全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(8): 1485−1490 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB951502)和国家公益性行业(农业)科研专项(200903003)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 陈阜, E-mail: chenfu@cau.edu.cn, Tel:010-62733316
第一作者联系方式: E-mail: shileigang923@126.com
Received(收稿日期): 2011-01-24; Accepted(接受日期): 2011-04-27; Published online(网络出版日期): 2011-06-13.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110613.1452.007.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01485
华北平原主要作物生产的碳效率研究初报
史磊刚 范士超 孔凡磊 陈 阜*
中国农业大学农学与生物技术学院 / 农业部农作制度重点开放实验室, 北京 100193
摘 要: 提高农作物生产的碳效率是实现低碳农业的重要途径之一。为探明农业生产中的碳效率, 本文以河北吴桥
县为例, 基于农户生产调查数据, 利用投入产出法, 对华北平原冬小麦、夏玉米和棉花 3种主要作物生产的碳投入、
碳产出和碳效率进行了评价。结果表明 , 冬小麦、夏玉米和棉花生产的碳投入总量分别为 943.47±225.14、
525.74±134.73和 513.60±138.94 kg CE hm−2, 其中化肥和电能占总量的大部分, 分别约占 60%和 25%。3种作物碳的
产出总量分别为 8 430.70±774.45、7 194.50± 754.58和 5 486.00±547.69 kg CE hm−2, 其中秸秆约占总量的 50%, 经济
产量约占 34%, 根约占 17%。冬小麦、夏玉米和棉花碳的生产效率分别为 7.95±2.55、15.90±4.34和 7.60±2.92 kg kg−1
CE, 碳的经济效率分别为 13.28±4.56、21.47±5.86 和 76.70±29.45 CHY kg−1 CE, 碳的生态效率分别为 9.59±3.07、
14.57±3.98和 11.69±4.49 kg C kg−1 CE, 作物间的碳效率差异显著, 初步表明在华北平原, 夏玉米生产的碳综合效率
最高, 棉花次之, 冬小麦最低。
关键词: 华北平原; 冬小麦; 夏玉米; 棉花; 碳效率; 低碳农业
Preliminary Study on the Carbon Efficiency of Main Crops Production in
North China Plain
SHI Lei-Gang, FAN Shi-Chao, KONG Fan-Lei, and CHEN Fu*
College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University / Key Laboratory of Farming System, Ministry of Agriculture, Beijing
100193, China
Abstract: Improving the carbon efficiency of crop production is one of the important ways to realize the low-carbon agriculture. In
order to get a clear understanding of carbon efficiency in agricultural production, this paper, based on the investigation data of the
farmer’s production, applying input and output calculation method, evaluated the carbon input, carbon output and carbon efficiency
in production of the three major crops, winter wheat, summer maize and cotton, in Wuqiao County of Hebei Province in North China
Plain. The results were as follows: the carbon input of winter wheat, summer maize and cotton was 943.47±225.14, 525.74±134.73,
and 513.60±138.94 kg CE ha−1, of which fertilizers and electricity accounted for a majority, about 60% and 25% respectively. The
carbon output of the three major crops was 8 430.70±774.45, 7 194.50±754.58, and 5 486.00±547.69 kg CE ha−1 respectively, of
which straw accounted for 50%, economic yield accounted for 34%, and root accounted for 17%. The carbon production efficiency
of winter wheat, summer maize and cotton was 7.95±2.55, 15.90±4.34, and 7.60±2.92 kg kg−1 CE, respectively. The carbon
economic efficiency of the three crops was 13.28±4.56, 21.47±5.86, and 76.70±29.45 CHY kg−1 CE, respectively. The carbon
ecological efficiency of the three crops was 9.59±3.07, 14.57±3.98, and 11.69±4.49 kg C kg−1 CE, respectively. There were signifi-
cant differences in the carbon efficiency of the three major crops. Preliminary results showed that the carbon integrated efficiency of
summer maize was the highest, followed by cotton, which in turn had higher the efficiency than winter wheat in North China Plain.
Keywords: North China Plain; Winter wheat; Summer maize; Cotton; Carbon efficiency; Low-carbon agriculture
资源效率是指消耗或占有单位数量的资源所产生的
有效价值量, 农业资源效率是衡量农业可持续发展的重
要指标之一[1-2]。碳作为农业生产系统中的一种重要资源,
其效率是指投入单位数量碳所产出的经济产量和经济价
1486 作 物 学 报 第 37卷

