施用生物炭對干旱區玉米農田碳足跡的影響

王冠麗，孫鐵軍，劉廷璽*，程 功

（1.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018；2.內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室，呼和浩特010018；3.內蒙古自治區水利水電勘測設計院，呼和浩特010020）

溫室氣體所引起的環境問題已經在全球范圍內得到了極大的重視，由此引發的氣候變暖、海平面上升等問題逐漸得到人們的廣泛關注[1]。碳足跡的研究是從生命周期的角度來研究某種人類活動所引起的直接或間接的CO2排放并對其進行度量[2-3]。對農業活動的碳足跡研究旨在系統地定量各項農資投入和人類活動引起的直接或間接的CO2排放之和，通過量化數值有效評估農業活動所排放的溫室氣體對全球環境的影響，并科學地指導農業節能減排[4]。

外國學者首先提出碳足跡的研究方法，并從不同的農場類型[5]、農業管理模式[6]和經營規模[7]等多重角度對農業活動對碳足跡的影響進行了研究。我國對于碳足跡的研究起步較晚，有研究者使用國家統計數據率先對我國農業碳足跡及其構成進行了研究[8]。研究農業碳足跡的形成可以精準了解農業生產過程中溫室氣體排放的主要原因[9]，并采取相對應的措施改善農業上過多釋放溫室氣體的行為。我國作為農業大國，化肥是提高農作物產量的重要方式之一，但化肥造成的環境影響也是掣肘農業發展的重要因素[9]。研究表明中國化肥所導致的碳排放占據碳排放總量的60%以上，比電能、柴油等其他農資排放的總和還高[6]，因此探究其他可以提升農作物產量的添加物的碳足跡對減少碳排放具有重要意義。

生物炭（Biochar）是指枯枝落葉、作物秸稈等農林廢棄物和動植物殘體等生物質在完全無氧或部分缺氧的狀態下經過高溫熱解炭化而產生的穩定且富含碳的固態物[10-11]。我國作為農業大國，作物收割后廢棄秸稈量巨大，而秸稈是生物炭制作的重要原料之一，將秸稈制作成生物炭后還田不僅能夠有效增加土壤肥力并改變土壤理化性質[12]，提高土壤固碳能力[13]，同時也能夠促進土壤中的C、N 循環，進而達到有效抑制土壤CO2和N2O 的排放、促進土壤CH4吸收并提高作物產量的作用[14-16]。生物炭雖然得到了大范圍的普及和推廣，但也有研究表明添加生物炭會促進農田土壤溫室氣體的累積排放量[17-18]，且生物炭因其來源、熱解溫度以及試驗區的土壤質地、施用量和作物的不同而對土壤溫室氣體通量有著不同的影響[19-20]。

科爾沁地區土壤干旱，作物生長條件惡劣，玉米產量較低，同時秋收后玉米秸稈一部分打碎留待過冬喂養牛羊，一部分焚燒，對環境造成嚴重破壞。如果能將玉米秸稈制作成生物炭后進行還田處理，不僅能夠提升作物產量[18]，還能夠解決焚燒秸稈對環境的破壞。因此本研究著重探究不同含量生物炭的施用對農田作物產量和碳足跡的影響，以玉米秸稈制成的生物炭對科爾沁地區的玉米農田進行改造試驗，觀測試驗過程中的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）通量及其他農資（柴油、電消耗等）投入情況，旨在對施用生物炭對玉米農田生態系統碳足跡的影響進行研究，旨在對科爾沁地區的農業活動做出科學指導，有效提高作物產量并降低當地碳足跡。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮中的玉米農田（122°39′18″E，43°20′24″N），地處科爾沁沙地東南。該區多年平均降雨量389 mm，主要集中在6—9 月；多年平均水面蒸發量（直徑為20 cm 的蒸發皿）1412 mm，主要集中在4—9月；多年平均相對濕度55.8%；多年平均氣溫6.6 ℃，年極端最低氣溫-33.9 ℃，年極端最高氣溫36.2 ℃，晝夜溫差大；年平均風速3～4 m·s-1。研究區地理位置見圖1。

