山西省小麥種植體系活性氮排放及碳足跡對化肥施用的響應

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The ResponseofActive Nitrogen Emisionsand CarbonFootprintof WheatPlantingSystem inShanxi ProvincetoFertilizerpplication

LI Hui，DAI Xin-jun（Department of Biology，Xinzhou Teachers University，Xinzhou，Shanxi 034000）

AbstractThisudytaksteheatproductionssteminSaniProvincasteobectcaluatestecarbonandnitrogeemisiosatedbytheatsiintlifessteoddrtaiaielystoactf fetilzerapplicationinwheatproduction.Theresultsshowedthatfrom2O11to2O21，thewheatplantingareainShanxidecreasedby 24.41% ， but the wheat yield per hectare increased by 33.99% . In Shanxi Province，the input of various types of fertilizers for wheat has increased by （20 18.55% overthepast1lyeas，ndhetypeoffertilizerhsgaduallyshftedfromnirogenfertilizertocompoudfertilizer.Comparedwith 2011，the amount of nitrogen fertilizer used in 2O21 decreased by 44.11% ，while the amount of compound fertilizer used increased by （202 168.90% .The active nitrogen emissions from the wheat production system in Shanxi Province are mainly from NH₃ volatilization，with an average NH₃ volatilization of 53.34kg/hm² NO₃^- -N leaching of 4.33kg/hm² ，and N₂O emissions of 0.40kg/hm² In addition，in2011-2021，the carbonfotprtofofeatprudinaroveutrtilutsodorallowrdredndl vironmentalcostagdlydudefoedertofrtrdcebodrnfoptitisosibletpl uilizatioandduerbndrogsiosduringatliatiobeveloingtoiestducemmlaile veloping slow-release fertilizers，and combining soil testing formula technology.

Key wordsWheat;Fertilizer input;Life cycle assessment method;Active nitrogen emissions;Carbon footprint

長期以來，化肥通過顯著提高小麥產量，為我國的糧食安全發揮著不可替代的作用[1]。但同時也造成大量活性氮流失到生態環境中，造成氮肥利用率長期偏低，土壤質量下降及環境負荷增加[2]。此外，空氣污染物會間接影響人類健康。因此，評估化肥投入對環境的負面影響，能夠為提高氮肥利用率，降低化肥污染及緩解氣候變化提供新視角。當前，生命周期評價法（lifecycleassessment，LCA）是足跡研究中進行環境評價的重要工具[3]。以小麥為例，在作物播種、生長及收獲各環節中，小麥會直接或間接產生碳排放和活性氮排放，對小麥生命周期環境沖突的定量化評價至關重要。國內外學者對足跡研究越來越朝著精確定量化方向演變。連炳瑞等[4]定量分析了河北省玉米的活性氮排放及碳足跡表明，開發與玉米生長發育周期相同的專用型復合肥是降低碳足跡的重要舉措。周杏等5基于湖北省油菜種植的氮足跡研究發現，活性氮排放量的 98.13% 產生在種植階段。李貞宇等通過LCA法研究表明，降低氨揮發是減少五省玉米施肥污染中科技攻關的重要方向。

小麥作為山西的主要糧食作物，近年來，化肥在提高小麥產量的同時，也產生水體富營養化、氨揮發、土壤質量下降等生態環境問題。因此，降低化肥對生態環境的負面影響是政府和農民持續關切的問題，當務之急是要系統了解長期以來化肥對小麥種植體系活性氮排放及碳足跡影響的動態變化。因此，筆者以2011—2021年山西省小麥施肥數據和產量現狀為基礎，利用生命周期評價法定量分析施用化肥對小麥體系的活性氮排放及碳足跡的影響，以期為區域小麥施肥策略制訂及農業可持續發展理論研究提供參考。

1材料與方法

1.1研究區域和數據來源山西省位于黃河流域中部，地處中緯度地帶內陸，屬溫帶大陸性季風氣候，周圍與內蒙古自治區、河北省、河南省和陜西省相鄰，地勢東北高西南低，平川河谷面積占總面積的 19.9% 。全省各地年均氣溫 4.2～ 14.2^°C ，年降雨量 358～621mm ，降雨集中在6—8月。小麥是山西主要的農作物之一，也是化肥投入較多的作物。

研究數據年限為2011—2021年，數據包括山西省各年度小麥播種面積、化肥（氮肥、磷肥、鉀肥和復混肥）施用量和小麥單產數據。其中，小麥化肥施用量數據采自2011—2021年《全國農產品成本收益資料匯編》，小麥播種面積和總產量數據源于2011—2021年《中國統計年鑒》[8]。該研究以山西省小麥種植體系為研究對象，根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》和《中國氮磷鉀肥制造溫室氣體排放系數的估算》[\"]中的數據參數，計算施入麥田的化肥在其生產階段（溫室氣體 NH₃?O_x 和 CO₂ ）和小麥生育周期內（ N₂O 、CH₄ ）的活性氮排放特征及碳足跡。

