王冠麗，孫鐵軍，劉廷璽*，程 功

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010018；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特010020）

溫室氣體所引起的環(huán)境問題已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了極大的重視，由此引發(fā)的氣候變暖、海平面上升等問題逐漸得到人們的廣泛關(guān)注[1]。碳足跡的研究是從生命周期的角度來(lái)研究某種人類活動(dòng)所引起的直接或間接的CO2排放并對(duì)其進(jìn)行度量[2-3]。對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)的碳足跡研究旨在系統(tǒng)地定量各項(xiàng)農(nóng)資投入和人類活動(dòng)引起的直接或間接的CO2排放之和，通過(guò)量化數(shù)值有效評(píng)估農(nóng)業(yè)活動(dòng)所排放的溫室氣體對(duì)全球環(huán)境的影響，并科學(xué)地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)節(jié)能減排[4]。

外國(guó)學(xué)者首先提出碳足跡的研究方法，并從不同的農(nóng)場(chǎng)類型[5]、農(nóng)業(yè)管理模式[6]和經(jīng)營(yíng)規(guī)模[7]等多重角度對(duì)農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)碳足跡的影響進(jìn)行了研究。我國(guó)對(duì)于碳足跡的研究起步較晚，有研究者使用國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)率先對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)碳足跡及其構(gòu)成進(jìn)行了研究[8]。研究農(nóng)業(yè)碳足跡的形成可以精準(zhǔn)了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體排放的主要原因[9]，并采取相對(duì)應(yīng)的措施改善農(nóng)業(yè)上過(guò)多釋放溫室氣體的行為。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，化肥是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要方式之一，但化肥造成的環(huán)境影響也是掣肘農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[9]。研究表明中國(guó)化肥所導(dǎo)致的碳排放占據(jù)碳排放總量的60%以上，比電能、柴油等其他農(nóng)資排放的總和還高[6]，因此探究其他可以提升農(nóng)作物產(chǎn)量的添加物的碳足跡對(duì)減少碳排放具有重要意義。

生物炭（Biochar）是指枯枝落葉、作物秸稈等農(nóng)林廢棄物和動(dòng)植物殘?bào)w等生物質(zhì)在完全無(wú)氧或部分缺氧的狀態(tài)下經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤馓炕a(chǎn)生的穩(wěn)定且富含碳的固態(tài)物[10-11]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物收割后廢棄秸稈量巨大，而秸稈是生物炭制作的重要原料之一，將秸稈制作成生物炭后還田不僅能夠有效增加土壤肥力并改變土壤理化性質(zhì)[12]，提高土壤固碳能力[13]，同時(shí)也能夠促進(jìn)土壤中的C、N 循環(huán)，進(jìn)而達(dá)到有效抑制土壤CO2和N2O 的排放、促進(jìn)土壤CH4吸收并提高作物產(chǎn)量的作用[14-16]。生物炭雖然得到了大范圍的普及和推廣，但也有研究表明添加生物炭會(huì)促進(jìn)農(nóng)田土壤溫室氣體的累積排放量[17-18]，且生物炭因其來(lái)源、熱解溫度以及試驗(yàn)區(qū)的土壤質(zhì)地、施用量和作物的不同而對(duì)土壤溫室氣體通量有著不同的影響[19-20]。

科爾沁地區(qū)土壤干旱，作物生長(zhǎng)條件惡劣，玉米產(chǎn)量較低，同時(shí)秋收后玉米秸稈一部分打碎留待過(guò)冬喂養(yǎng)牛羊，一部分焚燒，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。如果能將玉米秸稈制作成生物炭后進(jìn)行還田處理，不僅能夠提升作物產(chǎn)量[18]，還能夠解決焚燒秸稈對(duì)環(huán)境的破壞。因此本研究著重探究不同含量生物炭的施用對(duì)農(nóng)田作物產(chǎn)量和碳足跡的影響，以玉米秸稈制成的生物炭對(duì)科爾沁地區(qū)的玉米農(nóng)田進(jìn)行改造試驗(yàn)，觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的溫室氣體（CO2、CH4、N2O）通量及其他農(nóng)資（柴油、電消耗等）投入情況，旨在對(duì)施用生物炭對(duì)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的影響進(jìn)行研究，旨在對(duì)科爾沁地區(qū)的農(nóng)業(yè)活動(dòng)做出科學(xué)指導(dǎo)，有效提高作物產(chǎn)量并降低當(dāng)?shù)靥甲阚E。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁左翼后旗阿古拉鎮(zhèn)中的玉米農(nóng)田（122°39′18″E，43°20′24″N），地處科爾沁沙地東南。該區(qū)多年平均降雨量389 mm，主要集中在6—9 月；多年平均水面蒸發(fā)量（直徑為20 cm 的蒸發(fā)皿）1412 mm，主要集中在4—9月；多年平均相對(duì)濕度55.8%；多年平均氣溫6.6 ℃，年極端最低氣溫-33.9 ℃，年極端最高氣溫36.2 ℃，晝夜溫差大；年平均風(fēng)速3～4 m·s-1。研究區(qū)地理位置見圖1。

