提高东北春玉米产量和资源利用效率降低碳足迹的优化综合管理措施*

刘志铭,司 雨,姚凡云,郑培峰,2,兰天娇,2,吕艳杰,2**,王永军,2

(1.吉林省农业科学院农业资源与环境研究所 长春 130033;2.吉林农业大学农学院 长春 130118)

东北春播玉米()区是我国最大的玉米产区,常年种植面积约1524 万hm,总产量为1.05亿t 左右,分别占全国玉米总播种面积的36.9%和总产量的40.1%。然而,由于传统粗放栽培管理和不科学施肥等导致了诸多问题,造成玉米产量损失高达28.8%～57.7%。而优化集成多项栽培措施,发挥其技术叠加效应已成为当前玉米生产的迫切需求。前人研究指出种植密度、养分管理、品种、防病(兼顾化控)及耕作方式是影响我国北方春玉米产量的5 项关键栽培措施,而种植密度对东北春玉米产量贡献最大,合理密植是提高玉米产量及资源效率的重要途径。但随种植密度增加,冠层透光性降低,光能利用率降低,植株高度增加,茎秆质量变差,使得玉米发生倒伏的风险增加。而采用宽窄行种植可改善冠层光分布,提高光能利用效率,降低倒伏风险;同时,采取化控措施也可防止倒伏发生,降低株高和穗位高,改善“棒三叶”受光姿态,提高光能利用效率和产量。理论上,通过密植增产,玉米对氮素养分的需求会相应增加,但密度增幅较小(7500株·hm)或实施氮肥增效(有机无机肥配施或添加增效剂)技术,可实现当前玉米增产、减肥增效和碳减排的多目标协同。此外,当单项栽培措施实现玉米多目标协同越来越困难时,通过多项栽培措施优化集成的栽培模式,对作物生产系统实施综合管理,已成为密度大幅度增加下增产增效碳减排的重要途径之一。

随农业生产集约化进程加快,不同作物生产系统在实现持续高产的同时给环境造成负面影响,例如玉米栽培过程中,由于不合理密植、大量施用化肥及频繁土壤耕作扰动等导致二氧化碳(CO)和氧化亚氮(NO)等温室气体排放加快了气候变暖。前人研究指出,氮肥施用是引起温室气体排放增加的主要因素之一,氮肥大量施用不仅导致氮素利用率降低,而且增大面源污染发生的风险。土壤环境条件改变也会导致温室气体排放发生变化,例如免耕比常规耕作在作物周期中排放的NO 显著减少;塑料薄膜覆盖下玉米产量比不覆盖提高45%～95%,同时季节性NO 排放量也增加5%～10%,因为覆膜增温使得微生物驱动的有机碳氮矿化速度加快,导致甲烷(CH)、CO和NO 等温室气体排放增加。此外,不同区域和不同种植体系下,玉米产量和碳足迹也差异较大。俞祥群等研究表明,在浙江省春玉米-晚稻()生产系统中,春玉米产量为5599～5859 kg·hm,碳足迹为0.47～0.66 kg(CO-eq)·kg;而李春喜等在河南省不同生态区小麦()-玉米体系中玉米产量为8539～12 397 kg·hm,碳足迹为0.16～0.29 kg(CO-eq)·kg;而玉米-大豆()间作系统NO 通量比单作显著降低。

农业可持续发展的基本要求需兼顾生产与生态的双重功能,同时还需节本增效。传统农业技术对气候变化的消极影响促使研究人员详细研究其碳足迹、能源消耗和经济效益,在当前全球气候变化背景下,探索可持续、降低碳排放的玉米种植技术体系已成为当务之急。碳足迹是由活动或产品直接或间接排放的CO总量,以CO当量衡量。碳排放包括直接排放和间接排放,直接排放是指农田温室气体的排放,间接排放是指由柴油、种子、化肥、农药等生产资料所引起的碳排放。已有研究表明,不同土壤耕作方式下,玉米单位产量碳足迹与农业投入品及其利用强度有关,肥料、耕作燃油和种子是构成玉米生命周期碳支出的重要因素。在玉米碳足迹研究中,氮肥贡献率达27.5%～56.7%,而通过添加氮肥增效剂或施用缓控释氮肥、有机无机肥配合施用均可大幅度减少温室气体排放。

