辽宁省水稻田固碳减排潜力分析

2023-10-07宫亮金丹丹牛世伟王娜邹晓锦张鑫隋世江解占军韩瑛祚

生态环境学报 2023年7期

宫亮，金丹丹，牛世伟，王娜，邹晓锦，张鑫，隋世江，解占军，韩瑛祚

1.辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁沈阳 110161；2.辽宁省面源污染防控重点实验室，辽宁沈阳 110161

人类活动是全球温室气体增长的主要来源，其中，二氧化碳（CO2）排放主要来源于化石燃料燃烧和工业生产，而甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的排放则主要来自农业生产（Smith et al.，2007）。据统计，中国农业活动排放温室气体总量（CO2-eqv）为8.30×108t，占温室气体排放总量的7.9%。中国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和（翟盘茂，2021），农业减排固碳既是实现碳达峰、碳中和的重要举措，也是潜力所在。

当前，利用生物固碳措施吸收、固定大气中的CO2，用于冲抵碳排放，是各国科学家研究的热点问题。陆地生态系统中的农田土壤碳库深受人类活动的影响，通过合理的农田管理措施能够较好的增强农田土壤固碳量。联合国粮食及农业组织（FAO）的报告指出，农业土壤固碳可能是减少大气中CO2较经济有效的方法之一（FAO，2015）。全球农业碳减排的技术潜力中89%为耕地土壤固碳潜力（中国工程院生物碳汇扩增战略研究课题组，2015）。据估算在少耕免耕、秸秆还田和增施有机肥的模拟情景下，2009－2028年中国耕地土壤固碳潜力为1.20－7.10×109t（赵永存等，2015）。

大量田间试验表明，粮食作物田间生产过程是温室气体CH4和N2O的重要来源（魏海苹等，2012；Kritee et al.，2018），其中，水稻生长季碳排放导致的平均全球增温潜势（Global Warming Potential，GWP）分别是小麦和玉米的5.7倍和2.7倍（Linquist et al.，2012），占农业碳排放总量的16%（陈松文等，2021），是农业碳排放的主要来源。同时，在秸秆还田和施用有机肥条件下，稻田CH4排放量还会大幅增加（逯非等，2010；李静等，2016；Hu et al.，2020；Cao et al.，2021）。此外，不同农区在气候条件、土壤类型和耕层土壤有机质含量等方面差距较大，不同区域耕地固碳能力提升所面临的问题不同。辽宁省是中国重要的优质水稻主产区，合理评估养分管理措施对稻田固碳减排的作用，对保障水稻粮食安全供给，降低温室气体排放强度，提高农业生态系统固碳增汇能力，实现农业方面的碳达峰和碳中具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 地区概况

辽宁省位于东北地区南部，地处38°43′－43°26′N，118°53′－125°46′E，属温带季风气候。年日照时数2100－2600 h，全年平均气温在7－11 ℃之间，无霜期在150 d以上，年降水量在600－1100 mm。水稻是该地区的第二大粮食作物，全部为粳稻，常年种植面积5×105hm2上。气候条件和土壤肥力是影响稻田碳排放的主要因素，因此，按照辽宁省水稻主产区气候特点和土壤类型可以分为辽河三角洲、辽宁中北部平原和辽宁东南部山地丘陵3个稻作区（表1）（张钦，2018）。

表1 辽宁省水稻主产区划分Table 1 Division of main rice producing areas in Liaoning Province

1.2 稻田碳平衡估算范围

本文仅估算养分管理对水稻生产引起的碳排放，包括施用化肥、有机肥和秸秆还田等引起的稻田直接排放，以及化肥和有机肥生产过程导致的间接排放。不考虑水稻收获，离田收储运、加工转化与利用等过程各类能源及化学农药投入品的碳排放。稻田固碳潜力仅估算0－20 cm耕层土壤对有机碳的固定，忽略水稻生长过程中光合作用固定的CO2。

