新疆“寬早優”模式下施氮量對棉田碳足跡的影響

阮 康，王香茹，貴會平，董 強，李磊磊，魏學文，張西嶺，張恒恒，宋美珍

(1.中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽 455000；2.山東省棉花生產技術指導站，山東濟南 250000)

0 引 言

【研究意義】CH4、N2O和CO2等溫室氣體的排放對作物產量形成產生一定影響[1,2]。人為溫室氣體排放占比高達30%，其中土壤耕作、作物栽培及牲畜占農業溫室氣體排放的50%-70%[3,4]。碳足跡(Carbon footprint)通常指某種活動和產品在其整個生命周期中直接和間接產生的溫室氣體總量。棉花生產過程中的直接碳排放是指在耕地、播種、收獲等農業生產過程中，使用農業機械消耗柴油直接產生的碳排放，同時還包括施用化肥的農田氧化亞氮排放；間接碳排放是指農藥、化肥、種子、地膜等農業生產資料在生產和運輸過程中間接導致的碳排放，以及灌溉用電產生的碳排放。采用碳足跡(Carbon Footprint，CF)的研究方法可以定量評估農業活動對溫室氣體排放的貢獻[5]，評估農產品碳足跡將有助于確定潛在的解決方案，以適應溫室氣體排放較低的農業生產方式。關于施氮量對棉花碳足跡的研究較少，尚未明確保證棉花高產且減少碳排放的最佳施肥量。研究新疆“寬早優”模式下施氮量對碳足跡的影響，對于提高作物產量、減少溫室氣體排放具有重要意義。【前人研究進展】Nelson等[6]研究和分析了美國農業碳足跡構成。有研究對小麥、玉米和大豆等多種農作物，從播種到收獲整個農田生長期的碳足跡進行了分析[7-10]。農產品碳足跡受農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%，產量占全國的87.3%。“寬早優”種植模式通過“擴行、降密、壯株和拓高”等方式，形成合理的冠層結構，機采效果好，含雜率低，產量高，纖維品質好[13]。目前“寬早優”模式下密度效應、產量效應已有報道[14]，溫室效應、水體富營養化等會出現環境問題[15-16]。研究表明，氮肥是影響農田碳足跡的重要因子，在農業生產中因肥料導致的碳排放量占農田總碳排放量的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[18-19]。【本研究切入點】新疆“寬早優”種植模式可有效降低含雜率，提高棉花產量和纖維品質，但對于其碳足跡的研究較少；關于氮肥對棉花氮肥利用率、產量的報道較多[20]，但對“寬早優”模式的碳足跡鮮有報道，尤其關于氮肥對碳足跡的影響研究更少。尚缺少施氮量對棉花生產碳足跡及其構成的影響研究。【擬解決的關鍵問題】采用田間試驗、調查數據和農業碳足跡理論及生命周期評價法，定量分析新疆“寬早優”模式下棉花生產碳足跡及其構成，以及施氮量對棉田碳足跡及產量的影響，為新疆棉花生產實現低碳減排、高產優質提供理論依據及技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年在中國農業科學院棉花研究所新疆胡楊河試驗站進行(44°44′ N，84°48′ E)。該地區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，蒸發量1 710 mm，年日照時數2 679 h，年平均溫度7.4℃，無霜期180 d。收集農資投入、農機使用及灌溉耗能等。供試土壤為黏壤土，土壤肥力屬于中等，耕層土壤pH值8.3，有機質含量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 試驗設計

材料為中棉所109，設置4個氮肥梯度0 kg/hm2(CK)、120 kg/hm2(N120)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)，氮肥為普通尿素，采用隨機區組設計，每個處理設3個重復，共12個小區，小區面積32.4 m2(4.5 m× 7.2 m)。采用“寬早優”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田統一管理。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 農田N2O氣體排放

農田N2O采集用靜態箱法，取樣時間09:30～11:30，采集頻率為6～7 d 1次，施肥后7 d內加密采樣。使用HP7890氣相色譜儀測定其通量。

氣體排放通量是單位時間單位面積氣體質量的變化。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，負值為吸收；V表示靜態箱體積(m3)，為 0.125 m3；S表示靜態箱底面積(m2)，為0.231 m2；M表示某種氣體的摩爾質量(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表示靜態氣體箱關閉和開啟時的時間；T1和T2表示蓋箱前和蓋箱后的箱內溫度；22.4表示理想氣體常數(L/mol)，273為絕對零度的攝氏溫度(℃)。

