施肥與灌溉對(duì)甘肅省苜蓿碳足跡的影響

劉松，王效琴,2，胡繼平，李強(qiáng)，崔利利，段雪琴，郭亮,2

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施肥與灌溉對(duì)甘肅省苜蓿碳足跡的影響

劉松1，王效琴1,2，胡繼平1，李強(qiáng)1，崔利利1，段雪琴1，郭亮1,2

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

【目的】評(píng)估甘肅省苜蓿不同種植模式的碳足跡，探明溫室氣體的主要排放環(huán)節(jié)。分析施肥與灌溉對(duì)甘肅省苜蓿碳足跡的影響，評(píng)估可能的減排潛力，為甘肅省苜蓿生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)?！痉椒ā繎?yīng)用生命周期評(píng)價(jià)理論和IPCC（2006）田間溫室氣體計(jì)算方法，建立苜蓿碳足跡評(píng)估方法。通過(guò)調(diào)研甘肅省苜蓿主產(chǎn)區(qū)隴東、隴中和河西地區(qū)10個(gè)縣區(qū)的苜蓿種植農(nóng)戶(hù)和農(nóng)場(chǎng)，收集苜蓿的產(chǎn)量、化肥、灌溉等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)施肥和灌溉水平及灌溉水源將甘肅省苜蓿種植模式分為4種，使用建立的苜蓿碳足跡評(píng)估方法和甘肅省苜蓿生產(chǎn)投入/產(chǎn)出數(shù)據(jù)，分析4種種植模式的碳足跡構(gòu)成特點(diǎn)、施氮水平與灌溉對(duì)苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量和碳足跡的影響特征。使用情景分析方法揭示氮肥減施、改進(jìn)氮肥生產(chǎn)工藝、無(wú)機(jī)有機(jī)肥混施、滴灌和噴灌技術(shù)降低苜蓿種植過(guò)程溫室氣體排放的潛力?！窘Y(jié)果】甘肅省苜蓿4種種植模式的碳足跡（以CO2eq計(jì)）從小到大依次為0.02（不施肥不灌溉模式，NFNI）、0.19（施肥不灌溉模式，SFNI）、0.22（施肥+河水灌溉模式，SFRI）、0.64（施肥+井灌模式，SFWI）kg CO2eq·kg-1苜蓿干物質(zhì)（DM）。SFNI模式除與SFRI模式之間碳足跡差異不顯著外，與其他種植模式之間的差異均顯著。不同種植模式之間的碳足跡構(gòu)成環(huán)節(jié)和各環(huán)節(jié)對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)率存在差異。NFNI模式的碳足跡主要由苜蓿殘茬和農(nóng)機(jī)使用兩部分的排放組成；SFNI模式和SFRI模式碳足跡的主要產(chǎn)生環(huán)節(jié)是化肥生產(chǎn)和氮肥田間施用的排放，其次是農(nóng)機(jī)使用；SFWI模式碳足跡的最大來(lái)源是灌溉耗電，其次為化肥生產(chǎn)和氮肥田間施用的排放。通過(guò)氮肥減施、無(wú)機(jī)有機(jī)肥混施、降低氮肥生產(chǎn)過(guò)程中排放可使甘肅省SFNI、SFRI和SFWI模式的苜蓿碳足跡分別降低10.0%—18.0%、-3.0%—8.0%和1.8%—5.8%。如果不考慮節(jié)水管材生產(chǎn)的額外溫室氣體排放，節(jié)水灌溉（噴灌和滴灌）可減少SFWI模式苜蓿碳足跡的12.7%—38.5%?！窘Y(jié)論】甘肅省4種苜蓿種植模式的產(chǎn)量和碳足跡均存在差異，高投入高產(chǎn)出的SFWI模式的苜蓿產(chǎn)量最高，但碳足跡也顯著高于其他模式。除NFNI模式外，其他3種模式均存在過(guò)量施肥現(xiàn)象。減施氮肥和降低氮肥生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放均可降低甘肅省苜蓿生產(chǎn)的碳足跡；無(wú)機(jī)有機(jī)肥混施可以降低SFNI和SFRI模式的碳足跡，但同等施氮水平下，無(wú)機(jī)有機(jī)肥混施短期內(nèi)會(huì)降低產(chǎn)量。因此，在保證一定產(chǎn)量同時(shí)降低溫室氣體排放量的目標(biāo)下，有機(jī)肥和化肥混施的最佳比例及實(shí)際減排潛力仍需通過(guò)田間的長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證；節(jié)水灌溉是SFWI模式的主要減排措施，但節(jié)水灌溉所能帶來(lái)的綜合減排潛力仍需針對(duì)具體區(qū)域的田間節(jié)水試驗(yàn)和額外耗材帶來(lái)的溫室氣體排放進(jìn)一步評(píng)估。

