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,因此產量成為了人們所追求的目標,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利用,溫室氣體排放增加。農業不同于其他的產業部門,在增加或減少溫室氣體排放的同時也伴隨著土壤結構的改善。

農田生態系統循環是土壤、作物以及外界環境之間的相互作用、相互影響的一個過程,這個過程相對比較復雜,會受到氣候條件、種植制度、耕作措施、土壤性質以及農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田的碳排放發生變化,產生“碳源”和“碳匯”的連鎖效應。

碳足跡作為一種新型的評價方法,成為了近年來關注的重點。某種活動所引起的或某種產品生命周期內積累的直接、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)。農田碳足跡主要分為兩種,一類是直接導致碳排放增加的直接碳足跡,主要包括在農業生產過程中,由于使用農業機械所產生的柴油消耗和施用化肥所產生的碳排放量；另一類是間接導致碳排放增加的間接碳足跡,主要是指農藥、種子等在生產運輸以及灌溉的過程中所產生的碳排放。大氣中來源于農業活動的的CO₂、CH₄和N₂O的比例分別為20%、70%和90%。

1.化肥施用對農田碳足跡的影響

化肥是影響農田碳足跡的主要因素,且呈現逐年上升的趨勢。2001-2016年我國化肥施用量出現了一定的下降趨勢,但化肥使用仍然是農業生產中最大的碳排放源,且我國化肥的使用強度也要遠高于發達國家公認的安全紅線。農藥及化肥的大量使用,跟農作物轉化率有關,因為農作物吸收農藥及化肥約為10%~20%,所以80%~90%的農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,同時造成土地污染及水質污染。使用化肥雖然能夠快速使糧食產量增加,但由此產生的碳問題也十分嚴重,因此化肥的合理施用是減少碳排放和碳足跡的關鍵問題所在。

2.作物類型對農田碳足跡的影響

眾多研究表明,農作物類型也會對農田碳足跡產生一定的影響。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濟作物；例如,在東北地區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,還會對農作物以及土壤環境造成不利的影響,導致土壤和環境污染,而氮肥的施用量又是與農田生態系統的碳排放量密切相關的。

不同種類農作物對光能的吸收利用效率也不同,造成農作物的碳吸收量存在不同程度的差異,產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植物的區別主要體現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田碳足跡。

3.灌溉對農田碳足跡的影響

灌溉在農作物生長發育過程中起著關鍵作用,在農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%,包括青海在內的12個省也已超過全國平均水平。在農田碳足跡中,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,還可以降低農田碳足跡。

4.農業機械對農田碳足跡的影響

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

農機廢油污染是油料泄露的重要部分。廢油是指農機維修保養時,清洗零配件的廢柴油,更換的廢機油、廢齒輪油等。調查顯示,農機維護保養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。

農業機械使用過程中所產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.不同耕作措施對農田生態系統碳足跡的影響

不同的耕作措施對農田碳足跡的影響也不同。在農業生產活動中,離不開農業機械的使用,而對于農業機械的使用,不同耕作措施下的碳足跡差異主要與農業生產過程中的農業機械使用量有關,免耕因為減少耕作過程中的機械使用,從而與傳統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生的碳排放80%以上是由整地、播種和收獲產生的。免耕與傳統耕作措施相比,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。