近十年邯郸市冬小麦生产氮足迹时空变化特征分析

2022-05-23张海霞武晓琪蔡昂祖乔彦军

麦类作物学报 2022年4期

张海霞，武晓琪，蔡昂祖，乔彦军，魏哲

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038；2.河北省大气污染成因与影响重点实验室，河北邯郸 056038；3.中勘冶金勘察设计研究院有限责任公司，河北保定 071051)

氮足迹用于定量评价人类生产、生活方式对活性氮排放的影响，定义为某种产品或者服务在其生产、运输、储存以及消费过程中直接或间接排放的活性氮总和。我国氮足迹研究还处于起步阶段，通常采用生命周期法(Life cycle assessment，LCA)评估农业系统的氮足迹。Xue等基于LCA法计算出墨西哥谷物生产氮足迹为2.65 g N-eq·kg；陈中督等采用LCA法研究得出,长江中游地区稻麦生产系统的氮足迹为190.6 kg N-eq·hm，油菜生产氮足迹为7.57 kg N-eq·hm；周杏等研究表明，湖北省油菜田间种植阶段的活性氮排放占总排放的98.13%，是主要的排放源。另外，周涛等基于修正的N-Calculator模型结合农业系统氮素流动过程计算了广东省农业氮足迹，结果显示，化肥施用和养殖业饲料是农业氮足迹的主要来源。

冬小麦是邯郸市主要的粮食作物，在播种、收割、运输、灌溉、施肥等各个环节，小麦生产都会直接和间接地产生氮排放，系统地计算和评估冬小麦生产氮排放对该地区氮减排具有重要意义。本研究采用《邯郸统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》等资料中的相关数据，核算了邯郸市2010-2019年冬小麦生产氮足迹，分析了其来源、组成及时空分布特征，以期为该地区农业的可持续发展提供科学指导。

1 研究方法

1.1 研究边界

图1 冬小麦生产系统研究边界

1.2 数据来源

邯郸市冬小麦的各项投入与产出数据主要来源于《邯郸统计年鉴》，包括各区县冬小麦的播种面积、总产量以及化肥、农用柴油、农药、电力等农资投入数据。种子用量采用《全国农产品成本收益资料汇编》中河北省的数据。

1.3 氮足迹计算方法

氮足迹依据《环境管理-生命周期评价-要求和指南》中生命周期评价要求，采用荷兰莱顿大学环境科学研究所(Institute of Environmental Sciences，CML)提供的方法，将不同形态的活性氮转化为富营养化潜势，计算公式如下：

(1)

NFNO=(NFdNO+NFANO+NFLNO)× 0.476

(2)

NFdNO=×EF×44/28

(3)

NFANO=×F×EF×44/28

(4)

NFLNO=×F×EF×44/28

(5)

NFNH=×α×17/14×0.833

(6)

(7)

(8)

NF=NF/×1 000

(9)

NF为冬小麦单位产量氮足迹(g N- eq·kg)；是冬小麦单位面积产量 (kg·hm)。

表1 农资投入活性氮排放系数Table 1 Active nitrogen emission coefficient of agricultural inputs

1.4 数据处理与分析

本研究采用亿科环境研发的eFootprint软件作为数据建模工具，其是LCA数据填报和分析平台，可以在线输出产品的碳足迹、氮足迹、水足迹等。采用ArcGIS 10.2软件绘制邯郸市各县区的氮足迹空间分布图。

2 结果与分析

2.1 邯郸市冬小麦生产氮足迹年变化趋势

2010-2019年邯郸市冬小麦生产单位面积氮足迹变化范围为58.57～76.03 kg N-eq·hm，最高值和最低值分别出现在2014年和2018年(图2a)。2010-2017年单位面积氮足迹年际波动幅度较小，2018年和2019年下降明显。邯郸市冬小麦单位产量氮足迹呈逐年下降趋势(图2b)，从2010年最高值12.86 g N-eq·kg下降到2019年最低值8.82 g N-eq·kg，2011年和2018年尤其下降明显。

图2 2010-2019年邯郸市冬小麦生产单位面积和单位产量氮足迹

2.2 邯郸市冬小麦生产氮足迹的组成

图3 2010-2019年邯郸市冬小麦生产氮足迹组成

2.3 邯郸市冬小麦高低产区氮足迹对比分析

表2 邯郸市冬小麦高低产区氮足迹及构成对比Table 2 Comparison of nitrogen footprint and composition of winter wheat between high and low production areas in Handan city

