湖北省油菜测土配方施肥下N2O减排潜力估算

李夏菲，杨 璐，于书霞*，刘 微，王德鑫，胡荣桂（.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；.华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430070）

湖北省油菜测土配方施肥下N2O减排潜力估算

李夏菲1，杨 璐1，于书霞1*，刘 微1，王德鑫2，胡荣桂1（1.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；2.华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430070）

以油菜种植大省-湖北省为案例地，在分析农田氮肥施用与油菜籽产量的基础上，依据氮肥利用率变化，估算测土配方施肥技术在湖北省全面推广的情况下，带来的N2O减排潜力.结果表明，在湖北省油菜种植中，测土配方施肥技术的推广将带来646.32ktCO2-eq的理论减排.以2012年湖北省油菜测土配方推广情况为基础，进一步全面实施该项技术，将产生173.91ktCO2-eq的减排量，占油菜种植因氮肥使用而产生的N2O排放总量的13.98%.测土配方施肥通过优化营养元素配比，提高油菜氮肥利用效率，是一项控制与减少农业N2O排放、减少氮素在环境中盈余量的有效措施.

油菜；测土配方；氧化亚氮；减排潜力

气候变化是当今人类面临的最为严峻的全球性环境问题，农业作为温室气体排放的主要来源［1-2］，同样也蕴藏着巨大的减排潜力.农业生产过程中采用的农业管理措施，如耕作方式、施肥、灌溉等，影响农田温室气体排放［3-4］.其中氮肥使用是农田N2O排放的主要来源［5-7］，约占土壤排放N2O的25%～84%［8］.农田N2O排放主要来自土壤硝化和反硝化作用.研究表明，科学的减少氮肥施用量、调整施肥结构、采用合理的施肥管理措施［9-11］，在保障粮食安全的前提下将有效的实现农田温室气体的减排［12］.

中国是化学肥料最大的消费国，中国陆地生态系统氮素输入量的72%来自氮肥［13］.氮肥的过量使用，使得农业系统中的氮肥盈余量已达到175kg/hm2［14］.过度施肥在造成土壤、水和空气污染的同时，也增加了农业温室气体排放的负荷［15］.针对化肥过量使用、施肥结构与方法不合理等现状，我国于2005年全面推广测土配方施肥技术.测土配方施肥通过有针对性地补充作物所需要的营养元素，使农田作物能够均衡地吸收营养，实现养分吸收和元素配比的平衡，提高作物对肥料的利用率［16］.测土配方施肥相较于习惯施肥，通过优化肥料中的元素配比，更好的满足作物生长对各个元素的需求，提高作物对肥料尤其是氮肥的利用效率［17］，从而有效减少农田N2O的排放，使之成为农业温室气体减排的重要措施［13］.

目前，对于测土配方施肥的研究较多的集中于测土配方施肥增产增收效益分析方面［18-19］，如Zebarth等［20］在加拿大东部通过测定土壤性质及马铃薯生长需求，采用最适宜的肥料配比及合理的施肥管理措施，实现作物对肥料吸收利用效率的提高及产量的增加.而对其减少温室气体排放方面的研究主要侧重于定性描述［21-22］，缺少对区域温室气体减排效果的定量分析及估算方法的研究.如Salvagiotti等［23］通过试验地土壤分析，按照不同施肥配比对小麦进行肥料利用效率情况对比，在其他实验条件一致的情况下，确定施用作物生长所需的肥料，氮肥利用率较高.李长江等［24］采用IPCC2006中N2O排放量计算方法及测土配方施肥固碳减排计量方法指南中的土壤碳储量计算方法，对实验区测土配方施肥项目温室气体减排潜力进行综合分析和估算.Stuart等［25］表明合理科学的减少氮肥投入，采取有效的施肥管理措施，将有效减少农田N2O排放.

