姜振輝,楊 旭,劉益珍,林景東,吳楊瀟影,楊京平

浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境污染防治所, 杭州 310058

碳足跡是指某項(xiàng)活動(dòng)或某個(gè)產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)排放總量,以二氧化碳當(dāng)量表示(CO2-eq)[1-2]。它是一種用來評估某生產(chǎn)過程或活動(dòng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的溫室氣體排放的工具。農(nóng)業(yè)中的碳足跡能夠系統(tǒng)地評價(jià)農(nóng)作物在生產(chǎn)過程農(nóng)資投入(柴油、電力、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜)引起的間接碳排放和農(nóng)田直接碳排放總量[3-4],對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的清潔生產(chǎn)具有重要理論指導(dǎo)意義。

眾所周知稻田生態(tài)系統(tǒng)是大氣中CH4和N2O的主要排放源。我國作為主要水稻種植區(qū),每年稻田CH4和N2O總排放量的大約分別為7.7—8.0 Tg CH4和88.0—98.1 Gg N2O[5-6]。在未來十年,隨著人口的增加,對糧食作物水稻的產(chǎn)量需求必然增加,因此,將消耗更多的能源、化學(xué)肥料、殺蟲劑和塑料薄膜[7],這將直接和間接地促進(jìn)農(nóng)田溫室氣體排放。如何實(shí)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)的糧食作物生產(chǎn)低碳耗,成為科研工作者所努力的方向。近年來,水資源短缺,灌溉能源成本高,稻米價(jià)格波動(dòng),以及對玉米等牲畜飼料需求的增加,促使農(nóng)民從水稻連作種植轉(zhuǎn)向春玉米-晚稻水旱輪作種植[8-9]。在亞洲地區(qū)玉米-水稻輪作系統(tǒng)種植面積超過了3 Ma hm2[9]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織把春玉米-晚稻模式作為一種對農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)具有可持續(xù)性和戰(zhàn)略意義的模式[10]。隨著春玉米在我國南方雙季稻區(qū)大面積推廣,春玉米-晚稻模式必將成為稻田種植業(yè)戰(zhàn)略性調(diào)整的重心。相比于小麥—晚稻、早稻-晚稻和雙季玉米,春玉米-晚稻具有增產(chǎn)潛力大,自然資源利用率高和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢[9, 11-12]。在全球氣候變暖的背景下,有必要探討春玉米-晚稻模式對農(nóng)田碳足跡的影響。目前眾多學(xué)者對稻田系統(tǒng)碳足跡的研究主要集中于水稻連作系統(tǒng)及輪作模式的研究集中在冬小麥-夏玉米。Xue等[13]評價(jià)了我國南方地區(qū)雙季稻的碳足跡,并對不同農(nóng)業(yè)管理措施下雙季稻的碳足跡及優(yōu)化進(jìn)行了評估。Zhang等[14]研究了耕作方式對華北平原冬小麥-夏玉米碳足跡的影響。但是,目前對春玉米-晚稻輪作模式的碳足跡研究較少。研究表明我國水稻生產(chǎn)過程的溫室氣體排放和碳足跡高于玉米和小麥[15]?；诖?本研究提出以下假設(shè),相對于早稻-晚稻連作模式,春玉米-晚稻輪作模式不僅可以降低農(nóng)田溫室氣體排放而且可以降低產(chǎn)量尺度的碳足跡。因此,本研究利用生命周期法,以早稻-晚稻連作模式作為對照,研究春玉米-晚稻輪作模式對稻田系統(tǒng)碳足跡的影響,以期獲得春玉米-晚稻輪作的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放清單,為稻田生產(chǎn)系統(tǒng)的低碳清潔化生產(chǎn)以及減緩氣候變化提供有效的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)2017年在浙江省杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)田(120.16°E, 30.13°N)實(shí)施。試驗(yàn)田土壤類型屬于粉粘壤土,土壤全氮含量為2.32 g/kg,pH值為5.52,總有機(jī)碳含量為22.2 g/kg。試驗(yàn)開始前試驗(yàn)田主要種植模式是水稻連作(>20年)。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)方案設(shè)置了兩個(gè)作物種植模式處理：早稻-晚稻,春玉米-晚稻,每個(gè)處理重復(fù)3次,每一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的大小為8 m× 8 m,完全隨機(jī)區(qū)組排列。春玉米品種為美玉(加甜糯)7號,早稻和晚稻的品種分別為甬秈115及秀水134。

