基于秸秆全量还田的不同耕作方法下稻麦生产的碳效率及收益评估

薛亚光，刘建，魏亚凤，李波，汪波

（江苏沿江地区农业科学研究所，江苏如皋226541）

摘要：为探明江苏稻麦轮作农业的固碳减排效应，以江苏沿江地区稻麦两熟田块为研究对象，利用基于秸秆全量还田的不同耕作方法下（麦稻宽行交互保护性耕作技术模式和稻麦周年机械化耕作方式）作物产量、系统物质投入以及人工投入等资料，估算稻麦生产的碳投入、碳产出、碳效率以及经济收益。结果表明：保护性耕作方式和机械化耕作方式下稻麦轮作系统年度碳投入总量分别为1836.3 kg/hm2 和2290.5 kg/hm2，保护性耕作的种子、化肥以及机械的碳投入较低，但劳动力碳投入高于机械化耕作方式。2 种耕作方式的年度碳产出总量分别为18.23 t/hm2和16.15 t/hm2，保护性耕作较机械化耕作增加了12.9%。年度的碳效率在两者之间也存在差异，保护性耕作的生产效率、生态效率以及经济效率分别较机械化耕作提高了40.4%、40.8%和40.3%。另外，保护性耕作的年度纯收益为20.25×103元/hm2，较机械化耕作增加了22.8%。研究结果表明秸秆全量还田下采取保护性耕作方法既可以提高碳效率也能增加经济收益，取得环境效益和经济效益的双赢。

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关键词：秸秆还田；保护性耕作；碳效率；经济收益

中图分类号：S344 文献标志码：A 论文编号：2014-0980

基金项目：江苏省农业科技自主创新基金项目“稻田条带耕作低碳生产及周年高产关键技术研究”[CX(12)3040]；“十二五”国家科技支撑计划项目“长江三角洲集约农区循环技术集成与示范”(2012BAD14B12)；南通市应用研究计划项目“稻草还田腐解过程中化感物质鉴定及其对小麦化感效应的研究”(BK2014021)。

第一作者简介：薛亚光，男，1986 年出生，江苏如皋人，助理研究员，博士，主要从事作物栽培学与耕作学研究。通信地址：226541 江苏沿江地区农业科学研究所，Tel：0513-87571017，E-mail：xiaoqiyaguang@126.com。

通讯作者：刘建，男，1965 年出生，江苏如皋人，研究员，硕士，主要从事耕作栽培、生态农业等研究及农业综合开发推广工作。通信地址：226541 江苏

沿江地区农业科学研究所，Tel：0513-87572390，E-mail：ntliuj@sina.com。收稿日期：2014-10-14，修回日期：2014-12-14。

An Evaluation of Carbon Efficiency and Economic Income for Rcie and Wheat Production underDifferent Farming Methods with Full Straw Returning

Xue Yaguang, Liu Jian, Wei Yafeng, Li Bo, Wang Bo(Institute of Agricultural science along Yangtze River in Jiangsu, Rugao 226541, Jiangsu, China)Abstract: In order to investigate carbon sequestration potential of rice- wheat rotation system in JiangsuProvince, the rice-wheat cropping fields along Yangtze River in Jiangsu province were chosen to estimate thecarbon input, carbon output, carbon efficiency and economic income in rice and wheat production. Theresearch was based on data of grain yield, material and labor inputs under different farming methods whichwere wheat-rice wide-row alternative protective farming mode and annual mechanized farming for rice andwheat with full straw returning. The results showed that the amount of annual carbon input under protectivefarming (PF) and mechanized farming (MF) were 1836.3 kg/hm2 and 2290.5 kg/hm2, respectively. Comparedwith MF, carbon inputs of seeds, chemical fertilizer and machinery under PF were lower, but carbon input oflabor was higher. The annual carbon output under PF and MF were 18.23 t/hm2 and 16.15 t/hm2, respectively,and PF had 12.9% more annual carbon output than MF. There was also significant difference between PF andMF in annual carbon efficiency. Compared with MF, PF increased production efficiency, ecological efficiencyand economic efficiency of carbon by 40.4%, 40.8% and 40.3%, respectively. Besides, the annual net incomeof PF reached 20.25 × 103 yuan/hm2 and was 22.8% more than that of MF. The results indicated that theprotective farming method with full straw returning could increase carbon efficiency and economic income andachieve a win-win situation of environment benefit and economic benefit.

