不同施肥措施对黑土区玉米氮效率及碳排放的影响

张 杰，金 梁，李 艳，赵士诚，徐新朋，魏 丹，张丽娟，仇少君*，何 萍，周 卫

（1 河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071000；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；3 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；4 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086）

促进碳减排已成为延缓气候变暖、降低温室气体排放的全球共识，为此，我国提出2030年实现“碳达峰”和2060年实现“碳中和”的“双碳”目标。农田养分管理措施是影响温室气体排放的主要途径之一[1–3]，不合理的养分投入会导致温室气体排放增加，从而加剧农田温室效应[4–5]。提高农田养分利用效率和促进土壤碳贮存是降低农田土壤碳排放的重要举措。研究表明，与不施肥处理比，单施化肥或者有机肥均能够显著增加农田温室气体排放[6–7]，而二者混施或者有机肥部分替代化肥可以缓解土壤N2O排放[8]。东北地区作为我国重要的玉米产区之一，种植面积达到了1.57×107hm2，约占全国玉米总种植面积的37.3%，集约化玉米种植模式使东北黑土肥力下降，成为重要的碳源[9]，为应对这种不利情况我国科研工作者提出了一系列养分管理措施[10–12]。而不同施肥措施下玉米生产系统氮肥利用及温室气体排放的碳足迹特征尚不清楚。

合理降低化肥投入量被视为提高农田养分利用效率的有效举措，而化肥配施有机肥可有效增加土壤养分和有机碳固持，降低氮素损失，且有机肥矿化可增加作物养分供应，从而提高养分利用效率。刘占军等[13]通过对吉林地区春玉米研究发现，在化肥氮投入量降低20%的前提下，氮肥利用效率提高了21.2%，而进一步采用有机肥替代30%化肥氮，可使氮肥利用效率提高57.6%。即使如此，从生产肥料到农作物产出各个环节都能产生碳排放，但系统评价作物整个生产过程各个链条上所产生的碳排放，不仅需要考虑土壤温室气体的直接排放，也要考虑农业生产中的工业制品投入(化肥、农药等)，能源消耗(电力、燃油等)造成的间接温室气体排放[14]。Cheng等[15]研究表明农作物生产除施肥外其他因素贡献了约40%的温室气体排放；Zhang 等[3]研究也表明，果园内化肥、农药投入及电力、燃油消耗等对温室效应贡献率达到了60%以上。为全面衡量农作物整个生产周期内直接或间接产生的CO2气体的总量[16]，碳足迹(carbon foot, CF)被广泛采纳为衡量温室气体排放的重要工具。采用生命周期评价(life cycle assessment, LCA)方法能够明确作物生长过程中不同排放源对总碳排放量的贡献，对于采取针对性措施减缓温室气体排放具有重要的意义。刘宇峰等[17]的研究也表明，在我国农作物生产中不同来源碳排放的比例以化肥最高，灌溉电消耗次之，且不同地区间存在较大差异，同时针对性的提出了低碳农业发展的建议。此外史磊刚等[18]研究也表明化肥投入与灌溉电力消耗带来的碳排放比例最高，达到了86.0%，并提出降低农业肥料投入有助于我国低碳农业发展。由此可见，农田碳减排可通过多种途径来实现。当前，我国黑土肥力下降，集约化农业生产模式进一步增加碳排放，针对这一问题，系统分析不同排放源对玉米生产系统碳排放的贡献水平有利于针对性的开展低碳农业养分管理措施。因此，本研究通过2年田间定位试验研究不同养分管理措施下玉米产量及氮素利用效率，并详细记录玉米从种植到收获过程中各农资投入总量，结合LCA方法全面分析玉米生产过程中产生的碳排放，解释东北地区玉米生产过程中碳排放结构，为准确而全面的评估玉米生产的温室效应，制定有效的减排措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验区位于哈尔滨市民主乡黑龙江省农科院现代农业科技示范园区 (E126°48′55″～126°51′26″，N45°49′44″～45°51′01″)，地处松花江南岸的冲积平原。该区海拔130～150 m，年平均气温为3.6℃，年平均降水量为486.4～543.6 mm，全年无霜期为135天，属典型寒温带大陆季风气候。土壤类型属典型黑土，黑土层厚度约为25～40 cm。试验期间，哈尔滨市气象数据如图1所示，2015、2016年平均温度分别为5.6、5.0℃，年总降水量分别为420.1和610.8 mm。试验开始前测定0—20 cm土层基本理化性质：有机质 33.4 g/kg、pH 6.9、容重 1.18 g/cm3、有机碳储量 44.6 t/hm2、全氮 1.8 g/kg、硝态氮 43.1 mg/kg、铵态氮 1.58 mg/kg、速效磷 40.2 mg/kg、速效钾 253 mg/kg。

