油菜秸稈不同還田方式下水稻碳足跡分析

何巧玲,楊 剛,鄒 蘭,張榮萍,馬 鵬,白銀萍,黃 晶

(西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽 621010)

【研究意義】溫室氣體排放引起的氣候變化是我國乃至全球面臨的重大環(huán)境問題。農(nóng)業(yè)是非CO2溫室氣體的主要排放源，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告指出，全球每年由人類活動造成的溫室氣體排放中，有50%的CH4以及60%的N2O來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動[1]。因此，迫切需要減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放。我國是水稻種植大國，而稻田生態(tài)系統(tǒng)是CH4的重要排放源，據(jù)統(tǒng)計全球大約11%的CH4排放來源于稻田[2]。近幾十年來，隨著我國對糧食需求量的不斷增加，稻田單位面積化肥、農(nóng)藥等農(nóng)資投入不斷增長，在一定程度上提高了水稻產(chǎn)量，但同時也加劇了水稻種植過程的溫室氣體排放[3-5]。稻田溫室氣體排放受到了越來越多的關(guān)注，特別是為貫徹落實習(xí)總書記提出的“努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”節(jié)能減排目標[6]，如何實現(xiàn)水稻生產(chǎn)“碳中和”值得深入研究。為科學(xué)核算人類活動碳排放對全球氣候變化的影響，基于生命周期評價(LCA)思想的碳足跡(Carbon footprint)概念被提出，其定義為某個產(chǎn)品、技術(shù)、服務(wù)全過程中，直接與間接引起的溫室氣體排放總和，用CO2當(dāng)量(CO2-eq)表示[7]?！厩叭搜芯窟M展】目前，碳足跡已被普遍用于量化評估水稻碳足跡，國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)、不同種植模式、不同農(nóng)業(yè)管理模式下稻作系統(tǒng)碳足跡展開了廣泛研究[8-11]，為初步制定水稻溫室氣體減排方案提供了思路。前人研究表明，采取適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)管理措施如保護性耕作[8]、秸稈還田[12]等可降低水稻生產(chǎn)帶來的溫室氣體排放，其中秸稈還田被認為是固碳減排的重要途徑[13]。秸稈中含有豐富的C元素，如果將其合理還田，可增加土壤有機碳儲量，從而實現(xiàn)土壤固碳[13-14]。Lee等[12]的研究表明秸稈還田可使稻田凈溫室氣體排放降低50%～55%。而逯非等[13]的研究結(jié)果表明，秸稈還田引起CH4增排造成的溫室效應(yīng)會大幅抵消土壤固碳的減排效應(yīng)，從而造成更多溫室氣體排放?！坝筒恕尽睆?fù)種是四川盆地重要的種植模式，覆蓋和翻埋是該地區(qū)油菜秸稈直接還田的兩種常見還田方式。【本研究切入點】由于不同秸稈類型、不同生態(tài)條件和不同秸稈還田方式下稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程存在差異，從而可能造成碳足跡的差異[15]。目前關(guān)于四川盆地油菜秸稈還田方式對水稻碳足跡影響的研究鮮有報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過開展田間試驗，以秸稈不還田為對照，采用基于LCA土壤碳庫法的碳足跡計算方法對四川盆地常見的兩種油菜秸稈還田方式(覆蓋和翻埋)下水稻碳足跡進行核算，以期為四川盆地油菜秸稈科學(xué)還田及水稻低碳清潔生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗田從2015年開始實施油菜秸稈還田試驗，試驗田位于四川省綿陽市西南科技大學(xué)農(nóng)場(104.7°E，31.5°N；海拔582 m)。該地區(qū)年均降雨量963.2 mm，年平均氣溫16.3 ℃，年日照數(shù)1298.1 h，年無霜期272 d左右，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。前茬作物為油菜，供試水稻品種宜香優(yōu)2115，土壤肥力均勻。2015年試驗前0～20 cm土壤容重1.5 g/cm3，土壤pH 7.1，有機質(zhì)含量13.3 g/kg，有效氮含量89.2 mg/kg，有效磷含量8.0 mg/kg，有效鉀含量63.9 mg/kg。本研究于2020年4—9月進行。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3個處理，分別為油菜秸稈不還田(CK)、油菜秸稈覆蓋還田(S1)、油菜秸稈翻埋還田(S2)，每個處理4次重復(fù)，小區(qū)面積為12 m2，小區(qū)分布為完全隨機分布。前茬油菜收獲后，將CK與S1處理的秸稈移出，然后用農(nóng)具對所有處理小區(qū)進行翻耕，翻耕深度約15～20 cm，其中S2處理的油菜秸稈被翻埋到土壤；S1處理則在水稻栽插后的第3天，將先前移出的秸稈粉碎后均勻撒在水稻行間。2020年4月9日旱地育秧，5月29日選取大小均勻的秧苗移栽于試驗田，每個小區(qū)種8行，每行25株。所有處理均施水稻專用肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=25∶5∶5]，用量按純氮量150 kg/hm2折算，其中50%作為基肥在水稻移栽前一天施用，其余50%作為分蘗肥在水稻移栽1周后施用。其他田間管理按當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)水平進行。油菜秸稈不同還田方式下的物質(zhì)投入清單見表1。