Key words: Straw Returning; Protective Farming; Carbon Efficiency; Economic Income

0 引言

稻田是中国最重要的农田生态系统，在中国粮食安全和生态安全保障上起着至关重要的作用。尽管稻田总面积只占全国耕地面积的20%，却生产了全国48.2%的粮食[1]。江苏省常年麦稻轮作制集约化稻田约160 万hm2左右，占全省水稻面积70%以上，是江苏确保粮食安全的主体农作制[2]。随着江苏省农业的连年丰产，秸秆产生量越来越大，其中水稻秸秆和小麦秸秆分别占总量的45.8%和25.3%，可利用潜力巨大[2-3]。秸秆直接还田是当前江苏省秸秆肥料化利用最主要的途径，也是最现实、最易推广操作的秸秆利用方式，有利于农业可持续发展。江苏省农作物秸秆综合利用规划中指出，随着机械化水平的提高和机械更新的加快，全省将全面推行稻麦秸秆机械化全量还田[4]。但同时快速腐熟还田、覆盖还田、稻麦双套还田、留高茬还田等非机械化还田方式近年来被越来越多的利用[4]。江苏沿江地区农科所提出了一种基于秸秆留高茬原位还田、埋沟还田、覆盖还田等方式的保护性耕作方法[5-7]。关于秸秆还田方式和耕作方式的研究，以往主要集中在稻田粮食生产力提升和光照、水、肥、土地等资源高效利用上[8-11]，对稻田低碳生长及如何提高碳效率的关注较少。碳是农业生产系统中一种重要资源，其效率是指投入单位数量碳所产出的经济产量和经济价值等有效价值量，提高碳效率是农业节能减排的重要途径之一[12-13]，随着人类对气候变暖重视程度的提高，对碳效率的研究逐步开展。有研究表明，通过提高农业中碳效率，可以增加农业的碳汇能力，减少大气中二氧化碳浓度的增加[13-14]。史磊刚等[15]通过对不同作物生产的碳效率研究，结果表明夏玉米综合碳效率最高，棉花次之，冬小麦最低。李洁静等[16-17]通过对水稻-油菜和双季稻模式的碳固定量与碳投入和经济收入的关系进行研究，发现作物生产系统的碳汇总量很大，并且具有巨大的固碳减排潜力。但关于江苏稻麦轮作农业的固碳减排效应以及碳效率的研究，目前还鲜有报道。笔者拟通过对基于秸秆全量还田的不同耕作方式下稻麦轮作系统的碳效率及经济收益进行研究，旨在探讨江苏沿江地区稻作农业的固碳减排效应，说明稻田良好管理可以取得经济效益和环境效益的双赢。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地基本情况

试验在江苏沿江地区农科所试验田进行，土壤类型是潮土。该地区位于北亚热带南部，属亚热带季风气候，由于距海较近，受海洋调节较明显，气温的日较差和年较差较小，年降雨量在1000 mm以上，全市年平均太阳辐射总量为476090 J/cm2。试验时间为2009年至2010 年。小麦品种为‘扬麦13’，水稻品种为‘南粳44’。

1.2 试验设计

研究基于稻麦秸秆全量还田条件下，主要设置以下2 种耕作方式：

MF：稻麦周年机械化耕作方式，简称机械化耕作方式（对照）。于作物机械收获时，开动机械切碎与分散装置，做到秸秆切碎(5~8 cm)，全田均匀分散，并用较大功率拖拉机旋耕埋没秸秆。稻季应用旱育壮秧机插技术，总施氮量为300 kg/hm2，氮肥运筹为基肥:分蘖肥:穗肥=4:2:4，P2O5和K2O均为120 kg/hm2，作基肥施用；麦季应用半精量机条（匀撒）技术，总施氮量240 kg/hm2，前（基肥、蘖肥、蜡肥）:后（穗肥）=6:4，P2O5和K2O均为90 kg/hm2，作基肥施用。

