夏龍龍，顏曉元

（土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008）

確保糧食安全、應(yīng)對(duì)溫室氣體排放所引起的氣候變暖以及環(huán)境惡化是當(dāng)今世界各國(guó)所共同面臨的挑戰(zhàn)[1-2]。作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家之一，中國(guó)以世界9%的耕地養(yǎng)育了世界22% 的人口[3]。因此，中國(guó)的糧食生產(chǎn)對(duì)于全球糧食安全以及氣候變化都具有至關(guān)重要的影響。例如就三大主糧作物而言，我國(guó)水稻、小麥以及玉米的年總產(chǎn)量分別約占世界總產(chǎn)量的30%、18%和21%[4]。大量田間試驗(yàn)表明糧食作物田間生產(chǎn)過程是溫室氣體甲烷（CH4，尤其是水稻的田間生產(chǎn)過程）和氧化亞氮（N2O）的重要來源。近年來，伴隨著生命周期評(píng)價(jià)法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的運(yùn)用，越來越多有關(guān)碳足跡的研究表明，除了糧食作物田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)以外，各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（如肥料和農(nóng)藥等）生產(chǎn)加工過程中排放的溫室氣體同樣不容忽視，特別是考慮到當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料用量普遍高于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)狀。因此，系統(tǒng)研究我國(guó)糧食作物全生命周期生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放，對(duì)于農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放的全面評(píng)估，特別是對(duì)于準(zhǔn)確定位溫室氣體的關(guān)鍵排放源以及制定有效的減排措施具有重要意義。

1 糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放及其影響因素

眾所周知，糧食作物田間生產(chǎn)過程是溫室氣體CH4和N2O 的重要排放源。對(duì)于水稻田間生產(chǎn)而言，在持續(xù)淹水所形成的極端厭氧條件下，土壤中產(chǎn)甲烷菌作用于有機(jī)肥料、根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w等產(chǎn)甲烷基質(zhì)，產(chǎn)生了大量CH4[5]。淹水稻田CH4的排放是CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)。任何影響這三個(gè)過程的因素都會(huì)對(duì)CH4排放產(chǎn)生影響。例如，有機(jī)肥施用可以直接為產(chǎn)甲烷菌提供作用底物，顯著促進(jìn)稻田CH4排放。此外，有機(jī)物在淹水條件下快速分解會(huì)加速土壤氧化還原電位下降，為產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境條件，促進(jìn)CH4產(chǎn)生和排放[2]。整合分析研究的結(jié)果表明[6]，與對(duì)照處理相比，秸稈還田和動(dòng)物有機(jī)肥施用分別顯著促進(jìn)了稻田CH4排放41%和78%。水分管理制度是影響稻田CH4排放的另一個(gè)關(guān)鍵因素。如果水稻長(zhǎng)期處于淹水環(huán)境中，持續(xù)嚴(yán)格厭氧會(huì)促進(jìn)CH4大量產(chǎn)生以及排放；相對(duì)于持續(xù)淹水，中期烤田會(huì)增加土壤通氣性，破壞土壤的極端還原條件，抑制CH4產(chǎn)生并促進(jìn)CH4氧化[7]，從而減少CH4排放；而且，中期烤田的水稻田，即使在烤田結(jié)束覆水后仍能將CH4排放量保持在較低的水平，直到水稻收獲[8-9]。

