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东北地区玉米种植系统碳足迹及氮足迹研究

发布时间:2022-09-15 08:52:45

  摘    要:以东北玉米产区为主要研究对象,研究了东北地区玉米种植系统的碳足迹与氮足迹,以实现降低该地区农业生产碳、氮排放的同时粮食平稳增产。本研究基于生命周期法(LCA)研究了2019年东北地区玉米种植系统中产生的温室气体及活性氮排放量及构成因素,并结合调研数据分析不同省份间施氮量对碳、氮足迹的影响。研究结果表明:东北地区玉米种植系统单位面积、单位产量和单位净现值碳足迹均值分别为2953.8 kg·CO2-eq·hm-2、0.34 kg·CO2-eq·kg-1和0.26 kg·CO2-eq·yuan-1,单位面积、单位产量和单位净现值氮足迹均值分别为84.3 kg·N-eq·hm-2、9.6 kg·N-eq·kg-1、0.01 kg·N-eq·yuan-1;不同省份由于玉米生产条件有差异,其碳足迹存在较大差别,单位面积碳足迹与单位产量碳足迹同步,表现为黑龙江省最高(3208.6 kg·CO2-eq·hm-2、0.37 kg·CO2-eq·kg-1),吉林省(2930.2 kg·CO2-eq·hm-2、0.32 kg·CO2-eq·kg-1)居中,辽宁省最低(2722.8 kg·CO2-eq·hm-2、0.31 kg·CO2-eq·kg-1);三个省份玉米生产的氮足迹为辽宁省(102.1 kg·N-eq·hm-2、12.1 kg·N-eq·kg-1)最高,吉林省(69.4 kg·N-eq·hm-2、7.5 kg·N-eq·kg-1)最低;东北地区玉米生产碳足迹组成中占比最大的部分为肥料施用产生CO2和N2O达76%,机械耗油导致的温室气体排放占13%,而氮足迹主要排放源为NH3挥发(40%)和硝态氮淋洗(51%)产生的氮排放。总体来看,优化氮肥投入及提高机械化生产率是降低农业生产的碳、氮排放的重要途径,而针对东北地区,不同的生态环境特点仍需因地制宜的制定减排措施,实现农业可持续发展。


  关键词:东北地区;玉米;碳足迹;氮足迹;生命周期法;


  Study on carbon footprint and nitrogen footprint of maize planting system in Northeast China


  HOU Xiang-cheng LI Han DONG Si-qi YU Qing-jun FENG Guo-zhong LI Xiao-yu GAO


  Qiang


  College of Resource and Environments,ilin Agricutural University Lishu County Agricutural


  Technology Extension Station


  Abstract:


  Taking the maize planting area in Northeast China as the researching object, the carbon footprint and nitrogen footprint of maize planting system in Northeast China are researched to realize the reduction of carbon and nitrogen emissions of agricultural production, and the increment of stable grain yield. Based on life cycle analysis (LCA ), this paper carries out research on the greenhouse gas and active nitrogen emissions generated in maize planting system in Northeast and their components in 2019, and combing the investigation data, it analyzes the impacts of carbon and nitrogen footprint taken by the nitrogen application amount in different provinces. The results show that: The unit area, unit yield and unit net present value of carbon footprint average values of maize planting system in Northeast China are respective 2953.8 kg·CO2-eq·hm-2, 0.34 kg·CO2-eq·kg-1 and 0.26 kg·CO2-eq·yuan-1. And the unit area, unit yield and unit net present value of nitrogen footprint average values are respective 84.3 kg·N-eq·hm-2、9.6 kg·N-eq·kg-1、0.01 kg·N-eq·yuan-1. Due to the different production conditions in different provinces, the carbon footprints have great difference, and carbon footprint per unit area is synchronized with that per unit yield, which are reflected as it is the highest in Heilongjiang Province (3208.6 kg·CO2-eq·hm-2、0.37 kg·CO2-eq·kg-1), the middle in Jilin Province (2930.2 kg·CO2-eq·hm-2、0.32 kg·CO2-eq·kg-1), and the lowest in Liaoning Province (2722.8 kg·CO2-eq·hm-2、0.31 kg·CO2-eq·kg-1). For the nitrogen footprint generated by the three provinces, it is the highest in Liaoning Province (102.1 kg·N-eq·hm-2、12.1 kg·N-eq·kg-1), and the lowest in Jilin Province (69.4 kg·N-eq·hm-2、7.5 kg·N-eq·kg-1). In the composition of carbon footprint of maize production in Northeast China, CO2 and N2O generated by fertilizer application take the most proportion reaching to 76%, and the greenhouse gas emissions caused by mechanical oil consumption account for 13%. While the main emission sources of nitrogen footprint are the nitrogen emissions from NH3 volatilization (40%) and nitrate nitrogen leaching (51%). In general, optimizing nitrogen fertilizer input and improving mechanized productivity are important ways to reduce carbon and nitrogen emissions from agricultural production. While regarding the Northeast area, the corresponding specific measures are needed to be customized based on different ecological environment characteristics in Northeast China, so as to realize the sustainable agricultural development.