目前,关于密植、化控以及宽窄行等单项栽培措施或两种栽培措施互作,对玉米生长及产量的影响已有较多报道,显然多项栽培措施集成综合栽培模式更有利于获得高产,但对经济效益和生态环境的影响尚存在诸多不确定性,综合管理模式是否以较高的碳排放为代价也不明确。本研究选择东北春玉米区的半湿润区,集成了宽窄行种植、90 000 株·hm高密度、15 叶期喷施化控剂及减氮增效等关键技术的综合管理模式(IM),半干旱区额外增加了膜下滴灌措施,通过科学评价IM 模式下东北春玉米产量、温光资源利用效率及碳足迹的特征,以期为该区域玉米高产、高效与低环境代价的生产模式建立与应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年和2020年在东北半湿润区(公主岭试验站)和半干旱区(乾安试验站)进行。公主岭试验站(43°51′N,124°81′E,海拔220 m)属温带大陆性季风气候,年均温5.6 ℃,年光合有效辐射5391.8 MJ·m,无霜期平均144 d,年降水594.8 mm;供试土壤为典型黑土,耕层土壤有机质27.5 g·kg、无机氮19.3 mg·kg、速效磷69.3 mg·kg、速效钾183.6 mg·kg。乾安试验站(44°50′N,123°53′E,海拔146 m)属温带大陆性季风气候,年均温4.6 ℃,年光合有效辐射5591.2 MJ·m,无霜期平均145 d,年降水420.6 mm;供试土壤为淡黑钙土,耕层土壤有机质17.39 g·kg、无机氮16.9 mg·kg、速效磷26.17 mg·kg、速效钾123.28 mg·kg。

1.2 试验设计

半湿润区和半干旱区分别设置农户模式(FM)和综合管理模式(IM)两种栽培模式,每种模式田间重复3 次,供试玉米品种为‘富民985’。IM 采用宽窄行(宽行90 cm,窄行40 cm)和高密度(90 000 株·hm)种植,在15 叶期喷施化控剂(化控剂由乙烯利、芸苔素和萘乙酸钠等复配而成,其中乙烯利为主要成分,喷施剂量为1.5 L·hm),氮肥减施(半湿润区和半干旱区分别减少28.0%和9.1%),其中半干旱区增加了膜下滴灌处理(苗期、拔节期、吐丝期和灌浆期进行,灌溉量为1500 t·hm)。FM 采用均匀垄作和常规密度(60 000 株·hm)种植,不喷施化控剂,氮肥用量以当地常规用量为准(半湿润区250 kg·hm,半干旱区220 kg·hm);半湿润区两种栽培模式的磷肥(PO)和钾肥(KO)用量分别为100 kg·hm和100 kg·hm,半干旱区两种栽培模式的磷肥(PO)和钾肥(KO)用量分别为82 kg·hm和105 kg·hm。

1.3 测定指标与方法

在生理成熟期,每个小区选取中间4 行,10 m 行长进行测产,平行测定3 次;风干后考种,测定穗粒数和百粒重;成本收益分析通过评估种植成本、总收入、经济利润以及基于现行市场价格的收入与成本比率来进行,不同生态类型区2 种栽培模式各项农资的成本和玉米售卖价以当年市场价为准计算,其中2019年玉米价格为1.9 ¥·kg,2020年玉米价格为2.5 ¥·kg。

式中:为每克干物质燃烧时释放出的热量(J),玉米干重热值为1.807×10J·g;是测定期间干物质的增加量(kg)(即净生产量);∑是同期总光照辐射量(MJ·hm)。

