1 引言(Introduction)

人类正经历着越来越频繁的气候变化带来的灾难, 人为温室气体排放已被公认为气候变化的主要原因(Vergé et al., 2013) .根据2006年世界粮农组织的研究报告, 在人为温室气体排放源中, 畜牧业是三大主要排放源之一, 占全球排放量的18%(Steinfeld et al., 2006), 而饲料作物生产是畜牧业温室气体排放的主要来源之一(Gerber et al., 2013).不同的饲料作物温室气体排放量有较大的差异, 因此, 准确评估饲料作物的温室气体排放对于准确评估畜禽产品生产的温室气体排放量及从调控日粮的角度减少排放至关重要.然而, 目前只有少数来自于欧美的研究对饲料的温室气体排放量做了具体、全面的评估和分析(Adom et al., 2012；Mogensen et al., 2014).相比于欧美国家, 中国的生产技术和地理气候条件有很大差异, 欧美国家饲料作物的温室气体排放系数不适用于中国.中国是全球第一饲料生产国, 猪肉、鸡肉和牛奶等畜禽产品产量分别居全球第一、第二和第三.研究中国饲料作物的温室气体排放及减排措施对于中国乃至全球从日粮的角度减少畜牧业的温室气体排放具有重要的意义.

“碳足迹”作为诠释人类活动温室气体排放的一种形象的概念, 来源于“生态足迹”, 指人类活动过程直接或间接排放的CO₂和其他造成温室效应的气体(Weidema et al., 2008).它是应用生命周期评价的方法, 分析某一产品或服务系统从原材料、生产、使用和废弃处理的全生命周期内的温室气体排放总量(Wiedmann et al., 2007), 通常用生产单位产品的CO₂当量表示(Carbon Trust, 2007).本文将基于生命周期评价方法和政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)提供的农作物田间温室气体排放量计算方法, 以饲料作物资源丰富的关中地区为研究区域, 评估饲料作物的碳足迹及减排措施与潜力.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 数据来源 2.1.1 研究区域与数据来源

关中平原位于陕西省中部, 介于秦岭和渭北北山之间, 西起宝鸡, 东至潼关, 平均海拔为500 m, 东西长约300 km, 面积约为3.4×10⁴ km², 包括西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川五市及杨凌区, 是陕西省主要的粮食产区(陈祥, 2008), 属于中国农区奶牛及其他畜禽养殖的重要区域(曹平等, 2013), 饲料作物资源丰富.该区域畜禽饲料的主要成分是玉米、小麦麸皮、豆粕、青饲玉米、黄贮(玉米秸秆青贮)、小麦秸秆和苜蓿, 除豆粕外, 这些饲料成分主要来自于当地种植, 规模较大的奶牛场会购买部分进口苜蓿或甘肃、内蒙等地生产的苜蓿.本文仅对关中平原生产的饲料作物进行评估.

本研究从2015年5月到9月入户调研了关中平原5个县/区11个乡镇饲料作物的产量、化肥、农药、农机使用及灌溉等情况, 共获得302个有效样本数据, 其中, 小麦142个, 玉米98个, 青饲玉米63个, 苜蓿5个.由于关中平原的苜蓿种植主要集中在大荔县, 且属于集约化大规模种植, 本文调研了大荔主要种植苜蓿的乡镇, 共计调研了5个规模在1000亩以上苜蓿种植基地, 这些基地能代表该区域的苜蓿生产情况.调研数据用SPSS18.0、Excel2003处理分析.

2.2 评估方法

本研究依据生命周期评价的一般程序进行, 包括目标定义和范围、排放量分配方法、清单分析、碳足迹评估(影响评估)和结果分析.