表1 油菜秸稈不同還田方式下物質(zhì)投入

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 產(chǎn)量測定 水稻收割前一周，統(tǒng)計每個小區(qū)平均有效穗數(shù)。水稻收獲時，選取有效穗數(shù)與小區(qū)平均有效穗數(shù)相近的3個樣點，每個樣點選取3株水稻進行取樣。將取樣測產(chǎn)的水稻置于自然通風(fēng)處風(fēng)干，室內(nèi)進行考種，產(chǎn)量按水稻含水率13.5%進行折算。

1.3.2 土壤有機碳含量測定 分別在水稻種植前和收獲后用土鉆采集0～20 cm土層土樣，采集后的土樣置于室內(nèi)風(fēng)干，撿去樣品中的植物殘茬、石塊等非土壤組成部分。風(fēng)干后的土壤用木棍研細過0.25 mm細篩，混合均勻裝袋備用。然后采用重鉻酸鉀—比色法測定土壤有機碳含量[16]。

1.4 計算方法

本研究基于LCA的土壤碳庫法計算水稻碳足跡[17]，主要包括兩方面：一是水稻種植過程中農(nóng)田溫室氣體直接排放，計算指標包括CH4、N2O和土壤有機碳儲量變化；二是農(nóng)資間接溫室氣體排放，農(nóng)資包括水稻種子、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜以及電力消耗。CH4、N2O排放量和農(nóng)資間接溫室氣體排放計算的時間范圍為2020年4—9月。由于秸稈還田對土壤有機碳固存的影響是一個長期作用過程，本研究考慮的土壤有機碳儲量變化為2015年開始連續(xù)定位試驗之前到2020年9月水稻收獲后年平均土壤有機碳儲量變化。

1.4.1 農(nóng)田直接溫室氣體排放計算 溫室氣體強度(GHGI)是衡量作物生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的一個重要指標。本研究以生產(chǎn)1 kg水稻為功能單位，計算水稻生產(chǎn)過程溫室氣體強度，單位為kg CO2-eq/kg，計算方法[18]如下：

(1)

式中，GWP為水稻種植過程的凈溫室氣體排放，單位為kg CO2-eq/hm2；Y為水稻產(chǎn)量，單位為kg/hm2。

(2)

式中，ECH4為水稻種植過程中CH4的排放量(kg CO2-eq/hm2)；EN2O為水稻種植過程中N2O的排放量(kg CO2-eq/hm2)；44/12為C轉(zhuǎn)化為CO2的系數(shù)；ΔSOC為年平均土壤有機碳儲量的變化，單位為kg C/hm2。

水稻種植過程中農(nóng)田溫室氣體排放主要包括CH4和N2O，其排放量參照《2006年IPCC溫室氣體清單指南》[1]進行估算，CH4排放量的計算方法如下：

ECH4=δCH4×D×34

(3)

式中，δCH4表示水稻單位種植面積CH4日排放系數(shù)，單位為kg/(hm2·d)；D表示水稻種天數(shù)，單位為d；34為CH4全球增溫潛勢值[19]。

δCH4=EFC×SFW×SPP×SFO×SFS,R

(4)

