鄭 煜，劉劍君，李建華，張富生，王龍飛，閻海濤，趙浩賓*，，遆晉松

1. 河南農業(yè)大學煙草學院，鄭州市鄭東新區(qū)平安大道218 號 450046

2. 河南省煙草公司，鄭州市鄭東新區(qū)商務外環(huán)路15 號 450018

3. 河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43 號 461000

4. 河南省煙草公司平頂山市公司，河南省平頂山市建設路西段 467002

人類活動產生的溫室氣體排放引發(fā)的氣候變暖是全球面臨的嚴峻環(huán)境挑戰(zhàn)之一，2015 年《巴黎協(xié)定》制定了“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2 ℃以內，并努力將溫度上升幅度限制在1.5 ℃以內”的目標［1-2］。中國是溫室氣體排放大國之一，在第75屆聯(lián)合國大會上，中國向世界做出莊嚴承諾：力爭于2030 年前達到碳達峰，2060 年前實現碳中和［3］。因此，減排是中國各行業(yè)亟待解決的問題。農業(yè)源溫室氣體排放約占我國溫室氣體排放總量的17%，且其排放量以5%的速度逐年增長［4］。研究表明，我國農業(yè)碳排放總量較高地區(qū)均為農業(yè)大省，其中河南省農業(yè)碳排放量居全國首位［5］。播種面積大、農資消耗品使用率低、技術和工具落后等是農業(yè)碳排放量居高不下的原因［6］。因此，量化農業(yè)生產過程的溫室氣體排放對我國低碳農業(yè)構建和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

碳足跡最早來源于生態(tài)足跡范疇，其定義是某項活動在其進行過程中直接或者間接產生的二氧化碳排放總量，或是某產品在其完整壽命周期內產生的二氧化碳排放總量［7］。因此，碳足跡可用來衡量生產中各環(huán)節(jié)溫室氣體排放量，可以在此基礎上制定針對性的減排措施。近幾十年來，碳足跡在農業(yè)領域被廣泛運用。陳中督等［8］利用生命周期法對長江下游稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡進行研究，結果表明氮肥施用量和柴油消耗量分別與稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡顯著正相關，種植規(guī)模與稻麥輪作系統(tǒng)碳足跡顯著負相關，節(jié)肥、節(jié)水技術以及規(guī)?；N植是降低長江下游地區(qū)稻麥輪作碳排放的聚焦方向。Huang等［9］用生命周期法研究2004—2018年中國棉花生產碳足跡時空變化，結果顯示黃河流域和中國西北內陸棉區(qū)的溫室氣體排放分別呈現出49.30 和243.84 kg CO2-eq·hm-2的年均增長，而長江流域棉花種植區(qū)的碳足跡呈現出34.68 kg CO2-eq·hm-2的年均下降。Sefeedpari 等［10］研究評估了伊朗小麥生產中輸入和輸出的能量平衡以及單位面積溫室氣體排放量。目前，相關學者已完成我國小麥、玉米、水稻等糧食作物的碳足跡核算［11-13］，而對經濟作物的碳足跡研究較少，尤其是我國煙草農業(yè)生產碳排放特征仍不明確，低碳煙草農業(yè)構建途徑仍在探索中。

河南是我國煙葉主產區(qū)之一，2020 年煙葉產量達21 萬t，約占當年全國煙葉總產量的9.8%［14］。研究河南煙草生產碳足跡可在一定程度上明確我國煙草農業(yè)生產碳排放特點，對指導煙草農業(yè)生產減排具有重要參考意義。本研究中基于實地農戶調研數據，定量分析豫南煙區(qū)煙草生產系統(tǒng)碳排放和碳足跡，擬合分析肥料碳足跡、氮肥碳足跡與單位面積產值關系，單位面積產量與不同功能單位碳足跡關系，評估河南省煙草生產減排潛力，旨在為低碳煙草農業(yè)生產提供理論支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

調研數據來源于2019—2020年豫南煙區(qū)農戶生產數據。在南陽煙葉主產區(qū)選取3 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（裴營鄉(xiāng)、高集鎮(zhèn)、趙集鎮(zhèn)），每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取3 個村（裴營鄉(xiāng)軍楊村、七坦村、花園村；高集鎮(zhèn)代崗村、李莊村、楊營村；趙集鎮(zhèn)堤南高村、西嶺村、大趙村），每個村選取10～20個煙葉種植戶進行面對面訪談式調研。調研數據包括：煙葉移栽面積、肥料種類及用量、農藥種類及用量、地膜用量、人工工時、烘烤耗煤量、烘烤耗電量、農機耗油量、灌溉用電量、干煙葉產量和干煙葉均價等。將煙農所述信息填入調查問卷，最后獲得116 份問卷，其中有效問卷數107 份。調研結束后半年，隨機抽取10%的調研農戶以電話訪談的形式進行二次調研，兩次問卷相關系數為0.942，表明重測信度良好，穩(wěn)定性較高。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 碳排放計算