PF：麦稻宽行交互保护性耕作技术模式，简称保护性耕作方式。稻季肥料运筹与对照相一致；麦季化肥总施氮量为144 kg/hm2，均作前期肥料施用，返青期增施9.6 t/hm2鸡粪，P2O5和K2O均为90 kg/hm2，作基肥施用。其主要技术特征有以下几点[5-7]：（1）在“麦-稻”两熟制田块形成作物带和空行带的带状结构，1 个作物带+空行带构成1 个组合，1 个组合宽（即带型）60 cm左右（作物带宽20~25 cm、空行带宽35~40 cm），麦子可线条播（即宽行行距为35~40 cm、窄行行距20~25 cm）或带状撒播（麦带20~25 cm、空行带35~40 cm），水稻可宽窄行栽插（即宽行行距为35~40 cm、窄行行距20~25 cm）或摆栽、直播（稻带20~25 cm、空行带35~40 cm）；（2）麦子收获后种植水稻，实现作物带和空行带互换，即麦带转换成稻田的空行带，麦田的空行带转换成稻带；（3）利用麦田沟系填埋麦秸，麦田的沟系转换成稻田的草沟，麦收后、植稻前不进行土壤耕翻；（4）稻麦秸秆采用留高茬原位还田、埋沟还田、覆盖还田等方式全量还田。麦秸秆采用留高茬、埋沟相结合的方式还田，水稻秸秆采用埋沟、畦面条带状覆盖（主体集中在小麦空行带内）相结合方式还田；（5）实现条带状的耕作与施肥等方式管理。

2 个处理小区总面积均为0.13 hm2，保护性耕作模式为长期定位试验，始于2006 年。2 种耕作方式相应的农机农艺配套技术见表1。

1.3 研究方法田块物质的投入和产出的数据为2009 年和2010年的平均值。研究涉及的只是作物从播种到收获期间的物质循环及经济价值，不涉及产品的去向，农产品收获后的经济效益均以2010 年的市场价格进行估算。所有数据采用Excel软件进行统计分析及作图。1.3.1 碳的投入量(E) 作物的碳投入量(E)是指从播种到收获整个农业生产过程中由于投入种子、农药、化肥、机械、灌溉和生产相关的人工造成的间接碳排放总量[12,18]。碳的投入量(E)=种子碳排放(Es)+灌溉碳排放(Eir)+机耕碳排放(Em)+化肥投入碳排放(Ef)+农药投入碳排放(Ep)+人工投入碳排放(El)。

各种碳排放估算参照李洁静[16]和陈琳[19]等的方法，见式(1)~(6)。

种子碳排放：Es=Vs×Ws ……………………… (1)

式中：Vs 为种子的碳排放系数，水稻取值0.795 kgC/kg[20]，小麦取值0.11 kgC/kg[21]；Ws 为每公顷种子的用量。

灌溉碳排放：Eir=Vir×w×h×n ………………… (2)式中：Vir为煤电的碳排放系数，取值0.92 kgCO2/(kW· h)[22]；w为灌溉所用的电机功率(kW)；h 为每次灌溉工作时数；n 为灌溉次数。

机耕碳排放：Em=Vm×L ……………………… (3)式中：Vm为柴油的碳排放系数，取值2.63 kgCO2/L[22]；L为每年单位面积机耕总耗油量(L)。

化肥投入碳排放：Ef =Σi =1

Vi ×Wi …………… (4)

式中：Vi为生产及施用肥料引起的碳排放系数，i表示不同的肥料种类，N肥生产的碳排放为1.74 tC/t[23]，而P、K 肥的碳排放系数则分别为165.09 kgC/t 和120.28 kgC/t[21]；Wi为单位面积的化肥施用量(kg/hm2)。农药投入碳排放：Ep =Σp =1

