湖北省油菜測土配方施肥下N2O減排潛力估算

李夏菲，楊 璐，于書霞*，劉 微，王德鑫，胡榮桂（.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；.華中農業大學經濟管理學院，湖北 武漢 430070）

湖北省油菜測土配方施肥下N2O減排潛力估算

李夏菲1，楊 璐1，于書霞1*，劉 微1，王德鑫2，胡榮桂1（1.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；2.華中農業大學經濟管理學院，湖北 武漢 430070）

以油菜種植大省-湖北省為案例地，在分析農田氮肥施用與油菜籽產量的基礎上，依據氮肥利用率變化，估算測土配方施肥技術在湖北省全面推廣的情況下，帶來的N2O減排潛力.結果表明，在湖北省油菜種植中，測土配方施肥技術的推廣將帶來646.32ktCO2-eq的理論減排.以2012年湖北省油菜測土配方推廣情況為基礎，進一步全面實施該項技術，將產生173.91ktCO2-eq的減排量，占油菜種植因氮肥使用而產生的N2O排放總量的13.98%.測土配方施肥通過優化營養元素配比，提高油菜氮肥利用效率，是一項控制與減少農業N2O排放、減少氮素在環境中盈余量的有效措施.

油菜；測土配方；氧化亞氮；減排潛力

氣候變化是當今人類面臨的最為嚴峻的全球性環境問題，農業作為溫室氣體排放的主要來源［1-2］，同樣也蘊藏著巨大的減排潛力.農業生產過程中采用的農業管理措施，如耕作方式、施肥、灌溉等，影響農田溫室氣體排放［3-4］.其中氮肥使用是農田N2O排放的主要來源［5-7］，約占土壤排放N2O的25%～84%［8］.農田N2O排放主要來自土壤硝化和反硝化作用.研究表明，科學的減少氮肥施用量、調整施肥結構、采用合理的施肥管理措施［9-11］，在保障糧食安全的前提下將有效的實現農田溫室氣體的減排［12］.

中國是化學肥料最大的消費國，中國陸地生態系統氮素輸入量的72%來自氮肥［13］.氮肥的過量使用，使得農業系統中的氮肥盈余量已達到175kg/hm2［14］.過度施肥在造成土壤、水和空氣污染的同時，也增加了農業溫室氣體排放的負荷［15］.針對化肥過量使用、施肥結構與方法不合理等現狀，我國于2005年全面推廣測土配方施肥技術.測土配方施肥通過有針對性地補充作物所需要的營養元素，使農田作物能夠均衡地吸收營養，實現養分吸收和元素配比的平衡，提高作物對肥料的利用率［16］.測土配方施肥相較于習慣施肥，通過優化肥料中的元素配比，更好的滿足作物生長對各個元素的需求，提高作物對肥料尤其是氮肥的利用效率［17］，從而有效減少農田N2O的排放，使之成為農業溫室氣體減排的重要措施［13］.

目前，對于測土配方施肥的研究較多的集中于測土配方施肥增產增收效益分析方面［18-19］，如Zebarth等［20］在加拿大東部通過測定土壤性質及馬鈴薯生長需求，采用最適宜的肥料配比及合理的施肥管理措施，實現作物對肥料吸收利用效率的提高及產量的增加.而對其減少溫室氣體排放方面的研究主要側重于定性描述［21-22］，缺少對區域溫室氣體減排效果的定量分析及估算方法的研究.如Salvagiotti等［23］通過試驗地土壤分析，按照不同施肥配比對小麥進行肥料利用效率情況對比，在其他實驗條件一致的情況下，確定施用作物生長所需的肥料，氮肥利用率較高.李長江等［24］采用IPCC2006中N2O排放量計算方法及測土配方施肥固碳減排計量方法指南中的土壤碳儲量計算方法，對實驗區測土配方施肥項目溫室氣體減排潛力進行綜合分析和估算.Stuart等［25］表明合理科學的減少氮肥投入，采取有效的施肥管理措施，將有效減少農田N2O排放.