采用静态箱法取样,每个处理放置3 个静态箱(长63 cm、宽16.5 cm、高30 cm 的不透明长方体箱),箱体由PVC 材料制成,箱体顶部用乳胶管连接三通阀通过注射器取气,箱内置温度计和小风扇,取样前将箱体扣在倒好水的底座的凹槽上,密封箱体,且保证箱内无作物和杂草,集气箱底座安装在2 株玉米间且两边各覆盖半个行距,可均匀代表整行玉米田间的地面状况。出苗后开始温室气体的采集,每10 d 一次,直至收获。取样时,先打开小风扇,使箱内气体混匀,然后打开集气箱的开关阀,将三通旋转到注射器和集气箱连接的方向,用注射器抽放5 次,保证样箱内气体混匀,然后再用注射器抽取25 mL 气体注入真空血清瓶中,并记录时间和温度。

采用配有精阳流体GAS-300A 型气体进样器的岛津GC2010-plus 气相色谱仪对气体样品进行分析,气相色谱仪分析柱为毛细柱,柱温50 ℃,载气为高纯氮气,用电子捕获检测器(ECD)测定NO,其工作温度350 ℃,采用氢火焰(FID)检测器测定CO和CH,其工作温度200 ℃。ECD 尾吹气为95%的氩气和5%的甲烷混合气,辅助气为高纯空气和高纯氢气。NO 的测定范围为0.03 μL·L以上,CH和CO检测范围为0.5 μL·L以上,进样重复性RSD≤2.0%。根据气体浓度随时间的变化速率计算气体排放通量:

式中:为温室气体的排放通量(mg·m·h),为箱内气体的密度(g·cm),为采样箱内的有效空间体积(L),为被采样箱覆盖下的土壤面积(m),/为采样箱内温室气体浓度随时间的变化率(μL·L·min),为测定期间取样箱内的平均温度(℃)。

碳足迹是指某个产品在其生长周期或生产过程中造成的CO排放总量,包括直接排放和间接排放,直接排放是指农田温室气体的排放,间接排放指的是由柴油以及农业生产资料如种子、化肥、农药等所引起的碳排放。本研究只进行一年的碳排放计算,土壤固存的碳忽略不记,只计算当年温室气体排放量,碳足迹计算的边界为从出苗开始到收获结束,计算公式参照文献[22,33]:

式中:CF为农作物的碳足迹[kg(CO-eq)·kg];CE是玉米在整个生命周期的总CO排放量[kg(CO-eq)·hm];表示玉米产量(kg·hm);CE是农业生产中产生的间接温室气体排放总量,包括化肥、农药以及种子等产生的温室气体排放量[kg(CO-eq)·kg];CE和CE是指玉米生长期的土壤CH和NO 直接产生的累积排放通量[kg(CO-eq)·hm];为化肥、柴油、农药和种子等在玉米生产过程中的投入量;δ表示各项目所对应的碳排放参数,如表1所示。

表1 春玉米生产过程中生产资料的碳排放参数[33]Table 1 Carbon emission parameters of agricultural materials in spring maize production[33]

采用Excel 2019 软件进行数据计算,对不同区域2019年和2020年综合管理模式下的玉米产量、温光资源利用效率及2020年的碳足迹等指标应用SPSS 25.0 软件进行单因素方差分析(ANOVA),采用新复极差法进行差异比较,运用SigmaPlot 14.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同生态区不同种植模式的春玉米产量及其构成

玉米产量及其构成因素在各生态区不同模式间差异显著(表2)。2019年和2020年,综合管理模式(IM)收获穗数较农户模式(FM)在半湿润区分别增加50.7%和46.4%,在半干旱区分别增加50.2%和63.8%;但IM 的穗粒数和千粒重较FM 显著降低,穗粒数在半湿润区和半干旱区两年平均分别降低9.9%和8.0%,半湿润区和半干旱区千粒重两年平均分别降低10.4%和11.5%;IM 的玉米产量较FM 两年在半湿润区分别增加14.9%和33.4%,在半干旱区分别提高25.6%和25.5%。

表2 不同生态区不同种植模式的春玉米产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of spring maize under different planting modes in different ecological areas

