新疆“寬早優(yōu)”模式下施氮量對(duì)棉田碳足跡的影響

阮 康，王香茹，貴會(huì)平，董 強(qiáng)，李磊磊，魏學(xué)文，張西嶺，張恒恒，宋美珍

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽 455000；2.山東省棉花生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)站，山東濟(jì)南 250000)

0 引 言

【研究意義】CH4、N2O和CO2等溫室氣體的排放對(duì)作物產(chǎn)量形成產(chǎn)生一定影響[1,2]。人為溫室氣體排放占比高達(dá)30%，其中土壤耕作、作物栽培及牲畜占農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的50%-70%[3,4]。碳足跡(Carbon footprint)通常指某種活動(dòng)和產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中直接和間接產(chǎn)生的溫室氣體總量。棉花生產(chǎn)過程中的直接碳排放是指在耕地、播種、收獲等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，使用農(nóng)業(yè)機(jī)械消耗柴油直接產(chǎn)生的碳排放，同時(shí)還包括施用化肥的農(nóng)田氧化亞氮排放；間接碳排放是指農(nóng)藥、化肥、種子、地膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中間接導(dǎo)致的碳排放，以及灌溉用電產(chǎn)生的碳排放。采用碳足跡(Carbon Footprint，CF)的研究方法可以定量評(píng)估農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)[5]，評(píng)估農(nóng)產(chǎn)品碳足跡將有助于確定潛在的解決方案，以適應(yīng)溫室氣體排放較低的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。關(guān)于施氮量對(duì)棉花碳足跡的研究較少，尚未明確保證棉花高產(chǎn)且減少碳排放的最佳施肥量。研究新疆“寬早優(yōu)”模式下施氮量對(duì)碳足跡的影響，對(duì)于提高作物產(chǎn)量、減少溫室氣體排放具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】Nelson等[6]研究和分析了美國農(nóng)業(yè)碳足跡構(gòu)成。有研究對(duì)小麥、玉米和大豆等多種農(nóng)作物，從播種到收獲整個(gè)農(nóng)田生長期的碳足跡進(jìn)行了分析[7-10]。農(nóng)產(chǎn)品碳足跡受農(nóng)田管理措施的顯著影響，如耕作方式、種植制度、氮肥施用等[11,12]。2020年，新疆植棉面積占全國的78.9%，產(chǎn)量占全國的87.3%。“寬早優(yōu)”種植模式通過“擴(kuò)行、降密、壯株和拓高”等方式，形成合理的冠層結(jié)構(gòu)，機(jī)采效果好，含雜率低，產(chǎn)量高，纖維品質(zhì)好[13]。目前“寬早優(yōu)”模式下密度效應(yīng)、產(chǎn)量效應(yīng)已有報(bào)道[14]，溫室效應(yīng)、水體富營養(yǎng)化等會(huì)出現(xiàn)環(huán)境問題[15-16]。研究表明，氮肥是影響農(nóng)田碳足跡的重要因子，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中因肥料導(dǎo)致的碳排放量占農(nóng)田總碳排放量的53%～57%[17]，氮肥施用量與大麥、油菜、小麥和玉米的碳足跡存在顯著正相關(guān)[18-19]。【本研究切入點(diǎn)】新疆“寬早優(yōu)”種植模式可有效降低含雜率，提高棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)，但對(duì)于其碳足跡的研究較少；關(guān)于氮肥對(duì)棉花氮肥利用率、產(chǎn)量的報(bào)道較多[20]，但對(duì)“寬早優(yōu)”模式的碳足跡鮮有報(bào)道，尤其關(guān)于氮肥對(duì)碳足跡的影響研究更少。尚缺少施氮量對(duì)棉花生產(chǎn)碳足跡及其構(gòu)成的影響研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用田間試驗(yàn)、調(diào)查數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)碳足跡理論及生命周期評(píng)價(jià)法，定量分析新疆“寬早優(yōu)”模式下棉花生產(chǎn)碳足跡及其構(gòu)成，以及施氮量對(duì)棉田碳足跡及產(chǎn)量的影響，為新疆棉花生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)低碳減排、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所新疆胡楊河試驗(yàn)站進(jìn)行(44°44′ N，84°48′ E)。該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，平均海拔451 m，年均降水量182.1 mm，蒸發(fā)量1 710 mm，年日照時(shí)數(shù)2 679 h，年平均溫度7.4℃，無霜期180 d。收集農(nóng)資投入、農(nóng)機(jī)使用及灌溉耗能等。供試土壤為黏壤土，土壤肥力屬于中等，耕層土壤pH值8.3，有機(jī)質(zhì)含量19.8 g/kg，全氮0.74 g/kg，堿解氮51.1 mg/kg，速效磷5.1 mg/kg，速效鉀210.2 mg/kg。列出2019年棉花生育期間日平均氣溫及降雨量變化。圖1