Vp ×Wp …………… (5)

式中：Vp为生产农药的碳排放系数，p 表示不同的农药种类，杀虫剂生产的碳排放系数取值4931.93 kgC/t，杀菌剂生产的碳排放系数取值5177.52 kgC/t[21]；Wp为农药施用量(t/hm2)。

人工投入碳排放：El=Vl×T …………………… (6)式中：Vl 为成人（体重60 kg）每天呼出的CO2 体积，取值0.92 kgCO2/天[24]；T 为一个作物生长季投入的人工总数（天/hm2）。

1.3.2 碳的产出量作物的碳产出量是指作物通过光合作用固定在总生物量中的C量，主要包括地上部分生物量中的C量和根系中的C量，其中地上部生物量中的C量以及总生物量中的C量可以通过作物的经济产量推算得到[12,18]。碳产出量计算参照史磊刚等[15]方法，并略做调整，见式(7)~(9)。

经济产量中的含C量：CG=Y×(1-w2)×a ……… (7)式中：CG的单位是kgC；Y为经济产量，单位是kg；w2为经济产量的含水量，水稻和小麦分别为14%和13%；a 为生物量与含C 量的转化系数，水稻、小麦分别取0.41 和0.48[25]。

地上部生物量中的含C量：CA=CG/H ………… (8)式中：H 为经济系数，水稻、小麦分别取0.45 和0.40[25]。

总生物量中的C量：CT=CA/(1-R)……………… (9)式中：R为根冠比系数，水稻和小麦分别取0.17 和0.14[18]。

1.3.3 碳效率作物的碳效率主要包括碳的生产效率、碳的经济效率以及碳的生态效率3 种[26]。作物生产中碳的生产效率是经济产量与碳投入量的比值，是衡量碳投入的经济产量的指标；作物生产中碳的经济效率是指经济产值与碳投入量的比值，是衡量作物生产经济效益的指标；作物生产中碳的生态效率是指作物通过光合作用固定在体内的碳量与碳投入量的比值，是评估农业生产可持续性的指标之一[18]，其数值越大，表明碳汇能力越强，农业生产可持续性越高。3 种碳效率计算参照史磊刚等[15]方法，见式(10)~(12)：作物生产过程中碳生产效率：CC=Y/E ……… (10)式中：CC的单位是kg/kgC，Y 为经济产量，E 为碳投入总量。

作物生产过程中碳经济效率：CE=(Y×P)/E … (11)式中：CE的单位是元/kgC，P为产量的价格。作物生产过程中碳生态效率：Cs=CT/E …… (12)式中：Cs 单位是kgC/kgC，CT 为总生物量中的C量。

1.3.4 经济效益通过记录不同耕作方法下作物生产中的物质（种子、化肥、农药、灌溉、机电等）投入和劳动力投入情况，统计不同作物的实收产量，按照当地的投入与产品的市场价格分别计算不同耕作方法的成本与产值，进行经济效益评价与分析。笔者主要采用纯收益、劳力成本收益率以及物质成本收益率作为经济效益的评价指标，其计算公式见式(13)~(16)。

纯收益= 产值- 物质成本- 劳力成本…………………………………………………… (13)物质成本=种子投入成本+化肥投入成本+农药投入成本+灌溉水投入成本+机电投入成本……… (14)劳力成本收益率=（产值-物质成本）/劳力成本…………………………………………………… (15)物质成本收益率=（产值-劳力成本）/物质成本…………………………………………………… (16)式中：纯收益和物质成本单位为元/hm2，劳力成本收益率和物质成本收益率单位为元/元[27]。调查得到的农田物质投入的数量与价格见表2，可用于物质成本和劳力成本的估算。