油菜作為重要的食用油料作物和生物柴油原料［26］，是一種需肥量大、耐肥性強的作物，氮肥的施用對其植株生長及產量影響較大［27］，也是測土配方施肥技術應用的主要作物之一.湖北省是我國最大的油菜生產地，地理位置、氣候條件優越，油菜產量及種植面積均處于全國前列，是油菜測土配方施肥技術的重要推廣地.為了明確測土配方施肥與傳統施肥方式在氮肥利用效率方面的差異，進而分析由此帶來的溫室氣體減排效應，本文立足于湖北省測土配方施肥推廣現狀，以油菜種植為例，通過計算不同施肥方式下由于施肥量、作物產量改變而導致的氮盈余量，進而利用政府間氣候變化專業委員會（IPCC）提出的方法估算N2O排放量的差值，定量評估測土配方施肥技術對油菜種植所帶來的N2O減排潛力.本文為尋求合理的農業溫室氣體減排途徑、發展低碳農業提供決策依據.

1 材料與方法

1.1 區域概況

湖北省位于長江中游，除高山地區外，大部分為亞熱帶季風性濕潤氣候，熱量豐富，光能充足，雨熱同季，降水充沛，對農業生產有利.湖北省為油菜種植大省，2012年全省油菜種植面積1167khm2，總產量2300kt，均占全國的1/7以上［28］.油菜種植過程中通過采用科學的施肥管理措施，降低化肥投入水平，優化施肥結構是提高氮肥利用效率、減少溫室氣體排放的關鍵舉措.

1.2 研究方法

以研究區域油菜施氮量及產量為基礎，計算油菜在不同施肥方式下的氮肥利用率（NUE），確定氮肥投入與產量的關系.依據傳統施肥與測土配方施肥氮肥的相對盈余量，確定測土配方施肥技術相對于習慣施肥的N2O減排潛力.

1.2.1 氮肥利用率 肥料利用率為作物對施入土壤中的肥料的吸收利用效率，是反映作物、土壤、肥料之間關系的動態參數，是衡量肥料施用是否合理的一項重要指標［29］.

氮肥利用率計算如下:

式中:U為施肥后每公頃作物地上部分吸氮總量，kg/hm2；U0為未施肥情況下每公頃作物地上部分的吸氮總量，kg/hm2；N為每公頃作物化肥氮的投入量，kg/hm2.作物地上部分吸氮總量根據作物產量及生產1kg作物籽粒的養分需求量計算，油菜籽的養分需求量按50g-N/kg計算［30］.

1.2.2 氮肥盈余量估算 隨著肥料投入配比的改變，作物對肥料氮的利用率也將發生變化，相應的留在環境中的氮量也將不同.ΔN為外部環境相同的情景下，兩種施肥方式在獲得相同產量時帶來的氮肥盈余量.

式中:Nx為每公頃作物習慣施肥方式下化肥氮的投入量，kg/hm2；RENc為測土配方施肥情況下氮肥的利用率；RENx為習慣施肥情況下氮肥的利用率.本文假定不同施肥方式下的氮肥利用率為常量，不隨施肥量及油菜產量的變化而變化.

1.2.3 單位面積N2O減排潛力 單位面積農田N2O減排潛力，即由單位面積氮肥盈余量所產生的排放，本研究以2006年IPCC國家溫室氣體清單指南［31］（簡稱IPCC2006）提供的方法及相關排放因子、參數為依據進行計算.

1.2.4 區域N2O減排潛力 依據油菜種植面積、測土配方施肥技術的推廣情況以及單位面積減排潛力，計算理論N2O減排潛力及相對N2O減排潛力.理論N2O減排潛力指由于測土配方施肥技術的推廣，所帶來的溫室氣體排放總量的變化，由單位面積減排潛力與油菜種植總面積決定；相對N2O減排潛力是指以2012年為基準年的N2O減排潛力，由2012年油菜習慣施肥面積與單位面積減排潛力決定.

式中:EN2O為理論或相對N2O減排潛力， kgCO2-eq；BN2O為單位面積農田測土配方施肥技術所帶來的N2O減排量，kgN2O-N/hm2；A為研究區域油菜種植總面積或習慣施肥種植面積，hm2；W為N2O-N排放量換算成N2O排放量的系數，44/28；GWP為溫室效應潛值，310.

1.3 數據來源

本研究數據資料主要來源于實地調研、IPCC2006及《2013年湖北農村統計年鑒》［32］.其中習慣施肥氮肥施用量、作物產量，采用調查問卷和訪談的形式，調研湖北省17個市中36個縣的279戶2012年油菜種植情況而得到；測土配方施肥氮肥施用量、作物產量來自于上述區域的土壤肥料工作站的試驗、推薦數據及相關文獻［33-35］.土壤N2O排放的缺省排放、揮發和溶淋因子，均采用IPCC2006中的缺省值.油菜種植總面積及測土配方施肥推廣面積來源于《2013年湖北農村統計年鑒》［32］.