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[3-4]。国内外学者对土地、光照、水和肥等资源在
农业生产中的效率, 以及如何提高资源效率进行了广泛
的研究[5-6]。但是, 对碳效率的研究是随着人类对气候变
暖重视程度的提高才逐步开展的, 目前还处于起步阶段。
Canadell 等[4]研究表明, 人类活动过程中碳效率的降低是
大气中 CO2浓度增加的一个重要原因。Burney 等[7]指出
通过提高农业中的碳效率, 可以增加农业的碳汇能力。
Mrini 等[8]在摩洛哥研究了甜菜不同种植规模的碳效率,
并发现小规模的碳效率大于大规模。Dubey等[9]测算了美
国俄亥俄州和印度旁遮普邦农业的碳效率, 并对两地农
业生产的可持续性进行了评价。国内学者已经开始研究农
业生产的“隐型碳消耗量”问题[10], 部分学者对水稻-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
行了研究 [11-12]。作物生产系统的碳源/碳汇总量均很大 ,
并且具有巨大的固碳减排潜力。目前, 有关作物生产的碳
效率研究鲜有报道。本研究从计算作物生产过程中碳投入
和产出的总量和构成出发, 对华北平原冬小麦、夏玉米和
棉花 3种主要作物生产中碳的生产、经济和生态效率及其
差异性进行初步的分析。研究结果可以进一步深化对农业
固碳减排的认识, 为实现低碳农业提供科学依据。
1 研究对象与方法
本研究以河北省吴桥县为典型区域(东经 116°19′~
116°24′, 北纬 37°29′~37°47′之间), 对华北平原冬小麦、
夏玉米和棉花从播种到收获整个农业生产过程中的碳投
入量和产出量进行实地调研 , 并基于投入产出法 , 初步
探讨这 3种作物生产的碳效率。
1.1 碳的投入量
作物的碳投入量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、机械和灌溉造成的间接
碳排放总量[3,9]。
I
1 1
( )
n n
i i
i i
C C mβ
= =
= =∑ ∑
式中, CI为某种作物的碳投入总量, n 表示该作物从播种
到收获整个过程消耗了 n种能源(柴油和电能等)或农业生
产资料(化肥、农药和种子等), Ci表示第 i种能源或农资的
碳排放量, m为消耗第 i种能源或农资的量, β为第 i种能
源或农资的碳排放参数, 碳投入量统一用碳当量来表示,
单位是 kg CE, 各种农资或能源的碳排放参数见表 1。

表 1 各种农业资料的碳排放系数
Table 1 Index of carbon emission of different material for agri-
cultural production
项目
Item
碳排放参数
Index of carbon emission
参考文献
Reference
氮肥 N 1.74 kg CE kg−1 [13]
磷肥 P2O5 0.20 kg CE kg−1 [3]
钾肥 K2O 0.15 kg CE kg−1 [3]
除草剂 Herbicides 6.30 kg CE kg−1 [3]
杀虫剂 Insecticides 5.10 kg CE kg−1 [3]
灭菌剂 Fungicides 3.90 kg CE kg−1 [3]
柴油 Diesel 0.94 kg CE kg−1 [3]
电能 Electricity 0.25 kg CE kW h−1 [13,14]
小麦种子 Wheat seed 0.11 kg CE kg−1 [15]
玉米种子 Maize seed 1.05 kg CE kg−1 [15]
棉花种子 Cotton seed 0.65 kg CE kg−1 [15]

1.2 碳的产出量
本研究中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。作物的生物量由经济产量、秸
秆产量和根量组成(棉花的经济产量为籽棉)[3,9], 秸秆产
量、根量和生物总量均是由经济产量推算得到。
经济产量的含 C量: CG=M×(1–w)×0.45
秸秆含 C量: CS= CG/H–CG
根含 C量: CR= (CG+ CS)×R
总生物量中的含 C量: CO= CG+CS+CR
上述公式中, CG、CS、CR和 CO的单位均是“kg C”; M
为经济产量, 单位是 kg, w 为经济产量的含水量, H 为经
济系数, R为根冠比系数, 0.45为生物量与含 C量的转化
系数[16], 各参数主要参考 Lal 等[9]和 Fang 等[16]的研究结
果(表 2)。