該處農田為多年前由牧民開墾草甸而成，主要作物為玉米，整個生長季（除播種時）無人為澆灌，玉米生長水分全部依賴于天然降水和地下水。

1.2 土壤及生物炭理化性質

本研究采用的生物炭為玉米秸稈在360 ℃下不完全燃燒24 h制成的生物炭，購于遼寧金和福農業開發有限公司。供試土壤及生物炭基礎理化性質如表1所示。

1.3 試驗設計

試驗設置如圖1（右上）所示，為規避邊緣效應，在農田中間位置選取20 m×20 m 的區域，種植玉米品種為“先玉1411”，行距0.6 m，株距0.4 m，種植密度為65 000 株·hm-2，并將樣地分成9 塊6 m×6 m 的試驗田并按照1～9 進行編號，每兩塊試驗田間設置1 m 寬的隔離帶。為了能夠較好地明晰施入不同含量生物炭對碳足跡的影響，本文在1、3、7、9 號4 塊試驗田中分別設置4 個施用不同含量生物炭的對比試驗（如圖1右上），每個處理的試驗均設置3 個重復取氣點，其施用生物炭量分別為：0（CK）、15（C15）、30 t·hm-2（C30）和45 t·hm-2（C45）。玉米于2018 年5 月12—15 日播種，播種前使用旋耕機將生物炭與土壤均勻混合，混合深度為30 cm。生育期內依照往年當地田間種植管理，除播種時一次性灌溉外無人為灌溉，9 月下旬收割，稱量并計算單位面積上的玉米產量。

圖1 研究區地理位置與試驗點布設Figure 1 Geographic position and distribution of soil-respiration sampling sites in the research area

表1 供試土壤及生物炭基礎性質Table 1 Chemical properties of the soil and biochar used in the experiments

1.4 研究方法

生命周期評價是通過某種作物自播種至收割的整個成長周期中輸入、輸出及其潛在的對環境的影響的匯編和評價，從而對作物在整個生命周期對環境的影響做出評估的方法，其目的在于對人為活動造成的不良后果進行分析并提出防治措施與手段。在對環境因素進行評估時，要充分凸顯對環境具有重大影響的因素。對于碳足跡而言，其生命周期評價的組成主要包括邊界、數據及計算3 部分，因此本研究計算、評價玉米農田生態系統碳足跡主要通過以下3個步驟：

（1）確定調查邊界；

（2）收集數據；

（3）計算玉米農田的碳足跡。

1.4.1 調查邊界

本研究以科爾沁沙丘-草甸梯級生態系統中的玉米農田作為研究對象，評價干旱區農田生態系統在整個生命周期中的農業相關投資及產出過程的碳足跡。玉米種植的準備材料包括種子、化肥等，但有研究表明：種子在生產過程中的碳足跡不到總體的0.1%[8]，因此本研究不考慮種子在整個生命周期中對碳足跡的影響。對于玉米生長過程中溫室氣體通量（CO2、CH4及N2O）以及農業活動過程中使用機械所產生的能源消耗則處于調查邊界以內。作物收割之后的加工處理、貯藏、運輸、銷售等環節則不在本次調查邊界之內。

1.4.2 數據收集

作物種植期間施用的基肥采用尿素、磷酸二銨、硫酸鉀按照N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2在播種同時施用。

柴油使用主要用于翻耕、播種、收割。其用量為：61.5 L·hm-2。

電力消耗主要為播種期引水灌溉，其用量為：7.3 kW·h·hm-2。

1.4.3 溫室氣體通量的觀測

2018年5—10月每7 d左右選取晴好天氣的9：00—11：00 時段，在所設立的取樣點同時進行溫室氣體通量（CO2、CH4、N2O）的原位取樣。采用靜態箱-氣相色譜法，靜態箱由厚2.0 mm 的非透明PVC 板制成，靜態箱規格為50 cm×50 cm×50 cm，包括頂箱和基座兩部分。基座邊緣設有水槽，每次觀測前在水槽中加入適量的水，后將頂箱置于基座上，上下箱體用水槽中的水密封。在試驗開始一周前將靜態箱基座插入土壤中，并在整個生長季中不取出或挪動基座，盡量不破壞原有植物及土壤狀態，盡可能將人為因素對微量氣體交換的擾動降到最低，基座埋入深度在5 cm 以上（實際計算通量時以地箱高度為準）。靜態箱經由傳統靜態箱改造而成，內設小風扇，能夠讓箱內氣體快速有效混合，采樣前先罩上頂箱靜置1 min 使氣體充分混合；在箱內設置溫度計，可以實時觀測箱內氣體溫度。采用30 min 罩箱時間，即每個采樣箱分別罩箱后的0、10、20 min 和30 min 抽取氣體樣品。采樣容器為100 mL 帶三通閥的醫用注射器，將注射器與箱體一側的三通閥相連，抽取30～60 mL 氣體樣品放入氣袋，同時使用秒表記錄取樣時間并記錄箱內溫度計所顯示溫度。氣樣帶回實驗室后，3 d 之內使用安捷倫7890B 氣相色譜儀測定CO2、CH4和N2O 濃度。

