中國作為一個人口大國,隨著社會的進步,對糧食的需求也在增加,因此產(chǎn)量成為了人們所追求的目標(biāo),為了達到這個目的,采取了一系列不合理的措施,例如化肥的大量施用,過度耕作以及栽培作物等,從而使土壤被過度開發(fā)利用,溫室氣體排放增加。農(nóng)業(yè)不同于其他的產(chǎn)業(yè)部門,在增加或減少溫室氣體排放的同時也伴隨著土壤結(jié)構(gòu)的改善。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)是土壤、作物以及外界環(huán)境之間的相互作用、相互影響的一個過程,這個過程相對比較復(fù)雜,會受到氣候條件、種植制度、耕作措施、土壤性質(zhì)以及農(nóng)田管理等各種因素的影響和制約,而這其中的任何一個因素都會使農(nóng)田的碳排放發(fā)生變化,產(chǎn)生“碳源”和“碳匯”的連鎖效應(yīng)。

碳足跡作為一種新型的評價方法,成為了近年來關(guān)注的重點。某種活動所引起的或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的直接、間接度量二氧化碳等溫室氣體的排放方法,稱為碳足跡(Carbon Footprint,CF)。農(nóng)田碳足跡主要分為兩種,一類是直接導(dǎo)致碳排放增加的直接碳足跡,主要包括在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,由于使用農(nóng)業(yè)機械所產(chǎn)生的柴油消耗和施用化肥所產(chǎn)生的碳排放量；另一類是間接導(dǎo)致碳排放增加的間接碳足跡,主要是指農(nóng)藥、種子等在生產(chǎn)運輸以及灌溉的過程中所產(chǎn)生的碳排放。大氣中來源于農(nóng)業(yè)活動的的CO₂、CH₄和N₂O的比例分別為20%、70%和90%。

1.化肥施用對農(nóng)田碳足跡的影響

化肥是影響農(nóng)田碳足跡的主要因素,且呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。2001-2016年我國化肥施用量出現(xiàn)了一定的下降趨勢,但化肥使用仍然是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最大的碳排放源,且我國化肥的使用強度也要遠高于發(fā)達國家公認(rèn)的安全紅線。農(nóng)藥及化肥的大量使用,跟農(nóng)作物轉(zhuǎn)化率有關(guān),因為農(nóng)作物吸收農(nóng)藥及化肥約為10%~20%,所以80%~90%的農(nóng)藥及化肥實際上是被土地所吸收了,不僅破壞了土地的營養(yǎng),同時造成土地污染及水質(zhì)污染。使用化肥雖然能夠快速使糧食產(chǎn)量增加,但由此產(chǎn)生的碳問題也十分嚴(yán)重,因此化肥的合理施用是減少碳排放和碳足跡的關(guān)鍵問題所在。

2.作物類型對農(nóng)田碳足跡的影響

眾多研究表明,農(nóng)作物類型也會對農(nóng)田碳足跡產(chǎn)生一定的影響。不同作物類型會造成光合速率的差異,從而影響到作物的碳吸收效率,園藝作物對碳吸收的貢獻最大,其余依次為糧食作物和經(jīng)濟作物；例如,在東北地區(qū)的三大主要糧食作物中,大豆的單位面積碳足跡要顯著低于水稻,而生產(chǎn)碳效率方面為玉米要高于這兩種作物。水稻的碳足跡最高,玉米次之,小麥的碳足跡最低。

作物生長過程中,對氮肥的需求量較大,不同作物所需要的氮肥供應(yīng)量也是不同的,與豆科類作物相比,禾本科作物所需的氮肥量較大,豆科類作物由于自身的生物學(xué)特性,可以自我提供一部分氮素,因此氮肥的施用量就相對減少,過度施用化肥,不僅會降低肥料的利用效率,增加化肥流失量,還會對農(nóng)作物以及土壤環(huán)境造成不利的影響,導(dǎo)致土壤和環(huán)境污染,而氮肥的施用量又是與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放量密切相關(guān)的。

不同種類農(nóng)作物對光能的吸收利用效率也不同,造成農(nóng)作物的碳吸收量存在不同程度的差異,產(chǎn)量是最能直接反映出來的。玉米屬于C4植物(碳四植物),花生和大豆是C3植物,C4植物與C3植物的區(qū)別主要體現(xiàn)在作物的光合速率上,C4植物的光合利用效率高,能夠更好的吸收和固定二氧化碳。因此,選擇合適的作物可以降低農(nóng)田碳足跡。

3.灌溉對農(nóng)田碳足跡的影響

灌溉在農(nóng)作物生長發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用,在農(nóng)作物碳排放的各個途徑中,除化肥以外,灌溉占碳足跡的比例在全國達到了21.6%,包括青海在內(nèi)的12個省也已超過全國平均水平。在農(nóng)田碳足跡中,合理的灌溉可以滿足作物對水分的需求,過量的水分,還會增加土壤的呼吸作用,使土壤的碳排放量增加,因此選擇合理的灌溉不僅能夠直接減少水資源的浪費,還可以降低農(nóng)田碳足跡。

4.農(nóng)業(yè)機械對農(nóng)田碳足跡的影響

隨著機械化程度的提高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中機械的使用也大大普及,提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,但是農(nóng)業(yè)機械在田間工作時消耗燃油所產(chǎn)生的碳排放,也會對碳足跡造成影響。農(nóng)田引起的碳排放總量正呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。農(nóng)業(yè)機械造成環(huán)境污染的來源主要包括以下兩個方面：一是農(nóng)用機械的使用油料的泄漏,造成土壤和地下水污染；二是農(nóng)業(yè)機械(柴油機、汽油機)在工作過程中產(chǎn)生的廢氣排放對空氣的污染,并對人體健康造成潛在危害。

農(nóng)機廢油污染是油料泄露的重要部分。廢油是指農(nóng)機維修保養(yǎng)時,清洗零配件的廢柴油,更換的廢機油、廢齒輪油等。調(diào)查顯示,農(nóng)機維護保養(yǎng)過程中用于清洗零配件的柴油用量和機油用量分別占主燃油的1.5%和0.5%。然而,維修過程中僅有部分廢油可被集中回收利用,多數(shù)則處于亂倒或亂排的局面,廢油可直接污染土壤和地下水。

農(nóng)業(yè)機械使用過程中所產(chǎn)生的碳排放占比雖然相對來說不大,但也是不可忽視的重要排放,通過少耕/免耕或提高農(nóng)機效率能夠減少使用過程中的碳排放,達到降低碳足跡的目的。

5.不同耕作措施對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的影響

不同的耕作措施對農(nóng)田碳足跡的影響也不同。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中,離不開農(nóng)業(yè)機械的使用,而對于農(nóng)業(yè)機械的使用,不同耕作措施下的碳足跡差異主要與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)業(yè)機械使用量有關(guān),免耕因為減少耕作過程中的機械使用,從而與傳統(tǒng)耕作措施相比減少了機械的碳排放量。不同耕作措施下機械油耗產(chǎn)生的碳排放80%以上是由整地、播種和收獲產(chǎn)生的。免耕與傳統(tǒng)耕作措施相比,能夠增加土壤有機碳庫,提高固碳能力,減少溫室氣體的排放。