花生季減氮對花生-小麥兩熟制農(nóng)田碳足跡和碳匯生態(tài)服務(wù)價值的影響

摘" 要：華北平原作為我國的糧食主產(chǎn)地，最小化碳足跡、最大化碳固存和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向.研究于2021-2022年探究了花生季的3個氮肥水平（90 kg·hm-2、126 kg·hm-2和180 kg·hm-2）對花生-小麥兩熟制農(nóng)田碳足跡和碳匯服務(wù)價值的影響，旨在確定低碳足跡、高碳匯服務(wù)價值、高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)價值的最佳花生季氮肥投入量.結(jié)果表明：農(nóng)田土壤溫室氣體排放量、有機(jī)碳儲量和農(nóng)資溫室氣體排放量隨施氮量的增加而升高，化肥是引起花生-小麥兩熟制模式碳排放的主要因素.90 kg·hm-2和126 kg·hm-2施氮量處理下花生的產(chǎn)量顯著高于180 kg·hm-2處理25.17%和18.35%.花生農(nóng)田碳足跡范圍為-0.22～0.13 kg·kg-1，小麥農(nóng)田碳足跡范圍為0.20～0.49 kg·kg-1.由于有機(jī)碳儲量和作物產(chǎn)量的影響，兩熟制農(nóng)田碳足跡在處理間差異不顯著.花生季施氮量對花生-小麥兩熟制農(nóng)田的碳匯服務(wù)價值無顯著影響.因此，在本系統(tǒng)邊界內(nèi)，90 kg·hm-2的花生季施氮量為實現(xiàn)花生-小麥兩熟制高產(chǎn)、減少碳排放、提高經(jīng)濟(jì)效益和碳匯價值的最佳氮肥施用量.

關(guān)鍵詞：花生-小麥兩熟制;減施氮肥;溫室氣體;碳足跡;碳匯服務(wù)價值

中圖分類號：Q948.112""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1000-2367（2024）06-0010-10

農(nóng)業(yè)溫室氣體排放是全球溫室氣體排放量的重要貢獻(xiàn)者，也是加快全球變暖進(jìn)程的主要因素［1］.碳足跡和碳固存可以全面評估農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳通量狀況，為減緩氣候變化提供建議［2］.碳足跡是直接排放和間接排放的碳總量，以二氧化碳當(dāng)量（carbon dioxide equivalent，CO2-eq）計量，可以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中溫室氣體排放量及其結(jié)構(gòu)特征［3］.由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要是在大尺度上進(jìn)行，存在精度較低等問題［4］.因此，在田間尺度上進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)活動至關(guān)重要.如何最小化碳足跡和最大化碳固存將是未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的首要任務(wù).

華北平原是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整明確指出需要擴(kuò)大大豆和油料作物的生產(chǎn)［5］.將小麥-玉米輪作模式調(diào)整為小麥-花生或小麥-大豆，不僅可以養(yǎng)地用地，還能增加食用油供應(yīng).在保證糧食安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化種植制度，減施氮肥降低溫室氣體排放依然是當(dāng)今糧食生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要方法.由于豆科植物可以與

收稿日期：2023-02-17;修回日期：2023-03-30.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFD2300802）；中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目（214200510021）.

作者簡介：耿潤蓮（1997-），女，河南靈寶人，河南師范大學(xué)碩士研究生，研究方向為作物生理與栽培，E-mail：1550548604@qq.com.

通信作者：李春喜，河南師范大學(xué)教授，E-mail：wheat_lab@163.com.

引用本文：耿潤蓮，張志勇，晁曉燕，等.花生季減氮對花生-小麥兩熟制農(nóng)田碳足跡和碳匯生態(tài)服務(wù)價值的影響［J］.河南師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，52（6）：10-19.（Geng Runlian，Zhang Zhiyong，Chao Xiaoyan，et al.Effects of nitrogen reduction in peanut field on carbon footprint and ecosystem service of carbon sequestration of peanut-wheat double cropping farmland［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2024，52（6）：10-19.DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2023.02.17.0002.）

