河北地区小麦生产系统碳排放分析

张浩文，张 莹，王梦樊，彭正萍，张 鑫

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001；2.华北作物改良与调控国家重点实验室，河北 保定 071001）

河北省位于华北平原中部，冬小麦—夏玉米轮作是该省典型种植模式，2021 年小麦产量占全国总产量的10.7%［1］。灌水和施肥对粮食增产的贡献高达70%［2］。但该省冬小麦季氮肥施用量为270 ～300 kg N/hm2，施入土壤中的氮超过50%损失到环境中［3-4］，氮肥过量投入导致麦田土壤0 ～90 cm氮素盈余221 ～275 kg N/hm2［5］，土壤氮素残留25%左右［6-7］，长期过量施肥还会造成土壤酸化［8］。过高的氮素投入导致肥料利用率降低且增加环境风险［9］。滞留在土壤中的氮素会在微生物等作用下转化为NH3、N2O、NO 和N2等气态损失进入大气，在硝化过程中会产生NO3-并随土壤水分向深层淋失［10］。随着2019 年IPCC 第49 次全会对温室气体清单指南的修正，强调了其他能源途径对温室气体排放的贡献清单，进一步加强了中国乃至全球农业生产中的温室气体排放研究［11］。农田温室气体净排放通常以全球增温潜势（以CO2-eq 计）表示，即包括土壤固碳速率、CH4净交换量和N2O 排放量的百年增温潜势以及农业生产管理投入所导致的间接温室气体排放当量总和［12-13］，旱地土壤作为CH4汇比较微弱，一般可以不考虑［14］。因此，本研究旨在：（1）定量分析2005—2018 年河北省直接和间接温室气体排放特征；（2）探究集约化生产过程中减少碳排放的科学手段，以期为该地区提高小麦氮素利用效率、减少碳排放的高产高效生产技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究对象为河北省（东经113°27′～119°50′；北纬36°05′～42°40′）小麦种植区。其中集约化小麦种植区主要集中在山前平原，属暖温带大陆季风气候，年平均气温12.5 ℃，年平均降雨量484.5 mm，年日照时数2 303.1 h，典型干旱半干旱地区。自20 世纪90 年代，河北省主要种植制度以冬小麦/夏玉米轮作为主。

1.2 研究方法

1.2.1 数据的搜集 本研究通过查阅《中国统计年鉴》［2］、《全国农产品成本收益资料汇编》［15］、《河北省统计年鉴》［16］等相关资料获取近14 年河北小麦集约化生产过程中的各项数据，主要包括：化肥（单质化肥、复合肥等）和有机肥等途径的氮素输入量、灌溉量以及小麦年产量等。在国家统计局官方网站上查到的华北平原小麦年产量、单位产量、灌溉面积、化肥与有机肥等肥料的施用量等数据。全国农产品成本收益资料汇编等文件。

通过数据搜集、整理和计算，获取了小麦集约化生产过程中氮肥、磷肥、钾肥、灌水用电量、种子用量、机械燃油消耗量、农田管理等人力投入、农药使用量等相关数据，具体见表1。

表1 2005—2018 年小麦各途径投入情况Table 1 Inputs of wheat season during 2005—2018

1.2.2 作物养分含量及吸氮量 不同施肥量条件下小麦籽粒和秸秆含氮量通过公式进行计算［17］：

小麦籽粒氮与施肥量：

Y=-1.34X2+4.99X+16.33

小麦秸秆氮与施肥量：

Y=-0.57X2+2.25X+4.48

其中，Y为籽粒（秸秆）氮含量，g/kg；X为氮肥施用量，100 kg/hm2。作物吸氮量（Ncrop）为籽粒和秸秆吸氮量之和。籽粒（或秸秆）吸氮量（kg N/hm2）=籽粒（秸秆）产量（kg/hm2）×籽粒（或秸秆）含氮量（g/kg）。其中小麦收获指数为1.1。