1.3 稻田碳排放估算

遵循《2006年IPCC国家温室气体清单指南2019修订版》的基本框架和要求，按照《省级温室气体清单编制指南》规定，估算稻田温室气体排放，相关计算方法如下：

1.3.1 稻田甲烷排放估算

其中：

E——稻田CH4排放量（t）；

F——IPCC推荐东北单季稻田CH4排放因子；

i——施肥方式，本文单施化肥取值168.0 kg·hm-2，有机无机肥配施取值200.0 kg·hm-2；

Fo——IPCC推荐的秸秆还田后稻田CH4排放修正系数；

A——水稻种植面积（1×103hm2）；

D——每季秸秆干物质还田量（t·hm-2）；

C——转换系数，参考IPCC的报告取值0.29；

Y——稻谷产量（t·hm-2）；

Rp——水稻草谷比取值0.91（刘晓永等，2017）；

S——秸秆还田系数，按照当前农机作业水平可以实现90%秸秆还田估算，取值0.9；

Fp——风干稻草的干质量比，参考省级《省级温室气体排放清单编制方案》取值0.855；

Mc——以100 a为时间尺度，单位质量CH4的GWP是CO2的25倍，计算温室气体排放CO2当量Tg·a-1。

1.3.2 稻田氧化亚氮排放估算

施肥对稻田氧化亚氮排放影响包括直接排放（Nz）和间接排放（Nj）两部分。

其中：

Nz——由稻田当季N输入引起的排放（t），主要包括化肥Nf、有机肥Nm和秸秆还田Ns；

EF——IPCC推荐的东北区农用地N2O直接排放因子，取值0.0114 kg·kg-1；

A——水稻种植面积（1×103hm2）；

Nf——化学肥料输入氮素；

Fe——化肥用量；

g——化肥含氮量；

Nm——有机肥输入氮素；

Mo——有机肥施用量；

h——有机肥平均含氮量；

Ns——秸秆还田输入氮素；

Y——籽粒产量；

Rp——草谷比；

S——秸秆还田系数；

k——秸秆含氮率；

Nr——由施入农田的化肥和有机肥等氮氧化物（NOx）和氨（NH3）挥发经过大气氮沉降引起的N2O排放（t），化肥和有机肥的挥发速率分别采用IPCC推荐值10%和20%估算，排放因子采用IPCC的推荐值0.01；

Nl——由通过淋溶或径流损失进入水体而引起的N2O排放，根据IPCC推荐按照农用地总氮输入量的20%来估算，流失因子采用IPCC的推荐值0.0075；

Nj——稻田间接排放总量（t）；

Nc——以100 a为时间尺度，单位质量N2O的GWP为CO2的298倍，计算温室气体排放CO2当量Tg·a-1。

1.3.3 稻田碳排放量估算

式中：

C——稻田碳排放总量（Tg·a-1），以100 a为时间尺度，计算温室气体排放二氧化碳当量；

G——单位产量碳（CO2-eqv）排放强度（t·t-1）；

Y——稻谷产量（t）；

T——单位耕地面积碳（CO2-eqv）排放强度（t·hm-2）；

A——水稻种植面积（1×103hm2）。

1.4 化肥替代减施碳减排潜力估算

以农民习惯施肥且不施用任何一种有机肥（秸秆、绿肥、粪肥）的养分投入量作为水稻生产养分本底值，分别对比推荐施肥、有机无机配施（有机肥等养分部分替代化肥）和秸秆还田（秸秆等养分部分替代化肥）情景下，化肥替代减施带来化肥生产过程碳减排。

