張 杰，金 梁，李 艷，趙士誠(chéng)，徐新朋，魏 丹，張麗娟，仇少君*，何 萍，周 衛(wèi)

（1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071000；2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3 北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，北京 100097；4 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，哈爾濱 150086）

促進(jìn)碳減排已成為延緩氣候變暖、降低溫室氣體排放的全球共識(shí)，為此，我國(guó)提出2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)。農(nóng)田養(yǎng)分管理措施是影響溫室氣體排放的主要途徑之一[1–3]，不合理的養(yǎng)分投入會(huì)導(dǎo)致溫室氣體排放增加，從而加劇農(nóng)田溫室效應(yīng)[4–5]。提高農(nóng)田養(yǎng)分利用效率和促進(jìn)土壤碳貯存是降低農(nóng)田土壤碳排放的重要舉措。研究表明，與不施肥處理比，單施化肥或者有機(jī)肥均能夠顯著增加農(nóng)田溫室氣體排放[6–7]，而二者混施或者有機(jī)肥部分替代化肥可以緩解土壤N2O排放[8]。東北地區(qū)作為我國(guó)重要的玉米產(chǎn)區(qū)之一，種植面積達(dá)到了1.57×107hm2，約占全國(guó)玉米總種植面積的37.3%，集約化玉米種植模式使東北黑土肥力下降，成為重要的碳源[9]，為應(yīng)對(duì)這種不利情況我國(guó)科研工作者提出了一系列養(yǎng)分管理措施[10–12]。而不同施肥措施下玉米生產(chǎn)系統(tǒng)氮肥利用及溫室氣體排放的碳足跡特征尚不清楚。

合理降低化肥投入量被視為提高農(nóng)田養(yǎng)分利用效率的有效舉措，而化肥配施有機(jī)肥可有效增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳固持，降低氮素?fù)p失，且有機(jī)肥礦化可增加作物養(yǎng)分供應(yīng)，從而提高養(yǎng)分利用效率。劉占軍等[13]通過(guò)對(duì)吉林地區(qū)春玉米研究發(fā)現(xiàn)，在化肥氮投入量降低20%的前提下，氮肥利用效率提高了21.2%，而進(jìn)一步采用有機(jī)肥替代30%化肥氮，可使氮肥利用效率提高57.6%。即使如此，從生產(chǎn)肥料到農(nóng)作物產(chǎn)出各個(gè)環(huán)節(jié)都能產(chǎn)生碳排放，但系統(tǒng)評(píng)價(jià)作物整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)鏈條上所產(chǎn)生的碳排放，不僅需要考慮土壤溫室氣體的直接排放，也要考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的工業(yè)制品投入(化肥、農(nóng)藥等)，能源消耗(電力、燃油等)造成的間接溫室氣體排放[14]。Cheng等[15]研究表明農(nóng)作物生產(chǎn)除施肥外其他因素貢獻(xiàn)了約40%的溫室氣體排放；Zhang 等[3]研究也表明，果園內(nèi)化肥、農(nóng)藥投入及電力、燃油消耗等對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率達(dá)到了60%以上。為全面衡量農(nóng)作物整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的CO2氣體的總量[16]，碳足跡(carbon foot, CF)被廣泛采納為衡量溫室氣體排放的重要工具。采用生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)方法能夠明確作物生長(zhǎng)過(guò)程中不同排放源對(duì)總碳排放量的貢獻(xiàn)，對(duì)于采取針對(duì)性措施減緩溫室氣體排放具有重要的意義。劉宇峰等[17]的研究也表明，在我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)中不同來(lái)源碳排放的比例以化肥最高，灌溉電消耗次之，且不同地區(qū)間存在較大差異，同時(shí)針對(duì)性的提出了低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展的建議。此外史磊剛等[18]研究也表明化肥投入與灌溉電力消耗帶來(lái)的碳排放比例最高，達(dá)到了86.0%，并提出降低農(nóng)業(yè)肥料投入有助于我國(guó)低碳農(nóng)業(yè)發(fā)展。由此可見，農(nóng)田碳減排可通過(guò)多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，我國(guó)黑土肥力下降，集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式進(jìn)一步增加碳排放，針對(duì)這一問(wèn)題，系統(tǒng)分析不同排放源對(duì)玉米生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放的貢獻(xiàn)水平有利于針對(duì)性的開展低碳農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理措施。因此，本研究通過(guò)2年田間定位試驗(yàn)研究不同養(yǎng)分管理措施下玉米產(chǎn)量及氮素利用效率，并詳細(xì)記錄玉米從種植到收獲過(guò)程中各農(nóng)資投入總量，結(jié)合LCA方法全面分析玉米生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，解釋東北地區(qū)玉米生產(chǎn)過(guò)程中碳排放結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確而全面的評(píng)估玉米生產(chǎn)的溫室效應(yīng)，制定有效的減排措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于哈爾濱市民主鄉(xiāng)黑龍江省農(nóng)科院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū) (E126°48′55″～126°51′26″，N45°49′44″～45°51′01″)，地處松花江南岸的沖積平原。該區(qū)海拔130～150 m，年平均氣溫為3.6℃，年平均降水量為486.4～543.6 mm，全年無(wú)霜期為135天，屬典型寒溫帶大陸季風(fēng)氣候。土壤類型屬典型黑土，黑土層厚度約為25～40 cm。試驗(yàn)期間，哈爾濱市氣象數(shù)據(jù)如圖1所示，2015、2016年平均溫度分別為5.6、5.0℃，年總降水量分別為420.1和610.8 mm。試驗(yàn)開始前測(cè)定0—20 cm土層基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì) 33.4 g/kg、pH 6.9、容重 1.18 g/cm3、有機(jī)碳儲(chǔ)量 44.6 t/hm2、全氮 1.8 g/kg、硝態(tài)氮 43.1 mg/kg、銨態(tài)氮 1.58 mg/kg、速效磷 40.2 mg/kg、速效鉀 253 mg/kg。

