郝小雨，王曉軍，高洪生，毛明艷，孫磊，馬星竹，周寶庫，遲鳳琴，李偉群,

1. 黑龍江省黑土保護利用研究院，黑龍江 哈爾濱 150086；2. 衡水市園林中心，河北 衡水 053000；3. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十師農(nóng)業(yè)科學研究所，新疆 北屯 836007

人類活動排放的溫室氣體（主要為 CO2、N2O和CH4）是導致全球升溫的主因。IPCC（2021）第六次評估報告第一工作組報告《氣候變化2021：自然科學基礎(chǔ)》指出：2011年以來，大氣中溫室氣體CO2、N2O和CH4含量持續(xù)上升。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是溫室氣體排放的重要來源，占到人為生產(chǎn)活動總量的12%（Walling et al.，2020）?？梢?，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的溫室氣體排放，進行低碳清潔生產(chǎn)至關(guān)重要。利用碳足跡方法可明確農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中各部分產(chǎn)生溫室氣體的情況，以便采取針對性的措施來改善生產(chǎn)行為（李春喜等，2020）。碳足跡（Carbon footprint）是指一定的時間和空間邊界內(nèi)，某種活動引起的（或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)積累的）直接或間接的CO2排放量的度量，可用來評估農(nóng)田系統(tǒng)或某項農(nóng)業(yè)措施的優(yōu)劣（Peters，2010；段華平等，2011），有利于制定更有針對性的減排措施。

黑龍江省總耕地面積為1.437×107hm2，2020年糧食產(chǎn)量達到7.541×107t，為中國第一產(chǎn)糧大省，與此同時農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物秸稈的產(chǎn)量也隨之增加，合理利用秸稈資源成為當前亟需解決的問題。實踐證明，將含有豐富礦質(zhì)元素和有機質(zhì)的農(nóng)作物秸稈還田，對于固土保水、改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤固碳量、減少養(yǎng)分損失和保證作物產(chǎn)量等具有積極作用（Sun et al.，2012；殷文等，2015）。此外，長期秸稈還田能完全補償由施用化肥所造成的直接溫室氣體排放，同時秸稈還田帶入的養(yǎng)分還可減少20%—24%的間接溫室氣體排放（張鑫等，2020）。李萍等（2017）在山西省旱作農(nóng)田的研究指出，秸稈覆蓋免耕可減少褐土N2O排放量，降低單位產(chǎn)量碳足跡。杜杰等（2020）分析了不同耕作措施對黃土高原地區(qū)小麥和玉米碳足跡的影響，指出免耕秸稈不還田和免耕秸稈還田在增加了小麥、玉米的產(chǎn)量同時可降低溫室氣體排放量和碳足跡。成功等（2016）研究表明，塿土小麥秸稈旋耕還田后土壤N2O的季節(jié)排放總量降低了33.9%，但小麥生產(chǎn)過程中的碳足跡升高了26.0%。