2.2.1 目标定义和范围

本文评估关中地区生产的饲料作物的碳足迹, 即生产1 kg饲料干物质(Dry Matter, DM)从原材料到饲料的整个生产过程中的温室气体的排放.功能单位为1 kg饲料干物质.评估范围根据饲料作物的生产活动确定, 从农药、化肥的生产到饲料作物的收获, 包括：①农药、化肥生产带来的温室气体排放；②氮肥施用带来的田间氧化亚氮的直接和间接排放；③灌溉时的能源消耗带来的温室气体排放；④耕作与作物收获等农机使用带来的温室气体排放；⑤作物残余带来的温室气体排放；⑥尿素的田间CO₂排放.评估的主要饲料作物为夏玉米、冬小麦、青饲玉米和苜蓿.

2.2.2 排放量分配

有些饲料作物生产多种产品, 如主产品和副产品, 有些是主产品作为饲料, 有些是副产品作为饲料.因此, 对于生产多种产品的饲料作物, 生产过程的温室气体排放量应该根据一定的分配系数分配给主产品和副产品.计算分配系数的常用方法有两种, 一种是价值分配法, 另一种是质量分配法.由于价值分配法更易于体现排放量由主产品主要分担的原则, 本文采用价值分配法, 即根据主、副产品对饲料作物经济收益的贡献率计算分配系数.青饲玉米和苜蓿全部用于饲料, 因此, 排放量不需分配.玉米和小麦分别生产玉米颗粒、玉米秸秆、小麦颗粒和小麦秸秆, 它们的分配系数根据公式(1) 和(2) 计算.小麦麸皮则是小麦加工面粉的副产品, 小麦麸皮分配系数根据公式(3) 计算.

(1)

(2)

(3)

式中, W_G为谷物颗粒的分配系数；W_S为谷物秸秆的分配系数；W_B为麦麸分配系数；P_G为谷物颗粒的价格(元·kg^-1)；Y_G为谷物颗粒的产量(kg)；P_S为谷物秸秆价格(元·kg^-1)；Y_S为谷物秸秆产量(kg)；R_B为小麦出麸率；P_B为小麦麸皮价格(元·kg^-1)；P_F为面粉价格(元·kg^-1).

2.2.3 清单分析

清单分析是对定义的产品生命周期阶段的资源、能源和向环境的排放进行数据量化分析(杨建新, 2002).本文饲料作物生产过程的农资、能源消耗和产出来自于调研数据, 代表 2014—2015年关中平原的生产情况.饲料作物主、副产品及地上、地下残余物的干物质含量及残余物量的计算依据IPCC(2006) 国家温室气体清单指南提供的方法, 小麦和玉米草谷比根据国内相关研究(毕于运, 2012), 分别为1.3:1和1.1:1, 关中平原饲料作物的物料投入与产出见表 1.

用于计算分配系数的价格根据田间和市场调研获得, 小麦、玉米、面粉、麦麸、小麦秸秆和玉米秸秆价格分别为2.4、2.2、3.2、1.1、0.4和0.22 元·kg^-1；小麦出麸率为0.28(王效琴等, 2012), 计算得小麦麦麸、小麦秸秆、玉米籽粒和秸秆的分配系数分别为0.1、0.18、0.89和0.11.生产化肥和农药及能源消耗的温室气体排放系数取自相关文献, 具体见表 2.饲料作物的田间排放根据IPCC(2006) 的计算方法包括了氮肥施用带来的田间氧化亚氮的直接和间接排放、尿素的田间排放和残余物的排放.氧化亚氮的直接排放系数、氨挥发系数及氮肥的淋溶损失系数取自与关中平原氮肥投入及气候条件相近的国内研究, 其它缺乏国内数据的参数使用IPCC(2006)的缺省值(表 2).

2.2.4 碳足迹评估

饲料作物生产涉及的温室气体为CO₂和N₂O, 为便于汇总排放量, 用统一的计量单位CO₂当量来计量不同种类温室气体的排放量.计算公式如下：

(4)

式中, CF_i为第i种作物碳足迹(kg·kg^-1, 以每kg DM产生的CO₂当量计)；E_CO2i为生产第i种作物生命周期内的CO₂排放量(kg)；E_N2Oi为生产第i种作物生命周期内的N₂O排放量(kg)；GWP_CO2、GWP_N2O为CO₂、N₂O的增温潜势值, 取值分别为1、265(IPCC, 2013)；Y_DMi为第i种作物干物质产量(kg).

