松嫩平原不同秸秆还田方式下农田温室气体排放及碳足迹估算

郝小雨，王晓军，高洪生，毛明艳，孙磊，马星竹，周宝库，迟凤琴，李伟群,

1. 黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江 哈尔滨 150086；2. 衡水市园林中心，河北 衡水 053000；3. 新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所，新疆 北屯 836007

人类活动排放的温室气体（主要为 CO2、N2O和CH4）是导致全球升温的主因。IPCC（2021）第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》指出：2011年以来，大气中温室气体CO2、N2O和CH4含量持续上升。农业生产活动是温室气体排放的重要来源，占到人为生产活动总量的12%（Walling et al.，2020）。可见，减少农业生产活动产生的温室气体排放，进行低碳清洁生产至关重要。利用碳足迹方法可明确农业生产过程中各部分产生温室气体的情况，以便采取针对性的措施来改善生产行为（李春喜等，2020）。碳足迹（Carbon footprint）是指一定的时间和空间边界内，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排放量的度量，可用来评估农田系统或某项农业措施的优劣（Peters，2010；段华平等，2011），有利于制定更有针对性的减排措施。

黑龙江省总耕地面积为1.437×107hm2，2020年粮食产量达到7.541×107t，为中国第一产粮大省，与此同时农业副产物秸秆的产量也随之增加，合理利用秸秆资源成为当前亟需解决的问题。实践证明，将含有丰富矿质元素和有机质的农作物秸秆还田，对于固土保水、改善土壤结构、增加土壤固碳量、减少养分损失和保证作物产量等具有积极作用（Sun et al.，2012；殷文等，2015）。此外，长期秸秆还田能完全补偿由施用化肥所造成的直接温室气体排放，同时秸秆还田带入的养分还可减少20%—24%的间接温室气体排放（张鑫等，2020）。李萍等（2017）在山西省旱作农田的研究指出，秸秆覆盖免耕可减少褐土N2O排放量，降低单位产量碳足迹。杜杰等（2020）分析了不同耕作措施对黄土高原地区小麦和玉米碳足迹的影响，指出免耕秸秆不还田和免耕秸秆还田在增加了小麦、玉米的产量同时可降低温室气体排放量和碳足迹。成功等（2016）研究表明，塿土小麦秸秆旋耕还田后土壤N2O的季节排放总量降低了33.9%，但小麦生产过程中的碳足迹升高了26.0%。

由于气候类型、耕作方式、田间管理、土壤条件等的差异，不同生态区秸秆还田方式下的农田温室气体排放及碳足迹具有不同的特征，本研究以此为切入点，基于松嫩平原南部黑土秸秆还田定位试验，连续 3年监测大豆-玉米-玉米轮作体系下农田N2O和CH4排放变化，利用生命周期法（Life cycle assessment）估算农资投入和田间操作引起的直接或间接碳排放量，比较不同秸秆还田方式下的温室气体排放和碳足迹变化，以期为松嫩平原旱作农田生态系统低碳减排和保障农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间定位试验于 2011年建立，位于黑龙江省哈尔滨市道外区民主镇黑龙江国家级现代农业示范园区（126°51′24.37″E，45°50′38.53″N）。试验地处松花江和阿什河交汇的一级阶地，松花江南岸，海拔130—150 m。试验区域属中温带，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温3.5 ℃，年均降雨量533 mm，≥10 ℃年积温为2600—2800 ℃，无霜期约135 d。试验地为旱地黑土，成土母质为洪积黄土状粘土。种植制度为一年一作，按照大豆-玉米-玉米顺序轮作，无灌溉。试验开始前0—20 cm土壤基本性质为：有机质 32.2 g·kg−1，全氮 1.9 g·kg−1，全磷2.1 g·kg−1，全钾 27.6 g·kg−1，碱解氮 199.1 mg·kg−1，有效磷 41.1 mg·kg−1，速效钾 215.0 mg·kg−1，pH [在水（体积）与土（质量）之比=2.5꞉1中]为7.1。

