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“产业沼气”是指规模化的生产沼气,经净化和提纯成为生物天然气,直接通入天然气管网或以压缩气方式进行输送和装运供汽车使用的沼气。近年来为应对能源危机、减少温室气体排放,产业沼气在各国得到快速发展。产业沼气作物是产业沼气的重要原料,不仅要求生物天然气产量高,还要求环境效应好。碳平衡和水足迹反映了产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中碳的转化和水资源消耗,是评价产业沼气持续发展、筛选产业沼气作物的重要环境影响因子。产业沼气作物种植发酵及能源利用过程主要包括了作物田间种植、沼气厂厌氧发酵、生物天然气利用三个阶段,每个阶段都包含了碳和水的转化。田间种植阶段,作物通过光合作用吸收空气中CO2形成生物量的同时,土壤通过呼吸作用向大气排放CO2,但目前对产业沼气作物发酵利用过程碳平衡分析中这部分CO2未被计入。本研究选择了常规玉米云瑞88号、饲料玉米曲晨9号、杂交狼尾草、紫花苜蓿4种作物,在2012、2013年大春季（5-10月）进行产业沼气作物田间小区试验、作物秸秆发酵试验,测定了农田水量平衡、土壤碳排放、生物量、作物秸秆发酵产气量等指标,将产业沼气作物农田生态系统碳平衡与生命周期评价（life cycle assessment,LCA）原理结合,研究产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中的碳平衡;将水足迹（water footprint,WF）与生命周期评价原理结合,研究过程中的水资源消耗,为产业沼气可持续发展评价、产业沼气作物选择提供依据,也为减少温室气体排放和水资源高效利用提供理论依据。主要取得如下结果:1)不同产业沼气作物地上部分生物量、生物天然气产量及产能量均存在显著差异,均以杂交狼尾草最高、紫花苜蓿最低,玉米居中且曲晨9号高于云瑞88。4种作物观测期两季的生物量平均值分别为杂交狼尾草29004.1 kg/hm2、曲晨9号玉米25677.7 kg/hm2、云瑞88玉米23337.8 kg/hm2、紫花苜蓿11505.2 kg/hm2。其中玉米、杂交狼尾草、紫花苜蓿间生物量差异极显著,2种玉米间差异不显著。两季的生物天然气产量平均值分别为杂交狼尾草10502.1 m3/hm2、曲晨9号玉米7775.6m3/hm2、云瑞88号玉米6304.0 m3/hm2、紫花苜蓿3593.9 m3/hm2;产能量分别为356.4、263.9、213.9、121.9 GJ/hm2。玉米、杂交狼尾草、紫花苜蓿间生物天然气产量和产能量差异极显著,2种玉米间生物天然气和产能量差异显著。2)不同产业沼气作物种植发酵及能源利用的过程中,生物量水足迹、产能水足迹均以杂交狼尾草最低,紫花苜蓿最高,玉米居中且云瑞88号高于曲晨9号。曲晨9号玉米、云瑞88号玉米、杂交狼尾草和紫花苜蓿的生物量水足迹分别为0.222、0.243、0.205、0.360 m3/kg,产能水足迹分别为21.58、26.60、16.75、33.98m3/GJ。3)4种作物的农田土壤呼吸碳排放量以紫花苜蓿最大,杂交狼尾草最小,玉米居中且曲晨9号高于云瑞88号,裸地排放量小于作物的排放量。不同作物农田土壤呼吸碳排放量与气温、土壤温度、土壤含水量的相关性各不相同。农田土壤呼吸碳排放量分别为紫花苜蓿5459.5 kg/hm2、曲晨9号玉米3313.0 kg/hm 2、云瑞88号玉米3270.9 kg/hm2、杂交狼尾草2959.8 kg/hm2、裸地2377.0 kg/hm2。曲晨9号玉米、云瑞88号玉米、杂交狼尾草碳排放量间差异不显著,但它们与紫花苜蓿、裸地间达极显著差异。5个处理中仅曲晨9号玉米和云瑞88玉米农田土壤CO2排放速率和气温有显著的相关性,裸地和2种玉米的农田土壤CO2排放速率和土壤温度极显著相关。