松嫩平原不同秸稈還田方式下農田溫室氣體排放及碳足跡估算

郝小雨，王曉軍，高洪生，毛明艷，孫磊，馬星竹，周寶庫，遲鳳琴，李偉群,

1. 黑龍江省黑土保護利用研究院，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 衡水市園林中心，河北 衡水 053000；3. 新疆生產建設兵團第十師農業科學研究所，新疆 北屯 836007

人類活動排放的溫室氣體（主要為 CO2、N2O和CH4）是導致全球升溫的主因。IPCC（2021）第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學基礎》指出：2011年以來，大氣中溫室氣體CO2、N2O和CH4含量持續上升。農業生產活動是溫室氣體排放的重要來源，占到人為生產活動總量的12%（Walling et al.，2020）。可見，減少農業生產活動產生的溫室氣體排放，進行低碳清潔生產至關重要。利用碳足跡方法可明確農業生產過程中各部分產生溫室氣體的情況，以便采取針對性的措施來改善生產行為（李春喜等，2020）。碳足跡（Carbon footprint）是指一定的時間和空間邊界內，某種活動引起的（或某種產品生命周期內積累的）直接或間接的CO2排放量的度量，可用來評估農田系統或某項農業措施的優劣（Peters，2010；段華平等，2011），有利于制定更有針對性的減排措施。

黑龍江省總耕地面積為1.437×107hm2，2020年糧食產量達到7.541×107t，為中國第一產糧大省，與此同時農業副產物秸稈的產量也隨之增加，合理利用秸稈資源成為當前亟需解決的問題。實踐證明，將含有豐富礦質元素和有機質的農作物秸稈還田，對于固土保水、改善土壤結構、增加土壤固碳量、減少養分損失和保證作物產量等具有積極作用（Sun et al.，2012；殷文等，2015）。此外，長期秸稈還田能完全補償由施用化肥所造成的直接溫室氣體排放，同時秸稈還田帶入的養分還可減少20%—24%的間接溫室氣體排放（張鑫等，2020）。李萍等（2017）在山西省旱作農田的研究指出，秸稈覆蓋免耕可減少褐土N2O排放量，降低單位產量碳足跡。杜杰等（2020）分析了不同耕作措施對黃土高原地區小麥和玉米碳足跡的影響，指出免耕秸稈不還田和免耕秸稈還田在增加了小麥、玉米的產量同時可降低溫室氣體排放量和碳足跡。成功等（2016）研究表明，塿土小麥秸稈旋耕還田后土壤N2O的季節排放總量降低了33.9%，但小麥生產過程中的碳足跡升高了26.0%。

由于氣候類型、耕作方式、田間管理、土壤條件等的差異，不同生態區秸稈還田方式下的農田溫室氣體排放及碳足跡具有不同的特征，本研究以此為切入點，基于松嫩平原南部黑土秸稈還田定位試驗，連續 3年監測大豆-玉米-玉米輪作體系下農田N2O和CH4排放變化，利用生命周期法（Life cycle assessment）估算農資投入和田間操作引起的直接或間接碳排放量，比較不同秸稈還田方式下的溫室氣體排放和碳足跡變化，以期為松嫩平原旱作農田生態系統低碳減排和保障農業可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間定位試驗于 2011年建立，位于黑龍江省哈爾濱市道外區民主鎮黑龍江國家級現代農業示范園區（126°51′24.37″E，45°50′38.53″N）。試驗地處松花江和阿什河交匯的一級階地，松花江南岸，海拔130—150 m。試驗區域屬中溫帶，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫3.5 ℃，年均降雨量533 mm，≥10 ℃年積溫為2600—2800 ℃，無霜期約135 d。試驗地為旱地黑土，成土母質為洪積黃土狀粘土。種植制度為一年一作，按照大豆-玉米-玉米順序輪作，無灌溉。試驗開始前0—20 cm土壤基本性質為：有機質 32.2 g·kg?1，全氮 1.9 g·kg?1，全磷2.1 g·kg?1，全鉀 27.6 g·kg?1，堿解氮 199.1 mg·kg?1，有效磷 41.1 mg·kg?1，速效鉀 215.0 mg·kg?1，pH [在水（體積）與土（質量）之比=2.5?1中]為7.1。