該處農(nóng)田為多年前由牧民開墾草甸而成，主要作物為玉米，整個(gè)生長(zhǎng)季（除播種時(shí)）無(wú)人為澆灌，玉米生長(zhǎng)水分全部依賴于天然降水和地下水。

1.2 土壤及生物炭理化性質(zhì)

本研究采用的生物炭為玉米秸稈在360 ℃下不完全燃燒24 h制成的生物炭，購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。供試土壤及生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置如圖1（右上）所示，為規(guī)避邊緣效應(yīng)，在農(nóng)田中間位置選取20 m×20 m 的區(qū)域，種植玉米品種為“先玉1411”，行距0.6 m，株距0.4 m，種植密度為65 000 株·hm-2，并將樣地分成9 塊6 m×6 m 的試驗(yàn)田并按照1～9 進(jìn)行編號(hào)，每?jī)蓧K試驗(yàn)田間設(shè)置1 m 寬的隔離帶。為了能夠較好地明晰施入不同含量生物炭對(duì)碳足跡的影響，本文在1、3、7、9 號(hào)4 塊試驗(yàn)田中分別設(shè)置4 個(gè)施用不同含量生物炭的對(duì)比試驗(yàn)（如圖1右上），每個(gè)處理的試驗(yàn)均設(shè)置3 個(gè)重復(fù)取氣點(diǎn)，其施用生物炭量分別為：0（CK）、15（C15）、30 t·hm-2（C30）和45 t·hm-2（C45）。玉米于2018 年5 月12—15 日播種，播種前使用旋耕機(jī)將生物炭與土壤均勻混合，混合深度為30 cm。生育期內(nèi)依照往年當(dāng)?shù)靥镩g種植管理，除播種時(shí)一次性灌溉外無(wú)人為灌溉，9 月下旬收割，稱量并計(jì)算單位面積上的玉米產(chǎn)量。

圖1 研究區(qū)地理位置與試驗(yàn)點(diǎn)布設(shè)Figure 1 Geographic position and distribution of soil-respiration sampling sites in the research area

表1 供試土壤及生物炭基礎(chǔ)性質(zhì)Table 1 Chemical properties of the soil and biochar used in the experiments

1.4 研究方法

生命周期評(píng)價(jià)是通過(guò)某種作物自播種至收割的整個(gè)成長(zhǎng)周期中輸入、輸出及其潛在的對(duì)環(huán)境的影響的匯編和評(píng)價(jià)，從而對(duì)作物在整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境的影響做出評(píng)估的方法，其目的在于對(duì)人為活動(dòng)造成的不良后果進(jìn)行分析并提出防治措施與手段。在對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行評(píng)估時(shí)，要充分凸顯對(duì)環(huán)境具有重大影響的因素。對(duì)于碳足跡而言，其生命周期評(píng)價(jià)的組成主要包括邊界、數(shù)據(jù)及計(jì)算3 部分，因此本研究計(jì)算、評(píng)價(jià)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡主要通過(guò)以下3個(gè)步驟：

（1）確定調(diào)查邊界；

（2）收集數(shù)據(jù)；

（3）計(jì)算玉米農(nóng)田的碳足跡。

1.4.1 調(diào)查邊界

本研究以科爾沁沙丘-草甸梯級(jí)生態(tài)系統(tǒng)中的玉米農(nóng)田作為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在整個(gè)生命周期中的農(nóng)業(yè)相關(guān)投資及產(chǎn)出過(guò)程的碳足跡。玉米種植的準(zhǔn)備材料包括種子、化肥等，但有研究表明：種子在生產(chǎn)過(guò)程中的碳足跡不到總體的0.1%[8]，因此本研究不考慮種子在整個(gè)生命周期中對(duì)碳足跡的影響。對(duì)于玉米生長(zhǎng)過(guò)程中溫室氣體通量（CO2、CH4及N2O）以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程中使用機(jī)械所產(chǎn)生的能源消耗則處于調(diào)查邊界以內(nèi)。作物收割之后的加工處理、貯藏、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)則不在本次調(diào)查邊界之內(nèi)。