2.4 邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹分析

从空间分布看，邯郸市近十年不同县区单位面积和单位产量的氮足迹均差异显著(图4)。邯郸市冬小麦生产单位面积氮足迹年均值为71.00 kg N-eq·hm，高于全市平均水平的县区有峰峰矿区、成安县、曲周县、临漳县、广平县、馆陶县、邱县和主城区，其中峰峰矿区、成安县和曲周县的单位面积氮足迹较高，分别为133.84、122.70和110.72 kg N-eq·hm；大名县、冀南新区和肥乡区较低，年均值为46.65～48.94 kg N-eq·hm。单位产量氮足迹与单位面积氮足迹分布不同，全市单位产量氮足迹年均值为10.64 g N-eq·kg，分别以峰峰矿区和大名县的单位产量氮足迹最高和最低，分别为29.37和6.54 g N-eq·kg，最高值是最低值的4.49倍。

图4 2010-2019年邯郸市冬小麦生产氮足迹空间分布

在邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹组成中，化肥生产和施用是主要的氮排放源(表3)。邱县和成安县的化肥生产和施用造成的氮排放占比最高，分别为92.32%和91.95%；而磁县和涉县的占比最低，分别为69.16%和53.14%。化肥施用中NH挥发的贡献率最大，变化范围为 46.81%～81.71%。柴油燃烧为第二大贡献来源，涉县和磁县的占比较为突出,分别为39.11%和 22.83%，成安县和邱县的占比最小，分别为 4.80%和2.42%。

表3 邯郸市各县区冬小麦生产氮足迹组成Table 3 Composition of nitrogen footprint of winter wheat production in various counties and districts of Handan city

3 讨论与分析

3.1 邯郸市冬小麦生产氮足迹组成

邯郸市2010-2019年冬小麦生产单位面积氮足迹平均值为71.00 kg N-eq·hm，低于陈中督等计算的长江中游地区小麦氮足迹(80.9 kg N-eq·hm)。在农作物碳氮足迹核算中，由于研究边界、核算方法和排放因子选取的不同以及农作措施、种植模式和气候条件等多重因素的影响，不同地区农业氮足迹计算结果存在差异。近年来邯郸市冬小麦生产氮足迹总体呈下降趋势，2010年邯郸市氮肥和柴油燃烧投入分别为177.71和307.83 kg·hm，2019年氮肥投入和柴油燃烧分别为121.39和210.39 kg·hm，说明近十年来邯郸市大力发展绿色农业，构建农业生产新格局，减排效果明显。邯郸市冬小麦生产氮足迹组成中，化肥生产占4.07%，因化肥施用造成的田间排放占80.81%。粮食增产很大程度上依靠化肥，化肥的不合理施用造成氮排放较大。本研究中田间NH挥发为最大的氮足迹来源，贡献率高达75.07%，这与Chen和Xue等的研究结果一致。过量的氮肥投入主要以NH挥发和淋溶等多种途径进入环境中，其中NH挥发是土壤氮素损失的重要途径。冬小麦生产中NH挥发量与氮肥投入量密切相关，带来了严重的水土面源污染问题，使大气中活性氮负荷持续增加，是产生雾霾的原因之一。柴油燃烧的贡献仅次于田间NH挥发，是能源消耗和氮排放的大户。

3.2 邯郸市氮足迹空间分布

邯郸市冬小麦氮排放地域差异明显。单位面积和单位产量氮足迹均以西部地区的峰峰矿区最高，东部地区的大名县最低，大致呈现西高东低的态势。邯郸西部地区山区纵横，地势高低不平，土壤贫瘠，水利等基础设施不发达，种植条件较差，导致农资消耗量大，利用率低。而东部地势平坦，土壤肥沃，水源充足，种植条件良好，小麦产量和生产效率高。峰峰矿区土地资源紧缺加上长期的矿产开采，导致农业欠发达。相比其他县区，峰峰矿区单位耕种面积投入的化肥、柴油、灌溉耗电量明显较大，而单位面积的冬小麦产量较低，以致农业生产氮排放较大。而位于东部的成安县和曲周县的小麦生产氮足迹也偏高，其主要原因是这两个县的单位种植面积化肥(尤其是氮肥)施用量偏高，造成了田间活性氮排放量较大，因此减少和合理施用氮肥可以降低小麦生产氮足迹。

3.3 邯郸市大气氮干湿沉降

3.4 冬小麦清洁生产策略

根据研究结果，邯郸市冬小麦清洁生产的关键是控制化肥的施用和提高农机效率。田间氮排放主要是由氮肥施用造成，因此应统筹氮肥的施用，实行科学施肥、精准施肥、水肥一体化，施用新型缓/控释肥，增施农家肥以及秸秆还田等措施。农业生产与柴油密切相关，运输、播种、收获等阶段的机械作业都会消耗柴油。近年来随着机械化程度的不断提高，农业生产对柴油的需求量持续增加。因此，要不断改善农机具结构，更新和普及高效的农业机械，采用农业机械的集约化、规模化运作，采取少耕或免耕方式，有效减少劳动力和机械投入，降低柴油消耗排放。另外，由于邯郸市各县区氮足迹差异明显，尤其是西部山区氮足迹明显高于东部平原，因而要合理布局农业，侧重在邯郸东部平原发展农业，而减少西部山区的耕作面积。