苜蓿；碳足跡；施肥；灌溉；甘肅省

0 引言

【研究意義】苜蓿被譽(yù)為牧草之王，是優(yōu)質(zhì)的奶牛粗飼料[1]。隨著近幾年消費(fèi)者對(duì)牛奶品質(zhì)以及消費(fèi)需求的提高，中國(guó)奶牛飼料正在由秸稈+精飼料型向牧草+青貯+精飼料型轉(zhuǎn)變[2]，對(duì)苜蓿的需求量日益增加，推廣高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苜蓿種植已成為中國(guó)振興奶業(yè)的一個(gè)重要舉措[3]。實(shí)現(xiàn)苜蓿的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)多數(shù)情況需要肥料和灌溉，但是肥料生產(chǎn)、施用以及灌溉過(guò)程會(huì)消耗大量能源，增加溫室效應(yīng)。在全球控制溫室效應(yīng)的大背景下，施肥和灌溉是否會(huì)以及如何影響苜蓿生產(chǎn)的溫室氣體排放也是目前所必須考慮的。甘肅省是中國(guó)苜蓿傳統(tǒng)種植區(qū)域，多年苜蓿留床面積約占全國(guó)種植面積的1/3，穩(wěn)居全國(guó)之首[4]，且因其境內(nèi)地域和降雨差異，苜蓿種植存在不同的施肥和灌溉模式。因此以甘肅省為研究區(qū)域，評(píng)估施肥和灌溉對(duì)苜蓿碳足跡的影響，對(duì)于尋求苜蓿種植的最佳模式，促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】“碳足跡”是生產(chǎn)單位目標(biāo)產(chǎn)品的過(guò)程中，直接或間接排放的溫室氣體的總和[5]，通常用生產(chǎn)單位產(chǎn)品的二氧化碳當(dāng)量（CO2eq）表示。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳足跡研究主要用于定量評(píng)估不同農(nóng)產(chǎn)品對(duì)全球暖化的貢獻(xiàn)、溫室氣體的主要排放環(huán)節(jié)及減少其排放量的有效措施。國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)作物碳足跡的研究主要集中在主糧作物和油料作物。史磊剛等[6]評(píng)價(jià)了華北平原小麥-玉米的碳足跡，并對(duì)不同農(nóng)作措施下冬小麥-夏玉米的碳足跡及優(yōu)化潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Gan等研究了大麥、油菜等碳足跡，指出了氮肥施用量與作物碳足跡呈正相關(guān)關(guān)系[7-8]，劉松等[9]同樣發(fā)現(xiàn)氮肥施用量與小麥和玉米的碳足跡呈顯著正相關(guān)關(guān)系。然而關(guān)于苜蓿的碳足跡國(guó)內(nèi)外只有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道[10]，劉松等[9]研究指出關(guān)中平原苜蓿的碳足跡為0.38 kg CO2eq·kg-1苜蓿干草，主要貢獻(xiàn)環(huán)節(jié)是化肥生產(chǎn)、氮肥田間施用的排放和灌溉，但由于樣本較少而沒(méi)有分析化肥及灌溉與碳足跡的關(guān)系；Adom等[11]研究表明美國(guó)生產(chǎn)的苜蓿干草碳足跡僅為 0.17 kg CO2eq，碳足跡主要來(lái)源為作物殘茬、磷肥施用、石灰、柴油和電，苜蓿的碳足跡存在較大區(qū)域差異，該研究比較了苜蓿與其他作物之間的碳足跡差異，但沒(méi)有分析主要因素與碳足跡之間的變化趨勢(shì)。【本研究切入點(diǎn)】已有的研究表明，氮肥施用量與小麥、玉米等其他農(nóng)作物的碳足跡之間存在線性正相關(guān)關(guān)系，而其對(duì)苜蓿碳足跡的影響尚不清楚；苜蓿碳足跡存在區(qū)域差異，該差異可能是由于種植模式、施肥和灌溉量的差異引起。甘肅省作為中國(guó)苜蓿的主產(chǎn)區(qū)且省內(nèi)存在不同的施肥和灌溉模式，而其碳足跡特征及減排潛力尚不清楚。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用生命周期方法和IPPC[12]提供的溫室氣體計(jì)算方法，定量評(píng)估并明確甘肅省苜蓿不同施肥和灌溉模式的碳足跡大小及其主要影響環(huán)節(jié)；分析能夠降低苜蓿碳足跡的施肥和灌溉模式，評(píng)估其減排潛力，為甘肅省苜蓿生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