1.4.2 數(shù)據(jù)收集

作物種植期間施用的基肥采用尿素、磷酸二銨、硫酸鉀按照N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2在播種同時(shí)施用。

柴油使用主要用于翻耕、播種、收割。其用量為：61.5 L·hm-2。

電力消耗主要為播種期引水灌溉，其用量為：7.3 kW·h·hm-2。

1.4.3 溫室氣體通量的觀測(cè)

2018年5—10月每7 d左右選取晴好天氣的9：00—11：00 時(shí)段，在所設(shè)立的取樣點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行溫室氣體通量（CO2、CH4、N2O）的原位取樣。采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，靜態(tài)箱由厚2.0 mm 的非透明PVC 板制成，靜態(tài)箱規(guī)格為50 cm×50 cm×50 cm，包括頂箱和基座兩部分?；吘壴O(shè)有水槽，每次觀測(cè)前在水槽中加入適量的水，后將頂箱置于基座上，上下箱體用水槽中的水密封。在試驗(yàn)開始一周前將靜態(tài)箱基座插入土壤中，并在整個(gè)生長(zhǎng)季中不取出或挪動(dòng)基座，盡量不破壞原有植物及土壤狀態(tài)，盡可能將人為因素對(duì)微量氣體交換的擾動(dòng)降到最低，基座埋入深度在5 cm 以上（實(shí)際計(jì)算通量時(shí)以地箱高度為準(zhǔn)）。靜態(tài)箱經(jīng)由傳統(tǒng)靜態(tài)箱改造而成，內(nèi)設(shè)小風(fēng)扇，能夠讓箱內(nèi)氣體快速有效混合，采樣前先罩上頂箱靜置1 min 使氣體充分混合；在箱內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)箱內(nèi)氣體溫度。采用30 min 罩箱時(shí)間，即每個(gè)采樣箱分別罩箱后的0、10、20 min 和30 min 抽取氣體樣品。采樣容器為100 mL 帶三通閥的醫(yī)用注射器，將注射器與箱體一側(cè)的三通閥相連，抽取30～60 mL 氣體樣品放入氣袋，同時(shí)使用秒表記錄取樣時(shí)間并記錄箱內(nèi)溫度計(jì)所顯示溫度。氣樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，3 d 之內(nèi)使用安捷倫7890B 氣相色譜儀測(cè)定CO2、CH4和N2O 濃度。

1.4.4 計(jì)算公式

通量是指單位時(shí)間通過(guò)某單位面積輸送的物理量。氣體交換通量（F，g·m-2·h-1）計(jì)算公式：

式中：ρ 為箱內(nèi)氣體密度，kg·m-3；Δm 和Δc 分別為t 時(shí)間內(nèi)箱內(nèi)氣體質(zhì)量和混合比濃度的變化；A 為采樣箱的底面積，m2；V 為采樣箱的體積，m3；H 為氣室高度，m。當(dāng)F 為負(fù)值時(shí)表示吸收，F(xiàn) 為正值時(shí)表示排放。計(jì)算通量過(guò)程中，通過(guò)公式中引入箱內(nèi)溫度和氣壓值，對(duì)氣體濃度進(jìn)行矯正。

溫室氣體累計(jì)排放量（Ec）計(jì)算公式為：

式中：n 為生長(zhǎng)期內(nèi)觀測(cè)次數(shù)；Fi、Fi+1為第i 次、第i+1 次采集溫室氣體時(shí)的通量，μg·m-2·h-1；ti+1、ti為第i+1次、第i次采集氣體的采樣時(shí)間，d。

綜合增溫潛勢(shì)（GWP）是將各類溫室氣體的增溫潛勢(shì)轉(zhuǎn)化為CO2的排放當(dāng)量，kg·hm-2；100 年時(shí)間尺度下的GWP計(jì)算公式為：

式中：Ec(CO2)、Ec(N2O)、Ec(CH4)分別代表CO2、N2O 和CH4的累計(jì)排放量，kg·hm-2。

單位產(chǎn)量的碳足跡計(jì)算公式為：

式中：CF 代表玉米作物生態(tài)系統(tǒng)單位產(chǎn)量的碳足跡，kg CO2-eq·kg-1；CEt為玉米生長(zhǎng)期的碳足跡，kg CO2-eq·kg-1；Y 為單位面積產(chǎn)量，t·hm-2。CEt的計(jì)算公式為：