由于氣候類型、耕作方式、田間管理、土壤條件等的差異，不同生態(tài)區(qū)秸稈還田方式下的農(nóng)田溫室氣體排放及碳足跡具有不同的特征，本研究以此為切入點，基于松嫩平原南部黑土秸稈還田定位試驗，連續(xù) 3年監(jiān)測大豆-玉米-玉米輪作體系下農(nóng)田N2O和CH4排放變化，利用生命周期法（Life cycle assessment）估算農(nóng)資投入和田間操作引起的直接或間接碳排放量，比較不同秸稈還田方式下的溫室氣體排放和碳足跡變化，以期為松嫩平原旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)低碳減排和保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間定位試驗于 2011年建立，位于黑龍江省哈爾濱市道外區(qū)民主鎮(zhèn)黑龍江國家級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)（126°51′24.37″E，45°50′38.53″N）。試驗地處松花江和阿什河交匯的一級階地，松花江南岸，海拔130—150 m。試驗區(qū)域?qū)僦袦貛В募狙谉岫嘤?，冬季寒冷干燥，年均氣?.5 ℃，年均降雨量533 mm，≥10 ℃年積溫為2600—2800 ℃，無霜期約135 d。試驗地為旱地黑土，成土母質(zhì)為洪積黃土狀粘土。種植制度為一年一作，按照大豆-玉米-玉米順序輪作，無灌溉。試驗開始前0—20 cm土壤基本性質(zhì)為：有機質(zhì) 32.2 g·kg?1，全氮 1.9 g·kg?1，全磷2.1 g·kg?1，全鉀 27.6 g·kg?1，堿解氮 199.1 mg·kg?1，有效磷 41.1 mg·kg?1，速效鉀 215.0 mg·kg?1，pH [在水（體積）與土（質(zhì)量）之比=2.5?1中]為7.1。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)3個處理。（1）常規(guī)（CK）：秋季收獲后，玉米地上部秸稈移走，第二年春季旋耕滅茬直接起壟，旋耕深度15 cm左右，為本地區(qū)農(nóng)戶常用的耕作方式。（2）秸稈深施還田（DSR）：秋季收獲后，玉米秸稈全部粉碎（長度5—10 cm），均勻平鋪于地表，滅茬，大馬力拖拉機（1.434×105W）牽引五鏵犁深翻25 cm以上，把秸稈翻埋至下層，耙地起壟。（3）秸稈覆蓋免耕（SC）：秋季玉米機械收獲，玉米秸稈全部粉碎（長度5—10 cm），均勻平鋪于地表，滅茬，第二年春季應用免耕播種機直接播種。每個處理3次重復，隨機排列。試驗小區(qū)面積為234 m2（寬5.2 m×長45 m）。各處理化肥施用量一致。大豆季磷酸二銨（N質(zhì)量分數(shù)為 18%，P2O546%）150 kg·hm?2，硫酸鉀（K2O 50%）60 kg·hm?2，不追肥。玉米季基施尿素（N 46%）60 kg·hm?2，磷酸二銨150 kg·hm?2，硫酸鉀 60 kg·hm?2；玉米拔節(jié)期追施尿素150 kg·hm?2。2013年5月23日、2014年5月4日、2015年5月3日人工施基肥播種，玉米季2014年6月29日、2015年7月2日追肥。玉米品種為龍高L2，大豆品種為黑河42。大豆和玉米播種量分別為 75 kg·hm?2和 22.5 kg·hm?2，大豆保苗 3.75×105—4.5×105plant·hm?2、玉米保苗 6.75×104—7.5×104plant·hm?2；9月28—30日收獲。其他田間管理方式參見文獻（王曉軍等，2017）。

1.3 樣品采集與測定

于 2013—2015年作物生育期取樣。溫室氣體采集（N2O和CH4）采用靜態(tài)箱-氣相色譜法，取樣箱為長方體不透明箱（長65 cm，寬30 cm，高30 cm），材質(zhì)為PVC板。取樣過程及測定方法參見文獻（郝小雨等，2015）。采樣時間在晴朗天氣的09:00—11:00時段。施肥后每3天取氣樣1次，之后每10—15天取樣1次。分別在0、10、20、30 min抽取混合氣樣35 mL于真空瓶中（英國Labco頂空進樣瓶）。采樣同時記錄取樣箱內(nèi)外溫度，并測定5 cm土層溫度和土壤含水量。

溫室氣體排放通量的計算公式為：

式中：

F——溫室氣體排放通量，μg·m?2·h?1；

ρ——某溫室氣體標準狀態(tài)下的密度，kg·m?3；

H——取樣箱高度，m；

Δc/Δt——單位時間靜態(tài)箱內(nèi)的溫室氣體濃度變化率，mL·m?3·h?1；

θ——測定時箱體內(nèi)的平均溫度，℃。

秋季在小區(qū)劃分3個10 m2樣區(qū)，全部收獲，考種折算產(chǎn)量。各小區(qū)取代表性植株10株，樣品在105 ℃烘箱殺青30 min，65 ℃烘干稱質(zhì)量，計算草谷比。