1.2研究方法在小麥種植過程中，基于化肥投入量，利用生命周期評價法，山西省小麥種植體系中化肥投入對環境產生的總碳排放量（即總碳足跡）的計算公式如下[] ：

式中： C_? 為化肥施用對環境產生的總碳足跡； 為化肥生產階段產生的碳足跡; 為小麥種植過程中化肥投入對環境產生 N₂O 轉化的碳足跡。

C_??=（X₁×e₁+X₂×e₂+X₃×e₃）×44/12

式中： X₁，X₂ 和 X₃ 為純氮肥、純磷肥和純鉀肥的施用量 e₁，e₂ 和 e₃ 分別為氮肥、磷肥和鉀肥制造的溫室氣體排放系數，其中 e₁=2. 041，e₂=0. 195，e₃=2. 04 。復混肥養分按照N： 為 1：1：1 計算。

C_FPHH=N×a×44/28×310

在小麥種植過程中，化肥投人對環境產生的活性氮排放包括 N₂O 排放量 （0.480^0.058×N ） ?NO₃^- 淋溶量 （4.460^0.0094×N ）和NH₃ 揮發量 （0.240×N+1.3）3 部分[12]。式中， N 為小麥種植階段施用所有化肥中包含的純氮總量， kg/hm² 6 a=0.01 ，表示投入氮肥誘導 N₂O 排放系數。

氮肥偏生產力（ kg/kg/= 小麥產量 （kg）/ 純氮投入量

（kg）

1.3數據分析采用MicrosoftExcel2010和Origin8.0軟件進行數據處理、繪圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1小麥播種面積與產量情況從圖1可見，2011—2021年山西省小麥播種面積整體呈逐步降低趨勢，播種面積從2011年的 710.10km² 降低到2021年的 536.80km² ，降幅為24.41% 。其中，在2017年山西小麥播種面積有明顯下降，播種面積由2016年的 672.9km² 降至2017年的 560.5km² ，降幅為 16.70% ，這表明在2017年山西小麥種植結構發生了顯著調整。與之相反的是，盡管小麥播種面積逐年下降，但山西小麥單產呈上升趨勢，2011—2021年由 3384.03kg/hm² 增加到 4 534.28kg/hm² ，增幅為 33.99% 。

2.2小麥施肥特點由圖2可知，2011—2021年山西小麥生產中化肥投入量由 349.35kg/hm² 增加到 414.15kg/hm² ，增幅為 18.55% 。從肥料類型來看，氮肥和磷肥投入量均呈降低趨勢，氮肥投人量由168. 00kg/hm² 降低到93.90kg/hm² ，降幅為 44.11% 。磷肥投人量由 62.7kg/hm² 降低到 1.2kg/hm² ，降幅為 98.09% 。而復混肥施用量上升明顯，投入量由 118.65kg/hm² 增加到 319.05kg/hm² ，增幅為 168.90% 。可見，氮、磷、鉀元素不斷通過復合肥形式施入土壤。鉀肥施用量波動較小，在大多數年份鉀是以復混肥形式施入土壤。數據分析表明，小麥單產與化肥用量呈極顯著正相關（ Plt;0.05 ，這說明化肥在提高小麥產量及穩定糧食安全方面發揮著重要作用。

圖32011—2021年山西省小麥氮肥偏生產力 Fig.3NPFP in wheat in Shanxi Province during 2011-2021

2.3小麥氮肥偏生產力在農業生產中，氮肥偏生產力是氮肥利用率的一種表示方式。從圖3可知，2011—2021年山西省小麥氮肥偏生產力整體呈上升趨勢，2013年氮肥偏生產力最小為 15.92kg/kg ，說明小麥對氮素的利用不充分。2021年氮肥偏生產力最大，達 22.64kg/kg ，氮肥偏生產力的增加有利于減少活性氮的排放，降低生態環境壓力。

2.4小麥體系中化肥產生的碳足跡從圖4可見，2011—2021年山西省每生產1t小麥由于化肥投入產生的碳足跡整體呈下降趨勢。其中，2021年碳排放量最低，為 577.05kg/t 與碳排放量最高的2013年 808. 03kg/t 相比，降幅為28.59% 。其中，化肥生產中產生的碳排放量高于化肥施用。從單位面積來看，2011—2021年山西省小麥化肥投入對環境產生的碳排放量呈波動狀態，從2017年開始，對環境產生的碳排放量逐漸降低，這是由于施用的化肥總量從2017年開始降低。