表 2 作物的经济系数、含水率和根冠比
Table 2 Economic coefficient, water content, and root-shoot ratio of crops
参数
Parameter
冬小麦
Winter wheat
夏玉米
Summer maize
棉花
Cotton
参考文献
Reference
经济系数 Economic coefficient 0.37 0.49 0.35 [16]
含水量 Water content 0.13 0.14 0.08 [16]
根冠比 Root-shoot ratio 0.14 0.16 0.30 [9]

1.3 碳效率
1.3.1 碳的生产效率 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
效率指标, 以下简称“生产效率”, 用 CC 表示, 单位是“kg
kg CE−1”。生产效率越高, 表明投入单位数量碳, 产出的
经济产量越多。
本研究中作物生产过程中碳的生产效率: CC=M/CI
1.3.2 碳的经济效率 作物生产中碳的经济效率是经
济产值与碳投入量的比值, 是测量作物生产经济效益的
指标, 以下简称“经济效率”。经济效率越高, 表明作物生
第 8期 史磊刚等: 华北平原主要作物生产的碳效率研究初报 1487


产中投入单位数量碳获得的经济价值越多[4]。本研究中用
经济产量的经济价值表示作物碳的经济效益, 其值为经
济产量与单价的乘积。
本研究中 3 种作物生产过程中碳的经济效率 :
CE=(M×P)/CI
CE的单位是“CHY kg−1 CE”, M为经济产量, P为经济
产量的价格。依据 2009 年的《全国农产品成本收益资料
汇编》[17], 小麦、玉米和棉花(籽棉)的单价分别为 1.76、
1.35和 10.09 CHY kg−1。
1.3.3 碳的生态效率 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[9], 以下简称“生态
效率”, 用 CS表示, 单位是“kg C kg−1 CE”。其值小于 1, 表
明农业生产投入的碳量大于产出碳量, 该农业生产系统
是碳源, 数值越接近 0, 说明碳排放强度越大, 农业生产
的可持续性越低; 碳的生态效率大于 1, 表明固定的碳量
大于投入量, 该农业生产系统是碳汇, 数值越大, 表明碳
汇能力越强, 农业生产可持续性越高。
本研究中 3种作物生产中碳的生态效率: CS= CO/CI
1.4 数据来源与分析方法
本研究数据来源于河北吴桥县的农户生产调查, 在
吴桥县随机选取 4个乡镇, 每个乡镇随机选取 3个村, 每
个村选取 15户左右农户(包括农业技术员、农机大户和普
通农户), 调查内容包括作物单产、化肥用量、灌溉用电
量、农机投入消耗的柴油量、播种量和农药用量。共获取
冬小麦的有效问卷 136份, 夏玉米有效问卷 136份, 棉花
有效问卷 106份, 采用 SPSS13.0和 Microsoft Excel 2007
统计软件进行方差分析和作图。
2 结果与分析
2.1 碳的投入量及构成
冬小麦、夏玉米和棉花 3 种作物从播种到收获整个
过程中, 碳的投入包括化肥、农药、柴油、电能和种子五
大部分, 依据实地调研获取的各种农资和能源的投入量,
利用 1.1中的公式, 计算出这 3种作物的碳投入量清单(表
3)。种植 1 hm2冬小麦、夏玉米和棉花的总的碳投入量分
别是 943.47±225.14、525.74±134.73 和 513.60±138.94 kg
CE, 冬小麦生产的碳投入量最高, 夏玉米和棉花的差异
不显著。
冬小麦生产中化肥和电能的投入量均显著高于夏玉
米和棉花 , 夏玉米和棉花的差异不显著; 冬小麦生产中
柴油部分的碳投入量也是最多, 棉花次之, 夏玉米最少;
夏玉米生产中种子部分的碳投入量最多 , 小麦次之 , 棉
花最少; 夏玉米生产中农药部分的碳投入量最多 , 棉花
次之, 冬小麦最少。
图 1 表明, 总体上, 3 种作物的碳投入构成中, 均以
化肥部分所占比例最大 , 占总量的一半以上; 灌溉消耗
电能部分所占比例次之, 约为 1/4; 机械投入消耗柴油部
分的碳投入较少, 冬小麦和棉花约占各自总量的 1/10, 夏
玉米约占 2%; 种子部分的碳投入占各自总量的 5%左右; 农
药部分碳投入占总碳投入量的比例最小, 均在 3%以下。
2.2 碳的产出量及构成
作物生产中碳产出量是指作物整个生育期过程中通
过光合作用积累的生物量中的含 C 量, 依据实地调查获
得的作物经济产量, 利用 1.2 中相关公式, 分别计算出种
植 1 hm2冬小麦、夏玉米和棉花的生物产量及经济产量、
秸秆和根各部分的含 C 量(表 4)。由表 4 可知, 冬小麦、
夏玉米和棉花生产的碳产出总量分别是 8 430.70±774.45
kg CE hm−2、7 194.50±754.58 kg CE hm−2和 5 486.00±
547.69 kg CE hm−2。
3种作物间碳产出的构成中 , 经济产量部分是夏玉
米最多, 冬小麦次之, 棉花最少; 秸秆部分是冬小麦最多,
夏玉米次之, 棉花最少; 根部分是棉花最多, 冬小麦次之,
夏玉米最少。作物内碳产出的构成情况均是秸秆部分所占