5个处理的CO2排放速率与土壤含水量显著相关,杂交狼尾草的相关系数最高,曲晨9号最低。从数据的一致性和获得的难易程度,玉米、杂交狼尾草、裸地选择土壤CO2排放速率与Tsp10（下午10 cm深处土壤温度）的三次函数作为计算模型,紫花苜蓿的为W10（10 cm深处的土壤含水量）的幂函数。4)产业沼气作物农田生态系统可能是CO2的汇,也有可能接近碳中性。4种作物农田净生态系统生产力的大小顺序是杂交狼尾草9723.7 kg/hm2>曲晨9号玉米8715.1 kg/hm2>云瑞88玉米8530.5 kg/hm2>紫花苜蓿-0.30 kg/hm2。2个玉米品种间的农田净生态系统生产力无显著差异,但玉米、杂交狼尾草、紫花苜蓿间均达显著性差异。紫花苜蓿农田生态系统的碳平衡接近碳中性,其他3种作物是CO2的汇。生产1 kg的干物质,曲晨9号玉米、云瑞88号玉米、杂交狼尾草、紫花苜蓿农田土壤排放的碳分别为0.119、0.125、0.090、0.429 kg,将裸地的碳排放扣除后,上述作物的土壤碳排放量分别为0.034、0.034、0.018、0.242 kg。从减少温室气体排放角度看,种植杂交狼尾草的效益远高于玉米、紫花苜蓿等作物。5)产业沼气作物种植、发酵及能源利用过程因作物不同既有可能是CO2的汇,也有可能是CO2的源,其中农田土壤呼吸碳排放是作物种植发酵及能源利用过程中的重要碳源。通常情况下,作物秸秆用于发酵,根和沼渣未被降解利用,在产业沼气作物种植、发酵及能源利用的过程中,在获得能源的同时,曲晨9号玉米、云瑞88玉米、杂交狼尾草分别固定了696.2、1727.2、193.6 kg/hm2的碳（存留在作物根系和沼渣中）,表现为CO2的汇。而紫花苜蓿则向大气排放了3684.6 kg/hm2的碳,表现为CO2的源。考虑长期环境效应的前提下,农田土壤呼吸是产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中“唯一”的碳源。当沼渣和作物的根完全降解后,农田土壤呼吸是产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中“唯一”的碳源。用产业沼气作物单位面积土地碳排放产气系数,即单位面积土地作物秸秆发酵所产天然气的碳量与土壤呼吸碳排放量的比值ηc,来衡量种植产业沼气作物发酵制气土壤碳排放的效率,则该值越高,作物种植发酵及能源利用过程的减排效益越好,反之则越差。4种作物ηc分别为曲晨9号玉米1.30,云瑞88号玉米1.11,杂交狼尾草2.07,紫花苜蓿0.36。6)与获得相同热值的标准煤相比,产业沼气作物发酵制气利用的碳减排效益显著。4种作物种植发酵利用过程的碳减排量依次为杂交狼尾草37302.8 kg/hm2>曲晨9号玉米26894.7 kg/hm2>云瑞88玉米23682.4 kg/hm2>紫花苜蓿8279.9kg/hm2。综上所述,本文将产业沼气作物农田生态系统碳平衡、水足迹分别与生命周期评价原理结合,研究产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中的碳平衡和水足迹。得出:不同产业沼气作物种植发酵及能源利用过程中,生物量水足迹、产能水足迹均以杂交狼尾草最低,紫花苜蓿最高,玉米居中。农田土壤呼吸碳排放是产业沼气作物能源利用过程中的重要碳源,农田生态系统因作物不同可能是CO2的汇,也有可能接近碳中性。产业沼气作物能源利用全过程因作物不同既有可能是CO2的汇,也有可能是CO2的源。考虑长期环境效应,农田土壤呼吸是产业沼气作物能源利用过程中“唯一”的碳源。与获得相同热值的标准煤相比,4种作物碳减排效益以杂交狼尾草最好、紫花苜蓿最差,玉米居中。在滇中地区,杂交狼尾草种植发酵及能源利用过程的生物天然气产量、碳减排量效益最高,产能水足迹最低,是产业沼气的优良原料,可优先种植;2个玉米品种中,曲晨9号优于云瑞88。