1.4 碳足跡

基于生命周期評價法，建立系統(tǒng)邊界：（1）農(nóng)資投入（化肥、農(nóng)藥、種子、柴油等）；（2）田間管理（耕作、施肥、播種、收獲、秸稈還田等）；（3）土壤非CO2溫室氣體排放（N2O和CH4）。農(nóng)資或農(nóng)作活動的碳排放系數(shù)為（CO2當量）：氮肥、磷肥和鉀肥生產(chǎn)分別為 1.53、1.63、0.65 kg·kg?1（王鈺喬等，2018）；大豆種子和玉米種子分別為 0.25 kg·kg?1和 1.05 kg·kg?1（West et al.，2002），除草劑生產(chǎn)和殺蟲劑生產(chǎn)分別為 10.15 kg·kg?1和 16.61 kg·kg?1（王鈺喬等，2018），柴油 0.89 kg·L?1（王鈺喬等，2018）。在100年時間尺度下，N2O和CH4的全球增溫潛勢為 CO2的 298倍和 34倍（IPCC，2013），N2O和CH4排放量需分別乘以298和34折算成CO2當量。計算公式為（李萍等，2017）：

式中：

fC——農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳足跡（CO2當量），kg·hm?2·a?1；

n——農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中消耗的n種物質(zhì)（能源或生產(chǎn)資料等）；

fCi——第i種物質(zhì)的碳足跡；

mi——第i種物質(zhì)的消耗量；

βi——第i種物質(zhì)的碳排放系數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應用 Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和作圖；SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤非CO2溫室氣體排放特征

由圖1可知，在2013年大豆季、2014年玉米季、2015年玉米季，常規(guī)（CK）、秸稈深施還田（DSR）和秸稈覆蓋免耕（SC）處理生育期內(nèi) N2O排放通量峰值均出現(xiàn)在施肥后的1—3 d內(nèi)，施氮肥是導致N2O出現(xiàn)排放通量峰值的主要原因。2013年大豆季，CK、DSR、SC處理日排放量變化范圍分別在 3.5—51.8、3.9—55.5、3.2—57.8 μg·m?2·h?1之間；2014年玉米季分別在 4.3—78.4、3.6—73.5、3.0—74.9 μg·m?2·h?1之間；2015 年玉米季分別在3.6—73.6、3.4—76.2、2.6—75.1 μg·m?2·h?1之間。分別比較2013年大豆季、2014年玉米季各處理生育期N2O總排放量（表1），CK、DSR和SC處理間無顯著差異（P>0.05），2015年玉米季SC處理顯著低于CK和DSR處理（P<0.05）；CK、DSR、SC處理生育期N2O平均排放量分別為0.76、0.74、0.73 kg·hm?2，處理間無顯著差異（P>0.05）。2013 年大豆季生育期N2O總排放量要低于2014年和2015年玉米季，原因是大豆季氮肥施用量較低。

圖1 不同處理溫室氣體排放特征Figure 1 Characteristics of greenhouse gas emission under different treatments

表1 不同處理土壤溫室氣體排放量Table 1 Cumulative N2O and CH4 emissions under different treatments

2013年大豆季常規(guī)（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理CH4日交換通量變化范圍分別在?13.9—0.5、?13.2—0.8、?12.4—0.6 mg·m?2·h?1之間；2014 年玉米季分別在?13.5—2.0、?14.5—2.6、?13.2—2.1 mg·m?2·h?1之間；2015 年玉米季分別在?14.6—2.1、?14.5—2.2、?15.8—1.7 mg·m?2·h?1之間。CK、DSR 和 SC 處理 2013—2015生育期CH4平均排放量分別為?0.11、?0.11、?0.12 kg·hm?2，處理間無顯著差異（P>0.05）。從上述結(jié)果也可看出，黑土區(qū)大豆田和玉米田是大氣中CH4的弱“匯”。