式中：CEi是指農(nóng)業(yè)活動(dòng)投入的間接溫室氣體排放總量（以CO2記），CO2-eq·kg-1；CE(N2O)和CE(CH4)分別表示玉米生長(zhǎng)期間土壤CH4和N2O 累計(jì)排放總量（以CO2記），CO2-eq·kg-1。CEi的計(jì)算公式為：

式中：Q 為農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程中的投入，即化肥、柴油、電力消耗等；δ 為相關(guān)投入的溫室氣體排放系數(shù)（詳見表2）。

1.4.5 數(shù)據(jù)分析

利用Office Excel 2013 和SPSS 19.0 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，采用SPSS 19.0 進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，差異性水平選擇P＜0.05。圖中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

表2 各排放項(xiàng)目溫室氣體排放系數(shù)Table 2 Coefficient of carbon emission of different material for agricultural production

2 結(jié)果與分析

2.1 2018年生長(zhǎng)季溫度及降雨

2018年4—10月農(nóng)田累計(jì)降雨369.9 mm，主要集中在7、8 月份；平均氣溫為7.1 ℃，生長(zhǎng)季氣溫呈單峰型曲線，在7、8月份達(dá)到較高值（圖2）。

2.2 施用生物炭對(duì)玉米農(nóng)田CH4及N2O 通量及玉米產(chǎn)量的影響

種植玉米后處理C15、C30 的玉米農(nóng)田CH4吸收值均大于CK（圖3），而處理C45則在種植玉米后由吸收轉(zhuǎn)為排放（5月12—15日玉米農(nóng)田翻耕、種植）。處理CK、C15、C30、C45 試驗(yàn)期間CH4平均通量分別為：-44.03、-68.96、-58.14 μg·m-2·h-1及-8.20 μg·m-2·h-1。與CK 相比，處理C15 及C30 的CH4吸收值分別增加56.62%和32.05%，處理C45 的CH4吸收值與CK相比降低了81.36%。

5 月12—15 日玉米種植后土壤N2O 通量差異較大，各處理N2O 通量明顯低于CK（圖3），其中處理C45 的N2O 通量出現(xiàn)明顯的負(fù)值，各處理N2O 通量均明顯低于CK。處理CK、C15、C30、C45 試驗(yàn)期間N2O均通量分別為：9.23、6.98、3.99 μg·m-2·h-1、1.27 μg·m-2·h-1。與CK 相比，處理C15、C30 及C45 的N2O 通量分別降低24.42%、56.83%和86.25%。

相比對(duì)照CK，處理C15、C30 和C45 的玉米產(chǎn)量分別提高了4.4%、5.0%和9.2%，且玉米產(chǎn)量的提升幅度隨著施入生物炭含量的增高而增大，處理C45增加最高（表3）。

數(shù)據(jù)顯示，施用生物炭能夠顯著促進(jìn)CH4的吸收值并降低N2O 的排放，但是過(guò)多施用生物炭會(huì)導(dǎo)致CH4和N2O 通量的源、匯轉(zhuǎn)化。施用生物炭顯著降低了農(nóng)田綜合增溫潛勢(shì)，其中處理C15對(duì)降低玉米農(nóng)田綜合增溫潛勢(shì)的作用最為顯著（表3）。

2.3 玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡分析

玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中處理CK、C15、C30、C45 的綜合增溫潛勢(shì)分別為：17 543.57、13 781.17、15 035.49 kg CO2-eq·hm-2及14 582.94 kg CO2-eq·hm-2，其碳足跡分別為1 291.82、2 236.39、3 212.31 kg CO2-eq·hm-2及4 235.02 kg CO2-eq·hm-2（表4）。處理CK、C15、C30、C45 單位產(chǎn)量的碳足跡分別為1.00、1.61、2.23 kg CO2-eq·hm-2及2.98 kg CO2-eq·kg-1。玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體累計(jì)排放總量隨著生物炭添加含量的增加而降低，處理C15、C30、C45 與對(duì)照CK 相比，其溫室氣體累計(jì)排放量分別降低21.4%、14.2%、16.8%；碳足跡及單位產(chǎn)量碳足跡則隨著生物炭添加含量的增加而明顯增大，處理C15、C30、C45 與對(duì)照CK 相比，其碳足跡分別增大73.1%、149.1%、227.8%，其單位產(chǎn)量的碳足跡分別增大59.8%、121.2%、195.9%。