  Keyword:


  Northeast China; Maize; Carbon footprint; Nitrogen footprint; Life cycle analysis;


  目前全球各地都面临着气候危机,多数国家已达成了减排共识。农业作为温室气体和活性氮排放的主要来源途径,占人为生产活动总量的12%[1,2],而不合理的养分投入导致农田温室效应加剧[3,4,5]。因此,核算农业生产过程中的碳、氮足迹,对于减少农业活动造成的碳、氮排放,实现低碳农业至关重要。


  碳、氮足迹可以用来确定生产中各个环节温室气体排放及活性氮排放的总量,从而制定针对性的改进方法[6]。目前在农业领域,碳、氮足迹是衡量碳、氮排放水平的指标[7,8]。在过去的几十年中,碳足迹已经被广泛应用于与作物生产相关的碳投入的量化评价[9,10,11]。如Lal等[12]对碳足迹体系进行了归纳,为农业领域碳足迹的研究奠定了基础。Cheng等[13]利用统计数据估算出我国农作物平均生产的单位面积碳足迹为780 kg·CO2-eq·hm-2。随着研究的不断发展,温室气体的评估涌现出了诸多方法。其中,LCA因其能评价某生产过程或活动的整个生命周期内的环境负荷而被广泛使用[14,15,16,17,18]。有学者王钰乔[19]基于LCA法对2005—2015年中国小麦、玉米生产碳足迹进行了核算,发现小麦和玉米生产的碳足迹均值分别为3994.26 kg·CO2-eq·hm-2和4098.47 kg·CO2-eq·hm-2。XU等[20]采用LCA法对我国水稻、小麦、玉米粮食作物碳足迹进行了研究,发现水稻、小麦、玉米单位产量碳足迹分别为1.06、0.5和0.4 kg·CO2-eq·kg-1。其中也有部分学者对某种作物或某个重要农作区的固碳减排技术进行评价,如曹黎明[21]采用LCA法核算上海市水稻生产的碳足迹,发现目前上海市水稻生产的碳排放为11811.4 kg·CO2-eq·hm-2。张传红[22]基于LCA法核算了江苏省玉米生产的单位产量碳足迹为0.81 kg·CO2-eq·kg-1。之前也有学者核算过东北地区玉米生产的碳足迹如黄晓敏[23]基于LCA法核算了2004—2013年东北地区玉米生产的碳足迹为1786 kg·CO2-eq·hm-2,由于其核算时间相对久远,玉米生产中施肥习惯,秸秆利用模式,机械化程度等均发生变化,不能为当下新时期绿色低碳农业发展提供数据参考。相比之下,农田氮足迹的研究较少,Leach等[24]提出了氮足迹的计算模型(N-Calculator),该模型可以用来计算个人每年产生的氮足迹。周涛等[25]根据修正的N-Calculator模型,结合农业系统的氮素流动,对广东省的农业氮足迹进行了研究。总体来看,目前我国缺乏对东北地区玉米种植系统温室气体及活性氮排放的研究,且东北地区黑土肥力下降,集约化农业生产模式进一步增加了碳、氮排放,因此,评价东北地区玉米种植系统的碳、氮足迹研究更为重要。