1.2 試驗設計

本試驗設3個處理。（1）常規（CK）：秋季收獲后，玉米地上部秸稈移走，第二年春季旋耕滅茬直接起壟，旋耕深度15 cm左右，為本地區農戶常用的耕作方式。（2）秸稈深施還田（DSR）：秋季收獲后，玉米秸稈全部粉碎（長度5—10 cm），均勻平鋪于地表，滅茬，大馬力拖拉機（1.434×105W）牽引五鏵犁深翻25 cm以上，把秸稈翻埋至下層，耙地起壟。（3）秸稈覆蓋免耕（SC）：秋季玉米機械收獲，玉米秸稈全部粉碎（長度5—10 cm），均勻平鋪于地表，滅茬，第二年春季應用免耕播種機直接播種。每個處理3次重復，隨機排列。試驗小區面積為234 m2（寬5.2 m×長45 m）。各處理化肥施用量一致。大豆季磷酸二銨（N質量分數為 18%，P2O546%）150 kg·hm?2，硫酸鉀（K2O 50%）60 kg·hm?2，不追肥。玉米季基施尿素（N 46%）60 kg·hm?2，磷酸二銨150 kg·hm?2，硫酸鉀 60 kg·hm?2；玉米拔節期追施尿素150 kg·hm?2。2013年5月23日、2014年5月4日、2015年5月3日人工施基肥播種，玉米季2014年6月29日、2015年7月2日追肥。玉米品種為龍高L2，大豆品種為黑河42。大豆和玉米播種量分別為 75 kg·hm?2和 22.5 kg·hm?2，大豆保苗 3.75×105—4.5×105plant·hm?2、玉米保苗 6.75×104—7.5×104plant·hm?2；9月28—30日收獲。其他田間管理方式參見文獻（王曉軍等，2017）。

1.3 樣品采集與測定

于 2013—2015年作物生育期取樣。溫室氣體采集（N2O和CH4）采用靜態箱-氣相色譜法，取樣箱為長方體不透明箱（長65 cm，寬30 cm，高30 cm），材質為PVC板。取樣過程及測定方法參見文獻（郝小雨等，2015）。采樣時間在晴朗天氣的09:00—11:00時段。施肥后每3天取氣樣1次，之后每10—15天取樣1次。分別在0、10、20、30 min抽取混合氣樣35 mL于真空瓶中（英國Labco頂空進樣瓶）。采樣同時記錄取樣箱內外溫度，并測定5 cm土層溫度和土壤含水量。

溫室氣體排放通量的計算公式為：

式中：

F——溫室氣體排放通量，μg·m?2·h?1；

ρ——某溫室氣體標準狀態下的密度，kg·m?3；

H——取樣箱高度，m；

Δc/Δt——單位時間靜態箱內的溫室氣體濃度變化率，mL·m?3·h?1；

θ——測定時箱體內的平均溫度，℃。

秋季在小區劃分3個10 m2樣區，全部收獲，考種折算產量。各小區取代表性植株10株，樣品在105 ℃烘箱殺青30 min，65 ℃烘干稱質量，計算草谷比。

1.4 碳足跡

基于生命周期評價法，建立系統邊界：（1）農資投入（化肥、農藥、種子、柴油等）；（2）田間管理（耕作、施肥、播種、收獲、秸稈還田等）；（3）土壤非CO2溫室氣體排放（N2O和CH4）。農資或農作活動的碳排放系數為（CO2當量）：氮肥、磷肥和鉀肥生產分別為 1.53、1.63、0.65 kg·kg?1（王鈺喬等，2018）；大豆種子和玉米種子分別為 0.25 kg·kg?1和 1.05 kg·kg?1（West et al.，2002），除草劑生產和殺蟲劑生產分別為 10.15 kg·kg?1和 16.61 kg·kg?1（王鈺喬等，2018），柴油 0.89 kg·L?1（王鈺喬等，2018）。在100年時間尺度下，N2O和CH4的全球增溫潛勢為 CO2的 298倍和 34倍（IPCC，2013），N2O和CH4排放量需分別乘以298和34折算成CO2當量。計算公式為（李萍等，2017）：

式中：

fC——農業生產碳足跡（CO2當量），kg·hm?2·a?1；

n——農業生產過程中消耗的n種物質（能源或生產資料等）；

fCi——第i種物質的碳足跡；

mi——第i種物質的消耗量；

βi——第i種物質的碳排放系數。

1.5 數據處理

應用 Microsoft Excel 2016進行數據整理和作圖；SPSS 19.0軟件進行數據統計，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤非CO2溫室氣體排放特征

