不同耕作措施对雨养冬小麦碳足迹的影响*

李 萍,郝兴宇,宗毓铮,古润生,贾绍辉,董 琦,郭李萍

(1.山西农业大学农学院 太谷 030801;2.中国农业科学院农业与环境可持续发展研究所 北京 100081; 3.山西临汾市农机局 临汾 041000)

不同耕作措施对雨养冬小麦碳足迹的影响*

李 萍1,2,郝兴宇1,宗毓铮1,古润生3,贾绍辉3,董 琦1,郭李萍2**

(1.山西农业大学农学院 太谷 030801;2.中国农业科学院农业与环境可持续发展研究所 北京 100081; 3.山西临汾市农机局 临汾 041000)

为了解不同耕作管理措施对我国北方旱作农田作物生产生命周期内生产资料及生产过程碳排放足迹的影响,在山西省临汾市尧都区连续15年保护性耕作长期定位试验基地,利用静态箱-气相色谱法连续两年测定了不同秸秆管理和耕作措施(秸秆不还田旋耕、秸秆还田旋耕、秸秆覆盖免耕)下,旱作冬小麦田N2O周年排放通量,并对不同耕作管理措施的生产资料和生产过程中的碳排放进行全面分析与计算,以估算不同耕作措施的碳足迹。结果表明:1)秸秆覆盖免耕和秸秆不还田旋耕条件下旱作冬小麦田N2O年度累积排放量较秸秆还田旋耕分别平均减少19.2%和18.9%;2)旱作冬小麦在秸秆覆盖免耕条件下产量最高;3)旱作农田碳足迹中氮肥生产、农田N2O直接排放和柴油消耗排放占到总排放足迹的90%以上;4)秸秆覆盖免耕较其他耕作方式的碳足迹低,两年试验期间,较秸秆还田旋耕处理碳足迹分别低11.0%和6.9%,较秸秆不还田旋耕处理碳足迹分别低7.9%和8.3%。5)在半干旱地区,秸秆覆盖免耕处理单位产量碳足迹最低,是本研究中低碳低排的推荐措施。本研究结果可为旱作农田以低碳减排为目标的可持续发展提供科学依据。

秸秆还田;免耕;旱作小麦;N2O排放;碳足迹

N2O是主要的农业源温室气体之一[1],其增温效应在百年时间尺度上是CO2的298倍,对全球大气温室效应的贡献为5%[1]。农业活动是除能源和工业活动外最重要的人为温室气体排放源,占全球人为排放总量的10%～12%[2]。据估计,大气中每年约90%的N2O排放来源于土壤,农田土壤对大气N2O的排放贡献巨大[3-4]。关注农田N2O排放特征和影响因子并探寻相应的减排措施,能为减缓全球气候变化及实现农业可持续发展提供重要支持。

碳足迹(carbon footprint)是从生命周期的角度出发,某种活动引起的(或某种产品生命周期内积累的)直接或间接的CO2排放当量的度量[5-7],是衡量某种生产活动对大气温室效应贡献的研究方法,并逐渐成为低碳农业研究的另一个分析角度[7-9]。