1.2.1早稻-晚稻模式

早稻采用直播方式,從2017年4月11日播種,2017年7月20收獲;第二季晚稻采用移栽方式,移栽時(shí)間為2017年7月22日,2017年11月19日收割。早、晚稻磷肥(過磷酸鈣,41 kg P2O5/hm2)和鉀肥(氯化鉀,47 kg K2O/hm2)全部基施,氮肥(尿素,225 kg N/hm2)分為3個(gè)階段早晚稻季將氮肥按3∶4∶3(基肥,一次追肥和二次追肥)的比例施到試驗(yàn)組中,分別是分蘗肥(占總量的30%)、孕穗肥(占總量的40%)以及抽穗肥(占總量的30%)。為防止小區(qū)之間水肥串流,小區(qū)之間采用PVC管和薄膜隔離。灌溉方式采用連續(xù)灌溉方式。早稻和晚稻收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)各選取3個(gè)1 m2測產(chǎn)。

1.2.2春玉米-晚稻

春玉米采用廂作,廂寬和溝寬分別為1.3 m和0.3 m,每個(gè)小區(qū)6廂,每廂播種兩行春玉米。春玉米采用移栽方式,三葉期(2017年4月13日)開始移栽,每行移栽23株。玉米季磷肥(過磷酸鈣,75 kg P2O5/hm2)和鉀肥(氯化鉀,47 kg K2O/hm2)全部基施,氮肥(尿素,225 kg N/hm2)分為兩次施肥,分別是苗期肥(4月23日施,占總量40%),喇叭口肥(6月3日追肥,占總量60%);2017年7月9日作為鮮食玉米收獲。每個(gè)小區(qū)分別選取3和4廂中的兩個(gè)連續(xù)20株玉米果穗,烘干脫粒稱重,并計(jì)算含水量。晚稻種植同1.2.1之晚稻。

兩種模式的農(nóng)資投入數(shù)據(jù)通過實(shí)地調(diào)研和本研究投入數(shù)據(jù)的平均值獲得,共調(diào)研當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶37戶。調(diào)研內(nèi)容包括水稻或春玉米生產(chǎn)過程中農(nóng)資投入情況：肥料和農(nóng)藥的投入、農(nóng)業(yè)機(jī)械油耗(播種、耕作和糧食運(yùn)輸)和灌溉的電力消耗。玉米、早稻和晚稻的農(nóng)資投入如表1。

1.3 邊界確定及農(nóng)業(yè)投入碳足跡計(jì)算

根據(jù)PAS2050[16]的定義,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡計(jì)算為基于生命周期評價(jià)的產(chǎn)品體系中的所有直接和間接溫室氣體排放量總和,以CO2當(dāng)量(CO2-eq)表示。因此,在本研究中,玉米和水稻生產(chǎn)的碳足跡是通過農(nóng)業(yè)投入物原材料的初始生產(chǎn)到農(nóng)場大門的最終產(chǎn)品(如肥料、農(nóng)藥、機(jī)械、電力灌溉及收獲的稻米和玉米)的間接溫室氣體排放及稻田直接溫室氣體排放來確定的。溫室氣體排放量包括農(nóng)資投入,稻田非CO2即CH4和N2O排放量。由于種子在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳足跡相對較小,往往不足農(nóng)作物生命周期中整體碳足跡的千分之一,故在此不將其納入計(jì)算范圍;因此,本研究將水稻或玉米生產(chǎn)的溫室氣體排放量包括如下：(1)化肥(N,P和K)和農(nóng)藥的生產(chǎn),加工和運(yùn)輸及其施用引起的碳排放;(2)耕種和收獲機(jī)械作業(yè)的柴油燃料消耗的碳排放;(3)用于灌溉的電力消耗的碳排放;(4)水稻或春玉米整個(gè)生育期稻田CH4和N2O排放。

農(nóng)資投入(如農(nóng)藥、化肥、電力、柴油等消耗)的溫室氣體排放量使用下列公式估算。

CFinput=∑(Ai×δi)

(1)