圖1 2019年棉花生育期日平均氣溫與降雨量Fig.1 Air temperature and rainfall during cotton growth period in 2019

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料為中棉所109，設(shè)置4個(gè)氮肥梯度0 kg/hm2(CK)、120 kg/hm2(N120)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)，氮肥為普通尿素，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積32.4 m2(4.5 m× 7.2 m)。采用“寬早優(yōu)”種植模式(1膜3行，76 cm等行距)，種植密度為18×104株/hm2，2019年4月20日播種，9月25日收獲。棉花全生育期內(nèi)尿素隨水滴施，共滴施6次，磷肥(P2O5150 kg/hm2)和鉀肥(K2O 150 kg/hm2)全部做基肥，在播種前一次性施入，其他田間管理措施按照高產(chǎn)田統(tǒng)一管理。

1.2.2 測定指標(biāo)

1.2.2.1 農(nóng)田N2O氣體排放

農(nóng)田N2O采集用靜態(tài)箱法，取樣時(shí)間09:30～11:30，采集頻率為6～7 d 1次，施肥后7 d內(nèi)加密采樣。使用HP7890氣相色譜儀測定其通量。

氣體排放通量是單位時(shí)間單位面積氣體質(zhì)量的變化。其公式如下：

F=

式中F溫室氣體排放通量(g/(hm2·d))，正直為排放，負(fù)值為吸收；V表示靜態(tài)箱體積(m3)，為 0.125 m3；S表示靜態(tài)箱底面積(m2)，為0.231 m2；M表示某種氣體的摩爾質(zhì)量(g)，CO2為44，N2O為44；C1、C2表示蓋箱前和蓋箱后的被測氣體體積濃度；t1和t2表示靜態(tài)氣體箱關(guān)閉和開啟時(shí)的時(shí)間；T1和T2表示蓋箱前和蓋箱后的箱內(nèi)溫度；22.4表示理想氣體常數(shù)(L/mol)，273為絕對(duì)零度的攝氏溫度(℃)。

氣體排放總量為作物生長季的累積排放通量。其公式如下：

T=∑[(Fn+1+FN)/2]×(Hn+1-Hn)×24/1 000.

式中，T為某氣體排放總量(g/hm2)；Fn和Fn+1分別是第n和第n+1采樣時(shí)某氣體平均排放通量(g/(hm2·d))。Hn和Hn+1分別為第n和第n+1采樣時(shí)間(d)。

1.2.2.2 棉花產(chǎn)量

于收獲期，每小區(qū)選擇長勢均勻的樣點(diǎn)(2.28 m × 3.0 m)，調(diào)查株數(shù)和總鈴數(shù)，計(jì)算單株鈴數(shù)和單位面積結(jié)鈴數(shù)，連續(xù)選取長勢一致的5株棉花，收取全部鈴并稱重，計(jì)算單鈴重、衣分等；小區(qū)全部實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.2.2.3 碳足跡估算

采用生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)進(jìn)行棉田碳足跡評(píng)價(jià)，確定系統(tǒng)邊界，包括原材料的采集、相關(guān)農(nóng)資的生產(chǎn)和農(nóng)作生產(chǎn)3個(gè)環(huán)節(jié)，研究中碳足跡包括直接碳排放和間接碳排放。圖2

圖2 “寬早優(yōu)”模式棉花碳足跡核算邊界Fig.2 System boundary for carbon footprint of“Kuanzaoyou”production system

(1)

(2)

單位產(chǎn)量碳足跡=單位面積碳足跡/單位面積棉花產(chǎn)量。

(3)