圖1 2015—2016年哈爾濱月均溫度與月總降水量Fig. 1 Monthly mean temperature and monthly total precipitation in Harbin from 2015 to 2016

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，共設(shè)置5個(gè)不同施肥處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)處理包括：1)不施氮肥對(duì)照(CK)；2)推薦施肥處理(RF)；3)推薦施肥+有機(jī)氮替代20%化肥氮(MRF)；4)推薦施肥+秸稈還田(SRF)；5)農(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣處理(TF)。CK處理磷、鉀肥投入量分別為60、75 kg/hm2，且全部基施；推薦施肥處理(即RF、SRF與MRF處理)化肥施用方式N、P2O5及K2O養(yǎng)分投入量分別為 165、60、75 kg/hm2，氮肥按照基肥∶拔節(jié)肥∶大喇叭口肥=1∶1∶1施用，推薦施肥用量參照文獻(xiàn)[19]構(gòu)建的養(yǎng)分專家系統(tǒng)推薦用量。當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶傳統(tǒng)養(yǎng)分管理方式(TF處理)的N、P2O5及K2O養(yǎng)分投入量分別為210、75、60 kg/hm2。與TF處理相比，3個(gè)推薦施肥處理的N與P2O5投入量分別降低了21.4%、20.0%，而K2O投入量增加了25.0%。試驗(yàn)所用化肥種類分別為尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀；秸稈還田處理為在秋季收獲后將粉碎的秸稈均勻撒施于地表，隨后旋耕入土，還田量為6000 kg/hm2，秸稈N、P2O5、K2O及有機(jī)碳平均含量分別為0.24%、0.38%、1.46%、43.0%；有機(jī)肥種類為商品有機(jī)肥，N、P2O5、K2O及有機(jī)碳平均含量分別為1.86%、3.11%、0.85%、35.0%，施用量約1774 kg/hm2，于播種前一次性均勻撒施于地表，隨后旋耕入土。玉米品種為龍高L2，于每年五月初播種，十月初收獲，行距0.65 m，株距 0.3 m，壟作，小區(qū)面積為 58.5 m2。生育期內(nèi)除養(yǎng)分管理不同外，其他農(nóng)事操作均按照農(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣進(jìn)行管理。

