江苏稻田轮作模式碳、氮足迹分析

季国军,纪洪亭,程琨,刘满强,江瑜,胡正锟,张岳芳,胡乃娟,唐若迪,胡锋*

(1.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏 南京 210095;2.江苏省农业科学院农业经济与发展研究所,江苏 南京 210014;3.江苏丘陵地区南京农业科学研究所,江苏 南京 210046;4.南京农业大学农学院,江苏 南京 210095;5.江苏省农业科学院资源与环境研究所,江苏 南京 210014)

水稻是江苏主要粮食作物,2020年江苏水稻播种面积为220.2万hm2,水稻总产量为1 965万t,其播种面积和总产量分别占江苏粮食作物播种面积和总产值的40.75%和52.71%[1]。稻田是温室气体和活性氮排放的主要排放源。当前,在全球气候变暖、人口增长及新冠疫情等背景下,实现粮食持续增产,保障粮食安全仍然是我国作物生产的主要任务。在常规耕种技术和农机装备条件下,确保耕种面积,保障化肥和农药等农业化学品集约化投入,依旧是维持作物连年丰产的主要措施,这可能进一步增加作物生产碳排放和氮排放[2]。

“足迹”分析方法是量化生产过程或活动对环境影响的重要方法[3]。碳足迹是在生态足迹的概念基础上提出的,其定义为某种活动或者某种产品生命周期过程中温室气体排放量的指标[4]。氮足迹与碳足迹类似,氮足迹是某种活动引起的或某种产品生命周期内产生并积累的直接或间接活性氮排放总量[5]。碳、氮足迹评价方法能够更准确定位作物生命周期各个生产环节中温室气体排放最大环节,有利于制定更有针对性的减排措施[6]。

稻麦、稻油、稻绿肥轮作模式是江苏稻田主要轮作模式。目前有关稻田轮作模式温室气体和活性氮排放的研究已有大量报道[7-9],而关于不同稻田轮作模式碳、氮足迹的研究较少。陈中督等[10-11]研究了长江中下游地区稻麦生产系统碳、氮足迹动态及其构成。胡乃娟等[12]分析了稻麦轮作系统下不同麦秸还田方式的农田碳足迹。何巧玲等[13]研究了稻油轮作系统下不同油菜秸秆还田方式对水稻碳足迹的影响。以上研究仅针对单一稻田轮作模式。Zhao等[14]研究比较了水稻-小麦、水稻-蚕豆和水稻-紫云英3种轮作模式对活性氮排放的影响。Xia等[15]分析比较了水稻-小麦、水稻-蚕豆、水稻-休闲3种轮作模式对稻田温室气体排放的影响。Cai等[16]基于田间试验分析比较了水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-蚕豆、水稻-紫云英4种轮作模式温室气体和活性氮排放及碳足迹,结果表明与水稻-小麦和水稻-油菜轮作模式相比,水稻-蚕豆和水稻-紫云英减少活性氮排放,碳足迹降低37%～50%,该研究是在田间试验尺度上对不同稻田轮作模式碳足迹进行了比较研究,然而在省级区域尺度上针对稻麦、稻油及稻绿肥轮作模式碳、氮足迹的比较研究鲜有报道。

本研究基于江苏新型经营主体调研数据,采用生命周期评价法,定量分析江苏3种不同轮作模式(稻麦、稻油及稻绿肥轮作模式)的碳、氮足迹及构成,以期为江苏稻田轮作模式温室气体和活性氮减排提供理论和决策依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

于2021年调研了江苏13市(南京、苏州、无锡、常州、镇江、泰州、扬州、南通、徐州、淮安、盐城、连云港、宿迁)水稻生产主体稻麦、稻油和稻绿肥轮作生产数据,调研数据包括轮作模式中不同作物的播种面积、籽粒产量、农资(种子、农膜、氮肥、磷肥、钾肥)、灌溉用电量、机械柴油消耗量。机械柴油消耗量公式:机械柴油消耗量=(机械作业费×0.3)/柴油单价。每年柴油单价数据来源于金投网油价数据库(https://energy.cngold.org/)。