式中：

Es——化肥生产过程碳（CO2-eqv）减排总量（t）；

44/12——单质C和CO2等相对分子质量转换系数；

T——化肥替代削减量（kg·hm-2）；

a——IPCC推荐的化学氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥制造过程的温室气体排放系数，分别为2.116、0.636、0.180 kg·kg-1；

i——化学肥料种类；

A——水稻种植面积（1×103hm2）。

1.5 稻田土壤固碳速率估算

式中：

Ct——0－20 cm耕层土壤固碳（C）潜力（Tg·a-1）；

Ci——施用有机物料后稻田土壤固碳（C）速率；

i——有机物料种类，秸秆还田和有机培肥的固碳速率分别按0.76 t·hm-2·a-1（金琳等，2008）和0.32 t·hm-2·a-1（任凤玲，2021）；

A——面积（1×103hm2）；

MC——施用有机物料后土壤固碳（CO2-eqv）对减缓全球变暖的贡献（Tg·a-1）；

44/12——将土壤固碳折算土壤碳库固持大气CO2当量转换系数；

RS和RM——秸秆还田和施用有机肥后稻田碳增排的全球增温潜势与土壤固碳对减缓全球变暖贡献的对益抵消率；

CS——秸秆还田稻田碳排放；

Cm——有机培肥碳排放；

CN——单施化肥碳排放。

1.6 数据来源

各稻作区农民习惯施肥量依据课题组2020年对3个水稻主产区选择高、中、低产代表乡镇的调研数据加权平均获得，推荐施肥量根据课题组多年多点试验利用线性加平台函数模型计算确定（宫亮等，2021）；有机无机肥配施比例及用量参考辽宁省地方标准“DB21/T 3479—2021”《稻田利用有机物料替代化学氮肥技术导则》（辽宁省农业科学院，2021）的规定进行估算（表2），其中，有机肥中N、P2O5、K2O养分含量分别按照2.0%、1.5%和1.7%估算。为减少产量和种植面积等年际间波动对水稻秸秆资源量估算的影响，基于2018－2020年辽宁省统计年鉴的各市的水稻年播种面积和产量对秸秆数量及养分资源量进行估算。水稻秸秆N、P2O5、K2O养分含量按照0.83%、0.27%和2.06%计算（宋大利等，2018；程文龙等，2020；李一等，2020），秸秆还田N、P2O5、K2O当季养分释放率分别按照47.19%、66.69%和84.91%计算（刘晓永等，2017）。

表2 不同稻作区肥料施用量Table 2 Fertilizer partial productivity in different rice producing area kg·hm-2

2 结果与分析

2.1 不同养分管理条件下稻田碳排放总量特征

对比不同养分管理条件下全省稻田碳排放总量表明（图1），农民习惯施肥碳排放总量（CO2-eqv）为2.61 Tg·a-1，优化施肥碳排放总量（CO2-eqv）为2.58 Tg·a-1，可减少碳排放（CO2-eqv）0.03 Tg·a-1，具有一定减排效应。有机培肥和秸秆还田碳排放总量（CO2-eqv）分别为3.03 Tg·a-1和3.97 Tg·a-1，较常规施肥增排16.09%和52.11%，具有明显的增排效应。从稻田碳排放来源看（图1），不同养分管理措施条件下，CH4排放量（CO2-eqv）为2.13－3.39 Tg·a-1，N2O直接和间接排放量（CO2-eqv）分别为0.37－0.40 Tg·a-1和0.08－0.09 Tg·a-1，碳排放来源从大到小依次为CH4>N2O直接排放>N2O间接排放，CH4是稻田碳排放的主要来源。对比不同稻作区碳排放总量表明（图2），不同养分管理条件下，中北部平原稻区碳排放量（CO2-eqv）均最高，达到1.19－1.82 Tg·a-1，东南部山地丘陵稻区排放量（CO2-eqv）均最低，为0.43－0.66 Tg·a-1。

图1 不同养分管理条件下稻田碳排放总量Figure 1 Total carbon emissions from paddy fields under different nutrient management conditions

