新疆“宽早优”模式下施氮量对棉田碳足迹的影响

阮 康，王香茹，贵会平，董 强，李磊磊，魏学文，张西岭，张恒恒，宋美珍

(1.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000；2.山东省棉花生产技术指导站，山东济南 250000)

0 引 言

【研究意义】CH4、N2O和CO2等温室气体的排放对作物产量形成产生一定影响[1,2]。人为温室气体排放占比高达30%，其中土壤耕作、作物栽培及牲畜占农业温室气体排放的50%-70%[3,4]。碳足迹(Carbon footprint)通常指某种活动和产品在其整个生命周期中直接和间接产生的温室气体总量。棉花生产过程中的直接碳排放是指在耕地、播种、收获等农业生产过程中，使用农业机械消耗柴油直接产生的碳排放，同时还包括施用化肥的农田氧化亚氮排放；间接碳排放是指农药、化肥、种子、地膜等农业生产资料在生产和运输过程中间接导致的碳排放，以及灌溉用电产生的碳排放。采用碳足迹(Carbon Footprint，CF)的研究方法可以定量评估农业活动对温室气体排放的贡献[5]，评估农产品碳足迹将有助于确定潜在的解决方案，以适应温室气体排放较低的农业生产方式。关于施氮量对棉花碳足迹的研究较少，尚未明确保证棉花高产且减少碳排放的最佳施肥量。研究新疆“宽早优”模式下施氮量对碳足迹的影响，对于提高作物产量、减少温室气体排放具有重要意义。【前人研究进展】Nelson等[6]研究和分析了美国农业碳足迹构成。有研究对小麦、玉米和大豆等多种农作物，从播种到收获整个农田生长期的碳足迹进行了分析[7-10]。农产品碳足迹受农田管理措施的显著影响，如耕作方式、种植制度、氮肥施用等[11,12]。2020年，新疆植棉面积占全国的78.9%，产量占全国的87.3%。“宽早优”种植模式通过“扩行、降密、壮株和拓高”等方式，形成合理的冠层结构，机采效果好，含杂率低，产量高，纤维品质好[13]。目前“宽早优”模式下密度效应、产量效应已有报道[14]，温室效应、水体富营养化等会出现环境问题[15-16]。研究表明，氮肥是影响农田碳足迹的重要因子，在农业生产中因肥料导致的碳排放量占农田总碳排放量的53%～57%[17]，氮肥施用量与大麦、油菜、小麦和玉米的碳足迹存在显著正相关[18-19]。【本研究切入点】新疆“宽早优”种植模式可有效降低含杂率，提高棉花产量和纤维品质，但对于其碳足迹的研究较少；关于氮肥对棉花氮肥利用率、产量的报道较多[20]，但对“宽早优”模式的碳足迹鲜有报道，尤其关于氮肥对碳足迹的影响研究更少。尚缺少施氮量对棉花生产碳足迹及其构成的影响研究。【拟解决的关键问题】采用田间试验、调查数据和农业碳足迹理论及生命周期评价法，定量分析新疆“宽早优”模式下棉花生产碳足迹及其构成，以及施氮量对棉田碳足迹及产量的影响，为新疆棉花生产实现低碳减排、高产优质提供理论依据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年在中国农业科学院棉花研究所新疆胡杨河试验站进行(44°44′ N，84°48′ E)。该地区属于温带大陆性干旱气候，平均海拔451 m，年均降水量182.1 mm，蒸发量1 710 mm，年日照时数2 679 h，年平均温度7.4℃，无霜期180 d。收集农资投入、农机使用及灌溉耗能等。供试土壤为黏壤土，土壤肥力属于中等，耕层土壤pH值8.3，有机质含量19.8 g/kg，全氮0.74 g/kg，碱解氮51.1 mg/kg，速效磷5.1 mg/kg，速效钾210.2 mg/kg。列出2019年棉花生育期间日平均气温及降雨量变化。图1

图1 2019年棉花生育期日平均气温与降雨量Fig.1 Air temperature and rainfall during cotton growth period in 2019

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

材料为中棉所109，设置4个氮肥梯度0 kg/hm2(CK)、120 kg/hm2(N120)、240 kg/hm2(N240)、360 kg/hm2(N360)，氮肥为普通尿素，采用随机区组设计，每个处理设3个重复，共12个小区，小区面积32.4 m2(4.5 m× 7.2 m)。采用“宽早优”种植模式(1膜3行，76 cm等行距)，种植密度为18×104株/hm2，2019年4月20日播种，9月25日收获。棉花全生育期内尿素随水滴施，共滴施6次，磷肥(P2O5150 kg/hm2)和钾肥(K2O 150 kg/hm2)全部做基肥，在播种前一次性施入，其他田间管理措施按照高产田统一管理。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 农田N2O气体排放

