楚雄市主要水稻種植區(qū)域的溫室氣體排放因素探究

段智源　王學良　何萍

摘 要 水稻種植會造成直接和間接的溫室氣體排放，采用生命周期法對楚雄市主要水稻種植區(qū)域的溫室氣體排放進行了綜合評估，揭示該區(qū)域水稻生產(chǎn)中溫室氣體排放的來源結(jié)構(gòu)，從而為該區(qū)域水稻的低碳、減排種植提供一定參考。結(jié)果表明：1）楚雄市單位面積水稻種植的溫室氣體排放量為7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2;2）造成溫室氣體排放的項目中，稻田CH4排放量>豬糞施用排放量>復合肥排放量>氮肥排放量，是排放量最大的4個溫室氣體來源，占溫室氣體總量的49.68%、16.98%、15.25%和9.03%，其余項目對溫室氣體總量的貢獻均小于5%;3）單位稻米產(chǎn)量的溫室氣體排放量為692.88～719.02 kgCO2﹒t-1，單位凈收益的溫室氣體排放量為2 492.31～2 595.84 kgCO2/萬元。降低稻田CH4排放及施肥造成的溫室氣體排放是該區(qū)域水稻低碳種植的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 水稻;溫室氣體;生命周期評價;產(chǎn)量;經(jīng)濟效益

中圖分類號：TU986 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.05.080

當前，全球氣候變暖已成為世界各國共同關(guān)注的問題，造成全球持續(xù)變暖的根源被認為是近年來幾種重要溫室氣體的快速增加，包括CO2、CH4和N2O等。人類活動排放的溫室氣體中，14%來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。水稻在生產(chǎn)過程中會直接或間接排放一定量的溫室氣體，其作為中國第一大糧食作物，對全球持續(xù)增溫的貢獻不容忽視[2-6]。目前，對于水稻生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的研究，主要著重于種植過程中水稻田造成的CH4排放和施用氮肥造成的N2O排放[7-9]。較多研究表明，施肥、灌溉、秸稈還田等措施都會對水稻種植過程中的溫室氣體排放造成影響[8，10-11]。

事實上，除種植過程會直接造成溫室氣體排放外，水稻生產(chǎn)前和生產(chǎn)后的諸多過程都會間接造成溫室氣體的排放，如化肥、農(nóng)藥的生產(chǎn)，種子的運輸，耕作過程中柴油的消耗等。因此，為了更加全面地評估水稻生產(chǎn)造成的溫室氣體排放，一些學者開始用生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）的方法對該過程進行研究，結(jié)果顯示，間接造成的溫室氣體排放也占有不可忽視的比例[5，12-13]。

楚雄市是云南省重要的水稻生產(chǎn)區(qū)域，目前對于楚雄市的水稻生產(chǎn)已有較多研究，主要集中在育種、田間管理、提高產(chǎn)量和經(jīng)濟效益等方面[14-16];而對于該區(qū)域水稻生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的研究還較少。因此，采用生命周期評價的方法對楚雄市典型水稻生產(chǎn)區(qū)域的溫室氣體排放進行評估，揭示該區(qū)域水稻生產(chǎn)中溫室氣體排放的來源結(jié)構(gòu)，從而為該區(qū)域水稻的低碳、減排種植提供一定參考。

1 研究區(qū)域概況

楚雄市位于云貴高原中部，地跨東經(jīng)100°35′～101°48′、北緯24°30′～25°15′;屬于北亞熱帶季風氣候區(qū)，冬干夏濕，氣溫日差較大，年差較小;冬無嚴寒、夏無酷暑;干濕季分明，雨熱同季;日照充足，年均日照為2 422 h，無霜期242 d，冬季降水偏少。年降水量為864 mm，年均氣溫為17.4 ℃。其中，水稻生產(chǎn)的主要區(qū)域分布在東瓜、蒼嶺、紫溪、東華、呂合和子午6個下轄鎮(zhèn)境內(nèi)。研究選取了東瓜、蒼嶺、紫溪、東華和子午作為具體的調(diào)查區(qū)域，這5個區(qū)域的水稻生產(chǎn)均是在楚雄彝族自治州農(nóng)業(yè)科學研究推廣所的指導下進行的，種植面積大且種植模式統(tǒng)一，較能代表楚雄市的水稻生產(chǎn)模式。