2 結果分析與討論

2.1 氮肥投入與產出分析

通過對湖北省各市2012年油菜種植施肥情況的調研，及各市“3414”肥效試驗推薦測土配方施肥資料的調查，確定各市油菜種植過程中單位面積農田習慣施肥、測土配方施肥情景下氮素投入量、作物產量，以及不施肥情景下作物產量（表1）.為兼顧各市不同區縣在土壤性質、氣候特點及施肥習慣上的共性與差異，各市數據采用縣均值或油菜種植面積最大縣的代表性數據.

表1 不同施肥方式湖北省各市油菜施肥與產量（kg/hm2）Table 1 The amount of fertilizer applied and the corresponding production of rapeseed under different fertilization modes in Hubei Province （kg/hm2）

與測土配方推薦施肥量相比，湖北省油菜種植中氮肥用量不足及過量施肥的情況均有存在，襄陽市和天門市氮肥習慣施用量比測土配方施肥推薦用量低，習慣施肥對氮肥的投入不足，其中襄陽市習慣施肥量氮素投入量比推薦量少22kg/hm2.其余地市習慣施肥氮投入量都高于測土配方施肥，普遍存在氮肥過量施用的情況.荊州市氮肥過量施用最為嚴重，兩種措施施氮量相差72kg/hm2，其次為武漢市，達到67.5kg/hm2.測土配方施肥通過優化肥料投入結構，提高作物的氮肥利用率，在改變化肥施用量的同時保證了油菜的品質及產量.各地市均未出現由于測土配方施肥技術推廣而導致減產的情況.測土配方施肥技術對于油菜產量的影響差異顯著，天門市增產效果最為明顯，在施肥量相比當地習慣施肥增加9kg/hm2的情況下，產量增加462kg/hm2，而黃石市和隨州市的增產效果并不顯著.

2.2 氮肥利用率

湖北省各地市在不同施肥方式下，油菜氮肥利用率均有顯著差異（圖1）.習慣施肥情景下，全省氮肥利用率均值為22.99%，而實行測土配方施肥技術后，該值將達到37.27%，平均提高14.28%，表明測土配方施肥技術能有效提高氮肥利用效率.這一結果與林莉等［36］在貴州省余慶縣進行的油菜測土配方施肥實驗結果相吻合.荊州市、天門市和十堰市氮肥利用率的提高均在20%以上，荊州市增加最為顯著，從原有的21.65%增加至47.48%.不同地市間由于土壤狀況、氣候條件、習慣施肥量和施肥習慣的不同，作物對氮肥的利用效率存在顯著差異，尤其實施測土配方施肥技術后氮肥利用效率差距加大，鄂州市氮肥利用率最高達到51.7%，而武漢市僅為21.67%.

圖1 不同施肥方式下湖北省各市油菜氮肥利用率Fig.1 Nitrogen use efficiency of rape under different fertilization modes in Hubei province

2.3 減排潛力分析

2.3.1 單位面積N2O減排潛力 湖北省油菜種植在推行測土配方施肥的條件下，可以產生473.46kg CO2-eq/hm2的減排潛力.氮肥利用率的變化、習慣施肥量是影響氮肥盈余量及單位面積減排潛力的關鍵因素.荊州市由于實施測土配方施肥后，氮肥利用效率顯著提高，單位面積N2O減排潛力達到790.94kgCO2-eq/hm2，為全省各地市中的最大值.襄陽市和天門市盡管測土配方施肥技術推薦氮肥用量高于習慣施肥量，但由于產量增加，氮肥利用效率仍有顯著的提高，因此單位面積溫室氣體排放也出現明顯降低（圖2）.

氮肥利用率變化較大的荊州市、天門市和十堰市，除了荊州市單位面積N2O減排潛力依舊較大外，天門市和十堰市的單位面積N2O減排潛力在全省處于中等水平.而武漢和孝感市的氮肥利用率變化并不十分突出，但由于這兩個市的習慣施肥不合理程度較高，可通過測土配方施肥減少溫室氣體排放的空間較大.