根瘤菌共生固定氮，根瘤數(shù)足以讓這些作物在不施用過多氮肥的情況下就能獲得最佳產(chǎn)量，也可以增加后續(xù)作物的有效氮量［6］.因此，可以利用花生等豆類作物的固氮作用進(jìn)行氮肥減投.碳足跡已被廣泛應(yīng)用于多種農(nóng)產(chǎn)品溫室氣體排放評估中，例如水稻［7］、小麥［7］、玉米［8］和大豆［8］等，但是對花生種植制度碳足跡的研究較為缺乏，缺少全面反映中國花生種植系統(tǒng)溫室氣體排放的真實情況.研究花生-小麥兩熟制農(nóng)田碳足跡和碳固存狀況將為農(nóng)業(yè)減排戰(zhàn)略提供合理的施氮建議.

1" 材料與方法

1.1" 試驗設(shè)計與試驗地概況

實驗于2021年6月至2022年6月在河南省新鄉(xiāng)市延津縣萬全莊（114°E，35°N）進(jìn)行，該區(qū)域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，試驗當(dāng)年降水量為1 487.6 mm，年平均氣溫15.5 ℃，土壤為砂質(zhì)土，耕層為20 cm，主要種植模式為冬小麥-夏花生一年兩熟制.在2021年花生播前采集（0～20 cm）耕層土樣并測定土壤性質(zhì)，見表1.

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，夏花生于2021-06-10進(jìn)行免耕播種且不施氮肥，供試品種為豫花37號，一穴2粒，等行距（35.0 cm）、株距（16.7 cm）種植，密度為16.5萬穴·hm-2，小區(qū)面積為112 m2（40 m×2.8 m），3次重復(fù).花生出苗后于2021-06-23進(jìn)行施肥，設(shè)置3個氮肥水平，分別為減施氮肥（90 kg·hm-2，PN1）、理想施氮量（126 kg·hm-2，PN2）和農(nóng)戶常規(guī)施氮量（180 kg·hm-2，PN3），以PN3作為對照，2021-10-13收獲.

冬小麥播種前對各小區(qū)進(jìn)行深翻耕作，于2021-10-21進(jìn)行播種，供試品種為新植9號，寬（0.25 m）窄（0.1 m）行種植，基于不同施氮量的花生前茬（P1W，P2W和P3W）統(tǒng)一施復(fù)合肥750 kg·hm-2（m（N）∶m（P）∶m（K）=1∶1∶1），拔節(jié)期追施氮肥157.5 kg·hm-2，2022-06-06收獲.

試驗期間所有田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢?花生生育期內(nèi)分別于施肥日和開花期進(jìn)行灌水，噴灑殺菌劑和除草劑各1次.小麥生育期內(nèi)分別于拔節(jié)期、抽穗期和開花期進(jìn)行灌水，噴灑殺蟲劑和殺菌劑各2次，噴灑除草劑1次.

1.2" 數(shù)據(jù)收集與分析

本研究將系統(tǒng)邊界設(shè)定為花生-小麥從播種到收獲的整個生育期.因此，對花生-小麥兩熟制生產(chǎn)從總投入到農(nóng)產(chǎn)品收獲進(jìn)行了碳足跡評估.溫室氣體排放包括生產(chǎn)資料投入和農(nóng)田排放，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳足跡受有機(jī)碳變化的影響.因此，對花生-小麥生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放情況進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖1.（1）化肥、種子和農(nóng)藥的應(yīng)用情況；（2）耕作和收獲的柴油；（3）灌溉用電；（4）全生育期農(nóng)田一氧化二氮（N2O）和甲烷（CH4）排放；（5）有機(jī)碳在生育期內(nèi)的損益情況.

1.2.1" 產(chǎn)量測定

小麥成熟期在各小區(qū)選取1 m2單獨收獲，測定小麥產(chǎn)量.花生收獲時在每個小區(qū)選取2 m雙行單獨收獲，測定花生產(chǎn)量.

1.2.2" 農(nóng)資投入的溫室氣體排放

估算各項農(nóng)資投入的溫室氣體計算公式［9］如下：Finputs=∑（Ai×δi），

Finputs為農(nóng)資投入引起的溫室氣體總和（kg·hm-2）；Ai是第i個農(nóng)資投入（肥料、種子、柴油、電力、殺蟲劑、除草劑和殺菌劑）（kg·hm-2）；δi是第i個農(nóng)資投入的碳排放因子.