1.2 试验设计

本试验设3个处理。（1）常规（CK）：秋季收获后，玉米地上部秸秆移走，第二年春季旋耕灭茬直接起垄，旋耕深度15 cm左右，为本地区农户常用的耕作方式。（2）秸秆深施还田（DSR）：秋季收获后，玉米秸秆全部粉碎（长度5—10 cm），均匀平铺于地表，灭茬，大马力拖拉机（1.434×105W）牵引五铧犁深翻25 cm以上，把秸秆翻埋至下层，耙地起垄。（3）秸秆覆盖免耕（SC）：秋季玉米机械收获，玉米秸秆全部粉碎（长度5—10 cm），均匀平铺于地表，灭茬，第二年春季应用免耕播种机直接播种。每个处理3次重复，随机排列。试验小区面积为234 m2（宽5.2 m×长45 m）。各处理化肥施用量一致。大豆季磷酸二铵（N质量分数为 18%，P2O546%）150 kg·hm−2，硫酸钾（K2O 50%）60 kg·hm−2，不追肥。玉米季基施尿素（N 46%）60 kg·hm−2，磷酸二铵150 kg·hm−2，硫酸钾 60 kg·hm−2；玉米拔节期追施尿素150 kg·hm−2。2013年5月23日、2014年5月4日、2015年5月3日人工施基肥播种，玉米季2014年6月29日、2015年7月2日追肥。玉米品种为龙高L2，大豆品种为黑河42。大豆和玉米播种量分别为 75 kg·hm−2和 22.5 kg·hm−2，大豆保苗 3.75×105—4.5×105plant·hm−2、玉米保苗 6.75×104—7.5×104plant·hm−2；9月28—30日收获。其他田间管理方式参见文献（王晓军等，2017）。

1.3 样品采集与测定

于 2013—2015年作物生育期取样。温室气体采集（N2O和CH4）采用静态箱-气相色谱法，取样箱为长方体不透明箱（长65 cm，宽30 cm，高30 cm），材质为PVC板。取样过程及测定方法参见文献（郝小雨等，2015）。采样时间在晴朗天气的09:00—11:00时段。施肥后每3天取气样1次，之后每10—15天取样1次。分别在0、10、20、30 min抽取混合气样35 mL于真空瓶中（英国Labco顶空进样瓶）。采样同时记录取样箱内外温度，并测定5 cm土层温度和土壤含水量。

温室气体排放通量的计算公式为：

式中：

F——温室气体排放通量，μg·m−2·h−1；

ρ——某温室气体标准状态下的密度，kg·m−3；

H——取样箱高度，m；

Δc/Δt——单位时间静态箱内的温室气体浓度变化率，mL·m−3·h−1；

θ——测定时箱体内的平均温度，℃。

秋季在小区划分3个10 m2样区，全部收获，考种折算产量。各小区取代表性植株10株，样品在105 ℃烘箱杀青30 min，65 ℃烘干称质量，计算草谷比。

1.4 碳足迹

基于生命周期评价法，建立系统边界：（1）农资投入（化肥、农药、种子、柴油等）；（2）田间管理（耕作、施肥、播种、收获、秸秆还田等）；（3）土壤非CO2温室气体排放（N2O和CH4）。农资或农作活动的碳排放系数为（CO2当量）：氮肥、磷肥和钾肥生产分别为 1.53、1.63、0.65 kg·kg−1（王钰乔等，2018）；大豆种子和玉米种子分别为 0.25 kg·kg−1和 1.05 kg·kg−1（West et al.，2002），除草剂生产和杀虫剂生产分别为 10.15 kg·kg−1和 16.61 kg·kg−1（王钰乔等，2018），柴油 0.89 kg·L−1（王钰乔等，2018）。在100年时间尺度下，N2O和CH4的全球增温潜势为 CO2的 298倍和 34倍（IPCC，2013），N2O和CH4排放量需分别乘以298和34折算成CO2当量。计算公式为（李萍等，2017）：

式中：

fC——农业生产碳足迹（CO2当量），kg·hm−2·a−1；

n——农业生产过程中消耗的n种物质（能源或生产资料等）；

fCi——第i种物质的碳足迹；

mi——第i种物质的消耗量；

βi——第i种物质的碳排放系数。

1.5 数据处理

应用 Microsoft Excel 2016进行数据整理和作图；SPSS 19.0软件进行数据统计，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤非CO2温室气体排放特征