2.5小麥體系中化肥產生的活性氮排放量由圖5可知，山西省小麥體系中單位面積化肥施用產生的活性氮排放量總體呈先增后減的趨勢，在2016年最高，達到 63.28kg/hm² 0在活性氮排放總量中，表現為 NH₃ 排放量 gt; N0₃^--N 淋溶量gt;N₂O 排放量，其中 NH₃ 排放是主要的活性氮排放方式。

2011—2021年每年造成 NH₃ 揮發 49.36～57.30kg/hm² 。經計算，山西省近11年小麥生產體系造成的活性氮排放中平均值為 NH₃ 揮發 53.34kg/hm² NO₃^--N 淋溶 4.33kg/hm² ，N₂O 排放 0.40kg/hm² 。

圖52011—2021年山西省小麥體系中單位面積化肥施用產生的活性氮排放量

Fig.5TheemissionofactientrogengeneratedbyteapplicationoffrtlizersperuitareaiwheatsystemofShanxiProvincedurig 2011-2021

3討論

施肥是促進作物生長，提高作物產量及保證國家糧食安全的重要農田管理措施。該研究結果發現，雖然2011—2021年山西省小麥播種面積下降了 24.41% ，但是小麥單產卻提高了 33.99% ，小麥單產與化肥用量呈極顯著正相關，表明化肥對山西省小麥單產有較大的促進作用。同時由于肥料的不合理施用，也伴隨著氮肥利用率下降，土壤質量降低，地下水硝態氮污染及活性氮排放量增加等環境問題[2]。在當前國家“雙碳”戰略和小麥高質量可持續發展戰略的生態背景下，控制化肥總量、降低化肥對環境的活性氮及碳排放是可持續發展的重要途徑，也是小麥科研的重要任務要求。

在農業生產中，某產品或某項活動在作物生產過程中的整個生命周期內碳排放總量通常用農業碳足跡分析，碳排放量因施肥狀況和作物類型的不同而各異[13]。國內外學者就不同區域及不同作物類型進行了大量農業碳足跡研究，研究發現，農業碳排放的最主要來源之一是化肥的施用。李春喜等[14]選取了河南4個不同生態區域的小麥-玉米農田研究發現，化肥投人碳排放量占總排放量的 50% 以上。山東小麥-花生種植體系中化肥碳排放量為總碳排放量的 68.9%^[15] 有研究表明，氮肥是不同作物化肥投入的主要碳足跡來源[16]因此，筆者圍繞化肥投入，利用生命周期評價法分析2011—2021年山西省小麥碳排放量動態變化，研究發現化肥生產中產生的碳排放高于化肥施用。同時，每生產1t小麥由于化肥投入產生的碳足跡整體呈下降趨勢，11年間降幅為 28.59% ，說明山西省單位產量小麥環境成本下降，這得益于各種農業措施減排的作用。但是，單位面積小麥化肥投人對環境產生的碳排放量為波動狀態，說明化肥投入呈現聚集性投入的情況，降低單位面積化肥投入仍是今后小麥生產的難題。

該研究結果表明，山西省小麥生產化肥投入總量呈上升趨勢，2011—2021年增幅為 18.55% ，但是其構成發生了明顯變化，表現為氮肥投入量降低，復混肥施用量上升。這與河南省花生生產化肥投入的研究結果一致[17]。氮肥偏生產力是評價氮肥效應的指標，是指單位氮肥所能生產的作物產量[18]。該研究發現，山西省小麥氮肥偏生產力在 15.92～ 22.64kg/kg ，近年來氮肥偏生產力的上升說明氮肥利用率的提升。在山西省小麥化肥投入產生的活性氮排放量中，以NH₃ 揮發排放為主，遠遠大于 NO₃^--N 和 N₂O 排放量，這一趨勢與梁龍等[19-20]的研究結果一致。該研究中，2011—2021年山西省小麥生產中 NH₃ 揮發產生的活性氮為 53.34kg/hm² ，大于玉米化肥投入所產生的 NH₃ 揮發 （43.80kg/hm² ）[4]。

4結論

2011—2021年山西省小麥播種面積逐漸降低，小麥播種面積降低 24.41% ，小麥產量增加 33.99% ，這得益于化肥的投入。化肥總量呈增長后逐步穩定的態勢，其中，施用化肥種類發生了由氮肥為主轉變為復混肥為主，單質磷肥迅速降低。小麥氮肥偏生產力逐漸增加，氮肥利用率有力提高，但是由于小麥化肥總量規模較大，單位面積化肥投入產生的碳足跡11年間在 2600kg/t 左右，碳排放量并未下降。

因此，山西小麥種植體系中減少化肥產生的碳足跡和活性氮排放的措施可以從以下2個方面進行：一是改進施肥方式，如有機肥替代化肥，合理的肥料運籌方式等可從根源上減少化肥用量；二是可以通過種植氮高效小麥品種，施用緩控釋肥，結合測土配方技術來提高肥料利用率，降低小麥種植過程中的碳氮排放量。

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