中國(guó)是世界上最大的水稻生產(chǎn)國(guó)。截至2009年，我國(guó)稻田面積大約為2700 萬hm2，占我國(guó)耕地總面積的20%以上，約占世界稻田面積的30%[1]。因此，合理評(píng)估我國(guó)水稻CH4排放至關(guān)重要。對(duì)于我國(guó)水稻CH4排放最早的估算要追溯到1991 年，Khalil等[10]利用四川省成都市稻田兩年田間試驗(yàn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出1980s我國(guó)稻田CH4排放量為30 Tg。Wassmann 等[11]利用浙江省稻田CH4測(cè)定結(jié)果估算出1980s 我國(guó)稻田CH4總排放量在18～28 Tg。我國(guó)科學(xué)家利用多個(gè)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)中的CH4觀測(cè)數(shù)據(jù)推算出1991 年我國(guó)水稻CH4排放總量大約為15 Tg[12]。隨后，Cai 等[13]綜合考慮有機(jī)物料和稻田水分管理的影響，推算出1993 年我國(guó)水稻CH4排放總量約為8.5 Tg。Yan 等[14]通過收集全國(guó)范圍內(nèi)23 個(gè)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)并綜合考慮有機(jī)物料和水分管理的影響，估算出1995 年我國(guó)水稻CH4排放總量約為7.7 Tg。Cao 等[15]利用模型估算出1990s 我國(guó)稻田CH4總排放量為16 Tg。Huang 等[16]綜合考慮水稻光合作用以及土壤和環(huán)境因子模擬得出1995 年我國(guó)稻田CH4總排放量約為9.66 Tg。Matthews 等[17]利用水稻生長(zhǎng)模擬模型推算出1997 年我國(guó)稻田CH4排放量為7.2～8.6 Tg。Yan等[18]利用政府間氣候變化專門委員會(huì)估算區(qū)域稻田排放的方法估算出2000 年我國(guó)稻田CH4排放量為7.68 Tg，約占世界總排放量的30%（綜合考慮不同估算方法結(jié)果，中國(guó)稻田CH4實(shí)際排放量應(yīng)該在8 Tg 左右，約占我國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)總排放的20%）。

N2O 是旱地糧食作物生產(chǎn)過程中排放的重要溫室氣體。在一百年尺度下，單位質(zhì)量N2O 的全球增溫潛勢(shì)是CO2的298 倍[3]。土壤N2O 產(chǎn)生主要是微生物對(duì)氮素的硝化和反硝化作用的結(jié)果[19-20]?；瘜W(xué)氮肥施用可以為土壤硝化和反硝化微生物提供作用底物，顯著促進(jìn)土壤N2O排放[21]?；瘜W(xué)氮肥對(duì)于N2O排放的影響主要通過N2O 排放系數(shù)（Emission factor，EF）表示，即施用化學(xué)氮肥處理和不施氮肥處理N2O 排放量的差值與氮肥施用量的比值。對(duì)區(qū)域乃至整個(gè)國(guó)家N2O 排放量的估算都是基于該排放系數(shù)進(jìn)行[22-23]。Davidson[24]的研究表明，2000 年全球因?yàn)榛瘜W(xué)氮肥施用所造成的土壤直接和間接的N2O 排放量高達(dá)2.2 Tg N·a-1。1995 年，我國(guó)化學(xué)氮肥施用引起的土壤N2O 排放量高達(dá)0.2 Tg N·a-1[22]。其中，水稻、小麥以及玉米三大主糧作物田間生產(chǎn)中化學(xué)氮肥施用所造成的N2O 排放量高達(dá)0.16 Tg N·a-1[24]。利用N2O 排放系數(shù)對(duì)N2O 排放量進(jìn)行估算是基于N2O 排放量與化學(xué)氮肥施用量之間存在線性關(guān)系的前提進(jìn)行的。然而，越來越多的研究表明土壤N2O 排放量與化學(xué)氮肥施用量之間并非為線性關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系[25-28]。主要原因?yàn)楫?dāng)?shù)适┯昧砍^作物氮吸收量時(shí)，大量有效氮在土壤表層累積，N2O 排放對(duì)氮肥的響應(yīng)更為劇烈[29]。通過對(duì)已發(fā)表數(shù)據(jù)的整合分析，Chen 等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)水稻、小麥以及玉米田間生產(chǎn)N2O 的排放量與土壤氮盈余（N surplus）呈現(xiàn)顯著的指數(shù)關(guān)系。除了化學(xué)氮肥外，有機(jī)肥料施用，如作物秸稈、動(dòng)物有機(jī)肥等，也是土壤N2O排放的主要推動(dòng)因子之一[31-32]。Davidson[24]估算出全球大約2%的有機(jī)肥料氮轉(zhuǎn)化成了N2O（1860—2005年）。1995年，我國(guó)有機(jī)肥料施用所引起的土壤N2O排放量高達(dá)0.12 Tg N·a-1。