图1 2015—2016年哈尔滨月均温度与月总降水量Fig. 1 Monthly mean temperature and monthly total precipitation in Harbin from 2015 to 2016

1.2 试验设计

试验采用随机区组排列，共设置5个不同施肥处理，每个处理重复3次。试验处理包括：1)不施氮肥对照(CK)；2)推荐施肥处理(RF)；3)推荐施肥+有机氮替代20%化肥氮(MRF)；4)推荐施肥+秸秆还田(SRF)；5)农民传统习惯处理(TF)。CK处理磷、钾肥投入量分别为60、75 kg/hm2，且全部基施；推荐施肥处理(即RF、SRF与MRF处理)化肥施用方式N、P2O5及K2O养分投入量分别为 165、60、75 kg/hm2，氮肥按照基肥∶拔节肥∶大喇叭口肥=1∶1∶1施用，推荐施肥用量参照文献[19]构建的养分专家系统推荐用量。当地农户传统养分管理方式(TF处理)的N、P2O5及K2O养分投入量分别为210、75、60 kg/hm2。与TF处理相比，3个推荐施肥处理的N与P2O5投入量分别降低了21.4%、20.0%，而K2O投入量增加了25.0%。试验所用化肥种类分别为尿素、过磷酸钙、氯化钾；秸秆还田处理为在秋季收获后将粉碎的秸秆均匀撒施于地表，随后旋耕入土，还田量为6000 kg/hm2，秸秆N、P2O5、K2O及有机碳平均含量分别为0.24%、0.38%、1.46%、43.0%；有机肥种类为商品有机肥，N、P2O5、K2O及有机碳平均含量分别为1.86%、3.11%、0.85%、35.0%，施用量约1774 kg/hm2，于播种前一次性均匀撒施于地表，随后旋耕入土。玉米品种为龙高L2，于每年五月初播种，十月初收获，行距0.65 m，株距 0.3 m，垄作，小区面积为 58.5 m2。生育期内除养分管理不同外，其他农事操作均按照农民传统习惯进行管理。

1.3 生命周期评价法介绍

生命周期评价法是指在某一产品系统的生命周期内，输入、输出及潜在环境影响的汇编和评价，从产品的整个生长周期尺度全面、综合地评析其对环境的影响，更精准地定位粮食生命周期内各生产环节对碳排放的贡献，该方法有利于提出并制定更有效的减排措施[20]。本研究中量化玉米生产系统碳足迹主要包括确定调查边界、收集相关数据及计算3个部分。

1.3.1 调查边界 调查边界主要涉及玉米生产过程中农资投入和产出过程的碳足迹(图2)，主要包括两部分：1)生产资料的生产与运输；2)土壤温室气体排放。

图2 玉米生产系统碳足迹与氮排放计算边界Fig. 2 Calculation boundary of carbon footprint and nitrogen emission in maize production system

农业生产资料的生产与运输导致的碳排放主要包括：1)化肥、农药、燃油等农用物资生产和运输过程中能源消耗所产生的碳排放；2)耕地、播种、收获等过程因农机耗能所产生的碳排放。研究表明种子在生产过程中所产生的碳足迹低于农作物生命周期整体的0.1%[21]，故本研究不将其纳入计算范围。