圖2 湖北省各市油菜種植單位面積減排量Fig.2 Emission reductions per unit area of rape planting in Hubei Province

2.3.2 減排潛力及其空間布局 （1）理論N2O減排潛力 湖北省油菜種植中測土配方施肥技術理論N2O減排潛力為646.32ktCO2-eq，其中荊州市理論N2O減排潛力為199.00ktCO2-eq，占全省理論總量的30.79%，為全省最大.理論N2O減排潛力超過全省總量10%的還有黃岡市，為15.50%.神農架林區由于油菜種植面積僅0.33khm2，故該區域理論N2O減排潛力全省最小，僅為199.53tCO2-eq.而隨州市單位面積N2O減排潛力量最小，且油菜種植面積僅高于神農架林區，因此其減排潛力僅占全省總量的0.40%（圖3a）.

（2）相對N2O減排潛力 單位面積N2O減排潛力和各地市2012年習慣施肥面積，是影響各地市相對N2O減排潛力的主要因素.在現有習慣施肥油菜田全部推廣測土配方施肥的情景下，可以帶來173.91ktCO2-eq的N2O減排量，占當年油菜種植氮肥施用所排放N2O總量的13.98%，減排潛力可觀（圖3b）.

圖3 湖北省各市油菜種植理論、相對減排潛力Fig.3 Theoretical and relative potential of emission reduction of rape planting in Hubei Province

以荊州市為代表的一類區域，包括孝感市、恩施自治州、鄂州市，習慣施肥量與測土配方推薦施肥量差距顯著，且測土配方施肥對油菜種植增產效應明顯，由此帶來的單位面積減排潛力大，應把油菜的測土配方施肥作為農業減排的關鍵措施，優先推廣.荊州市油菜種植面積大，測土配方施肥推廣比重在2012年僅為66.19%，因此在全部油菜種植都采取測土配方施肥技術的情景下，荊州市減排潛力量巨大.

武漢市習慣施肥量大，化肥利用率不高，且油菜產量在兩種施肥方式下均不高，實施測土配方施肥技術實現溫室氣體減排，主要依靠化肥施用量的減少來實現.通過實施測土配方施肥，武漢市氮肥利用率從原來的12.42%提高到21.67%，但籽粒產量僅增加165kg/hm2.對于這類區域，在推廣測土配方施肥技術的同時，需配合改變種植油菜的品種、耕作方式等措施［37］來解決該區域油菜種植氮肥利用率低、產量不高的問題.

襄陽市和天門市是在油菜種植過程中存在氮肥使用不足的區域.通過測土配方施肥技術，兩地氮肥施用量較習慣施肥量均有所增加，同時油菜產量顯著提高.計算結果顯示，隨著氮肥利用效率的增加，習慣施肥相對于測土配方施肥仍然出現了土壤環境中的氮盈余，進而產生了溫室氣體減排.對這類區域，應以合理提高施肥量、提高作物產量為導向，通過氮肥利用效率的提升實現溫室氣體的減排.

2.4 討論

測土配方施肥技術對溫室氣體的減排作用，主要通過提高油菜對氮肥的利用效率而實現，一方面土壤肥力、作物條件、栽培區域生態環境以及各種營養元素的供應水平對氮素的有效利用至關重要［38-39］，另一方面氮肥利用率與氮肥施用量、作物產量密切相關［40］.與習慣施肥方式相比，測土配方施肥技術通過測定土壤質地、氣候及農戶種植習慣，確定區域作物適宜化肥投入量、投入時間及投入方式，在保障作物產量的前提下合理減少投入［41］.湖北省15個地市測土配方推薦施氮量低于習慣施肥的投入量，其中荊州市習慣施肥量是測土配方施肥推薦量的1.48倍.與此同時，測土配方施肥通過有針對性地配比施肥量，能提高作物產量，改善作物經濟性狀［38］.湖北省所有地市推廣測土配方施肥技術，都在不同程度上增加油菜產量，其中天門市增產效果最為顯著，測土配方施肥增產幅度達34%，這是減少溫室氣體排放的又一重要因素.另外，農戶長久以來的農業種植習慣，對所耕作的土壤進行一定取向性的改變，土壤環境中營養元素的配比與作物生長所需相差較大時，將影響作物對營養元素的吸收，特別是氮.故習慣施肥不合理程度越大，與測土配方施肥相比較，氮肥盈余及減排潛力將越多.