1.3 生命周期評(píng)價(jià)法介紹

生命周期評(píng)價(jià)法是指在某一產(chǎn)品系統(tǒng)的生命周期內(nèi)，輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯編和評(píng)價(jià)，從產(chǎn)品的整個(gè)生長(zhǎng)周期尺度全面、綜合地評(píng)析其對(duì)環(huán)境的影響，更精準(zhǔn)地定位糧食生命周期內(nèi)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)，該方法有利于提出并制定更有效的減排措施[20]。本研究中量化玉米生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡主要包括確定調(diào)查邊界、收集相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算3個(gè)部分。

1.3.1 調(diào)查邊界 調(diào)查邊界主要涉及玉米生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)資投入和產(chǎn)出過(guò)程的碳足跡(圖2)，主要包括兩部分：1)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)與運(yùn)輸；2)土壤溫室氣體排放。

圖2 玉米生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡與氮排放計(jì)算邊界Fig. 2 Calculation boundary of carbon footprint and nitrogen emission in maize production system

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的生產(chǎn)與運(yùn)輸導(dǎo)致的碳排放主要包括：1)化肥、農(nóng)藥、燃油等農(nóng)用物資生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中能源消耗所產(chǎn)生的碳排放；2)耕地、播種、收獲等過(guò)程因農(nóng)機(jī)耗能所產(chǎn)生的碳排放。研究表明種子在生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的碳足跡低于農(nóng)作物生命周期整體的0.1%[21]，故本研究不將其納入計(jì)算范圍。

土壤溫室氣體排放主要包括CO2、N2O及CH4，研究表明北方旱田為一個(gè)弱的CH4匯，對(duì)農(nóng)田溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)較低[22]，故本研究中不考慮農(nóng)田CH4排放。土壤CO2排放總量則依據(jù)土壤有機(jī)碳累積的改變量確定。在本研究中，各處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量變化影響不予考慮，主要原因有：1)碳投入是增加土壤有機(jī)質(zhì)或延緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)下降的主要措施[23–29]，且土壤有機(jī)碳增加主要取決于土壤中有機(jī)碳輸入與輸出間的平衡關(guān)系[30–32]。根據(jù)Zhang等[33]報(bào)道，該區(qū)域農(nóng)田有機(jī)碳年均投入量達(dá)3.3 t/hm2時(shí)，土壤有機(jī)碳才能維持平衡，本研究中各處理碳投入量均低于該值，故可斷定各處理下土壤有機(jī)碳含量輸出量高于輸入量；2)根據(jù)Conant 等[34]研究報(bào)道，短期內(nèi)無(wú)機(jī)肥處理下土壤有機(jī)碳含量幾乎不會(huì)發(fā)生改變，故本研究認(rèn)為CK、RF與TF處理下土壤有機(jī)碳含量在2年試驗(yàn)期間的降低量可以忽略不計(jì)；而MRF與SRF處理增加了外源碳輸入量，其土壤有機(jī)碳含量的降低幅度低于單施化肥處理，故本研究亦不考慮該處理下土壤有機(jī)碳的改變。

1.3.2 數(shù)據(jù)收集 通過(guò)實(shí)際田間追蹤，記錄了田間各項(xiàng)農(nóng)事操作活動(dòng)及土壤溫室氣體排放(即N2O)數(shù)據(jù)。主要參數(shù)有：1)各處理化肥投入(見1.2內(nèi)容)；2)玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)油耗，包括耕地、播種、收獲等過(guò)程農(nóng)機(jī)柴油用量約113 L/hm2，清理秸稈、秸稈粉碎及施用有機(jī)肥等過(guò)程柴油用量約15 L/hm2；3)農(nóng)藥用量為13.7 kg/hm2；4)土壤N2O排放分為直接排放與間接排放，N2O直接排放具體計(jì)算過(guò)程及文獻(xiàn)引用見1.3.3，間接排放主要是由NH3揮發(fā)與NO3–淋溶損失所導(dǎo)致，主要采用系數(shù)轉(zhuǎn)化法估算N2O排放量、NH3揮發(fā)量及NO3–淋溶損失量，具體計(jì)算過(guò)程及文獻(xiàn)引用見1.3.3計(jì)算公式詳述。此外，東北春玉米為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，灌溉耗電量可忽略；施肥和打藥過(guò)程采用人工進(jìn)行，不納入碳排放。各個(gè)過(guò)程碳排放轉(zhuǎn)化系數(shù)如表1所示。

