]，對(duì)土壤呼吸速率具有重要的影響[22]。在一定的范圍內(nèi)，土壤呼吸速率隨著溫度和水分的增加而增加[22]。海南島地處熱帶邊緣，氣溫高、降水豐富，因此，土壤呼吸速率高于我國(guó)其它氣候帶的農(nóng)業(yè)區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸碳排放的貢獻(xiàn)率較高。同時(shí)，較高的氣溫導(dǎo)致施肥產(chǎn)生的N2O 直接排放量也高于我國(guó)其它處于亞熱帶和溫帶氣候區(qū)的排放量，即施用相同數(shù)量的肥料，在熱帶地區(qū)釋放的N2O 量要比在溫帶地區(qū)多[23]，這是導(dǎo)致氮肥施用成為芒果生產(chǎn)碳足跡的第二大碳排放源的重要原因。

2.2 芒果生產(chǎn)碳固定

植株的固碳量受到生物量、含水率、含碳率、種植密度等多種因素的影響，土壤固碳量受到微生物和氣候條件等自然因素及土地利用方式、農(nóng)田管理措施等人為因素的影響[32]。芒果園生態(tài)系統(tǒng)固碳量為 10.50 t·CO2/hm2，其中植株固碳8.84 t·CO2/hm2，土壤固碳1.66 t·CO2/hm2，分別占總固碳量的84.2%、15.8%，可見(jiàn)芒果樹(shù)樹(shù)體本身的固碳是主要的固碳途徑。芒果單位面積經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、含碳率高，因此單位面積植株固碳量高。

2.3 芒果生產(chǎn)碳足跡

芒果園生態(tài)系統(tǒng)的碳排放大于碳固定，碳足跡表現(xiàn)為凈碳源，單位面積碳足跡為9.22 t·CO2/hm2。碳足跡與作物種類密切相關(guān)，不同作物的碳足跡差異顯著。由表2 可見(jiàn)，芒果單位面積碳排放量遠(yuǎn)小于蜜柚和巴西蕉，略高于皇帝蕉；芒果單位面積碳固定量略高于蜜柚而遠(yuǎn)低于皇帝蕉和巴西蕉。芒果單位面積碳足跡為表現(xiàn)為凈碳源，且遠(yuǎn)小于蜜柚。但皇帝蕉和巴西蕉碳固定量高于碳排放量，表現(xiàn)為凈碳匯。芒果生產(chǎn)過(guò)程的碳排放構(gòu)成與蜜柚等其他水果的碳排放構(gòu)成類似，肥料特別是氮肥的施用，是主要的碳排放來(lái)源。芒果植株種植密度遠(yuǎn)低于的香蕉，因此芒果單位面積固碳量遠(yuǎn)低于香蕉。相對(duì)而言，芒果園生態(tài)系統(tǒng)是碳排放高而碳固定量較低的生態(tài)系統(tǒng)。

表2 與其他水果碳足跡的比較

3 討論與結(jié)論

基于生命周期評(píng)價(jià)法核算了海南芒果生產(chǎn)的碳足跡，結(jié)果表明，芒果生產(chǎn)總碳排放量為19.72 t·CO2/hm2，其中芒果園土壤呼吸、種植過(guò)程中的氮肥施用和加工包裝過(guò)程中紙漿的使用是芒果碳足跡的主要碳排放源，分別占總排放的73.39%、15.41%、7.61%，其余排放占3.59%。芒果園固碳量為10.50 t·CO2/hm2，芒果樹(shù)樹(shù)體本身的固碳是主要固碳途徑，占總固碳量的84.2%，土壤固碳量占15.8%。芒果生產(chǎn)過(guò)程中碳排放量高于碳固定量，表現(xiàn)為凈碳源，每公頃芒果在生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡為9.22 t·CO2/hm2，即每公頃芒果園在生產(chǎn)過(guò)程中CO2凈排放量為9.22 t。通過(guò)碳足跡核算識(shí)別熱帶果類農(nóng)產(chǎn)品生命周期過(guò)程中的溫室氣體排放情況，能夠?yàn)橹贫ㄌ紲p排方案提供理論和數(shù)據(jù)支撐，有利于熱帶高效低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展和減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在芒果生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)部門需加強(qiáng)對(duì)種植戶的技術(shù)指導(dǎo)，優(yōu)化施肥方案，可通過(guò)測(cè)土配方施肥、化肥減氮施用技術(shù)等減少氮肥施用量，增加有機(jī)肥施用量；芒果產(chǎn)品包裝采用環(huán)保材料，從而減少碳排放。同時(shí)，相關(guān)部門可以推行碳標(biāo)簽制度，將產(chǎn)品碳足跡信息用量化的指數(shù)標(biāo)示在產(chǎn)品標(biāo)簽上[33]，建立以消費(fèi)者為主體的低碳消費(fèi)模式，提高企業(yè)的社會(huì)責(zé)任感和競(jìng)爭(zhēng)力。

芒果園生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)存在著碳排放和碳固定、碳源和碳匯。本研究遵循果園生態(tài)系統(tǒng)的全環(huán)式路徑，在核算過(guò)程中即同時(shí)考慮了碳排放和碳固定（即整個(gè)碳循環(huán)），避免了只考慮碳排放而忽略碳固定。因此，從方法上看，核算結(jié)果較為接近實(shí)際，能夠真實(shí)反映芒果園生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡。同時(shí)，由于相關(guān)數(shù)據(jù)難以獲取，核算過(guò)程未包含農(nóng)業(yè)機(jī)械制造原料所隱含的碳排放和灌溉使用的機(jī)械及水庫(kù)、管道等修建、維護(hù)管理等產(chǎn)生的碳排放。此外，調(diào)研選取的是具有一定規(guī)模的芒果園，種植規(guī)模較小的種植散戶未考慮，因此平均單位面積產(chǎn)量可能偏高，單位面積植株固碳量可能偏高，進(jìn)而導(dǎo)致單位面積芒果碳足跡和單位產(chǎn)量芒果碳足跡均偏小。此外，土壤呼吸速率是借鑒已有研究成果的值，可能與芒果園實(shí)際存在誤差。同時(shí)，不同地區(qū)的氣候類型、同一地區(qū)不同年份的氣象條件等都是影響芒果生產(chǎn)碳排放和碳固定的重要因素，在今后的研究中，還需通過(guò)試驗(yàn)獲取、增加樣本量、多年連續(xù)觀測(cè)記錄等方法，完善活動(dòng)水平數(shù)據(jù)和排放因子數(shù)據(jù)，使碳足跡核算結(jié)果更加精確。