于2016年6—9月調(diào)研了甘肅省苜蓿主產(chǎn)區(qū)隴東、隴中和河西地區(qū)10個(gè)縣區(qū)14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)苜蓿的產(chǎn)量、化肥、農(nóng)機(jī)使用及灌溉等情況，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)調(diào)研5—6個(gè)農(nóng)戶(hù)或農(nóng)場(chǎng)，共獲得73個(gè)有效樣本數(shù)據(jù)，共覆蓋3 063 hm2苜蓿種植面積，約占甘肅省苜蓿種植面積的4%。調(diào)研點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，分別為慶陽(yáng)市鎮(zhèn)原縣、白銀市會(huì)寧縣、定西市安定區(qū)、金昌市永昌縣、張掖市（甘州區(qū)、民樂(lè)縣、臨澤縣）、酒泉市（玉門(mén)市、肅州區(qū)、金塔縣），這些市（縣區(qū)）是甘肅省苜蓿主產(chǎn)區(qū)，能夠代表甘肅省的苜蓿生產(chǎn)情況。

調(diào)研數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0、Excel 2013軟件處理分析。

圖1 甘肅省苜蓿調(diào)研地點(diǎn)分布

1.2 評(píng)估方法

本研究依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)的一般程序進(jìn)行，包括目標(biāo)定義和范圍、清單分析、碳足跡評(píng)估（影響評(píng)估）和結(jié)果分析[15]。

1.2.1 目標(biāo)定義和范圍 評(píng)估甘肅省苜蓿的碳足跡，即生產(chǎn)1 kg苜蓿干物質(zhì)（DM）從原材料到苜蓿的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中溫室氣體的排放。功能單位為1 kg苜蓿干物質(zhì)。評(píng)估范圍根據(jù)苜蓿的生產(chǎn)活動(dòng)確定，從化肥等的生產(chǎn)到苜蓿的收獲，包括（1）化肥生產(chǎn)過(guò)程的二氧化碳排放；（2）氮肥施用引起的氧化亞氮直接和間接排放，以及尿素的田間二氧化碳排放；（3）灌溉能耗帶來(lái)的二氧化碳排放；（4）播種和收獲等農(nóng)機(jī)使用引起的二氧化碳排放；（5）苜蓿殘茬引起的氧化亞氮直接和間接排放；（6）農(nóng)藥和農(nóng)膜生產(chǎn)引起的二氧化碳排放。

1.2.2 清單分析 清單分析是對(duì)定義的產(chǎn)品生命周期階段資源、能源和環(huán)境污染物的排放進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析。本文苜蓿生產(chǎn)過(guò)程的農(nóng)資消耗和產(chǎn)量來(lái)自于實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，代表了2011—2015年甘肅省苜蓿的生產(chǎn)情況。甘肅省隴東、隴中與河西地區(qū)的氣候與水文條件存在較大差異，加之苜蓿種植的布局、規(guī)模與種植習(xí)慣的影響，使得苜蓿種植模式差異也較大。根據(jù)施肥和灌溉情況甘肅省苜蓿種植主要存在4種模式：（1）不施肥、不灌溉的粗放模式（non-fertilization and non-irrigation，NFNI）；（2）施肥、不灌溉模式（spreading fertilizer and non-irrigation，SFNI）；（3）施肥、河水灌溉模式（spreading fertilizer and river irrigation，SFRI）；（4）施肥、地下水灌溉的高投入高產(chǎn)出模式（spreading fertilizer and well irrigation，SFWI）。前兩種模式主要存在于隴東和隴中地區(qū)，后兩種模式主要存在于河西地區(qū)，4種種植模式的投入產(chǎn)出見(jiàn)表1。SFRI模式中的部分農(nóng)戶(hù)屬于以河水灌溉為主，少量井水灌溉補(bǔ)充。

表1 甘肅省苜蓿不同種植模式的年投入和產(chǎn)出

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著（＜0.05）。尿素指化肥中尿素用量，化肥N中包含了所有化肥來(lái)源的氮

Different lowercases in the same column mean significant difference (＜0.05). Urea refers to the amount of urea in the fertilizer, and the fertilizer N contains all the sources of nitrogen fertilizer

使用的參數(shù)依據(jù)“就近原則”，首選國(guó)內(nèi)與本研究區(qū)域一致或相近地區(qū)的參數(shù)，其次是國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的參數(shù)，再次選擇國(guó)外參數(shù)。苜蓿地上殘余物的干物質(zhì)含量及殘余物含氮量的計(jì)算依據(jù)IPCC（2006）國(guó)家溫室氣體清單指南提供的方法。氮肥（N）、磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）生產(chǎn)的溫室氣體排放系數(shù)（kg·kg-1）分別為4.77[16]、2.02、0.49[17]；苜蓿施用氮肥田間N2O直接排放系數(shù)（kg N2O-N·kg-1N）和氨揮發(fā)系數(shù)（kg NH3-N·kg-1N）分別為0.0105[18]和0.17[19]；硝態(tài)氮淋溶系數(shù)參考趙榮芳等[20]的研究，選取值為0.25；大氣氮沉降的N2O排放系數(shù)（kg·kg-1）、氮滲漏或徑流損失引起的N2O排放系數(shù)（kg·kg-1）、尿素田間CO2排放系數(shù)（kg·kg-1）和苜蓿殘余物含氮量（kg·kg-1）均來(lái)自IPCC（2006），分別為0.01、0.0075、0.2和0.027；柴油、電力、農(nóng)藥、地膜生產(chǎn)或使用的CO2排放系數(shù)（kg·L-1、kg·kwh-1、kg·kg-1、kg·kg-1）分別為2.76[21]、0.95[22]、18.04[23]、6.41[24]。

