陳中督 徐春春 紀 龍 方福平

中國水稻研究所, 浙江杭州 311300

氮(N)是植物和動物蛋白質重要組成部分的基本元素。人為合成活性氮(Nr)對提高農作物產量, 滿足人類不斷提高的食物需求起巨大作用。但是, 農田中約有一半添加的氮素不能被作物完全利用, 而轉化成活性氮(如MH3、N2O、NOx、NH4+)形式釋放到環(huán)境中, 破壞了自然界氮素系統(tǒng)應有的平衡, 從而威脅空氣、土壤和水的質量, 如酸雨、灰霾、水體富營養(yǎng)化、生物多樣性威脅、臭氧層破壞, 甚至全球氣候變暖等嚴重影響[1-2]。20世紀, 我國農作物氮肥的施用量和活性氮的排放量都顯著增加。然而,農作物生長發(fā)育在各個階段活性氮排放的確切數值還沒有適當的量化。對這種分布的量化, 將有助于增強對作物活性氮損失流向的了解, 有助于確定研究和政策的優(yōu)先事項。

氮足跡最早是在印度新德里舉行的第五次國際氮素大會上提出的, 其普遍定義為某種產品或者服務在其生產、運輸、儲存以及消費過程中直接或間接排放的活性氮的總和[3]。當前, 氮足跡研究才剛剛起步, 其概念及研究方法等都處于探索發(fā)展階段。農業(yè)領域的氮足跡評價方法主要包括自上而下的投入產出法和自下而上的生命周期方法。前者多用于宏觀尺度, 后者較多用于微觀尺度, 具體到某個產品的產出。不同方法的計算結果會有一定的差異,例如, Xue和Landis等[4]基于LCA方法計算的墨西哥谷物生產氮足跡(2.65 g N-eq kg-1), 而Pierer等[5]根據投入-產出法計算奧地利谷物氮足跡為 21.9 g N-eq kg-1。不同研究對農作物生產的氮足跡測算結果存在差異。目前全國尺度作物氮排放的相關研究較少, 針對作物全國尺度生產氮足跡以及排放清單的研究有助于更好地理解中國作物生產對生態(tài)環(huán)境的影響和如何實現作物綠色健康生產。

油菜是我國食用油和蛋白質飼料的主要來源,油用比例為 100%, 菜籽油是我國傳統(tǒng)的食用油, 已占國產油料作物產油量的 57%以上, 在我國食用油市場中具有十分重要的地位。截止到2014年, 我國油菜年均種植面積約為 750萬公頃, 總產量約為1477.22萬噸, 占油料作物總產量的42%, 種植面積和產量均占世界首位[6-7]。目前, 我國油菜分布較廣泛,以長江、黃淮流域為主, 以六盤山和太岳山為界限,大致分為冬油菜和春油菜兩大產區(qū)。然而, 隨著農戶對產量需求的不斷增加, 其農資投入逐步增加, 尤其是氮肥的施用, 多地出現過量施氮以及偏施氮肥的現象[8], 每年施用到農田中的氮肥有相當大比例被釋放到環(huán)境中, 形成活性氮(Nr), 造成空氣污染、平流層臭氧耗竭和富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境問題[9]。協調好作物持續(xù)高產和生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾, 一直是備受關注的問題。因此, 研究我國油菜生產氮足跡,并分析各組分氮足跡貢獻率, 將填補目前我國經濟作物生產氮足跡研究的空白, 對于我國綠色農業(yè)的發(fā)展有重要意義。本研究利用農業(yè)氮足跡理論及生命周期評價法定量核算2004—2015年我國油菜生產氮足跡及其清單組成排放的動態(tài)變化為基礎, 分析各省級區(qū)域油菜生產氮足跡的時空變化特征及趨勢,以期為實現我國綠色農業(yè)提供理論支撐與科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