1.4.4 計算公式

通量是指單位時間通過某單位面積輸送的物理量。氣體交換通量（F，g·m-2·h-1）計算公式：

式中：ρ 為箱內氣體密度，kg·m-3；Δm 和Δc 分別為t 時間內箱內氣體質量和混合比濃度的變化；A 為采樣箱的底面積，m2；V 為采樣箱的體積，m3；H 為氣室高度，m。當F 為負值時表示吸收，F 為正值時表示排放。計算通量過程中，通過公式中引入箱內溫度和氣壓值，對氣體濃度進行矯正。

溫室氣體累計排放量（Ec）計算公式為：

式中：n 為生長期內觀測次數；Fi、Fi+1為第i 次、第i+1 次采集溫室氣體時的通量，μg·m-2·h-1；ti+1、ti為第i+1次、第i次采集氣體的采樣時間，d。

綜合增溫潛勢（GWP）是將各類溫室氣體的增溫潛勢轉化為CO2的排放當量，kg·hm-2；100 年時間尺度下的GWP計算公式為：

式中：Ec(CO2)、Ec(N2O)、Ec(CH4)分別代表CO2、N2O 和CH4的累計排放量，kg·hm-2。

單位產量的碳足跡計算公式為：

式中：CF 代表玉米作物生態系統單位產量的碳足跡，kg CO2-eq·kg-1；CEt為玉米生長期的碳足跡，kg CO2-eq·kg-1；Y 為單位面積產量，t·hm-2。CEt的計算公式為：

式中：CEi是指農業活動投入的間接溫室氣體排放總量（以CO2記），CO2-eq·kg-1；CE(N2O)和CE(CH4)分別表示玉米生長期間土壤CH4和N2O 累計排放總量（以CO2記），CO2-eq·kg-1。CEi的計算公式為：

式中：Q 為農作物生產過程中的投入，即化肥、柴油、電力消耗等；δ 為相關投入的溫室氣體排放系數（詳見表2）。

1.4.5 數據分析

利用Office Excel 2013 和SPSS 19.0 對原始數據進行整理分析，采用SPSS 19.0 進行方差分析和顯著性檢驗，差異性水平選擇P＜0.05。圖中數據均為平均值±標準誤差。

表2 各排放項目溫室氣體排放系數Table 2 Coefficient of carbon emission of different material for agricultural production

2 結果與分析

2.1 2018年生長季溫度及降雨

2018年4—10月農田累計降雨369.9 mm，主要集中在7、8 月份；平均氣溫為7.1 ℃，生長季氣溫呈單峰型曲線，在7、8月份達到較高值（圖2）。

2.2 施用生物炭對玉米農田CH4及N2O 通量及玉米產量的影響

種植玉米后處理C15、C30 的玉米農田CH4吸收值均大于CK（圖3），而處理C45則在種植玉米后由吸收轉為排放（5月12—15日玉米農田翻耕、種植）。處理CK、C15、C30、C45 試驗期間CH4平均通量分別為：-44.03、-68.96、-58.14 μg·m-2·h-1及-8.20 μg·m-2·h-1。與CK 相比，處理C15 及C30 的CH4吸收值分別增加56.62%和32.05%，處理C45 的CH4吸收值與CK相比降低了81.36%。

5 月12—15 日玉米種植后土壤N2O 通量差異較大，各處理N2O 通量明顯低于CK（圖3），其中處理C45 的N2O 通量出現明顯的負值，各處理N2O 通量均明顯低于CK。處理CK、C15、C30、C45 試驗期間N2O均通量分別為：9.23、6.98、3.99 μg·m-2·h-1、1.27 μg·m-2·h-1。與CK 相比，處理C15、C30 及C45 的N2O 通量分別降低24.42%、56.83%和86.25%。

相比對照CK，處理C15、C30 和C45 的玉米產量分別提高了4.4%、5.0%和9.2%，且玉米產量的提升幅度隨著施入生物炭含量的增高而增大，處理C45增加最高（表3）。