1.2.3 碳足跡評(píng)估 苜蓿生產(chǎn)涉及的溫室氣體為CO2和N2O，為便于匯總排放量，統(tǒng)一的計(jì)量單位二氧化碳當(dāng)量（CO2eq）被用來(lái)計(jì)量不同種類(lèi)溫室氣體的排放量。苜蓿碳足跡計(jì)算公式如下：

=E/Y

數(shù)據(jù)經(jīng)核對(duì)校驗(yàn)無(wú)誤后，應(yīng)用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)數(shù)資料用百分率(%)表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn) α=0.05。

式中，為苜蓿碳足跡（kg CO2eq·kg-1DM）；E為生產(chǎn)苜蓿生命周期內(nèi)的以CO2為當(dāng)量計(jì)算的總的溫室氣體排放量（kg）；Y為苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量（kg）。

(F+C×C)×(ef+F×ef)×44/28×265

式中，F為生產(chǎn)苜蓿施用第種肥料的量（kg）；ef為生產(chǎn)第種肥料的CO2排放系數(shù)（kg CO2·kg-1）；為苜蓿農(nóng)機(jī)柴油消耗量（L）；ef為柴油燃燒的CO2排放系數(shù)（kg CO2·L-1）；E為生產(chǎn)第種作物的耗電量（kWh）；ef為生產(chǎn)電的CO2排放系數(shù)（kg CO2·kWh-1）；為苜蓿尿素施用量（kg）；ef為尿素排放因子（kg·kg-1）；44/12為CO2-C換化為CO2的系數(shù)；F為苜蓿施氮量（kg）；C為苜蓿殘余物量（kg）；C為苜蓿殘余物中含氮量（kg N·kg-1）；ef氮肥N2O直接排放系數(shù)（kg N2O-N·kg N-1）；F為苜蓿氨揮發(fā)系數(shù)，ef為大氣氮沉降排放N2O的系數(shù)；44/28為N2O-N轉(zhuǎn)化為N2O的系數(shù)；265[25]為N2O增溫潛趨勢(shì)值。

2 結(jié)果

2.1 甘肅省苜蓿不同種植模式的碳足跡

甘肅省苜蓿不同種植模式生產(chǎn)1 kg苜蓿（以干物質(zhì)計(jì)）的溫室氣體排放量（以kg CO2eq計(jì)）由小到大依次為NFNI 模式0.021、SFNI模式0.190、SFRI模式0.219、SFWI模式0.639。SFNI模式除過(guò)與SFRI模式之間碳足跡差異不顯著外，與其他兩種植模式之間的差異均顯著（表2）。

2.2 甘肅省苜蓿碳足跡的主要構(gòu)成環(huán)節(jié)

甘肅省苜蓿碳足跡構(gòu)成如圖2所示，不同種植模式之間的構(gòu)成環(huán)節(jié)和各環(huán)節(jié)對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)率存在差異。NFNI模式的碳足跡主要由苜蓿殘茬和農(nóng)機(jī)使用兩部分的排放組成，其對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)率分別為56%和44%。SFNI模式和SFRI模式碳足跡的主要產(chǎn)生環(huán)節(jié)是化肥生產(chǎn)和氮肥田間排放，對(duì)苜蓿碳足跡貢獻(xiàn)率別占38%—41%和28%—42%；農(nóng)機(jī)使用次之，貢獻(xiàn)率為13%—16%；其他環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)率均小于10%。SFWI模式碳足跡的最大來(lái)源是灌溉耗電，對(duì)苜蓿碳足跡貢獻(xiàn)約占67%；其次為化肥生產(chǎn)約占15%，氮肥田間排放占12%，其他環(huán)節(jié)的貢獻(xiàn)率均低于6%。雖然不同種植模式的苜蓿碳足跡不同，但對(duì)于施肥型的種植模式，化肥生產(chǎn)、氮肥田間排放、灌溉用電和農(nóng)機(jī)使用是溫室氣體主要的排放環(huán)節(jié)。