冬小麦(Triticum aestivumL.)是我国主要粮食作物之一。北方旱区面积较大,旱作农业是该区域主要的生产方式[10]。旱地不合理施用氮肥是向大气排放N2O的重要排放源[11]。虽然旱地是一个弱的CH4汇,但由于其量值比较低,在各国的温室气体清单中一般都不予单独计算。此外,目前联合国气候变化框架公约(UNFCCC)要求各国提供的温室气体清单中,农业和森林活动的温室气体排放中,仅土地利用变化(如毁林等活动)引起的CO2排放计入温室气体清单中,管理农田的CO2排放也暂未被列入温室气体清单[1]。因此,对旱地农业生态系统来讲,氮肥施用引起的N2O排放和耕作、播种、收获等过程中的机械耗油排放和生产过程中各种生产资料在生产过程中的排放即是农产品生产全过程的全部碳排放足迹。我国水资源严重不足,农业灌溉占国家水资源消耗的55.7%,占农业用水的91%[12],土壤水分不足和土壤有机碳投入不足是半干旱地区农业生产中亟待解决的主要问题。农作物副产品——秸秆用于还田是增加碳输入土壤的简单有效办法,可在一定程度上遏制土壤有机碳(SOC)下降的趋势,且合理利用秸秆覆盖的免耕或少耕技术在减少土壤水分损失和作物增产方面多有报道[10,13-16]。但不同的耕作管理措施对旱地土壤N2O排放及碳足迹的综合影响还鲜有全面的报道,国内外学者报道的少免耕对农田N2O排放的影响有增加和减少两种不同的结论[17]。 我国学者针对不同管理措施下华北高产农田温室气体的综合增温潜式也进行了相关研究[18],并考虑了每项农事活动如机械燃油、灌溉耗电量、施肥量等因素的碳排放[19]。但我国半干旱地区土壤水分状况与华北高产区差异较大,不同耕作措施对农田N2O排放及农业生产资料及生产过程全链条的碳足迹影响具有不同的特点,本研究即以此为切入点,科学评价不同耕作管理措施对半干旱区旱作农田雨养冬小麦碳足迹及碳排放强度的影响。本文在山西临汾17年长期定位试验地开展相关试验,对不同耕作管理方式下旱作冬麦田连续2年的N2O排放进行监测,并对冬麦田生产过程中耕作机械耗油及全部生产资料全链条碳排放估算,评价不同耕作管理措施的碳足迹及碳排放强度,旨在为半干旱地区旱作农业生产系统温室气体减排和农业可持续生产提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间试验点位于山西省临汾市尧都区县底镇城隍村(111°30′N,36°04′E)保护性耕作固定道长期定位试验地,该地为拖拉机和其他作业机械长期行走的一条固定车道,每个车道宽30 cm,车道不耕作也不种植作物,车道之间宽150 cm,种植小麦6行,小麦行距20 cm,作物生长带不受车轮压实[20]。该长期定位试验开始于1997年,到2012年已进行15年,是目前亚洲最早建立的固定道免耕试验,对监测长期不同耕作管理对作物与土壤的各种影响有重要意义。试验区域属温带大陆性气候,年均气温12.6℃,年均降雨量527 mm,无霜期约190 d。试验地为旱地褐土。种植制度为一年1作冬小麦,旱作无灌溉。2011年播种冬小麦品种为‘临汾227’,2012—2014年两季冬小麦品种均为‘长6359’。

1.2 试验设计及田间管理

本试验共设秸秆不还田旋耕(当地农民常规耕作方式,简称RT)、秸秆还田旋耕(简称SRT)和秸秆覆盖免耕(简称SNT)3个处理。原长期定位试验只设SRT和SNT两个试验处理,其中SNT为固定道免耕处理,但原试验未设重复(耕作方便),SRT和SNT处理区面积分别约0.13 hm2,本试验分别在原SRT和SNT处理区内设置3个面积30 m2的取样小区作为重复。另外,本研究在原试验地中秸秆未还田的保护行地带(其他操作均相同,只有秸秆未还田)增加取样小区和重复,作为秸秆不还田旋耕操作的常规对照(RT),以研究不同耕作管理措施的效应。

RT处理,小麦机收后秸秆全部清除移出,之后在小麦播前旋耕播种。SRT处理在小麦机收后直接将秸秆粉(粉碎长度为15～20 cm)撒于地表,之后在小麦播前旋耕播种。SNT处理在小麦机收时留高茬(约30 cm),其余秸秆粉碎撒于地表,之后到9月底直接用免耕播种机播种下一季小麦,播前再无其他土壤耕作。各处理均采用硝酸磷肥复合肥(氮磷含量分别为含N 25%和含P2O512%)做底肥一次施入,复合肥施用量450 kg(N)∙hm-2,即施氮量112.5 kg(N)∙hm-2,施磷量123.7 kg(P2O5)∙hm-2。施肥日期:2012年为9月24日、2013年为9月26日,播种与施肥同步进行。收获日期:2013年为6月13日,2014年为6月15日。

1.3 试验地土壤特性

于2012年9月23日选取各处理0～20 cm土壤进行物理化学性状分析,土壤质地为轻壤,其他理化性状见表1。

表1 不同耕作方式试验地的土壤理化性状Table 1 Physical and chemical properties of the experiment soil under different tillage practices