式中，EFC為不添加有機物且持續(xù)性灌溉稻田的CH4基準排放因子[1.30 kg CH4/(hm2·d)]；SFW為種植期不同水分狀況的換算系數(shù)，灌溉條件下為0.78；SPP為種植季前不同水分狀況的換算系數(shù)，種植季前180 d內(nèi)未淹水系數(shù)為0.68；SFO為有機添加物類型和數(shù)量變化的換算系數(shù)；SFS,R為土壤類型(默認值為1)。

SFO=(1+CR×CFOA)0.59

(5)

式中，CR為每公頃投入的秸稈干重(t/hm2)；CFOA為有機添加物的換算系數(shù)，本研究為種植前不久秸稈還田，其換算系數(shù)為1.00。

農(nóng)田N2O排放量(EN2O, kg CO2-eq/hm2)的計算方法如下：

(6)

式中，F(xiàn)SN為水稻種植過程中氮肥施用量(kg N/hm2)，折合為純氮量計算；FCR為還田秸稈的含氮量(kg N/hm2)；EFN2O為因氮素投入造成的N2O排放的排放系數(shù)，水稻淹水條件下的排放系數(shù)為0.003 kg/kg(N2O-N)；298為N2O全球增溫潛勢值[19]；44/28是N2O與N的分子量之比。

農(nóng)田土壤有機碳年平均儲量變化(ΔSOC, kg C/hm2)計算方法[20]如下：

ΔSOC=(SOC后-SOC前)/n

(7)

式中，SOC后與SOC前為2020年水稻收獲后與2015年試驗開始前土壤有機碳含量(kg C/hm2);n為試驗?zāi)晗?，本研究中的n值為6。

SOC=h×y×C×100

(8)

式中，h為土層深度，取值為20 cm；y為土壤容重(g/cm3)；C為土壤有機碳濃度(g/kg)；100為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4.2 農(nóng)資間接溫室氣體排放計算 以生產(chǎn)1 kg水稻為功能單位，計算投入農(nóng)資在水稻生產(chǎn)過程中溫室氣體排放(農(nóng)資間接溫室氣體排放)，用Einput表示，單位為kg CO2-eq/kg，計算方法如下：

(9)

式中，Qi表示第i種農(nóng)資的投入量(kg/hm2)；εi為第i種農(nóng)資單位溫室氣體排放系數(shù)(kg CO2-eq/kg)，農(nóng)資對應(yīng)的溫室氣體排放系數(shù)見表2；Y為水稻產(chǎn)量，單位為kg/hm2。

表2 單位農(nóng)資碳排放系數(shù)

1.4.3 水稻碳足跡計算 本研究中碳足跡表示為生產(chǎn)1 kg水稻造成的溫室氣體排放，包括水稻生產(chǎn)過程中農(nóng)田溫室氣體直接排放和農(nóng)資間接溫室氣體排放，用CF表示(kg CO2-eq/kg)。

CF=GHGI+Einput

(10)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2016統(tǒng)計和整理水稻生產(chǎn)過程中的清單數(shù)據(jù)，利用在線LCA軟件eFootprint (http://a.efootprint.net/)建模計算分析水稻碳足跡，利用BM SPASS Statistics 22進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田直接溫室氣體排放

油菜秸稈不還田(CK)、油菜秸稈覆蓋還田(S1)和油菜秸稈翻埋還田(S2)處理下水稻生育期CH4排放量表現(xiàn)為S1(277.2 kg/hm2)和S2(277.2 kg/hm2)均顯著大于CK(82.7 kg/hm2，P<0.05,表3)。不同處理下N2O排放量表現(xiàn)為CK處理低于S1和S2，且CK處理與S1和S2差異顯著(P<0.05)。對土壤有機碳儲量變化而言，CK(939.9 kg C/hm2)顯著低于S1(3132.9 kg C/hm2)和S2(2959.2 kg C/hm2)，這表明秸稈還田能顯著提高農(nóng)田土壤有機碳儲量。3種油菜秸稈還田方式下GWP變化范圍為-1794.3～-425.9 kg CO2-eq/hm2，且CK>S2>S1，不同處理間GWP差異顯著(P<0.05)。由公式(1)計算得到生產(chǎn)1 kg水稻農(nóng)田直接溫室氣體排放量，CK、S1、S2處理方式下GHGI的結(jié)果分別為-0.06、-0.24、-0.17 kg CO2-eq/kg，其中最大的是CK，最小的是S1(表3)，這表明油菜秸稈還田能夠有效減少水稻生產(chǎn)過程中農(nóng)田溫室氣體直接排放。

