黃淮煙區(qū)以煙為主的田園綜合體農田氮足跡解析

關鍵詞烤煙種植；生命周期評價;氮足跡中圖分類號 S572 文獻標識碼A文章編號 0517-6611（2025）13-0149-05doi： 10.3969/j .issn.0517-6611.2025.13.028開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

NitrogenFootprintAnalysisofRuralComplexFarmlandDominatedbyTobaccoinHuang-HuaiTobaccoRegion

Minisuyl Agcutureanduralasngaoandongo;andong eangacoo，d.，eang，anong） AbstractWihtepastoralomplexasthasiceseachunit，thangesoffrandostemnitrogenfoprntbeforeandfeoacc plantingerealddgssdreiasisdot inthefarlandeaituedtobaoainplaigsuctureInhisudystoralompleinadogProvelect ed.Since2O19，theplantingstructureofthispastoralcomplexhasbeenadjustedandtransforedintoatobacobasedpastoralcomplex. Throughquestioaieeyoaatealiputgriclturalanageentmeasues，eldndothrfctosurgteantingrsf difrentlcalplatigsstestelifeeetdsusdtoalculatetrgenfotandisompsiifladprouction 2018and2020.Theeconomicbenefitperunitareain2020was41548yuan/m，3.2tmesthatof2018.Thenitrogeninputperunitarean 2020 was 22.28‰ ，which was 22% lower than that in 2O18.The loss of active nitrogen per unit area was 8.04t（hm²?a） ，decreased by 6% compared with 2O18.Nitrogen footprint per unit area and nitrogen footprint per unit yield decreased by 29% and 18% ，and nitrogen economic efficiency increased by 349% . The nitrogen input per unit area of flue-cured tobacco planting system was 3.68V（hm²?a） ， （20 17% of the regional average，and the active nitrogen loss was 1.67V（hm²?a） ， 21% of the regional average.When flue-cured tobacco was used asthemaincoppingsteirogeniputreasedactivenirogenlssdcreasedandirogefointdreasediiicatly.

Key wordsTobacco planting;Life cycle assessment;Nitrogen footprint

農業(yè)生產是重要的溫室氣體排放源，農業(yè)活動引起的溫室氣體排放占全球排放總量的 10%～12%^[1-2] 。氮素是構建生物結構的關鍵要素，可促進和維持生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，同時氮素也是包括農田生態(tài)系統(tǒng)在內的陸地生態(tài)系統(tǒng)的一種限制元素[3]。化學氮肥在農業(yè)生產中發(fā)揮重要作用，氮肥的不合理施用導致大量氮素沒有被作物完全吸收利用而是以活性氮的形式又釋放到環(huán)境中，降低氮肥利用率，增加經濟成本，增加資源壓力又加劇環(huán)境污染。因此，要加強氮平衡的研究，明確農業(yè)生產各環(huán)節(jié)的氮足跡，采取有效的種植方式及耕作措施減少各環(huán)節(jié)氮排放從而提高農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，提升農業(yè)生產力。

氮足跡的概念于全球活性氮污染日趨嚴重的背景下提出，目前其普遍定義為某種產品或者服務在其生產、運輸、儲存以及消費過程中直接或間接排放的活性氮總和[4]，用于評估和計量人類生存活動對活性氮排放強度的影響，對全球減少活性氮危害等問題有重要的理論價值和指導意見。

