印度比哈尔邦小麦种植过程中的温室气体排放及碳足迹

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：GHG emissions and carbon footprint in wheat cultivation practices in Bihar state of India

　　温室气体排放评估显示，免耕系统NT-6的碳补偿最高（2597.12 kg CO?-eq/ha），而NT-3的净碳排放最低（-439.85 kg CO?-eq/ha）。传统耕作（CP）因高化肥、柴油和机械能耗导致碳排放显著（CP-12达1111.24 kg CO?-eq/ha），且碳可持续性指数（CSI）普遍低于免耕系统。研究证实免耕技术通过减少土壤扰动、降低能源消耗及增强碳封存能力，成为气候智能型农业的有效实践。

　　在全球范围内，小麦作为仅次于水稻的第二大种植作物，不仅为人类提供重要的粮食和营养来源，还对温室气体（GHG）排放产生显著影响。随着气候变化问题日益严峻，评估小麦种植实践不仅需关注其产量，还应重视其对环境可持续性的贡献。本研究聚焦于印度比哈尔邦，对传统耕作（Conventional Tillage, CP）与免耕（No-Tillage, NT）小麦生产系统进行了全面分析，重点考察了二氧化碳当量（CO?-equivalent）排放、能源消耗、碳补偿潜力以及碳可持续性指数（Carbon Sustainability Index, CSI）。研究结果显示，不同生产系统在碳排放和可持续性方面存在显著差异，为政策制定者、农业规划者和农民提供了科学依据，以推动更加环保的种植方式。

比哈尔邦位于印度中部的恒河平原，是印度重要的小麦产区之一。在这一地区，传统耕作方式通常涉及多个土壤准备步骤，如耕作、旋耕和使用旋转耕作机，随后进行播种，采用撒播、播种机或零耕播种等方式。而免耕系统则通过零耕播种机直接将种子播种在未翻耕的土壤中，减少了对土壤的扰动，同时在其他环节如灌溉、施肥和收获方面保持相似但可能有所差异的强度。研究发现，传统耕作方式不仅排放量较高，还依赖于不可再生能源，而免耕系统则在降低排放、提高碳效率和改善可持续性方面表现更为突出。这一发现为比哈尔邦乃至整个恒河平原地区的农业可持续发展提供了重要参考。

研究采用了碳足迹（Carbon Footprint, CF）分析方法，对不同小麦种植实践的温室气体排放进行量化评估。碳足迹的计算基于总排放量与单位产量的比值，能够直观反映单位产量所对应的环境成本。结果显示，农业投入的总排放量在1745.66至2239.27千克CO?-eq/公顷之间，其中间接能源来源在多个免耕系统中是主要的排放贡献者。此外，免耕系统表现出更高的碳补偿能力，其中NT-6的碳补偿量达到2597.12千克CO?-eq/公顷，而NT-3的净碳排放量最低，仅为16.76千克CO?-eq/公顷。这些数据表明，免耕系统不仅在降低碳排放方面具有显著优势，还能有效提高碳效率，减少对环境的负担。

碳足迹分析还揭示了不同生产系统的排放模式和主要来源。研究发现，化学肥料（包括尿素、磷酸二铵和氯化钾）是温室气体排放的主要来源，其贡献率在74.07%至82.66%之间。柴油燃料的使用在传统耕作系统中尤为突出，尤其是涉及机械化操作的环节，如耕作、播种、收获和秸秆管理。相比之下，免耕系统对肥料的依赖较低，从而显著减少了排放。此外，农业投入中的间接能源来源，如种子、肥料、农用化学品等，占总排放量的81%至88%，而直接能源来源（如人力、机械和电力）则贡献了12%至19%。这一结果表明，减少对非可再生能源的依赖是降低碳排放的关键。