  东北黑土区作为我国重要的玉米生产基地[26,27],一直以优质丰产著称,而在优质丰产的背后也存在一些问题。为了维持作物高产,投入了大量的农药和化肥,使得东北地区环境问题突出。因此,本文以东北地区作为研究对象,调研整理了2019年黑龙江省、吉林省和辽宁省的相关数据,结合144份农户调查问卷,核算了3个省份玉米生产的碳足迹,为东北地区实现低碳高效的玉米种植管理提供理论依据。


  1 材料与方法


  1.1 研究界限的确定


  核算系统边界包括:农资(例如种子、农药、肥料等)投入的温室气体排放;农机使用过程(耕作、播种、收获和粮食运输等)的温室气体排放;肥料施用造成的田间N2O排放。


  1.2 数据来源


  本研究的数据资料主要来源于以下三个部分:东北三省玉米作物的种植面积和产量数据来源于国家数据(http://data.stats.gov.cn/);东北三省玉米生产过程中的农资投入数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》和相关期刊;农资投入品的价格则以问卷调查的形式共访问黑吉辽三省经营玉米种植的农户180户,经后期筛查得到有效问卷144份。问卷内容包括各省玉米从播种到收获的农资收入和产出情况,包括:(1)玉米产量;(2)玉米当年价格;(3)政府补贴;(4)种子,化肥农资支出;(5)租用或自家机械支出;(6)农药(杀虫剂、除草剂费用等)。


  1.3 碳足迹计算


  玉米生产过程中温室气体排放总量计算公式:


  GHGinput:玉米生产和运输过程,以及油、电等能源投入产生的温室气体排放量(kg·CO2-eq·hm-2)。


  GHGN2O:施肥产生的N2O排放(kg·CO2-eq·hm-2)。


  1.3.1 玉米生长过程中原料投入产生的温室气体碳排放量


  玉米生长过程中原料投入和能源投入产生的温室气体排放,农机使用过程(耕作、播种、收获和粮食运输等)产生的温室气体排放,以及灌溉过程产生的温室气体排放,采用方程(1)进行计算:


  式中,i:不同投入源;Input:农资投入,如种子、肥料、农药、农机油耗(kg·hm-2)和电耗(kWh·hm-2);EFi:农资和能源投入的排放系数(种子、肥料、农药、柴油消耗等的温室气体排放系数,单位为kg·CO2-eq·kg-1,电耗的温室气体排放系数单位为kg·CO2-eq·kWh-1)。


  1.3.2 秸秆产生的温室气体碳排放量


  作物秸秆产生的温室气体排放由公式(2)计算:


  FCR=(Yieldi/RAG(i)−Yieldi)×RRT(i)×Nc(i)+Yieldi/RAG(i)×RRS(i)×Nc(i)(2)


  式中,FCR:每季秸秆还田量(含根量)(kg·N·hm-2·growing season-1);Yieldi:玉米产量(kg);RAG(i):产量和地上部生物量的比例;RRT(i):玉米秸秆还田率(%);Nc(i):玉米的含氮量[50];RRS(i):玉米根冠比[50]。


  1.3.3 施肥导致的直接和间接温室气体碳排放量


  肥料投入包括无机肥、有机肥和还田秸秆。施肥直接产生的N2O排放采用方程(3)计算。肥料以NH3和NOx 形式挥发后沉降产生的间接N2O排放以淋溶和径流产生的间接N2O排放采用方程(4)和(5)计算:


  N2Odirect=[(FSN+FON+FCR)×EFi]×44/28(3)


  N2O(ATD)=(FSN×FRACGASF×EF2SN+FON×FRACGASM×EF20N)×44/28(4)


  N2O(L)=(FSN+FON+FCR)×FRACLEACH×EF3×44/28(5)


  GHGN2O=(N2Odirect+N2O(ATD)+N2O(L))×265(6)