烤煙是我國重要的葉用經濟作物，2017年種植面積達98.12萬 hm² ，相對于煙葉產量，生產上更注重煙葉品質。為了獲得優(yōu)質的煙葉，生產上采用打頂、抹芽、控制氮肥施用等生產措施[5]，這影響烤煙生物量累積和氮排放，其次，由于烤煙收獲后要晾曬烘烤，大量能源投入又導致烤煙氮排放的加劇。目前對煙田生態(tài)系統(tǒng)的研究較多[6-7]，但大多是單一種植模式下的煙田生態(tài)系統(tǒng)碳氮足跡，而由于煙草連作障礙和計劃種植的限制煙草一般是一個區(qū)域的主要種植作物與其他作物搭配種植，研究以煙為主的區(qū)域的氮足跡更具有現(xiàn)實意義。筆者基于大量農戶調查數(shù)據(jù)，采用生命周期評價法，分析了以煙為主田園綜合體的氮足跡，可為煙田可持續(xù)氮減排提供理論支撐與科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況選擇一個田園綜合體，位于山東省臨朐縣寺頭鎮(zhèn)橋溝村（ 118^°53^′～118^°60^′E，36^°33^′～36^°50^′N） ，農田面積為 59.33hm² ，屬溫帶季風氣候，年平均氣溫 12.9^°C ，?10^°C 的有效活動積溫為 2242.6‰ ，無霜期251d，年均降雨量 1184.3mm ，主要集中在5一8月。田園綜合體農田總耕地面積為 59.33hm² ;植煙前，小麥-玉米、春玉米、花生和果樹種植面積分別為37.33、11.33、6.00和 4.67hm² ；植煙后，小麥-玉米、春玉米、花生和果樹種植面積分別為13.33、5.33.6和 10.67hm² ，烤煙種植面積為 24hm² ，占整個農田系統(tǒng)可耕地面積的 40% （圖1）。

1.2數(shù)據(jù)來源采用調查問卷的形式，根據(jù)作物種植模式，每種作物共訪問農戶10戶，問卷內容包括： ① 作物面積、產量、銷售價格、用工數(shù)等基礎信息； ② 覆膜、灌溉、耕作等田間管理措施； ③ 秸稈處理方式； ④ 肥料、農藥、農膜等農資投入量。由于各自農戶獲取的數(shù)據(jù)有所差異，研究過程對上述各調研數(shù)據(jù)按種植模式計算其平均值，用于氮足跡核算。

1.3系統(tǒng)邊界氮足跡研究的系統(tǒng)邊界為從播種到收獲整個農業(yè)生產過程（圖2），邊界內活性氮損失包括： ① 農資投入造成活性氮排放； ② 土壤氮淋失； ③ 農田管理引起的氮氧化物排放； ④ 農作物秸稈焚燒和煙葉烘烤造成的氮氧化物排放。

1.4 氮足跡計算方法

1.4.1氮投入計算。氮投入量分為生物固氮量、干濕沉降 氮量、灌溉氮量、秸稈還田氮量、肥料氮量，生物固氮量采用 方程式（1）計算：

式中， NF_bnf 為生物固氮量， NFR_i 為不同作物的單位面積生物固氮量，其中花生單位生物固氮量為 7.47kg/hm² ，其他作物為1kg/hm2[8]

干濕沉降氮量采用方程式（2）計算：

式中， NF_deposition 為干濕沉降氮量， NDD 為單位面積氮沉降量0 1.45kg/hm²? [8]

灌溉氮量采用方程式（3）計算：

式中， NF_Imigation 為灌溉固氮量， AR_Irrigation-i 為每種作物的單位面積灌水量， AR_Irrigation 為灌溉水氮濃度（ Δ1.6mg/L^? [8]

秸稈還田氮量采用方程式（4）計算：

式中， NF_strawrecycle 為秸稈還田固氮量， ??ρ_straw-i 為每種作物的秸 稈比例， N_straw-i 為每種作物的秸稈氮濃度。小麥、玉米、花生 和烤煙的秸稈比例 （ρ_straw ）分別為 0. 361，0. 384，0. 435， 0.24^[8] ;小麥、玉米、花生、果樹和烤煙的秸稈氮濃度（ N_straw ） 分別為 0.65%0.92%1.82%0.05% 和 0.85%^[8]

肥料氮量采用方程式（5）計算：

式中， NF_fertilizer 為肥料氮量， A_fer-i 為不同肥料的使用面積，AR_fer-i 不同肥料的單位面積用量， EN_fer-i 為不同肥料的氮含量。