1.2 碳足迹计算

碳足迹研究边界设为作物从播种到收获全过程中各项投入产生的温室气体排放,主要来自3个方面:1)种子、农膜、肥料投入产生的间接温室气体排放;2)灌溉、机械作业产生的间接温室气体排放;3)作物种植过程中土壤氧化亚氮(N2O)、甲烷(CH4)排放。参考Li等[4]的方法计算水稻、小麦、油菜、绿肥生产碳足迹,其计算公式如下:

(1)

式中:CF为水稻、小麦、油菜、绿肥生产单位面积碳足迹(kg·hm-2);θi表示第i种农资投入量(kg·hm-2);Ci表示第i种农资的温室气体排放系数,排放系数参考Li等[4]的研究;QN为纯氮投入量(kg·hm-2);CN-indirect、CN-direct、CCH4分别为间接N2O、直接N2O及CH4排放系数;GWPN2O和GWPCH4为N2O和CH4全球增温潜势值,根据IPCC第五次评估报告,在考虑气候-碳反馈时,甲烷和氧化亚氮的全球增温潜势值分别为34和298[4]。

采用Sun等[17]的方法计算江苏省13个地级市稻麦轮作稻季甲烷排放系数。首先建立了江苏水稻播种面积、土壤性状(pH和土壤容重)、水分管理和土壤有机物料添加的空间网格数据集,将开发的区域特定模型投影到农业区域的网格图上,将空间数据输入模型,模拟单位面积的每日CH4排放量。根据每日通量和水稻生长期时间计算单位面积的季节性CH4排放量[17]。利用文献[7-8]的数据,以稻麦轮作稻季甲烷排放量为对照,采用稻油轮作和稻绿肥轮作稻季甲烷排放量与稻麦轮作稻季排放量的比值对稻油和稻绿肥轮作稻季甲烷排放系数进行修正,即稻油轮作稻季CH4排放系数=稻麦轮作稻季CH4排放系数×0.81,稻绿肥轮作稻季CH4排放系数=稻麦轮作稻季CH4排放系数×0.60,不同稻田轮作模式稻季CH4排放系数见表1。

表1 不同水稻轮作模式稻季CH4排放系数Table 1 CH4 emission factors of rice growing season under different rice rotation patterns

1.3 氮足迹计算

氮足迹研究边界设为作物从播种到收获全过程中各项投入产生的活性氮排放,主要来自3个方面:1)种子、农膜、肥料投入产生的间接活性氮排放;2)灌溉、机械作业产生的间接活性氮排放;3)作物种植过程中田间直接活性氮排放,主要包括氨挥发、N2O排放、氮素淋失、氮素径流等。水稻、小麦、油菜、绿肥的氮足迹的计算公式如下:

(2)

式中:NF为氮足迹(kg·hm-2);θi表示第i种农资投入量(kg·hm-2);Ni表示第i种农资投入的活性氮排放系数;θN为纯氮投入量;Nj为第j种田间直接活性氮排放系数。农资和直接活性氮排放系数参考Li等[4]、陈中督等[10]和Xia等[18]的研究方法。

1.4 数据统计与分析

利用Microsoft Excel 2016软件进行数据整理,采用Origin 2016和Microsoft Excel 2016软件绘图,采用SPSS 20.0软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 稻田轮作模式碳足迹及其构成分析

2.1.1 稻田轮作模式单位面积碳足迹和单位产量碳足迹分析由表2可知:不同稻田轮作模式中水稻单位面积碳足迹表现从高到低依次为稻麦轮作、稻油轮作、稻绿肥轮作,不同作物单位面积碳足迹表现从高到低依次为小麦、油菜、绿肥,且不同处理间差异显著。稻麦轮作、稻油轮作和稻绿肥轮作单位面积碳足迹分别为18.22、13.20和10.20 t·hm-2。与稻麦轮作相比,稻油和稻绿肥轮作单位面积碳足迹分别显著降低27.5%和42.7%。稻麦轮作、稻油轮作和稻绿肥轮作单位产量碳足迹分别为1.18、1.16和1.14 kg·kg-1,处理间差异不显著;油菜单位产量碳足迹显著高于小麦;不同轮作模式单位产量碳足迹差异不显著。

表2 不同稻田轮作模式单位面积碳足迹和单位产量碳足迹Table 2 The carbon footprint per unit area and carbon footprint per unit yield of different paddy field rotation patterns

图1 不同地区稻田轮作模式单位面积碳足迹Fig.1 The carbon footprint per unit area of the paddy field rotation patterns in different regionsA. 稻麦轮作Rice-wheat rotation;B. 稻油轮作Rice-rape rotation;C. 稻绿肥轮作Rice-green manure rotation. 图2、4、5同此。The same as in Fig.2,Fig.4 and Fig.5.

