中国新兴水稻生产区域碳足迹的时间与空间动态

《Cleaner Environmental Systems》：Temporal and Spatial Dynamics of Carbon Footprint in Emerging Rice Production Regions of China

碳足迹时空变化及减排策略研究。优化了包含秸秆利用与土壤固碳的CF计算方法，分析1992-2022年黑龙江水稻系统发现：CF净增5.2-6.3 t CO2eq hm-2，单位产量CF下降0.27 t CO2eq t-1；甲烷排放占比从16.8%升至49.5%，秸秆处理占29.5%-59.6%；土壤固碳抵消14.3%-20.9%排放。空间显示Jiamusi-Harbin为高排放区，集成管理可降22.2% CF。

　　### 碳足迹研究与农业碳排放的管理策略

稻米作为全球重要的主食作物之一，其生产过程不仅对粮食安全具有重要意义，同时也在全球温室气体（GHG）排放中占据重要地位。随着气候变化问题的日益严峻，如何减少稻米生产过程中的碳排放已成为国际农业研究和气候政策制定的重要议题。本研究旨在通过更新和量化中国新兴稻米生产系统（以黑龙江省为例）的碳足迹（CF），为制定有效的农业排放控制策略提供科学依据。通过对1992年至2022年间黑龙江省稻米生产系统的时空变化分析，研究揭示了不同因素对碳排放（CE）和碳固存（CS）的贡献变化，并探讨了多种管理措施在减少排放中的作用。

### 研究背景与意义

稻米生产在温室气体排放中扮演着关键角色，尤其是甲烷（CH?）、二氧化碳（CO?）和氧化亚氮（N?O）等气体的排放。甲烷主要来源于稻田中有机质的分解过程，而氧化亚氮则与氮肥的使用密切相关。同时，稻草焚烧和资源利用也对碳排放产生重要影响。因此，碳足迹的评估不仅关注排放来源，还应考虑碳固存过程，如土壤中的碳储存。当前关于稻米碳足迹的研究多集中在亚热带和热带地区，而对温带大陆性季风气候区的研究仍较为有限。黑龙江省作为一个新兴的稻米产区，其气候条件与传统稻米主产区不同，因此研究其碳足迹变化对于理解不同气候区对碳排放的影响具有重要意义。

### 研究方法与系统边界

本研究采用生命周期评估（LCA）方法，并结合ISO/TS 14067碳足迹核算标准，对黑龙江省稻米生产系统的碳足迹进行了系统分析。系统边界涵盖了从农业生产资料的生产、运输和使用到稻米种植过程的整个生命周期。碳足迹计算包括所有碳排放和碳固存过程，其中碳排放主要来源于农业材料的使用（如化肥、农药、农业薄膜等）、稻田中的温室气体排放（如甲烷和氧化亚氮）以及稻草焚烧和资源利用产生的排放。而碳固存则主要来自于稻草还田对土壤有机质的增加。通过引入这些因素，本研究提高了碳足迹评估的全面性和准确性。

### 碳足迹的变化趋势

研究结果显示，从1992年到2022年，黑龙江省稻米生产的单位面积碳足迹（CF_Area）从5.2吨CO?当量/公顷增加到6.3吨CO?当量/公顷，而单位产量碳足迹（CF_Yield）则从1.11吨CO?当量/吨减少到0.84吨CO?当量/吨。这一趋势表明，随着稻米产量的增加，单位面积的碳排放虽然有所上升，但单位产量的碳足迹却在下降。这可能是由于生产效率的提高和碳管理措施的优化所致。

在碳排放来源方面，甲烷排放（CE_CH4）成为主要贡献者，其比例从16.8%上升至49.5%。相比之下，稻草利用相关的碳排放（CE_Straw）比例下降，从59.6%减少到29.5%。农业材料输入相关的碳排放（CE_Materials）和氮氧化物及氨气排放（CE_Nitro）的比例也有所变化，分别为8.8%-10.5%和11.1%-15.4%。土壤固存（CS_Soil）则能够抵消14.3%-20.9%的碳排放，显示出其在碳管理中的重要作用。

### 空间差异与区域影响

从空间分布来看，黑龙江省的几个主要城市，如佳木斯和哈尔滨，面临着较高的碳足迹和显著的环境压力。这些地区的稻米生产规模较大，且农业投入较多，导致碳排放水平较高。通过分析这些地区的碳足迹变化，研究发现，增加稻草还田率有助于降低农业材料和稻草利用相关的碳排放，同时提升土壤固存能力。然而，对于甲烷排放的控制效果有限。因此，未来在这些高碳足迹区域，应更加注重稻草管理和土壤固存技术的应用。

### 情景分析与减排策略

通过情景分析，研究评估了不同管理措施对碳足迹的影响。情景一为传统管理，预计碳足迹将增加2.69%。情景二聚焦于化肥和农药管理，预计碳足迹将减少1.11%。情景三为排放管理，预计碳足迹将减少10.1%。情景四为土壤肥力管理，预计碳足迹将减少4.9%。情景五为综合管理，预计碳足迹将减少22.2%。这些结果表明，单一管理措施对减排效果有限，而综合措施（如优化稻草管理、提升土壤固存能力以及推广精准农业技术）则能够更有效地降低碳足迹。

### 敏感性分析

敏感性分析进一步验证了碳足迹估算模型的稳健性。研究发现，大多数参数对碳足迹的影响较小，变化幅度在1.2%-19.5%之间。这表明，模型对参数调整具有较强的抗干扰能力，能够提供稳定的计算结果。然而，甲烷排放系数和焚烧排放系数对碳足迹的影响更为显著，变化幅度在6.3%-18.8%之间。因此，在制定减排策略时，应重点关注甲烷排放的控制，同时考虑焚烧技术的优化。

### 讨论与未来展望

研究结果表明，稻米生产系统的碳足迹变化受到多种因素的影响，包括农业投入、稻草管理、土壤固存等。随着时间的推移，稻草利用相关的碳足迹逐渐减少，而甲烷排放则成为主要的碳排放来源。这提示我们，传统的碳排放管理方式可能已无法满足当前的减排需求，必须采取更加综合的措施，如优化稻草管理、推广土壤固存技术以及采用精准农业方法。

此外，不同地区的碳足迹变化趋势也存在差异。高碳足迹区域应优先推广节能和减排技术，而低碳足迹区域则应注重提升农业生产力和加快现代农业技术的推广。这种差异化的管理策略有助于实现不同地区的碳减排目标，同时促进农业的可持续发展。

### 结论

本研究通过引入稻草利用和土壤固存因素，优化了稻米生产系统的碳足迹计算方法，并应用该方法对黑龙江省的稻米生产进行了时空分析。研究结果表明，随着稻米种植面积的扩大和农业投入的增加，碳足迹总体呈上升趋势。其中，甲烷排放成为主要的碳排放来源，而土壤固存则在一定程度上缓解了这一趋势。为了实现有效的碳减排，应综合考虑多种管理措施，如优化稻草还田、提高土壤固存能力以及推广精准农业技术。未来，农业碳管理应朝着更加全面、可持续的方向发展，以应对气候变化带来的挑战。