(5)

式中, F_ij为生产第i种作物施用第j种肥料的量(kg)；EF_j为生产第j种肥料的CO₂排放系数(kg·kg^-1)；P_i为第i种作物的农药施用量(kg, 以有效成分计)；EF_P为生产农药的CO₂排放系数(kg·kg^-1)；M_i为第i 种作物农机柴油消耗量(L)；EF_M为柴油燃烧的CO₂排放系数(kg·L^-1)；E_i为生产第i种作物的耗电量(kWh)；EF_E为生产电的CO₂排放系数(kg·kWh^-1)；U_i为第i种作物尿素施用量(kg)；EF_Ui为尿素排放因子(kg·kg^-1)；44/12为CO₂-C换化为CO₂的系数.

(6)

式中, F_Ni为第i种作物施氮量(kg)；C_Ri为第i种作物残余物量(kg)；C_RNi为作物残余物中含氮量(kg ·kg^-1, 以N计)；EF_DN为氮肥N₂O直接排放系数(kg·kg^-1, 以N₂O-N计)；F_GASi为第i种作物氨挥发系数, EF_NH为大气氮沉降排放N₂O的系数；F_L为氮肥淋溶或损失系数；EF_NL为渗漏或径流损失的N的N₂O排放系数；44/28为N₂O-N转化为N₂O的系数.

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 饲料作物的碳足迹

关中平原饲料作物的碳足迹计算结果见表 3, 生产1 kg 饲料(以干物质计)的温室气体排放量(以CO₂当量计)由大到小依次为：玉米(0.620±0.256) 、苜蓿(0.382±0.029) 、小麦麸皮(0.240±0.048) 、青饲玉米(0.217±0.065) 、小麦秸秆(0.083±0.019) 和玉米秸秆(0.070±0.029) kg.玉米作为精饲料的主要成分, 其碳足迹显著高于属于粗饲料的苜蓿、青饲玉米、玉米秸秆和小麦秸秆.对于粗饲料和精饲料饲喂量都很大的奶牛养殖业, 适当降低日粮中精饲料的比例对减少来自日粮的排放量有一定的潜力.在调研的农户中, 玉米的碳足迹存在较大的差异, 主要由氮肥施用量的较大差异造成.施用最多氮肥的农户造成最高的碳足迹, 施用氮肥最少的农户碳足迹最小.

3.2 主要环节的排放量及对碳足迹的贡献

如图 1所示, 虽然各种饲料的碳足迹不同, 但主要的排放环节都是化肥生产、氮肥田间排放和灌溉, 对碳足迹的贡献率分别为26.0%~33.8%、27.8%~29.6%和24.5%~39.1%.农机使用、作物残余物对碳足迹的贡献率分别是3.0%~5.1%和3.2%~5.8%, 农药的排放量最小, 占碳足迹的比例小于1%.

饲料生产的两个主要排放环节化肥生产和氮肥田间排放都可归类为与化肥使用有关的排放, 两者的排放量之和占饲料总排放量的53.8%~63.0%, 其中, 由氮肥引起的排放占化肥总排放量的72.1%~84.9%.这主要由于关中平原作物施氮(N)量高于磷肥(P₅O₂)和钾肥(K₂O)(苜蓿除外), 且生产单位氮肥的温室气体排放量远高于生产磷肥和钾肥排放量；另外, 氮肥施到田间后会排放氧化亚氮, 而氧化亚氮的温室效应是二氧化碳的265倍, 这些都导致氮肥成为影响饲料碳足迹的重要因素.