式中,CFinput是指相關(guān)農(nóng)資投入品所導(dǎo)致的溫室氣體排放總和(kg CO2-eq/hm2);i是指某一種農(nóng)資投入品;Ai是指第i個(gè)單個(gè)農(nóng)業(yè)投入的強(qiáng)度或數(shù)量(農(nóng)藥化肥,kg/hm2;電力,kwh/hm2;柴油,L/hm2);δi是指制造或應(yīng)用投入時(shí)第i個(gè)單個(gè)農(nóng)資投入的溫室氣體排放系數(shù)。排放系數(shù)通過數(shù)據(jù)開放性軟件eBalance v3.0(IKE Environmental Technology CO., Ltd., China)獲得,包括Chinese Life Cycle Database 0.7(CLCD 0.7)和Ecoinvent 2.2,各農(nóng)資生產(chǎn)投入的溫室氣體排放因子見表1。

1.4 田間溫室氣體的采集和測定

1.4.1氣體采集

使用密閉箱氣體收集法進(jìn)行溫室氣體的采集,密閉箱的制作材料為PVC板,分為底座和主箱體兩部分,主箱體外部鋪一層鋁箔紙進(jìn)行反光,以防止夏秋季節(jié)采樣時(shí)主箱體長時(shí)間暴露在太陽光中而造成了采樣箱內(nèi)部的氣體溫度發(fā)生較大波動(dòng),從而影響采樣結(jié)果的有效性。靜態(tài)箱的尺寸大小(長×寬×高)為50 cm × 50 cm × 90 cm,以確保水稻完全成熟以后還能將其全部裝在靜態(tài)箱中進(jìn)行溫室氣體采集;底座的尺寸大小(長×寬×高)為50 cm × 50 cm × 30 cm,底座安裝時(shí)要埋入地下10 cm深,且在水稻生產(chǎn)的過程中一直保留,內(nèi)部種植9株水稻或4株玉米。采樣時(shí)把靜態(tài)箱體蓋在每一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的固定底座上,同時(shí)采用水封的方法來確保箱子內(nèi)部處于完全密閉狀態(tài),不與外界的進(jìn)行氣體交換。為防止測定區(qū)域和非測定區(qū)域水肥串流,用塑料薄膜隔開。從播種或移栽后第5天開始持續(xù)到收獲前一周每周采集測定一次溫室氣體(CH4和N2O)通量[17],采樣時(shí)間在9:00—11:00之間,在40 min里每間隔10 min采集一次氣體樣本,使用容量為60 mL的注射器從三通口管道中抽取氣體,并立即將其注射到100 mL的鋁膜采氣袋中,完成收集樣本后需在一周內(nèi)進(jìn)行樣本的測量。

表1 各項(xiàng)農(nóng)資投入溫室氣體排放因子及投入量

1.4.2CH4和N2O溫室氣體測定

溫室氣體(CH4和N2O)采用氣相色譜儀(Agilent 7890A,中國上海)檢測。然后根據(jù)采集得到的4個(gè)氣體樣本(0、10、20、30 min)的濃度進(jìn)行線性回歸模型測算得到氣體樣本的濃度增長速率,在經(jīng)過溫室氣體釋放速率公式[18]計(jì)算得到溫室氣體釋放速率。

(2)

式中,F是CH4或N2O的排放速率(mg m-2min-1),dC/dt是40 min內(nèi)溫室氣體濃度的變化速率,m是氣體的分子量(g/mol),P是大氣壓強(qiáng)(Pa),H是靜態(tài)箱體的高度(m),T是靜態(tài)箱內(nèi)溫度(℃),R是氣體常數(shù)(為8.134 g mol-2k-1),273.15是絕對溫度(K)。

稻田中累積的溫室氣體(CH4和N2O)碳足跡由公式(3)計(jì)算得到。

(3)

式中,EC是春玉米或晚稻積累CH4和N2O的CO2排放當(dāng)量(kg CO2-eq/hm2);α代表潛在影響全球變暖的系數(shù)：CH4(34)和N2O(298)[19]。Fi是CH4或N2O第i次取樣時(shí)間段排放速率(mg/m2/h);Di是第i次和第i-1次采樣之間的時(shí)間間隔(d);1440是分鐘(min)轉(zhuǎn)換為天(d)的系數(shù);1/100是mg/m2轉(zhuǎn)換為kg/hm2的系數(shù)。

1.5 農(nóng)作物碳足跡評估方法

采用單位作物產(chǎn)量碳足跡(kg CO2-eq/kg)評價(jià)法,即稻田系統(tǒng)生產(chǎn)每千克玉米或水稻所導(dǎo)致的碳排放總和,計(jì)算公式如下。