碳排放系統(tǒng)邊界包括煙草從移栽到烘烤完成的整個過程中所有農化投入、人工投入、運輸、生產農化產品、烘烤燃煤以及農田土壤產生的N2O 排放的總和如圖1 所示。不同投入品的碳排放參數如表1所示，農田N2O 排放轉化為CO2當量，所有碳排放均用CO2排放量表示。

表1 不同投入品的碳排放參數Tab.1 Carbon emission parameters of different inputs

圖1 煙草生產系統(tǒng)碳足跡邊界Fig.1 Carbon footprint boundary of tobacco production system

式中：GHGemissions是農作物生產過程全部碳排放量；n表示生產過程各項投入的數量；AIi表示第i種投入；EFi表示第i種投入的排放參數；GHGN2O表示農田土壤產生的N2O 排放；FN表示生產中純氮的投入量；δN為農田N2O 直接排放系數；44/28 為N2O 與N2相對分子質量的比；298 為N2O 轉換為100 a 尺度上的相對全球增溫潛勢［15］。碳排放統(tǒng)一使用CO2當量表示。

1.2.2 碳足跡計算

CFs為單位播種面積的作物生產碳足跡，CFy為單位產量的作物生產碳足跡，CFv為單位產值的作物生產碳足跡。

式中：TA為播種面積，hm2；TY為作物產量，kg/hm2；TV為作物產值，￥/hm2［22］。

1.3 數據處理

采用Excel 2016統(tǒng)計數據，采用SPSS 26分析數據，采用Origin Pro 2022繪圖。

2 結果與分析

2.1 調研農戶特征分析

如表2 所示，調查地農戶農業(yè)決策者年齡偏大，介于40～74 歲之間，平均年齡53.04 歲。煙農以男性為主，占比超過80%。煙農整體文化水平偏低，小學學歷占比78.50%，初中和文盲分別占17.76%、3.74%。家庭總人口4～8 人，平均5.68 人，從事煙葉種植人數占家庭總人數的平均比例為60.00%。種植面積介于0.33～13.00 hm2，戶均種植面積2.85 hm2。煙葉種植收入占煙農家庭總收入的40%～100%，平均79.00%。煙農對農業(yè)碳排放認知不足，僅有14.00%農戶農業(yè)決策者聽說過低碳農業(yè)。

2.2 生產資料投入統(tǒng)計

如表3 所示，各調研農戶間肥料施用量在750～1 590 kg·hm-2間不等，平均肥料投入量為1 143.64 kg·hm-2，施肥種類包括煙草專用復混肥、52%硫酸鉀肥、硝酸鉀肥和芝麻餅肥等，其中氮肥折純施用量40.13～104.60 kg·hm-2，平均71.94 kg·hm-2。農藥施用種類包括枯草芽孢桿菌可濕性粉劑、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽和苦參堿等，平均投入量為12.99 kg·hm-2。農膜均為聚乙烯薄膜，平均農膜用量33.70 kg·hm-2。農機包括移栽機和整地起壟施肥機，平均柴油耗費量為113.05 kg·hm-2。平均總用電量為1 665.95 kW·h·hm-2，其中平均灌溉用電176.22 kW·h·hm-2，平均烘烤用電1 489.73 kW·h·hm-2。烘烤用煤3 000.00～7 857.14 kg·hm-2，平均5 363.02 kg·hm-2。平均人工投入200.96 p·d-1·hm-2。

2.3 煙草生產系統(tǒng)碳足跡

豫南煙區(qū)煙草生產系統(tǒng)碳足跡如圖2 所示。單位面積碳足跡8 634.26～17 101.53 kg CO2-eq·hm-2，平均12 630.03 kg CO2-eq·hm-2；單位產量碳足跡4.04～11.63 kg CO2-eq·kg-1，平均為6.62 kg CO2-eq·kg-1；單位產值碳足跡0.13～0.37 kg CO2-eq·￥-1，平均0.21 kg CO2-eq·￥-1。