1.2.3" 農(nóng)田直接排放的溫室氣體

在花生和小麥的重大農(nóng)事活動和生育期通過靜態(tài)箱采集氣體，除此之外，在花生生長季每隔10 d進(jìn)行1次氣體采集，氣體使用氣相色譜儀（Agilent 7890A）測定.排放通量（Fi）、累積通量（FD）和增溫潛勢（GWP）的計算公式［10］如下：

Fi=（dc/dt）×（M/22.4）×［273/（273+T）］×60×H，

FD=∑ni=1Fi×（ti+1-ti）×（24/100），

GWP=FD（CO2）+FD（N2O）×298+FD（CH4）×28，

式中，F(xiàn)i為第i次某種氣體（N2O、CH4和CO2）的排放通量（mg·m-2·h-1）；dc/dt為靜態(tài)箱內(nèi)的氣體濃度變化；M為氣體摩爾質(zhì)量（g·mol-1）；T為靜態(tài)箱內(nèi)的溫度（℃）；H為靜態(tài)箱高度（cm）；FD為累積排放通量（kg·hm-2）；ti+1-ti為2次采樣間隔天數(shù)（d）；GWP為綜合增溫潛勢（kg·hm-2）；FD（CO2）、FD（N2O）和FD（CH4）分別為CO2、N2O和CH4的累積排放通量；以近100 a為尺度N2O和CH4的增溫潛勢分別是CO2的298和28倍.

1.2.4" 農(nóng)田有機(jī)碳損益

在播種前和收獲后使用5點取樣法采集0～20 cm土壤樣品，冷凍干燥混勻后，過0.25 mm篩，使用TOC測定儀測定土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)碳損益計算公式［11］如下：SOCS=SOC×H×BD×10，

ΔSOCS=［（SOCSD-SOCSS）/2］×1 000×（44/12），

式中：SOCS為有機(jī)碳儲量（mg·hm-2）；SOC為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（g·kg-1）；H為土層深度（m）；BD為土壤容重（g·cm-3）；10為將kg·m-2轉(zhuǎn)化為mg·hm-2的因子；ΔSOCS為生育期內(nèi)的有機(jī)碳損益（kg·hm-2）；SOCSD為收獲時土壤有機(jī)碳含量（mg·hm-2）；SOCSS為播種前土壤有機(jī)碳含量（mg·hm-2）；1 000為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；44/12為有機(jī)碳轉(zhuǎn)換成CO2當(dāng)量的系數(shù).

1.2.5" 碳足跡

農(nóng)田碳足跡包含直接碳排放和間接碳排放，其中直接碳排放為農(nóng)田CH4、CO2和N2O 3種溫室氣體的碳排放，間接碳排放則是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入所引起的碳排放，同時將農(nóng)田有機(jī)碳損益情況考慮在內(nèi).因此，碳足跡計算公式［12］如下：

CF=Finputs+Fr-ΔSOCSY，

式中：CF表示作物生長期間的碳足跡（kg·kg-1）；Fr為農(nóng)田直接碳排放（kg·hm-2）；Y表示作物干質(zhì)量籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）.

1.2.6" 固定的總生物量碳

作物固定的生物量碳在系統(tǒng)邊界內(nèi)，指數(shù)的生物量碳包括地上部生物量和籽粒之和，作物固定的生物量總碳計算公式［13］如下：

FC=Btotal×（2/5）×（44/12），

式中，F(xiàn)C為生物量中總固定碳量（kg·hm-2）；Btotal為作物生物量（kg·hm-2）；2/5為生物量的碳含量.

1.2.7生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能

采用中國造林成本和碳稅用于估算碳匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，碳匯功能計算公式［12］如下：

Enet=FC+ΔSOCS-Finputs-FCO2，

VC=［（Cf+Ct）/2］×Enet，

式中，Enet為凈固定碳量（kg·hm-2）；FCO2為農(nóng)田CO2排放量（kg·hm-2）；VC是碳匯服務(wù)價值（元·hm-2）；Cf為中國造林平均成本（63 元·hm-2），Ct為瑞典碳稅（800.1 元·t-1）.