对于稻麦轮作,稻麦单位面积碳足迹表现从高到低依次为苏北地区、苏中地区、苏南地区,苏北地区和苏中地区单位面积碳足迹差异不显著;水稻和小麦单位面积碳足迹均表现为苏北和苏中地区高于苏南地区(图1-A)。对于稻油轮作和稻绿肥,稻油轮作单位面积碳足迹在不同地区间差异不显著(图1-B、C)。此外,不同轮作模式单位产量碳足迹在不同地区间差异均不显著(图2)。

图2 不同地区稻田轮作模式单位产量碳足迹Fig.2 The carbon footprint per unit yield of the paddy field rotationpatterns in different regions

2.1.2 稻田轮作模式碳足迹构成分析不同稻田轮作模式碳足迹占比基本一致。不同稻田轮作模式中CH4排放占比46.6%～50.7%,N2O排放占比3.8%～8.3%。农资投入和农事操作产生的间接碳足迹占比45.1%～47.1%,其中氮肥投入导致碳足迹占比较大,为23.9%～25.2%,其次是机械柴油和灌溉用电导致的碳足迹,占比分别为7.4%～9.2%和3.6%～5.4%。水稻生产碳足迹构成与周年生产碳足迹构成一致。小麦、油菜、绿肥生产碳足迹主要来源为氮肥投入、机械柴油和N2O排放碳足迹(图3)。

图3 不同稻田轮作模式碳足迹构成占比Fig.3 The percentage of carbon footprint components of different paddy field rotation patterns

2.2 稻田轮作模式氮足迹及其构成分析

2.2.1 稻田轮作模式单位面积氮足迹和单位产量氮足迹分析水稻季单位面积氮足迹表现为稻麦轮作显著高于稻油轮作和稻绿肥轮作。小麦、油菜、绿肥单位面积氮足迹分别为64.42、39.14和13.00 kg·hm-2。稻麦轮作、稻油轮作、稻绿肥轮作单位面积氮足迹分别为139.54、101.65、73.19 kg·hm-2。与稻麦轮作模式相比,稻油和稻绿肥轮作模式单位面积氮足迹分别降低27.2%和47.6%。对单位产量氮足迹而言,稻麦轮作水稻季单位产量氮足迹显著高于稻油轮作和稻绿肥轮作,油菜单位产量氮足迹显著高于小麦单位产量氮足迹。稻麦轮作、稻油轮作和稻绿肥轮作单位产量氮足迹分别为9.02、8.90、8.16 g·kg-1,不同处理间差异不显著(表3)。

表3 不同稻田轮作模式单位面积氮足迹Table 3 The nitrogen footprint per unit area of different paddy field rotation patterns

稻麦轮作单位面积氮足迹表现从高到低依次为苏北地区、苏中地区、苏南地区,不同地区差异显著,水稻和小麦单位面积氮足迹均表现为苏中地区和苏北地区显著高于苏南地区(图4-A)。对于稻油轮作而言,稻油轮作模式单位面积氮足迹表现从高到低依次为苏北地区、苏中地区、苏南地区,不同地区差异显著,水稻单位面积氮足迹表现从高到低依次苏南地区和苏中地区、苏北地区,油菜单位面积氮足迹在不同地区差异不显著(图4-B)。对于稻绿肥模式而言,水稻、绿肥和稻绿肥轮作单位面积氮足迹在不同地区差异不显著(图4-C)。

图4 不同地区稻田轮作模式单位面积氮足迹Fig.4 The nitrogen footprint per unit area of the paddy field rotation patterns in different regions

稻麦轮作模式单位产量氮足迹表现从高到低依次为苏北地区、苏中地区、苏南地区,不同地区差异显著,水稻单位产量氮足迹表现为苏北地区和苏中地区显著高于苏南地区,小麦单位产量氮足迹在不同地区差异不显著(图5-A)。稻油轮作和稻绿肥轮作单位产量氮足迹在不同地区差异均不显著(图5-B、C)。