农田N2O采集用静态箱法，取样时间09:30～11:30，采集频率为6～7 d 1次，施肥后7 d内加密采样。使用HP7890气相色谱仪测定其通量。

气体排放通量是单位时间单位面积气体质量的变化。其公式如下：

F=

式中F温室气体排放通量(g/(hm2·d))，正直为排放，负值为吸收；V表示静态箱体积(m3)，为 0.125 m3；S表示静态箱底面积(m2)，为0.231 m2；M表示某种气体的摩尔质量(g)，CO2为44，N2O为44；C1、C2表示盖箱前和盖箱后的被测气体体积浓度；t1和t2表示静态气体箱关闭和开启时的时间；T1和T2表示盖箱前和盖箱后的箱内温度；22.4表示理想气体常数(L/mol)，273为绝对零度的摄氏温度(℃)。

气体排放总量为作物生长季的累积排放通量。其公式如下：

T=∑[(Fn+1+FN)/2]×(Hn+1-Hn)×24/1 000.

式中，T为某气体排放总量(g/hm2)；Fn和Fn+1分别是第n和第n+1采样时某气体平均排放通量(g/(hm2·d))。Hn和Hn+1分别为第n和第n+1采样时间(d)。

1.2.2.2 棉花产量

于收获期，每小区选择长势均匀的样点(2.28 m × 3.0 m)，调查株数和总铃数，计算单株铃数和单位面积结铃数，连续选取长势一致的5株棉花，收取全部铃并称重，计算单铃重、衣分等；小区全部实收计产。

1.2.2.3 碳足迹估算

采用生命周期评价法(LCA)进行棉田碳足迹评价，确定系统边界，包括原材料的采集、相关农资的生产和农作生产3个环节，研究中碳足迹包括直接碳排放和间接碳排放。图2

图2 “宽早优”模式棉花碳足迹核算边界Fig.2 System boundary for carbon footprint of“Kuanzaoyou”production system

(1)

(2)

单位产量碳足迹=单位面积碳足迹/单位面积棉花产量。

(3)

式中Cf为棉花生产碳排放总量，n表示农业生产过程消耗了n种能源(柴油和灌溉用电能等)或农业生产资料(化肥、农药和种子等)，Cfi表示第i种能源或农资的碳足迹，m为消耗第i种能源或农资的用量，λ为第i种能源或农资的碳排放参数，排放参数主要参考中国生命周期数据库。CFN2O是棉田N2O排放，44/28为N2O与N2分子量比重，298为N2O转换成100 a尺度上的相对全球增温趋势。碳足迹以排放的CO2当量[kg(CO2-e)]，其单位为kg(CO2-e)/(hm2·a)。表1

表1 不同农业资料碳排放参数Table 1 Index of GHG emission of different inputs for agricultural production

1.3 数据处理

采用Excel 2010进行数据整理和制作图表，使用SigmaPlot14.0(Systat Software,Inc.USA)软件作图。使用SPSS17.0分析处理试验数据，采用新复极差法(Duncan’s)检验平均数(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下土壤N2O排放特征

研究表明，在整个生育期各施氮量处理N2O排放通量变化趋势基本一致，随着生育期的推进呈先升高后降低的趋势，从苗期到开花初期，各处理N2O排放通量缓慢上升，随后上下波动，8 月2 日(盛铃期)达到顶峰。进入吐絮期，各处理N2O排放通量开始下降，且无显著性差异。随着施氮量的提高，N2O排放通量显著提高，N240和N360处理的最高N2O排放通量分别为43.8和63.0 g/(hm2·d)，比CK显著高提高2.9倍和4.1倍。图3

图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排放总量存在显著性差异。不同处理下N2O年排放总量整体表现为N360>N240>N120>CK，增加氮肥施用量显著提高棉田N2O损失量。其中N360处理下N2O年排放总量为2 055.6 g/(hm2·a)，分别比CK、N120和N240显著高221.9%、123.1%和33.1%。图4

注：小写字母表示每个处理间变化量在P<0.05有显著性差异Notes:Small letters denoted significant differences of changed amount between treatments at P<0.05图4 不同施氮水平N2O排放总量Fig.4 N2O total emissions from different nitrogen fertilizers

2.2 不同施氮水平棉花碳足迹

研究表明，N120、N240和N360处理在2019年碳足迹分别为5 159.9、5 738.5和6 264.6 kg(CO2-e)/(hm2·a)比对照(CK)分别高8.1%、17.2%和24.4%。