土壤温室气体排放主要包括CO2、N2O及CH4，研究表明北方旱田为一个弱的CH4汇，对农田温室效应贡献较低[22]，故本研究中不考虑农田CH4排放。土壤CO2排放总量则依据土壤有机碳累积的改变量确定。在本研究中，各处理对土壤有机碳含量变化影响不予考虑，主要原因有：1)碳投入是增加土壤有机质或延缓土壤有机质下降的主要措施[23–29]，且土壤有机碳增加主要取决于土壤中有机碳输入与输出间的平衡关系[30–32]。根据Zhang等[33]报道，该区域农田有机碳年均投入量达3.3 t/hm2时，土壤有机碳才能维持平衡，本研究中各处理碳投入量均低于该值，故可断定各处理下土壤有机碳含量输出量高于输入量；2)根据Conant 等[34]研究报道，短期内无机肥处理下土壤有机碳含量几乎不会发生改变，故本研究认为CK、RF与TF处理下土壤有机碳含量在2年试验期间的降低量可以忽略不计；而MRF与SRF处理增加了外源碳输入量，其土壤有机碳含量的降低幅度低于单施化肥处理，故本研究亦不考虑该处理下土壤有机碳的改变。

1.3.2 数据收集 通过实际田间追踪，记录了田间各项农事操作活动及土壤温室气体排放(即N2O)数据。主要参数有：1)各处理化肥投入(见1.2内容)；2)玉米生长周期内油耗，包括耕地、播种、收获等过程农机柴油用量约113 L/hm2，清理秸秆、秸秆粉碎及施用有机肥等过程柴油用量约15 L/hm2；3)农药用量为13.7 kg/hm2；4)土壤N2O排放分为直接排放与间接排放，N2O直接排放具体计算过程及文献引用见1.3.3，间接排放主要是由NH3挥发与NO3–淋溶损失所导致，主要采用系数转化法估算N2O排放量、NH3挥发量及NO3–淋溶损失量，具体计算过程及文献引用见1.3.3计算公式详述。此外，东北春玉米为雨养农业，灌溉耗电量可忽略；施肥和打药过程采用人工进行，不纳入碳排放。各个过程碳排放转化系数如表1所示。

表1 各生产环节碳排放系数 (CO2-eq kg/kg)Table 1 Carbon emission coefficient from each production process

1.3.3 计算公式 氮肥农学效率 (kg/kg) = (施氮区产量–不施氮区产量)/施氮量

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区产量/施氮量

玉米生长周期内碳足迹的计算公式为：

式中，CF(carbon footprint)为玉米生产系统的碳足迹 (CO2-eq kg/kg, grain)；yield为玉米产量 (kg/hm2)；CEtotal(total carbon emission)为玉米生育周期内各环节产生碳排放的总和(CO2-eq kg/hm2)。CEtotal的计算公式为：

式中，AI为农业生产资料投入量，包括化肥、柴油、农药等；δ是相关生产资料的碳排放系数，具体系数如表1所示；Total N2O为农作物生长过程中农田N2O排放总量(kg/hm2)， 4 4/28为N2O与N的分子质量比，298为N2O气体的温室效应(CO2-eq kg/kg,N2O)。Total N2O计算公式为：