图5 不同地区不同稻田轮作模式单位产量氮足迹Fig.5 The nitrogen footprint per unit yield of the paddy field rotation patterns in different regions

2.2.2 稻田轮作模式氮足迹构成分析不同稻田轮作模式氮足迹构成中氮肥施用导致直接氮足迹占比为84.8%～87.1%,其中氨挥发占比最大,为52.2%～59.0%,其次是氮素径流(14.6%～20.2%)、氮素淋失(8.7%～10.8%)。农资投入中氮肥投入导致间接氮足迹占比最大,为7.8%～7.9%,种子、农膜、磷肥、钾肥、灌溉用电及机械柴油投入导致氮足迹共计占总氮足迹的5.0%～7.4%。从不同作物氮足迹占比来看,水稻生产中氨挥发占比为63.3%～65.4%,氮素径流占比为11.1%～11.5%,氮肥投入占比为7.8%～8.0%,小麦、油菜、绿肥生产中氨挥发占比较水稻低,为38.1%～39.9%,而氮素径流占比较水稻高,为30.2%～31.6%(图6)。

图6 不同稻田轮作模式氮足迹构成占比Fig.6 The percentage of nitrogen footprint components of different paddy field rotation patterns

2.3 稻田轮作模式碳、氮足迹相关性分析

由图7可知:稻麦轮作、稻油轮作和稻绿肥轮作模式单位面积碳足迹和单位面积氮足迹均呈极显著正相关性。这表明作物生产碳足迹增加会导致氮足迹增加,反之作物生产碳足迹降低也会伴随氮足迹降低。稻油轮作和稻绿肥轮作碳足迹和氮足迹点相对分散,两者表现出一定的权衡关系。

图7 不同稻田轮作模式碳足迹与氮足迹的关系Fig.7 Correlations between carbon footprint and nitrogen footprint under different paddy field rotation patterns

3 讨论

3.1 轮作模式对稻田碳足迹的影响

以往关于稻田轮作模式碳足迹的研究主要针对稻麦轮作模式,有关稻麦轮作、稻油轮作和稻绿肥轮作模式碳、氮足迹的比较研究鲜有报道。陈中督等[10-11]通过分析长江中下游地区稻麦生产系统碳足迹得出,长江中游地区稻麦生产系统单位面积碳足迹为7.73 t·hm-2,长江下游地区稻麦生产系统单位产量碳足迹为0.5 t·hm-2。本研究表明,稻麦轮作模式单位面积碳足迹为18.22 t·hm-2,单位产量碳足迹为1.18 kg·kg-1。本研究结果与陈中督等[10-11]测算的碳足迹有一定差异。造成差异的原因可能是排放系数选取及数据来源差异等导致的。陈中督等[10-11]研究中农资投入排放系数主要源于中国生命周期数据库(CLCD)和Ecoinvent 2.2数据库,其氮肥(N)、磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)的排放系数分别为1.53、1.63和0.65 kg·kg-1,而本研究中氮、磷、钾肥排放系数选取基于我国目前情况的各种氮、磷、钾肥制造过程中的温室气体排放系数[19],其氮、磷、钾肥排放系数分别为7.76、2.33、0.66 kg·kg-1。此外,陈中督等[10-11]研究中CH4和N2O的排放系数来源于IPCC国家温室气体清单指南。本研究中,CH4和N2O的排放系数参考Li等[4]和Sun等[17]的研究中江苏稻田CH4和N2O的排放系数,能更好地反映江苏稻田CH4和N2O排放情况。本研究表明,稻油轮作和稻绿肥轮作单位面积碳足迹分别为13.20和10.20 t·hm-2,分别较稻麦轮作模式降低27.5%和42.7%,本研究结果与Cai等[16]基于田间试验的结果基本一致。因此,在不考虑粮食安全的情况下,稻油轮作和稻绿肥轮作模式是较为低碳的稻作方式。对于单位产量碳足迹而言,不同稻田轮作模式碳足迹差异不显著,考虑水稻粮食安全,选择稻麦轮作较为适宜。