1.2.8" 經(jīng)濟(jì)效益

VP=PC×Y-IC，式中，VP為經(jīng)濟(jì)效益（元·hm-2）；PC為作物的市場價格（元·kg-1），在本文中小麥?zhǔn)袌鰞r格為3.03元·kg-1，花生市場價格為13.6元·kg-1；IC為糧食生產(chǎn)過程所有農(nóng)業(yè)投入生產(chǎn)成本總和（元·hm-2）.

2" 結(jié)果與分析

2.1" 花生季減氮對花生-小麥農(nóng)田土壤溫室氣體排放的影響

農(nóng)田的直接溫室氣體排放包括CO2、N2O和CH4，農(nóng)田溫室氣體累積排放量如圖2所示.PN1-P1W處理下農(nóng)田CO2累積排放量顯著低于PN2-P2W和PN3-P3W，PN1-P1W較PN3-P3W降低了20.95%，PN2-P2W處理雖與PN3-P3W差異不顯著，但累積排放量也下降了4.62%，花生季減施氮肥有助于降低農(nóng)田CO2的累積排放量.PN1-P1W和PN2-P2W處理下農(nóng)田N2O累積排放量顯著低于PN3-P3W，分別下降了52.98%和32.92%，花生季減施氮肥顯著降低了農(nóng)田N2O的累積排放量，起到明顯的減排效果.農(nóng)田CH4的累積排放通量范圍為-2.71～-2.14 kg·hm-2，農(nóng)田土壤為CH4的“吸收匯”.農(nóng)田CH4累積排放量在處理間差異不顯著，但PN2-P2W處理下CH4的吸收量與PN3-P3W相比增加21.03%.

2.2" 花生季減氮對花生-小麥生產(chǎn)農(nóng)資溫室氣體排放的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入引起的碳排放為農(nóng)資溫室氣體排放，小麥和花生生產(chǎn)中農(nóng)資溫室氣體排放見表2.兩熟制中化肥投入占比范圍為56.13%～61.05%，其還是花生-小麥兩熟制模式中最主要的農(nóng)資溫室氣體排放因子.化肥投入引起的碳排放隨累積施氮量的增加而升高.其他農(nóng)業(yè)投入引起的溫室氣體排放則隨累積施氮量的增加而下降.花生農(nóng)資溫室氣體排放占兩熟制模式總投入溫室氣體排放的35.69%～42.89%.花生季不同的施氮量是引起農(nóng)資溫室氣體差異的主要原因.花生農(nóng)資投入引起的碳排放在總農(nóng)資溫室氣體排放中的占比由大到小依次為化肥、電力、柴油、種子、農(nóng)藥.PN3-P3W處理下花生生產(chǎn)中化肥碳排放占總農(nóng)資溫室氣體排放的比例范圍為43.28%～58.10%，與PN1-P1W和PN2-P2W相比分別上升了14.82%和7.79%.小麥農(nóng)資溫室氣體排放占兩熟制模式總投入溫室氣體排放的57.11%～64.31%，花生-小麥兩熟制種植模式中小麥農(nóng)資投入引起的碳排放高于花生投入.小麥農(nóng)資投入占比由大到小依次為化肥、電力、柴油、農(nóng)藥、種子.化肥和電力投入碳排放占比分別為63.26%和23.18%，化肥投入和灌溉電力引起的碳排放是小麥生產(chǎn)中主要農(nóng)資溫室氣體排放.

2.3" 花生季減氮對花生-小麥農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的影響

本文估算0～20 cm耕層土壤樣品有機(jī)碳儲量，結(jié)果如圖3所示.兩熟制中，PN3-P3W處理下農(nóng)田有機(jī)碳儲量顯著高于PN1-P1W和PN2-P2W，且有機(jī)碳儲量隨累積施氮量的增加而升高.PN1-P1W和PN2-P2W處理下農(nóng)田有機(jī)碳儲量較PN3-P3W分別降低了32.74%和20.73%，PN2-P2W處理與PN1-P1W相比增加了15.15%.花生農(nóng)田有機(jī)碳儲量由大到小依次為PN3、PN1、PN2，PN1和PN2與PN3相比有機(jī)碳儲量分別下降了32.83%和34.53%.小麥農(nóng)田有機(jī)碳儲量由大到小依次為P3W、P2W、P1W，P1W和P2W較P3W分別降低了32.63%和5.49%.