(4)

(5)

式中,CFa指單季作物(春玉米或水稻)在生長期的碳足跡(kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量);EN2O和ECH4是指將CH4和N2O累積排放量轉(zhuǎn)換成的CO2-eq(kg CO2-eq/hm2);Y指當(dāng)年玉米或水稻的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2);CFb是指玉米-晚稻或早晚-晚稻模式的碳足跡(kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量),∑Ei指春玉米-晚稻或早晚-晚稻模式所有溫室氣體排放量和(kg CO2-eq/hm2);∑Yi春玉米-晚稻或早稻-晚稻模式所有籽粒產(chǎn)量和(kg/hm2)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,應(yīng)用OriginPro 9.4軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種模式的碳排放

與早稻-晚稻模式碳排放(17848 kg CO2-eq/hm2)相比,春玉米-晚稻輪作模式降低碳排放6724 kg CO2-eq/hm2;春玉米比早稻少排放6229 kg CO2-eq/hm2;與早稻-晚稻模式中晚稻碳排放相比,春玉米-晚稻輪作模式降低了晚稻碳排放497 kg CO2-eq/hm2(表2)。

表2 早稻-晚稻連作系統(tǒng)和玉米-水稻輪作系統(tǒng)的溫室氣體排放構(gòu)成成分/(kg CO2-eq/hm2)

2.2 兩種種植模式碳足跡

早稻-晚稻連作模式的碳足跡為1.32 kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量,比春玉米-晚稻輪作模式(0.86 kg CO2-eq/kg)高0.56 kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量。春玉米的碳足跡(0.50 CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量)較早稻的碳足跡(1.27 CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量)降低0.77 CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量。對于兩種模式晚稻碳足跡而言,春玉米-晚稻模式降低了晚稻碳足跡0.24 CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量 (表3),同時(shí)該模式提高了晚稻的產(chǎn)量(14.8%)。

表3 早稻-晚稻連作系統(tǒng)和玉米-水稻輪作系統(tǒng)的碳足跡

2.3 兩種種植模式的碳足跡構(gòu)成成分

早稻-晚稻種植模式的碳足跡主要來源于CH4、氮肥使用及灌溉電力消耗的碳排放。在早稻-晚稻種植系統(tǒng)中,CH4的碳排放為9776 kg CO2-eq/hm2(54.8%),氮肥的碳排放為2871 kg CO2-eq/hm2(16.1%),灌溉電力消耗的碳排放為2849 kg CO2-eq/hm2(16.0%)。早稻和晚稻的碳足跡組成情況與早稻-晚稻模式碳足跡相似(圖1)。

春玉米-晚稻輪作模式的碳足跡主要來源CH4、氮肥和灌溉電力消耗的碳排放。在該模式中,CH4的碳排放為4442 kg CO2-eq/hm2(39.9%),氮肥的碳排放為2871 kg CO2-eq/hm2(25.81%),灌溉電力消耗的碳排放為1508 kg CO2-eq/hm2(13.6%)。晚稻的碳足跡組成情況與春玉米-晚稻模式的碳足跡相似。但是,對于春玉米而言,其碳足跡主要來源為氮肥,N2O和CH4。春玉米的氮肥碳排放為1435 CO2-eq/hm2(50.1%),N2O的碳排放為579 kg CO2-eq/hm2(20.2%),CH4的碳排放為378 CO2-eq/hm2(13.2%)(圖1)。

圖1 早稻-晚稻連作和春玉米-晚稻輪作模式的碳足跡來源Fig.1 Source of carbon footprint of early rice-late rice continuous cropping and spring maize-late rice rotation system