我國(guó)是世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和消耗國(guó)。截止到2010 年，我國(guó)用于糧食作物生產(chǎn)的化學(xué)氮肥用量高達(dá)5500萬t，約占世界氮肥總量的30%[33]。然而，過量氮肥施用以及不合理的管理措施導(dǎo)致了較低的氮肥利用率水平（約30%），以及大量N2O 排放和其他活性氮損失。合理評(píng)估我國(guó)糧食作物田間生產(chǎn)中的N2O 排放對(duì)于提高氮肥利用率、減少溫室氣體和活性氮損失至關(guān)重要。對(duì)于我國(guó)糧食作物生產(chǎn)過程N(yùn)2O排放最早的估算要追溯到2000 年，王效科等[34]利用DNDC 模型結(jié)合中國(guó)氣候、農(nóng)業(yè)土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的分縣數(shù)據(jù)庫(kù)初步估算出1990 年我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤N2O 總排放量為310 Gg。隨后，Yan 等[22]利用不用氮肥投入的N2O 排放系數(shù)估算出1995 年我國(guó)農(nóng)田土壤N2O 總排放量為476 Gg N，其中化學(xué)氮肥施用引起的排放量為202 Gg N，有機(jī)肥（動(dòng)物糞便和秸稈）施用引起的排放量為119 Gg N。Zheng 等[31]通過對(duì)全國(guó)不同作物種植系統(tǒng)收集的54 個(gè)N2O 排放系數(shù)并結(jié)合蒙特卡洛隨機(jī)數(shù)方法，估算出我國(guó)1990s 農(nóng)田土壤N2O 總排放量約為275 Gg N，其中旱地作物田間生產(chǎn)排放量為226 Gg N，水稻生產(chǎn)過程排放總量約為49 Gg N。Lu 等[35]通過建立N2O 排放通量與降雨和氮肥施用量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒔Y(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，推算出1997 年我國(guó)農(nóng)田土壤N2O 總排放量為259 Gg N，其中旱地作物生產(chǎn)排放總量約為227 Gg N，水稻生產(chǎn)過程排放量約為32 Gg N。Zou 等[21]通過區(qū)分稻田不同水分管理措施下的N2O排放系數(shù)估算出1990s我國(guó)水稻田間生產(chǎn)過程N(yùn)2O總排放量約為33 Gg。張強(qiáng)等[36]通過本地參數(shù)修正IPCC2006 計(jì)算方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)資料估算了1980—2007 年間我國(guó)農(nóng)田土壤N2O 總排放量。結(jié)果顯示，2007年我國(guó)農(nóng)田土壤N2O 總排放量為288 Gg N，其中旱地作物排放量約為253 Gg N，水稻生產(chǎn)排放總量約為33 Gg N。Zhou 等[32]通過對(duì)不同土壤氣候因子的N2O排放系數(shù)建立分段回歸模型，估算出2008年我國(guó)農(nóng)田土壤N2O 總排放量為324 Gg N，其中旱地糧食作物生產(chǎn)排放量約為273 Gg N，水稻生產(chǎn)排放總量約為51 Gg N。由此可見，不同研究方法對(duì)農(nóng)田土壤N2O估算的結(jié)果有較大差異，其原因之一為區(qū)域有機(jī)肥施用量的不確定性。《中華人民共和國(guó)氣候變化第二次國(guó)家信息通報(bào)》顯示2005 年農(nóng)用地N2O 排放0.67 Tg·a-1，約占我國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)總排放的25.4%。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化也是表征糧食作物田間生產(chǎn)過程溫室氣體排放的重要指標(biāo)。大量研究表明，1980s 至2000s，我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)明顯增加。Yan等[37]通過對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的土壤樣品土壤有機(jī)碳含量測(cè)定并結(jié)合第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1979—1982 年至2007—2008 年間，我國(guó)農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）有機(jī)碳含量從11.95 g·kg-1增加到12.67 g·kg-1，年平均增長(zhǎng)率約為0.22%。其中，黃河流域的鈣化沖積土和我國(guó)南部的水稻土有機(jī)碳增幅比例最大。Zhao 等[38]的研究結(jié)果表明，1980—2011 年間，我國(guó)農(nóng)田表層土壤（0～20 cm）有機(jī)碳儲(chǔ)量平均增長(zhǎng)速率為140 kg C·hm-2·a-1，其中秸稈還田貢獻(xiàn)約為40%。農(nóng)作物產(chǎn)量提高以及秸稈還田比例的增加是我國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)增加的主要原因。