1.4.2活性氮損失計算。農資投入和田間能源投入引起的氮損失采用方程（6）和方程（7）計算：

式中， NE_agri-goods 為農資投入引起的氮損失， .NE_energy 為田間能源投入引起的氮損失， EN_i 為氮排放系數(shù) ，i 為5種主要的農資投入品和2種主要的田間能源投入分別為化學氮肥 （0.00089kg/kg） 人磷肥 0.00054kg/kgP₂O₅. ）、鉀肥 0.00003kg/kgK₂O） 、有機肥（0.0000kg/kg） 地膜（ 0.01203kg/kg ）農藥 （0.0051kg/kg） 和農機柴油 （0.0046kg/kg）^[8]

田間活性氮排放量采用方程式（8）計算：

式中， NE_{fieldemission} 為田間活性氮排放量， EN_i 為氮排放系數(shù)，i為5種主要田間活性氮損失途徑排放，分別為施用化肥引起的活性氮損失 （0.263kg/kg） ，施用有機肥引起的活性氮損失1 0.400kg/kg） ，氮沉降 （0.317^* ）引起的活性氮損失，灌溉（204號 （0.317^** ）引起的活性氮損失，生物固氮 （0.066kg/hm² [9]引起的活性氮損失。 *，** 分別為氮沉降和灌溉水帶入氮的活性氮排放比例。

徑流損失引起的氮淋失采用方程式（9）計算：

NE_runoff=Σ_i=1ⁿ（A_i×AR_fer-i×EN_i）

式中， NE_runoff 為徑流 N 損失量， EN_i 為氮排放系數(shù)， i 為4種主要徑流損失，分別為化肥氮淋失 （0.108kg/kg） ）、有機肥氮淋失 （0.090kg/kg） 、氮沉降氮淋失 （0.090^****） ）、灌溉水氮淋失 （0.090^***） ）[9]。 ********** 分別為氮沉降和灌溉水帶入徑流損失比例。

秸稈焚燒引起的活性氮排放采用方程（10）和（11）進行計算。

NE_bum=Σ_i=1ⁿ（DW_STRAW-i×R_burn-i×N_straw-i）

式中， NE_burn 為農作物秸稈焚燒造成的活性氮排放（0.045kg/kg）^[7] NE_cured 秸稈焚燒和烤煙初加工引起的氮排放； EN_i 為氮排放系數(shù)， i 為煙葉烘烤使用的2種能源，分別為用煤 （0.7559kg/kg） 和用電 [0.9200kg/（kW?h）]^[5] 號

1.4.3氮足跡計算。將氮足跡定義為農業(yè)生產各個方面產生的氮排放量與植物固氮的差值，包括單位面積碳足跡和單位產量碳足跡。

其中單位面積氮足跡采用方程（12）進行計算：

NF_area=（NE-NS）/A

式中， NF_area 為單位面積氮足跡，NE為總氮排放量，NS為總氮固定量，A為總面積。

單位產量氮足跡采用方程（13）進行計算：

NF_yield=（NE-NS）/Y

式中， NF_yield 為單位產量氮足跡，NE為總氮排放量，NS為總氮固定量， Y 為作物產量。

1.4.4氮效率計算。計算各類作物的氮效率，包括氮生產效率、氮生態(tài)效率和氮經濟效率。其中氮生產效率為經濟產量與碳排放量的比值；氮生態(tài)效率是指作物通過光合作用固

定在體內的氮量與氮排放量的比值；氮經濟效率是經濟產值與氮排放量的比值。

1.5數(shù)據(jù)處理 采用MicrosoftExcel2019對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1經濟效益由圖3可知，種煙后2020年田園綜合體單位面積經濟效益為41548元 ?m² ，較2018年增加 322% 。其中2018年果樹單位面積經濟效益為33750元 /hm² ，2020年單位面積效益為60000元 ?m² ，果樹經濟效益不穩(wěn)定；花生2018年平均經濟效益為3386元 hm² ，2020年為3150元 ?hm² ，春玉米2018年平均經濟效益為6300元 ?hm² ，2020年為5400元/ ?m² ，小麥-玉米2018年單位面積經濟效益為8963元 ?hm² ，2020年為8550元 ?hm² ，花生、春玉米、小麥-玉米的經濟效益相對穩(wěn)定，但經濟效益相對較低；各作物中烤煙經濟效益最高，2020年平均經濟效益達到69 312元 ?hm² 。