2.2 不同生态区不同种植模式春玉米种植经济效益

半湿润区2019年和2020年IM 总投入分别较FM 降低7.8%和7.3%(表3),其中化肥投入降低7.4%,机械作业投入降低16.8%;而IM 种子和农药投入分别较FM 增加12.6%和13.4%,使得半湿润区2019年和2020年IM 的总收入分别较FM 增加14.9%和33.4%,产投比分别提高25.0%和41.7%。在半湿润区IM 和FM 总投入构成因素中,机械作业最大,分别占40.2%和44.6%,其次是化肥,分别占35.5%和35.6%,种子和农药相对较少。

表3 不同生态区不同种植模式春玉米生产过程中要素投入与产出Table 3 Economic costs and revenue in spring maize under different planting modes in different ecological areas

与半湿润区不同,半干旱区2019年和2020年IM 总投入分别较FM 增加25.4%和23.4%。其中,IM 化肥投入降低2.9%,而IM 种子、农药和机械作业投入分别增加13.5%、21.6%和12.9%。此外,半干旱区IM 与FM 相比,多16.6%的农膜投入。在半湿润区总投入构成因素中,化肥最大(FM 42.3%,IM 32.1%),其次是机械作业(FM 33.0%,IM 29.1%)。

2.3 不同生态区不同种植模式春玉米积温生产效率和光能利用效率

积温生产效率和光能利用效率在各生态区不同处理间差异显著或极显著(图1)。2019年和2020年,半湿润区IM 积温生产效率分别较FM 增加11.3%和30.9%,光能利用效率分别增加11.8%和30.1%;半干旱区IM 与FM 相比,积温生产效率分别提高22.7%和18.6%,光能利用效率分别增加22.1%和21.8%。

图1 不同生态区不同种植模式春玉米积温生产效率和光能利用效率Fig.1 Accumulated temperature production efficiency and light energy utilization efficiency of spring maize under different planting modes in different ecological areas

2.4 不同生态区不同种植模式玉米种植碳排放量与碳足迹

半湿润区IM 碳排放总量较FM 降低18.7%,其中直接碳排放降低18.6%,间接碳排放降低18.8%;在构成间接排放的因素中,氮肥所占的比例在两种种植模式中均最大,在IM 和FM 的间接碳排放中分别占60.7%和68.4%(表4)。半干旱区IM 碳排放总量较FM 显著增加8.9%,其中直接碳排放增加29.3%,但间接碳排放降低0.6%;在构成间接排放的因素中,氮肥所占的比例在两种种植模式中均最大(FM 68.4%,IM 72.1%)。此外,半干旱区IM 与FM 相比,增加了灌溉用电所产生的间接碳排放,其排放量占间接碳排放总量的4.9%(表4)。

表4 不同生态区不同种植模式春玉米的碳排放量及其构成因素Table 4 Carbon emissions and components of spring maize under different planting modes in different ecological areas kg·hm-2

半湿润区IM 和FM 单位产量碳足迹分别为0.20 kg(CO-eq)·kg和0.33 kg(CO-eq)·kg,IM 较FM 显著降低39.4%(图2)。单位产量碳足迹在两个生态区均表现为IM 显著低于FM;半干旱区IM 和FM 单位产量碳足迹分别为0.22 kg(CO-eq)·kg和0.26 kg(CO-eq)·kg,IM 较FM 显著降低15.4%(图2)。

图2 不同生态区不同种植模式春玉米的单位产量碳足迹Fig.2 Carbon footprint per unit yield of of spring maize under different planting modes in different ecological areas

3 讨论与结论

采取多项栽培措施集成优化的栽培模式,是实现玉米密植群体资源高效和稳产增产的重要途径。前期研究结论已经明确,宽窄行种植可以提高光能利用效率,密植能够显著增加玉米产量,而在15叶期喷施化控剂与传统的喷施时期相比,有效加快籽粒灌浆速率。综上,本研究集成了宽窄行(宽行90 cm,窄行40 cm)、高密度种植(90 000 株·hm)、化控(玉米15 叶展期)和减氮(半湿润区和半干旱区分别减少28.0%和9.1%)的综合管理模式(IM),此外,半干旱区IM 根据气候特点和当地施肥习惯,在IM 的基础上增加了膜下滴灌措施,开展不同栽培模式玉米产量、温光资源效率及碳足迹等指标的比较分析,科学评价了玉米综合管理模式下的生产与生态功能。