式中，EN2O、ENH3及分别代表N2O直接排放量(kg/hm2)、NH3挥发量(kg/hm2)及NO3-淋溶损失量(kg/hm2)；ENH3与的系数分别表示每产生l kg 的氨挥发(NH3)或者硝态氮淋失(NO3–)分别间接导致0.01 kg 和 0.025 kg 的 N2O 排放[39]。单施化肥处理(RF、TF处理)采用Cui等[40]提出的中国北方玉米生产过程中氮损失估算EN2O、ENH3及。有机肥替代处理依据Zhang 等[41]得出的中国旱田有机肥替代化肥氮条件下的氮损失估算EN2O与ENH3。秸秆还田处理氮损失则在Cui等[40]提出的模型基础上，结合已有秸秆还田对东北黑土玉米氮素损失的影响系数确定不同途径氮素损失量，已有研究表明化肥配合秸秆还田较单施化肥提高N2O排放量12.77%，降低NH3挥发量7.3%[42–44]。有机肥替代与秸秆还田处理下各处理NO3–淋溶损失量参数一致，因为Qiu等[45]研究认为有机肥或秸秆还田处理较单施化肥处理对NO3–淋溶无显著影响。因此，不同处理EN2O、ENH3及的计算公式如表2所示，并根据这些公式计算了不同施肥处理的碳排放量(表3)。

表2 各途径氮损失计算公式Table 2 Calculation formula of nitrogen loss in each pathway

表3 不同施肥处理碳排放量(CO2-eq kg/hm2)Table 3 Carbon emissions under different fertilization treatments

1.4 数据处理及统计分析

数据均利用Excel 2011与SPSS 16.0软件处理，采用SPSS 16.0软件进行方差分析和LSD0.05显著性检验，采用 Sigmaplot 12.5 及 Excel 2011 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 玉米产量

施用氮肥显著提高了玉米产量(图3)，与CK处理相比，RF、MRF、SRF及TF处理在2015年分别显著(P< 0.05)提高了82.1%、85.3%、78.3%、73.4%，且各施肥处理间无显著差异；在2016年，RF、MRF、SRF及TF处理分别显著(P<0.05)提高了67.5%、80.8%、92.0%、71.2%，其中SRF处理较RF与TF处理分别显著(P<0.05)提高了14.7%、12.2%。综合两年结果来看，RF、MRF、SRF及TF处理较CK处理分别显著(P<0.05)提高了74.6%、83.0%、85.4%、72.3%，而RF、MRF与SRF处理产量分别较TF处理提高了1.3%、6.2%和7.6%。

图3 不同施肥处理对玉米产量的影响Fig. 3 Effects of fertilization treatments on maize grain yield

2.2 氮肥农学效率与偏生产力

合理降低氮肥投入量可有效提高氮肥农学效率(图4)，2015—2016年RF、MRF及SRF处理氮肥农学效率较TF处理分别显著(P<0.05)提高了31.3%、82.6%、50.3%，其中MRF处理的氮肥农学效率(38.5 kg/kg)显著(P<0.05)高于RF与SRF处理，而SRF处理在2016年显著高于RF处理(P<0.05)。与氮肥农学效率提高效果相同，2015—2016年RF、MRF及SRF处理氮肥偏生产力较TF处理分别显著提高了29.0%、69.0%、37.0% (P<0.05)，其中MRF处理较RF与SRF处理分别显著提高了31.0%、23.4% (P<0.05)，而SRF处理在2016年显著高于RF处理(P<0.05)。

图4 不同施肥处理对氮肥农学效率及氮肥偏生产力的影响Fig. 4 Effects of fertilization treatments on agronomy efficiency of fertilizer N (AEN) and partial factor productivity of fertilizer N (PFPN)

2.3 碳排放

农田养分管理方式显著影响东北地区玉米生产生命周期碳排放量(图5)。在2015年，RF、MRF、SRF及TF处理的碳排放量较CK处理分别显著提高了39.7%、13.6%、44.3%、68.6% (P<0.05)，其中TF处理显著高于RF、MRF及SRF处理，而SRF处理显著高于MRF处理(P<0.05)；而在2016年，RF、MRF、SRF及TF处理分别显著提高了21.3%、15.2%、37.8%、49.7% (P<0.05)，其中TF处理最高，其次为RF与SRF处理，而MRF处理显著低于RF处理(P<0.05)。整体来看，在2015—2016年期间，RF、MRF、SRF及TF处理的碳排放量较CK处理分别显著 (P<0.05) 提高了 37.6%、24.0%、38.5%、63.6%；而在施氮肥处理中，RF、MRF与SRF处理较TF处理分别显著降低了 16.0%、 24.7%、 16.4%，其中，推荐施肥下的MRF处理较RF与SRF处理显著降低了9.9%、10.4% (P<0.05)。