3 討論

本研究早稻和晚稻的碳足跡為1.14—1.38 kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量(表3),這與前人研究結(jié)果相似[15,20-21]。Xu等[17]研究表明我國長江下游地區(qū)水稻的碳足跡為1.34 kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量;Cheng等[11]利用國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)我國水稻的平均碳足跡為1.36 kg CO2-eq/kg籽粒產(chǎn)量。但是,本研究春玉米的碳足跡低于Cheng等[15]的研究結(jié)果,可能主要?dú)w因于數(shù)據(jù)的來源,系統(tǒng)邊界的定義,農(nóng)業(yè)投入的排放因子以及碳足跡計(jì)算方法的差異。春玉米-晚稻水旱輪作模式較早稻-晚稻連作模式降低了0.56 kg CO2-eq/kg,這也印證本研究的假設(shè)。主要?dú)w因于較早稻而言春玉米的溫室氣體排放較低,其中包括CH4低排放和灌溉電力的零消耗(在春玉米種植期間充足的雨水使得春玉米無需灌溉)。Cheng等[15]結(jié)果也表明玉米生產(chǎn)的碳足跡低于水稻,其認(rèn)為推廣玉米種植將有利于我國農(nóng)業(yè)的低碳發(fā)展,若玉米替代水稻將每年減少100 Mt CO2-eq排放。此外,春玉米-晚稻模式提高了晚稻產(chǎn)量,比早稻-晚稻連作模式中晚稻的產(chǎn)量高14.8%?？赡艿脑蚴欠N植春玉米期間土壤好氧的條件加速了土壤碳氮循環(huán),導(dǎo)致微生物對土壤有機(jī)質(zhì)分解的速度加快,這有助于促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放,提高了后季稻養(yǎng)分利用率[22]。鉀素在土壤中活性和流動(dòng)性較大,是影響晚稻產(chǎn)量的一個(gè)重要因素[23]。盡管春玉米季施鉀量高于早稻季,但是兩者收獲后土壤的全鉀和速效鉀含量沒有顯著性差異(P>0.05,數(shù)據(jù)沒有在文中展示),因?yàn)殁浰刂饕钱?dāng)季利用為主[23]。然而增產(chǎn)的原因是否是干濕交替引起的稻田土壤物理化學(xué)性質(zhì)或者生物學(xué)特性的交替變化引起的,還需進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果表明早稻-晚稻模式高碳排放,比春玉米-晚稻模式高60.5%,同時(shí)早稻-晚稻模式產(chǎn)量潛力(13473 kg/hm2)比春玉米-晚稻模式(12965 kg/hm2)高4.00%。主要?dú)w因于本研究的春玉米產(chǎn)量較低(5694 kg/hm2),原因有2個(gè)方面：1)試驗(yàn)地地處南方地區(qū),玉米生長期降雨量大,土壤中的氮素容易流失,導(dǎo)致土壤中的氮素?fù)p失,從而造成產(chǎn)量低;2)本研究的玉米品種為甜糯型,在沒有完全成熟時(shí)作為鮮食玉米收獲,相對于飼料型玉米[12],春玉米果穗偏小,產(chǎn)量偏低。不過通過更換春玉米品種為飼料型和加強(qiáng)春玉米季排水都可以解決春玉米-晚稻產(chǎn)量潛力相對于低的問題。另外,研究顯示相對于雙季稻,春玉米-晚稻可以提高光溫資源利用率和產(chǎn)量潛力,還可以提高經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。因此,綜上得知相對于水稻連作模式春玉米-晚稻輪作模式具有低碳排放、高資源利用率和高生產(chǎn)效益的優(yōu)勢。

與早稻-晚稻中的晚稻相比,春玉米-晚稻模式降低了晚稻CH4的排放,可能是因?yàn)榇河衩椎姆N植加速了土壤有機(jī)碳的礦化[24],導(dǎo)致了晚稻季土壤氨氮含量較高,土壤銨態(tài)氮含量過高會(huì)加速CH4的氧化[25],進(jìn)而降低了稻田CH4的排放。此外,對于兩種種植模式中的水稻而言,CH4是水稻生長期間碳排放的主要成分,對總溫室氣體的貢獻(xiàn)率為49.2%—57.0%(圖1),這與Xue等[21]研究類似。本研究結(jié)果表明減少稻田的CH4排放對于減少水稻生產(chǎn)的碳足跡至關(guān)重要。研究表明干濕交替灌溉可以有效減少稻田CH4排放,同時(shí)也可以減少灌溉次數(shù)和灌溉用水量[26],從而減少灌溉的電力能源消耗和CH4排放。另外,與傳統(tǒng)耕作相比,免耕是可以顯著降低稻田CH4的排放[27-28],同時(shí)也可減少機(jī)械柴油的能源消耗。