2.2 農(nóng)田碳足跡核算

由圖2可看出，2013—2015年常規(guī)（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理農(nóng)田間接排放（農(nóng)資投入和田間耕作）的農(nóng)田碳足跡分別為 1208.8、1254.8、1160.8 kg·hm?2，可見 DSR處理間接排放的碳足跡最高，SC處理最低，原因是在農(nóng)資投入相同的情況下，與各處理田間耕作柴油消耗量不同有關(guān)（表2）。結(jié)果顯示，2013—2015年DSR田間耕作柴油消耗最高，達到294.8 L·hm?2；其次為 CK 處理 243.0 L·hm?2；SC 處理最低，為198.0 L·hm?2。常規(guī)（CK）、秸稈深施還田（DSR）、秸稈覆蓋免耕（SC）處理直接排放（土壤溫室氣體排放）的碳足跡分別為 1058.4、1020.4、1004.1 kg·hm?2，大小排序為 DSR>CK>SC。2013—2015 年SC處理農(nóng)田碳足跡最低，為2164.9 kg·hm?2，較CK（2267.2 kg·hm?2）和 DSR（2275.2 kg·hm?2）處理分別降低4.5%和5.1%（P<0.05）。

圖2 2013—2015年不同處理農(nóng)田碳足跡變化Figure 2 Changes of farmland carbon footprint under different treatments during 2013?2015

表2 2013—2015年輪作周期內(nèi)不同處理農(nóng)資投入量Table 2 Agricultural inputs of different treatments during the crop rotation period of 2013?2015

從農(nóng)田碳足跡構(gòu)成來看（圖3），土壤溫室氣體排放對農(nóng)田碳足跡的貢獻最大，占比 44.8%—46.7%；其次為氮肥生產(chǎn)18.4%—19.4%，之后為磷肥生產(chǎn)14.8%—15.6%和田間耕作7.8%—11.5%，農(nóng)藥生產(chǎn)、種子生產(chǎn)和鉀肥生產(chǎn)占比較低。土壤溫室氣體排放、氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和田間耕作的碳足跡之和占農(nóng)田碳足跡總量的90%左右，是最主要的碳足跡貢獻因子。

圖3 不同處理農(nóng)田碳足跡構(gòu)成Figure 3 Composition of carbon footprint under different treatments

2.3 農(nóng)作物產(chǎn)量對比及單位產(chǎn)量碳足跡變化

從農(nóng)作物產(chǎn)量來看（圖4），DSR和SC處理大豆產(chǎn)量（2013年）、玉米產(chǎn)量（2014年和2015年）均顯著高于常規(guī)（CK）處理（P<0.05），秸稈深施還田（DSR）處理增產(chǎn)率分別為9.2%、3.1%、5.5%，平均為5.1%；秸稈覆蓋免耕（SC）處理增產(chǎn)率分別為4.9%、6.4%、4.9%，平均為5.5%。DSR和SC處理年際間作物產(chǎn)量有所波動，但處理間平均產(chǎn)量差異不大。

圖4 2013—2015年不同處理農(nóng)作物產(chǎn)量變化Figure 4 Crop yield changes under different treatments during 2013?2015

不同秸稈還田方式下碳足跡與作物產(chǎn)量的比值為單位產(chǎn)量碳足跡。由圖5可知，2013年大豆季常規(guī)（CK）、秸稈深施還田（DSR）和秸稈覆蓋免耕（SC）處理之間單位產(chǎn)量碳足跡無顯著差異（P>0.05）。2014和 2015年玉米季SC處理單位產(chǎn)量碳足跡最低，較CK處理分別降低9.5%和11.0%（P<0.05）；較DSR處理分別降低6.6%和5.9%，但差異不顯著（P>0.05）。

圖5 2013—2015年不同處理單位產(chǎn)量碳足跡Figure 5 Carbon footprint per unit of crop yields under different treatments in 2013?2015