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采樣時間(d)。

1.2.2.2 棉花產量

于收獲期，每小區選擇長勢均勻的樣點(2.28 m × 3.0 m)，調查株數和總鈴數，計算單株鈴數和單位面積結鈴數，連續選取長勢一致的5株棉花，收取全部鈴并稱重，計算單鈴重、衣分等；小區全部實收計產。

1.2.2.3 碳足跡估算

采用生命周期評價法(LCA)進行棉田碳足跡評價，確定系統邊界，包括原材料的采集、相關農資的生產和農作生產3個環節，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”模式棉花碳足跡核算邊界Fig.2 System boundary for carbon footprint of“Kuanzaoyou”production system

(1)

(2)

單位產量碳足跡=單位面積碳足跡/單位面積棉花產量。

(3)

式中Cf為棉花生產碳排放總量，n表示農業生產過程消耗了n種能源(柴油和灌溉用電能等)或農業生產資料(化肥、農藥和種子等)，Cfi表示第i種能源或農資的碳足跡，m為消耗第i種能源或農資的用量，λ為第i種能源或農資的碳排放參數，排放參數主要參考中國生命周期數據庫。CFN2O是棉田N2O排放，44/28為N2O與N2分子量比重，298為N2O轉換成100 a尺度上的相對全球增溫趨勢。碳足跡以排放的CO2當量[kg(CO2-e)]，其單位為kg(CO2-e)/(hm2·a)。表1

表1 不同農業資料碳排放參數Table 1 Index of GHG emission of different inputs for agricultural production

1.3 數據處理

采用Excel 2010進行數據整理和制作圖表，使用SigmaPlot14.0(Systat Software,Inc.USA)軟件作圖。使用SPSS17.0分析處理試驗數據，采用新復極差法(Duncan’s)檢驗平均數(P<0.05)。

2 結果與分析

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，8 月2 日(盛鈴期)達到頂峰。進入吐絮期，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，化肥生產造成的碳足跡顯著提高，N360處理下化肥生產造成的碳足跡為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，化肥生產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”模式系統中棉花碳足跡主要由灌溉用電、農膜及化肥3個因素構成，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成Fig.5 Composition of carbon footprint of different nitrogen fertilizer

2.3 不同施氮水平對棉花產量及產量構成因素

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

表3 不同施氮水平對棉花產量及其產量構成因素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量碳足跡依次為N360>N120>N240>CK，其中N360處理下單位產量碳足跡最大(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處理棉花籽棉產量沒有顯著差異。過量施用氮肥不會顯著提高棉花產量，但會造成過多碳排放，在不影響產量的情況下，降低氮肥用量可以減少棉田碳足跡。適量的減少氮肥，在不影響產量和凈經濟效益的前提下，可以減少溫室氣體的排放[23]。減少施氮量，即可以使“寬早優”模式下產量得到保障，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控，氮肥會影響 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束后土壤氮素含量較少，晝夜溫差大導致土壤溫度低，減少了微生物的活動，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]等研究結果相似，氮肥減量施用，可以降低CO2與N2O排放總量。農業生產中碳足跡主要是因為過量施用氮肥[7]。研究得出當氮肥施用量(360 kg/hm2)減少33.3%(240 kg/hm2)和66.7%(120 kg/hm2)時，碳足跡分別下降了8.4%和17.6%，這與前人研究結果一致，即減少氮肥施用可以顯著降低農田碳足跡[27,28]。新疆“寬早優”植棉模式生產中，碳足跡主要來源灌溉用電、農膜使用和化肥投入量，分別占總碳足跡的47.4%、25.2%和24.3%；在化肥生產產生的碳足跡因子中，土壤N2O排放是主要因素，占化肥生產碳足跡10.6%。俞祥群[29]在減氮施肥對春玉米-晚稻生產系統碳足跡構成中，發現肥料投入所占比例最大。史磊剛等[30]發現小麥-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現，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%，與研究結論相似。

毛樹春等[31]建議未來新疆棉花要堅持以可持續發展和生產方式新轉型。“寬早優”種植，能提高棉花株高、增加采光和有利于中下部棉鈴發育等優點，是一種新型的機采棉種植模式[32]。

4 結 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”植棉模式碳足跡構成中，灌溉用電、農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