  式中,N2Odirect:土壤施肥(不含秸秆)直接N2O排放(kg·N2O-N·hm-2);FSN:每季土壤化肥投入的氮(kg·N·hm-2·growing sea-son-1);FON:每季土壤有机肥投入的氮(kg·N·hm-2·growing season-1);EFi:田间N2O排放系数[kg·N2O-N·(kg·N·input)-1];N2O(ATD):肥料以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放(kg·N2O-N·hm-2);FRACGASF:化肥以NH3和NOx-N的形式挥发的比例,FRACGASF=0.1kg·N·kg-1·N[49];FRACGASM:有机肥以NH3和NOx-N的形式挥发的比例,FRACGASM=0.2kg·N·kg-1·N[49];EF2SN:化肥以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放[kg·N2O·(kg·N)-1];EF2ON:有机肥以NH3和NOx-N的形式挥发后沉降的N2O排放[kg·N2O·(kg·N)-1];N2O(L):氮肥淋溶和径流产生的N2O间接排放(kg·N2O-N·hm-2);FRACLEACH:氮肥因淋溶和径流损失的比例,FRACLEACH=0.2kg·N·kg-1·N[49];EF3:氮肥淋溶和径流产生的N2O间接排放系数[kg·N2O·(kg·N)-1];44/28:N向N2O的转换系数;GHGN₂O:施肥产生的N2O排放(kg·CO2·hm-2);265:N2O的100年全球增温潜势[51]。


  由于所调研地区农户年龄普遍偏高(平均年龄为50—64岁),不适合外出务工,故不考虑其田间劳动和土地外租的机会成本,采用净现值(Net present value, Npv)核算其收益。净现值指用贴现值减去贴现收益[52]。Npv采用公式(7)计算:


  Npv=∑tBt(1+i)−t−∑tCt(1+i)−t(7)


  式中,Bt:贴现收益,元;Ct,贴现费用,元;t:年,范围为0年(项目开始时间)至T年(项目结束时间)。由于本研究为1年内的粮食生产情况,此项设为0;i:贴现率,由于本研究为1年内的粮食生产情况,此项设为0。


  1.4 单位面积碳足迹计算


  CFarea=GHGall/S(8)


  CFarea:玉米生产过程中单位面积碳足迹,kg·CO2-eq·hm-2。S:玉米面积,hm-2。


  1.5 单位产量碳足迹计算


  CFyield=GHGall/Y(9)


  GHGyield:玉米生产过程中单位产量碳足迹,kg·CO2-eq·kg-1。Y:玉米总产量,kg。


  1.6 单位净现值碳足迹计算


  CFNPV=GHGALL/NPV(10)


  CFNPV:玉米生产过程中单位净现值碳足迹,kg·CO2-eq·元-1。


  1.7 氮足迹计算


  玉米生产过程中产生的氮足迹总量用公式(1)计算:


  NFtotal=NFinputs+NFNH3+NFN2O+NFNO3−(11)


  玉米生产过程中农资投入产生的氮足迹由公式(2)计算:


  NFinputs=∑(Qusedm×Xm)(12)


  NFNH3=NVNH3×0.833×17/14(13)


  NFN2O=NVN20×0.476×44/28(14)


  NFNO3−=NVNO3−×0.238×62/14(15)


  式中,NFtotal是作物整个生命周期内所考虑的活性氮损失与排放的氮量(kg·N-eq/hm2),NFinput为农资品投入品在生产运输等过程中造成的间接活性氮排放量(kg·N-eq/hm2) ,NVNH3为玉米生产过程中NH3挥发量(kg·N-eq/hm2),NEN₂O为玉米生产过程中N2O的累计排放量(g·N-eq/hm2),NENO3-作物生产过程中NO3-淋失量(kg·N-eq/hm2),Qusedm为玉米生产过程中各项农资的投入量(kg),包括肥料、农药、种子及机械柴油能耗,Xm为生产、运输及应用各项农资投入的活性氮排放系数(kg·N-eq/kg)。17/14为N2O与N2O-N的分子量之比、44/28为NH3与NH3-N的分子量之比,62/14为NO3-与NO3--N的分子量之比,0.833、0.476和 0.238分别为N2O、NH3和NO3的富营养化潜势系数[47]。