半湿润区和半干旱区IM 玉米产量较农户模式(FM)提高23.4%～25.6%,产量增加的原因包括以下3 个方面:首先是种植密度增加50%,收获穗数增加48.6%～56.7%,弥补了粒重降低的损失;其次是喷施化控剂改善了作物抗逆能力;再次是宽窄行种植增加冠层光合有效辐射截获,显著提高地上生物量积累,还通过调节根系构型和生理功能提高抗倒伏能力,进而提高作物产量。本研究两年试验发现,半湿润区IM 积温生产效率和光能利用效率较FM均增加21%以上,半干旱区均增加20%以上;不计土地成本后,半湿润区综合管理模式的年净收益平均达26 073 ¥·hm,半干旱区IM 的年净收益平均达23 710 ¥·hm,净收益值较高。此外,本研究中半湿润区IM 的净投入低于FM,而半干旱地区IM 净投入高于FM(但其收益大幅度高于投入),表明IM 在两大生态类型区均能够实现低投入高产出和高投入更高产出,能够满足未来东北春玉米生产发展的需求。

作物生产在追求高产量高收益的同时,必须更加关注环境效益,如何能够在保障粮食安全的同时减少碳排放,是农业绿色生产面临的重大挑战。在玉米生育期内,半湿润区IM 碳排放总量、直接碳排放和间接碳排放均低于FM,主要是因为IM 氮肥用量低于FM,可见,减氮增效是降低环境风险的关键因素之一。另外,宽窄行种植也可能会降低碳排放,但其作用机理仍有待深入研究。而半干旱区IM碳排放总量和直接碳排放均高于FM,但间接碳排放较FM 降低0.5%。IM 碳排放总量和直接碳排放的增加主要是因为该地区综合管理模式应用了膜下滴灌技术,而地膜覆盖会通过改变根系呼吸与土壤微生物驱动温室气体的排放增加,导致半干旱区IM排放量略高于FM。同时,随种植密度增加,总根系呼吸量也随之增加,也会导致半干旱区IM 碳排放增加,但单位根系的温室气体排放则可能会降低。而IM 间接碳排放降低主要是因为氮肥用量的降低,所以今后玉米生产中减少氮肥用量仍是降低碳排放的重要途径之一。对比半湿润区和半干旱区的碳排放构成因素可以发现,半湿润区间接碳排放低于半干旱区,但其直接碳排放和碳排放总量均高于半干旱区,造成半干旱区间接碳排放过高是因为柴油和氮肥投入相对较高,这值得今后进一步优化,进而实现降低半干旱区的碳排放总量。

农业不仅是温室气体排放的源,也是温室气体的汇,土壤和植被都具有碳汇功能。农业碳足迹受农作措施、社会经济及土壤等因素的影响,同时各因素之间又存在彼此互作,因此不同种植模式或不同区域,决定了农业生产的碳足迹存在差异,即使是相同区域内不同种植模式或者相同种植模式在不同区域也会存在较大差异。Dachraoui 等计算玉米的碳足迹为0.3～0.5 kg(CO-eq)·kg;Feng 等计算冬小麦()-夏玉米种植体系中单位产量碳足迹为0.21～0.46 kg(CO-eq)·kg。本研究中IM春玉米的碳足迹为0.20～0.22 kg(CO-eq)·kg,与前人研究相比处于较低水平,也显著低于FM 的0.25～0.33 kg(CO-eq)·kg,这说明综合管理模式有降低环境代价的优势。各生态区的FM 单位产量碳足迹均高于IM 的碳足迹,虽然半干旱区IM 碳排放量高于FM,但其通过大幅度提高玉米产量,从而降低单位产量碳足迹。

综上,本研究采用宽窄行和高密度种植、在玉米15 叶展期喷施化控剂、氮肥减施的综合管理模式(半干旱区增加膜下滴灌)等关键技术构建的综合管理模式,在东北半湿润和半干旱区显著提高产量和经济效益的同时降低碳足迹,实现了高产高效与低环境代价多目标的协同,该综合管理模式可在东北春玉米生产中推荐应用。