華北冬小麥/夏玉米農田水氮管理的溫室效應評價

李建政， 王道龍， 王立剛， 王迎春， 李 虎

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 農業部面源污染控制重點實驗室， 中國農業科學院-美國新罕布什爾大學可持續農業生態系統研究聯合實驗室， 北京 100081)

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華北冬小麥/夏玉米農田水氮管理的溫室效應評價

李建政， 王道龍， 王立剛*， 王迎春， 李 虎

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 農業部面源污染控制重點實驗室， 中國農業科學院-美國新罕布什爾大學可持續農業生態系統研究聯合實驗室， 北京 100081)

農田； 溫室氣體； 排放強度； 減排評價； APSIM

農田生態系統作為人工管理系統，可為溫室氣體減排提供諸多選擇，如肥料管理、 水分管理、 秸稈還田等方面。目前，對于農田管理措施的溫室效應評價，已經不僅僅局限于農田生態系統某個方面(如農田固碳、 N2O或CH4排放)，而是正逐漸地向全生命周期評價的方向發展，并且將農田投入品在生產和運輸過程中的排放(以下簡稱“農田投入品排放”)也包含在內，考察整個系統的凈溫室效應[3-4]，以便客觀、 科學地進行評價與管理。李建政等[5]通過對可作為農田溫室氣體減排技術評價指標的對比和分析，確定了適用于中國國情的農田減排技術評價指標: 即以單位面積糧食產量作為約束性指標，溫室氣體排放強度作為綜合指標，并將土壤有機碳變化(SOC)、 N2O直接排放、 水稻田CH4排放與農田投入品排放作為后者的分項指標。農田投入品排放可依據農田投入品在生產和運輸過程中的排放因子(以下簡稱“農田投入品排放因子”)來獲得，而SOC、 CH4、 N2O和產量的計量方法主要有田間試驗、 IPCC(Tier1和Tier2)和過程機理模型方法。田間試驗可信度高，但是對于SOC和糧食產量可能需要較高的時間成本和經濟成本[6-12]。IPCC(Tier1和Tier2)方法所需數據較少，計算簡單，適用于區域尺度[13]，但其不涉及對產量的估算，也不能全面估算某些措施的溫室氣體排放總量(如，無法估算灌溉對于N2O排放的影響和減少氮肥用量對于土壤有機碳的影響)。過程機理模型是基于試驗和生物物理化學規律而構建起來的，由氣象數據和管理方式來驅動[11, 14]，需要試驗數據進行校正和驗證，可用于模擬不同管理技術對SOC、 N2O(CH4)和產量的短期和長期影響。從未來的發展來看，模型的內部機理過程可通過大量田間試驗數據的校正與驗證逐漸得到發展和完善，成為農田減排技術評價指標(SOC、 N2O、 CH4和產量)計量的主要方法。

華北平原(NCP)作為全國糧食主產區之一，生產了全國50%的小麥和33%的玉米[15]，依靠大量水肥投入來保障糧食產量是該地區農業生產的特點[16-17]，而農業生產資料的生產環節與農田應用環節也都伴隨溫室氣體的排放。河南是華北平原冬小麥-夏玉米輪作模式的典型地區之一，本文利用選擇的農田溫室氣體減排技術評價方法對冬小麥/夏玉米輪作系統下不同水氮管理措施(氮肥施用、 灌溉和有機肥配施3個方面)進行評價，為華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統溫室氣體減排技術的篩選與應用提供科學依據，也對我國農業生產力的保持和生態環境的保護都具有重要的理論與實踐意義。

1　評價方法及模型參數和農田投入品排放因子的確定

1.1評價方法的確定

在農田生態系統減排效應評價的指標中，土壤固碳深度和評價指標(SOC、 N2O/CH4和糧食產量)所需的時間尺度都會對最終的溫室氣體排放效應產生影響。

土壤固碳深度的確定: 不同土壤深度固碳效應是不同的，對172個取樣深度在0—50 cm之間的點位數據[18-19]進行分析得出，在取樣深度≤25 cm的82個點位中，免耕固碳率高于傳統耕作的點位占比約為91%，而在取樣深度≥30 cm的90個點位中，其占比下降到58%，因此為客觀反映農田管理措施的固碳效果，選取的土壤深度應不小于30 cm，本文選用30 cm作為土壤固碳深度。