由圖1可知，在2013年大豆季、2014年玉米季、2015年玉米季，常規（CK）、秸稈深施還田（DSR）和秸稈覆蓋免耕（SC）處理生育期內 N2O排放通量峰值均出現在施肥后的1—3 d內，施氮肥是導致N2O出現排放通量峰值的主要原因。2013年大豆季，CK、DSR、SC處理日排放量變化范圍分別在 3.5—51.8、3.9—55.5、3.2—57.8 μg·m?2·h?1之間；2014年玉米季分別在 4.3—78.4、3.6—73.5、3.0—74.9 μg·m?2·h?1之間；2015 年玉米季分別在3.6—73.6、3.4—76.2、2.6—75.1 μg·m?2·h?1之間。分別比較2013年大豆季、2014年玉米季各處理生育期N2O總排放量（表1），CK、DSR和SC處理間無顯著差異（P>0.05），2015年玉米季SC處理顯著低于CK和DSR處理（P<0.05）；CK、DSR、SC處理生育期N2O平均排放量分別為0.76、0.74、0.73 kg·hm?2，處理間無顯著差異（P>0.05）。2013 年大豆季生育期N2O總排放量要低于2014年和2015年玉米季，原因是大豆季氮肥施用量較低。

圖1 不同處理溫室氣體排放特征Figure 1 Characteristics of greenhouse gas emission under different treatments

表1 不同處理土壤溫室氣體排放量Table 1 Cumulative N2O and CH4 emissions under different treatments

2013年大豆季常規（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理CH4日交換通量變化范圍分別在?13.9—0.5、?13.2—0.8、?12.4—0.6 mg·m?2·h?1之間；2014 年玉米季分別在?13.5—2.0、?14.5—2.6、?13.2—2.1 mg·m?2·h?1之間；2015 年玉米季分別在?14.6—2.1、?14.5—2.2、?15.8—1.7 mg·m?2·h?1之間。CK、DSR 和 SC 處理 2013—2015生育期CH4平均排放量分別為?0.11、?0.11、?0.12 kg·hm?2，處理間無顯著差異（P>0.05）。從上述結果也可看出，黑土區大豆田和玉米田是大氣中CH4的弱“匯”。

2.2 農田碳足跡核算

由圖2可看出，2013—2015年常規（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理農田間接排放（農資投入和田間耕作）的農田碳足跡分別為 1208.8、1254.8、1160.8 kg·hm?2，可見 DSR處理間接排放的碳足跡最高，SC處理最低，原因是在農資投入相同的情況下，與各處理田間耕作柴油消耗量不同有關（表2）。結果顯示，2013—2015年DSR田間耕作柴油消耗最高，達到294.8 L·hm?2；其次為 CK 處理 243.0 L·hm?2；SC 處理最低，為198.0 L·hm?2。常規（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理直接排放（土壤溫室氣體排放）的碳足跡分別為 1058.4、1020.4、1004.1 kg·hm?2，大小排序為 DSR>CK>SC。2013—2015 年SC處理農田碳足跡最低，為2164.9 kg·hm?2，較CK（2267.2 kg·hm?2）和 DSR（2275.2 kg·hm?2）處理分別降低4.5%和5.1%（P<0.05）。

圖2 2013—2015年不同處理農田碳足跡變化Figure 2 Changes of farmland carbon footprint under different treatments during 2013?2015

表2 2013—2015年輪作周期內不同處理農資投入量Table 2 Agricultural inputs of different treatments during the crop rotation period of 2013?2015

從農田碳足跡構成來看（圖3），土壤溫室氣體排放對農田碳足跡的貢獻最大，占比 44.8%—46.7%；其次為氮肥生產18.4%—19.4%，之后為磷肥生產14.8%—15.6%和田間耕作7.8%—11.5%，農藥生產、種子生產和鉀肥生產占比較低。土壤溫室氣體排放、氮肥生產、磷肥生產和田間耕作的碳足跡之和占農田碳足跡總量的90%左右，是最主要的碳足跡貢獻因子。

圖3 不同處理農田碳足跡構成Figure 3 Composition of carbon footprint under different treatments