油菜作为重要的食用油料作物和生物柴油原料［26］，是一种需肥量大、耐肥性强的作物，氮肥的施用对其植株生长及产量影响较大［27］，也是测土配方施肥技术应用的主要作物之一.湖北省是我国最大的油菜生产地，地理位置、气候条件优越，油菜产量及种植面积均处于全国前列，是油菜测土配方施肥技术的重要推广地.为了明确测土配方施肥与传统施肥方式在氮肥利用效率方面的差异，进而分析由此带来的温室气体减排效应，本文立足于湖北省测土配方施肥推广现状，以油菜种植为例，通过计算不同施肥方式下由于施肥量、作物产量改变而导致的氮盈余量，进而利用政府间气候变化专业委员会（IPCC）提出的方法估算N2O排放量的差值，定量评估测土配方施肥技术对油菜种植所带来的N2O减排潜力.本文为寻求合理的农业温室气体减排途径、发展低碳农业提供决策依据.

1 材料与方法

1.1 区域概况

湖北省位于长江中游，除高山地区外，大部分为亚热带季风性湿润气候，热量丰富，光能充足，雨热同季，降水充沛，对农业生产有利.湖北省为油菜种植大省，2012年全省油菜种植面积1167khm2，总产量2300kt，均占全国的1/7以上［28］.油菜种植过程中通过采用科学的施肥管理措施，降低化肥投入水平，优化施肥结构是提高氮肥利用效率、减少温室气体排放的关键举措.

1.2 研究方法

以研究区域油菜施氮量及产量为基础，计算油菜在不同施肥方式下的氮肥利用率（NUE），确定氮肥投入与产量的关系.依据传统施肥与测土配方施肥氮肥的相对盈余量，确定测土配方施肥技术相对于习惯施肥的N2O减排潜力.

1.2.1 氮肥利用率 肥料利用率为作物对施入土壤中的肥料的吸收利用效率，是反映作物、土壤、肥料之间关系的动态参数，是衡量肥料施用是否合理的一项重要指标［29］.

氮肥利用率计算如下:

式中:U为施肥后每公顷作物地上部分吸氮总量，kg/hm2；U0为未施肥情况下每公顷作物地上部分的吸氮总量，kg/hm2；N为每公顷作物化肥氮的投入量，kg/hm2.作物地上部分吸氮总量根据作物产量及生产1kg作物籽粒的养分需求量计算，油菜籽的养分需求量按50g-N/kg计算［30］.

1.2.2 氮肥盈余量估算 随着肥料投入配比的改变，作物对肥料氮的利用率也将发生变化，相应的留在环境中的氮量也将不同.ΔN为外部环境相同的情景下，两种施肥方式在获得相同产量时带来的氮肥盈余量.

式中:Nx为每公顷作物习惯施肥方式下化肥氮的投入量，kg/hm2；RENc为测土配方施肥情况下氮肥的利用率；RENx为习惯施肥情况下氮肥的利用率.本文假定不同施肥方式下的氮肥利用率为常量，不随施肥量及油菜产量的变化而变化.

1.2.3 单位面积N2O减排潜力 单位面积农田N2O减排潜力，即由单位面积氮肥盈余量所产生的排放，本研究以2006年IPCC国家温室气体清单指南［31］（简称IPCC2006）提供的方法及相关排放因子、参数为依据进行计算.

1.2.4 区域N2O减排潜力 依据油菜种植面积、测土配方施肥技术的推广情况以及单位面积减排潜力，计算理论N2O减排潜力及相对N2O减排潜力.理论N2O减排潜力指由于测土配方施肥技术的推广，所带来的温室气体排放总量的变化，由单位面积减排潜力与油菜种植总面积决定；相对N2O减排潜力是指以2012年为基准年的N2O减排潜力，由2012年油菜习惯施肥面积与单位面积减排潜力决定.

式中:EN2O为理论或相对N2O减排潜力， kgCO2-eq；BN2O为单位面积农田测土配方施肥技术所带来的N2O减排量，kgN2O-N/hm2；A为研究区域油菜种植总面积或习惯施肥种植面积，hm2；W为N2O-N排放量换算成N2O排放量的系数，44/28；GWP为温室效应潜值，310.

1.3 数据来源

本研究数据资料主要来源于实地调研、IPCC2006及《2013年湖北农村统计年鉴》［32］.其中习惯施肥氮肥施用量、作物产量，采用调查问卷和访谈的形式，调研湖北省17个市中36个县的279户2012年油菜种植情况而得到；测土配方施肥氮肥施用量、作物产量来自于上述区域的土壤肥料工作站的试验、推荐数据及相关文献［33-35］.土壤N2O排放的缺省排放、挥发和溶淋因子，均采用IPCC2006中的缺省值.油菜种植总面积及测土配方施肥推广面积来源于《2013年湖北农村统计年鉴》［32］.