  2 结果与分析


  2.1 玉米生产过程中的投入与产出


  我们详细整理了2018—2019年东北三省玉米种植系统中农业原材料的使用情况(表1),通过比较东北三省玉米种植系统的经济投入和净收益后发现(表2),三个省份玉米种植系统净收益辽宁省最高(12070.2元·hm-2),黑龙江省最低(9606.4元·hm-2)。支出主要来源于购买肥料、种子和农药,租赁机械用于播种、耕作和收获等方面(图2)。在农资投入总花费方面,黑龙江省投入最高(5644元·hm-2),辽宁省最低(4102.6元·hm-2),黑龙江省比辽宁省高1561.4元·hm-2。其中黑龙江省使用机械和化肥的花费比吉林省和辽宁省分别高804.5元·hm-2和1383.9元·hm-2。在玉米收益方面,黑龙江省玉米经济效益最低(14191.6元·hm-2),比吉林省和辽宁省分别低1385.1元·hm-2和265.8元·hm-2。这是因为黑龙江省玉米单产和玉米单价都低于吉林省和辽宁省。这表明该省玉米生产过程中农资投入过大、利用效率过低,因此,黑龙江省是东北区域低碳减排的重点地区。


  2.2 东北三省玉米种植系统碳、氮足迹


  如表4所示,2018-2019年东北地区玉米生产的碳足迹不同省份之间差异显著,东北地区玉米种植系统单位面积、单位产量和单位净现值碳足迹的均值分别为2953 kg·CO2-eq·hm-2、0.34 kg·CO2-eq·kg-1和0.26 kg·CO2-eq·元-1,黑龙江省均高于东北地区均值,吉林省和辽宁省均低于东北地区均值。三个省份相比,黑龙江省玉米种植系统单位面积、产量和单位净现值碳足迹均最高,分别为3208.6 kg·CO2-eq·hm-2、0.37 kg·CO2-eq·kg-1和0.33 kg·CO2-eq·元-1,在单位面积方面比吉林省和辽宁省分别高9.50%和17.85%,这是因为黑龙江省大量的农资投入并且其玉米单产和单价较低造成的,而吉林省和辽宁省由于玉米单产和单价较高显著降低了其单位产量和净现值碳足迹的排放。


  如表5所示,2018-2019年东北地区之间单位面积和单位产量氮足迹不同省份之间差异明显,单位净现值氮足迹方面并无明显差异。东北地区玉米生产过程中产生的单位面积、单位产量和单位净现值氮足迹均值为84.3kg·N-eq·hm-2、9.6kg·N-eq·kg-1和0.01kg·N-eq·元-1。其中辽宁省玉米种植系统产生的氮足迹高于东北地区均值,黑龙江省和吉林省低于东北地区均值,吉林省最低。三个省份之间,辽宁省产生的单位面积、单位产量氮足迹最高分别为102.1kg·N-eq·hm-2和12.1kg·N-eq·kg-1,在单位面积方面比黑龙江省和吉林省分别高20.2%和32%,且三个省份间单位净现值氮足迹无明显差异。


  2.3东北三省玉米碳、氮足迹构成


  由图3可知东北三省不同农资投入产生的碳足迹中氮肥施用产生的CO2(60%)占总碳足迹的比例最大,其次是氮肥产生的N2O(17%),然后是农业机械工作过程中柴油燃烧产生的CO2(11%),灌溉产生的碳足迹和农药种子在东北地区玉米产生碳足迹中占比不大。各个省份玉米种植系统产生碳足迹组分占比虽然有一定程度的差别,但是总体结构与上述分析一致。所以在东北地区玉米产生碳足迹构成中,贡献最大的是化肥和农业机械,二者之和构成了东北三省玉米产生过程中88%的碳足迹。这表明我国东北地区可以通过降低氮肥施用和机械油耗产生的N2O来减少碳排放。


  由图4可知,东北地区玉米种植系统NH3挥发(42%)和硝态氮的淋洗(54%)构成了氮排放的主体,在黑龙江省、吉林省和辽宁省三个玉米种植系统中分别占96%、98%和94%,其中NH3挥发导致的氮排放分别占总排放的46%、53%和40%,硝态氮的淋洗导致的氮排放分别占总排放的50%、45%和54%。所以东北地区可以通过减少氨挥发和硝态氮淋洗来减少东北地区氮足迹的排放。