2.4" 花生季減氮對花生-小麥農(nóng)田碳足跡的影響

生產(chǎn)環(huán)節(jié)各項溫室氣體排放的碳足跡結(jié)果如圖4所示.兩熟制中，PN1-P1W和PN2-P2W處理下化肥的碳足跡較PN3-P3W分別下降了19.85%和17.60%，農(nóng)田直接碳排放碳足跡分別下降了25.84%和14.85%，土壤固碳的碳足跡分別下降了23.90%和14.41%.兩熟制農(nóng)田碳足跡在處理間差異不顯著.花生農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，電力、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)、種子、化肥、農(nóng)田排放和土壤碳固定的碳足跡均隨施氮量的增加而升高，且PN3處理下花生農(nóng)田碳足跡顯著高于PN1.其中，PN1和PN2處理下化肥的碳足跡較PN3分別下降了56.57%和32.32%，農(nóng)田碳固定的碳足跡則分別降低了27.85%和12.45%，農(nóng)田直接排放的碳足跡則分別下降了38.43%和13.73%.減施氮肥可以降低花生農(nóng)田碳足跡.小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)投入的電力、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)、種子和化肥的碳足跡由大到小依次為P1W、P3W、P2W，農(nóng)田排放碳足跡由大到小依次為P3W、P1W、P2W，土壤碳固定的碳足跡由大到小依次為P2W、P3W、P1W.受多項農(nóng)資溫室氣體、農(nóng)田溫室氣體和土壤碳固定的綜合影響，各處理下小麥農(nóng)田碳足跡差異不顯著.

2.5" 花生季減氮對花生-小麥作物產(chǎn)量與碳足跡的影響

作物產(chǎn)量與碳足跡結(jié)果如圖5所示.農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，溫室氣體排放總量與作物產(chǎn)量的比值即為碳足跡.兩熟制中，PN2-P2W處理下作物產(chǎn)量顯著高于其他處理，花生季適當(dāng)減施氮肥可以有效提高作物產(chǎn)量.兩熟制農(nóng)田碳足跡范圍為0.13～0.17 kg·kg-1，低于單季小麥農(nóng)田的碳足跡水平，且處理間差異不顯著.花生農(nóng)田碳足跡范圍為-0.22～0.13 kg·kg-1，然而花生產(chǎn)量與碳足跡隨施氮量的降低而增高.PN1處理下花生產(chǎn)量顯著高于其他處理，同時由圖3可知，其溫室氣體排放量也顯著低于其他處理，又受農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的影響，PN1處理下花生農(nóng)田表現(xiàn)出凈碳匯的功能，該處理下花生生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的增產(chǎn)減排效果.小麥產(chǎn)量由大到小依次為P2W、P3W、P1W，且P2W和P3W處理下小麥產(chǎn)量顯著高于P1W.小麥農(nóng)田碳足跡范圍為0.20～0.49 kg·kg-1，高于花生農(nóng)田碳足跡.小麥農(nóng)田碳足跡由大到小依次為P1W、P3W、P2W，隨小麥產(chǎn)量的升高而下降.

2.6" 花生季減氮對花生-小麥碳匯服務(wù)價值的影響

將農(nóng)田作物生長系統(tǒng)地上部固碳量和農(nóng)田土壤固碳量進(jìn)行碳匯價值綜合估算，結(jié)果如表3所示.兩熟制生態(tài)系統(tǒng)中，PN3-P3W處理下農(nóng)田固碳量和溫室氣體碳排放量顯著高于PN1-P1W，直接固碳量和凈固碳量在處理間差異不顯著.PN1-P1W和PN2-P2W處理下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯服務(wù)價值與PN3-P3W相比分別下降了3.10%和9.95%，在處理間差異不顯著.花生生態(tài)系統(tǒng)中，PN1和PN2處理下花生直接固碳量較PN3分別降低了7.30%和8.66%.PN1和PN2處理下農(nóng)田土壤固碳量和溫室氣體排放碳量均顯著低于PN3，農(nóng)田固碳量與PN3相比分別下降了32.83%和34.53%，溫室氣體碳則排量分別下降了27.12%和15.67%.PN3處理下凈固碳量顯著高于PN2，與PN1處理相比差異不顯著.PN3處理下碳匯服務(wù)價值顯著高于PN1和PN2處理16.98%和21.15%.小麥生態(tài)系統(tǒng)中，直接固碳量、農(nóng)田固碳量和凈固碳量在處理間差異不顯著，P3W處理下小麥農(nóng)田碳排放量顯著高于P1W和P2W.P1W處理下小麥農(nóng)田碳匯服務(wù)價值與P3W相比增長了2.54%.