圖2 煙草生產系統(tǒng)碳足跡Fig.2 Carbon footprint of tobacco production system

2.4 煙草生產系統(tǒng)碳足跡構成

豫南煙區(qū)煙草生產系統(tǒng)碳足跡構成如圖3所示。氮肥施用造成的農田土壤N2O 排放為336.89 kg CO2-eq·hm-2，占比2.7%；肥料碳足跡為504.49 kg CO2-eq·hm-2，占比4.0%；農藥碳足跡為182.29 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；農機耗用柴油碳足跡為100.11 kg CO2-eq·hm-2，占比0.8%；用電碳足跡為2 049.10 kg CO2-eq·hm-2，占比16.2%，其中烘烤用電1 832.36 kg CO2-eq·hm-2，占比14.5%，灌溉用電216.74 kg CO2-eq·hm-2，占比1.7%；烘烤用煤碳足跡為8 518.62 kg CO2-eq·hm-2，占比67.4%；勞動力人工碳足跡為172.82 kg CO2-eq·hm-2，占比1.4%；農膜碳足跡為765.69 kg CO2-eq·hm-2，占比6.1%。

圖3 煙草生產系統(tǒng)碳足跡構成Fig.3 Composition of carbon footprint of tobacco production system

2.5 單位面積煙葉產值與肥料碳足跡、氮肥碳足跡的關系

豫南煙區(qū)單位面積煙葉產值與肥料碳足跡和氮肥碳足跡的關系如圖4 所示。單位面積煙葉產值隨著肥料碳足跡和氮肥碳足跡的增加，均呈現先升高后降低的趨勢。肥料碳足跡和氮肥碳足跡分別為501.57 和107.22 kg CO2-eq·hm-2時，對應單位面積煙葉產值為最高值，對應的肥料和氮肥施用量分別為511.26 和70.26 kg·hm-2。部分農戶煙草生產系統(tǒng)肥料碳足跡和氮肥碳足跡均存在高碳排放、低產值的情況。圖4a 表明，51.40%的農戶肥料碳足跡超過501.57 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的農戶肥料碳足跡超過該數值的同時，煙葉單位面積產值低于峰值62 052.59￥·hm-2。圖4b 表明，49.53%的農戶氮肥碳足跡超過107.22 kg CO2-eq·hm-2，其中28.04%的農戶氮肥碳足跡超過該數值的同時，煙葉單位面積產值低于峰值61 868.20￥·hm-2。綜上，基于煙葉單位面積高產值，28.04%的農戶肥料碳足跡和氮肥碳足跡均過高。

圖4 單位面積煙葉產值與肥料碳足跡、氮肥碳足跡的關系Fig.4 Relationship between tobacco output value per unit area and carbon footprint of fertilizers and nitrogen fertilizer

2.6 單位面積煙葉產量與碳足跡的關系

如圖5 所示，隨著單位面積煙葉產量增加，豫南煙區(qū)煙葉單位面積碳足跡、單位產值碳足跡呈現先減小后增加的趨勢。圖5a 表明，煙葉單位面積產量為1.90 t·hm-2時，對應單位面積碳足跡最低，為12 293.02 kg CO2-eq·hm-2；33.64%的農戶煙葉單位面積產量低于1.90 t·hm-2，其中20.56%的農戶煙葉單位面積產量低于該數值的同時，煙葉單位面積碳足跡高于最低值。圖5b 表明，煙葉單位面積產量為1.96 t·hm-2時，對應單位產值碳足跡最低，為0.20 kg CO2-eq·￥-1；40.19%的農戶煙葉單位面積產量低于1.96 t·hm-2，其中23.36%的農戶煙葉單位面積產量低于該數值的同時，煙葉單位產值碳足跡高于最低值。因此，部分農戶煙草生產系統(tǒng)單位面積碳足跡和單位產值碳足跡均存在高碳排放低產量的情況。圖5c 表明，煙葉單位面積產量與單位產量碳足跡之間存在顯著的負相關性，煙葉單位面積產量每增加1.00 t·hm-2，其單位產量碳足跡降低4.18 kg CO2-eq·kg-1（R2=0.5822）。

圖5 單位面積煙葉產量與單位面積碳足跡、單位產值碳足跡、單位產量碳足跡的關系Fig.5 Relationship between tobacco yield per unit area and carbon footprints per unit area,per unit output value, and per unit yield

3 討論

3.1 煙草生產系統(tǒng)碳足跡評價

我國作物生產平均單位面積碳足跡為2 860 kg CO2-eq·hm-2［20］，主要糧食作物水稻、小麥和玉米單位面積碳足跡分別為9 159、2 786和3 934 kg CO2-eq·hm-2［23］。本研究中煙草生產單位面積碳足跡為12 630.03 kg CO2-eq·hm-2，遠高于水稻、小麥、玉米等主要糧食作物，也遠超我國作物生產平均單位面積碳足跡。其原因可能是與其他收獲后可直接售賣的作物相比，煙草在售賣前需以烘烤的方式進行初加工來保證煙葉的品質，而烘烤環(huán)節(jié)碳足跡就占煙草生產碳足跡的80%以上。如果僅核算煙草農作環(huán)節(jié)碳足跡，煙草單位面積碳足跡則低于水稻、小麥、玉米等糧食作物。華北平原主要經濟作物棉花、花生單位產值碳足跡分別為0.22、0.16 kg CO2-eq·￥-1［24］，煙草生產單位產值碳足跡為0.21 kg CO2-eq·￥-1，介于華北平原棉花和花生之間。花生、棉花平均產值分別為785.07、2 078.20 元/667 m2［25］，而煙葉平均產值則高達4 029.00 元/667 m2，遠高于花生和棉花。因此，煙草生產系統(tǒng)表現出明顯的高單位面積碳足跡和低單位產值碳足跡的特征。