2.2 不同养分管理条件下稻田碳排放强度特征

不同养分管理条件下，稻田单位面积碳排放强度（CO2）均以辽河三角洲稻区最高（图3），达到5.17－8.08 t·hm-2·a-1，东南部山地丘陵稻区最低为4.94－7.49 t·hm-2·a-1。单位产量碳排放强度（CO2）则以东南部山地丘陵稻区最高（图4），达到0.66－1.01 t·t-1·a-1，辽河三角洲稻区最低，为0.54－0.84 t·t-1·a-1。稻田单位面积碳排放强度（CO2）和单位产量碳排放强度（CO2）均以秸秆还田最高，分别为7.49－8.08 t·hm-2·a-1和0.84－1.01 t·t-1·a-1，较常规施肥增加了49.96%－52.68%和50.30%－52.46%。有机培肥稻田单位面积碳排放强度和单位产量碳排放强度（CO2）分别为5.97－5.99 t·hm-2·a-1和0.62－0.80 t·t-1·a-1，较常规施肥增加了12.48%－19.59%和12.03%－19.70%。优化施肥稻田单位面积碳排放强度和单位产量碳排放强度分别较常规施肥降低了0.10%－2.86%和1.04%－3.05%。

图3 不同养分管理条件下单位面积碳排放强度Figure 3 Carbon emission intensity per unit area under different nutrient management conditions

图4 不同养分管理条件下单位产量碳排放强度Figure 4 Carbon emission intensity per unit yield under different nutrient management conditions

2.3 不同养分管理条件下化肥减施替代碳减排潜力估算

优化施肥、有机无机配施和秸秆还田均可通过降低或者替代化肥用量，从而减少化肥生产过程带来的碳排放。从图5a中可见，优化施肥条件下不同稻作区碳减排潜力（CO2-eqv）从大到小依次为辽河三角洲>东南山地丘陵>中北部平原，其中，氮肥减排潜力为0.18－5.30 t·a-1，磷肥减排潜力（CO2-eqv）为0.06－0.39 t·a-1。虽然辽河三角洲稻作区需要增施钾肥从而增加了碳排放（CO2-eqv）0.06 t·a-1，但由于氮肥和磷肥有较大减排潜力，因此减排总量仍达到5.50×104t·a-1，高于其他稻作区。其他稻作区钾肥减排潜力（CO2-eqv）为0.04－0.06 t·a-1。不同养分元素减排潜力从大到小依次为N>P2O5>K2O。

图5 不同条件下化肥减施替代碳减排潜力Figure 5 Carbon reduction potential of chemical fertilizers under different nutrient management conditions

有机无机配施条件下不同稻作区碳减排潜力（CO2-eqv）从大到小依次为辽河三角洲>中北部平原>东南山地丘陵（图5b），减排量分别为14.20×104t·a-1、10.23×104t·a-1和3.78×104t·a-1，其中，氮肥减排潜力（CO2-eqv）为2.64－12.00 t·a-1，磷肥减排潜力（CO2-eqv）为0.94－1.78 t·a-1，钾肥减排潜力（CO2-eqv）为0.21－0.62 t·a-1，不同养分元素减排潜力从大到小依次为N>P2O5>K2O。

秸秆还田条件下不同稻作区碳减排潜力（CO2-eqv）从大到小依次为辽河三角洲>中北部平原>东南山地丘陵（图5c），减排量分别为12.92×104、8.52×104和3.36×104t·a-1，其中，氮肥减排潜力（CO2-eqv）为2.01－10.19 t·a-1，磷肥减排潜力为0.64－0.93 t·a-1，钾肥减排潜力为0.72－2.12 t·a-1，不同养分元素减排潜力从大到小依次为N>K2O>P2O5。各稻作区间比较以辽河三角洲稻区碳减排空间最大，不同养分元素间比较以氮肥减施带来的碳减排潜力最大，不同养分管理措施间比较以有机无机配施碳减排空间最大。