時間尺度的確定: 通過分析不同農田管理措施下土壤固碳達到平衡狀態的時間尺度[6-9]得出: 多數管理措施的固碳量達到平衡狀態的時間在20年左右，超過20年的技術措施其大部分固碳效應主要體現在前20年。此外，IPCC[13]中土壤碳庫達到平衡的缺省時間也為20年，因此本研究將模擬固碳的時間尺度確定為20年，也可充分反映農田管理措施對N2O/CH4排放和糧食產量的影響[10-12, 20-21]，能夠消除短時間指標的誤差，相對科學可靠。在農田投入品的化石排放方面，暫時不考慮生產工藝改進等因素對農田投入品的影響，則其將每年保持不變。

評價方法的確定: 本研究利用試驗數據校正和驗證后的機理模型進行20年尺度的模擬來獲取糧食產量、 土壤固碳量(土深為30 cm)和N2O排放量的年均值，依據實地調研和農田投入品排放因子來獲取農田投入品在生產和運輸過程中的化石排放，結合IPCC[13]中不同溫室氣體全球增溫潛勢(N2O為298， CH4為25， CO2為1)來估算不同農田管理措施的溫室氣體排放總量(AE-GHG， aggregated emissions of GHG)和排放強度(GHGI， GHG intensity)。

1.2APSIM模型及其參數設置

APSIM(Agricultural Production Systems Simulator)模型以日為尺度，需要每日最高溫、 最低溫、 降雨和光照輻射作為氣象數據來驅動模型[22]。根據積溫來模擬作物生育期，可由春化作用參數(小麥)和光周期參數(小麥和玉米)來調整； 通過養分、 水分和光照輻射來調節生物量的日累積量?？捎糜谀M不同管理和氣候條件下的作物生長，并且已在華北地區得到了應用[22]。在模型中，有機質被分成三個概念庫: 新鮮有機質庫(FOM)、 微生物碳庫(BIOM)和腐殖質碳庫(HUM)。每個庫的降解速率都符合一級動力學方程，并受到每層土壤溫度、 水分和碳氮比的調控[14]。APSIM可用于模擬土壤有機質分解和相關聯的氮礦化和固定，并已經在公主嶺、 烏魯木齊、 鄭州和徐州得到了驗證[14]。APSIM通過模擬硝化和反硝化過程來模擬N2O排放。反硝化產生的N2O是通過反硝化速率與反硝化過程中產生的N2與N2O的比例來估算的[23]，硝化產生的N2O是通過硝化速率與比例常數(0.002)來估算的。反硝化速率與硝化速率都受到離子濃度、 水分、 溫度、 pH的影響。本研究采用的是APSIM 7.5版本。

鄭州試驗基地(N34°47′，E113°40′)從1990年開始設立了不同施肥結構下作物產量與土壤肥力和肥料效益長期定位監測試驗，具體的試驗設置和土壤參數詳見文獻[22]。王迎春[22]利用APSIM對該試驗點位不同處理下的小麥(鄭麥9023)和玉米(鄭單8號)的生育期、 產量和生物量進行了模擬，并校正了作物參數(表1)。

表1　作物參數

1.3農田投入品排放因子

依據生命周期分析的方法，通過對相關文獻的查閱與甄別，確定了農田投入品排放因子(表2)。

表2　農田投入品排放因子

其中電力排放考慮到了地區差異，包含了電力的生產和傳輸損耗等[31]； 柴油的排放包含了燃燒和運輸； 化肥的排放包含了生產和運輸，3種化肥的運輸排放以及氮肥的生產排放源于國內數據[3, 32]，而磷肥和鉀肥的生產排放源于國外數據[3]； 農藥的排放源自國外數據，包含了生產、 包裝、 運輸等[33]； 種子的排放包含了多數農田投入品的排放[34]。污泥堆肥和豬糞堆肥過程中(運輸、 機械操作、 加工、 干燥等的化石燃料排放和堆肥中的CH4和N2O排放)的溫室氣體排放因子分別為177.75 和189.14 kg/t (干物質)[35]，結合其氮含量2.18%和1.36%，可折算出常見有機肥(含氮量2%)的平均排放因子。李建政等[5]因考慮到N2O間接排放監測難度大和排放量低于直接排放，而在計算溫室氣體排放強度(GHGI)時予以忽略，但本文為了全面估算溫室氣體排放強度，依據中國旱地氮肥投入的N2O間接排放因子 (0.0032 kg/kg， N)[32]而將其計算在內(假設有機肥與化肥的間接排放系數相等)。