2 结果与分析

2.1 碳的投入量及构成

水稻和小麦2 种作物从播种到收获整个过程中，碳的投入包括种子、化肥、农药、灌溉、机耕和劳动力6个部分。根据试验记录的各种农资和能源的投入量，利用式(1)~(6)，计算出2 种耕作方式下稻麦的碳投入量（表3）。与机械化耕作相比，保护性耕作下稻季和麦季的种子和机耕碳投入均有所降低，麦季由于施用有机肥，化肥的碳投入量也有所降低，但劳动力的碳投入均有所增加，但其增加量要少于物质碳投入减少量，所以保护性耕作在稻季和麦季的碳的总投入量均低于机械化耕作。稻季和麦季的碳投入量相加之和，则为年度碳投入量，保护性耕作和机械化耕作的年度碳投入总量分别为1836.3 kgC/hm2和2290.5 kgC/hm2，保护性耕作减少了19.8%（表3）。

从图1 可知，2 种耕作方式下年度碳投入构成中，均以化肥部分所占比例最大，占总量的45%左右；灌溉消耗电能部分所占比例也较大，均在20%以上，而机械投入消耗柴油部分的碳投入，机械化耕作显著增加，占总量的25%左右，保护性耕作仅占13%左右，投入较少。劳动力消耗的碳投入均较少，但保护性耕作要高于机械化耕作。农药部分和种子碳投入占总投入量的比例最小，均在5%以下。

2.2 碳的产出量

作物生产中碳产出量与作物的经济产量和总生物量密切相关。保护性耕作下水稻和小麦的产量分别为10.17 t/hm2 和7.19 t/hm2，较机械化耕作增加了10.8%和15.4%（表4）。2 种耕作方式下作物的碳产出量与产量表现相一致，保护性耕作均要高于机械化耕作，其年度的碳产出总量为18.23 tC/hm2，较机械化耕作增加了12.9%（表4）。

2.3 碳效率

根据水稻和小麦的生产数据，利用公式(10)~(12)，分别得到不同耕作方式下2 种作物的生产中的碳生产效率、生态效率和经济效率（图2）。

由图2 可知，保护性耕作方式下稻季、麦季以及年度的作物碳生产效率分别为7.39、15.62和9.45 kg/kgC，机械化耕作方式下作物碳生产效率则分别为6.00、8.18 和6.73 kg/kgC。保护性耕作下的碳生产效率均高于机械化耕作，其中麦季的碳生产效率高出的最多，达到91.0%。作物的碳生态效率、经济效率与生产效率趋势相一致，也均表现为保护性耕作在稻季、麦季以及年度均高于机械化耕作，麦季增加的最多。保护性耕作下年度生态效率和经济效率分别为9.93 kgC/kgC 和18.36 元/kgC，较机械化耕作增加了40.80% 和40.26%。表明保护性耕作方式下作物的碳汇能力强，农业可持续性高，单位面积碳带来的经济价值也要高。2.4 经济收益

2 种方式下稻麦的生产均能获得收益，但保护性耕作增加的更多，稻麦年度纯收益达到20.25×103元/hm2，较机械化耕作增加了22.8%（表5）。保护性耕作方式产值的显著增加是收益增加的主要原因，2 种耕作方式下稻麦两季年度的总投入成本分别是13.47×103元/hm2和13.50×103元/hm2，没有显著差异（表5）。从成本构成来看，与机械耕作方式相比，保护性耕作降低了稻麦生产上的物质成本，却显著增加了劳动力投入的成本，因此保护性耕作下稻麦生产有更高的物质成本收益率，而较低的劳力成本收益率（表5）。

3 讨论

3.1 不同耕作方式下碳效率的比较

研究中发现2 种耕作方式下作物生产的碳效率差异显著，保护性耕作下水稻、小麦以及年度的生产效率、经济效率和生态效率均显著高于机械化耕作方式。碳投入量的不同是造成2 种耕作方式作物碳效率不同的重要原因，保护性耕作下作物在种子、化肥和机耕的碳投入量均要低于机械化耕作方式，但由于没有机械的投入，需要更多的人工进行播种、育秧以及有机肥施用等，其人工的碳投入要高于机械化耕作，但人工方面增加的碳投入要显著低于在其他方面的减少的碳投入，因此保护性耕作下总的碳投入量要显著低于机械化耕作下的碳投入量。另外保护性耕作下稻麦的经济产量和生物产量也均高于机械化耕作，这也是造成2 种耕作方式碳效率差异的重要原因。