圖2 2018年玉米農(nóng)田生長(zhǎng)季氣溫、降雨量的變化Figure 2 Changes in air temperature and rainfall of corn field during the growing season in 2018

圖3 不同生物炭處理土壤CH4及N2O通量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Seasonal variation of soil CH4 and N2O fluxes under different treatments of biochar application

表3 不同處理下溫室氣體通量累積排放量、玉米產(chǎn)量及綜合增溫潛勢(shì)（GWP）Table 3 Cumulative emissions of greenhouse gases，corn yield and comprehensive warming potential（GWP）under different experimental sets

隨著生物炭添加含量的增加，碳足跡中生物炭占據(jù)的比重也不斷增加，使得溫室氣體累計(jì)排放所占據(jù)的比例隨之下降；且除對(duì)照CK外，其余處理中均屬生物炭對(duì)碳足跡貢獻(xiàn)最大，處理C15、C30、C45 生物炭對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)比例分別為44.8%、62.1%、70.9%。處理CK、C15、C30、C45 溫室氣體累計(jì)排放對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)比例分別為5.48%、0.60%、0.04%、0.19%（圖4），處理C15、C30、C45 與對(duì)照CK 相比，其溫室氣體累計(jì)排放對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)比例分別下降89.0%、99.2%、96.5%。

添加生物炭后，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)碳足跡貢獻(xiàn)最大的農(nóng)資投入變成了生物炭，且隨著生物炭含量的增加，生物炭在碳足跡所占比例也隨之增加，并且農(nóng)田基肥在碳足跡中的占比也隨之下降。因此施用生物炭對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡構(gòu)成造成了巨大改變，極大降低了其他農(nóng)資投入在碳足跡中的占比。

3 討論

本研究中不施用生物炭的玉米農(nóng)田的單位產(chǎn)量碳足跡為1.00 kg CO2-eq·kg-1，這與前人的研究結(jié)果相近。渭河平原玉米農(nóng)田單位產(chǎn)量碳足跡為0.62 kg CO2-eq·kg-1[24]。但本研究中單位產(chǎn)量碳足跡略大于其他研究者的研究結(jié)果，可能是試驗(yàn)區(qū)差異、調(diào)查邊界選取差異、各項(xiàng)農(nóng)資投入的溫室氣體排放系數(shù)以及碳足跡的計(jì)算方法上的差異引起的。

施用生物炭會(huì)抑制土壤中CO2和N2O 的累積排放、促進(jìn)土壤對(duì)CH4的吸收，這與前人的研究結(jié)果相同[16，25-27]。但在非干旱區(qū)小麥-玉米輪作農(nóng)田，施用生物炭會(huì)促進(jìn)CO2和N2O 的累積排放，且相較于其他研究者在塿土、辣椒（Capsicum annuum）田和芬蘭小麥（Triticum aestivum）田的試驗(yàn)結(jié)果相比，本研究施入生物炭后土壤對(duì)CH4吸收的促進(jìn)作用相對(duì)較弱[16，27]。其原因在于本研究區(qū)為干旱區(qū)，土壤含水率較低，微生物活性對(duì)土壤含水率的變化較為敏感[28]，同時(shí)較低的土壤含水率會(huì)限制微生物對(duì)生物炭的分解利用能力[29]、抑制CH4氧化菌的活性、并對(duì)硝化反應(yīng)及反硝化反應(yīng)產(chǎn)生一定程度上的影響[30]，從而使施入生物炭在不同地區(qū)農(nóng)田中對(duì)溫室氣體通量的影響有顯著差異。

劉杏認(rèn)等[25]、屈忠義等[26]和Karhu 等[16]還發(fā)現(xiàn)，施入生物炭后整體提升了玉米產(chǎn)量，這與本文研究結(jié)果一致，施入生物炭的土壤理化性質(zhì)被有效改善并提升作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，進(jìn)而直接或間接地提升了作物的產(chǎn)量。但本研究施入生物炭后玉米產(chǎn)量的提升幅度與其他研究者得出的結(jié)果相比較低，其原因可能是本研究區(qū)屬于干旱區(qū)降水較少，且根據(jù)歷年牧民田間管理措施在玉米生長(zhǎng)期間不進(jìn)行人為澆灌，因此施用生物炭對(duì)于玉米生長(zhǎng)的促進(jìn)作用有一定程度上受到限制[28]。