表1 各生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放系數(shù) (CO2-eq kg/kg)Table 1 Carbon emission coefficient from each production process

1.3.3 計(jì)算公式 氮肥農(nóng)學(xué)效率 (kg/kg) = (施氮區(qū)產(chǎn)量–不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)碳足跡的計(jì)算公式為：

式中，CF(carbon footprint)為玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的碳足跡 (CO2-eq kg/kg, grain)；yield為玉米產(chǎn)量 (kg/hm2)；CEtotal(total carbon emission)為玉米生育周期內(nèi)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生碳排放的總和(CO2-eq kg/hm2)。CEtotal的計(jì)算公式為：

式中，AI為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入量，包括化肥、柴油、農(nóng)藥等；δ是相關(guān)生產(chǎn)資料的碳排放系數(shù)，具體系數(shù)如表1所示；Total N2O為農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中農(nóng)田N2O排放總量(kg/hm2)， 4 4/28為N2O與N的分子質(zhì)量比，298為N2O氣體的溫室效應(yīng)(CO2-eq kg/kg,N2O)。Total N2O計(jì)算公式為：

式中，EN2O、ENH3及分別代表N2O直接排放量(kg/hm2)、NH3揮發(fā)量(kg/hm2)及NO3-淋溶損失量(kg/hm2)；ENH3與的系數(shù)分別表示每產(chǎn)生l kg 的氨揮發(fā)(NH3)或者硝態(tài)氮淋失(NO3–)分別間接導(dǎo)致0.01 kg 和 0.025 kg 的 N2O 排放[39]。單施化肥處理(RF、TF處理)采用Cui等[40]提出的中國(guó)北方玉米生產(chǎn)過(guò)程中氮損失估算EN2O、ENH3及。有機(jī)肥替代處理依據(jù)Zhang 等[41]得出的中國(guó)旱田有機(jī)肥替代化肥氮條件下的氮損失估算EN2O與ENH3。秸稈還田處理氮損失則在Cui等[40]提出的模型基礎(chǔ)上，結(jié)合已有秸稈還田對(duì)東北黑土玉米氮素?fù)p失的影響系數(shù)確定不同途徑氮素?fù)p失量，已有研究表明化肥配合秸稈還田較單施化肥提高N2O排放量12.77%，降低NH3揮發(fā)量7.3%[42–44]。有機(jī)肥替代與秸稈還田處理下各處理NO3–淋溶損失量參數(shù)一致，因?yàn)镼iu等[45]研究認(rèn)為有機(jī)肥或秸稈還田處理較單施化肥處理對(duì)NO3–淋溶無(wú)顯著影響。因此，不同處理EN2O、ENH3及的計(jì)算公式如表2所示，并根據(jù)這些公式計(jì)算了不同施肥處理的碳排放量(表3)。

表2 各途徑氮損失計(jì)算公式Table 2 Calculation formula of nitrogen loss in each pathway

表3 不同施肥處理碳排放量(CO2-eq kg/hm2)Table 3 Carbon emissions under different fertilization treatments

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)均利用Excel 2011與SPSS 16.0軟件處理，采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和LSD0.05顯著性檢驗(yàn)，采用 Sigmaplot 12.5 及 Excel 2011 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量

施用氮肥顯著提高了玉米產(chǎn)量(圖3)，與CK處理相比，RF、MRF、SRF及TF處理在2015年分別顯著(P< 0.05)提高了82.1%、85.3%、78.3%、73.4%，且各施肥處理間無(wú)顯著差異；在2016年，RF、MRF、SRF及TF處理分別顯著(P<0.05)提高了67.5%、80.8%、92.0%、71.2%，其中SRF處理較RF與TF處理分別顯著(P<0.05)提高了14.7%、12.2%。綜合兩年結(jié)果來(lái)看，RF、MRF、SRF及TF處理較CK處理分別顯著(P<0.05)提高了74.6%、83.0%、85.4%、72.3%，而RF、MRF與SRF處理產(chǎn)量分別較TF處理提高了1.3%、6.2%和7.6%。