2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程以及糧食加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放

除了糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體的直接排放，各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（肥料、農(nóng)藥、柴油等）生產(chǎn)過程也會(huì)有一定量的溫室氣體排放。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程中排放的溫室氣體不容忽視，特別是考慮當(dāng)前我國(guó)農(nóng)資用量（特別是化學(xué)氮肥）普遍高于西方發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)狀。Zhang等[39]利用生命周期評(píng)價(jià)法估算出我國(guó)平均每生產(chǎn)并向土壤中施用1 kg 氮肥就會(huì)排放溫室氣體13.5 kg CO2-eq。其中，前期礦石燃料開采和運(yùn)輸環(huán)節(jié)排放2.2 kg CO2-eq，氨合成環(huán)節(jié)排放5.1 kg CO2-eq，肥料的制造環(huán)節(jié)排放0.9 kg CO2-eq，氮肥的田間施用過程排放5.2 kg CO2-eq。由此可見，氮肥生產(chǎn)加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)的溫室氣體排放高達(dá)8.3 kg CO2-eq（圖1），比氮肥田間施用引起的溫室氣體排放所造成的溫室效應(yīng)高60%。利用這一結(jié)果進(jìn)一步推算發(fā)現(xiàn)，2010 年我國(guó)因化學(xué)氮肥生產(chǎn)加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)所造成的溫室氣體排放高達(dá)278 Tg CO2-eq，約占我國(guó)農(nóng)業(yè)源總排放的35.3%，分別高于糧食田間生產(chǎn)排放的CH4（20%）和N2O（25.4%）所貢獻(xiàn)的比例（圖2）。除了氮肥以外，我國(guó)磷肥和鉀肥的生產(chǎn)加工運(yùn)輸所排放的溫室氣體分別為1.5、0.98 kg CO2-eq（每千克肥料）[40]。利用這一結(jié)果結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步推算發(fā)現(xiàn)，2010 年我國(guó)因磷肥和鉀肥生產(chǎn)加工運(yùn)輸造成的溫室氣體排放量分別為17.4、7.06 Tg CO2-eq，分別約占我國(guó)農(nóng)業(yè)源總排放的2.2%和0.9%（圖2）。除了化學(xué)肥料以外，農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油和灌溉所耗用電能的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)也會(huì)有一定溫室氣體排放，其排放系數(shù)分別為18、19、3.9、1 kg CO2-eq（每升農(nóng)藥/柴油、每千克農(nóng)膜或每度電能）（圖1）。此外，有機(jī)肥的生產(chǎn)加工過程也會(huì)有大量溫室氣體排放，其排放系數(shù)為11.3 kg CO2-eq·kg-1N。

圖1 我國(guó)農(nóng)作物田間糧食生產(chǎn)過程以及肥料生產(chǎn)過程中的溫室氣體總排放量[26，36-38，40]Figure 1 Total greenhouse gas emissions from field crop production and fertilizer production in China[26，36-38，40]

圖2 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)加工過程的溫室氣體排放系數(shù)[40]Figure 2 GHG emission factors from the production and transportation of various agricultural inputs in China[40]