研究进一步探讨了不同能源类型对碳排放的影响，包括直接能源、间接能源、可再生能源和不可再生能源。分析显示，不可再生能源（如汽油、柴油、电力、化学品和机械）在总排放中占主导地位，其贡献率高达89%至93%。这反映出当前小麦生产过程中对化石燃料和合成输入的高度依赖。而可再生能源（如人力、动物、种子和农家肥）则在排放中占比相对较小。这一发现强调了向可再生能源转型的必要性，以及优化能源使用效率对实现农业可持续性的关键作用。

为了全面评估不同种植方式的碳排放和可持续性，研究还引入了碳可持续性指数（CSI）这一指标。CSI的计算基于总碳排放与总碳补偿之间的差值，进而反映生产系统的整体碳平衡状况。研究结果显示，免耕系统在CSI方面普遍优于传统耕作方式，其中NT-4的CSI值达到0.079，而CP-1的CSI值则为-0.363。这一差异表明，免耕系统不仅能够减少碳排放，还能通过土壤碳固存和秸秆利用等方式实现碳补偿，从而提高农业的可持续性。相比之下，传统耕作系统由于较高的排放量和较低的碳补偿能力，CSI值普遍较低。

此外，研究还对不同生产系统的碳足迹进行了详细分析。结果显示，免耕系统在单位产量的碳排放方面显著优于传统耕作系统。例如，NT-3和NT-6的碳足迹分别为0.56和0.56千克CO?-eq/千克，而传统耕作系统CP-1的碳足迹高达0.82千克CO?-eq/千克。这表明，免耕系统在提升产量的同时，有效降低了单位产量的碳排放。这种高效的碳利用和减少的能源消耗，使得免耕系统成为一种符合气候智慧农业理念的可持续生产方式。

碳补偿的计算基于秸秆的产量和其固碳能力。研究发现，NT-6的碳补偿量最高，达到2907.17千克CO?-eq/公顷，而CP-1的碳补偿量最低，仅为1866.15千克CO?-eq/公顷。这一差异主要归因于不同系统在秸秆产量和碳固存能力上的不同表现。免耕系统通过减少土壤扰动和提高土壤有机碳含量，显著提升了碳补偿潜力。而传统耕作系统由于较低的秸秆产量和较差的碳固存能力，碳补偿能力相对较弱。

净碳排放的计算则进一步揭示了不同生产系统的碳平衡状况。结果显示，所有免耕系统均表现出负的净碳排放，表明其在碳固存方面具有显著优势。其中，NT-3的净碳排放最低，达到-439.85千克CO?-eq/公顷，而CP-12的净碳排放最高，达到1111.24千克CO?-eq/公顷。这些数据表明，免耕系统不仅减少了碳排放，还通过碳固存实现了净碳吸收，从而在整体上改善了农业的碳平衡。相比之下，传统耕作系统由于较高的排放量和较低的碳补偿能力，净碳排放普遍较高。

在统计分析方面，研究采用了主成分分析（PCA）方法，以评估不同农业输入对碳排放的影响。Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）检验结果显示，数据集在进行因子分析时具有一定的适用性。PCA分析进一步揭示了主要的碳排放驱动因素，如灌溉和除草剂使用，它们对碳排放的贡献相对较小。这一结果表明，减少机械化程度和优化资源利用是实现低排放小麦生产的重要途径。同时，研究还发现，不同处理之间在碳排放和碳补偿方面存在显著差异，特别是免耕系统与传统耕作系统之间的对比。

综上所述，本研究的发现表明，免耕系统在降低碳排放、提高碳效率和改善农业可持续性方面具有显著优势。这些系统不仅减少了对不可再生能源的依赖，还通过减少土壤扰动和提高碳固存能力，为实现碳中和目标提供了可行路径。相比之下，传统耕作系统由于较高的能源消耗和较低的碳补偿能力，其碳排放量普遍较高。因此，推动免耕技术的广泛应用，结合更高效的资源利用方式和精准农业技术，是实现可持续小麦生产的有效策略。这些研究成果为政策制定者、农业规划者和农民提供了科学依据，以制定更加环保的农业政策，推动农业向低碳、可持续方向发展。