由图1可知，在2013年大豆季、2014年玉米季、2015年玉米季，常规（CK）、秸秆深施还田（DSR）和秸秆覆盖免耕（SC）处理生育期内 N2O排放通量峰值均出现在施肥后的1—3 d内，施氮肥是导致N2O出现排放通量峰值的主要原因。2013年大豆季，CK、DSR、SC处理日排放量变化范围分别在 3.5—51.8、3.9—55.5、3.2—57.8 μg·m−2·h−1之间；2014年玉米季分别在 4.3—78.4、3.6—73.5、3.0—74.9 μg·m−2·h−1之间；2015 年玉米季分别在3.6—73.6、3.4—76.2、2.6—75.1 μg·m−2·h−1之间。分别比较2013年大豆季、2014年玉米季各处理生育期N2O总排放量（表1），CK、DSR和SC处理间无显著差异（P>0.05），2015年玉米季SC处理显著低于CK和DSR处理（P<0.05）；CK、DSR、SC处理生育期N2O平均排放量分别为0.76、0.74、0.73 kg·hm−2，处理间无显著差异（P>0.05）。2013 年大豆季生育期N2O总排放量要低于2014年和2015年玉米季，原因是大豆季氮肥施用量较低。

图1 不同处理温室气体排放特征Figure 1 Characteristics of greenhouse gas emission under different treatments

表1 不同处理土壤温室气体排放量Table 1 Cumulative N2O and CH4 emissions under different treatments

2013年大豆季常规（CK）、秸秆深施还田（DSR）、秸秆覆盖免耕（SC）处理CH4日交换通量变化范围分别在−13.9—0.5、−13.2—0.8、−12.4—0.6 mg·m−2·h−1之间；2014 年玉米季分别在−13.5—2.0、−14.5—2.6、−13.2—2.1 mg·m−2·h−1之间；2015 年玉米季分别在−14.6—2.1、−14.5—2.2、−15.8—1.7 mg·m−2·h−1之间。CK、DSR 和 SC 处理 2013—2015生育期CH4平均排放量分别为−0.11、−0.11、−0.12 kg·hm−2，处理间无显著差异（P>0.05）。从上述结果也可看出，黑土区大豆田和玉米田是大气中CH4的弱“汇”。

2.2 农田碳足迹核算

由图2可看出，2013—2015年常规（CK）、秸秆深施还田（DSR）、秸秆覆盖免耕（SC）处理农田间接排放（农资投入和田间耕作）的农田碳足迹分别为 1208.8、1254.8、1160.8 kg·hm−2，可见 DSR处理间接排放的碳足迹最高，SC处理最低，原因是在农资投入相同的情况下，与各处理田间耕作柴油消耗量不同有关（表2）。结果显示，2013—2015年DSR田间耕作柴油消耗最高，达到294.8 L·hm−2；其次为 CK 处理 243.0 L·hm−2；SC 处理最低，为198.0 L·hm−2。常规（CK）、秸秆深施还田（DSR）、秸秆覆盖免耕（SC）处理直接排放（土壤温室气体排放）的碳足迹分别为 1058.4、1020.4、1004.1 kg·hm−2，大小排序为 DSR>CK>SC。2013—2015 年SC处理农田碳足迹最低，为2164.9 kg·hm−2，较CK（2267.2 kg·hm−2）和 DSR（2275.2 kg·hm−2）处理分别降低4.5%和5.1%（P<0.05）。

图2 2013—2015年不同处理农田碳足迹变化Figure 2 Changes of farmland carbon footprint under different treatments during 2013‒2015

表2 2013—2015年轮作周期内不同处理农资投入量Table 2 Agricultural inputs of different treatments during the crop rotation period of 2013‒2015

从农田碳足迹构成来看（图3），土壤温室气体排放对农田碳足迹的贡献最大，占比 44.8%—46.7%；其次为氮肥生产18.4%—19.4%，之后为磷肥生产14.8%—15.6%和田间耕作7.8%—11.5%，农药生产、种子生产和钾肥生产占比较低。土壤温室气体排放、氮肥生产、磷肥生产和田间耕作的碳足迹之和占农田碳足迹总量的90%左右，是最主要的碳足迹贡献因子。

图3 不同处理农田碳足迹构成Figure 3 Composition of carbon footprint under different treatments