2 基本原理與研究方法

2.1 生命周期評價方法

生命周期評價方法是一種“從搖籃到墳?zāi)埂钡南到y(tǒng)研究方法，其最開始用于工業(yè)方面的評估;2004年，Brentrup等[17]設(shè)計了適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生命周期評價方法，其系統(tǒng)邊界包括原材料的收集、相關(guān)農(nóng)資的生產(chǎn)和農(nóng)作生產(chǎn)3個環(huán)節(jié)，基于該方法，農(nóng)作中產(chǎn)生的溫室氣體能夠得到全面、系統(tǒng)的評估。參照其研究成果，本研究中水稻生產(chǎn)的溫室氣體排放邊界從水稻生產(chǎn)上游與水稻生產(chǎn)相關(guān)農(nóng)用物資的原材料采集開始，包含水稻生產(chǎn)相關(guān)的化肥、農(nóng)藥、柴油的生產(chǎn)、運輸、原料采集等環(huán)節(jié)的溫室氣體排放、水稻種子生產(chǎn)的排放、施用肥料造成的排放、加工稻米消耗電能造成的排放，直到加工成稻米結(jié)束，計算公式如式1所示。

式中，Cf為溫室氣體排放總量，n表示生產(chǎn)過程中消耗了n種物質(zhì)（農(nóng)藥、化肥、能源等），Cfi為第i種物質(zhì)的溫室氣體排放，mi為第i種物質(zhì)的消耗量，βi為第i種物質(zhì)的溫室氣體排放因子。溫室氣體排放量的單位是kgCO2·hm-2，以排放的二氧化碳當量（Carbon dioxide equivalent）計算[18-19]。

2.2 數(shù)據(jù)收集

研究中造成溫室氣體排放的項目主要包括農(nóng)用物資、能源消耗、施肥造成的田間溫室氣體排放等，其中種子的消耗量、肥料的用量、農(nóng)藥的用量來自于楚雄彝族自治州農(nóng)業(yè)科學研究推廣所提供的數(shù)據(jù);柴油的消耗量、電能的消耗量通過實地調(diào)查獲得。東瓜、蒼嶺、紫溪、東華、子午5個區(qū)域種植的水稻品種為楚粳-27號、楚粳-28號、楚粳-29號、楚粳-37號，楚粳-39號和楚粳-80號等，具體種植品種由農(nóng)戶根據(jù)自己意愿選擇;產(chǎn)量分別為11 194.5 kg·hm-2、11 091 kg·hm-2、11 346 kg·hm-2、11 250 kg·hm-2、10932 kg·hm-2，而水稻加工的耗電量為2.65 kW·h·t-1，因此換算得到5個區(qū)域的水稻加工耗電量分別為29.7 kW·h·hm-2、29.4 kW·h·hm-2、30.1 kWh·hm-2、29.8 kW·h·hm-2、29.0 kW·h·hm-2。

氮肥類型為尿素，含氮量為46.4%;磷肥類型為過磷酸鈣，P2O5含量為12%;復合肥類型為氮磷鉀復合肥，其中N、P2O5、K2O含量均為15%;除草劑類型為98%殺草丹和田毛;殺菌劑類型為25%咪鮮胺、硫環(huán)唑、富士1號和井崗霉素;殺蟲劑類型為高氯馬。如表1所示，為楚雄市水稻生產(chǎn)涉及溫室氣體排放的項目。