2 结果分析与讨论

2.1 氮肥投入与产出分析

通过对湖北省各市2012年油菜种植施肥情况的调研，及各市“3414”肥效试验推荐测土配方施肥资料的调查，确定各市油菜种植过程中单位面积农田习惯施肥、测土配方施肥情景下氮素投入量、作物产量，以及不施肥情景下作物产量（表1）.为兼顾各市不同区县在土壤性质、气候特点及施肥习惯上的共性与差异，各市数据采用县均值或油菜种植面积最大县的代表性数据.

表1 不同施肥方式湖北省各市油菜施肥与产量（kg/hm2）Table 1 The amount of fertilizer applied and the corresponding production of rapeseed under different fertilization modes in Hubei Province （kg/hm2）

与测土配方推荐施肥量相比，湖北省油菜种植中氮肥用量不足及过量施肥的情况均有存在，襄阳市和天门市氮肥习惯施用量比测土配方施肥推荐用量低，习惯施肥对氮肥的投入不足，其中襄阳市习惯施肥量氮素投入量比推荐量少22kg/hm2.其余地市习惯施肥氮投入量都高于测土配方施肥，普遍存在氮肥过量施用的情况.荆州市氮肥过量施用最为严重，两种措施施氮量相差72kg/hm2，其次为武汉市，达到67.5kg/hm2.测土配方施肥通过优化肥料投入结构，提高作物的氮肥利用率，在改变化肥施用量的同时保证了油菜的品质及产量.各地市均未出现由于测土配方施肥技术推广而导致减产的情况.测土配方施肥技术对于油菜产量的影响差异显著，天门市增产效果最为明显，在施肥量相比当地习惯施肥增加9kg/hm2的情况下，产量增加462kg/hm2，而黄石市和随州市的增产效果并不显著.

2.2 氮肥利用率

湖北省各地市在不同施肥方式下，油菜氮肥利用率均有显著差异（图1）.习惯施肥情景下，全省氮肥利用率均值为22.99%，而实行测土配方施肥技术后，该值将达到37.27%，平均提高14.28%，表明测土配方施肥技术能有效提高氮肥利用效率.这一结果与林莉等［36］在贵州省余庆县进行的油菜测土配方施肥实验结果相吻合.荆州市、天门市和十堰市氮肥利用率的提高均在20%以上，荆州市增加最为显著，从原有的21.65%增加至47.48%.不同地市间由于土壤状况、气候条件、习惯施肥量和施肥习惯的不同，作物对氮肥的利用效率存在显著差异，尤其实施测土配方施肥技术后氮肥利用效率差距加大，鄂州市氮肥利用率最高达到51.7%，而武汉市仅为21.67%.

图1 不同施肥方式下湖北省各市油菜氮肥利用率Fig.1 Nitrogen use efficiency of rape under different fertilization modes in Hubei province

2.3 减排潜力分析

2.3.1 单位面积N2O减排潜力 湖北省油菜种植在推行测土配方施肥的条件下，可以产生473.46kg CO2-eq/hm2的减排潜力.氮肥利用率的变化、习惯施肥量是影响氮肥盈余量及单位面积减排潜力的关键因素.荆州市由于实施测土配方施肥后，氮肥利用效率显著提高，单位面积N2O减排潜力达到790.94kgCO2-eq/hm2，为全省各地市中的最大值.襄阳市和天门市尽管测土配方施肥技术推荐氮肥用量高于习惯施肥量，但由于产量增加，氮肥利用效率仍有显著的提高，因此单位面积温室气体排放也出现明显降低（图2）.

氮肥利用率变化较大的荆州市、天门市和十堰市，除了荆州市单位面积N2O减排潜力依旧较大外，天门市和十堰市的单位面积N2O减排潜力在全省处于中等水平.而武汉和孝感市的氮肥利用率变化并不十分突出，但由于这两个市的习惯施肥不合理程度较高，可通过测土配方施肥减少温室气体排放的空间较大.