1.4 试验期间降水量

2012年9月—2013年9月降水量为593.7 mm,小麦生长季降水量为180.6 mm。2013年9月—2014年9月降水量为731.6 mm,小麦生长季降水量为283.5 mm(图1)。降水主要集中在小麦休闲期7—9月。

1.5 样品采集

N2O的测定采用静态箱-气相色谱法,取样箱为不透明PVC材料制成,取样箱直径25 cm、高30 cm,底座为相同尺寸的PVC原环并有凹槽以密封底座与箱。分别在0 min、10 min、20 min和30 min用注射器抽取经过混匀的气样35 mL至12 mL真空血清瓶(Labco公司,英国)中。采样时间选择在上午9:00—11:00,该时段最接近每日平均气温,可以代表每日的气体平均排放通量[18]。每个试验小区内放置1个取样箱,每个处理共3个重复。2012年9月25日至2014年9月20日两个年度取气,一般生育期每7 d取样1次,冬季(11月份到翌年1月份)10～20 d取样1次,施肥和降雨后取样频率加密(每2 d取样1次,连续取3次),每次取气样的同时用自制的热敏电阻(误差为±0.5℃)测定取样箱内温度及土壤5 cm处温度。每次取气的同时用便携式土壤水分测定仪(型号TZS-Ⅰ,浙江托普仪器有限公司生产)测定土壤5 cm处的体积含水量。降水量采用自动雨量器测定。血清瓶取回后在1周内用气相色谱仪(Agilent 7890B)测定N2O浓度,按照浓度变化率差及静态箱体积计算气体排放通量。

图1 2012年9月—2014年9月试验期间试验地降水量Fig.1 Precipitation at the experimental field during the experiment period from Sep.2012 to Sep.2014

1.6 样品测定与计算

N2O气体样品分析采用Agilent7890B气相色谱仪,检测器为电子捕获检测器(electron capture detector, ECD),工作温度为330℃,分析柱为Porpak.Q填充柱,柱箱温度为70℃,载气为纯N2,流量为25 mL∙min-1。气相色谱N2O的检测精度为±5.5 μL∙L-1。

N2O排放通量的计算公式为:

式中:F为N2O排放通量(μg∙m-2∙h-1),ρ为某N2O气体标准状态(0℃和100 kPa)下的密度(1.96 kg∙m-3),H为取样箱高度(m),k为取样时间内静态箱内的N2O气体浓度变化率(μL∙L-1∙h-1),T为测定时箱体内的平均温度(℃)。

1.7 碳足迹计算

本研究中综合温室效应的分析采取碳足迹分析方法。利用Brentrup等[21]建立的生命周期评价方法(LCA)对碳足迹计算,该方法包括原材料的采集、相关农资的生产和农作生产3个环节,该方法能够对农作生产过程及产生的温室气体排放进行系统、全面地分析。计算公式如下:

式中:fC为农业生产碳足迹,n表示农业生产过程中消耗了n种物质(能源或生产资料等),fCi为第i种物质的碳足迹,mi为第i种物质的消耗量,βi为第i种物质的碳排放系数。碳足迹以排放的CO2当量[kg(CO2-e), N2O排放量需乘以298折算成CO2当量]计算,其单位为kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1[21]。

本研究中涉及的农资或活动的碳排放系数见表2。

表2 雨养冬小麦栽培所用农资材料在生产过程的碳排放系数Table 2 Carbon emission factors of agricultural production goods for rainfed winter wheat cultivation

1.8 数据处理

用Microsoft Excel 2007进行图表制作。利用SAS 8.0软件进行数据统计分析,采用方差分析比较不同处理的差异性,显著水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同耕作管理措施下土壤N2O排放特征