2.3 農作物產量對比及單位產量碳足跡變化

從農作物產量來看（圖4），DSR和SC處理大豆產量（2013年）、玉米產量（2014年和2015年）均顯著高于常規（CK）處理（P<0.05），秸稈深施還田（DSR）處理增產率分別為9.2%、3.1%、5.5%，平均為5.1%；秸稈覆蓋免耕（SC）處理增產率分別為4.9%、6.4%、4.9%，平均為5.5%。DSR和SC處理年際間作物產量有所波動，但處理間平均產量差異不大。

圖4 2013—2015年不同處理農作物產量變化Figure 4 Crop yield changes under different treatments during 2013?2015

不同秸稈還田方式下碳足跡與作物產量的比值為單位產量碳足跡。由圖5可知，2013年大豆季常規（CK）、秸稈深施還田（DSR）和秸稈覆蓋免耕（SC）處理之間單位產量碳足跡無顯著差異（P>0.05）。2014和 2015年玉米季SC處理單位產量碳足跡最低，較CK處理分別降低9.5%和11.0%（P<0.05）；較DSR處理分別降低6.6%和5.9%，但差異不顯著（P>0.05）。

圖5 2013—2015年不同處理單位產量碳足跡Figure 5 Carbon footprint per unit of crop yields under different treatments in 2013?2015

3 討論

3.1 秸稈還田對農田溫室氣體排放的影響

土壤 N2O排放源于微生物參與下的土壤硝化和反硝化作用。針對秸稈還田對土壤N2O排放的影響國內外學者還缺乏一致結論，相關結果表現為促進、抑制和不影響。（1）秸稈還田促進土壤N2O排放：秸稈還田增加了土壤的碳供應，作為基質直接參與土壤硝化過程，改變了參與N2O排放的土壤微生物群落組成，促進了土壤硝化作用，從而增加了N2O排放（Li et al.，2018；唐占明等，2021）。此外，旱地秸稈還田后改變了土壤微環境，導致土壤孔隙度、溫度、水分等發生了變化，增強了土壤反硝化反應，也會促進N2O排放（Liu et al.，2011）。劉全全等（2016）研究發現，秸稈覆蓋還田增加了黃土旱塬區冬小麥田N2O排放，原因是多年秸稈還田后土壤有機物質累積量持續增長，增加了土壤中的碳源，另外秸稈覆蓋的穩溫保濕效應顯著，這兩方面共同增強了土壤硝化作用和反硝化過程中微生物的活性，導致土壤N2O排放量增加。閆翠萍等（2016）指出，在小麥-玉米輪作農田秸稈深施還田土壤N2O排放量較不還田周年增加68.9%。李平等（2018）在黑土上的研究結果為，秸稈與土壤混合后配施氮肥，N2O排放量增加了兩個數量級，原因是秸稈豐富的碳源為反硝化微生物提供了充足的碳底物，刺激了土壤微生物呼吸的作用，形成較多的厭氧微區，從而導致更多的N2O排放。（2）秸稈還田降低土壤N2O排放：當秸稈碳氮比較大時，表現為碳源過剩和氮源缺乏，從而刺激土壤微生物去吸收其他氮源以滿足代謝活動，因此加強了對土壤中可利用氮源的吸收，減少了硝化與反硝化作用的基質，進而降低了N2O排放（Garcia et al.，2007；張冉等，2015；高洪軍等，2017）；也有研究指出，秸稈覆蓋還田阻礙了土壤與大氣的氣體對流，一定程度上降低了N2O的排放（劉海濤等，2016）；秸稈深施還田后，加強了微生物對氮素的固持作用，導致有效氮濃度降低，從而抑制硝化和反硝化過程，使N2O排放降低（朱曉晴等，2020）。本研究中，不論是秸稈深施還田亦或秸稈覆蓋免耕，均未增加或降低土壤N2O排放，這也與張冉等（2015）的研究結果一致，即秸稈還田對東北地區農田土壤N2O排放無顯著影響。可見，受秸稈還田方式和還田量、土壤條件（土壤類型、質地、水分含量）、氣象因素（降水、氣溫）、田間管理（施肥、灌溉、耕作）等因素影響，黑土秸稈還田下的土壤N2O排放還存在較大的不確定因素，下一步還需進行深入研究。