表3 油菜秸稈不同還田方式下農(nóng)田溫室氣體排放與土壤有機碳變化

2.2 農(nóng)資間接溫室氣體排放

油菜秸稈不還田(CK)、油菜秸稈覆蓋還田(S1)和油菜秸稈翻埋還田(S2) 3種處理下農(nóng)資間接溫室氣體排放結(jié)果如表4所示。3種油菜秸稈還田方式下每種農(nóng)資間接溫室氣體排放均是CK>S2>S1，但不同處理間的差異不顯著，CK、S1、S2的農(nóng)資間接溫室氣體總排放分別為0.193、0.176、0.188 kg CO2-eq/kg。由于3種處理下每個小區(qū)的農(nóng)資投入量是相同的，小區(qū)水稻的產(chǎn)量越高，則生產(chǎn)單位重量水稻造成的溫室氣體間接排放越小。

表4 油菜秸稈不同還田方式下農(nóng)資間接溫室氣體排放

從各農(nóng)資間接溫室氣體排放差異來看，施用復(fù)合肥造成的溫室氣體排放占農(nóng)資間接溫室氣體總排放的73.9%，是農(nóng)資間接溫室氣體排放的主要貢獻者；其次是農(nóng)機使用造成的電力消耗，占到農(nóng)資間接溫室氣體總排放的18.7%?；屎娃r(nóng)機間接溫室氣體排放兩者合計占農(nóng)資間接溫室氣體總排放的92.6%，可見化肥和農(nóng)機投入是農(nóng)資間接溫室氣體排放的重要來源。

2.3 油菜秸稈不同還田方式下水稻碳足跡

3種還田方式下的水稻碳足跡如圖1所示。在不考慮土壤有機碳儲量變化的情況下，水稻碳足跡最小的是CK(0.59 kg CO2-eq/kg)，其次是S1(1.23 kg CO2-eq/kg)，最大的是S2(1.33 kg CO2-eq/kg)，且各處理的水稻碳足跡均為正值。將土壤有機碳儲量變化納入碳足跡計算，水稻碳足跡最小的是S1(-0.06 kg CO2-eq/kg)，其次是S2(0.02 kg CO2-eq/kg)，最大的是CK(0.12 kg CO2-eq/kg)，且考慮土壤有機碳儲量變化的碳足跡結(jié)果均小于不考慮有機碳儲量變化的結(jié)果。表明油菜秸稈還田因增加了土壤有機碳儲量而減少水稻碳足跡，尤其是油菜秸稈覆蓋還田。

不同小寫字母表示不同油菜秸稈還田方式舊的差異達顯著水平(P<0.05)Different small letter indicate significant different among different managements of rapesped straw at 0.05 level圖1 油菜秸稈不同還田方式下水稻碳足跡Fig.1 Carbon footprints of rice under different managements of rapeseed straw

分析水稻碳足跡的組成(圖2)可知，3種處理下對碳足跡貢獻最大的均是水稻種植過程中稻田CH4排放，且油菜秸稈還田方式下CH4對碳足跡的貢獻是秸稈不還田的3倍多，這表明CH4是引起水稻溫室氣體排放的主要貢獻因素，且油菜秸稈還田加劇了稻田CH4排放。其次對碳足跡貢獻最大的是水稻種植過程中復(fù)合肥的投入，它是農(nóng)資間接排放的主要貢獻者。土壤有機碳儲量變化能抵消部分水稻生產(chǎn)帶來的溫室氣體排放，且對碳足跡產(chǎn)生了較大的影響，這表明增加農(nóng)田土壤固碳量能有效降低水稻生產(chǎn)帶來的溫室效應(yīng)；油菜秸稈還田相對于不還田可以把更多的碳固定到土壤中，具有更大緩解溫室效應(yīng)的潛力。

圖2 油菜秸稈不同還田方式下水稻碳足跡構(gòu)成Fig.2 Rice carbon footprints composition under different managements of rapeseed straw