1.2.3 CO2当量计算 旱作农田生产过程中，氮肥投入导致土壤直接产生N2O。N2O 在100 年尺度下的增温效应是CO2的298 倍，其产生的温室效应称为直接温室效应，本研究还考虑了肥料、用电、柴油、农药、种子、劳力的投入量所产生的间接温室效应，具体排放系数见表2。

1.2.4 数据分析 土壤氮盈余（Nsurplus，kg N/hm2）计算公式如下：Nsurplus=Nfert-Ncrop，其中Nfert是肥料投入的氮，Ncrop为作物吸收的氮；N2O 损失量与土壤氮盈余的拟合关系为N2O：Y=0.54e0.0063X；氮肥偏生产力（PFP；kg/kg）为单位氮肥投入量的小麦籽粒产量。温室气体排放强度（GHGI；kg CO2-eq/kg）为生产单位产量小麦所产生的温室气体量；氮素利用强度（NUI；kg N/kg）为生产单位产量小麦所需施氮量。本研究采用Excel 2010 和SPSS 10.0 软件进行数据整理与分析，采用LSD 方法分析数据之间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 小麦产量、氮盈余及PFP 变化

从2005—2017 年，小麦产量由5 179.4 kg/hm2逐渐增加至6 772.3 kg/hm2（增加了30.8%)，其中施氮量增加了14.5%，总化肥用量增加了27.8%。由于产量的增加，氮素盈余量整体呈下降趋势，其中，2010 年施氮量较2009 年增加了7.1%，而产量仅增加了21.7 kg/hm2，而氮盈余量达70.1 kg N/hm2。从2005—2018 年，PFP 呈缓慢增加趋势，14 年间，PFP 增加了13.7%，达29.8 kg/kg。

图1 小麦产量、氮盈余及偏生产力Fig.1 Yield, N surplus and partial fertilizer production (PFP) of wheat

2.2 温室气体排放

由表3 可知，N2O 作为直接温室气体，排放量呈先增后降趋势，在2010 年最大为0.84 kg N/hm2，随后逐渐降低至0.71 kg N/hm2(2018 年)，降低了15.5%。百年尺度下，N2O 的增温效应是CO2的298倍，其造成的直接温室效应从365.4 kg CO2-eq/hm2（2005 年)逐渐增加到393.5 kg CO2-eq/hm2（2010年），而后逐渐下降至334.0 kg CO2-eq/hm2（2018 年）。

表3 温室气体排放随年际变化情况Table 3 Changes of GHG emissions with different years

化肥、电力、燃油等在生产和运输过程中会产生间接温室气体排放，由图2 可知，间接温室气体排放从4 297.4 kg CO2-eq/hm2（2005 年）逐渐增到6 843.6 kg CO2-eq/hm2（2016 年），增加了59.2%，用电量和氮肥为主要间接温室气体排放源，分别占34.5%～43.0%和27.4%～38.2%，其中氮肥源温室气体排放量从1 640 kg CO2-eq/hm2（2005 年）逐渐增加到1 816 kg CO2-eq/hm2（2018 年），增加10.7%；用电量所造成的温室气体排放量从1 562 kg CO2-eq/hm2（2005 年）逐渐增至2 277 kg CO2-eq/hm2（2016 年），增加45.8%。其次是燃油，占比为11.1%～20.6%。

图2 2005—2018 年直接和间接温室气体排放及占比情况Fig.2 Amount and percentage of direct and indirect GHG emissions during 2005—2018

总温室气体排放与间接温室气体排放呈相同规律，从2005 年的4 662.7 kg CO2-eq/hm2逐渐增到2016 年的7 185.6 kg CO2-eq/hm2，增加了54.1%，间接温室气体排放占92.2% ～95.2%（图2），因此化肥、用电及燃油作为温室气体主要排放源。