在研究中，笔者也发现保护性耕作和机械化耕作2 种方式下年度的总碳投入构成中，化肥约接近总量的一半，灌溉消耗的电能约占总量的1/5 以上，化肥和灌溉两部分约占总量的70%左右，而中国农业尤其是集约高产区的农业，化肥和水分普遍存在浪费的现象[28-29]，因此，降低肥水的投入量，提高其利用效率是提高作物生产碳效率的关键。另外，与保护性耕作相比，机械化耕作消耗柴油的碳投入接近碳总量的1/4，主要是由于大功率机械进行秸秆粉碎旋耕还田需要消耗大量的柴油，而保护性耕作则采用秸秆覆盖或留高茬方式还田，减少机械的投入。因此，稻田秸秆还田少、免耕也是提高作物生产碳效率的关键。

3.2 不同耕作模式下稻麦生产的成本投入与收益前人研究表明[30-31]，提高粮食价格和粮食单产是促进农户增加收益的重要因素，而生产成本的增长是阻碍粮食生产收益的主要因素。生产成本的增长又主要源于物质服务费用、人工成本的增长。研究结果表明，2 种耕作方式下稻麦两季生产总的成本投入差异不大，从成本构成来看，保护性耕作减少了种子，化肥以及机械等物质投入，但增加了劳动力的投入成本。这主要是由于保护性耕作方式采用了化肥有机肥的配施，精确定量播种以及湿润育秧等劳动密集型技术，需要更多的人工投入。这些栽培技术的采用也有利于提高稻麦的产量，因此保护性耕作下稻麦两季总的纯收益较机械化耕作增加了22.8%。这表明保护性耕作既能提高作物生产的固碳能力，也能增加经济收益，实现环境效益与经济效益的双赢。

但孙昊等[32]研究表明，近年来工日价快速上涨，造成了生产成本中人工成本比例显著提高。2010 至2012 年，每公顷用工日累计减少了22%，而工日价累计上涨了200%，这并不有利于保护性耕作下稻麦经济收益的进一步提高。因此，笔者课题组在今后的研究中将重点探讨秸秆还田保护性耕作模式相应的低功率配套机械开发与研制，减少人工成本的投入，但同时不会显著增加机械投入带来的碳投入量从而降低碳效率。

3.3 研究存在不足

笔者计算了稻麦生产中主要的碳投入和碳产出量，初步评价了保护性耕作方式和机械化耕作方式下的稻麦生产的碳效率，研究结果加深了对农业固碳减排的认识，为今后开展低碳农业研究提供了科学依据。但笔者对于秸秆还田下不同耕作方式对土壤碳库的影响未有研究。前人研究表明，秸秆还田条件下翻耕、旋耕、免耕均能促进土壤有机碳的积累[33-34]，但秸秆还田后会通过影响土壤中微生物量和微生物群落，以及改变土壤物理化学性质等来提高土壤呼吸强度，增加土壤CO2排放[35-36]。李成芳等[37]研究表明，免耕稻田秸秆还田不仅能提高土壤固碳量，加大稻田固碳对减缓全球变暖的贡献，同时也能有效降低秸秆还田后稻田温室气体增排对稻田土壤固碳效益的抵消作用。试验中基于秸秆全量还田条件的保护性耕作方式下稻田土壤固碳的效应如何，还需做进一步研究。

4 结论

研究结果表明，与稻麦周年机械化耕作方式相比，麦稻宽行交互保护性耕作技术模式在稻麦生产中减少了种子、肥料以及机械油耗等碳成本的投入，增加了碳产出量，提高了碳效率，起到固碳减排的效应，同时也能增加稻麦的经济产值和收益，最终实现环境效益和经济效益的双赢。

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