春玉米-晚稻輪作模式的春玉米碳足跡清單中,氮肥引起的碳足跡所占的比重最大,超過了50%(圖1)。Cheng等[29]通過國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)道了氮肥施用產(chǎn)生的碳足跡占我國農(nóng)作物生產(chǎn)的碳足跡53.1%—57.3%?；谔镩g調(diào)研數(shù)據(jù),Yan等[30]發(fā)現(xiàn)我國氮肥引起的溫室氣體排放占作物生產(chǎn)的碳足跡44.2%—79.6%。主要?dú)w因于氮肥生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中需要大量消耗的能源,另外,為保證作物的生產(chǎn)力往往施用大量的氮肥,從而造成氮肥引起溫室氣體排放相對量高。眾多研究[15,18,31]表明減少氮肥的施用量和提高氮肥的利用率是降低作物生產(chǎn)的碳足跡關(guān)鍵所在。然而,在我國目前家庭農(nóng)場式農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式背景下,通過降低氮肥的施用和提高氮肥利用率來實(shí)現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)的低碳足跡是一項(xiàng)緩慢艱巨的任務(wù)[32]。目前我國正處于工業(yè)供給側(cè)改革去產(chǎn)能的時(shí)期,而通過政府驅(qū)動(dòng)政策改善氮肥的生產(chǎn)工藝,降低氮肥引起的溫室氣體排放是一項(xiàng)行之有效的措施。Zhang等[32]通過模擬發(fā)現(xiàn)如果氮肥生產(chǎn)采用新的工藝技術(shù)將每年減少氮肥引起的溫室氣體排放的20.0%—63.7%,相當(dāng)于102—357 Tg CO2-eq。如果我國氮肥的碳排放系數(shù)(6.38 kg CO2-eq/kg N)降到美國的水平(3.87 kg CO2-eq/kg N),兩種種植模式的碳排放均將降低1130 kg CO2-eq/hm2,碳足跡降低8.38%(早稻-晚稻模式)和8.71%(春玉米-晚稻模式)。

綜上,與水稻連作相比,春玉米-晚稻輪作模式可降低農(nóng)田系統(tǒng)的碳足跡,同時(shí)可提高晚稻的產(chǎn)量,是一種具有推廣潛力的種植模式。另外,減少氮肥生產(chǎn)過程的能源消耗和在晚稻種植過程中采用間歇灌溉是降低春玉米-晚稻模式的碳足跡的關(guān)鍵策略。

本研究碳足跡評價(jià)參照PAS2050標(biāo)準(zhǔn)[16],該標(biāo)準(zhǔn)并不包括由土壤有機(jī)碳變化引起的碳排放。然而,農(nóng)田系統(tǒng)既是溫室氣體排放的源也是庫。Lu等[33]報(bào)道了我國農(nóng)田土壤碳固持量為101 Tg/a,相當(dāng)于化石燃料碳排放的13.3%。考慮到土壤碳固存可抵消部分溫室氣體排放并減少碳足跡[34],土壤碳變化是否應(yīng)該包括在糧食產(chǎn)品碳足跡的計(jì)算中需要進(jìn)一步研究。研究表明相對于早晚-晚稻連作,春玉米-晚稻模式可以加速土壤碳礦化,增加碳排放[24]。如果考慮到土壤碳變化,本研究春玉米-晚稻模式的碳排放可能會(huì)升高,這或許會(huì)增加本研究的不確定性。盡管如此,本研究為稻田系統(tǒng)溫室氣體減排提供了有效的措施,為南方稻田地區(qū)推廣春玉米-晚稻模式提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)早稻-晚稻連作系統(tǒng)單位面積碳排放為17848 kg CO2-eq/hm2,單位產(chǎn)量的碳足跡為1.32 kg CO2-eq/kg;春玉米-晚稻輪作系統(tǒng)單位面積碳排放為11123 kg CO2-eq/hm2,單位產(chǎn)量的碳足跡為0.86 kg CO2-eq/kg。盡管春玉米-晚稻輪作模式的產(chǎn)量潛力比早稻-晚稻連作模式低3.84%,但是早稻-晚稻連作模式碳排放卻比春玉米-晚稻輪作模式高60.5%。

(2)早稻-晚稻連作系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的碳足跡主要來自于稻田CH4的排放(54.8%);春玉米-晚稻輪作系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的碳足跡主要來自于CH4的碳排放(39.9%)。但是,春玉米生產(chǎn)的碳足跡主要來自氮肥的生產(chǎn)和施用(50.1%)。

(3)春玉米-晚稻輪作模式是降低連作稻田高碳排放的一種農(nóng)田管理方式。