2.4 不同养分管理条件下稻田碳平衡

秸秆还田碳排放与土壤固碳量特征如图6a所示，在不同稻作区增排效应从大到小为中北部平原>辽河三角洲>东南部山地丘陵，碳排放量（CO2-eqv）分别增加0.63、0.51和0.22 Tg·a-1，0－20 cm土壤固碳量（CO2-eqv）分别为0.65、0.52和0.22 Tg·a-1，碳排放增加对土壤固碳抵消率达89.34%－99.03%。有机无机配施碳排放与土壤固碳量特征如图6b所示，在不同稻作区碳增排效应表现出与秸秆还田相同的趋势，但增排量（CO2-eqv）更低，分别增加0.21、0.12和0.09 Tg·a-1，0－20 cm土壤固碳量（CO2-eqv）分别为0.28、0.22和0.10 Tg·a-1，碳增排对土壤固碳抵消率达56.68%－82.52%。有机无机配施和秸秆还田均能通过土壤固碳抵消其增加的碳排放。

图6 不同养分管理条件下稻田碳增排与土壤固碳特征Figure 6 Characteristics of carbon increase and release and soil carbon sequestration in rice field under different nutrient management conditions

3 讨论

3.1 养分管理方式对稻田碳排放总量和碳排放强度的影响

有研究结果表明，施用氮肥是稻田N2O排放的重要来源之一（石生伟等，2011；武开阔等，2019），其对N2O排放的贡献高于施用有机肥（熊正琴等，2003），且随着氮肥用量的增加，N2O的排放也呈明显增加趋势（姜珊珊等，2017；Tang et al.，2018；彭术等，2019），减施氮肥则可显著降低稻田碳累积排放量（马艳芹等，2016；顾一凡，2019）。本研究也得到类似的结论，优化施肥可以降低氮肥施用量，降低碳排放强度，从而直接减少稻田碳（CO2-eqv）排放3.40×104t·a-1，其中，N2O直接排放减少2.70×104t·a-1，占优化施肥稻田减排总量的90.00%。同时，优化施肥、有机无机配施和秸秆还田均可通过降低或者替代化肥用量，从而减少化肥生产过程带来的碳排放。其中，氮肥减排潜力（CO2-eqv）为0.18－12.00 t·a-1，磷肥减排潜力为0.06－1.78 t·a-1，钾肥减排潜力为0.04－2.12 t·a-1，不同养分元素间比较以氮肥减施带来的碳减排潜力最大。稻田温室气体增温潜势和排放强度与CH4和N2O排放量、作物产量有直接关系。有研究者认为秆秸还田会增加稻田N2O（张卫红，2016；王小淇等，2017；徐祥玉等，2017）和CH4（Jiang et al.，2019）排放通量，施用有机肥也导致更多CH4排放，且CH4排放量随有机肥施用量的增加而增加（蒋静艳等，2003）。本文研究结果与上述结论一致，与常规施肥相比，秸秆还田和施用有机肥分别增加碳（CO2-eqv）排放1.36 Tg·a-1和0.42 Tg·a-1，其中，CH4排放量分别增加63.13%和19.12%，是主要碳增排来源。但本文估算的秸秆还田条件下CH4增排量高于逯非等（2010）等对辽宁地区秸秆还田碳增排量，这主要是因为本文考虑90%秸秆还田条件下的碳排放，高于其估算的50%秸秆还田量。

稻田单位面积碳排放强度（CO2）以辽河三角洲稻区最高，达到5.17－8.08 t·hm-2·a-1，单位产量碳排放强度（CO2）则以东南部山地丘陵稻区最高，达到0.66－1.01 t·t-1·a-1，同时，稻田施用秸秆CH4排放量和碳排放强度均高于有机肥，这与前人研究结果一致（邹建文等，2003）。秸秆的施入显著增加了温室气体排放强度，在不同稻作区分别增加49.96%－52.68%，这与刘章勇等（2022）研究结果一致。化肥减施则减低的碳排放强度0.10%－2.86%，这与韩继明等（2016）研究结果类似。