需要引起注意的是，相比于一些發(fā)達(dá)國(guó)家的（清潔）能源結(jié)構(gòu)，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)主要以消耗煤炭資源為主，而煤炭的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)通常較低，這意味著在我國(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[40]。例如，我國(guó)氮肥生產(chǎn)加工運(yùn)輸?shù)臏厥覛怏w排放系數(shù)是美國(guó)（4.8 kg CO2-eq·kg-1N）和加拿大（2.9 kg CO2-eq·kg-1N）等國(guó)家相同系數(shù)的1.7～2.8倍[41-43]。此外，我國(guó)的農(nóng)資用量普遍高于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。例如，我國(guó)主糧作物水稻、小麥和玉米田間生產(chǎn)的平均氮肥用量分別為240、230、205 kg N·hm-2，約是美國(guó)和加拿大平均用量的2～3倍。這意味著，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家的糧食生產(chǎn)，我國(guó)更迫切地需要運(yùn)用生命周期的評(píng)價(jià)方法全面評(píng)估糧食作物田間生產(chǎn)過程中以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放，從而為農(nóng)業(yè)源溫室氣體減排措施的制定提供依據(jù)。

除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料和糧食作物田間生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放外，糧食作物收獲以后的加工運(yùn)輸過程所引起的能源（如柴油、電能）消耗也會(huì)有一定量溫室氣體（CO2和N2O）排放。這一環(huán)節(jié)排放的溫室氣體在以往研究中經(jīng)常容易被忽略。Xia等[40]研究表明，我國(guó)水稻、小麥以及玉米加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)平均的溫室氣體排放量分別為623、407、400 kg CO2-eq·hm-2，分別是田間生產(chǎn)過程排放量的8%、44%、41%，分別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料過程排放量的19%、13%、14%。因此糧食作物收獲后加工運(yùn)輸過程的溫室氣體排放不容忽視。

3 糧食作物生產(chǎn)生命周期過程的溫室氣體排放

國(guó)際上通常采用生命周期評(píng)價(jià)法（Life cycle assessment）評(píng)價(jià)某種糧食作物（如水稻）從前期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料加工過程到糧食作物田間生產(chǎn)過程以及作物收獲后加工運(yùn)輸過程的整個(gè)生命周期的溫室氣體總排放[40]。評(píng)價(jià)過程中將單位質(zhì)量的糧食作物生命周期生產(chǎn)過程排放的溫室氣體折合成CO2-eq 則為碳足跡（Carbon footprint，kg CO2-eq·kg-1籽?；騥g CO2-eq·kg-1食品）。其中，“kg CO2-eq·kg-1籽?！北硎旧芷谠u(píng)價(jià)法的研究邊界從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)開始到糧食作物的籽粒收獲為止；“kg CO2-eq·kg-1食品”表示研究邊界從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)開始到糧食作物的籽粒被收獲并進(jìn)一步加工成相應(yīng)食品為止。農(nóng)資生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放主要包括化肥、農(nóng)藥、殺蟲劑等生產(chǎn)過程中能源消耗所排放的CO2、N2O[44-45]；田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放主要包括糧食作物田間生產(chǎn)期間排放的CH4（水稻生產(chǎn)包含育秧環(huán)節(jié)的排放）、N2O（包含土壤背景排放）和CO2（灌溉、耕作等引起的能源消耗排放），并結(jié)合考慮土壤有機(jī)碳變化（碳足跡）[40]；加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)的排放主要包括糧食作物收獲后籽粒的加工和運(yùn)輸過程中能源（如柴油、電能）消耗引起的CO2和N2O 的排放。碳足跡的評(píng)價(jià)方法能夠更準(zhǔn)確地定位糧食作物生命周期各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中溫室氣體最大的環(huán)節(jié)，有利于制定更有針對(duì)性的減排措施。

