碳足跡是指人類在生產(chǎn)和消費(fèi)過程中的碳排放總量，是一種測量人類碳排放對全球溫室效應(yīng)影響的新方法［1-3］。目前，能源和城市建設(shè)等領(lǐng)域中的碳足跡得到高度關(guān)注［4-7］，農(nóng)業(yè)碳足跡能夠系統(tǒng)地評價耕作、施肥和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，由人為因素引起直接和間接的碳排放總量，定量測算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響［8-9］。目前，農(nóng)業(yè)碳足跡的研究尚處于起步階段，主要研究集中在區(qū)域農(nóng)業(yè)碳足跡、作物碳足跡和糧食碳足跡（碳成本）。Nelson等測算了美國農(nóng)業(yè)的碳足跡［10］，Dubey和Lal研究了美國俄亥俄州和印度旁遮普邦的農(nóng)業(yè)碳足跡，并對兩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性進(jìn)行了評價［11］；國外多位學(xué)者分別對冬油菜、春燕麥和冬小麥等多種農(nóng)作物從播種到收獲整個田間生長期的碳足跡進(jìn)行了研究［10, 12-14］。國內(nèi)農(nóng)業(yè)碳足跡僅有少量報道，梁龍等評估了生產(chǎn)1 t小麥-玉米的碳成本［15］，本實驗室前人計算了冬小麥—夏玉米種植模式（以下簡稱為“麥玉模式”）農(nóng)資部分的碳足跡［16-17］。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對農(nóng)業(yè)碳足跡進(jìn)行了研究，但研究結(jié)果存在很大差異。本研究基于實地調(diào)研的農(nóng)戶生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論，并綜合投入—產(chǎn)出法和生命周期法，對華北平原麥玉兩熟模式的碳足跡進(jìn)行研究，以期獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳排放清單，為農(nóng)業(yè)節(jié)能減排提供有效的指導(dǎo)。 1 研究方法 本研究以華北平原典型的冬小麥—夏玉米兩熟制種植區(qū)域—河北吳橋縣為例，利用農(nóng)業(yè)碳足跡理論及研究方法，參考前人相關(guān)研究的碳排放參數(shù)，分析華北平原主體種植模式—麥玉兩熟模式的碳足跡。 農(nóng)業(yè)碳足跡的涵義 碳足跡理論源于生態(tài)足跡，農(nóng)業(yè)碳足跡主要是在West和Lal等人對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的成果上形成的［8, 18-20］。農(nóng)業(yè)碳足跡可以系統(tǒng)定量地計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動過程中，由人為因素引起的各種直接和間接的碳排放總量及各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)上排放的分量。農(nóng)業(yè)碳足跡可以有效地評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對溫室效應(yīng)的影響，是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排的理論基礎(chǔ)。農(nóng)業(yè)碳足跡包括直接碳足跡和間接碳足跡：直接碳足跡是指在使用農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行耕地、播種和收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，柴油消耗直接在農(nóng)田上的碳排放，同時也包括由于施用化肥而導(dǎo)致土壤增加的直接碳排放量；農(nóng)業(yè)間接碳足跡是指在生產(chǎn)運(yùn)輸化肥、農(nóng)藥和種子等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料過程中，在農(nóng)業(yè)上游部門的碳排放，其中也包括灌溉消耗的電能產(chǎn)生的碳排放。 碳足跡計算方法 麥玉模式碳足跡的邊界為從玉米秸稈還田開始到收獲玉米離開農(nóng)田結(jié)束，時間為1年，冬小麥碳足跡邊界是從玉米秸稈還田開始到小麥?zhǔn)斋@結(jié)束，夏玉米碳足跡的邊界是從玉米播種開始到玉米收獲結(jié)束。農(nóng)業(yè)碳足跡的測算內(nèi)容為中的直接碳足跡和間接碳足跡，計算公式如下： Cf=∑ni=1Cfi=∑ni=1(mβ)i Cf為農(nóng)業(yè)碳足跡，n表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程消耗了n種能源（柴油和電能等）或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（化肥、農(nóng)藥和種子等），Cfi表示第i種能源或農(nóng)資的碳足跡，m為消耗第i種能源或農(nóng)資的量，β為第i種能源或農(nóng)資的碳排放參數(shù)，碳足跡的單位是kg Ce/hm2?a。 