2.7" 花生季減氮對花生-小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

花生和小麥的經(jīng)濟(jì)效益如圖6所示.兩熟制中，PN1-P1W和PN2-P2W處理下作物的經(jīng)濟(jì)效益顯著高于PN3-P3W，PN1-P1W和PN2-P2W處理下作物的經(jīng)濟(jì)效益分別比PN3-P3W增加了31.72%和28.96%.PN1-P1W處理下花生的經(jīng)濟(jì)效益為47 634.76元·hm-2，小麥經(jīng)濟(jì)效益為-3 406.65元·hm-2，產(chǎn)生了負(fù)效益.PN1-P1W和PN2-P2W處理下花生的經(jīng)濟(jì)效益與PN3-P3W相比分別增長了38.41%和29.77%，PN1-P1W較PN2-P2W上漲了12.30%，小麥經(jīng)濟(jì)效益則分別下降了79.86%和14.44%.

3" 討" 論

3.1" 減施氮肥對農(nóng)田溫室氣體和碳足跡的影響

本研究中，化肥和灌溉是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的最大來源.農(nóng)田溫室氣體排放量隨氮肥施用量的增加而升高，農(nóng)田土壤CO2排放是溫室氣體排放總量的最大貢獻(xiàn)者，這一結(jié)果與GONG等［11］在麥-玉輪作中的研究一致.在溫室氣體中，氮肥的施用是農(nóng)資溫室氣體排放和直接溫室氣體排放量增加的主要原因，減少氮肥的使用能夠有效地減少農(nóng)田溫室氣體排放.

土壤碳儲量是土壤質(zhì)量和健康的重要指標(biāo)，增加土壤有機(jī)碳儲量是緩解氣候變暖的關(guān)鍵.本研究中，有機(jī)碳固存在抵消作物生產(chǎn)中的溫室氣體排放方面發(fā)揮了積極作用.增加氮肥施用量可以提高花生生物量并增加土壤有機(jī)碳儲量，與HU等［17］在稻-麥輪作體系中的研究一致.氮肥用量增加導(dǎo)致的溫室氣體排放量增加并不一定會產(chǎn)生更大的碳足跡，因為增加的溫室氣體排放有時會被更高的作物產(chǎn)量和有機(jī)碳儲量所抵消［18］.在碳足跡計算中包含有機(jī)碳固存使得碳足跡值由正變?yōu)樨?fù).因此，研究有機(jī)碳固存對碳足跡的影響還需要更長期的實驗.

本研究中，花生農(nóng)田碳足跡隨氮肥施用量增加而增加，表明溫室氣體排放強(qiáng)烈依賴于花生生產(chǎn)中氮肥的施用.花生-小麥輪作周年的碳足跡中約23.82%～24.98%是由化肥引起的，花生生產(chǎn)體系中化肥碳足跡占16.05%～22.29%，小麥生態(tài)系統(tǒng)中占26.05%～31.67%，特別是氮肥驅(qū)動引起的碳足跡.同樣，其他研究表明，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中約30%的碳足跡是由化肥驅(qū)動的［19］.PN1處理下提高了花生產(chǎn)量，花生農(nóng)田碳足跡對環(huán)境的影響表現(xiàn)為碳匯，顯著降低花生生產(chǎn)中碳排放對環(huán)境的壓力.因此，減少化肥的使用可以減少農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的溫室氣體排放，減施氮肥可有效降低農(nóng)田碳足跡.