图5 不同施肥处理对玉米种植体系碳足迹的影响Fig. 5 Effects of fertilization treatments on carbon footprint in maize production system

2.4 各因素贡献率

施用氮肥影响了玉米整个生育期内各因子碳排放的贡献水平(图6)。在氮肥施用情况下，主要的贡献因子为氮肥施用及总N2O排放，占比总和达70%以上，其中氮肥平均贡献率约占43.6%；其次为农药和柴油投入，占比分别为10.2%、13.6%；而磷肥、钾肥投入占比总和不足3%。MRF下氮肥施用贡献率较RF与SRF处理分别下降了14.9%、10.0%，表明有机肥部分替代化肥可有效降低农田氮肥对碳足迹的贡献。由上述可知，适当减少氮肥投入量是有效降低农田碳足迹的有效途径。

3 讨论

3.1 氮肥利用效率

氮素可促进玉米植株生长及光合作用器官的形成，是产量构成的必需营养元素，在一定范围内增施氮肥有助于植株干物质的累积，对玉米产量的贡献可达30%～50%[46]，而当施氮量超出植物生长所需时，玉米产量将不再持续增加[47]。因此确保氮肥的供需平衡对有效提高作物产量、增加氮肥的利用效率、降低氮素损失尤为重要。本研究中，相比于TF处理，RF、MRF与SRF处理在明显降低氮肥投入量的前提下对产量无显著影响，表明合理降低肥料投入能够实现东北地区玉米产量稳定。这一方面可能因为TF处理下土壤氮素和肥料氮总供应超出了玉米生长所需；另一方面也可能与RF、MRF与SRF处理下多次追肥提高了氮肥的利用效率有关，研究表明分次施氮是确保玉米不同生长时期持续养分供应的重要措施，可有效提高氮素利用效率，提高籽粒产量[48–50]。此外，相比于RF与TF处理，SRF处理在2016年显著提高了玉米产量，这可能与不同年限间土壤水分含量差异有关，充足的土壤水分供应是保证玉米出苗率的重要条件之一[51]，2016年苗期(5—6月)降水量高于2015年(图1)，同时秸秆还田可以改善土壤结构、提高土壤蓄水保水能力[52]，从而保证了SRF处理下土壤有较高的水分供应。

相比于RF处理，在2016年SRF处理下玉米产量显著提高了14.7%，同时MRF处理虽然降低了20%的化肥氮投入量，但与RF处理产量无显著差异，表明增施有机肥或者秸秆还田处理有助于作物产量形成。这可能归因于以下几点：1)有机物料中含有丰富的植物生长所需的大量及中微量元素，有机无机配施促进了有机物料的分解[53–54]，从而提高了土壤的养分供应能力；2)有机物料矿化速率缓慢，能够在作物生长的各个时期提供养分[55–57]；3)有机物料投入有助于改善土壤理化性质，降低土壤容重，提高土壤保水保肥能力[58–59]。此外，本研究结果表明有机无机配施显著提高了氮肥的农学利用效率与化肥氮的偏生产力，与以往的研究结果[60–64]相同，而MRF处理两指标显著高于SRF处理可能主要是由于MRF处理降低了20%的氮肥投入量所致。