2.3 温室气体排放强度

由图3 可知，温室气体排放强度从2005 年的0.9 kg CO2-eq/hm2增加到2011 年的1.16 kg CO2-eq/hm2，从2011 开始，随氮肥投入量减少及产量增加，温室气体排放强度呈逐渐降低趋势，整体上呈二次项拟合曲线：y=-0.0038x2+0.0673x+0.8091（P＜0.01）；就氮素利用强度，整体呈显著线性降低趋势，并在2010 年达最大39.2 kg N/kg，而后逐渐降低到33.5 kg N/kg，降低了14.5%。

图3 温室气体排放强度及氮素利用强度Fig.3 Intensity of GHG emissions and NUI

2.4 各指标间相关分析

由表4 可知，施氮肥能显著提高小麦产量（P＜0.01）及氮素效率（PFP，P＜0.05），增加了总温室气体排放量和排放强度。作物产量的提高，一方面能提高作物吸氮量，增加PFP，另一方面减少土壤氮素盈余；氮盈余量与作物产量、吸氮量和PFP 呈显著负相关。

表4 施氮量、产量、氮素利用、温室气体排放之间的相关性分析Table 4 Relationship among fertilizer N applied, yield, N use, GHG emissions

3 讨论

河北地区作为中国典型的粮食生产区域，其中小麦产量占全国总产的26%，长期集约化农业生产进程中，过量施用化肥和灌水等是保障小麦高产的重要措施。

农田生态系统是大气温室气体的主要来源之一，大气中90% 的N2O 来源于农业生产等过程［20］。旱地土壤一般认为是CH4的汇，在温室效应计算过程中一般不作考虑［14］。目前诸多学者在讨论农田生态系统温室气体排放时仅考虑N2O、CH4及CO2所产生的净温室效应［21］，而通过本研究发现，直接温室气体排放量仅占总温室气体排放量的4.8%～7.8%（表3），如果只考虑直接GHG 明显低估了农田土壤温室气体的排放量。

谭秋成［22］基于IPCC 的方法计算得出，中国农业温室气体排放量从1980—2009 年增加了52.0%，而化肥、能源（电力和燃油）、农药和农膜等的投入是引起温室气体高排放的主要因素。河北小麦—玉米两熟种植模式的排放量可达9 t CO2-eq/hm2，其中化肥和能源分别占23.5%和14.9%［18］，与本研究的结果类似。灌溉耗电是导致电力源温室气体的主要因子，今后农业生产中优化灌水、减少灌溉量可有效降低电力源温室气体排放。随着机械化程度提高，农业机械消耗的燃油对总间接温室气体排放占比从3.0%（2005 年）逐渐增到6.0%（2018 年），减少了人工成本等。基于此，农业温室气体减排潜力巨大，通过优化农田管理（减少施氮、保护性耕作）等措施能减排约20%的温室气体，减排量达5.5×1012t CO2-eq［23］。甄怡铭等［24］报道，合适的氮肥基追比既能保证小麦稳高产，又能减少温室气体排放。在华北地区集约化生产中，小麦和玉米秸秆的还田量分别在1995 年和2008 年已达90%［17］，秸秆还田能实现土壤碳库的收支平衡，并提高土壤的固碳速率［25］，还能增加土壤有机碳含量，增加土壤固碳潜力［26］。因此，实现优化农田管理能有效增加土壤碳固持并降低温室气体排放。

4 结论

（1）2005—2018 年，27.8% 的 化 肥 投 入 增量直接保证了小麦增产30.8%和氮肥偏生产力提高13.7%，然而化肥施入量过高导致氮素盈余过剩44.1 ～70.1 kg N/hm2。

（2）温室气体排放是集约化农业生产过程中突出的问题之一，河北麦田温室气体排放量4 662.7 ～7 185.6 kg CO2-eq/hm2，其中间接排放占92.2%～95.2%，其中化肥和能源导致的间接温室气体排放占82.7%～85.9%，温室气体排放强度呈二项趋势变化并从2014 年开始逐渐下降。

综上，合理控施氮肥能有效控制温室气体排，减少土壤氮素盈余，提高生产的可持续性，对实现华北低碳集约化农业生产具有重要意义。