數據來自內蒙古、上海、江蘇、浙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、重慶、四川、貴州、云南、陜西、甘肅、青海16個省、區(qū)、市, 基本覆蓋了我國油菜生產的主要區(qū)域。油菜生產中各項投入與產出的數據來自《2004—2015年全國農產品成本收益資料匯編》和其他相關統(tǒng)計報表, 主要包括單位面積油菜的產量、柴油使用量、肥料的施用量等。柴油費用 = (機械作業(yè)費+排灌費-水費)×21%+燃料動力費[10], 每年柴油單價數據來源于我國油價網數據庫(http：//youjia.chemcp.com/)。農藥沒有歷年統(tǒng)計數據, 故采用本實驗室2015年的統(tǒng)計數據。

1.2 計算方法

圖1 活性氮排放計算邊界Fig. 1 System boundary for calculating greenhouse gas (GHG) emissions

氮足跡計算邊界為油菜種植期內活性氮損失量,主要包括農資氮足跡(種子、肥料、農膜、農藥等生產、運輸和施用產生的活性氮排放)和田間直接活性氮損失量, 包括NH3揮發(fā)、N2O排放、NO3-和NH4+淋失等(圖1)。式中,NF為油菜生產單位面積氮足跡(g N-eq hm-2)；n表示該油菜生產系統(tǒng)從播種到收獲整個過程消耗的農業(yè)生產資料種類和農事操作(化肥、農藥、柴油等),δ表示某種農資的消耗量(kg),mN表示某種農資的活性氮排放參數(表1), 本研究排放參數主要源于梁龍等[12]研究數據。NH3揮發(fā)、N2O排放、NO3-和NH4+淋失產生的氮足跡值計算方法參考ISO 14044[11]。

為評價油菜生產中活性氮損失排放對環(huán)境的影響, 本研究依據國際標準化組織提供的《環(huán)境管理——生命周期評價——要求和指南》生命周期評價要求, 通過CML提供的方法將不同形態(tài)的活性氮轉化為富營養(yǎng)化潛勢以便求和計算[11]： NF=作物生產的單位產量氮足跡(NFy)的計算： NFy=NF/Y, 式中,Y指油菜產量。

1.3 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2011和SPSS 17.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, US) 軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析, 采用Microsoft Excel 2011和SigmaPlot 12制作圖表。采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 我國油菜生產氮足跡組成及總體變化趨勢

油菜生產活性氮排放平均為7572.0 g N-eq hm-2,主要包括農資投入活性氮排放和田間直接氮損失,分別占25%和75%左右。從表2中可以看出, 農資投入活性氮排放中, 以肥料投入所占比例最高, 為單位面積氮足跡的91%～95%, 化肥投入所產生的氮足跡呈現逐年下降的趨勢, 年均降低幅度為0.9%。其中不同形式肥料形式表現為氮肥(82.4%)＞復合肥(13.8%)＞磷肥(3.3%)＞鉀肥(0.5%)。氮肥、磷肥、鉀肥呈逐年下降趨勢, 分別為2.1%、3.2%和4.3%, 而復混肥呈現逐年上升的趨勢, 增加的氮足跡被氮肥、磷肥、鉀肥連年下降的氮足跡所抵消。農藥施用對油菜生產氮足跡占比約為 3%左右, 其中貢獻率表現為殺菌劑＞除草劑≈殺蟲劑。耕作及收獲等農事操作所產生的柴油氮足跡隨著年份的增加呈現逐年增加的趨勢, 增加幅度為 20.5%, 占到農資活性氮排放的 1%～6%。田間直接氮損失主要包括 NH3揮發(fā)、N2O排放、NO3-和NH4+淋失。NH3的揮發(fā)是油菜氮足跡主要來源, 所占比例約為 54%。其次為NH4+的淋失, 所占氮足跡比例約為 14%。NO3-淋失和N2O排放所帶來的活性氮損失量最低, 貢獻度約為4%。從圖2可以看出, 2004—2015年我國油菜單位面積氮足跡呈逐年下降趨勢, 年均下降幅度為1% (R2=0.7068,P＜0.01)。油菜單位產量氮足跡呈呈現出波動趨勢, 在 2007年和2013年分別達到最低值, 分別為3.57 g N-eq kg-1和3.37 g N-eq kg-1。