关中平原属于暖温带半湿润气候区, 小麦、玉米和苜蓿生长季都需要灌溉, 水源多数来自井水且是大水漫灌, 因此, 作物生产不仅耗水量大而且灌溉能耗也大, 这导致灌溉成为影响该区域饲料碳足迹的另一个重要因素.

4 讨论(Discussion) 4.1 与同类研究结果的比较

本研究青饲玉米的碳足迹接近于其它研究文献的结果(表 4).苜蓿碳足迹接近于韩国的研究结果(Baek et al., 2014)而低于美国的研究结果(Adom et al., 2012), 主要原因是本文中的苜蓿生产施用了较多的化肥而美国苜蓿生产施用较少的化肥.秸秆的碳足迹接近于韩国的研究数据(Baek et al., 2014)而高于丹麦的研究结果(Mogensen et al., 2014), 主要由于丹麦小麦氮肥施用量和灌溉耗电量均低于本文的情况.玉米的碳足迹在现有研究的数据范围内, 接近于韩国的研究结果, 高于美国的研究结果, 也高于 Ming等(2015) 做的辽宁、山东和山西部分地区的情况, 但低于王明新等(2010) 的研究结果, 较大的差异主要由不同地区氮肥施用量和灌溉能耗的差异及使用的氧化亚氮的增温潜势值引起.Ming等(2015) 研究的样本中灌溉能耗为零或很小, 而本文研究的关中平原灌溉能耗排放量占总排放量的24.5%~39.1%.另外, 本研究中氧化亚氮的增温潜势值使用了IPCC(2013) 的数据, 而早期王明新等(2010) 的研究采用了IPCC(2007) 或更早版本的数据, 这些版本的数值都高于IPCC(2013) 提供的值, 这可能是导致王明新等(2010) 的结果高于本文结果的一个原因.

4.2 化肥减施对碳足迹的影响

根据本文研究, 在关中平原化肥对饲料碳足迹的贡献率均超过了50%, 其中, 氮肥对碳足迹贡献率均超过45%, 是关中平原饲料作物温室气体排放的主要影响因素.玉米、青饲玉米、小麦每亩氮肥施用量与碳足迹存在线型关系, 回归方程如图 2所示.氮肥对碳足迹的影响主要有两个环节, 一个是田间施用带来的温室气体排放, 一个是来自于氮肥生产过程的排放.在不影响产量的情况下减少氮肥施用量可同时减少来自于田间和氮肥生产环节的排放.关中平原饲料作物化肥平均施肥量和推荐施肥量如表 5所示.常艳丽(2013) 根据关中平原土壤肥力、目标产量和作物营养需求规律推荐了关中平原小麦和玉米的适宜施肥量, 而关中地区调研获得的氮、磷肥施用量均远高于推荐施肥量.因关中地区多数土地属于中等肥力土地, 本文选用常艳丽推荐的中等肥力土地的施肥方案为减施目标, 则玉米和小麦的碳足迹分别可降低18.3%和22.4%.关中地区苜蓿施肥量也高于曾庆飞(2005) 在关中地区田间试验获得的优化施肥方案, 如果根据关中地区苜蓿产量水平把实际施肥量调低到曾庆飞田间试验中对应产量的优化施肥方案, 则苜蓿碳足迹可降低42.1%.另外, 由于中国氮肥生产是煤基型的(王效琴等, 2005), 氮肥生产温室气体排放系数大于美国的(Adom et al., 2012), 如果把中国氮肥生产排放系数降到美国的水平, 则关中平原饲料作物的碳足迹可减少4%~5%.如果关中平原饲料作物施肥量降到推荐水平, 且氮肥生产的温室气体排放水平降到美国水平, 则玉米、小麦和苜蓿的碳足迹可分别降低20.9%、25.8%和42.9%.研究表明, 通过提高氮肥利用效率可以减少氮肥施用量, 西方国家氮肥利用率为40%~60%(Ladha et al., 2005), 而中国一般只有30%~35%(巨晓棠等, 2003), 这表明关中地区通过提高氮肥利用效率来减少氮肥施用量并减少碳足迹有很大发展空间, 但具体的减排量仍需通过田间实践验证.