  2.4 玉米碳足迹构成因素相关性分析


  东北三省玉米种植系统的碳、氮足迹受多种因素的影响,我们用相关分析法分别检验了各项农资投入量与玉米生产过程中产生碳、氮足迹的相关性,结果发现东北三省玉米种植系统生产过程中单位面积氮肥施用量与单位面积和产量碳足迹均呈显著正相关(P<0.05)(图5),但单位面积氮肥施用量与单位面积和产量氮足迹并无明显正相关趋势(图6)。由图4可以看出,随着氮肥用量的不断增加,其对玉米生产碳足迹的贡献也在不断提高,三个省份玉米种植系统的碳足迹随氮肥投入量增加呈直线增长趋势,其中黑龙江省随氮肥投入产生的碳足迹最高,每公顷增施1kg氮肥黑龙江省单位面积碳足迹增加9.53 kg·CO2-eq·hm-2(趋势线方程为y=9.53x+1624.5),单位产量碳足迹增加0.0007 kg·CO2-eq·kg-1(趋势线方程为y=0.0007x+ 0.1448)。由图6可以看出氮肥投入与单位面积、产量氮足迹成正比,但并无明显增长趋势,我们可以看出氮肥的投入对单位面积和单位产量氮足迹的影响比碳足迹低。其中东北三省玉米种植体系中吉林省随氮肥投入产生的氮足迹最高,每公顷增施1kg氮肥吉林省单位面积氮足迹增加0.047 kg·N-eq·hm-2(趋势线方程为y=0.047x+59.7),单位产量碳足迹增加0.0055 kg·N-eq·kg-1(趋势线方程为y=0.0007x+0.1448)。近年来我国以精准施肥,肥料减量为目标,积极推进测土配方施肥、改善施肥设施装备等工作,坚决打赢农业面源污染攻坚战。因此氮肥的减量施用是近年来东北地区玉米种植系统碳足迹减少的重要因素。近年来我国以精准施肥,肥料减量为目标,积极推进测土配方施肥、改善施肥设施装备等工作,坚决打赢农业面源污染攻坚战。因此氮肥的减量施用是近年来东北地区玉米种植系统碳足迹减少的重要因素。


  2.5不同排放因子的敏感性分析


  国内外采用生命周期评价法来核算粮食生产过程中所产生的碳足迹的研究中,针对相同粮食生产过程,采用的排放因子不尽相同[18,49],这可能是由于不同国家的工业生产水平不同以及生产工艺的逐年进步造成的。本研究取核算中采纳的氮肥生产排放因子(8.30 kg·CO2-eq·kg-1)的-30%、-25%、-15%、-5%、5%、15%和25%、30%,分析不同氮肥生产温室气体排放因子对东北三省玉米种植系统碳足迹的敏感性(表6),发现采用不同排放因子核算得到的种植系统单位面积碳足迹最高相差1.45倍,相应排放源排放的温室气体占总排放量的比例最高相差1.86倍。在单位面积玉米产生碳足迹方面,东北三省中吉林省对于氮肥生产排放因子的敏感性最高,黑龙江省对氮肥生产排放因子的敏感性最低,这是因为在吉林省和辽宁省玉米种植系统中氮肥施用量多,高于黑龙江省的氮肥投入量,所以吉林省可以通过减施氮肥来达到该省农业绿色减排的效果。


  3 讨论


  3.1 东北地区玉米种植系统经济效益


  根据本研究,三个省份在两年玉米种植系统中都提供了显著的经济效益,然而,辽宁省提供了最高的经济效益,吉林省排在第二位,而黑龙江玉米种植系统的经济收益最低,虽然他们总体相似,但三个省份间的差距在于农资投入的花费和玉米经济收益。其中,黑龙江省在使用农业机械方面的花费(2083.8元·hm-2)比吉林省和辽宁省分别高488.8元·hm-2和721.1元·hm-2,这是因为黑龙江省作为农机大省,其农业机械化程度高,农机作业服务体系比较健全,农业机械化水平处于全国前列[53]。辽宁省在玉米年产量收益方面比黑龙江省高265.8元·hm-2,这是因为吉林省作为东北三省的粮食主产省[54],有着非常适合玉米的种植条件,其玉米单产水平较高。然而黑龙江省由于该地区干旱少雨的气候特点以及农民传统旋耕耕作习惯,导致土壤风蚀严重,土壤质地结构欠佳,土壤中生物活性降低,玉米单产水平不高且不稳等问题[55]。同时,黑龙江省的玉米销售渠道主要是中储粮的收购[56],其他的收购方式比较少,这也一定程度的限制了黑龙江省的玉米价格。因此,在东北地区玉米种植系统中减少农资投入成本和提高其玉米单产价格是东北地区提高经济效益,减少碳排放的途径。