图2 湖北省各市油菜种植单位面积减排量Fig.2 Emission reductions per unit area of rape planting in Hubei Province

2.3.2 减排潜力及其空间布局 （1）理论N2O减排潜力 湖北省油菜种植中测土配方施肥技术理论N2O减排潜力为646.32ktCO2-eq，其中荆州市理论N2O减排潜力为199.00ktCO2-eq，占全省理论总量的30.79%，为全省最大.理论N2O减排潜力超过全省总量10%的还有黄冈市，为15.50%.神农架林区由于油菜种植面积仅0.33khm2，故该区域理论N2O减排潜力全省最小，仅为199.53tCO2-eq.而随州市单位面积N2O减排潜力量最小，且油菜种植面积仅高于神农架林区，因此其减排潜力仅占全省总量的0.40%（图3a）.

（2）相对N2O减排潜力 单位面积N2O减排潜力和各地市2012年习惯施肥面积，是影响各地市相对N2O减排潜力的主要因素.在现有习惯施肥油菜田全部推广测土配方施肥的情景下，可以带来173.91ktCO2-eq的N2O减排量，占当年油菜种植氮肥施用所排放N2O总量的13.98%，减排潜力可观（图3b）.

图3 湖北省各市油菜种植理论、相对减排潜力Fig.3 Theoretical and relative potential of emission reduction of rape planting in Hubei Province

以荆州市为代表的一类区域，包括孝感市、恩施自治州、鄂州市，习惯施肥量与测土配方推荐施肥量差距显著，且测土配方施肥对油菜种植增产效应明显，由此带来的单位面积减排潜力大，应把油菜的测土配方施肥作为农业减排的关键措施，优先推广.荆州市油菜种植面积大，测土配方施肥推广比重在2012年仅为66.19%，因此在全部油菜种植都采取测土配方施肥技术的情景下，荆州市减排潜力量巨大.

武汉市习惯施肥量大，化肥利用率不高，且油菜产量在两种施肥方式下均不高，实施测土配方施肥技术实现温室气体减排，主要依靠化肥施用量的减少来实现.通过实施测土配方施肥，武汉市氮肥利用率从原来的12.42%提高到21.67%，但籽粒产量仅增加165kg/hm2.对于这类区域，在推广测土配方施肥技术的同时，需配合改变种植油菜的品种、耕作方式等措施［37］来解决该区域油菜种植氮肥利用率低、产量不高的问题.

襄阳市和天门市是在油菜种植过程中存在氮肥使用不足的区域.通过测土配方施肥技术，两地氮肥施用量较习惯施肥量均有所增加，同时油菜产量显著提高.计算结果显示，随着氮肥利用效率的增加，习惯施肥相对于测土配方施肥仍然出现了土壤环境中的氮盈余，进而产生了温室气体减排.对这类区域，应以合理提高施肥量、提高作物产量为导向，通过氮肥利用效率的提升实现温室气体的减排.

2.4 讨论

测土配方施肥技术对温室气体的减排作用，主要通过提高油菜对氮肥的利用效率而实现，一方面土壤肥力、作物条件、栽培区域生态环境以及各种营养元素的供应水平对氮素的有效利用至关重要［38-39］，另一方面氮肥利用率与氮肥施用量、作物产量密切相关［40］.与习惯施肥方式相比，测土配方施肥技术通过测定土壤质地、气候及农户种植习惯，确定区域作物适宜化肥投入量、投入时间及投入方式，在保障作物产量的前提下合理减少投入［41］.湖北省15个地市测土配方推荐施氮量低于习惯施肥的投入量，其中荆州市习惯施肥量是测土配方施肥推荐量的1.48倍.与此同时，测土配方施肥通过有针对性地配比施肥量，能提高作物产量，改善作物经济性状［38］.湖北省所有地市推广测土配方施肥技术，都在不同程度上增加油菜产量，其中天门市增产效果最为显著，测土配方施肥增产幅度达34%，这是减少温室气体排放的又一重要因素.另外，农户长久以来的农业种植习惯，对所耕作的土壤进行一定取向性的改变，土壤环境中营养元素的配比与作物生长所需相差较大时，将影响作物对营养元素的吸收，特别是氮.故习惯施肥不合理程度越大，与测土配方施肥相比较，氮肥盈余及减排潜力将越多.