對于農田機械投入，其在生產、 維修和運輸過程中的能耗來源于West和Marland[36]。假設旋耕犁與鏵式犁、 秸稈粉碎機與圓盤耙的能耗相等。調研中農民多采用手撒化肥的方式，農藥噴霧器與國外大型噴霧器不一致，因此不必將這兩項的農業機械投入計算在內。在中國電力生產和鋼鐵生產過程中，89%的能源消耗來源于煤[31, 37]，因此將褐煤燃燒的排放因子0.101 kg/MJ[13]用于將農業機械投入能耗轉化為溫室氣體排放，可得出聯合收獲機、 旋耕犁、 秸稈粉碎機和播種機的排放量分別為18.79、 10.30、 5.56和5.86 kg/hm2。

2　常規農民措施和其他措施的情景設置

2.1常規農民措施

2.2氮肥梯度、 灌溉梯度和有機肥配施的情景設置

表3　常規農民措施的農田投入

在常規氮肥(尿素)的基礎上，將灌溉水量從0至420 mm設置了7個梯度(一個梯度為60 mm)，按小麥播種期、 小麥拔節期、 小麥灌漿期、 小麥開花期、 玉米播種期、 小麥越冬期和玉米大喇叭口期依次增加(每次灌溉量為60 mm)。其余的措施與以上提到的常規農民措施(CFP)相一致。

在底肥氮(尿素)總量不變(小麥和玉米分別為N 180和90 kg/hm2)的前提下，有機肥(含氮量為2%，C ∶N=13 ∶1)按照0%、 25%、 50%、 75%和100%來替代小麥和玉米底肥中的氮量。小麥和玉米追肥(尿素)仍與常規一致，分別為120和130 kg/hm2。配施大量有機肥需要在小麥和玉米收獲后各增加旋耕還田1次，因此旋耕總耗油會增加44.58 kg/hm2。其余的措施與以上調研的常規農民措施(CFP)相一致。

3　結果與分析

3.1APSIM模型對于N2O的模擬

王迎春[22]和Wang等[14]已經利用校正后的APSIM模型分別進行了作物產量和土壤有機碳的模擬研究，本文不再列出其模擬結果，這里只對N2O排放量模擬驗證進行闡述。在不調整模型中N2O模擬相關參數的前提下，通過對不同氮肥用量的模擬表明，N2O年度排放模擬值分布在曲周、 禹城、 桓臺和封丘四個點位試驗觀測值的范圍內(圖1)，并且與試驗觀測值表現出較好的一致性，也同時說明在模擬N2O排放對不同施氮量的反饋方面，APSIM模型具有一定的可靠性，可用于該地區每年的N2O直接排放估算。

圖1　模擬值與其他試驗值N2O直接排放(年度)對比Fig.1　Comparison of simulated values and experimental results in direct N2O emissions (annually)[注(Note): 虛線為模擬值的線性趨勢線Dashed line was the linear trend line of the simulated data； 試驗觀測值來自桓臺、 禹城、 封丘和曲周 Experimental values were measured in Huantai, Yucheng, Fengqiu and Quzhou City.]

3.2產量和溫室氣體排放的情景分析

在當前常規種植模式下，通過對底肥中不同有機氮肥與無機氮肥配施比例的分析(圖2c)可看出，年均糧食產量無明顯變化，溫室氣體排放總量隨著有機肥在底肥中配施比例的增加而呈現小幅度減少的趨勢。若將常規措施中的底肥(N)全部替換為有機肥，兩者的糧食產量在20年間不存在顯著性差異(P=0.63)，而年均溫室氣體排放總量(AE-GHG)可減少約0.03 t/hm2，溫室氣體排放強度(GHGI)則基本無變化，雖然有機肥可帶來更多的土壤固碳，但是若考慮到其堆肥生產排放和還田過程增加的油耗排放，其總體溫室氣體減排量并不明顯(圖2d)。

圖2　不同措施對產量、 溫室氣體排放和溫室氣體排放強度的影響Fig.2　The response of yield, GHG emissions and GHG intensity (GHGI) to different management practices[注(Note): CFP—常規農民措施Farmers' practices； N400—減少后的施氮量為N 400 kg/hm2 N rate was reduced to N 400 kg/hm2； I240—減少后的灌溉量(240 mm) Reduced irrigation amount (240 mm)； ON-all—底肥氮全為有機氮All basal N come from organic materials; dSOC—土壤有機碳變化Variation of soil organic carbon； N2Od—N2O直接排放Direct N2O emissions; N2Oi—N2O間接排放Indirect N2O emissions; EP&DO—電力生產傳輸排放與柴油燃燒運輸排放Emissions from electricity generation and transmission& diesel oil production and transportation; N—N肥生產和運輸排放Emissions from N fertilizer production and transportation; Others—機械生產、 P肥、 K肥、 農藥和種子生產運輸排放Emissions from production and transportation of machinery, P&K fertilizer, pesticides and seeds; 以上數據為20年的年均值The above data are annual average in 20 years.]