3 討論

3.1 秸稈還田對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

土壤 N2O排放源于微生物參與下的土壤硝化和反硝化作用。針對秸稈還田對土壤N2O排放的影響國內(nèi)外學者還缺乏一致結(jié)論，相關(guān)結(jié)果表現(xiàn)為促進、抑制和不影響。（1）秸稈還田促進土壤N2O排放：秸稈還田增加了土壤的碳供應，作為基質(zhì)直接參與土壤硝化過程，改變了參與N2O排放的土壤微生物群落組成，促進了土壤硝化作用，從而增加了N2O排放（Li et al.，2018；唐占明等，2021）。此外，旱地秸稈還田后改變了土壤微環(huán)境，導致土壤孔隙度、溫度、水分等發(fā)生了變化，增強了土壤反硝化反應，也會促進N2O排放（Liu et al.，2011）。劉全全等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋還田增加了黃土旱塬區(qū)冬小麥田N2O排放，原因是多年秸稈還田后土壤有機物質(zhì)累積量持續(xù)增長，增加了土壤中的碳源，另外秸稈覆蓋的穩(wěn)溫保濕效應顯著，這兩方面共同增強了土壤硝化作用和反硝化過程中微生物的活性，導致土壤N2O排放量增加。閆翠萍等（2016）指出，在小麥-玉米輪作農(nóng)田秸稈深施還田土壤N2O排放量較不還田周年增加68.9%。李平等（2018）在黑土上的研究結(jié)果為，秸稈與土壤混合后配施氮肥，N2O排放量增加了兩個數(shù)量級，原因是秸稈豐富的碳源為反硝化微生物提供了充足的碳底物，刺激了土壤微生物呼吸的作用，形成較多的厭氧微區(qū)，從而導致更多的N2O排放。（2）秸稈還田降低土壤N2O排放：當秸稈碳氮比較大時，表現(xiàn)為碳源過剩和氮源缺乏，從而刺激土壤微生物去吸收其他氮源以滿足代謝活動，因此加強了對土壤中可利用氮源的吸收，減少了硝化與反硝化作用的基質(zhì)，進而降低了N2O排放（Garcia et al.，2007；張冉等，2015；高洪軍等，2017）；也有研究指出，秸稈覆蓋還田阻礙了土壤與大氣的氣體對流，一定程度上降低了N2O的排放（劉海濤等，2016）；秸稈深施還田后，加強了微生物對氮素的固持作用，導致有效氮濃度降低，從而抑制硝化和反硝化過程，使N2O排放降低（朱曉晴等，2020）。本研究中，不論是秸稈深施還田亦或秸稈覆蓋免耕，均未增加或降低土壤N2O排放，這也與張冉等（2015）的研究結(jié)果一致，即秸稈還田對東北地區(qū)農(nóng)田土壤N2O排放無顯著影響。可見，受秸稈還田方式和還田量、土壤條件（土壤類型、質(zhì)地、水分含量）、氣象因素（降水、氣溫）、田間管理（施肥、灌溉、耕作）等因素影響，黑土秸稈還田下的土壤N2O排放還存在較大的不確定因素，下一步還需進行深入研究。

本研究中，松嫩平原南部大豆田和玉米田是大氣中 CH4的弱“匯”，這也與其他學者在旱田上的研究結(jié)果一致（Sun et al，2016；呂艷杰等，2016），原因是旱地農(nóng)田土壤通氣條件好，氧氣易于擴散到土壤中，提高甲烷氧化微生物和甲烷氧化酶的活性，好氣土壤中的CH4易被氧化菌氧化成CO2，削弱CH4的排放特征，強化了土壤作為CH4的吸收匯特征（宋利娜等，2013）。秸稈覆蓋通過改變土壤厭氧條件、土壤物理性質(zhì)和土壤養(yǎng)分條件等間接影響CH4排放，導致 CH4排放量增加（Lenka et al.，2013），但通過改變覆蓋措施則會減少CH4排放（Ma et al.，2009）。朱曉晴等（2020）在棕壤上的研究結(jié)果為，秸稈深施還田降低了土壤對CH4的吸收量，可能是秸稈深施后較好的土壤通透性利于甲烷氧化菌活動，增強了土壤吸收氧化CH4的能力。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋和秸稈深施還田均對CH4排放量沒有明顯影響，與裴淑瑋等（2012）和呂艷杰等（2016）秸稈還田后CH4的吸收通量降低的結(jié)果不一致，可能是添加秸稈后沒有增加土壤甲烷氧化菌的多樣性和豐富度，故未顯著影響土壤產(chǎn)甲烷菌的活動以及土壤氧化還原電位，進而也未影響CH4的氧化潛勢（裴淑瑋等，2012；郝小雨等，2015）。