3 討 論

3.1 農(nóng)資間接溫室氣體排放

本研究結(jié)果表明，農(nóng)資是水稻碳足跡的重要來源，這與已有研究結(jié)果一致[21-24]，在不考慮農(nóng)資間接溫室氣體排放的情況下，水稻碳足跡的值均小于0，此時水稻生產(chǎn)表現(xiàn)為碳匯；當(dāng)考慮農(nóng)資間接溫室氣體排放時，3種處理下水稻碳足跡的值均增大，且CK和S2的水稻碳足跡由負數(shù)變?yōu)檎龜?shù)。農(nóng)資中的復(fù)合肥是水稻溫室氣體間接排放的主要貢獻者，占總農(nóng)資溫室氣體排放的73.9%，這與崔文超等[23-25]研究中化肥是水稻碳足跡的主要來源之一的結(jié)論一致。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因是水稻種植過程中化肥投入量大，且生產(chǎn)化肥需要大量化石能源的投入，從而帶來了大量的溫室氣體排放。其次對水稻生產(chǎn)間接溫室氣體排放貢獻較大的是水稻收割階段的電力使用，占總間接溫室氣體排放的18.7%。因此，建議采用優(yōu)化施肥方式，減少化肥的施用量，提高機械化操作效率，來減少水稻生產(chǎn)過程中農(nóng)資間接溫室氣體排放。

3.2 土壤有機碳儲存與碳足跡

土壤有機碳含量是評價農(nóng)田土壤質(zhì)量的重要指標之一，直接影響土壤肥力進而影響作物產(chǎn)量；同時，提高土壤有機碳儲量，將大氣中更多的CO2固定在土壤中，是減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要途徑[26-27]。以往對作物碳足跡的研究大多集中在評價作物生產(chǎn)過程中農(nóng)資生產(chǎn)和使用帶來的間接溫室氣體排放與農(nóng)田土壤呼吸排放的CH4和N2O，極少考慮到土壤有機碳儲量變化[20,25,28-29]。本研究結(jié)果表明土壤有機碳儲量變化對水稻碳足跡構(gòu)成具有重要影響，在考慮土壤有機碳儲量變化時，水稻碳足跡顯著下降，甚至S1處理的碳足跡由正數(shù)變?yōu)樨摂?shù)，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致[17,20]。在本研究中，CK處理的水稻碳足跡為0.12 kg CO2-eq/kg，低于Xue等[17]與Gao等[30]的研究結(jié)果。原因可能是本研究相對于其他研究投入的水稻種子、化肥等農(nóng)資較少；其次本研究中秸稈還田條件下土壤有機碳儲量變化高于其他研究[17,30-31]，這可能是由于秸稈還田量、氣候條件、田間管理措施的差異造成。

3.3 油菜秸稈還田方式對水稻碳足跡的影響

本研究中農(nóng)田CH4和N2O排放數(shù)據(jù)是根據(jù)IPCC指南[7]進行估算得出，由于水稻品種、氣候條件、土壤類型以及農(nóng)田管理措施的不同，可能導(dǎo)致計算得到的數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)存在一定差異。此外，本研究是基于小區(qū)試驗，未使用農(nóng)機進行耕作，因此碳足跡的計算沒有考慮農(nóng)戶實際生產(chǎn)中因耕作使用機械的能源消耗。

4 結(jié) 論

油菜秸稈還田影響稻田溫室氣體排放、土壤有機碳儲量變化以及水稻產(chǎn)量等從而影響水稻碳足跡。

(1)油菜秸稈還田雖然加劇了稻田CH4和N2O排放，但同時也增加了土壤有機碳儲量并提高了水稻產(chǎn)量，總體上，油菜秸稈還田處理的碳足跡低于不還田。因此，與不還田相比油菜秸稈還田方式下水稻產(chǎn)量更高、碳足跡更小。覆蓋和翻埋兩種油菜秸稈還田方式均能提高土壤有機碳儲量變化和水稻產(chǎn)量，綜合考慮勞動力成本與可操作性，推薦生產(chǎn)上采用油菜秸稈翻埋還田。

(2)稻田CH4排放是水稻碳足跡的重要貢獻因素，減少CH4排放對水稻綠色生產(chǎn)具有重要意義。

(3)農(nóng)資間接溫室氣體排放對水稻碳足跡具有重要貢獻，特別是化肥的投入。建議采用優(yōu)化施肥方式，減少化肥施用量，提高機械化作業(yè)水平，減少電力、柴油等能源消耗以減少水稻碳足跡。