因该区降水主要集中在夏季,夏季土壤湿度、温度均较高。2014年春季土壤含水量较2013年平均高6.4%(图2a),而2013年夏季土壤温度较2014年平均高5.7℃(图2b)。夏季(6—8月份)秸秆覆盖免耕(SNT)处理5 cm土壤温度比秸秆还田旋耕(SRT)低0.54℃,比秸秆不还田(RT)处理高0.42℃(图2b)。SNT处理春季表层土壤湿度分别比RT和SRT处理高3.5%和1.7%(图2a)。SRT处理的N2O排放通量总体较SNT处理高(平均高约22.2%),尤其是在2013年小麦返青期后到秋季播种期间更为明显(图2c)。

RT和SNT处理的N2O排放总量较SRT低,两年平均排放量分别比SRT低19.2%和18.9%,2013年减排量更高,分别较SRT减排26.0%和25.6%。除RT处理的N2O排放量与土壤水分含量没有显著相关外,其他耕作方式的N2O排放通量与土壤温度和土壤水分含量均呈显著正相关,但与土壤5 cm处温度的相关性更高(表3),2014年降水量高,土壤温度较2013年低,这也是2014年N2O排放量较2013年低的可能原因。

图2 不同耕作方式下5 cm土壤水分含量(a)、5 cm土壤温度(b)及土壤N2O排放通量(c)周年变化情况Fig 2 Annual variations of soil moisture at 5 cm depth(a),soil temperature at 5 cm depth(b)and N2O emission fluxes(c)for different tillage practices during the experimental period

2.2 不同耕作方式的碳足迹

各处理从播种到收获过程中构成冬小麦碳足迹的各因素见表4,其中N2O排放以外的因素对碳足迹的贡献每年大致相同,而N2O田间排放对碳足迹的贡献因每年气候因素的不同而有相应的变化,单位质量N2O的温室效应对碳足迹的贡献按照同等质量CO2的298倍计算。计算每年冬小麦生产过程中各处理的碳足迹数值(表4)显示,RT、SRT和SNT处理两年碳足迹分别为490.3 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1、507.5 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1, 451.5 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1、465.9 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1和458.7 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1、427.1 kg(CO2-e)∙hm-2∙a-1。各部分碳足迹占总碳足迹的比例排序各处理均为化肥生产(平均46.4%)>农田N2O排放(平均21.6%)>耕作播种柴油消耗排放(平均25.2%)>种子生产排放(平均4.4%)>农药生产和使用排放(平均2.4%)。农田N2O排放、氮肥生产造成的排放和柴油消耗排放占总排放的90%以上,这3个因素是最主要的碳足迹贡献因素。而种子生产和农药生产所造成的碳足迹所占比例均小于5%。

表4 不同耕作管理下冬小麦栽培碳足迹构成Table 4 Sources and compositions of carbon footprint of winter wheat cultivation under different tillage practices

碳足迹估算表明:SNT较其他耕作方式碳足迹低,SNT处理较 SRT处理碳足迹两年分别降低11.0%和6.9%。SNT处理较RT处理碳足迹两年分别降低7.9%和8.3%,SNT是旱作小麦田有效减排的耕作管理方式。相对于RT,SNT主要是减少了耕作柴油消耗(减排量占到6%以上),而相对于SRT处理SNT因N2O排放减少的排放占到减排量的4%以上。

2.3 不同耕作方式旱作小麦产量

如图3所示:SNT处理可以提高小麦产量,2013年和2014年分别较SRT处理增加41.7%和14.3%。在干旱的2013年增幅更高,两年平均增产幅度为21.8%。

2.4 不同耕作方式下冬小麦碳成本分析

根据不同耕作方式下小麦单位面积产量与碳足迹数值,计算单位小麦产量的碳排放(表5)。旱作条件下,SNT处理产量最高,碳足迹最低,故单位产量碳足迹最低。2013年,SNT单位产量碳足迹较RT和 SRT分别减少37.3%和37.2%,2014年则分别减少22.3%和18.5%。

图3 2012—2013和2013—2014年度不同耕作方式冬小麦产量Fig.3 Yields of winter wheat under different tillage practices in 2012-2013 and 2013-2014

表5 不同耕作方式冬小麦单位产量的碳足迹Table 5 Carbon footprint for per ton winter wheat grains under different tillage practices

