河北地区小麦生产系统碳排放分析.pdf
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1、第 46 卷第 4 期2023 年 7 月河 北 农 业 大 学 学 报JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITYVol.46 No.4Jul.2 0 2 3河北地区小麦生产系统碳排放分析张浩文1,2,张 莹1,王梦樊1,彭正萍1,2,张 鑫1,2(1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室,河北 保定 071001;2.华北作物改良与调控国家重点实验室,河北 保定 071001)摘要:针对河北地区化肥投入高、温室气体排放多、环境污染风险日益增加等问题,本研究基于河北统计年鉴等数据对小麦集约化过程中产量、氮肥投入、温室气体排放及净温
2、室效应等进行年际动态分析。化肥的使用保证了小麦产量,从 20052018 年,化肥投入量增加了 27.8%,小麦产量提高了 30.8%(达 6 772.3 kg/hm2)。随年际变化,小麦生产导致的总温室气体排放从 2005 年的 4 662.7 kg CO2-eq/hm2逐渐增到 2018 年的 6 698.4 kg CO2-eq/hm2,而间接温室气体排放量占总量的 92.2%95.2%,其中化肥、电力和燃油为主要排放源。从 2014年开始施氮量呈下降趋势,氮肥偏生产力(PFP)逐渐增加。从 2005 年开始温室气体排放强度呈二项变化。说明在保证粮食产量的同时,进一步优化氮肥施用量是减少温
3、室气体排放、土壤氮素盈余和提升生产可持续性的主要手段。关 键 词:小麦生产;施肥;温室气体排放;氮盈余;氮素利用中图分类号:S512.1 开放学科(资源服务)标识码(OSID):文献标志码:A Analysis of carbon emissions in wheat production,Hebei ProvinceZHANGHaowen1,2,ZHANGYing,WANGMengfan1,PENGZhengping1,2,ZHANGXin1,2(1.College of Resources and Environmental Science/Key Laboratory of Farmla
4、nd Eco-Environment of Hebei,Hebei Agricultural University,Baoding 071001,China;2.State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation,Baoding 071001,China)Abstract:In response to the high fertilizer inputs,high greenhouse gas emissions and increasing risk of environmental pollution in
5、 Hebei,this study analyzed the interannual dynamics of yield,nitrogen and fertilizer inputs,greenhouse gas emissions and net greenhouse effect during wheat intensification based on data such as the Hebei Statistical Yearbook.The fertilizer input ensured wheat crop yield.From 2005 to 2018,fertilizer
6、N rate increased by 27.8%.Accordingly,wheat yield increased by 30.8%(up to 6 772.3 kg/hm2).With inter-annual changes,GHG emissions caused by intensified production was gradually increased from 4 662.7 kg CO2-eq/hm2 in 2005 to 6 698.4 kg CO2-eq/hm2 in 2018.Indirect GHG emissions mainly produced by fe
7、rtilizer,electricity and fuel were accounted for 92.2%-95.2%of total GHG emission.Since 2014,fertilizer N rate was decreased gradually,and then related to increase of fertilizer-N production(PFP).Since 2005,GHG emission intensity was binomial expression.It showed 收稿日期:2020-9-26基金项目:河北省重点研发计划项目(22326
8、402D);河北省属高校科研专项(KY202012);河北农业大学引进人才科研专项(YJ201949).第一作者:张浩文(1998),男,河北秦皇岛人,硕士研究生,主要从事植物营养与生态环境.E-mail:通信作者:张 鑫(1990),男,四川南充人,博士,讲师,主要从事农业水肥高效利用与土壤氮素循环.E-mail:zhangxin_ 彭正萍(1974),女,河北怀来人,博士,教授,从事植物营养与生态环境研究.E-mail:本刊网址:http:/文章编号:1000-1573(2023)04-0016-06DOI:10.13320/ki.jauh.2023.005417第 4 期that fur