糧食碳足跡也稱為糧食碳成本，麥玉模式糧食碳成本是麥玉模式碳足跡與糧食單產(chǎn)的比值，小麥和玉米的碳成本分別是冬小麥和夏玉米碳足跡與各自單產(chǎn)的比值，碳成本單位是kg Ce/kg。 種植規(guī)模、化肥用量、灌溉用電量、農(nóng)機(jī)投入消耗的柴油量、播種量和農(nóng)藥用量。采用和Excel 2007統(tǒng)計軟件，進(jìn)行方差分析和相關(guān)顯著性檢測。 2 結(jié)果與分析 冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡清單 麥玉模式在整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥、柴油、電能、種子和土壤N2O排放量，以及相應(yīng)的碳足跡見表2。麥玉模式總的碳足跡是1 ± kgCe/hm2?a，冬小麥碳足跡是1 ± kgCe/hm2?a，夏玉米碳足跡是± kgCe/hm2?a，冬小麥的碳足跡比夏玉米的多 kgCe/hm2?a。 麥玉模式碳足跡可分為化肥、電能、柴油、種子和農(nóng)藥五大部分（由于土壤N2O排放是施用N肥造成的，因此該部分碳足跡歸入化肥部分），詳見表2和圖1。施用化肥造成的碳足跡為1 ± kgCe/hm2?a，占總碳足跡的；灌溉消耗電能的碳足跡為± kgCe/hm2?a，占總量的；農(nóng)業(yè)機(jī)械投入消耗柴油的碳足跡是 kgCe/hm2?a，占總量的；種子碳足跡為± kgCe/hm2?a，占總量的；農(nóng)藥碳足跡為 kgCe/hm2?a，占總碳足跡的。冬小麥和夏玉米碳足跡的構(gòu)成情況與麥玉模式碳足跡相似，按各部分碳足跡比重，從大到小依次為化肥、灌溉、柴油、種子和農(nóng)藥。 麥玉模式中化肥碳足跡由氮肥、磷肥和鉀肥組成，其中氮肥碳足跡占化肥碳足跡的，磷肥占，鉀肥占；氮肥碳足跡中，生產(chǎn)和運(yùn)輸部分占，土壤N2O部分占。冬小麥和夏玉米各自三種肥料的碳足跡比例與麥玉模式的情況相似，都是氮肥最多，磷肥此次，鉀肥最少，但是冬小麥化肥碳足跡比夏玉米的多，其中氮肥多，磷肥多，鉀肥多。 麥玉模式電能碳足跡是± kgCe/hm2?a，冬小麥電能碳足跡為± kgCe/hm2?a，夏玉米電能碳足跡為± kgCe/hm2?a，冬小麥電能碳足跡是夏玉米的近3倍。 麥玉模式柴油碳足跡中，玉米秸稈還田碳足跡所占比例最大，約占30%；旋耕和小麥?zhǔn)斋@所占比例略小，各約占27%；冬小麥和夏玉米播種碳足跡最小，各約占8%。冬小麥柴油部分碳足跡是夏玉米的近13倍。 麥玉模式中農(nóng)藥碳足跡由除草劑、殺蟲劑和殺菌劑組成，其中除草劑碳足跡約占農(nóng)藥總碳足跡的70%，殺蟲劑和殺菌劑碳足跡各約占15%。冬小麥農(nóng)藥碳足跡中，殺菌劑碳足跡所占比例最大，殺蟲劑次之，除草劑最少；夏玉米農(nóng)藥碳足跡中，除草劑所占比例最大，殺蟲劑次之，殺菌劑最少。 冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡影響因素分析 麥玉模式的碳足跡受多種因素的影響，用相關(guān)分析法分別檢驗各項農(nóng)資消耗量與麥玉模式碳足跡的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有N肥的施用量和電能消耗量與碳足跡存在正相關(guān)性（見圖2、圖3）。 N肥施用量與麥玉模式、冬小麥和夏玉米的碳足跡均存在顯著的正相關(guān)性（P值分別為* *，* *和* *）。由圖2可以看出，每公頃增施1kg N肥，麥玉模式的碳足跡增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y=），冬小麥碳足跡增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y=），夏玉米碳足跡增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y=），可見N肥施用量對冬小麥碳足跡的影響程度略大于夏玉米碳足跡。 灌溉電能消耗量與麥玉模式、冬小麥和夏玉米的碳足跡也均存在顯著的正相關(guān)性（P值分別為* *、* *和* *）。由圖3可知，每公頃多消耗1 kWh 電，麥玉模式的碳足跡就增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y = + 1 323），冬小麥的碳足跡增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y = + ），夏玉米的碳足跡增加 kgCe/hm2?a（趨勢線方程為y = + ），可見電能消耗量對冬小麥碳足跡的影響程度顯著大于夏玉米。 不同種植規(guī)模冬小麥—夏玉米模式的糧食碳成本比較麥玉模式糧食碳成本為± kgCe/kg，小麥碳成本和玉米碳成本分別為±和± kgCe/kg。不同種植規(guī)模的麥玉模式生產(chǎn)糧食（小麥和玉米）的碳成本情況見圖4。 由圖4可知，麥玉模式糧食碳成本、小麥碳成本和玉米碳成本均與種植規(guī)模成顯著的負(fù)相關(guān)性（P值分別為* *，* *和* *），碳成本隨著種植規(guī)模的增大而呈下降趨勢。進(jìn)一步將種植規(guī)模分為?。?