2.3 排放因子

排放因子是指消耗某種物質(zhì)單位物質(zhì)的量所造成的溫室氣體排放量，因為各種物質(zhì)的單位不盡相同，所以不同物質(zhì)的排放因子單位也有所差異。如表2所示，排放因子一部分為直接引用前人的研究成果，包括氮肥的生產(chǎn)、氮肥的施用、磷肥的生產(chǎn)、除草劑的生產(chǎn)、殺菌劑的生產(chǎn)、殺蟲劑的生產(chǎn)、耕地所消耗柴油的生產(chǎn)、灌溉及水稻加工所消耗的電能生產(chǎn)。

另外一部分在參照前人研究成果的基礎(chǔ)上間接計算得出：復合肥的N、P2O5、K2O含量均為15%，而氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和鉀肥生產(chǎn)的排放因子分別為4.005 kgCO2/kgN、3.894 kgCO2/kgP和5.213 kgCO2/kgK[20]，因此計算得到復合肥生產(chǎn)的排放因子為1.505 kgCO2/kg肥料;豬糞的含氮量參考梁亞男等[21]的研究成果，取2.72%，根據(jù)省級溫室氣體清單編制指南（試行），氮肥輸入云南地區(qū)農(nóng)田的排放因子為0.010 6 kgN2O/kgN[22]，而單位質(zhì)量N2O的全球增溫潛勢是CO2的310倍[23]，因此換算得到豬糞施用的排放因子為0.089 kgCO2/kg豬糞;同理可得氮肥施用的排放因子為3.286 kgCO2/kgN，復合肥施用的排放因子為0.493 kgCO2/kg復合肥;水稻田的CH4排放參照省級溫室氣體清單編制指南（試行），云南地區(qū)水稻田的CH4排放因子為156.2 kg·hm-2，而單位質(zhì)量的CH4的全球增溫潛勢是CO2的25倍，因此換算得到稻田CH4的排放因子為3 905 kgCO2·hm-2[23]。

2.4 成本的計算方法

研究中將種子、化肥、農(nóng)藥、柴油和電能的投入作為成本，如表3所示，根據(jù)這些項目的單價計算得到水稻生產(chǎn)的成本。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫室氣體排放總量

如表4所示，5個區(qū)域的水稻種植均是在楚雄彝族自治州農(nóng)業(yè)科學研究推廣所的指導下進行，造成溫室氣體排放的項目僅在每公頃加工的稻谷一項略有差異，因此5個區(qū)域水稻種植的溫室氣體排放量也較接近，為

7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2，各排放項目占總排放量的百分比也幾乎相同。其中水稻田甲烷排放造成的溫室氣體排放量為3 905.0 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的49.68%，是最主要的排放源;施用豬糞造成的溫室氣體排放為1 335.00 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的16.98%;復合肥生產(chǎn)和施用共造成溫室氣體排放1 198.8 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的15.25%;氮肥生產(chǎn)和施用共造成溫室氣體排放710.44 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的9.03%。

總的來說，肥料造成的直接溫室氣體排放（N2O的排放）為1 950.99 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的24.82%;間接溫室氣體排放（化肥的生產(chǎn)）為1 423.43 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的18.11%;肥料的施用共計造成溫室氣體排放3 374.41 kgCO2·hm-2，占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的42.93%，是除稻田甲烷排放外第2大溫室氣體排放源。

其他項目包括種子的生產(chǎn)、農(nóng)藥的使用和能源的消耗造成的溫室氣體排放相對較少，分別為50.82 kgCO2·hm-2、149.57 kgCO2·hm-2和381.27 kgCO2·hm-2，分別占水稻生產(chǎn)溫室氣體排放量的0.65%、1.90%和4.85%。