各处理灌溉用电所造成的碳足迹最高，在CK、N120、N240和N360处理中分别占54.8%、50.3%、45.3%和41.5%。各处理使用农膜碳足迹分别占总碳足迹的29.2%、26.8%、24.1%和22.1%。随着施氮量的提高，化肥生产造成的碳足迹显著提高，N360处理下化肥生产造成的碳足迹为2 165.8 kg(CO2-e)/(hm2·a)，比CK、N120、N240分别高32.1%、21.4%和9.2%。施氮量由0 kg/hm2提高到360 kg/hm2时，化肥生产造成的碳足迹占总碳足迹的比例由13.6%提高到34.6%。“宽早优”模式系统中棉花碳足迹主要由灌溉用电、农膜及化肥3个因素构成，分别占总碳足迹的47.4%、25.2%和24.3%。各处理化肥碳足迹由氮肥、钾肥、磷肥及土壤N2O排放组成。其中，土壤N2O排放碳足迹在化肥碳足迹中占比最大(10.6%)，氮肥碳足迹占化肥碳足迹次之(9.9%)，磷肥较少(4.4%)，钾肥最少(1.9%)。随着施氮量的增加，氮肥和土壤N2O排放造成的碳足迹也逐渐增加。图5

表2 不同施氮水平棉花碳足迹Table 2 List of carbon footprint of different nitrogen fertilizers

图5 不同施氮水平碳足迹构成Fig.5 Composition of carbon footprint of different nitrogen fertilizer

2.3 不同施氮水平对棉花产量及产量构成因素

研究表明，随着施氮量的增加，单株铃数、单铃重、籽棉产量和皮棉产量随之提高。与CK相比，N120、N240和N360处理下单株铃数增加61.9%、64.1% 和70.1%。N120和CK处理之间籽棉产量无显著性差异(P>0.05)，而N240和N360处理较CK处理显著提高 19.3% 和22.9%，达到显著性水平(P<0.05)。N240和N360处理下单株铃数、单铃重和籽棉产量均无显著性差异。表3

表3 不同施氮水平对棉花产量及其产量构成因素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，不同施氮水平下单位面积产量碳足迹依次为N360>N120>N240>CK，其中N360处理下单位产量碳足迹最大(779.6 kg(CO2-e)/t)。与N360处理相比，N240处理下单位产量碳足迹降低5.6%。表4

表4 不同施氮水平棉花单位面积产量碳足迹Table 4 Carbon footprint for per ton cotton yield under different nitrogen fertilizer

3 讨 论

研究得出N240与N360处理棉花籽棉产量没有显著差异。过量施用氮肥不会显著提高棉花产量，但会造成过多碳排放，在不影响产量的情况下，降低氮肥用量可以减少棉田碳足迹。适量的减少氮肥，在不影响产量和净经济效益的前提下，可以减少温室气体的排放[23]。减少施氮量，即可以使“宽早优”模式下产量得到保障，又可以降低棉田碳足迹。

土壤中硝化作用和反硝化作用受到氮肥的调控，氮肥会影响 N2O 的排放[24]。随着施氮量的增加，棉田N2O排放通量与排放总量随之增加，其中总体表现为N360>N240>N120>CK。吐絮期各处理N2O排放通量开始下降，且无显著性差异，此阶段N2O排放通量降低的原因可能是施肥结束后土壤氮素含量较少，昼夜温差大导致土壤温度低，减少了微生物的活动，降低了土壤反硝化作用。N360处理下N2O年排放总量分别比CK、N120和N240显著高221.9%、123.1%和 33.1%。这与李新华[25]，张志勇[26]等研究结果相似，氮肥减量施用，可以降低CO2与N2O排放总量。农业生产中碳足迹主要是因为过量施用氮肥[7]。研究得出当氮肥施用量(360 kg/hm2)减少33.3%(240 kg/hm2)和66.7%(120 kg/hm2)时，碳足迹分别下降了8.4%和17.6%，这与前人研究结果一致，即减少氮肥施用可以显著降低农田碳足迹[27,28]。新疆“宽早优”植棉模式生产中，碳足迹主要来源灌溉用电、农膜使用和化肥投入量，分别占总碳足迹的47.4%、25.2%和24.3%；在化肥生产产生的碳足迹因子中，土壤N2O排放是主要因素，占化肥生产碳足迹10.6%。俞祥群[29]在减氮施肥对春玉米-晚稻生产系统碳足迹构成中，发现肥料投入所占比例最大。史磊刚等[30]发现小麦-夏玉米种植模式碳足迹组成中，化肥占61.8%，电能占25%。赵亚飞等[23]研究新疆棉花与花生间作碳足迹发现，来自地膜碳足迹，棉花单作占29%、花生单作31%和棉花//花生间作占32%，与研究结论相似。

毛树春等[31]建议未来新疆棉花要坚持以可持续发展和生产方式新转型。“宽早优”种植，能提高棉花株高、增加采光和有利于中下部棉铃发育等优点，是一种新型的机采棉种植模式[32]。

4 结 论

增加氮肥的施用显著提高棉田N2O排放。N360处理下N2O年排放总量分别比CK、N120和N240显著高221.9%、123.1%和 33.1%。新疆“宽早优”植棉模式碳足迹构成中，灌溉用电、农膜使用和化肥投入量，分别占总碳足迹的47.4%、25.2%和24.3%。施氮量影响棉田碳足迹，CK