受耕作區域傳統施肥方式、施氮量、施肥時期等因素的影響，以及測土配方施肥技術在各個區市的推廣進度不同，各市溫室氣體減排效果差異顯著.農戶種植習慣、氮肥施用的合理性與溫室氣體減排效果呈負相關.產量是影響氮肥利用效率的關鍵因素，但與溫室氣體減排效果無顯著相關關系.

由于統計量、農戶種植管理行為及區域差異等原因，本研究存在一定的不確定性，相關研究結果顯示，前茬作物的種類、種植管理及有機肥料的使用，都將影響油菜的種植及溫室氣體的排放，本研究未就這些方面進行深入探討.同時本研究未計算測土配方施肥所減少的氮肥，在生產過程所排放的溫室氣體，以及增產所帶來的碳匯的增加.

測土配方施肥作為作物增產、生態環境改善的技術手段，具有顯著的溫室氣體減排效果，然而當前推廣實施面臨一定困境.首先是土壤養分具有較高的空間異質性和時間變動性，影響因素眾多，現有測試分析體系難以實時準確的表征其狀態，因此對其應用效果產生影響.其次測土配方施肥技術可能帶來農戶種植成本的增加，測土配方施肥技術每畝肥料成本普遍要高于采用習慣施肥的農戶的每畝肥料投入［42］，進而影響農戶對該技術的采用實施.同時，農戶對于測土配方施肥實施技術的掌握，存在一定的不足，不能夠完全掌握該技術的方法，影響測土配方施肥技術帶來的環境、經濟效果.應對這種困境，結合湖北省油菜種植現狀，應加大測土配方施肥項目推廣力度，廣泛開展田間試驗，加強農戶科學施肥技術培訓、指導，構建并完善配方肥市場.

3 結論

3.1 測土配方施肥技術通過合理優化施肥營養物質配比，相較于習慣施肥，提高作物氮肥利用效率，增加油菜產量及油菜籽品質，減少油菜種植過程中由于不合理施肥引起的溫室氣體過量排放.湖北省油菜種植如全面推廣測土配方施肥技術，理論N2O減排潛力將達到646.32ktCO2-eq；以2012年統計數據為基礎，進一步推廣該措施，可以減少173.91ktCO2-eq的排放.氮肥利用率、習慣施肥量及現有測土配方施肥推廣情況，是影響減排潛力總量的主要因素.

3.2 在減排潛力定量估算方法上，本研究也存在一些不足之處，如對排放因子的確定，本研究采用IPCC推薦值，并未結合實際進行修正，估算結果與實際存在一定誤差.但總體來說，測土配方施肥技術的推廣，能夠促進農業增產增收，同時也是一項有效的農業溫室氣體減排措施.

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Estimation of N2O mitigation potential from rape planting through soil testing and formulated fertilization in Hubei Province.

LI Xia-fei1， YANG Lu1， YU Shu-xia1*， LIU Wei1， WANG De-xin2， HU Rong-gui1 （1.College of Resources and Environment， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China；2.College of Economics and Management，Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3817～3823

Based on the relationship between nitrogen fertilizer and the production of rapeseed and the changes of nitrogen use efficiency， this study estimates N2O mitigation potential from rape planting through soil testing and formulated fertilization in Hubei Province. The application of soil testing and formulated fertilization will bring theoretically 646.32kt CO2-eq emission reductions in Hubei Province. Based on the current status of soil testing and formulated fertilization in rape planting， the extensive applications of this measure will produce 173.91kt CO2-eq reduction， accounting for 13.98% of total N2O emission caused by nitrogen fertilizer from rape planting. The measure improves the nitrogen use efficiency by balancing the nutrient supply， thereby reduces the corresponding N2O emission. Therefore， soil testing and formulated fertilization is an effective means to mitigate agricultural N2O emissions， and reduce surplus capacity of nitrogen in environment.

rape；soil testing and formulated fertilization；nitrous oxide；mitigation potential

X16

A

1000-6923（2015）12-3817-07

李夏菲（1990-），女，福建福安人，碩士研究生，主要從事環境規劃與管理方向研究.

2015-05-22

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2662016PY065）；中國清潔發展機制基金贈款項目“湖北省低碳農業模式研究”（2012020）

* 責任作者， 副教授， shuxia_yu@mail.hzau.edu.cn