受耕作区域传统施肥方式、施氮量、施肥时期等因素的影响，以及测土配方施肥技术在各个区市的推广进度不同，各市温室气体减排效果差异显著.农户种植习惯、氮肥施用的合理性与温室气体减排效果呈负相关.产量是影响氮肥利用效率的关键因素，但与温室气体减排效果无显著相关关系.

由于统计量、农户种植管理行为及区域差异等原因，本研究存在一定的不确定性，相关研究结果显示，前茬作物的种类、种植管理及有机肥料的使用，都将影响油菜的种植及温室气体的排放，本研究未就这些方面进行深入探讨.同时本研究未计算测土配方施肥所减少的氮肥，在生产过程所排放的温室气体，以及增产所带来的碳汇的增加.

测土配方施肥作为作物增产、生态环境改善的技术手段，具有显著的温室气体减排效果，然而当前推广实施面临一定困境.首先是土壤养分具有较高的空间异质性和时间变动性，影响因素众多，现有测试分析体系难以实时准确的表征其状态，因此对其应用效果产生影响.其次测土配方施肥技术可能带来农户种植成本的增加，测土配方施肥技术每亩肥料成本普遍要高于采用习惯施肥的农户的每亩肥料投入［42］，进而影响农户对该技术的采用实施.同时，农户对于测土配方施肥实施技术的掌握，存在一定的不足，不能够完全掌握该技术的方法，影响测土配方施肥技术带来的环境、经济效果.应对这种困境，结合湖北省油菜种植现状，应加大测土配方施肥项目推广力度，广泛开展田间试验，加强农户科学施肥技术培训、指导，构建并完善配方肥市场.

3 结论

3.1 测土配方施肥技术通过合理优化施肥营养物质配比，相较于习惯施肥，提高作物氮肥利用效率，增加油菜产量及油菜籽品质，减少油菜种植过程中由于不合理施肥引起的温室气体过量排放.湖北省油菜种植如全面推广测土配方施肥技术，理论N2O减排潜力将达到646.32ktCO2-eq；以2012年统计数据为基础，进一步推广该措施，可以减少173.91ktCO2-eq的排放.氮肥利用率、习惯施肥量及现有测土配方施肥推广情况，是影响减排潜力总量的主要因素.

3.2 在减排潜力定量估算方法上，本研究也存在一些不足之处，如对排放因子的确定，本研究采用IPCC推荐值，并未结合实际进行修正，估算结果与实际存在一定误差.但总体来说，测土配方施肥技术的推广，能够促进农业增产增收，同时也是一项有效的农业温室气体减排措施.

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Estimation of N2O mitigation potential from rape planting through soil testing and formulated fertilization in Hubei Province.

LI Xia-fei1， YANG Lu1， YU Shu-xia1*， LIU Wei1， WANG De-xin2， HU Rong-gui1 （1.College of Resources and Environment， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China；2.College of Economics and Management，Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3817～3823

Based on the relationship between nitrogen fertilizer and the production of rapeseed and the changes of nitrogen use efficiency， this study estimates N2O mitigation potential from rape planting through soil testing and formulated fertilization in Hubei Province. The application of soil testing and formulated fertilization will bring theoretically 646.32kt CO2-eq emission reductions in Hubei Province. Based on the current status of soil testing and formulated fertilization in rape planting， the extensive applications of this measure will produce 173.91kt CO2-eq reduction， accounting for 13.98% of total N2O emission caused by nitrogen fertilizer from rape planting. The measure improves the nitrogen use efficiency by balancing the nutrient supply， thereby reduces the corresponding N2O emission. Therefore， soil testing and formulated fertilization is an effective means to mitigate agricultural N2O emissions， and reduce surplus capacity of nitrogen in environment.

rape；soil testing and formulated fertilization；nitrous oxide；mitigation potential

X16

A

1000-6923（2015）12-3817-07

李夏菲（1990-），女，福建福安人，硕士研究生，主要从事环境规划与管理方向研究.

2015-05-22

中央高校基本科研业务费专项资金资助（2662016PY065）；中国清洁发展机制基金赠款项目“湖北省低碳农业模式研究”（2012020）

* 责任作者， 副教授， shuxia_yu@mail.hzau.edu.cn