3.2" 減氮對農(nóng)田碳匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

在本研究中，減施氮肥與常規(guī)施氮肥相比降低了碳匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能.PN1和PN2處理導(dǎo)致花生生物量的固碳量有所下降，PN3與其相比分別增加了7.30%和8.66%.KIM等［20］研究發(fā)現(xiàn)氮肥投入會增加水稻生物量，與本試驗結(jié)果一致.然而，氮肥增加了農(nóng)田土壤的CO2排放，并導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中凈直接CO2固定量有所降低.氮肥施用量增加導(dǎo)致的CO2排放量增加抵消了較高的凈直接CO2固定量，與減施氮肥處理相比，弱化了常規(guī)施氮與減施氮肥的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的差值.本研究中花生季隨著施氮量的增加，碳匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值先降低后升高.而在對水稻進(jìn)行不同施氮量處理后發(fā)現(xiàn)，水稻農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值在一定范圍內(nèi)也隨施氮量的增加先降低后升高［12］.

輸入碳量（固定CO2）大于輸出碳量（溫室氣體排放），這使得農(nóng)田成為凈碳匯.本試驗中的花生和小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)均為碳匯，這主要歸因于凈直接CO2凈固定量高于溫室氣體排放的增加，導(dǎo)致碳輸入超過碳輸出.PN1處理與常規(guī)施氮PN3相比花生農(nóng)田碳匯服務(wù)價值差異不顯著，PN2處理下碳匯價值顯著低于PN3.JIANG等［12］研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)释度肓勘３衷谶m當(dāng)水平時，水稻農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為凈碳匯.氮肥施用量的增加導(dǎo)致水稻田碳封存量增加，與本研究中PN3花生農(nóng)田固碳量顯著高于減氮處理結(jié)果一致.然而到目前為止，幾乎沒有關(guān)于花生農(nóng)田服務(wù)價值的報道.未來研究可關(guān)注在花生生產(chǎn)中保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高碳匯服務(wù)價值的最佳氮肥施用量.

3.3" 減氮對農(nóng)田和作物生產(chǎn)潛力的影響

作物產(chǎn)量和氮素動態(tài)變化會受到輪作作物的影響［21］.豆科植物生產(chǎn)后留下的氮量取決于豆科植物固定的氮量與收獲作物中除去的氮量之間的差值［22］.豆科作物對氮素的需求量通常很少，所以在豆科作物生長季減施氮肥可以明顯穩(wěn)產(chǎn)，且為后茬作物提供足夠的有效氮量［23］.本研究中，PN3處理下花生固定的生物碳量高于其他處理，有效地提高了后茬P1W處理下小麥的產(chǎn)量.同時，PN2處理下花生生物固碳量低于其他處理，后茬P2W處理下小麥生物量也有所下降.研究發(fā)現(xiàn)，豆類作物殘渣含有大量的氮，且年礦化率低至5%～10%，其影響可能會在生產(chǎn)后持續(xù)數(shù)年，并影響后續(xù)作物的氮供應(yīng)［24］.本研究中，小麥產(chǎn)量在P2W與P3W處理間差異不顯著，花生生物量殘渣釋放的氮量可以穩(wěn)定小麥產(chǎn)量.XING等［23］研究發(fā)現(xiàn)，作物輪作和合理施肥能提高土壤微生物生物量氮，促進(jìn)對農(nóng)田氮素響應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)，在少量施氮或不施氮的情況下，油菜-水稻輪作與水稻-小麥輪作相比水稻產(chǎn)量顯著提高，這主要因為油菜作為輪作前茬作物可以提高土壤肥力.因此，長期進(jìn)行花生季氮肥減投，農(nóng)田依然會具有較高的生產(chǎn)潛力.