2.2田園綜合體氮足跡及其構成

2.2.1 氮投入。2020年小麥-玉米、春玉米、花生氮投入量分別為6.90、1.80和 2.03t ，較2018年分別下降 64.3% ！53.0% 和 1.0% ，2020年果樹氮投入量為 7.85t ，較2018年增加 127.5% ，2020年烤煙氮投入量為 3.68t ，占農田系統(tǒng)總氮投入量的 17% 。2020年農田系統(tǒng)氮投入量為 22.28t ，較2018年下降了 22.4% （圖4）。

各作物不同年度氮投入密度相對穩(wěn)定，2020年小麥-玉米、春玉米、花生、果樹氮投入密度分別為517.72、341.45、339.03和 735.92kg/hm² 。烤煙相比其他作物氮投入密度低，為 153.15kg/hm² 。2020年農田系統(tǒng)平均氮投入密度為375.58kg/hm² ，相比較2018年氮投入密度下降 22.4% 。

2.2.2活性氮損失。2020年小麥-玉米、夏玉米、花生、果樹活性氮損失量分別為1.98、0.49、0.40和 3.50t ，分別占區(qū)域活性氮損失量 25%，6%，5% 和 43% ；烤煙活性氮損失量為1.67t ，占區(qū)域活性氮損失量 21% 。2020年農田系統(tǒng)總活性氮損失量為 8.04t ，較2018年下降 6% （圖4）。

各作物不同年度活性氮損失密度相對穩(wěn)定，小麥-玉米、春玉米、花生、果樹活性氮損失密度分別為148.86、92.79、

69.45，327.74kg/（hm²?a） ，果樹活性氮損失密度最大；與其他作物相比，烤煙氮損失密度最低，為 ，僅為果樹活性氮損失密度的 20% 。各個作物的活性氮損失中均以氮氧化物排放為主要損失途徑，小麥-玉米、春玉米、花生、果樹中氮氧化物排放分別占總活性氮損失量的 71% 71%.72% 和 79% ，烤煙中氮氧化物排放占比低于其他作物，為 62% 。對于整個農田系統(tǒng)，氮氧化物排放占比最大，占總活性氮損失量的 73% ，其次是氮淋失，占全部影響活性氮損失密度因素的 23% （圖5）。

2.2.3氮足跡。不同年度間，各作物單位面積氮足跡保持穩(wěn)定，小麥-玉米、春玉米、花生、果樹單位面積氮足跡分別為

368.73、248.45、273.23和 。烤煙單位面積氮足跡為 ，僅為果樹單位面積氮足跡20.5% 。2020年整個農田系統(tǒng)的單位面積氮足跡為240.10kg/（hm²?a） ，較2018年下降 29% 。

不同年度間，各作物單位產量氮足跡保持穩(wěn)定，比小麥-玉米、春玉米、花生、果樹單位產量氮足跡分別為25.88、27.61、91.08和 10.89kg/（t?a） 。烤煙單位產量氮足跡為 34.88kg/（t?a） 。2020年整個農田系統(tǒng)的單位產量氮足跡為！ 19.96kg/（t?a） ，較2018年下降 18% （圖6）。

2.2.4氮效率。農田系統(tǒng)中不同作物間氮效率存在差別（表1）。不同年度小麥-玉米的氮生產效率、氮生態(tài)效率無差異，2020年小麥-玉米的氮經濟效率較2018年下降 4.6% ：不同年度春玉米氮生產效率、氮生態(tài)效率無差異，2020年春玉米的氮經濟效率較2018年下降 14.3% ;2020年花生的氮生產效率、氮生態(tài)效率、氮經濟效率較2018年分別下降7.0%.1.7% 和 7.0% ;2020年果樹的氮生產效率、氮經濟效率較2018年分別增加 0.5%.78.7% 。2020年整個農田系統(tǒng)平均氮生產效率、氮生態(tài)效率較2018年分別下降 8%25% ，平均氮經濟效率較2018年增加 349% 。