4.3 节水灌溉对碳足迹的影响

本研究结果说明, 在关中地区, 由灌溉引起的温室气体排放仅次于氮肥引起的排放, 是饲料作物碳足迹的另一个重要来源.根据调研情况, 关中地区大田作物一般都是大水漫灌, 小麦和玉米生长季的灌溉水量1 hm²土地分别达到1800 m³和2700 m³.根据陈新明等(2003) 的研究, 关中平原小麦、玉米一般年份灌溉定额分别为885、1690.5 m³·hm^-2, 干旱年份灌溉定额分别为1170、2155 m³·hm^-2.关中平原小麦和玉米的灌溉量远高于灌溉定额, 如果把现在的灌溉量调低到灌溉定额水平, 则一般年份小麦和玉米碳足迹可分别减少24.7%和27.6%, 干旱年份可分别减少17.4%和14.9%.大水漫灌方式的水资源有效利用率只有30%~40%(姚素梅等, 2005), 浪费了大量的水资源, 同时也影响作物的生长, 如果采用喷灌和滴灌的灌溉方式, 不仅可以降低耗水量, 还可以增加产量.杜文勇等(2011) 指出, 小麦在滴灌和喷灌的条件下产量分别比漫灌高8.63%、7.75%.李英等(2015) 研究发现, 玉米在滴灌条件下平均产量较漫灌增加6.53%, 耗水量较漫灌减少16.1%, 水分利用效率较漫灌增大26.9%.王东等(2004) 研究表明, 地埋滴灌种植苜蓿, 亩产较常规灌溉高40%以上, 耗水量与常规漫灌相比节水50%以上.但实现喷灌和滴灌需要铺设管道, 管道材料在生产过程中也会产生温室气体排放, 关中地区通过节水灌溉降低作物碳足迹的潜力很大, 但采用喷灌和滴灌替代大水漫灌的具体减排潜力仍需使用生命周期评价的方法进行评估.

4.4 农业机械化对碳足迹的影响

关中平原饲料作物生产过程中农机田间使用所产生的温室气体排放占总排放的百分比虽然比较低, 但也是不可忽视的重要排放, 随着农业机械化的推广, 农机的田间使用也会越来越广泛, 农机使用的温室气体排放也会增加. Zhao等(2012) 认为, 保护性耕作能够减少农机能耗.赵德生(2010) 认为, 采用先进的农业机械设备, 加强农业机械的维护保养, 建立农机田间作业标准化体系等可提高机械能源利用效率和节省无谓的能源消耗.因此, 采用保护性耕作措施或提高农业机械能源使用效率都可以降低农机使用环节的排放量, 从而降低关中平原饲料作物的碳足迹.

5 结论(Conclusions)

1) 关中平原主要饲料作物的碳足迹(以CO₂当量计)由大到小依次为：玉米0.620、苜蓿0.382、小麦麸皮0.240、青饲玉米0.217、小麦秸秆0.083和玉米秸秆0.070 kg·kg^-1.玉米作为奶牛精饲料的主要成分, 其碳足迹显著高于属于粗饲料的苜蓿、青饲玉米、玉米秸秆和小麦秸秆.

2) 化肥生产、氮肥田间排放和灌溉是关中平原饲料作物温室气体排放的3个主要环节, 对碳足迹的贡献率分别为26.0%~33.8%、27.8%~29.6%和24.5%~39.1%.通过化肥减施, 尤其是氮肥减施和节水灌溉可减少关中平原饲料作物的碳足迹, 但实际的减排量仍需要通过田间实践进行验证.

3) 本文使用生命周期评价方法评估了饲料作物的碳足迹, 明确了关中平原饲料作物的主要排放环节、减排措施及减排潜力, 说明生命周期评价作为一种系统分析工具可以为农业减排和农业可持续发展提供有力的支撑.