針對(duì)于三大主糧作物（水稻、小麥以及玉米）的碳足跡評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。Pathak 等[46]的研究表明，印度水稻生產(chǎn)的碳足跡為1.6～1.9 kg CO2-eq·kg-1食品，其中稻田CH4排放在碳足跡中占有最大比例。在日本，水稻生產(chǎn)過程的平均碳足跡約為0.8 kg CO2-eq·kg-1籽粒[44]。在美國(guó)，小麥和玉米的平均碳足跡分別約為0.25～0.35、0.12～0.25 kg CO2-eq·kg-1籽粒[47]。在加拿大，小麥和玉米生產(chǎn)的平均碳足跡分別約為0.27～0.50、0.24～0.35 kg CO2-eq·kg-1籽粒[48-49]。在我國(guó)，最早的關(guān)于糧食作物生產(chǎn)過程碳足跡的系統(tǒng)研究是在2011 年，Cheng 等[44]利用國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研的溫室氣體排放系數(shù)估算出1993—2007 年間我國(guó)農(nóng)作物生命周期生產(chǎn)過程的年平均碳排放量約為4.38 Tg CO2-eq，折算后得到我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)的平均碳足跡為0.40 kg CO2-eq·kg-1籽粒。其中，氮肥生產(chǎn)施用環(huán)節(jié)所排放的溫室氣體約占整個(gè)生命周期的54.8%。而對(duì)于主糧作物，他們的結(jié)果顯示我國(guó)水稻、小麥以及玉米生產(chǎn)過程中的碳足跡分別為1.36、0.51、0.44 kg CO2-eq·kg-1籽粒。在水稻生產(chǎn)中，田間CH4排放占總碳足跡的比例最大，為69%；小麥和玉米生產(chǎn)過程中，氮肥施用引起的溫室氣體排放分別占碳足跡總量的80%和81%。但是，他們的估算并沒有考慮有機(jī)肥（動(dòng)物糞便以及作物秸稈）施用對(duì)N2O 排放的貢獻(xiàn)且未考慮土壤有機(jī)碳變化。而且，關(guān)于農(nóng)藥和柴油等農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)，他們參考的是國(guó)外文獻(xiàn)的數(shù)值，這會(huì)給估算結(jié)果帶來進(jìn)一步不確定性，因?yàn)槲覈?guó)農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)要普遍高于西方國(guó)家的系數(shù)。

通過在我國(guó)主糧作物主產(chǎn)區(qū)開展大量大田試驗(yàn)并結(jié)合田間調(diào)查，Chen 等[30]研究表明我國(guó)水稻、小麥以及玉米生產(chǎn)過程中的碳足跡分別約為1.38、0.63、0.44 kg CO2-eq·kg-1籽粒。以往研究通常利用確定的N2O排放系數(shù)來估算施肥對(duì)糧食作物田間生產(chǎn)中N2O排放的影響，而他們的研究則采用土壤氮盈余與N2O排放的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砉浪鉔2O 排放，因此更加符合實(shí)際情況。然而，他們的研究同樣沒有考慮土壤有機(jī)碳變化對(duì)于糧食作物碳足跡的影響。通過采用Chen等計(jì)算田間生產(chǎn)N2O 排放的方法，結(jié)合我國(guó)的農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù)，并綜合考慮土壤有機(jī)碳變化，Xia等[40]系統(tǒng)評(píng)估了2001—2010年間我國(guó)主糧作物生命周期生產(chǎn)過程的溫室氣體排放總量。結(jié)果顯示，2001—2010年間，我國(guó)三大主糧作物生產(chǎn)過程中溫室氣體的總排放量為564 Tg CO2-eq·a-1。水稻、小麥以及玉米的碳足跡分別約為1.77、0.91、0.74 kg CO2-eq·kg-1籽粒（圖3），結(jié)果高于Cheng 等[44]和Chen 等[30]的研究結(jié)果。水稻碳足跡較高的區(qū)域分布在我國(guó)南方雙季稻種植面積較大的省份，如廣東、廣西、海南以及湖南省等[40]。小麥碳足跡較高的區(qū)域主要分布在貴州、云南、甘肅以及陜西省等[40]。玉米則在福建、海南、廣西、廣東省等地區(qū)的碳足跡較高[40]，主要原因?yàn)檫@些省份的玉米產(chǎn)量較低。水稻碳足跡較低的區(qū)域主要分布在黑龍江、江蘇以及四川省等；小麥碳足跡較低的區(qū)域主要分布在江蘇、青海以及安徽省等；玉米碳足跡較低的區(qū)域主要分布在我國(guó)北部的一些省份，如內(nèi)蒙古自治區(qū)和青海省等。