表1 農業(yè)投入資料的活性氮排放系數Table 1 Index of active nitrogen emission of different material for agricultural production

表2 2004-2015年我國油菜生產單位面積氮足跡大小及組成Table 2 Composition of nitrogen footprint of oilseed rape production of China from 2004 to 2015

圖2 2004-2015年我國油菜生產單位面積氮足跡(a)、單位產量氮足跡(b)變化情況Fig. 2 Nitrogen footprint per unit area (a) and nitrogen footprint per unit yield (b) in oilseed rape production of China from 2004 to 2015

2.2 全國各省油菜生產氮足跡分析

我國2004—2015年間油菜生產氮足跡存在顯著的地域差異(圖3)。單位面積氮足跡表現為內蒙古、上海、江蘇三省區(qū)最高, 分別為 10,686.4、10,962.5和11,679.5 g N-eq hm-2。最低的省份為青海、甘肅、安徽、湖北、湖南、四川等, 年均值介于5321～5453 g N-eq hm-2之間, 與最高值相比, 差值將近一半。2004—2015年間, 中國 16個油菜種植省份中有 12個單位面積氮足跡變化率表現為負值, 即表明中國大部分油菜種植省份單位面積氮足跡表現為下降趨勢, 其中內蒙古油菜氮足跡年均下降幅度最大。各省份單位產量氮足跡分布與單位面積氮足跡類似,內蒙古依舊最高, 為12.7 g N-eq kg-1, 最低值出現在青海和甘肅, 分別為2.59和2.76 g N-eq kg-1。過去 12年中, 單位產量氮足跡的變化率為-0.006～0.008 g N-eq kg-1yr-1, 除四川、貴州、云南和陜西4個省份外, 單位產量氮足跡均呈現出下降趨勢, 其中內蒙古下降幅度最大, 為-0.307 g N-eq kg-1yr-1。

2.3 我國冬油菜典型生產省份氮足跡、投入及構成分析

以上海、江蘇、浙江為冬油菜高產區(qū), 安徽、江西、湖南為冬油菜低產區(qū), 對比分析我國冬油菜氮足跡、投入及構成。從表 3可以看出, 我國冬油菜高產省份平均單產為2328.0 kg hm-2, 較低產省份提高了36.2%。與低產省相比, 高產省單位面積氮足跡和單位產量氮足跡分別提高了 76.8%、31.3%(P＜0.05)。高產省份單位面積農資投入中, 氮肥、磷肥、復合肥產生的氮足跡值均高于低產省份, 分別提高了 80.6%、76.9%和 57.8%, 差異達顯著水平(P＜0.05), 但是鉀肥顯著低于低產省份, 降低幅度為68.0%, 其他農資投入如柴油等差異不顯著。油菜田間活性氮直接損失不同省份間差異顯著, 高產省份比低產省份提高了 78.1%, 差異達顯著水平(P＜0.05)。

圖3 我國各省份2004-2015年油菜生產單位面積氮足跡、單位產量氮足跡及其變化率分布Fig. 3 Distribution of nitrogen footprint per unit area, nitrogen footprint per unit yield and their trends of oilseed rape production during 2004-2015 in each province of China

表3 我國典型省份冬油菜氮足跡、投入及產業(yè)構成Table 3 Nitrogen footprint, input and composition of industry in typical provinces of China

(續(xù)表 3)

2.4 我國油菜產量和氮足跡的相關性

我國油菜產量與單位面積氮足跡之間存在顯著的相關性, 隨著油菜產量的增加其單位面積氮足跡也呈現出增加的趨勢, 其中油菜每公頃產量增加 1 kg, 其單位面積氮足跡增加3.87 g N-eq hm-2(R2=0.26；P= 0.0003)。在單位面積油菜產量增加的條件下, 單位產量氮足跡呈現出下降的趨勢, 即每公頃油菜的產量增加 1 t, 其單位產量氮足跡降低 1.2 g N-eq kg-1(R2= 0.17；P＜ 0.0001)。從本研究發(fā)現, 油菜生產單位面積氮足跡、單位產量氮足跡與油菜產量之間不存在顯著的相關性(圖4), 表明油菜生產氮足跡受多種因素的影響。