  3.2氮肥对玉米碳、氮足迹的影响


  本研究核算了东北地区玉米种植系统产生的碳足迹后结果表明,东北地区3个省份玉米生产过程中产生的单位面积和单位产量碳足迹的均值分别为2953.8 kg·CO2-eq·hm-2和0.34 kg·CO2-eq·kg-1,这与XU[20]的研究结果相似,其用LCA法核算了中国玉米生产的单位面积和单位产量碳足迹均值分别为2707±151 kg·CO2-eq·hm-2和0.4±0.03 kg·CO2-eq·kg-1,这低于学者王钰乔[19]对2005—2015年中国玉米生产碳足迹均值4098.47 kg·CO2-eq·hm-2,说明我国东北地区对于低碳农业的发展是有较大进步的。东北地区3个省份由于玉米生长的自然条件存在差异,其碳足迹在各省均有差异。本研究发现东北三省中黑龙江省玉米种植系统产生的碳足迹最高,这与前人的研究有一定差异,如黄晓敏[23]核算了2004—2013年东北三省玉米生产的温室气体发现黑龙江省产生的温室气体最低,吉林省最高,这可能是由于其核算时间相对久远,黑龙江省玉米播种面积和农业机械数量都发生了变化,与2013年相比黑龙江省玉米播种面积和农业机械数量分别增加了1090.52hm2和93096台[35]。这是因为黑龙江省随着其农业机械化的发展与推广,玉米生产过程中大多依赖于机械设备。与此同时,本研究发现玉米生产的碳足迹与氮肥施用量显著相关(P<0.05)(图4),说明氮肥施用量越大,玉米生产的温室气体排放就越多。但值得注意的是,东北三省中黑龙江省氮肥使用量最多,但高的氮肥施用并没有带来更高的产量,但确实导致了更高的碳成本和温室气体排放(图2)。所以,目前的研究应在减少氮肥使用的同时维持玉米高产或增产。由表5可知,三个玉米种植系统的单位面积和产量氮足迹均值分别为84.3kg·N-eq·hm-2和9.6kg·N-eq·kg-1。其中,三个玉米种植系统中辽宁省产生的单位面积和产量氮足迹均最高,可能因为黑龙江省和吉林省均为玉米播种大省,其玉米播种面积均高于辽宁省,而该省单位产量氮足迹最高是因为其玉米单产产量低造成。


  3.3作物生产碳、氮足迹构成分析与敏感性分析


  本研究发现对于东北地区玉米种植系统来说,3种种植模式的主要碳、氮排放均来源于化肥的施用,这与周杏等[57]和邹晓霞等[58]的研究结果相同,这是因为氮肥施入土壤中部分会因氨挥发或反硝化过程以气态形式进入大气,农用地N2O的排放分为直接排放和间接排放两种,农用地N2O的间接排放又分为大气氮沉降引起的排放和淋溶、径流引起的排放两类[59]。Cheng等[16]在对2010年中国主要农作物碳足迹的研究中指出,如果氮肥用量减少30%,玉米的碳足迹将降低25.5%.因此,优化氮肥施用可以有效减少温室气体排放。目前有几种做法,如缓释氮肥、深施氮肥等,控制施氮时间和施氮量,有效减少施氮量,但仍能保持田间生产力。另外,通过东北三省玉米种植系统的碳足迹构成分析可知,除了60%的碳排放来自化肥的使用,机械耗油产生的温室气体是第二大排放源,这与薛等人[60]的研究一致。其中黑龙江省机械耗油产生的温室气体远高于其他两省,这是由于黑龙江省是农机大省,随着农业机械的发展,农业逐渐开始机械化,机械的大量使用必然带来更多的温室气体排放,在未来,农机柴油的投入可能会更高,因此,提高农业机械利用效率将成为减少东北地区生产碳排放的重要手段。于洋[61]在对中部6省1998—2011年农田生态系统碳足迹的研究中表明,农业生产资料利用率的提高是抑制碳足迹最关键的因素。所以,提高化肥利用效率,注重肥料种类与施肥方式的变革和提升机械化水平,是降低东北地区农业生产碳排放的关键。由图6可知,东北地区三种玉米种植系统氮足迹的构成主要由氮肥的施入导致的氨挥发和硝态氮淋洗产生的氮排放构成,有研究表明,施肥是农田温室气体活性氮排放的主要来源,尤其氮肥的施用[62]。其中,三种种植系统中硝态氮的淋洗与氨挥发产生的氮排放构成也存在一定的差距,吉林省产生的硝态氮淋洗产生的氮排放比黑龙江省和辽宁省分别高7%和12%,这可能是因为吉林省当季产生的硝态氮淋洗高,且产量低造成的。因此合理施肥,合理的氮素基追比、合理的管理模式可以有效降低单位面积和单位产量的氮足迹,有效地降低环境风险。