3.2 煙草生產系統(tǒng)減排途徑

煙草作為我國主要經濟作物，主要產物為葉片，需經歷打頂抹杈、多次采收、剔除腳葉等，導致其生物量低。在人為不投入碳的情況下，煙田系統(tǒng)為“微碳匯”［26］，因此減少生產過程的溫室氣體排放是煙草生產減排的重點。

研究表明，農作物碳排放占比由高到低依次為肥料投入、農膜和農田N2O 排放，而農藥、柴油等所占比重較?。?7］。煙草生產碳排放的主要貢獻源有烘烤用煤、烘烤用電、農膜和肥料等，其中烘烤階段碳排放貢獻占比81.9%。熱泵烤房每炕煙耗電約1 033.67 kW·h，經核算每炕煙比燃煤烤房碳排放減少約400.39 kg CO2-eq·hm-2；生物質烤房氮氧化物排放量比燃煤烤房低80%以上［28］。因此，推廣清潔能源烤房，并將煙草秸稈作為生物質燃料和生物炭原材料間接還田，可以有效降低由于燃煤烘烤產生的碳排放［29］，對構建低碳煙草農業(yè)至關重要。

科學的田間管理和種植方式也可以有效地減少農戶生產環(huán)節(jié)的碳足跡。例如，采取保護性耕作方式，用深松代替翻耕或旋耕，可以減少土壤溫室氣體排放，增加土壤固碳量［30］；不同種植模式農田系統(tǒng)碳匯量不同，比如稻麥輪作系統(tǒng)凈碳匯高于單季稻［31］，采用合理輪作模式能夠增加凈碳匯［32-33］；覆膜是我國煙葉主產區(qū)廣泛沿用的種植模式［34］，但其造成的高碳排放和白色污染也值得關注，合理有效地回收利用農膜也可以減少煙草生產碳足跡。因此，在保證煙葉產量和質量穩(wěn)定的前提下，指導農戶改善高碳排放生產模式，減少各生產環(huán)節(jié)碳排放，是未來綠色煙草農業(yè)的發(fā)展方向。

3.3 研究局限性

基于農戶調研數據核算豫南煙區(qū)煙葉農戶生產碳足跡，計算過程考慮了煙草生產過程最主要的9種農資投入以及農田土壤N2O 排放，實現了統(tǒng)一標準下較為全面的衡量與比較。煙草生長階段和烘烤階段在煙草全生命周期碳足跡中占比達到85%以上，育苗階段和工業(yè)加工階段總占比不到13%［35］。因此，本研究中的系統(tǒng)邊界內并不包含育苗階段和工業(yè)加工階段，著重關注煙葉農戶生產煙葉產生的碳足跡。核算煙葉農戶生產碳足跡，可細化生產環(huán)節(jié)減排潛力，進而探究煙草生產減排途徑。另外，由于配施有機肥減排特征仍不明確，有學者認為配施有機肥可增強農田土壤碳匯功能［36］，也有學者認為有機肥施用導致土壤微生物呼吸排放CO2增加［37］，因此研究中未作分析。在未來的研究中，應增加田間試驗，量化煙田溫室氣體排放量，進一步提高研究結果的可靠性。

4 結論

（1）豫南煙區(qū)煙草生產系統(tǒng)單位面積碳足跡、單位產量碳足跡和單位產值碳足跡分別為12 630.03、6.62和0.21 kg CO2-eq·￥-1。

（2）烘烤用煤、烘烤用電、農膜、肥料為豫南煙區(qū)煙農生產碳足跡的主要組成部分，其中烘烤環(huán)節(jié)貢獻81.9%。

（3）基于煙葉單位面積高產值，28.04%調研農戶的肥料碳足跡和氮肥碳足跡過高，適宜的肥料和氮肥用量分別為511.26和70.26 kg·hm-2。

（4）基于煙葉低單位面積碳足跡，20.56%農戶產量過低；基于煙葉低單位產值碳足跡，23.36%農戶產量過低；煙葉產量每增加1 t·hm-2，其單位產量碳足跡降低4.18 kg CO2-eq·kg-1。