2.3 农作物产量对比及单位产量碳足迹变化

从农作物产量来看（图4），DSR和SC处理大豆产量（2013年）、玉米产量（2014年和2015年）均显著高于常规（CK）处理（P<0.05），秸秆深施还田（DSR）处理增产率分别为9.2%、3.1%、5.5%，平均为5.1%；秸秆覆盖免耕（SC）处理增产率分别为4.9%、6.4%、4.9%，平均为5.5%。DSR和SC处理年际间作物产量有所波动，但处理间平均产量差异不大。

图4 2013—2015年不同处理农作物产量变化Figure 4 Crop yield changes under different treatments during 2013‒2015

不同秸秆还田方式下碳足迹与作物产量的比值为单位产量碳足迹。由图5可知，2013年大豆季常规（CK）、秸秆深施还田（DSR）和秸秆覆盖免耕（SC）处理之间单位产量碳足迹无显著差异（P>0.05）。2014和 2015年玉米季SC处理单位产量碳足迹最低，较CK处理分别降低9.5%和11.0%（P<0.05）；较DSR处理分别降低6.6%和5.9%，但差异不显著（P>0.05）。

图5 2013—2015年不同处理单位产量碳足迹Figure 5 Carbon footprint per unit of crop yields under different treatments in 2013‒2015

3 讨论

3.1 秸秆还田对农田温室气体排放的影响

土壤 N2O排放源于微生物参与下的土壤硝化和反硝化作用。针对秸秆还田对土壤N2O排放的影响国内外学者还缺乏一致结论，相关结果表现为促进、抑制和不影响。（1）秸秆还田促进土壤N2O排放：秸秆还田增加了土壤的碳供应，作为基质直接参与土壤硝化过程，改变了参与N2O排放的土壤微生物群落组成，促进了土壤硝化作用，从而增加了N2O排放（Li et al.，2018；唐占明等，2021）。此外，旱地秸秆还田后改变了土壤微环境，导致土壤孔隙度、温度、水分等发生了变化，增强了土壤反硝化反应，也会促进N2O排放（Liu et al.，2011）。刘全全等（2016）研究发现，秸秆覆盖还田增加了黄土旱塬区冬小麦田N2O排放，原因是多年秸秆还田后土壤有机物质累积量持续增长，增加了土壤中的碳源，另外秸秆覆盖的稳温保湿效应显著，这两方面共同增强了土壤硝化作用和反硝化过程中微生物的活性，导致土壤N2O排放量增加。闫翠萍等（2016）指出，在小麦-玉米轮作农田秸秆深施还田土壤N2O排放量较不还田周年增加68.9%。李平等（2018）在黑土上的研究结果为，秸秆与土壤混合后配施氮肥，N2O排放量增加了两个数量级，原因是秸秆丰富的碳源为反硝化微生物提供了充足的碳底物，刺激了土壤微生物呼吸的作用，形成较多的厌氧微区，从而导致更多的N2O排放。（2）秸秆还田降低土壤N2O排放：当秸秆碳氮比较大时，表现为碳源过剩和氮源缺乏，从而刺激土壤微生物去吸收其他氮源以满足代谢活动，因此加强了对土壤中可利用氮源的吸收，减少了硝化与反硝化作用的基质，进而降低了N2O排放（Garcia et al.，2007；张冉等，2015；高洪军等，2017）；也有研究指出，秸秆覆盖还田阻碍了土壤与大气的气体对流，一定程度上降低了N2O的排放（刘海涛等，2016）；秸秆深施还田后，加强了微生物对氮素的固持作用，导致有效氮浓度降低，从而抑制硝化和反硝化过程，使N2O排放降低（朱晓晴等，2020）。本研究中，不论是秸秆深施还田亦或秸秆覆盖免耕，均未增加或降低土壤N2O排放，这也与张冉等（2015）的研究结果一致，即秸秆还田对东北地区农田土壤N2O排放无显著影响。可见，受秸秆还田方式和还田量、土壤条件（土壤类型、质地、水分含量）、气象因素（降水、气温）、田间管理（施肥、灌溉、耕作）等因素影响，黑土秸秆还田下的土壤N2O排放还存在较大的不确定因素，下一步还需进行深入研究。