表2 甘肅省苜蓿的碳足跡

化肥生產(chǎn)和氮肥田間排放都可歸類(lèi)為與化肥有關(guān)的排放，化肥對(duì)苜蓿碳足跡的貢獻(xiàn)率為69%—81%（NFNI、SFWI模式除外），其中由氮肥生產(chǎn)和田間施用的排放占化肥總排放的80%—91%。這主要由于生產(chǎn)單位氮肥的溫室氣體排放量遠(yuǎn)高于生產(chǎn)磷肥和鉀肥，約是磷肥的2.4倍，鉀肥的10倍；另外，氮肥施到田間后會(huì)排放N2O，而N2O的溫室效應(yīng)是CO2的265倍，同時(shí)如果施用的氮肥是尿素，尿素除了會(huì)排放N2O，還會(huì)直接釋放CO2，這些都導(dǎo)致氮肥成為影響苜蓿碳足跡的重要因素。

苜蓿生長(zhǎng)季需水量大，而河西地區(qū)降雨少蒸發(fā)量大，因此苜蓿生長(zhǎng)期需要灌溉大量的水，加上使用機(jī)井灌溉需要消耗大量的電，這導(dǎo)致灌溉耗電成為河西井灌區(qū)苜蓿碳足跡的首要來(lái)源。根據(jù)本文調(diào)研數(shù)據(jù)，農(nóng)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于甘肅省苜蓿種植。苜蓿地翻耕、播種、施肥、噴灑農(nóng)藥、收割、摟草、打捆、翻曬等環(huán)節(jié)都需要使用農(nóng)機(jī)，同時(shí)甘肅苜蓿一般收割2—4茬，每一茬都需要收割、摟草等，因而苜蓿農(nóng)機(jī)（一般使用柴油）使用柴油消耗較高，使其成為甘肅省苜蓿碳足跡不可忽視的因素。

2.3 氮肥施用量對(duì)苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量和碳足跡的影響

調(diào)研獲得的農(nóng)戶(hù)實(shí)際氮肥施用量和苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量之間的變化趨勢(shì)如圖3，當(dāng)?shù)适┯昧浚?0 kg·hm-2時(shí)，隨著氮肥施用量的增加，苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量有增長(zhǎng)的趨勢(shì)；但當(dāng)?shù)适┯昧浚?0 kg·hm-2時(shí)，干物質(zhì)產(chǎn)量不再隨著施氮量的增加而增長(zhǎng)，即調(diào)研區(qū)域苜蓿的最優(yōu)施氮量是70 kg·hm-2。該最優(yōu)施氮水平顯著低于SFNI、SFRI和SFWI模式的平均施氮水平。

甘肅省苜蓿施氮量對(duì)碳足跡的影響見(jiàn)圖4，施氮量與苜蓿碳足跡呈正相關(guān)線型關(guān)系（=0.72）。氮肥對(duì)碳足跡的影響主要有2個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)是氮肥生產(chǎn)，另一個(gè)是氮肥田間施用。減少氮肥對(duì)苜蓿碳足跡的影響有2個(gè)途徑：合理減施氮肥和降低氮肥生產(chǎn)過(guò)程的溫室氣體排放。因此，本研究設(shè)置了2個(gè)氮肥減排情景：一是調(diào)研數(shù)據(jù)模擬的最優(yōu)施氮水平（70 kg N·hm-2）；二是氮肥生產(chǎn)工藝改進(jìn)。氮肥減施方案假設(shè)甘肅省3種施肥模式（SFNI、SFRI和SFWI）的平均施氮水平通過(guò)合理的田間管理，降到70 kg·hm-2，而產(chǎn)量能保持原來(lái)的水平。氮肥生產(chǎn)工藝改進(jìn)假設(shè)中國(guó)生產(chǎn)氮肥的排放系數(shù)由4.77 kg CO2·kg-1N降至美國(guó)水平3.87 kg CO2·kg-1N[11]。2種減排情景下3種苜蓿種植模式的碳足跡如圖5，平均施氮水平降為70 kg·hm-2時(shí)，SFNI、SFRI和SFWI模式的平均碳足跡分別降低10%、18%和11%，改進(jìn)氮肥生產(chǎn)工藝可使3種模式的碳足跡分別降低5.8%、4.3%和1.8%。