圖3 不同施肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effects of fertilization treatments on maize grain yield

2.2 氮肥農(nóng)學(xué)效率與偏生產(chǎn)力

合理降低氮肥投入量可有效提高氮肥農(nóng)學(xué)效率(圖4)，2015—2016年RF、MRF及SRF處理氮肥農(nóng)學(xué)效率較TF處理分別顯著(P<0.05)提高了31.3%、82.6%、50.3%，其中MRF處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率(38.5 kg/kg)顯著(P<0.05)高于RF與SRF處理，而SRF處理在2016年顯著高于RF處理(P<0.05)。與氮肥農(nóng)學(xué)效率提高效果相同，2015—2016年RF、MRF及SRF處理氮肥偏生產(chǎn)力較TF處理分別顯著提高了29.0%、69.0%、37.0% (P<0.05)，其中MRF處理較RF與SRF處理分別顯著提高了31.0%、23.4% (P<0.05)，而SRF處理在2016年顯著高于RF處理(P<0.05)。

圖4 不同施肥處理對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)效率及氮肥偏生產(chǎn)力的影響Fig. 4 Effects of fertilization treatments on agronomy efficiency of fertilizer N (AEN) and partial factor productivity of fertilizer N (PFPN)

2.3 碳排放

農(nóng)田養(yǎng)分管理方式顯著影響東北地區(qū)玉米生產(chǎn)生命周期碳排放量(圖5)。在2015年，RF、MRF、SRF及TF處理的碳排放量較CK處理分別顯著提高了39.7%、13.6%、44.3%、68.6% (P<0.05)，其中TF處理顯著高于RF、MRF及SRF處理，而SRF處理顯著高于MRF處理(P<0.05)；而在2016年，RF、MRF、SRF及TF處理分別顯著提高了21.3%、15.2%、37.8%、49.7% (P<0.05)，其中TF處理最高，其次為RF與SRF處理，而MRF處理顯著低于RF處理(P<0.05)。整體來(lái)看，在2015—2016年期間，RF、MRF、SRF及TF處理的碳排放量較CK處理分別顯著 (P<0.05) 提高了 37.6%、24.0%、38.5%、63.6%；而在施氮肥處理中，RF、MRF與SRF處理較TF處理分別顯著降低了 16.0%、 24.7%、 16.4%，其中，推薦施肥下的MRF處理較RF與SRF處理顯著降低了9.9%、10.4% (P<0.05)。

圖5 不同施肥處理對(duì)玉米種植體系碳足跡的影響Fig. 5 Effects of fertilization treatments on carbon footprint in maize production system

2.4 各因素貢獻(xiàn)率

施用氮肥影響了玉米整個(gè)生育期內(nèi)各因子碳排放的貢獻(xiàn)水平(圖6)。在氮肥施用情況下，主要的貢獻(xiàn)因子為氮肥施用及總N2O排放，占比總和達(dá)70%以上，其中氮肥平均貢獻(xiàn)率約占43.6%；其次為農(nóng)藥和柴油投入，占比分別為10.2%、13.6%；而磷肥、鉀肥投入占比總和不足3%。MRF下氮肥施用貢獻(xiàn)率較RF與SRF處理分別下降了14.9%、10.0%，表明有機(jī)肥部分替代化肥可有效降低農(nóng)田氮肥對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)。由上述可知，適當(dāng)減少氮肥投入量是有效降低農(nóng)田碳足跡的有效途徑。