从碳足迹构成来看,甲烷是稻田碳足迹的主要构成成分,其占比为50.9%～63.3%,稻田甲烷是水稻生产过程中关键的温室气体排放环节[6,11]。前人研究表明,不同轮作模式对稻季甲烷排放有显著影响[8]。胡安永等[7]研究表明,不同轮作模式对水稻季甲烷排放的影响大小依次为小麦-水稻轮作、紫云英-水稻轮作、休闲-水稻轮作。岳骞等[8]研究得出,不同稻田轮作模式对稻季CH4排放的影响从大到小依次为稻麦轮作、稻油轮作、稻绿肥轮作。本研究表明,不同轮作模式CH4排放从大到小依次为稻麦轮作、稻油轮作、稻绿肥轮作。稻绿肥轮作CH4排放量较低的原因可能是绿肥还田促进了水稻植株根系发育及通气组织,促进CH4被氧化,此外绿肥提高稻田土壤肥力,水稻的植株和根系生长旺盛,激发了氧化菌的快速增长,将CH4氧化为CO2,从而降低CH4排放量[8]。施用氮肥直接或间接影响稻田甲烷的产生、氧化等过程。全球范围的META分析研究结果表明,跟不施氮相比,适量施氮(平均79 kg·hm-2)增加甲烷排放,在100～200 kg·hm-2施氮量范围内,施氮对甲烷排放的影响不显著,进一步提高施氮量(平均249 kg·hm-2)则会导致甲烷排放下降[20]。然而,根据本研究调研数据,江苏稻田平均施氮量为300 kg·hm-2,较高的施氮量促进稻田CH4排放[21-22]。此外,氮肥投入导致的碳足迹占水稻生产总碳足迹的17.7%～23.8%,高的氮肥投入增加了稻田间接碳足迹。因此,减少氮肥施用量可以降低稻田CH4排放和间接碳足迹。在氮肥运筹上,氮肥减量、施用缓/控释肥或施用缓/控释肥与尿素配施等技术可有效降低稻田CH4排放,进而降低碳足迹[23-24]。此外,优化水分管理可降低稻季CH4排放。相比长期淹水灌溉,间歇灌溉、湿润灌溉等节水灌溉方式的稻田CH4排放量下降了32.9%～88.7%[25]。中期烤田使稻田土壤通气状况变好,O2含量升高,抑制了土壤中CH4的产生,促进了CH4的氧化[26]。前人有关稻田甲烷减排单项技术已有大量研究[27-28],单从某一技术进行改进对碳排放的减排潜力不大[29]。以往研究减排技术往往关注水稻生产某一环节,缺乏从水稻产业链的角度系统提出稻田综合碳减排方案。因此,从水稻产业链角度,集成应用新型农业投入品及其高效施用技术、高产低碳水稻品种、低碳减排技术、低碳农机等,才能获得较大的碳减排潜力[29]。

3.2 轮作模式对稻田氮足迹的影响

陈中督等[11]研究表明,长江中游地区水稻、小麦单位面积氮足迹分别为102.6和80.9 kg·hm-2。本研究结果低于陈中督等[11]的研究结果。研究结果的差异主要源于选取了不同的活性氮直接排放因子。周杏等[30]核算的湖北省油菜种植氮足迹为48.16 kg·hm-2。本研究结果与周杏等[30]的研究结果相近,但高于陈中督等[31]的结果(11.68 kg·hm-2)。不同作物氮足迹主要来源氨挥发、氮素径流、氮素淋失、氮肥投入导致的氮排放。影响稻田系统NH3排放的主要因素包括气候条件(温度、光照和降雨、风速和湿度)、土壤理化性质(pH、阳离子交换量、有机质以及黏土含量等)、施肥因素(肥料种类、施肥量、施肥方式、施肥时期以及灌溉)[32]。胡安永等[7]研究了太湖地区不同轮作方式(紫云英-水稻、小麦-水稻轮作、休闲-水稻模式)对稻田氨挥发的影响,结果表明轮作模式降低了稻田氨挥发,但2种轮作模式间稻田氨挥发差异不显著。许国春[33]分析认为,小麦-水稻和绿肥-水稻轮作模式氮素径流、氮素淋失及氧化亚氮等氮素损失差异不显著。本研究未考虑不同轮作模式对稻田氨挥发、氮素径流、氮素淋失等的影响。因此,不同轮作模式单位面积氮足迹的差异主要是小麦季、油菜季、绿肥季的氮足迹差异导致的。