  3.4 东北地区玉米种植系统碳、氮足迹减排展望


  东北地区三个省份玉米种植系统产生的碳足迹在各省均有差异。黑龙江省地域辽阔,种植面积大,其玉米种植系统农资投入最高,产生的温室气体最多,但其在玉米产量水平方面最低,这表明该省玉米生产过程中农资投入量较大且利用效率较低;吉林省玉米种植系统单产水平较高且产生的温室气体排放少于黑龙江省,但是过量的氮肥投入也产生了大量的温室气体。辽宁省在东北三省中产生的碳足迹最低,但其秸秆还田率最低,仅为黑龙江省秸秆还田率的一半,辽宁省玉米种植面积小,其机械化程度低,在玉米生产过程中种植密度偏低,其单位面积玉米产量并不高。因此,吉林省是东北区域低碳减排的重点地区,而黑龙江省的减排重点则是降低玉米生产过程中由于大量机械使用引起的碳排放。建议吉林省应逐步构建科学施肥技术体系,提高农资投入的利用效率,降低农资投入量,以促进农业生产的节能减排。科学合理的肥料管理措施如:测土配方施肥,改善施肥方式,推进新型肥料(缓释肥,控释肥)等能措施能够提高化肥利用率,减少化肥的使用量;提高农业机械数量,推动农机作业服务体系,实现农业机械化。黑龙江省则提高农业机械化水平也是玉米生产减排、实现低碳农业的关键。辽宁省应大力推进秸秆综合利用效率,提高秸秆还田利用率;种植耐密型品种,增加单位面积种植玉米植株的数量。


  4结论


  东北三省玉米种植系统平均单位面积的碳、氮足迹为(2953.76 kg·CO2-eq·hm-2、84.3kg·N-eq·hm-2),单位产量的碳足迹为(0.34 kg·CO2-eq·kg-1、9.6 kg·N-eq·kg-1),单位净现值的碳足迹为(0.26 kg·CO2-eq·元-1、0.01 kg·N-eq·yuan-1),在碳足迹方面,三个省份里黑龙江省产生的单位面积、单位产量和单位净现值碳足迹均最高,但其在玉米生产过程中净现值最低;在氮足迹方面,三个省份里辽宁省产生的单位面积和单位产量氮足迹最高,吉林省最低,三者在单位净现值氮足迹方面无明显差异。东北三省玉米种植系统生产碳足迹主要来自于:氮肥生产(60%)、氮肥施用(16%)、和农业机械耗油(11%)等方面,黑龙江省是农机大省,玉米生产过程中大多依赖机械,农资投入过程中机械耗油产生的碳足迹明显高于其他两省,吉林省生产机械化程度低,但化肥投入量较高,其化肥投入产生的碳足迹高于其他两省份,辽宁省玉米种植系统产生的碳足迹最少,但玉米净现值高于黑龙江省;氮足迹的主要贡献源为氨挥发和硝态氮淋洗产生的氮排放。综上所述,东北三省要因地制宜地通过改进农田管理措施,如吉林省改进施肥、合理使用农业投入品,黑龙江省应提高机械化生产效率来有效减少玉米温室气体排放。


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