9、ther optimisation of N fertiliser application,while ensuring food production,was a major means of reducing greenhouse gas emissions,soil N surplus and enhancing the sustainability of production.Keywords:wheat production;fertilization;greenhouse gas emission;N surplus;N use少碳排放的高产高效生产技术提供科学依据。1 材料与方法
10、1.1 研究区概况本研究对象为河北省(东经113 27 119 50;北纬36 05 42 40)小麦种植区。其中集约化小麦种植区主要集中在山前平原,属暖温带大陆季风气候,年平均气温 12.5,年平均降雨量 484.5 mm,年日照时数 2 303.1 h,典型干旱半干旱地区。自 20 世纪 90 年代,河北省主要种植制度以冬小麦/夏玉米轮作为主。1.2 研究方法1.2.1 数据的搜集 本研究通过查阅中国统计年鉴2、全国农产品成本收益资料汇编15、河北省统计年鉴16等相关资料获取近 14 年河北小麦集约化生产过程中的各项数据,主要包括:化肥(单质化肥、复合肥等)和有机肥等途径的氮素输入量、灌溉
11、量以及小麦年产量等。在国家统计局官方网站上查到的华北平原小麦年产量、单位产量、灌溉面积、化肥与有机肥等肥料的施用量等数据。全国农产品成本收益资料汇编等文件。通过数据搜集、整理和计算,获取了小麦集约化生产过程中氮肥、磷肥、钾肥、灌水用电量、种子用量、机械燃油消耗量、农田管理等人力投入、农药使用量等相关数据,具体见表 1。河北省位于华北平原中部,冬小麦夏玉米轮作是该省典型种植模式,2021 年小麦产量占全国总产量的 10.7%1。灌水和施肥对粮食增产的贡献高达 70%2。但该省冬小麦季氮肥施用量为 270 300 kg N/hm2,施入土壤中的氮超过 50%损失到环境中3-4,氮肥过量投入导致麦田
12、土壤 0 90 cm氮素盈余 221 275 kg N/hm25,土壤氮素残留25%左右6-7,长期过量施肥还会造成土壤酸化8。过高的氮素投入导致肥料利用率降低且增加环境风险9。滞留在土壤中的氮素会在微生物等作用下转化为 NH3、N2O、NO 和 N2等气态损失进入大气,在硝化过程中会产生NO3-并随土壤水分向深层淋失10。随着 2019 年 IPCC 第 49 次全会对温室气体清单指南的修正,强调了其他能源途径对温室气体排放的贡献清单,进一步加强了中国乃至全球农业生产中的温室气体排放研究11。农田温室气体净排放通常以全球增温潜势(以 CO2-eq 计)表示,即包括土壤固碳速率、CH4净交换量
13、和 N2O 排放量的百年增温潜势以及农业生产管理投入所导致的间接温室气体排放当量总和12-13,旱地土壤作为 CH4汇比较微弱,一般可以不考虑14。因此,本研究旨在:(1)定量分析 20052018 年河北省直接和间接温室气体排放特征;(2)探究集约化生产过程中减少碳排放的科学手段,以期为该地区提高小麦氮素利用效率、减张浩文,等:河北地区小麦生产系统碳排放分析表 1 20052018 年小麦各途径投入情况Table 1 Inputs of wheat season during 20052018年份 Year项目 Item200520062007200820092010201120122013
14、20142015201620172018氮肥/(kg N hm-2)197.6196.7202.0201.6205.5220.1219.4197.6196.7202.0201.6205.5220.1219.4磷肥/(kg P2O5 hm-2)97.9102.199.095.795.4103.6103.597.9102.199.095.795.4103.6103.5钾肥/(kg K2O hm-2)27.633.438.545.246.151.952.927.633.438.545.246.151.952.9用电量/(kWh hm-2)1 201.51 260.6 1 505.71 273.81
15、704.31 902.62 117.41 201.51 260.61 505.71 273.81 704.31 902.62 117.4种子/(kg hm-2)249.9252.3253.2253.7262.1258.8272.7249.9252.3253.2253.7262.1258.8272.7燃油/(L hm-2)121.9149.1167.3204.4228.9231.9263.1121.9149.1167.3204.4228.9231.9263.1劳动力/(day person-1 hm-2)10.19.910.311.012.113.917.710.19.910.311.012.1
16、13.917.7农药/(kg hm-2)8.08.29.29.911.314.713.98.08.29.29.911.314.713.9注:数据来自河北省统计年鉴全国农产品成本收益资料汇编等。1.2.2 作物养分含量及吸氮量 不同施肥量条件下小麦籽粒和秸秆含氮量通过公式进行计算17:小麦籽粒氮与施肥量:Y=-1.34X2+4.99X+16.33小麦秸秆氮与施肥量:Y=-0.57X2+2.25X+4.48其中,Y 为籽粒(秸秆)氮含量,g/kg;X 为氮肥施用量,100 kg/hm2。作物吸氮量(Ncrop)为籽18第 46 卷河 北 农 业 大 学 学 报粒和秸秆吸氮量之和。籽粒(或秸秆)吸氮