本研究中，松嫩平原南部大豆田和玉米田是大氣中 CH4的弱“匯”，這也與其他學者在旱田上的研究結果一致（Sun et al，2016；呂艷杰等，2016），原因是旱地農田土壤通氣條件好，氧氣易于擴散到土壤中，提高甲烷氧化微生物和甲烷氧化酶的活性，好氣土壤中的CH4易被氧化菌氧化成CO2，削弱CH4的排放特征，強化了土壤作為CH4的吸收匯特征（宋利娜等，2013）。秸稈覆蓋通過改變土壤厭氧條件、土壤物理性質和土壤養分條件等間接影響CH4排放，導致 CH4排放量增加（Lenka et al.，2013），但通過改變覆蓋措施則會減少CH4排放（Ma et al.，2009）。朱曉晴等（2020）在棕壤上的研究結果為，秸稈深施還田降低了土壤對CH4的吸收量，可能是秸稈深施后較好的土壤通透性利于甲烷氧化菌活動，增強了土壤吸收氧化CH4的能力。本研究發現，秸稈覆蓋和秸稈深施還田均對CH4排放量沒有明顯影響，與裴淑瑋等（2012）和呂艷杰等（2016）秸稈還田后CH4的吸收通量降低的結果不一致，可能是添加秸稈后沒有增加土壤甲烷氧化菌的多樣性和豐富度，故未顯著影響土壤產甲烷菌的活動以及土壤氧化還原電位，進而也未影響CH4的氧化潛勢（裴淑瑋等，2012；郝小雨等，2015）。

3.2 秸稈還田對農田碳足跡的影響

本文分析了松嫩平原大豆-玉米-玉米輪作系統下不同秸稈還田方式下農田碳足跡變化，2013—2015年秸稈覆蓋免耕處理農田碳足跡最低，較常規和秸稈深施還田處理分別降低4.5%和5.1%，原因是在農資投入相同、且N2O和CH4排放無顯著差異的情況下，秸稈覆蓋免耕處理田間耕作措施較少、柴油消耗量較低，故產生的碳排放量也較低。秸稈覆蓋免耕處理僅有 7項田間耕作措施，而常規和秸稈深施還田處理則分別達到了10項和11項，大大增加了油耗，進而增加農田碳排放。這也與李萍等（2017）和伍芬琳等（2007）研究結果一致。

本研究中，各項碳足跡占總碳足跡的比例排序為：土壤溫室氣體排放>氮肥生產>磷肥生產>田間耕作>農藥生產>種子生產>鉀肥生產，這與部分研究結果不一致（段智源等，2014；李萍等，2017），原因除了農資投入量不同之外，還與碳排放系數參考的數值不同有關。在大豆-玉米-玉米輪作體系下，土壤溫室氣體排放的農田碳足跡的貢獻占比達到44.8%—46.7%，為第一貢獻因子，其中N2O排放是主要來源。因此，采取相關措施減少土壤N2O排放極為必要，如采用“4R”施肥技術（米國華等，2018），即合理的用量（Right rate）、正確的施肥時間（Right time）、合適的肥料（Right fertilizer）、合理的施肥位置（Right placement）來提高肥料利用率，進一步降低作物生產碳足跡（Gan et al.，2014）。此外，化肥生產（氮肥、磷肥、鉀肥）農田碳足跡的貢獻占比為35.8%—37.7%，僅次于土壤溫室氣體排放，因此未來還需發展低碳清潔的肥料生產工藝，進一步減少碳排放。

4 結論

松嫩平原南部大豆-玉米-玉米輪作體系下，秸稈深施還田和秸稈覆蓋免耕不影響土壤N2O和CH4排放。影響農田碳足跡的主要貢獻因子是土壤溫室氣體排放、氮肥生產、磷肥生產和田間耕作。秸稈覆蓋免耕措施可以減少機械燃油產生的碳排放，繼而降低農田碳足跡，較常規和秸稈深施還田處理分別降低4.5%和5.1%。秸稈深施還田和秸稈覆蓋免耕可以提高大豆、玉米產量。綜上，在松嫩平原南部大豆-玉米-玉米輪作體系下，秸稈覆蓋免耕可以降低農田碳足跡并可提高大豆、玉米產量，是較為適宜的耕作方式。下一步，應建立低碳可持續的耕作管理方式，開展清潔生產、優化農機農藝管理、高效施肥等措施，助力實現中國“碳達峰、碳中和”的目標。