表 3 碳投入量清单
Table 3 List of carbon input (mean±SD, kg CE hm−2)
项目
Item
冬小麦的碳投入量
CI of winter wheat
夏玉米的碳投入量
CI of summer maize
棉花的碳投入量
CI of cotton
氮肥 N 429.11±112.31 299.92±105.92 287.63±105.61
磷肥 P2O5 36.02±17.65 18.76±10.68 22.36±15.20
化肥 Fertilizer
钾肥 K2O 11.40±7.36 9.63±5.54 17.38±7.72
除草剂 Herbicides 0.22±0.25 11.99±7.86 4.93±2.20
杀虫剂 Insecticides 0.93±1.08 1.90±1.98 2.78±2.56
农药 Pesticide
灭菌剂 Fungicides 1.42±1.49 1.30±1.97 3.36±4.05
秸秆还田 Returning straw to field 39.08±7.43 0 0
旋耕 Rotary tillage 35.96±4.99 0 33.52±6.38
播种 Sowing 10.25±2.77 9.60±3.60 10.83±2.61
柴油 Diesel
收获 Harvesting 34.37±5.27 0 0
灌溉 Irrigation 电能 Electricity 309.01±181.44 125.87±96.10 106.92±83.97
种子 Seed 35.72±4.54 46.77±8.83 23.88±7.92
合计 Sum 943.47±225.14 525.74±134.73 513.60±138.94
CI: input of C.
1488 作 物 学 报 第 37卷


图 1 作物生产的碳投入的组成
Fig. 1 Composition of the carbon input in crop production

表 4 碳产出量清单
Table 4 List of carbon output (mean±SD, kg CE hm−2)
项目
Item
冬小麦的碳产出量
CO of winter wheat
夏玉米的碳产出量
CO of summer corn
棉花的碳产出量
CO of cotton
经济产量 Economic yield 2736.28±251.36 3039.05±318.75 1477.00±147.45
秸秆 Straw 4659.07±427.99 3163.10±331.76 2743.00±273.84
根 Root 1035.35±95.12 992.34±104.08 1266.00±126.39
生物产量 Biomass 8430.70±774.45 7194.50±754.58 5486.00±547.69
CO: carbon output.

比例最高, 约占 50%; 经济产量部分约占 34%; 根部分所
占比例最低, 约占 17%。
2.3 碳效率及差异性分析
基于实地调查所得的冬小麦、夏玉米和棉花的生产
数据, 利用 1.3 中的相关计算公式, 分别得到 3 种作物生
产中碳的生产效率、经济效率和生态效率(图 2)。
由图 2可知, 冬小麦、夏玉米和棉花生产中碳的生产
效率分别为 7.95±2.55、15.90±4.34和 7.60±2.92 kg kg−1 CE,
夏玉米的碳生产效率最高, 冬小麦次之, 棉花最少; 碳的
经济效率分别为 13.28±4.56、21.47±5.86 和 76.70±29.45
CHY kg−1 CE, 可见种植棉花碳的经济效率最好, 是种植
夏玉米的 3倍多, 是冬小麦的近 6倍, 种植夏玉米碳的经
济效率也显著高于冬小麦 ; 碳的生态效率分别是
9.59±3.07、14.57±3.98和 11.69±4.49 kgC kg−1 CE, 3种作
物碳的生态效率均显著大于 1, 表明种植冬小麦、夏玉米
和棉花的生产系统均有显著的碳汇作用, 并且夏玉米生
产系统的碳汇能力最强, 棉花次之, 冬小麦最弱。表明 3
种作物间的碳效率差异显著, 并且可以初步断定在华北
平原, 夏玉米生产的碳综合效率最高, 棉花次之, 冬小麦
最低。