3 讨论

3.1 不同耕作措施对旱作小麦田N2O减排效果分析

农田土壤N2O的排放主要由土壤微生物参与的氮素硝化-反硝化作用而产生。土壤温度、土壤湿度、土壤矿质氮含量等是影响N2O排放的主要环境因子,不同的耕种方式可以改变土壤温度、湿度和土壤性质,进而影响N2O排放[24-25]。秸秆还田有利于增加土壤有机质含量,并会对土壤物理结构产生影响,改变土壤微生物的生存环境,进而对N2O排放产生影响。秸秆还田增加了土壤的碳供应,促进了土壤中反硝化作用,秸秆还田条件下麦田N2O排放量显著高于无秸秆还田排放量[26]。秸秆覆盖免耕可以增加土壤湿度,改变土壤表面温度,进而影响N2O排放。在实施免耕早期,免耕处理下土壤容重增加,使表层土壤保水能力增加,造成土壤厌氧环境,使表层土壤潜在的反硝化速率增加,促进土壤N2O排放[27]。本研究是在长期秸秆覆盖免耕条件下(17年的长期定位试验)进行的,土壤N2O排放量较秸秆还田旋耕低(表3),这与一些干旱半干旱区的研究报道的结果类似[28-30],但不同于澳大利亚及欧洲、加拿大等地区的一些报道[17,31],这可能与干旱半干旱区由于土壤水分普遍较低,土壤体积含水量常年低于60%,秸秆还田免耕处理的土壤水分在非雨季略高于旋耕处理、而雨季的土壤含水量差异与其含水量背景值差异较小。此外,秸秆覆盖免耕还可以降低土壤耕层温度(高温月份表面的秸秆可以起到很好的隔热效果,降低耕层的土壤温度)。土壤N2O排放和土壤温度的相关分析也表明,温度的变化对土壤N2O排放有着较大的影响。另外,Rochette[32]发现免耕能增加通气条件差的土壤N2O排放,对通气性好的土壤则影响不大。由于长期固定道免耕种植区土壤没有像传统免耕那样对土壤造成普遍压实,可以改善土壤孔隙状况,使表层土壤通气性增加(免耕处理0～10 cm土壤容重较旋耕土壤小,见材料方法部分),不利于土壤厌氧环境的形成,从而减少土壤反硝化速率,减少了N2O排放;本试验土壤属轻壤,质地较轻,因此免耕并未造成土壤通气性变差,因而免耕秸秆覆盖未增加N2O排放。

3.2 不同耕作措施的综合减排效果

保护性耕作能够减少地表蒸发,显著改善土壤贮水量及含水量,在降水较少年份免耕秸秆覆盖的保水作用突出[16]。在旱作条件下,免耕秸秆覆盖有利于土壤水分的保持,可以提高冬小麦产量。不同耕作措施对旱作冬小麦生产的碳足迹分析表明,化肥生产和化肥施用后的N2O直接排放造成的碳排放在总的碳足迹排放所占比例最大,这主要是由于化肥生产和运输过程中均需要消耗大量的化石燃料,而我国的粮食生产在很大程度上依赖化肥,且国内化肥使用量,特别是氮肥使用量偏高[33],而氮肥的过量使用又会增加农田N2O的排放[34]。因此,合理减施氮肥,无论从工业生产部门(如,化肥生产企业)的碳排放还是氮肥施用后在田间的排放都会显著降低。本文对不同耕作措施下旱作冬小麦生产系统碳足迹进行分析,数据表明,秸秆覆盖免耕较其他两种耕作措施不仅可以减少土壤N2O的排放,而且可以减少部分机械耕作燃油使用,因此其总碳足迹最少。且秸秆覆盖免耕处理的单位小麦产量的碳足迹也较其他耕作方式低,综合减排效果最好。这与伍芬琳等[35]的结果一致。此外,免耕秸秆覆盖还有其他一些保水和改善土壤温度的作用[16],因此在轻质壤土旱作农田系统,采取免耕秸秆覆盖是较好的低碳高效耕作管理模式。