-5畝）、中（5-10畝）和大（≥10畝）三種類型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)麥玉模式的糧食碳成本在小、中和大規(guī)模類型上的碳足跡分別為±，±和± kgCe/kg；小麥在3類種植規(guī)模上的碳成本分為±，±和± kgCe/kg；玉米相應(yīng)的碳成本分別為±，±和± kgCe/kg?？梢姡溣衲Ｊ降募Z食碳成本、小麥和玉米碳成本在3種種植規(guī)模中的碳成本均是小規(guī)模類型最高，中規(guī)模的較低，大規(guī)模的最低。 3 討論與結(jié)論 華北平原麥玉模式節(jié)能減排潛力巨大 農(nóng)業(yè)碳足跡受土壤、農(nóng)作措施及社會經(jīng)濟(jì)等多因素的影響，并且各因素彼此之間又存在互作，因此不同區(qū)域，不同種植模式，農(nóng)業(yè)碳足跡差異顯著；相同區(qū)域內(nèi)不同種植模式以及相同種植模式在不同區(qū)域都會存在差異。Nelson等計算美國農(nóng)業(yè)的碳足跡是91-365 kgCe/hm2?a［6］；Hillier等人在蘇格蘭研究了冬油菜、春燕麥、冬燕麥、豆菜和冬小麥5種作物的碳足跡分別為436，310，388，125 和?a［10］；Mondelaers等計算出普通小麥的碳成本為 kgCe/kg［10］；梁龍等測算冬小麥-夏玉米的碳成本是 kgCe/kg［15］；本實驗室前人研究麥玉模式農(nóng)資部分的碳足跡為 kgCe/hm2?a［13］。本研究麥玉模式的碳足跡普遍高于國內(nèi)外研究結(jié)果，主要原因如下：國外農(nóng)業(yè)碳足跡研究的主要是一年一熟的種植模式，麥玉兩熟模式在化肥、水和機(jī)械等投入量上顯著高于國外；農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、水和農(nóng)藥等農(nóng)資利用效率低；土壤N2O的排放主要是人為施用化肥造成的，有些研究結(jié)果并未包含這部分［16-17］；國產(chǎn)農(nóng)機(jī)能耗高和農(nóng)戶播種量偏大也是造成碳足跡高的原因?？傊捎诒狙芯恐袛?shù)據(jù)來源是調(diào)研所得，碳排放參數(shù)是借鑒前人研究的結(jié)果，因此所得的麥玉模式的碳足跡與真實值會存在一定差異，但是研究結(jié)果表明華北地區(qū)麥玉模式的碳足跡是相對較高的，麥玉模式在生產(chǎn)管理方面具有巨大的節(jié)能減排潛力，且冬小麥?zhǔn)侵攸c。 化肥和灌溉是影響麥玉模式碳足跡的關(guān)鍵 麥玉模式碳足跡組成中，化肥尤其是施用氮肥造成的碳足跡所占的比重最大，這與其他學(xué)者研究結(jié)果相同［9, 17, 24］。主要原因是化肥本身在生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)倪^程中需要消耗大量的化石燃料，另一方面糧食增產(chǎn)很大程度上依靠化肥，農(nóng)民施用化肥的量相對較多，從而造成化肥部分的碳排放量就相對最大。灌溉消耗電能造成的碳足跡所占比重顯著高于他人研究結(jié)果［9,17,24］，主要原因是吳橋地區(qū)灌溉用水部分很大部分來自于深層地下水,耗能必然顯著高于使用地表水或淺層地下水的情況?；屎碗娔軆身椪伎偺甲阚E的絕大部分，因此，加強(qiáng)研發(fā)和普及適合當(dāng)?shù)氐臏y土配方施肥和滴灌等節(jié)肥和節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化肥和水分的利用效率，是降低華北地區(qū)農(nóng)業(yè)碳足跡的關(guān)鍵。 規(guī)模種植對糧食碳成本的影響 本研究發(fā)現(xiàn)麥玉模式的糧食碳成本隨種植規(guī)模增大而呈下降趨勢，與Lal的研究結(jié)果相似［4］。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?？梢姺N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(jì)社會條件的影響，在不同區(qū)域，效果會存在差異，因此本研究結(jié)果有待進(jìn)一步完善。總之，本研究利用碳足跡理論及研究方法評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡，初步測算出了華北平原主體種植模式(冬小麥—夏玉米兩熟制)的碳足跡，并初步繪制了種植冬小麥和夏玉米過程中在施肥、灌溉和農(nóng)機(jī)投入等各個環(huán)節(jié)上的碳排放清單，以及生產(chǎn)小麥和玉米的碳成本。本研究豐富了碳足跡理論，為今后優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的碳足跡，構(gòu)建低碳農(nóng)作系統(tǒng)和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排邁出了關(guān)鍵的一步。 致謝：本研究在河北吳橋縣調(diào)查農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，得到了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋試驗站魯來清站長，本實驗室楊再潔、羅永彬和周志冠等同學(xué)的幫助，在此一并感謝!