图 2 作物生产的碳效率
Fig. 2 Carbon efficiency of crop production

3 讨论
3.1 碳效率的区域差异
农业生产中碳的效率受种植模式、生产管理方式及
社会经济条件等多方面因素的影响, 故而不同区域农业
生产的碳效率差异显著。Mrini 等[8]在摩洛哥研究甜菜在
小农场的碳效率是 6.3 kg C kg−1 CE, 而在大农场里碳效
率是 4.1 kg C kg−1 CE。Dubey等[9]测算了美国俄亥俄州
第 8期 史磊刚等: 华北平原主要作物生产的碳效率研究初报 1489


2000—2004年间农业碳效率在 29~43 kg C kg−1 CE之间,
而相同时期印度旁遮普邦的农业的碳效率在 11.6~16.5 kg
C kg−1 CE之间。Canadell等[4]计算 2000年全球碳的经济
效率为 4.17 US$ kg−1 C。李洁静等[12]评价红壤农田生态系
统和太湖农田生态系统中碳的生产效率分别为 5.56 kg
kg−1 CE和 2.94 kg kg−1 CE。本研究结果与前人研究结果
存在着差异, 主要原因是本研究所选的河北吴桥县是典
型的农业大县 , 种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟制 ,
生产管理方式高度集约化, 在水肥等投入及经济产量等
方面与国外的一年一熟制和国内的水稻生产系统均存在
显著差异。此外, 华北平原各个亚区之间在生产管理措施
等方面也存在差异, 冬小麦、夏玉米和棉花生产的碳效率
也有所不同, 因此本研究的结果仅适用于河北吴桥区域,
在研究华北平原其他亚区中作物生产的碳效率时需要重
新分析。总之, 由于农业的碳效率研究尚处起步阶段, 各
研究结果是在不同的情景下得到的, 并且相对粗糙。因此
建议今后加强研究相同种植模式和作物, 以及相同区域
内不同种植模式的碳效率 , 以便提炼共性问题 , 使农业
生产的碳效率研究成果更有效地为低碳农业服务。
3.2 不同作物间碳效率的差异性
本研究发现 3 种作物生产的碳效率差异显著。冬小
麦碳的经济和生态效率均最低 , 生产效率居中 , 夏玉米
碳的生产和生态效率均最高 , 经济效率居中 , 棉花碳的
经济效率最高, 生态效率居中, 生产效率最低。碳投入量
不同是造成 3种作物碳效率不同的主要原因, 冬小麦生育
期自然降雨少 , 因此需要大量的人工灌溉 , 同时冬小麦
在当地已经实现机械化播种和收获, 而夏玉米和棉花生
育期内降雨多, 所需人工灌溉量少, 同时还是人工收获;
另外由于冬小麦、夏玉米和棉花本身的特性和社会经济需
要造成作物间的经济产量、生物产量和经济产值各不相同,
这也是造成作物间碳效率差异的重要原因。
3.3 提高碳效率的途径
冬小麦、夏玉米和棉花生产的碳投入构成中, 化肥均
占总量的一半以上, 灌溉消耗的电能约占总量的 1/4, 化
肥和灌溉两部分约占总量的 85%, 而我国农业尤其是集
约高产区, 化肥和水分普遍存在浪费的现象 [18-19], 因此,
降低肥水的投入量, 提高利用效率是提高作物生产的碳
效率的关键; 3 种作物的碳产出量构成中, 秸秆部分约占
总量的一半, 而目前我国农业生产中秸秆有效利用率较
低 [20], 因此 , 拓展秸秆有效利用的方式是提高农业的碳
效率的新途径; 3 种作物生产的碳效率优劣差异显著, 因
此, 选择种植化石能耗少, 生态适应性好, 能够更好地满
足社会经济需求的作物, 是提高农业生产碳效率的重要
途径之一。
3.4 研究中存在的不足
本研究计算了作物生产中主要的碳投入和产出, 初
步评价了华北平原冬小麦、夏玉米和棉花 3种主要作物生
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。但是本研究中
所用参数是借鉴前人研究结果, 土壤碳库和前季作物的
影响尚未考虑, 碳投入总量没有包括人力、畜力和机械磨
损, 所得结果与实际值之间会有一定的差异, 因此, 本研
究室将通过布置试验, 实测数据来完善参数和排除背景
影响 , 获取更科学的试验结果 , 同时也将进一步开展碳
效率差异原因及如何提高碳效率方面的研究, 为最终构
建低碳农田生态系统做铺垫。
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