3.2 秸稈還田對農(nóng)田碳足跡的影響

本文分析了松嫩平原大豆-玉米-玉米輪作系統(tǒng)下不同秸稈還田方式下農(nóng)田碳足跡變化，2013—2015年秸稈覆蓋免耕處理農(nóng)田碳足跡最低，較常規(guī)和秸稈深施還田處理分別降低4.5%和5.1%，原因是在農(nóng)資投入相同、且N2O和CH4排放無顯著差異的情況下，秸稈覆蓋免耕處理田間耕作措施較少、柴油消耗量較低，故產(chǎn)生的碳排放量也較低。秸稈覆蓋免耕處理僅有 7項田間耕作措施，而常規(guī)和秸稈深施還田處理則分別達到了10項和11項，大大增加了油耗，進而增加農(nóng)田碳排放。這也與李萍等（2017）和伍芬琳等（2007）研究結(jié)果一致。

本研究中，各項碳足跡占總碳足跡的比例排序為：土壤溫室氣體排放>氮肥生產(chǎn)>磷肥生產(chǎn)>田間耕作>農(nóng)藥生產(chǎn)>種子生產(chǎn)>鉀肥生產(chǎn)，這與部分研究結(jié)果不一致（段智源等，2014；李萍等，2017），原因除了農(nóng)資投入量不同之外，還與碳排放系數(shù)參考的數(shù)值不同有關(guān)。在大豆-玉米-玉米輪作體系下，土壤溫室氣體排放的農(nóng)田碳足跡的貢獻占比達到44.8%—46.7%，為第一貢獻因子，其中N2O排放是主要來源。因此，采取相關(guān)措施減少土壤N2O排放極為必要，如采用“4R”施肥技術(shù)（米國華等，2018），即合理的用量（Right rate）、正確的施肥時間（Right time）、合適的肥料（Right fertilizer）、合理的施肥位置（Right placement）來提高肥料利用率，進一步降低作物生產(chǎn)碳足跡（Gan et al.，2014）。此外，化肥生產(chǎn)（氮肥、磷肥、鉀肥）農(nóng)田碳足跡的貢獻占比為35.8%—37.7%，僅次于土壤溫室氣體排放，因此未來還需發(fā)展低碳清潔的肥料生產(chǎn)工藝，進一步減少碳排放。

4 結(jié)論

松嫩平原南部大豆-玉米-玉米輪作體系下，秸稈深施還田和秸稈覆蓋免耕不影響土壤N2O和CH4排放。影響農(nóng)田碳足跡的主要貢獻因子是土壤溫室氣體排放、氮肥生產(chǎn)、磷肥生產(chǎn)和田間耕作。秸稈覆蓋免耕措施可以減少機械燃油產(chǎn)生的碳排放，繼而降低農(nóng)田碳足跡，較常規(guī)和秸稈深施還田處理分別降低4.5%和5.1%。秸稈深施還田和秸稈覆蓋免耕可以提高大豆、玉米產(chǎn)量。綜上，在松嫩平原南部大豆-玉米-玉米輪作體系下，秸稈覆蓋免耕可以降低農(nóng)田碳足跡并可提高大豆、玉米產(chǎn)量，是較為適宜的耕作方式。下一步，應建立低碳可持續(xù)的耕作管理方式，開展清潔生產(chǎn)、優(yōu)化農(nóng)機農(nóng)藝管理、高效施肥等措施，助力實現(xiàn)中國“碳達峰、碳中和”的目標。