4 结论

旱作农田碳足迹排放主要部分是农田N2O排放、氮肥生产造成的排放和柴油消耗排放,半干旱半湿润地区旱作冬小麦生产中,秸秆覆盖免耕耕作措施可以减少农田N2O排放量及机械耗油碳排放。在山西南部半干旱半湿润地区,秸秆覆盖免耕可以提高旱作冬小麦产量,单位小麦产量碳足迹均较其他耕作方式低,综合减排效果最好。

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Effect of tillage practice on carbon footprint of rainfed winter wheat*

LI Ping1,2,HAO Xingyu1,ZONG Yuzheng1,GU Runsheng3,JIA Shaohui3,DONG Qi1,GUO Liping2**
(1.Agricultural College,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China;2.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China;3.Agricultural Bureau of Linfen of Shanxi Province,Linfen 041000,China)

It is crucial to mitigate greenhouse gas emissions from soil and to abate carbon emissions from the production of goods(e.g.,fertilizers,seeds,etc.)and production processes(e.g.,diesel consumption by machines)for sustainable agricultural production.In order to evaluate carbon footprint and carbon emission intensity of different tillage practices in rainfed field,a 15-year long-term experiment with three different tillage practices was conducted in Linfen,Shanxi Province,a typical semi-arid area in North China.The investigated tillage management practices were rotary tillage without straw incorporation(RT),straw incorporation and rotary tillage(SRT)and straw-mulch and no-tillage(SNT).Carbon footprint in theproduction life-cycle of different tillage practice of rainfed winter wheat was explored,in which N2O emissions from field were measured using the static chamber-gas chromatography method and the other emissions calculated by analyzing emissions from the production of main goods and the associated processes during life-cycle period of winter wheat.The results showed that N2O emissions under SNT and RT management practices were 19.2%and 18.9%lower than that under SRT practice,respectively.N2O emissions mainly occurred during the period from booting to maturity and then the period of summer fallow when soil temperature and moisture were most appropriate.N2O emissions derived directly from nitrogen fertilizer and carbon emissions from the processes of chemical fertilizer production explained the most share of carbon footprint in the life-cycle of rainfed winter wheat,accounting for 21.6%and 46.4%of the total carbon footprints,respectively.N2O emissions and carbon emissions derived from nitrogen fertilizer production and diesel consumption,and direct emission for field accounted for over 90%of the carbon footprint of rainfed winter wheat system.Carbon footprint under SNT practice was the lowest among three treatments,it was respectively 7.9%–11.0%and 6.9%–8.3%lower than those under SRT and RT.SNT management practice had the lowest carbon footprint among three tillage practices.Thus,straw incorporation with no-tillage was the most appropriate practice for sustainable agricultural production aimed at low greenhouse gas emissions and low carbon consumption in the semi-arid area of North China.

Straw incorporation;No-tillage;Rainfed wheat;N2O emission;Carbon footprint

Nov.3,2016;accepted Dec.16,2016

S512.1;P467

A

1671-3990(2017)06-0839-09

10.13930/j.cnki.cjea.160981

李萍,郝兴宇,宗毓铮,古润生,贾绍辉,董琦,郭李萍.不同耕作措施对雨养冬小麦碳足迹的影响[J].中国生态农业学报, 2017,25(6):839-847

Li P,Hao X Y,Zong Y Z,Gu R S,Jia S H,Dong Q,Guo L P.Effect of tillage practice on carbon footprint of rainfed winter wheat[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(6):839-847

* 国家科技支撑计划项目(2013BAD11B03,2015BAD23B00)、国家自然科学基金项目(31601212,31501276)、山西省科技攻关计划项目(20150311006-2,20140311011-7)和山西农业大学博士引进人才项目资助

**通讯作者:郭李萍,主要从事土壤碳氮循环与气候变化研究。E-mail:guolp@ami.ac.cn

李萍,主要从事农业气象和植物生理生态研究。E-mail:lipinghxy@126.com

2016-11-03 接受日期:2016-12-16

* This work was supported by the National Key Technology R&D Program of China(2013BAD11B03,2015BAD23B00),the National Natural Science Foundation of China(31601212,31501276),the Key Science and Technology Program of Shanxi Province,China(20150311006-2, 20140311011-7),and Shanxi Agricultural University Doctor Introduce Talents Projects.

**Corresponding author,E-mail:guolp@ami.ac.cn