3 討論

3.1 氮肥利用效率

氮素可促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)及光合作用器官的形成，是產(chǎn)量構(gòu)成的必需營(yíng)養(yǎng)元素，在一定范圍內(nèi)增施氮肥有助于植株干物質(zhì)的累積，對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)可達(dá)30%～50%[46]，而當(dāng)施氮量超出植物生長(zhǎng)所需時(shí)，玉米產(chǎn)量將不再持續(xù)增加[47]。因此確保氮肥的供需平衡對(duì)有效提高作物產(chǎn)量、增加氮肥的利用效率、降低氮素?fù)p失尤為重要。本研究中，相比于TF處理，RF、MRF與SRF處理在明顯降低氮肥投入量的前提下對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著影響，表明合理降低肥料投入能夠?qū)崿F(xiàn)東北地區(qū)玉米產(chǎn)量穩(wěn)定。這一方面可能因?yàn)門F處理下土壤氮素和肥料氮總供應(yīng)超出了玉米生長(zhǎng)所需；另一方面也可能與RF、MRF與SRF處理下多次追肥提高了氮肥的利用效率有關(guān)，研究表明分次施氮是確保玉米不同生長(zhǎng)時(shí)期持續(xù)養(yǎng)分供應(yīng)的重要措施，可有效提高氮素利用效率，提高籽粒產(chǎn)量[48–50]。此外，相比于RF與TF處理，SRF處理在2016年顯著提高了玉米產(chǎn)量，這可能與不同年限間土壤水分含量差異有關(guān)，充足的土壤水分供應(yīng)是保證玉米出苗率的重要條件之一[51]，2016年苗期(5—6月)降水量高于2015年(圖1)，同時(shí)秸稈還田可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水保水能力[52]，從而保證了SRF處理下土壤有較高的水分供應(yīng)。

相比于RF處理，在2016年SRF處理下玉米產(chǎn)量顯著提高了14.7%，同時(shí)MRF處理雖然降低了20%的化肥氮投入量，但與RF處理產(chǎn)量無(wú)顯著差異，表明增施有機(jī)肥或者秸稈還田處理有助于作物產(chǎn)量形成。這可能歸因于以下幾點(diǎn)：1)有機(jī)物料中含有豐富的植物生長(zhǎng)所需的大量及中微量元素，有機(jī)無(wú)機(jī)配施促進(jìn)了有機(jī)物料的分解[53–54]，從而提高了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力；2)有機(jī)物料礦化速率緩慢，能夠在作物生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)期提供養(yǎng)分[55–57]；3)有機(jī)物料投入有助于改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤容重，提高土壤保水保肥能力[58–59]。此外，本研究結(jié)果表明有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著提高了氮肥的農(nóng)學(xué)利用效率與化肥氮的偏生產(chǎn)力，與以往的研究結(jié)果[60–64]相同，而MRF處理兩指標(biāo)顯著高于SRF處理可能主要是由于MRF處理降低了20%的氮肥投入量所致。

3.2 碳足跡

本研究中不同施肥處理?xiàng)l件下玉米農(nóng)田單位產(chǎn)量下碳足跡為 CO2-eq 0.15～0.28 kg/kg，與前人研究結(jié)果[65–67]相似。但同時(shí)也低于其他的研究結(jié)果，如俞祥群等[14]研究發(fā)現(xiàn)浙江省春玉米農(nóng)田生產(chǎn)碳足跡約為 CO2-eq 0.47～0.66 kg/kg，劉松等[68]對(duì)渭河平原春玉米碳足跡的研究結(jié)果為CO2-eq 0.62 kg/kg，這一方面可能由于調(diào)查邊界的定義、農(nóng)資投入排放系數(shù)的選取以及碳足跡的計(jì)算方法不同所導(dǎo)致的；另一方面也可能與試驗(yàn)區(qū)域有關(guān)，如周志花[65]研究表明不同地區(qū)的作物碳足跡的差異性很大，這主要是地域性氣候、土壤類型及農(nóng)民種植習(xí)慣有較大差異所造成的。其中氣候與土壤類型不同易導(dǎo)致區(qū)域間氮損失量不同，例如河北和北京等地區(qū)N2O排放因子為N2O 0.018 kg/kg N，而浙江、安徽等地則可達(dá) N2O 0.034 kg/kg N；而農(nóng)民種植習(xí)慣則會(huì)影響到農(nóng)田養(yǎng)分、農(nóng)藥施用量，進(jìn)而改變了因生產(chǎn)資料投入所引發(fā)的溫室氣體排放[65]。