花生作為豆科作物，其固氮作用不可忽視.花生生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)投入成本較高，在保證花生產(chǎn)量的前提下減施氮肥、降低氮損失和提高氮肥利用效率是花生生產(chǎn)節(jié)約成本最有效的途徑.袁光等［25］研究發(fā)現(xiàn)，對旱地花生進(jìn)行減氮25%并適當(dāng)配施有機(jī)肥與常規(guī)施氮相比可顯著提高花生農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量，明顯提高肥料貢獻(xiàn)率.本研究中，PN1和PN2處理與PN3相比產(chǎn)量分別增加了29.86%和16.38%，起到了明顯增加產(chǎn)量和提高收益的效果，這可能與往年常規(guī)施肥所導(dǎo)致的土壤肥力過剩抑制了常規(guī)施氮PN3處理的花生產(chǎn)量有關(guān).對花生進(jìn)行減投氮肥可以充分利用花生的固氮作用，最大化提高氮肥利用效率，起到穩(wěn)產(chǎn)甚至是使花生增產(chǎn)的效果.對前茬作物減投氮肥也可保持土壤肥力，起到穩(wěn)產(chǎn)的作用.因此，適度調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)財U(kuò)大花生作為前茬作物并在花生季進(jìn)行氮肥減投，不僅符合國家糧食調(diào)整策略又有利于種地養(yǎng)地節(jié)能減排，是未來綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點方向.本研究中，花生季農(nóng)田施氮量為90 kg·hm-2時最佳，溫室氣體減排效果明顯、經(jīng)濟(jì)效益最大和環(huán)境效益也相對表現(xiàn)優(yōu)良.

4" 結(jié)" 論

本研究評估了花生-小麥生產(chǎn)中碳足跡和碳封存的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對花生季氮肥施用量的響應(yīng).結(jié)果表明，氮肥施用量的增加導(dǎo)致花生生產(chǎn)中溫室氣體排放總量和碳足跡的增加，土壤CO2排放對總碳足跡的貢獻(xiàn)最大，農(nóng)田周年碳足跡隨施氮量的增加呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢.隨著施氮量的增加，農(nóng)田碳匯的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)先減少再增加的趨勢.在系統(tǒng)邊界內(nèi)，花生季施氮量為90 kg·hm-2可持續(xù)地實現(xiàn)了花生-小麥兩熟制生產(chǎn)的高效益，減少了溫室氣體排放，有利于碳匯的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值.

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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Effects of nitrogen reduction in peanut field on carbon footprint and ecosystem service of carbon sequestration of peanut-wheat double cropping farmland

Geng Runlian1， Zhang Zhiyong2， Chao Xiaoyan1， Hao Yonghui1， He Yunxia1， Li Chunxi1

（1. School of Life Sciences， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China;2. School of Life Sciences， Henan Institue of Science and Technology， Xinxiang 453003， China）

Abstract： As the main grain producing area in China， minimizing carbon footprint and maximizing carbon sequestration and ecosystem service value are important directions for agricultural development in the North China Plain. In this study， the effects of three nitrogen fertilizer levels（90 kg·hm-2， 126 kg·hm-2 and 180 kg·hm-2）in the peanut season on the carbon footprint and carbon sink service value of peanut-wheat double cropland were investigated from 2021 to 2022， with the aim of determining the optimal peanut season nitrogen fertilizer input for low carbon footprint， high carbon sink service value， high yield and economic value. The results showed that greenhouse gas emission from farm soil， organic carbon sequestration and greenhouse gas emission from agricultural sources increased with increasing nitrogen application， and that chemical fertilizer was the main factor causing carbon emission from peanut-wheat double system. The yield of peanut under 90 kg·hm-2 and 126 kg·hm-2 nitrogen application treatments was significantly higher than the 180 kg·hm-2 treatment by 25.17% and 18.35%. The carbon footprint of peanut farmland ranged from -0.22 to 0.13 kg·kg-1 and that of wheat farmland ranged from 0.20 to 0.49 kg·kg-1. There was no significant difference between treatments in the carbon footprint of the double cropland due to the organic carbon sequestration and crop yield. There was no significant effect of peanut season nitrogen application on the carbon sink service value of peanut-wheat double cropping farmland. Therefore， within the boundary of this system， the peanut season nitrogen application rate of 90 kg·hm-2 is the optimal one for achieving high yield， reducing carbon emission， and increasing economic efficiency and carbon sink value in the peanut-wheat double system.

Keywords： peanut-wheat double system; nitrogen reduction; greenhouse gas; carbon footprint; carbon sink service value

［責(zé)任編校" 劉洋" 楊浦］

附" 錄