數據顯示，施用生物炭能夠顯著促進CH4的吸收值并降低N2O 的排放，但是過多施用生物炭會導致CH4和N2O 通量的源、匯轉化。施用生物炭顯著降低了農田綜合增溫潛勢，其中處理C15對降低玉米農田綜合增溫潛勢的作用最為顯著（表3）。

2.3 玉米農田生態系統的碳足跡分析

玉米農田生態系統中處理CK、C15、C30、C45 的綜合增溫潛勢分別為：17 543.57、13 781.17、15 035.49 kg CO2-eq·hm-2及14 582.94 kg CO2-eq·hm-2，其碳足跡分別為1 291.82、2 236.39、3 212.31 kg CO2-eq·hm-2及4 235.02 kg CO2-eq·hm-2（表4）。處理CK、C15、C30、C45 單位產量的碳足跡分別為1.00、1.61、2.23 kg CO2-eq·hm-2及2.98 kg CO2-eq·kg-1。玉米農田生態系統中溫室氣體累計排放總量隨著生物炭添加含量的增加而降低，處理C15、C30、C45 與對照CK 相比，其溫室氣體累計排放量分別降低21.4%、14.2%、16.8%；碳足跡及單位產量碳足跡則隨著生物炭添加含量的增加而明顯增大，處理C15、C30、C45 與對照CK 相比，其碳足跡分別增大73.1%、149.1%、227.8%，其單位產量的碳足跡分別增大59.8%、121.2%、195.9%。

圖2 2018年玉米農田生長季氣溫、降雨量的變化Figure 2 Changes in air temperature and rainfall of corn field during the growing season in 2018

圖3 不同生物炭處理土壤CH4及N2O通量季節動態變化Figure 3 Seasonal variation of soil CH4 and N2O fluxes under different treatments of biochar application

表3 不同處理下溫室氣體通量累積排放量、玉米產量及綜合增溫潛勢（GWP）Table 3 Cumulative emissions of greenhouse gases，corn yield and comprehensive warming potential（GWP）under different experimental sets

隨著生物炭添加含量的增加，碳足跡中生物炭占據的比重也不斷增加，使得溫室氣體累計排放所占據的比例隨之下降；且除對照CK外，其余處理中均屬生物炭對碳足跡貢獻最大，處理C15、C30、C45 生物炭對碳足跡的貢獻比例分別為44.8%、62.1%、70.9%。處理CK、C15、C30、C45 溫室氣體累計排放對碳足跡的貢獻比例分別為5.48%、0.60%、0.04%、0.19%（圖4），處理C15、C30、C45 與對照CK 相比，其溫室氣體累計排放對碳足跡的貢獻比例分別下降89.0%、99.2%、96.5%。

添加生物炭后，農田生態系統中對碳足跡貢獻最大的農資投入變成了生物炭，且隨著生物炭含量的增加，生物炭在碳足跡所占比例也隨之增加，并且農田基肥在碳足跡中的占比也隨之下降。因此施用生物炭對農田生態系統的碳足跡構成造成了巨大改變，極大降低了其他農資投入在碳足跡中的占比。

3 討論

本研究中不施用生物炭的玉米農田的單位產量碳足跡為1.00 kg CO2-eq·kg-1，這與前人的研究結果相近。渭河平原玉米農田單位產量碳足跡為0.62 kg CO2-eq·kg-1[24]。但本研究中單位產量碳足跡略大于其他研究者的研究結果，可能是試驗區差異、調查邊界選取差異、各項農資投入的溫室氣體排放系數以及碳足跡的計算方法上的差異引起的。

施用生物炭會抑制土壤中CO2和N2O 的累積排放、促進土壤對CH4的吸收，這與前人的研究結果相同[16，25-27]。但在非干旱區小麥-玉米輪作農田，施用生物炭會促進CO2和N2O 的累積排放，且相較于其他研究者在塿土、辣椒（Capsicum annuum）田和芬蘭小麥（Triticum aestivum）田的試驗結果相比，本研究施入生物炭后土壤對CH4吸收的促進作用相對較弱[16，27]。其原因在于本研究區為干旱區，土壤含水率較低，微生物活性對土壤含水率的變化較為敏感[28]，同時較低的土壤含水率會限制微生物對生物炭的分解利用能力[29]、抑制CH4氧化菌的活性、并對硝化反應及反硝化反應產生一定程度上的影響[30]，從而使施入生物炭在不同地區農田中對溫室氣體通量的影響有顯著差異。