式中Cf為棉花生產(chǎn)碳排放總量，n表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程消耗了n種能源(柴油和灌溉用電能等)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料(化肥、農(nóng)藥和種子等)，Cfi表示第i種能源或農(nóng)資的碳足跡，m為消耗第i種能源或農(nóng)資的用量，λ為第i種能源或農(nóng)資的碳排放參數(shù)，排放參數(shù)主要參考中國生命周期數(shù)據(jù)庫。CFN2O是棉田N2O排放，44/28為N2O與N2分子量比重，298為N2O轉(zhuǎn)換成100 a尺度上的相對(duì)全球增溫趨勢。碳足跡以排放的CO2當(dāng)量[kg(CO2-e)]，其單位為kg(CO2-e)/(hm2·a)。表1

表1 不同農(nóng)業(yè)資料碳排放參數(shù)Table 1 Index of GHG emission of different inputs for agricultural production

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制作圖表，使用SigmaPlot14.0(Systat Software,Inc.USA)軟件作圖。使用SPSS17.0分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用新復(fù)極差法(Duncan’s)檢驗(yàn)平均數(shù)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下土壤N2O排放特征

研究表明，在整個(gè)生育期各施氮量處理N2O排放通量變化趨勢基本一致，隨著生育期的推進(jìn)呈先升高后降低的趨勢，從苗期到開花初期，各處理N2O排放通量緩慢上升，隨后上下波動(dòng)，8 月2 日(盛鈴期)達(dá)到頂峰。進(jìn)入吐絮期，各處理N2O排放通量開始下降，且無顯著性差異。隨著施氮量的提高，N2O排放通量顯著提高，N240和N360處理的最高N2O排放通量分別為43.8和63.0 g/(hm2·d)，比CK顯著高提高2.9倍和4.1倍。圖3

圖3 不同施氮量下N2O排放通量Fig.3 N2O emission fluxes from different nitrogen fertilizers

不同施氮水平N2O排放總量存在顯著性差異。不同處理下N2O年排放總量整體表現(xiàn)為N360>N240>N120>CK，增加氮肥施用量顯著提高棉田N2O損失量。其中N360處理下N2O年排放總量為2 055.6 g/(hm2·a)，分別比CK、N120和N240顯著高221.9%、123.1%和33.1%。圖4

注：小寫字母表示每個(gè)處理間變化量在P<0.05有顯著性差異Notes:Small letters denoted significant differences of changed amount between treatments at P<0.05圖4 不同施氮水平N2O排放總量Fig.4 N2O total emissions from different nitrogen fertilizers

2.2 不同施氮水平棉花碳足跡

研究表明，N120、N240和N360處理在2019年碳足跡分別為5 159.9、5 738.5和6 264.6 kg(CO2-e)/(hm2·a)比對(duì)照(CK)分別高8.1%、17.2%和24.4%。

各處理灌溉用電所造成的碳足跡最高，在CK、N120、N240和N360處理中分別占54.8%、50.3%、45.3%和41.5%。各處理使用農(nóng)膜碳足跡分別占總碳足跡的29.2%、26.8%、24.1%和22.1%。隨著施氮量的提高，化肥生產(chǎn)造成的碳足跡顯著提高，N360處理下化肥生產(chǎn)造成的碳足跡為2 165.8 kg(CO2-e)/(hm2·a)，比CK、N120、N240分別高32.1%、21.4%和9.2%。施氮量由0 kg/hm2提高到360 kg/hm2時(shí)，化肥生產(chǎn)造成的碳足跡占總碳足跡的比例由13.6%提高到34.6%。“寬早優(yōu)”模式系統(tǒng)中棉花碳足跡主要由灌溉用電、農(nóng)膜及化肥3個(gè)因素構(gòu)成，分別占總碳足跡的47.4%、25.2%和24.3%。各處理化肥碳足跡由氮肥、鉀肥、磷肥及土壤N2O排放組成。其中，土壤N2O排放碳足跡在化肥碳足跡中占比最大(10.6%)，氮肥碳足跡占化肥碳足跡次之(9.9%)，磷肥較少(4.4%)，鉀肥最少(1.9%)。隨著施氮量的增加，氮肥和土壤N2O排放造成的碳足跡也逐漸增加。圖5

表2 不同施氮水平棉花碳足跡Table 2 List of carbon footprint of different nitrogen fertilizers

圖5 不同施氮水平碳足跡構(gòu)成Fig.5 Composition of carbon footprint of different nitrogen fertilizer

2.3 不同施氮水平對(duì)棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

研究表明，隨著施氮量的增加，單株鈴數(shù)、單鈴重、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量隨之提高。與CK相比，N120、N240和N360處理下單株鈴數(shù)增加61.9%、64.1% 和70.1%。N120和CK處理之間籽棉產(chǎn)量無顯著性差異(P>0.05)，而N240和N360處理較CK處理顯著提高 19.3% 和22.9%，達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。N240和N360處理下單株鈴數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量均無顯著性差異。表3