相比于CK處理，施用氮肥或添加有機(jī)物料均顯著提高了東北地區(qū)玉米生長(zhǎng)季內(nèi)的碳足跡(圖5)。綜合研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致處理間差異的主要原因是氮肥投入及N2O排放兩因素，兩因素的貢獻(xiàn)占比達(dá)70%以上，同時(shí)研究表明N2O排放隨農(nóng)田施氮量的增加而增加[69–70]。由此可知，合理降低農(nóng)田氮素投入量是實(shí)現(xiàn)降低東北地區(qū)玉米生產(chǎn)過(guò)程中碳足跡的有效途徑，這與其他研究結(jié)果[14,67,71–72]相似。此外，相比于TF處理，RF、MRF與SRF處理通過(guò)降低氮肥投入量致使碳足跡顯著下降，由此可進(jìn)一步確定上述觀點(diǎn)。MRF處理較RF處理在降低氮肥投入量的同時(shí)保證了產(chǎn)量穩(wěn)定從而使農(nóng)田碳足跡得到了明顯降低，表明有機(jī)肥配合化肥減施可進(jìn)一步提高農(nóng)田碳減排的效果，這主要與施用有機(jī)肥提高了化肥氮的利用效率有關(guān)。本研究中化肥氮農(nóng)學(xué)效率最高為MRF處理，為38.5 kg/kg，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水平[73]，如果采取其他措施提高農(nóng)田化學(xué)氮素利用率，則可進(jìn)一步降低農(nóng)田氮肥投入，從而有利于減少農(nóng)作物種植過(guò)程中化學(xué)氮肥施用引發(fā)的碳排放。

研究結(jié)果顯示，氮肥投入對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)率達(dá)43.6% (圖6)，這一方面是由于氮肥投入量，另一方面則是因?yàn)樵诘噬a(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中消耗了大量的化石燃料。本研究依據(jù)我國(guó)的基本國(guó)情確定氮肥在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中碳排放系數(shù)為CO2-eq 6.38 kg/kg N[35]，而發(fā)達(dá)國(guó)家化肥生產(chǎn)CO2排放因子僅為CO2-eq 4.8 kg/kg N，因此提高化肥生產(chǎn)效率及技術(shù)水平亦是有效降低我國(guó)農(nóng)田碳足跡的重要途徑。

3.3 不確定性分析

本研究采用生命周期法綜合評(píng)價(jià)了我國(guó)東北地區(qū)不同養(yǎng)分管理水平下玉米農(nóng)田碳足跡，但仍存在一定的不確定性：第一，雖然本研究中物資生產(chǎn)溫室氣體排放清單計(jì)算參數(shù)均有據(jù)可依，但文獻(xiàn)調(diào)研獲得數(shù)據(jù)本身會(huì)存在一定的變異，增加本研究溫室氣體排放的不確定性；第二，農(nóng)田氮素?fù)p失容易受到氣候條件、土壤類型及農(nóng)田管理措施影響，雖然本研究采用了Cui等[40]，Zhang等[41]依據(jù)前人研究所提出的氮損失經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行估算，但這與實(shí)際結(jié)果仍會(huì)存在一定偏差；第三，本研究雖然在一定程度上考慮了有機(jī)物料投入對(duì)氮素?fù)p失的影響，但目前關(guān)于有機(jī)物料投入對(duì)N2O排放、NH3揮發(fā)及NO3?淋溶影響在不同氣候不同土壤中并不一致[74–76]，這也會(huì)增加研究結(jié)果的不確定性。盡管如此，本研究初步定量了東北黑土春玉米生產(chǎn)過(guò)程中碳排放的主要因子及其貢獻(xiàn)，為進(jìn)一步降低黑土春玉米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相應(yīng)的農(nóng)田養(yǎng)分管理措施的碳排放指明了方向。

4 結(jié)論

氮肥施用量和氮素?fù)p失是玉米生產(chǎn)過(guò)程中碳排放的最大貢獻(xiàn)因子，二者的貢獻(xiàn)率超過(guò)玉米生命周期全部碳排放量的70%，磷鉀肥的貢獻(xiàn)不足3%。合理降低氮肥投入量、提高鉀肥投入量可維持玉米穩(wěn)產(chǎn)，有機(jī)肥替代20%的氮肥投入不僅可進(jìn)一步降低農(nóng)田碳排放，還能顯著提高玉米產(chǎn)量，提高肥料的利用效率。因此，減施化學(xué)氮肥配合有機(jī)肥是黑土區(qū)玉米高產(chǎn)高效、環(huán)境友好的養(yǎng)分管理措施。