圖3 我國(guó)主要糧食作物的碳足跡[40]Figure 3 Carbon footprint of staple crops in China[40]

對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)，稻田CH4排放（包含育秧期）占水稻碳足跡的54%，農(nóng)業(yè)資料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的排放占29%，灌溉環(huán)節(jié)占11%[40]。而對(duì)于旱地糧食作物的碳足跡，田間生產(chǎn)過程（主要是N2O 排放）約占23%～26%，農(nóng)業(yè)資料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫室氣體排放占74%～77%，其中氮肥生產(chǎn)施用過程的排放約占71%～80%。而且，氮肥生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的貢獻(xiàn)（45%～48%）高于氮肥田間施用后引起N2O 排放的貢獻(xiàn)（22%～35%）。因此，稻田CH4排放和氮肥的生產(chǎn)與施用是我國(guó)水稻和旱地糧食作物生命周期生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的溫室氣體排放環(huán)節(jié)。

對(duì)于旱地糧食作物溫室氣體減排，以往的研究通常只關(guān)注田間N2O 排放的減排，例如硝化抑制劑施用。實(shí)際上，碳足跡研究的結(jié)果顯示氮肥生產(chǎn)過程中排放溫室氣體的貢獻(xiàn)要明顯高于田間N2O 排放的貢獻(xiàn)。因此，在推廣針對(duì)性N2O 減排措施的基礎(chǔ)上，合理減少氮肥用量是旱地糧食作物溫室氣體減排的重中之重，特別是考慮到我國(guó)氮肥施用普遍過量的實(shí)際情況。通過情景分析，Xia 等[40]發(fā)現(xiàn)如果將化學(xué)氮肥用量減少20%并保持糧食產(chǎn)量不變，能夠?qū)⑺尽⑿←溡约坝衩椎奶甲阚E分別平均減少7.6%、12.7%和11.1%。Chen 等[30]的研究結(jié)果顯示，合理減少化學(xué)氮肥用量19%～25%并配合氮肥優(yōu)化管理措施，可以進(jìn)一步將我國(guó)水稻、小麥以及玉米的產(chǎn)量提高13%～20%，大幅度降低其碳足跡37%～59%。合理減少化學(xué)氮肥用量在有效減少糧食作物碳足跡的同時(shí)，還能夠顯著降低各種活性氮排放，降低糧食作物生命周期的活性氮足跡。通過對(duì)大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，Xia 等[50]發(fā)現(xiàn)通過配方施肥合理減少化學(xué)氮肥用量在顯著減少田間N2O排放31%的同時(shí)，顯著降低了氨揮發(fā)30.7%，氮淋溶40.9%以及氮徑流27.6%。除了合理減少氮肥用量以外，優(yōu)化氮肥生產(chǎn)環(huán)節(jié)同樣對(duì)碳足跡的減排至關(guān)重要，例如提高煤開采過程中的CH4回收率和提高氮肥生產(chǎn)過程的能源利用效率等。Zhang 等[39]的研究結(jié)果顯示，優(yōu)化氮肥生產(chǎn)模式并結(jié)合氮肥減量施用能夠?qū)⑽覈?guó)氮肥生產(chǎn)施用過程中排放的溫室氣體減少20%～63%。