圖3 甘肅省苜蓿氮肥施用量對(duì)干物質(zhì)產(chǎn)量的影響

圖4 甘肅省苜蓿氮肥施用量對(duì)碳足跡的影響

FS為調(diào)研數(shù)據(jù)碳足跡；PINP為改進(jìn)氮肥生產(chǎn)工藝的碳足跡；N70為最優(yōu)施氮水平的碳足跡

2.4 施用有機(jī)肥對(duì)苜蓿碳足跡影響

在本文調(diào)研中，甘肅苜蓿種植基本上施用化肥，很少施用有機(jī)肥。本文根據(jù)楊園園等[26]田間試驗(yàn)研究的單施氮肥和牛糞氮肥混施（60%牛糞N，40%化肥N）的田間N2O排放量和對(duì)產(chǎn)量的影響數(shù)據(jù)，并考慮牛糞作為有機(jī)肥所分擔(dān)的奶牛養(yǎng)殖過(guò)程溫室氣體排放量[27]，評(píng)估牛糞氮肥混施對(duì)施肥的3種模式SFNI、SFRI和SFWI碳足跡的影響。根據(jù)楊園園等兩年的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同樣的施氮水平下，牛糞氮肥混施（60%牛糞N，40%化肥N）的田間N2O排放系數(shù)比單施氮肥高12%，產(chǎn)量低9.4%[26]，不過(guò)牛糞作為有機(jī)肥所分擔(dān)的奶牛養(yǎng)殖過(guò)程溫室氣體排放量2.15 kg CO2eq·kg-1N[27]卻低于生產(chǎn)N肥的溫室氣體排放量4.77。牛糞氮肥混施（60%牛糞N，40%化肥N）使SFNI和SFRI模式的碳足跡分別降低8%和6%，但對(duì)于SFWI模式由于其碳足跡的主控因素是灌溉能耗和產(chǎn)量，使用牛糞減少的N肥生產(chǎn)過(guò)程的排放對(duì)總溫室氣體排放量的影響較小，但卻較大地影響了產(chǎn)量，導(dǎo)致碳足跡比單施氮肥增加了3%。

2.5 灌溉對(duì)苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量和碳足跡的影響

甘肅省年降雨量少而苜蓿生長(zhǎng)季節(jié)需水量大，灌溉是苜蓿產(chǎn)量的控制因素，灌溉量與苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量之間存在正相關(guān)線型關(guān)系（=0.75，圖6），隨著灌溉量的增加，干物質(zhì)產(chǎn)量有增長(zhǎng)趨勢(shì)。苜蓿灌溉對(duì)碳足跡的影響主要由灌溉是否消耗能源及消耗多少?zèng)Q定。灌溉耗電量與碳足跡有顯著的線型正相關(guān)關(guān)系（=0.93，圖7）。甘肅省苜蓿生產(chǎn)的4種模式中只有SFRI和SFWI灌溉，SFRI主要是河水自流灌溉，灌溉耗電量小，其碳足跡受灌溉影響小，SFWI模式為井水灌溉，耗電量大，因此受灌溉量影響大。

本文調(diào)研的SFWI模式均為大水漫灌，大水漫灌的水資源有效利用率只有30%—40%[28]，因而苜蓿漫灌浪費(fèi)了大量的水資源。郭學(xué)良等[29]研究表明，與漫灌相比，噴灌產(chǎn)量增加了21.6%，每公頃需灌溉9 100 m3，與SFWI模式漫灌相比節(jié)水2 150 m3，節(jié)約用電1 075 kwh。王東等[30]的研究指出地埋滴灌種植苜蓿，畝產(chǎn)較常規(guī)灌溉高40%以上，每公頃需灌溉水4 500 m3，與SFWI模式漫灌相比可節(jié)水6 750 m3，節(jié)約用電3 375 kwh。若SFWI模式采用噴灌和滴灌，假設(shè)產(chǎn)量保持原來(lái)的水平，若不考慮額外的管材生產(chǎn)帶來(lái)的溫室氣體排放，則河西井灌區(qū)苜蓿碳足跡將降至0.558和0.383 kg CO2eq·kg-1DM，與漫灌相比分別降低了12.7%和38.5%。

圖6 甘肅省灌溉水量對(duì)苜蓿干物質(zhì)產(chǎn)量的影響

圖7 灌溉耗電量對(duì)甘肅省苜蓿碳足跡的影響

3 討論

本研究獲得的甘肅省苜蓿生產(chǎn)的SFNI模式和SFRI模式的碳足跡（0.190和0.219 kg CO2eq·kg-1DM）高于美國(guó)的研究（0.17 kg CO2eq·kg-1DM）[8]，主要原因?yàn)槊绹?guó)苜蓿種植很少施氮肥，其碳足跡主要來(lái)源于磷肥施用，而磷肥對(duì)碳足跡的影響遠(yuǎn)低于氮肥。甘肅省的施肥河水灌溉（SFRI）模式與劉松等[9]研究的關(guān)中平原苜蓿種植模式一致，但碳足跡（0.219 kg CO2eq·kg-1DM）低于關(guān)中平原（0.382 CO2eq· kg-1DM），主要原因是甘肅省SFRI模式的施氮水平（113 kg N·hm-2）低于陜西省關(guān)中平原（179 kg N·hm-2），而氮肥施用量是施肥河水灌溉模式碳足跡的主要因素，對(duì)碳足跡的貢獻(xiàn)率為80%—91%。已有文獻(xiàn)未對(duì)不施肥不灌溉（NFNI）和施肥井灌（SFWI）模式的苜蓿碳足跡做過(guò)研究，無(wú)法對(duì)甘肅省的這兩類(lèi)苜蓿種植模式進(jìn)行同類(lèi)研究比較。