3.2 稻田固碳效应及其影响因素

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其中，农田生态系统碳储量易受人类活动的影响（李妙宇等，2021），从而影响大气CO2浓度（齐鹏等，2021）。增加外源有机物的投入是土壤有机质提升的有效途径之一。金琳等（2008）用Meta分析法估算了中国不同农田管理措施的土壤固碳效果表明，化肥与有机肥配施的固碳作用最大，其次为秸秆还田。有机无机配施可更有效促进>0.25 mm土壤大团聚体内微团聚体的形成（朱利群等，2012；李清华等，2015），提升不同粒径下C、N含量（李清华等，2015），显著提高土壤的固碳速率（余喜初等，2011；胡志华等，2017），从而提高农田耕层SOC含量（徐蒋来等，2016；董丽等，2021）。按照有机无机肥配施比例3:7施用40年后，稻田土壤有机碳和活性、惰性碳的含量均显著增加，土壤固碳量（CO2-eqv）年均提升0.42 Tg·a-1（缪玉琳等，2023），高于本研究估算的0.10－0.28 Tg·a-1，主要原因为本文有机无机配施比例按照2:8估算，有机肥施用量较低，并且本文估算引用的有机肥固碳效率为北方稻区多点平均值，低于其连续40年施用有机肥的固碳效果。秸秆还田可以通过有机碳的直接输入使土壤活性碳含量增加（Liu et al.，2018），实现固碳（韩冰等，2008；吴金水等，2018）。长期秸秆还田或施用有机肥的固碳效果更显著（张翰林等，2015；Zhao et al.，2017）。蒋正德（2022）在辽河三角洲稻区连续8年采用水稻秸秋季打浆还田使稻田0－40 cm 层土壤有机碳固持量（CO2-eqv）增加了0.94 Tg·a-1，高于本就研究估算的0.52 Tg·a-1，主要是因为其采用了深翻作业，显著增加了20－40 cm土壤有机碳含量。董桂军等（2019）在寒地稻区连续7年多点采用水稻秸秆粉碎还田，使稻田0－20 cm层土壤有机质提升了2%，土壤碳固持量（CO2-eqv）增加了0.16－0.20 Tg·a-1，低于本就研究估算的与其气候相近的中北部平原稻区0.22 Tg·a-1，主要是因为其选择的长期定位监测点土壤有机质本底值在31.2－38.2 g·kg，处于较高水平，且寒地秸秆腐解速率较慢，因此土壤固碳量提升较慢。本文估算结果表明，有机无机配施0－20 cm土壤固碳量（CO2-eqv）达0.10－0.28 Tg·a-1，其碳增排对土壤固碳抵消率达56.68%－82.52%，具有明显的固碳作用。秸秆还田土壤固碳量（CO2-eqv）为0.22－0.65 Tg·a-1，其碳增排对土壤固碳抵消率达89.34%－99.03%，也有一定的固碳效果。总体而言，有机无机配施和秸秆还田均能通过土壤固碳抵消其增加的碳排放，这与前人研究结果一致（冯晓赟等，2016；赵峥等，2018）。

3.3 稻田固碳减排养分管理建议

稻田碳排放受土壤有机质、水肥管理和轮作制度等多种因素的共同影响，因地制宜的适当调整水肥管理，可以减少稻田温室气体排放，降低其增温潜势（谢立勇等，2017）。多项研究表明，减少化肥用量在一定程度上可以降低稻田温室气体排放（姜珊珊等，2017；彭术等，2019），消减化肥生产过程碳排放，减缓净温室效应。另外，使用脲酶抑制剂和硝化抑制剂可以提高氮肥利用率，抑制硝化速率，减少N2O排放（孙祥鑫等，2016；武开阔等，2019），用硫酸铵替代尿素也能显著降低CH4排放（韩自强等，2019）。秸秆还田方式也会影响稻田CH4的排放，秸秆粉碎还田较覆盖还田有更高的CH4排放量（Nie et al.，2020），稻秸秋季打浆还田则有利于耕层土壤有机碳固持（蒋正德，2022），配施秸秆腐熟剂能够显著增加微生物生物量，降低温室气体排放强度（马煜春等，2017），新型覆膜栽培技术的提出也能使稻田增产减排（田伟等，2019）。因此，应加强稻田综合管理措施，探索稻田固碳减排新技术，进一步挖掘水稻生产对国家碳中和的贡献。