對(duì)于水稻碳足跡的減排，通過優(yōu)化水分管理方式以及秸稈施用方式來減少稻田CH4排放是關(guān)鍵。據(jù)估算，我國(guó)大約有27 萬～40 萬hm2的稻田常年處于淹水狀態(tài)，每年因此排放的CH4約為2.44 Tg，約占我國(guó)稻田總排放量的32%[2]。Yan 等[18]的研究結(jié)果表明如果將所有淹水稻田中間排水一次，則會(huì)將我國(guó)稻田CH4總排放量減少15.6%；如果將作物秸稈在非稻季還田會(huì)使CH4總排放量減少12.8%；如果將兩種措施結(jié)合運(yùn)用則會(huì)使我國(guó)稻田CH4總排放量減少26.4%。雖然將所有淹水稻田中間排水一次會(huì)增加N2O 排放，但是增加的N2O 的溫室效應(yīng)小于CH4的減排效應(yīng)。Xia等[40]的結(jié)果表明，如果在減少氮肥用量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過合理的秸稈還田以及水分管理措施降低稻田CH4排放，能夠?qū)⑽覈?guó)水稻生產(chǎn)的平均碳足跡降低26.1%。除了秸稈的非稻季還田以外，將作物秸稈發(fā)酵以后還田同樣可以降低稻田CH4排放。Xia 等[50]在太湖地區(qū)水稻-小麥輪作兩年的觀測(cè)結(jié)果表明，秸稈發(fā)酵后還田能夠顯著降低稻田CH4排放12%～33%；結(jié)合氮肥減量與秸稈發(fā)酵后還田能夠?qū)⑻貐^(qū)水稻生產(chǎn)的碳足跡顯著降低31%～53%。綜上，碳足跡的研究方法對(duì)于我國(guó)農(nóng)田溫室氣體減排具有指導(dǎo)意義。

4 碳足跡研究的展望

近二十年來，我國(guó)在糧食作物田間生產(chǎn)過程中溫室氣體排放觀測(cè)和評(píng)估方面取得了豐碩的成果。近十年來，伴隨著生命周期評(píng)價(jià)方法的成功運(yùn)用，越來越多的田間觀測(cè)試驗(yàn)開始運(yùn)用碳足跡估算我國(guó)糧食作物生命周期生產(chǎn)的溫室氣體總排放，力求為溫室氣體減排措施制定提供思路。目前碳足跡研究大部分針對(duì)我國(guó)主要糧食（水稻、小麥以及玉米）的生產(chǎn)過程，未來應(yīng)該將其應(yīng)用到更多的農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)中，比如用于氮肥用量顯著高于糧食作物的集約化蔬菜種植系統(tǒng)，進(jìn)而探究不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的共性與特性。除此之外，需要進(jìn)一步明確我國(guó)各種區(qū)域化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的溫室氣體排放系數(shù)。目前，有機(jī)肥、柴油、農(nóng)藥/殺蟲劑等排放系數(shù)仍有較大的不確定性。對(duì)于集約化蔬菜種植系統(tǒng)，有機(jī)肥的溫室氣體排放系數(shù)對(duì)于碳足跡的準(zhǔn)確評(píng)估起到關(guān)鍵性作用。對(duì)于國(guó)家尺度上碳足跡的評(píng)估，田間過程中N2O 排放應(yīng)該采取土壤氮?dú)埩袅浚⊿oil N surplus）或者氮肥施用量與N2O 排放響應(yīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砉浪?，而不是采用單一的IPCC N2O 排放系數(shù)來進(jìn)行估算。此外，需要更加深入地探討造成不同區(qū)域（省份）農(nóng)作物碳足跡差異的具體原因，需要更加明確分析不同區(qū)域碳足跡的特點(diǎn)和減排潛力，為制定區(qū)域化和有針對(duì)性的溫室氣體減排措施提供思路。因?yàn)檗r(nóng)田土壤碳氮循環(huán)緊密耦合，未來的研究還需要進(jìn)一步將碳足跡研究與氮足跡研究相結(jié)合，探討農(nóng)作物生產(chǎn)過程中碳氮足跡的相互關(guān)系，以更加全面地評(píng)價(jià)我國(guó)糧食生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的綜合影響，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體和活性氮的綜合減排以及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。