3討論

2020年田園綜合體植煙后氮投入與氮損失降低，氮足跡降低。植煙后，烤煙活性氮損失密度為 69.45kg/（hm²?a） ，比小麥-玉米 148.86kg/（hm²?a） 、春玉米 92.79kg/（hm²?a） 和果樹 較低，烤煙氮生態(tài)效益較好。這是因為適宜的氮肥施用量能維持煙葉碳氮代謝平衡，是煙葉提質增效的重要保障，而過量氮肥會導致上部葉煙堿濃度超標、煙草品質下降[10]，烤煙生產中氮投入要低于其他作物氮投入，同時，烤煙氮損失密度最低，為 ，僅為果樹活性氮損失密度的 20% 。在影響氮損失各因素中，氮氧化物排放和氮淋失是2個主因，農資投人秸稈焚燒烘烤氮排放導致的氮損失則較小。因此，在農業(yè)生產過程中，氮足跡主要考慮田間種植環(huán)節(jié)的活性氮排放，應因地制宜發(fā)展適合的田間管理措施，減少氮素流失，進而減少田間種植環(huán)節(jié)產生的活性氮排放。

2020年烤煙氮生產效率、氮生態(tài)效率低于其他作物，其中烤煙氮生產效率僅為區(qū)域平均值的 38.9% ，這可能是由于烤煙為葉用經濟作物，烤煙經濟產量低，且在大田生產環(huán)節(jié)為了獲得更好的優(yōu)質煙葉會采取打頂抹芽等措施，這導致烤煙生物量更低的同時也降低了烤煙固氮量。植煙后，2020年烤煙單位產量氮足跡低于其他作物單位產量氮足跡，這主要是由于烤煙為葉用經濟作物，單位面積產量低且氮利用效率并不高于其他作物，要提高烤煙氮生態(tài)效益，就要提高氮利用效率，通過科學有效方式，精準施肥[1」，并通過施用新型緩控釋肥[12]、硝化抑制劑[13-14]等提高肥料利用率，減少化肥的投入與損失從而減少氮排放，改善生態(tài)環(huán)境。施用生物炭可減少化肥氮的投入且仍能提高烤煙氮素利用，連續(xù)施用對氮素的固定和提高烤煙利用率效果顯著[15-16]。此外，種植規(guī)模對農戶施肥有負向影響，提高種植規(guī)模有利于減少單位面積上化肥的施用[17。Feng等18研究指出，大規(guī)模種植農場L gt;0.7hm² ）提高作物產量的同時降低作物單位面積氮足跡。Sefeedpari等[19]指出，不同規(guī)模的農場單位面積投入能量不同，研究表明 1～4hm²?24～10hm² 和 gt;10hm² 農場的總能量投人較 lt;1hm² 的分別降低 17%21% 和 34% 。實行農場規(guī)模化經營，可減少能源損耗、降低氮足跡。目前國內烤煙烘烤加工階段仍以傳統(tǒng)能源為主，烘烤能耗高，效率低，加強新能源烘烤的開發(fā)與利用，通過新型與清潔能源的利用來減少烤煙加工的氮排放。如電熱泵烤房與電熱式烤房的應用，電烤房可以降低能耗用工成本，從而減少環(huán)境污染，且易實現(xiàn)自動化和精準控制，減小勞動強度，烤后煙葉工業(yè)可用性明顯提高[20-24]。太陽能烘烤也是減少烤煙氮排放的途徑之一，通過太陽能集熱裝置加熱空氣，將熱空氣引入烤房進行煙葉烘烤，能夠降低烘烤成本、減少污染物排放、提高煙葉烘烤質量，且對多種類型烤房均可以實現(xiàn)輔助加熱[25-26]

4結論

在該研究選擇的田園綜合體中，農田系統(tǒng)變更為以煙草種植為主后，農田系統(tǒng)的氮投人量減少 22% ，活性氮損失減少 6% ，農田系統(tǒng)的單位面積氮足跡減少 29% ，單位產量氮足跡降低 18% 。與農田系統(tǒng)中其他作物相比，煙草種植為弱氮活動種植體系。

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