本研究中，松嫩平原南部大豆田和玉米田是大气中 CH4的弱“汇”，这也与其他学者在旱田上的研究结果一致（Sun et al，2016；吕艳杰等，2016），原因是旱地农田土壤通气条件好，氧气易于扩散到土壤中，提高甲烷氧化微生物和甲烷氧化酶的活性，好气土壤中的CH4易被氧化菌氧化成CO2，削弱CH4的排放特征，强化了土壤作为CH4的吸收汇特征（宋利娜等，2013）。秸秆覆盖通过改变土壤厌氧条件、土壤物理性质和土壤养分条件等间接影响CH4排放，导致 CH4排放量增加（Lenka et al.，2013），但通过改变覆盖措施则会减少CH4排放（Ma et al.，2009）。朱晓晴等（2020）在棕壤上的研究结果为，秸秆深施还田降低了土壤对CH4的吸收量，可能是秸秆深施后较好的土壤通透性利于甲烷氧化菌活动，增强了土壤吸收氧化CH4的能力。本研究发现，秸秆覆盖和秸秆深施还田均对CH4排放量没有明显影响，与裴淑玮等（2012）和吕艳杰等（2016）秸秆还田后CH4的吸收通量降低的结果不一致，可能是添加秸秆后没有增加土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度，故未显著影响土壤产甲烷菌的活动以及土壤氧化还原电位，进而也未影响CH4的氧化潜势（裴淑玮等，2012；郝小雨等，2015）。

3.2 秸秆还田对农田碳足迹的影响

本文分析了松嫩平原大豆-玉米-玉米轮作系统下不同秸秆还田方式下农田碳足迹变化，2013—2015年秸秆覆盖免耕处理农田碳足迹最低，较常规和秸秆深施还田处理分别降低4.5%和5.1%，原因是在农资投入相同、且N2O和CH4排放无显著差异的情况下，秸秆覆盖免耕处理田间耕作措施较少、柴油消耗量较低，故产生的碳排放量也较低。秸秆覆盖免耕处理仅有 7项田间耕作措施，而常规和秸秆深施还田处理则分别达到了10项和11项，大大增加了油耗，进而增加农田碳排放。这也与李萍等（2017）和伍芬琳等（2007）研究结果一致。

本研究中，各项碳足迹占总碳足迹的比例排序为：土壤温室气体排放>氮肥生产>磷肥生产>田间耕作>农药生产>种子生产>钾肥生产，这与部分研究结果不一致（段智源等，2014；李萍等，2017），原因除了农资投入量不同之外，还与碳排放系数参考的数值不同有关。在大豆-玉米-玉米轮作体系下，土壤温室气体排放的农田碳足迹的贡献占比达到44.8%—46.7%，为第一贡献因子，其中N2O排放是主要来源。因此，采取相关措施减少土壤N2O排放极为必要，如采用“4R”施肥技术（米国华等，2018），即合理的用量（Right rate）、正确的施肥时间（Right time）、合适的肥料（Right fertilizer）、合理的施肥位置（Right placement）来提高肥料利用率，进一步降低作物生产碳足迹（Gan et al.，2014）。此外，化肥生产（氮肥、磷肥、钾肥）农田碳足迹的贡献占比为35.8%—37.7%，仅次于土壤温室气体排放，因此未来还需发展低碳清洁的肥料生产工艺，进一步减少碳排放。

4 结论

松嫩平原南部大豆-玉米-玉米轮作体系下，秸秆深施还田和秸秆覆盖免耕不影响土壤N2O和CH4排放。影响农田碳足迹的主要贡献因子是土壤温室气体排放、氮肥生产、磷肥生产和田间耕作。秸秆覆盖免耕措施可以减少机械燃油产生的碳排放，继而降低农田碳足迹，较常规和秸秆深施还田处理分别降低4.5%和5.1%。秸秆深施还田和秸秆覆盖免耕可以提高大豆、玉米产量。综上，在松嫩平原南部大豆-玉米-玉米轮作体系下，秸秆覆盖免耕可以降低农田碳足迹并可提高大豆、玉米产量，是较为适宜的耕作方式。下一步，应建立低碳可持续的耕作管理方式，开展清洁生产、优化农机农艺管理、高效施肥等措施，助力实现中国“碳达峰、碳中和”的目标。