4　討論

本文利用構建出的評價方法對華北平原冬小麥/夏玉米典型種植模式的管理措施進行了實例分析，確定出當前常規農民措施下，溫室氣體減排技術優化的方向應以減少氮肥施用為主，不僅可減少溫室氣體排放，還可降低氮素淋溶。在實際應用當中可結合緩控肥、 分次施肥等技術減低氮肥用量并提高氮肥利用率[40]。

在冬小麥/夏玉米種植模式中，相對于優化施肥，優化灌溉的總溫室氣體減排潛力有限，但卻可以在一定程度上減少地下水的開采。另外本研究中對灌溉的情景設計比較簡單，在實際當中可依據作物的需水規律進行灌溉，并且還可逐漸改進灌溉方式(如改漫灌為噴灌或滴灌)來提高水分利用效率。此外，還可將優化氮肥用量與優化灌溉措施相結合來實現保障產量與溫室氣體減排的“雙贏”[41]。

在冬小麥/夏玉米輪作農田的以往研究中[27, 42-44]，由于忽略了有機肥在堆肥生產過程中的溫室氣體排放，而認為配施有機肥具有一定的溫室氣體減排效果，但本文的評價分析得出這個措施的溫室氣體減排潛力是非常有限的。優化氮肥和灌溉可減少農民的經濟投入而易于推廣，而配施有機肥由于其用量多則會增加人工成本，導致這項技術應用潛力會進一步降低。

在農田投入品排放方面(表2)，本研究中采用的氮肥排放因子[32]高于國外數據，如West和Marland[36]中3.14 kg/kg和Grassini[45]中的2.68 kg/kg，原因在于核算邊界和化肥生產中能源消費結構的不同，但可以通過技術的革新而大幅度降低其生產過程中的溫室氣體排放量[32]。其他農田投入(如磷肥、 鉀肥、 農藥、 種子和機械)的溫室氣體排放，雖然借助了國外的數據，但在本研究中這些因素都保持不變或變化很小，因此不會對本文的研究結果構成影響。磷肥和鉀肥的用量較多，若能找到國內生產的排放因子，則會對其總排放量產生較大影響； 農藥和種子的用量少，采用國外的排放因子對于總排放不會產生很大影響； 機械投入排放不僅與其生產、 運輸和維修產生的排放有關，也與其壽命、 年工作面積等有關，因此可在未來結合實地調研來進一步估算其本地區的排放。

5　結論

1)提出了以田間試驗與過程模型相結合，輔以調研作為農田生態系統不同措施溫室氣體減排效應的評價方法，并確定固碳的土壤深度為≥30 cm，減排效應評價的時間尺度確定為20年。

2)本研究選擇APSIM 模型作為評價模型，在確定作物參數和土壤參數的基礎上，利用多點監測數據對APSIM 模型的N2O排放模擬效果進行了驗證，擬合程度具有較好的一致性。

3)對華北平原冬小麥/夏玉米輪作系統不同措施進行了評價，結果表明: 在不顯著影響產量的前提下，相對于目前常規農民措施，優化氮肥和優化灌溉可分別減少溫室氣體排放約1.45和0.29 t/(hm2·a)，減少溫室氣體排放強度約0.08和0.01 t/t，而配施有機肥無明顯減排效應。因此當前減排技術選擇的方向應以減少氮肥施用為主，可同時實現氮肥生產運輸和農田土壤排放2個環節的減排。

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Evaluation of nitrogen and water management on greenhouse gas mitigation in winter wheat-summer maize cropland system in North China

LI Jian-zheng, WANG Dao-long, WANG Li-gang*, WANG Ying-chun, LI Hu

(InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNon-pointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture/CAAS-UNHJointLaboratoryforSustainableAgro-ecosystemResearch,Beijing100081,China)

cropland; greenhouse gas; emission intensity; mitigation evaluation; APSIM

2015-05-29接受日期: 2015-08-26

公益性行業( 農業)科研專項(201303103，201103039)； 國家自然科學基金項目(31270486，31200337)； 中國清潔發展機制基金贈款項目(1214012)資助。

李建政(1985—)， 男， 河北邯鄲人， 博士研究生， 從事農田碳氮循環研究。 E-mail: ljz01@yahoo.com

Tel: 010-82109757， E-mail: wangligang@caas.cn

X511; S19

A

1008-505X(2016)04-0921-09