3.3 稻田轮作模式碳、氮足迹相关性分析

本研究表明,不同稻田轮作模式碳足迹和氮足迹均呈显著的正相关性,这与前人的研究结果一致[4,18]。氮肥施用量与活性氮损失量呈线性或指数关系[4,18]。本研究中,氮肥生产和施用导致的氮排放占总氮足迹的92.6%～95.0%。同时,氮肥施用也是温室气体重要来源,氮肥施用导致碳足迹占总碳足迹的23.9%～25.2%,仅次于稻田甲烷排放。因此,降低氮肥投入可能在一定程度上实现作物碳足迹和氮足迹的协同降低。尽管在多数地区稻田碳足迹和氮足迹存在协同,然而在一些地区碳足迹和氮足迹表现出权衡关系。本研究稻油轮作和稻绿肥轮作中,有些地区碳足迹较高,而氮足迹相对较低,碳足迹和氮足迹存在一定的权衡关系,这与Li等[4]的研究结果一致。Xu等[34]研究发现,在不同的管理措施下,甲烷排放与氨挥发之间的权衡导致碳足迹和氮足迹之间存在权衡关系。

3.4 江苏稻田轮作模式生产布局和农艺管理措施优化

与稻麦轮作和稻油轮作相比,稻绿肥轮作是较为低碳和低氮的稻田轮作模式。江苏冬季绿肥播种面积约3万hm2[35],受温光资源限制,江苏稻绿肥轮作模式主要分布在南京、镇江、苏州等苏南地区。苏南地区可适当发展稻绿肥轮作,扩种绿肥有利于培肥稻田土壤,增强土壤供肥能力和减少稻季化学肥料施用[36],同时稻绿肥轮作可以满足中、高端稻米生产需求,提高农户的种植效益。江苏油菜种植主要分布在苏中的南通、泰州、扬州,苏南的南京和镇江,苏北的盐城和淮安。从本研究结果来看,影响油菜生产碳、氮足迹主要是氮肥和机械柴油,因此江苏稻油轮作中油菜低碳生产应优先考虑氮肥管理和种植机械化[37]。油菜生产中,氮肥使用导致的碳足迹和氮足迹分别占总碳足迹和氮足迹的66.0%和65.9%,机械柴油导致的碳足迹占总碳足迹的17.0%。因此通过优化氮肥管理,调节氮肥施用时期、比例和配比,满足油菜前期快速生长的氮素需求,后期则主要通过发挥土壤氮素供应,可促进油菜氮素转移再利用[38]。在油菜机械化管理上,推广新能源技术,加快绿色、智能、高效农机化技术装备研发和应用,减少化石能源消耗和碳排放。

江苏是长江中下游地区典型的稻麦轮作区,稻麦轮作是江苏主要的稻田轮作模式。本研究表明,稻麦轮作单位面积碳、氮足迹显著高于稻油和稻绿肥轮作,其区域分布从大到小依次为苏北地区、苏中地区、苏南地区。苏北和苏中地区较高的单位面积碳、氮足迹与2个区域较高的施氮量有关。根据本研究调研数据,苏北、苏中和苏南地区稻麦轮作平均施氮量分别为41.5 kg·hm-2(稻季和麦季分别为22.0和19.5 kg·hm-2)、40.1 kg·hm-2(稻季和麦季分别为21.7和18.4 kg·hm-2)和32.8 kg·hm-2(稻季和麦季分别为17.3和15.5 kg·hm-2)。因此,苏北和苏中地区稻麦轮作低碳和低氮生产应考虑优化氮肥管理,减少氮肥施用量,降低NH3、N2O等活性氮排放,进而降低碳、氮足迹。此外,针对稻麦轮作生产较高的单位面积碳、氮足迹问题,需从水稻产业链角度,集成应用新型农业投入品及其高效施用技术、高产低排水稻品种、低碳和低氮减排技术、低碳农机等,才能获得较大的碳、氮减排潜力[29]。