3.2 單位產(chǎn)量和產(chǎn)值的溫室氣體排放量

根據(jù)各區(qū)域的溫室氣體排放量、水稻的產(chǎn)量、水稻生產(chǎn)的成本及當?shù)氐久资召彽膬r格（3.05元/kg），計算了單位稻米產(chǎn)量的溫室氣體排放量及單位凈收益的溫室氣體排放量。如表5結(jié)果顯示，5個區(qū)域單位稻米產(chǎn)量的溫室氣體排放量為692.88～719.02 kgCO2·t-1，單位凈收益的溫室氣體排放量為2 492.31～2 595.84 kgCO2/萬元，該兩項值的大小均是子午最高，紫溪最低。原因是5個區(qū)域在相同的的水稻生產(chǎn)措施下，單位面積的產(chǎn)量有所差異，從而造成了單位面積的凈收益也有所不同;在此生產(chǎn)條件下，隨著水稻產(chǎn)量的提高，該兩項指標均呈現(xiàn)出降低的趨勢，進一步說明了由于產(chǎn)量的差異造成的各區(qū)域加工水稻耗電差異對溫室氣體排放的影響較小。因此5個區(qū)域在種植模式相同的情況下，提高產(chǎn)量有益于降低單位產(chǎn)量的溫室氣體排放和單位凈收益的溫室氣體排放，是相對低碳和環(huán)保的選擇。

4 討論

通過詳細調(diào)查楚雄市5個典型水稻種植區(qū)域的各項農(nóng)資消耗，測算出單位面積的溫室氣體排放量為7 680.38～7 681.47 kgCO2·hm-2。國內(nèi)一些學者對不同區(qū)域水稻種植的溫室氣體作了一定測算，其結(jié)果與本研究不盡相同。例如徐小明[20]借助DNDC模型測算了吉林省西部水稻生產(chǎn)的溫室氣體排放為13 303 kgCO2·hm-2，比本研究的結(jié)果高73.2%，原因主要是其研究根據(jù)DNDCM模型估算得到的CH4排放量相當于8 250～11 500 kgCO2·hm-2，為本研究的211.3%～294.5%;曹黎明等[5]測算得到上海市水稻生產(chǎn)的碳足跡為11 811.4 kgCO2﹒hm-2，比本研究高53.8%，其研究監(jiān)測到的CH4排放量相當于7 918.1～9 943.1 kgCO2·hm-2，為本研究的202.8%～254.6%，而較多大田試驗方面的研究表明，水稻田的CH4排放量相當于1 985.0～4 447.5 kgCO2·hm-2[3，7-8]。目前已有研究表明，稻田CH4和N2O的排放量受到氣候、土壤、施肥管理等多種因素的影響[6，19]，因此該項數(shù)值在各個具體的研究中均不盡相同。若能在研究區(qū)域開展觀測試驗，直接測定稻田CH4的排放量，溫室氣體核算數(shù)值準確性將得到進一步提高。

此外，研究中對溫室氣體排放的核算參數(shù)涉及到多種農(nóng)用物資，這些農(nóng)用物資都對應(yīng)著一定的排放參數(shù)。隨著相關(guān)研究的開展，這些排放參數(shù)的數(shù)值將日益精確。

5 結(jié)論

通過列出楚雄市主要水稻種植區(qū)域的各種溫室氣體排放源及對應(yīng)的溫室氣體排放量，計算了單位產(chǎn)量和單位經(jīng)濟效益的排放強度，可作為楚雄市區(qū)域溫室氣體清單編制的依據(jù)，也為水稻的低碳種植提供一定參考。研究表明，稻田CH4排放和施肥造成的排放是該研究區(qū)域水稻生產(chǎn)的主要溫室氣體來源。因此，降低稻田CH4排放、合理施肥以降低施肥造成的溫室氣體排放是低碳種植的關(guān)鍵。

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（責任編輯：趙中正）

收稿日期：2020-01-15

作者簡介：段智源（1989—），男，云南楚雄人，碩士，助教，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象與農(nóng)業(yè)環(huán)境。E-mail： 785282356@qq.com。