3.2 碳足迹

本研究中不同施肥处理条件下玉米农田单位产量下碳足迹为 CO2-eq 0.15～0.28 kg/kg，与前人研究结果[65–67]相似。但同时也低于其他的研究结果，如俞祥群等[14]研究发现浙江省春玉米农田生产碳足迹约为 CO2-eq 0.47～0.66 kg/kg，刘松等[68]对渭河平原春玉米碳足迹的研究结果为CO2-eq 0.62 kg/kg，这一方面可能由于调查边界的定义、农资投入排放系数的选取以及碳足迹的计算方法不同所导致的；另一方面也可能与试验区域有关，如周志花[65]研究表明不同地区的作物碳足迹的差异性很大，这主要是地域性气候、土壤类型及农民种植习惯有较大差异所造成的。其中气候与土壤类型不同易导致区域间氮损失量不同，例如河北和北京等地区N2O排放因子为N2O 0.018 kg/kg N，而浙江、安徽等地则可达 N2O 0.034 kg/kg N；而农民种植习惯则会影响到农田养分、农药施用量，进而改变了因生产资料投入所引发的温室气体排放[65]。

相比于CK处理，施用氮肥或添加有机物料均显著提高了东北地区玉米生长季内的碳足迹(图5)。综合研究结果可以发现，导致处理间差异的主要原因是氮肥投入及N2O排放两因素，两因素的贡献占比达70%以上，同时研究表明N2O排放随农田施氮量的增加而增加[69–70]。由此可知，合理降低农田氮素投入量是实现降低东北地区玉米生产过程中碳足迹的有效途径，这与其他研究结果[14,67,71–72]相似。此外，相比于TF处理，RF、MRF与SRF处理通过降低氮肥投入量致使碳足迹显著下降，由此可进一步确定上述观点。MRF处理较RF处理在降低氮肥投入量的同时保证了产量稳定从而使农田碳足迹得到了明显降低，表明有机肥配合化肥减施可进一步提高农田碳减排的效果，这主要与施用有机肥提高了化肥氮的利用效率有关。本研究中化肥氮农学效率最高为MRF处理，为38.5 kg/kg，远低于发达国家的平均水平[73]，如果采取其他措施提高农田化学氮素利用率，则可进一步降低农田氮肥投入，从而有利于减少农作物种植过程中化学氮肥施用引发的碳排放。

研究结果显示，氮肥投入对碳足迹的贡献率达43.6% (图6)，这一方面是由于氮肥投入量，另一方面则是因为在氮肥生产和运输过程中消耗了大量的化石燃料。本研究依据我国的基本国情确定氮肥在生产和运输过程中碳排放系数为CO2-eq 6.38 kg/kg N[35]，而发达国家化肥生产CO2排放因子仅为CO2-eq 4.8 kg/kg N，因此提高化肥生产效率及技术水平亦是有效降低我国农田碳足迹的重要途径。

3.3 不确定性分析

本研究采用生命周期法综合评价了我国东北地区不同养分管理水平下玉米农田碳足迹，但仍存在一定的不确定性：第一，虽然本研究中物资生产温室气体排放清单计算参数均有据可依，但文献调研获得数据本身会存在一定的变异，增加本研究温室气体排放的不确定性；第二，农田氮素损失容易受到气候条件、土壤类型及农田管理措施影响，虽然本研究采用了Cui等[40]，Zhang等[41]依据前人研究所提出的氮损失经验模式进行估算，但这与实际结果仍会存在一定偏差；第三，本研究虽然在一定程度上考虑了有机物料投入对氮素损失的影响，但目前关于有机物料投入对N2O排放、NH3挥发及NO3−淋溶影响在不同气候不同土壤中并不一致[74–76]，这也会增加研究结果的不确定性。尽管如此，本研究初步定量了东北黑土春玉米生产过程中碳排放的主要因子及其贡献，为进一步降低黑土春玉米农业生产过程关键环节和相应的农田养分管理措施的碳排放指明了方向。

4 结论

氮肥施用量和氮素损失是玉米生产过程中碳排放的最大贡献因子，二者的贡献率超过玉米生命周期全部碳排放量的70%，磷钾肥的贡献不足3%。合理降低氮肥投入量、提高钾肥投入量可维持玉米稳产，有机肥替代20%的氮肥投入不仅可进一步降低农田碳排放，还能显著提高玉米产量，提高肥料的利用效率。因此，减施化学氮肥配合有机肥是黑土区玉米高产高效、环境友好的养分管理措施。