甘肅存在的4種苜蓿種植模式中，NFNI模式較為粗放，既不施肥也不灌溉，是4種模式中產(chǎn)量最低的，但由于生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有引入大量的溫室氣體排放源，使得溫室氣體排放量非常少，導(dǎo)致其碳足跡最低。SFNI模式也不灌溉，但施肥，其產(chǎn)量顯著高于前者，而由于施肥帶來(lái)的溫室氣體排放量的增量高于產(chǎn)量的增量，導(dǎo)致SFNI模式碳足跡高于NFNI模式，且差異顯著。SFRI模式與SFWI模式均屬于既施肥又灌溉的資源高投入模式，雖然產(chǎn)量都顯著高于前兩者，但高投入帶來(lái)的產(chǎn)量增量尚不足以抵消溫室氣體排放量的增量，因此碳足跡高于前兩者，尤其是SFWI模式屬于井水灌溉，抽取地下水灌溉消耗大量電能導(dǎo)致溫室氣體排放量顯著升高，其碳足跡不僅顯著高于前兩者也顯著高于河水灌溉的SFRI模式。

氮肥施用是甘肅省苜蓿生產(chǎn)SFNI、SFRI和SFWI模式碳足跡的主要來(lái)源，占前兩類(lèi)模式碳足跡的80%—91%，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)模擬分析，甘肅省多數(shù)苜蓿種植農(nóng)戶(hù)存在過(guò)量施肥的現(xiàn)象。研究表明，通過(guò)提高氮肥利用效率可以減少氮肥施用量，西方國(guó)家氮肥利用率為40%—60%[31]，而中國(guó)一般只有30%—35%[32]；另外，苜蓿是固氮作物，適當(dāng)減少氮肥使用量也有利于促進(jìn)與充分利用苜蓿的生物固氮作用，這些都表明甘肅省通過(guò)減少氮肥施用量從而減少碳足跡仍有較大空間。中國(guó)氮肥生產(chǎn)是煤基型的，生產(chǎn)氮肥的溫室氣體排放量高于美國(guó)等其他發(fā)達(dá)國(guó)家[11]，氮肥生產(chǎn)工藝改進(jìn)往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此降低氮肥生產(chǎn)溫室氣體排放系數(shù)來(lái)降低甘肅省苜蓿碳足跡需要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

甘肅苜蓿種植基本上施用化肥，很少施用有機(jī)肥。有研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用能夠促進(jìn)苜蓿固氮能力，減少氮素?fù)p失，提高苜蓿氮肥利用率[33-35]。合理地將畜禽糞便引入到苜蓿生產(chǎn)中，可降低苜蓿生產(chǎn)中的化學(xué)氮肥用量，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧之間的養(yǎng)分循環(huán)[36]。本文根據(jù)楊園園等[26]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用可以降低SFNI和SFRI模式的碳足跡，但施用有機(jī)肥對(duì)土壤質(zhì)量和作物營(yíng)養(yǎng)是一種長(zhǎng)效機(jī)制，在同樣的施氮水平下，用有機(jī)肥替代化肥，短期內(nèi)會(huì)降低產(chǎn)量，因此，在保證一定產(chǎn)量同時(shí)降低溫室氣體排放量的目標(biāo)下，如何確定有機(jī)肥和化肥混施的最佳比例及實(shí)際減排潛力仍需通過(guò)田間的長(zhǎng)期試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

灌溉耗電是井灌區(qū)SFWI模式碳足跡的首要影響因素，井水灌溉還是河水灌溉主要由當(dāng)?shù)氐乃Y源分布和地形決定，井灌區(qū)改為河水灌溉并不現(xiàn)實(shí)，井灌區(qū)應(yīng)主要依靠節(jié)水灌溉減少碳足跡。本研究結(jié)果表明，苜蓿生產(chǎn)采用噴灌和滴灌均可降低碳足跡，尤其是滴灌可顯著降低灌溉耗水量和碳足跡。張愛(ài)寧等[37]研究表明，適宜苜蓿生長(zhǎng)的最佳灌溉方式為滴灌，對(duì)苜蓿的傷害較小，測(cè)得葉片中葉綠素含量最高，脯氨酸含量和丙二醛含量最低?？梢钥闯龅喂嗖粌H大量節(jié)約了水資源，還增加苜蓿產(chǎn)量，減少井水灌溉能耗帶來(lái)的溫室氣體排放。但實(shí)現(xiàn)滴灌需要鋪設(shè)管道，管道材料在生產(chǎn)和鋪設(shè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放，滴灌所能帶來(lái)的綜合減排潛力仍需針對(duì)具體區(qū)域的節(jié)水試驗(yàn)和滴灌額外耗材帶來(lái)的溫室氣體排放進(jìn)一步評(píng)估。