17、量(kg N/hm2)=籽粒(秸秆)产量(kg/hm2)籽粒(或秸秆)含氮量(g/kg)。其中小麦收获指数为 1.1。1.2.3 CO2当量计算 旱作农田生产过程中,氮肥投入导致土壤直接产生 N2O。N2O 在 100 年尺度下的增温效应是 CO2的 298 倍,其产生的温室效应称为直接温室效应,本研究还考虑了肥料、用电、柴油、农药、种子、劳力的投入量所产生的间接温室效应,具体排放系数见表 2。表 2 不同温室气体排放源的增温潜势系数Table 2 Carbon emission parameters of inputs排放源 Emission sources缩写 Abbreviation单位
18、Unit系数/(kg CO2-equnit-1)CoefficientN2OGWPN2Okg N2O/hm2298.00肥料GWPNkg N/hm28.30GWPP2O5kg P2O5/hm21.50GWPK2Okg K2O/hm20.98灌溉用电GWP电kWh/hm21.30柴油GWP燃油L/hm23.93农药GWP农药kg/hm218.00种子GWP小麦kg/hm21.16劳动GWP劳动day/personhm20.86注:主要参考 Gao 等18和 Zhang 等19。1.2.4 数据分析 土壤氮盈余(Nsurplus,kg N/hm2)计算公式如下:Nsurplus=Nfert-Ncr
19、op,其中 Nfert是肥料投入的氮,Ncrop为作物吸收的氮;N2O 损失量与土壤氮盈余的拟合关系为 N2O:Y=0.54e0.0063X;氮肥偏生产力(PFP;kg/kg)为单位氮肥投入量的小麦籽粒产量。温室气体排放强度(GHGI;kg CO2-eq/kg)为生产单位产量小麦所产生的温室气体量;氮素利用强度(NUI;kg N/kg)为生产单位产量小麦所需施氮量。本研究采用 Excel 2010 和 SPSS 10.0 软件进行数据整理与分析,采用 LSD 方法分析数据之间的差异显著性(P0.05)。2 结果与分析2.1 小麦产量、氮盈余及 PFP 变化从 20052017 年,小麦产量由
20、5 179.4 kg/hm2逐渐增加至 6 772.3 kg/hm2(增加了 30.8%),其中施氮量增加了 14.5%,总化肥用量增加了 27.8%。由于产量的增加,氮素盈余量整体呈下降趋势,其中,2010 年施氮量较 2009 年增加了 7.1%,而产量仅增加了 21.7 kg/hm2,而氮盈余量达 70.1 kg N/hm2。从20052018 年,PFP 呈缓慢增加趋势,14 年间,PFP 增加了 13.7%,达 29.8 kg/kg。小麦产量/(kghm-2)Wheat yield7 0006 5006 0005 5005 000年份Year200520062007200820092
21、01020112012201320142015201620172018年份Year氮盈余/(kgNhm-2)N surplus氮肥偏生产力/(gkg-1)PFP20052006200720082009201020112012201320142015201620172018氮盈余PFP80706050403020100313029282726252423图 1 小麦产量、氮盈余及偏生产力Fig.1 Yield,N surplus and partial fertilizer production(PFP)of wheat2.2 温室气体排放由表 3 可知,N2O 作为直接温室气体,排放量呈先增后
22、降趋势,在 2010 年最大为 0.84 kg N/hm2,随后逐渐降低至 0.71 kg N/hm2(2018 年),降低了15.5%。百年尺度下,N2O 的增温效应是 CO2的 298倍,其造成的直接温室效应从 365.4 kg CO2-eq/hm2(2005 年)逐渐增加到 393.5 kg CO2-eq/hm2(2010年),而后逐渐下降至334.0 kg CO2-eq/hm2(2018年)。化肥、电力、燃油等在生产和运输过程中会产生间接温室气体排放,由图 2 可知,间接温室气体排放从 4 297.4 kg CO2-eq/hm2(2005 年)逐渐增到6 843.6 kg CO2-eq
23、/hm2(2016 年),增加了 59.2%,用电量和氮肥为主要间接温室气体排放源,分别占34.5%43.0%和 27.4%38.2%,其中氮肥源温室气体排放量从 1 640 kg CO2-eq/hm2(2005 年)逐渐 增 加 到 1 816 kg CO2-eq/hm2(2018 年),增 加10.7%;用电量所造成的温室气体排放量从 1 562 kg CO2-eq/hm2(2005 年)逐渐增至 2 277 kg CO2-eq/19第 4 期hm2(2016 年),增加 45.8%。其次是燃油,占比为 11.1%20.6%。总温室气体排放与间接温室气体排放呈相同规律,从 2005 年的
24、4 662.7 kg CO2-eq/hm2逐渐增 到 2016 年 的 7 185.6 kg CO2-eq/hm2,增 加 了54.1%,间接温室气体排放占 92.2%95.2%(图2),因此化肥、用电及燃油作为温室气体主要排放源。温室气体排放量/(kgCO2eqhm-2)GWP不同源温室气体排放占比/%Proporti on of GWP8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000020052005200720072009200920112011201320132015201520172017年份Year年份Year直接温室气体排放量间接温室气体排放量直接
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