在處理C15、C30、C45 的碳足跡中，生物炭的貢獻(xiàn)比例分別為44.8%、62.1%和80.0%，是玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的主要來(lái)源，這與其他研究結(jié)果相同[31-32]。其主要原因是氮肥及生物炭在制作、運(yùn)輸過(guò)程中需要消耗大量的能源及化石燃料[32]，因此如果能將生物炭等農(nóng)資投入的生產(chǎn)排放降低至發(fā)達(dá)國(guó)家水平，將會(huì)直接減少農(nóng)田碳足跡，這對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的節(jié)能減排具有重要指導(dǎo)意義。本研究中隨著施入生物炭含量的增加，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡也隨之增加，與CK 相比處理C15、C30、C45 的碳足跡分別增大73.1%、149.1%和227.8%，其單位產(chǎn)量的碳足跡分別增大59.8%、121.2%、195.9%。溫室氣體累計(jì)排放量的降低并不總是能夠降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)單位產(chǎn)量的碳足跡，因?yàn)檗r(nóng)田產(chǎn)量的增加并不一定能夠抵消農(nóng)資投入的增加[31]。本研究中生物炭的施入雖然有效地降低了溫室氣體的累積排放量，但其過(guò)多的投入也造成了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡的劇增，說(shuō)明碳足跡強(qiáng)烈依賴于農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程中生物炭的投入量。

表4 不同處理下玉米農(nóng)田的碳足跡構(gòu)成Table 4 Carbon footprint under different experimental sets

圖4 不同生物炭處理下農(nóng)資投入對(duì)玉米農(nóng)田碳足跡的貢獻(xiàn)Figure 4 Contribution of agricultural input to the carbon footprint in production system of corn field under different experimental sets

與處理C15 相比，處理C30 和C45 的生物炭投入分別增加了100%和200%，其碳足跡則增加44.2%和89.3%，單位產(chǎn)量的碳足跡分別增加38.4%和85.1%，玉米產(chǎn)量分別增加4.2%和2.2%。有關(guān)研究表明增加生物炭投入會(huì)增大農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡[33]，但不同研究者對(duì)于增加生物炭施入量對(duì)碳足跡的增加幅度的研究結(jié)果不盡相同，這可能是在不同地區(qū)農(nóng)資投入的比例不同所引起的。生物炭施入含量的增加雖然使玉米農(nóng)田的產(chǎn)量有所增加，但處理C30 和C45 的玉米產(chǎn)量與處理C15 相比增幅并不顯著。因此綜合經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境因素考慮，建議科爾沁地區(qū)玉米農(nóng)田在生產(chǎn)過(guò)程中施用15 t·hm-2生物炭，在保證增加產(chǎn)量的同時(shí)將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡控制在較低范圍內(nèi)。

日益增長(zhǎng)的人口使中國(guó)對(duì)于糧食的需求也日益增大，農(nóng)田中施用生物炭增加作物產(chǎn)量已經(jīng)成為一種常用手段[13-16]。生物炭不僅能夠降低農(nóng)田溫室氣體累計(jì)排放量，同時(shí)還能夠增加作物產(chǎn)量，但以往人們較少關(guān)心生態(tài)環(huán)境是否會(huì)因此受到影響，施用生物炭同時(shí)也會(huì)增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡。并且中國(guó)對(duì)于生物炭制作和利用效率低于部分發(fā)達(dá)國(guó)家[25-27]，如果能夠通過(guò)提高制作工藝和運(yùn)輸途徑的方式降低使用生物炭的能源消耗，并通過(guò)農(nóng)田中適量施用生物炭的手段，則可以達(dá)到作物增產(chǎn)和保護(hù)環(huán)境的雙重收益。

4 結(jié)論

（1）施用生物炭能夠顯著促進(jìn)CH4的吸收并降低N2O 的排放，但是過(guò)多施用生物炭會(huì)導(dǎo)致CH4和N2O通量的源、匯轉(zhuǎn)化。

（2）施用生物炭能夠有效降低玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體累計(jì)排放總量及綜合增溫潛勢(shì)，對(duì)降低農(nóng)田溫室氣體排放具有重要意義。

（3）施用生物炭會(huì)提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡，并且施用生物炭后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡的主體變?yōu)樯锾?，隨著生物炭施入量的增加，其在碳足跡中的占比也隨之增大。同時(shí)施用生物炭會(huì)提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的作物產(chǎn)量，因此科學(xué)施用生物炭能夠達(dá)到增產(chǎn)以及減排的目的，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

（4）綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，施用15 t·hm-2生物炭能夠在保證增加產(chǎn)量的同時(shí)將農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡控制在較低范圍內(nèi)。