4 結(jié)論

甘肅省苜蓿主要種植區(qū)域的氣候和水文條件存在較大的差異，形成了種植模式和碳足跡的差異。高投入高產(chǎn)出種植模式雖然增加了苜蓿產(chǎn)量，但高投入帶來(lái)的產(chǎn)量的增量尚不足以平衡其造成的溫室氣體排放的增量，SFWI模式雖然獲得了4種模式中最高的產(chǎn)量，但其碳足跡也顯著高于其他3種模式。

通過(guò)氮肥減施和降低氮肥生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放均可降低甘肅省苜蓿生產(chǎn)的碳足跡。在同等施氮水平下，牛糞氮肥混施（60%牛糞N，40%化肥N）雖然在短期內(nèi)降低了苜蓿產(chǎn)量，卻可以降低SFNI和SFRI模式的碳足跡。

灌溉是井水灌溉區(qū)SFWI模式碳足跡的最大影響因素。如果不考慮管道材料在生產(chǎn)和鋪設(shè)過(guò)程的溫室氣體排放，通過(guò)節(jié)水灌溉（噴灌和滴灌）可減少SFWI模式苜蓿的碳足跡。

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（責(zé)任編輯 岳梅）

Effects of Fertilization and Irrigation on the Carbon Footprint of Alfalfa in Gansu Province

LIU Song1, WANG XiaoQin1,2, HU JiPing1, LI Qiang1,CUI LiLi1, DUAN XueQin1, GUO Liang1,2

(1College of Resources and Environment, NorthwestA&F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】The objective of the study is to evaluate the carbon footprint (CF) of alfalfa production in different cropping patterns in Gansu Province, clarify the main process emitting greenhouse gases (GHG), analyze the effects of fertilization and irrigation on the CF, and investigate the potential measures for decreasing CF of alfalfa production in this province. 【Method】Life cycle assessment methodology combined with IPCC (2006) guide for calculating greenhouse gases emission in the field were used to quantify the CF of alfalfa production. Data were collected from farm survey in major regions of alfalfa cultivation in Gansu Province which covered 10 counties in the districts of Longdong, Longzhong and Hexi. Cropping pattern of alfalfa production in Gansu province was classified into four types according to the level of nitrogen application and irrigation, and the irrigation water source. The CF composition characteristics of four cropping patterns and the effect of nitrogen application rate and irrigation on productivity and CF of alfalfa were analyzed based on CF calculation model and input and output data of alfalfa production. Scenario analysis was used to estimate the GHG abatement potential through strategies such as decreasing chemical fertilizer application, improving fertilizer production technique, combining chemical fertilizer and organic fertilizer, and utilizing sprinkle and dripping irrigation. 【Result】CF of alfalfa production was 0.02, 0.19, 0.22 and 0.64 kg CO2eq·kg-1DM under four cropping patterns including NFNI (non-fertilization and non-irrigation), SFNI (spreading fertilization and non-irrigation), SFRI (spreading fertilization and river irrigation) and SFWI (spreading fertilization and well irrigation), respectively. The CF of alfalfa production in SFNI cropping pattern was significantly different from other cropping patterns except for SFRI. The main contributors of CF and their proportion to the total GHG emissions varied among different cropping patterns. For NFNI pattern, CF was mainly composed of GHG emissions from crop residues and the use of agricultural machinery. For SFNI and SFRI patterns, the major contributors of CF were chemical fertilizer production and nitrogen fertilizer application, followed by the use of agricultural machinery. The greatest GHG emissions source for SFWI pattern was electricity for irrigation, followed bychemical fertilizer production and nitrogen fertilizer application. Reducing the amount of applied nitrogen, combining chemical fertilizer with manure, and decreasing the GHG emission from nitrogen fertilizer production would decrease CF by 10.0%-18.0%, -3.0%-8.0% and 1.8%-5.8% in SFNI, SFRI and SFWI patterns, respectively. The water-saving irrigation (sprinkler irrigation and drip irrigation) would decrease the CF by 12.7%-38.5%.【Conclusion】 The alfalfa production and CF of four cropping patterns in Gansu province are different. The SFWI pattern got the highest production with high input, while its CF was significantly higher than that of other patterns. With the exception of NFNI pattern, excessive fertilizer was used in other three patterns. Reducing the amount of applied N fertilizer and the GHG emission from N fertilizer production will decrease CF of alfalfa production in Gansu province. The combination of chemical fertilizer and manure will decrease CF in SFNI and SFRI patterns, but also the yield of alfalfa hay. So, the optimal ratio of chemical fertilizer to manure should be investigated further. The water-saving irrigation will be the major mitigation measure in SFWI pattern, while the integrated abatement potential of GHG emission should be evaluated including emissions from the production of pipes used in sprinkler and drip irrigation.

alfalfa; carbon footprint; fertilization; irrigation; Gansu Province

2017-04-26：2017-07-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（41201588）、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD14B11）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金（Z109021538）

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