圖4 中國油菜產量與單位面積氮足跡(a)和單位產量氮足跡(b)的關系Fig. 4 Relationship between the yield of rapeseed and nitrogen footprint per unit area (a) or nitrogen footprint per unit yield (b) in China

3 討論

3.1 我國油菜生產氮足跡大小及構成

油菜作為作物多樣化的主要作物, 可以充分利用土地資源, 改善農田小氣候, 降低次年病蟲害的發(fā)生, 比傳統(tǒng)的單一栽培耕作制度具有巨大的環(huán)境優(yōu)勢[13]。然而目前對于油菜作物生產本身所帶來的環(huán)境影響評估較少。本研究表明, 2004—2015年我國油菜生產單位面積氮足跡年均 7572.0 g N-eq hm-2,呈逐年下降趨勢, 年均下降 1% (R2= 0.7068,P＜0.01), 該值遠高于歐美國家等油菜生產氮足跡。當前, 我國油菜生產農資投入水平普遍高于發(fā)達國家。本研究發(fā)現, 我國油菜生產農資投入氮足跡中肥料所占比例較高, 占 90%以上。合成氮肥的施用率約為發(fā)達國家的兩到三倍。鄒娟等[14]指出油菜氮肥農學效率為6.2 kg kg-1N, 利用率較低。現階段,油菜生產通過調整施肥量、改變施肥時期和施肥方法, 選用適當的肥料品種能夠在實現作物增產的同時適當降低氮肥投入氮排放。其次, 中國嚴重依賴煤炭獲取各種能源和材料的生產, 由于煤的能源效率較低, 農資投入的活性氮排放系數顯著高于發(fā)達國家, 從而導致更高的活性氮排放[15-16]。此外, NH3的揮發(fā)是主要的氮足跡來源, NH3的揮發(fā)量隨著氮肥施用量的增加呈線性增加趨勢[17]。有研究表明,免耕提高了土壤酶活性, 促進了氮肥水解, 此外,免耕有利于土壤有機質在表層富集, 降低肥料與土壤顆粒接觸的機率, 從而降低土壤顆粒對肥料的固定, 促進 NH3揮發(fā)[18]。因此油菜種植過程氮足跡主要考慮田間種植環(huán)節(jié)的活性氮排放, 應因地制宜發(fā)展適合的田間管理措施, 減少氮素以NH3和NO3-的形式流失, 進而減少田間種植環(huán)節(jié)產生的活性氮排放。2006—2013年期間, 我國油菜生產單位產量氮足跡出現明顯的波動, 原因可能在于我國油菜產量的階段性變化。2005年以來, 中央持續(xù)減輕農民稅賦及增加農民種油菜補貼政策面, 對激發(fā)油農種植積極性產生較大影響, 從而提高了我國油菜種植面積和產量[19]。2007年我國油菜產量達到最高值, 較2005年提高了14.4%, 從而降低了單位產量氮足跡。2008年以后, 我國加大了大豆、棕櫚油等油料大量進口, 致使菜籽價格持續(xù)走低, 再加上小麥種植補貼、良種補貼和綜合補貼, 使農民種植油菜的積極性受到很大的影響, 降低了油菜單位產量, 從而提高了油菜單位產量氮足跡[20]。