表3 不同施氮水平對(duì)棉花產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 Effects of yield and yield components of different nitrogen fertilizer

2.4 不同施氮水平下棉花碳成本

研究表明，不同施氮水平下單位面積產(chǎn)量碳足跡依次為N360>N120>N240>CK，其中N360處理下單位產(chǎn)量碳足跡最大(779.6 kg(CO2-e)/t)。與N360處理相比，N240處理下單位產(chǎn)量碳足跡降低5.6%。表4

表4 不同施氮水平棉花單位面積產(chǎn)量碳足跡Table 4 Carbon footprint for per ton cotton yield under different nitrogen fertilizer

3 討 論

研究得出N240與N360處理棉花籽棉產(chǎn)量沒有顯著差異。過量施用氮肥不會(huì)顯著提高棉花產(chǎn)量，但會(huì)造成過多碳排放，在不影響產(chǎn)量的情況下，降低氮肥用量可以減少棉田碳足跡。適量的減少氮肥，在不影響產(chǎn)量和凈經(jīng)濟(jì)效益的前提下，可以減少溫室氣體的排放[23]。減少施氮量，即可以使“寬早優(yōu)”模式下產(chǎn)量得到保障，又可以降低棉田碳足跡。

土壤中硝化作用和反硝化作用受到氮肥的調(diào)控，氮肥會(huì)影響 N2O 的排放[24]。隨著施氮量的增加，棉田N2O排放通量與排放總量隨之增加，其中總體表現(xiàn)為N360>N240>N120>CK。吐絮期各處理N2O排放通量開始下降，且無顯著性差異，此階段N2O排放通量降低的原因可能是施肥結(jié)束后土壤氮素含量較少，晝夜溫差大導(dǎo)致土壤溫度低，減少了微生物的活動(dòng)，降低了土壤反硝化作用。N360處理下N2O年排放總量分別比CK、N120和N240顯著高221.9%、123.1%和 33.1%。這與李新華[25]，張志勇[26]等研究結(jié)果相似，氮肥減量施用，可以降低CO2與N2O排放總量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中碳足跡主要是因?yàn)檫^量施用氮肥[7]。研究得出當(dāng)?shù)适┯昧?360 kg/hm2)減少33.3%(240 kg/hm2)和66.7%(120 kg/hm2)時(shí)，碳足跡分別下降了8.4%和17.6%，這與前人研究結(jié)果一致，即減少氮肥施用可以顯著降低農(nóng)田碳足跡[27,28]。新疆“寬早優(yōu)”植棉模式生產(chǎn)中，碳足跡主要來源灌溉用電、農(nóng)膜使用和化肥投入量，分別占總碳足跡的47.4%、25.2%和24.3%；在化肥生產(chǎn)產(chǎn)生的碳足跡因子中，土壤N2O排放是主要因素，占化肥生產(chǎn)碳足跡10.6%。俞祥群[29]在減氮施肥對(duì)春玉米-晚稻生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡構(gòu)成中，發(fā)現(xiàn)肥料投入所占比例最大。史磊剛等[30]發(fā)現(xiàn)小麥-夏玉米種植模式碳足跡組成中，化肥占61.8%，電能占25%。趙亞飛等[23]研究新疆棉花與花生間作碳足跡發(fā)現(xiàn)，來自地膜碳足跡，棉花單作占29%、花生單作31%和棉花//花生間作占32%，與研究結(jié)論相似。

毛樹春等[31]建議未來新疆棉花要堅(jiān)持以可持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)方式新轉(zhuǎn)型。“寬早優(yōu)”種植，能提高棉花株高、增加采光和有利于中下部棉鈴發(fā)育等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的機(jī)采棉種植模式[32]。

4 結(jié) 論

增加氮肥的施用顯著提高棉田N2O排放。N360處理下N2O年排放總量分別比CK、N120和N240顯著高221.9%、123.1%和 33.1%。新疆“寬早優(yōu)”植棉模式碳足跡構(gòu)成中，灌溉用電、農(nóng)膜使用和化肥投入量，分別占總碳足跡的47.4%、25.2%和24.3%。施氮量影響棉田碳足跡，CK