劉杏認等[25]、屈忠義等[26]和Karhu 等[16]還發現，施入生物炭后整體提升了玉米產量，這與本文研究結果一致，施入生物炭的土壤理化性質被有效改善并提升作物對營養物質的吸收能力，進而直接或間接地提升了作物的產量。但本研究施入生物炭后玉米產量的提升幅度與其他研究者得出的結果相比較低，其原因可能是本研究區屬于干旱區降水較少，且根據歷年牧民田間管理措施在玉米生長期間不進行人為澆灌，因此施用生物炭對于玉米生長的促進作用有一定程度上受到限制[28]。

在處理C15、C30、C45 的碳足跡中，生物炭的貢獻比例分別為44.8%、62.1%和80.0%，是玉米農田生態系統溫室氣體排放的主要來源，這與其他研究結果相同[31-32]。其主要原因是氮肥及生物炭在制作、運輸過程中需要消耗大量的能源及化石燃料[32]，因此如果能將生物炭等農資投入的生產排放降低至發達國家水平，將會直接減少農田碳足跡，這對農田生態系統的節能減排具有重要指導意義。本研究中隨著施入生物炭含量的增加，農田生態系統的碳足跡也隨之增加，與CK 相比處理C15、C30、C45 的碳足跡分別增大73.1%、149.1%和227.8%，其單位產量的碳足跡分別增大59.8%、121.2%、195.9%。溫室氣體累計排放量的降低并不總是能夠降低農田生態系統單位產量的碳足跡，因為農田產量的增加并不一定能夠抵消農資投入的增加[31]。本研究中生物炭的施入雖然有效地降低了溫室氣體的累積排放量，但其過多的投入也造成了農田生態系統碳足跡的劇增，說明碳足跡強烈依賴于農業活動過程中生物炭的投入量。

表4 不同處理下玉米農田的碳足跡構成Table 4 Carbon footprint under different experimental sets

圖4 不同生物炭處理下農資投入對玉米農田碳足跡的貢獻Figure 4 Contribution of agricultural input to the carbon footprint in production system of corn field under different experimental sets

與處理C15 相比，處理C30 和C45 的生物炭投入分別增加了100%和200%，其碳足跡則增加44.2%和89.3%，單位產量的碳足跡分別增加38.4%和85.1%，玉米產量分別增加4.2%和2.2%。有關研究表明增加生物炭投入會增大農田生態系統的碳足跡[33]，但不同研究者對于增加生物炭施入量對碳足跡的增加幅度的研究結果不盡相同，這可能是在不同地區農資投入的比例不同所引起的。生物炭施入含量的增加雖然使玉米農田的產量有所增加，但處理C30 和C45 的玉米產量與處理C15 相比增幅并不顯著。因此綜合經濟效益和環境因素考慮，建議科爾沁地區玉米農田在生產過程中施用15 t·hm-2生物炭，在保證增加產量的同時將農田生態系統的碳足跡控制在較低范圍內。

日益增長的人口使中國對于糧食的需求也日益增大，農田中施用生物炭增加作物產量已經成為一種常用手段[13-16]。生物炭不僅能夠降低農田溫室氣體累計排放量，同時還能夠增加作物產量，但以往人們較少關心生態環境是否會因此受到影響，施用生物炭同時也會增加農田生態系統的碳足跡。并且中國對于生物炭制作和利用效率低于部分發達國家[25-27]，如果能夠通過提高制作工藝和運輸途徑的方式降低使用生物炭的能源消耗，并通過農田中適量施用生物炭的手段，則可以達到作物增產和保護環境的雙重收益。

4 結論

（1）施用生物炭能夠顯著促進CH4的吸收并降低N2O 的排放，但是過多施用生物炭會導致CH4和N2O通量的源、匯轉化。

（2）施用生物炭能夠有效降低玉米農田生態系統的溫室氣體累計排放總量及綜合增溫潛勢，對降低農田溫室氣體排放具有重要意義。

（3）施用生物炭會提升農田生態系統的碳足跡，并且施用生物炭后農田生態系統的碳足跡的主體變為生物炭，隨著生物炭施入量的增加，其在碳足跡中的占比也隨之增大。同時施用生物炭會提升農田生態系統的作物產量，因此科學施用生物炭能夠達到增產以及減排的目的，達到經濟效益和環境效益的統一。

（4）綜合考慮經濟效益與環境效益，施用15 t·hm-2生物炭能夠在保證增加產量的同時將農田生態系統的碳足跡控制在較低范圍內。