3.2 我國省級區(qū)域間油菜生產氮足跡差異

我國油菜生產氮足跡存在明顯的地域特征, 春油菜以內蒙古北方地區(qū)單位面積氮足跡最高, 而冬油菜以東部沿海地區(qū)單位面積氮足跡較高。主要由于各地區(qū)油菜種植品種不同, 地處不同環(huán)境, 氣候條件存在較明顯差異, 農作措施也存在顯著差異,從而使得農資投入水平及油菜田之間活性氮排放存在差別。東北沿海地區(qū), 農戶收入水平較高, 耕整地機械化水平較高, 從而提高了柴油等農資投入的增加。再者, 受到經濟、技術、交通等因素的制約, 各地區(qū)肥料施用量存在較大差異, 各結構組分的比例也不同。東部沿海地區(qū)油菜種植肥料投入水平較高,而中部地區(qū)投入水平較低, 較難滿足農業(yè)生產水平的需求。2004—2015年, 春油菜生長區(qū), 如內蒙古、甘肅等省區(qū)單位氮足跡下降較快, 活性氮排放壓力減少, 主要原因是隨著我國工業(yè)化進程的加快, 降低了肥料的使用量, 肥料利用率顯著提高, 從而大幅度減少了活性氮排放量。

3.3 我國油菜生產減氮策略

油菜是需氮量大的作物, 氮素對油菜的生長發(fā)育尤為重要。本研究表明, 我國油菜生產的減氮策略應優(yōu)先考慮減少肥料以及農田NH3的揮發(fā)?，F階段, 在油菜施肥方面, 避免盲目施肥, 應多采用科學有效的實施方案, 對油菜生長過程中氮素養(yǎng)分狀況進行診斷并據此指導施肥管理, 提高氮肥利用效率的目標。目前, 主要通過葉綠素儀分析數字圖像以及光譜氮素診斷等現代無損診斷技術對作物生長過程中的氮素營養(yǎng)進行診斷[21]。張筱蕾等[22]利用高光譜成像技術獲取油菜生育期葉片高光譜圖像數據,通過模型比較分析同一葉片或不同葉片氮素水平的差異性快速確定油菜營養(yǎng)狀況, 優(yōu)化施肥管理措施。其次, 綜合考慮不同輪作、秸稈還田條件下土壤氮素供應特點及后效, 統(tǒng)籌氮肥的施用； 配合合理密植、水肥管理、同其他元素肥料配施、機械深施等措施, 以協同增效的方式實現油菜的高產和氮肥的高效[23]。

3.4 研究局限性

本研究是基于統(tǒng)計年鑒中農作物面積、產量、化肥投入和其他農業(yè)投入計算和分析, 而不同的數據庫之間數據質量存在一定偏差, 影響最后結果的準確度。例如《2004—2015年全國農產品成本收益資料匯編》中沒有柴油使用量的基礎數據, 本研究只能借鑒崔曉晨等[18]建立的農作物作業(yè)效益與作業(yè)量和成本之間的函數關系計算得出, 每年柴油單價數據來源于我國油價網數據庫(http：//youjia.chemcp.com/)。其次, 不確定性還來源于活性氮排放因子的選取, IPCC (2006)對全球數據整合分析得出氧化亞氮的直接排放因子, 但是, 區(qū)域間氣候、作物、土壤類型等因素的差別會導致排放因子的差異, 因此,采用單一的排放因子會給研究帶來一定的不確定性。另外, 本研究采用生命周期評價法, 系統(tǒng)邊界存在一定的爭議, 例如計算氮足跡時是否考慮人工投入、機械磨損等。這些爭議需要國內外學者進一步討論和完善, 為農作物氮足跡的研究制定一套統(tǒng)一的評價體系。

4 結論

我國油菜生產單位面積氮足跡隨年限增加表現下降趨勢, 年均降低幅度為1%。2004—2015年, 油菜生產平均氮足跡以內蒙古、上海、江蘇 3個省、區(qū)、市較高。我國油菜生產活性氮排放主要來自氮肥投入和 NH3排放, 分別占油菜生產氮足跡的 20%和 54%。我國冬油菜高產省單位面積氮足跡和單位產量氮足跡顯著高于低產省, 其中氮肥、磷肥、復合肥產生的氮足跡值比低產省份分別高 80.6%、76.9%和57.8% (P＜0.05)。我國油菜單位面積氮足跡隨著油菜產量的增加呈增加趨勢, 但相關性不顯著。提高油菜生產氮肥利用效率和機械化作業(yè)效率是降低我國油菜生產氮足跡和提高單位產量的關鍵途徑。