高产低碳氮肥适宜用量研究--山东小麦-玉米轮作体系为例

摘要

氮肥施用在保障粮食安全的同时也带来了一系列农业环境问题,我国能否优化氮肥用量,在保持粮食产量不变的情况下减少温室气体排放?本文通过试验数据建立了高产低碳氮肥效应曲线,并且以山东小麦玉米轮作体系为例,分析了高产和低碳的氮肥用量差异,并分析了二者兼顾的可能性,为今后进一步寻找同时达到适宜产量水平及友好环境效应的合理施氮量区间提供数据和理论支持。本研究运用氮肥生命周期评价的思路,在估算工业活动生产氮肥排放或固定CO2 的同时,从农田生态系统和农田土壤两个角度进行了分析,计算最大产量施氮量和最低温室气体排放施氮量。以农田生态系统为研究对象时,系统的净碳汇(Cs)通过吸收与排放的碳平衡来计算,碳吸收(Ca)即系统对大气CO2 的同化,碳排放(Ce)则包括氮肥施用在农田中直接产生的温室气体排放与间接排放,二者综合计算得到农田生态系统中CO2 流通的动态变化。以农田土壤为研究对象时,贺盼结合有关研究得出施肥引起的土壤碳固存(Ca)由氮肥固碳因子和施氮量决定,由此计算出土壤对不同氮肥施用量的静态产量和环境效应。在两种方法中,氮肥温室气体排放因子参数(指有关氮肥生产碳排放、农田N2O 直接排放和间接排放的参数)引用文献数据,氮肥用量与产量的关系根据山东潮土、褐土、棕壤等土壤类型上的96 个小麦"3414 "试验和99 个玉米"3414 "试验,碳吸收量依据产量效应来计算。通过线性加平台模拟不同氮肥水平的产量和环境效应,结果表明,如果以农田生态系统为对象,山东小麦产量最高时氮肥用量为155.95 kg ·hm -2 ,若考虑系统对大气碳的吸收量,此时CO2 固定量为4433.58kg ·hm -2 ;净固碳量最大的点与最高产量施氮量的点重合。同理,追求玉米产量最高时的施氮量为172.44 kg ·hm -2 ,相应的CO2 固定量为6041.50kg ·hm -2 ;同样,净固碳量最大的点与最高产量施氮量的点重合。该区域2008 年160 个农户调研数据表明,目前农户在小麦种植中施氮量为264.25 kg ·hm -2 ,产量为6201.26 kg ·hm -2 ,CO2 固定量仅为3173.76kg ·hm -2 ,若减少41.0%的氮肥用量,产量仍然保持最高,但可达到最大固碳量。农户在玉米种植中施氮量为205.62 kg ·hm -2 ,产量为7791.83kg ·hm -2 ,CO2 固定量仅为5669.73kg ·hm -2 ,若减少16.1%的氮肥用量,同样产量仍然保持最高,但可达到最大固碳量。因此,以农田生态系统为研究对象时,山东小麦-玉米轮作体系是净固定二氧化碳的,而且优化氮肥用量,产量仍然保持最高不变,但可以增加固碳量1631.59kg ·hm -2。以农田土壤为研究对象,山东农田土壤氮肥固碳因子为1.98 (kgCO2 ·kgN -1),与氮肥生产排放因子、农田N2O 直接排放因子和农田N2O 间接排放因子[3]折算后,小麦、玉米氮肥施用的CO2 净排放系数分别为11.63 (kgCO2 ·kgN -1),11.21 (kgCO2 ·kgN -1),因此施用氮肥就会带来净排放,优化氮肥施用只能减少温室气体排放,而不能增加固碳。根据试验数据模拟,小麦产量最高时氮肥用量为155.95 kg ·hm -2 ,此时CO2 排放量为1813.70kg ·hm -2 ,而农户氮肥用量高于这一水平的农户达到96.3%,农户平均施氮量按照264.25 kg ·hm -2 ,净温室气体排放达到3073.23kg ·hm -2 ,如果达到试验模拟的最大产量施氮量,温室气体可以减少41.0%;追求玉米产量最高时的施氮量为172.44 kg ·hm -2 ,相应的CO2 排放量为1933.05kg ·hm -2 ,而农户氮肥用量高于这一水平的农户达到69.4%,农户平均施氮量按照205.62 kg ·hm -2 ,净温室气体排放2305 kg ·hm -2 ,如果达到试验模拟的最大产量施氮量,温室气体可以减少16.1%.因此,优化氮肥施用,可以有巨大的减排空间,尤其是小麦减排空间巨大。从上述分析可以发现,如果以农田生态系统为对象,考虑到作物对大气碳的固定,则优化氮肥施用可以增加净固定量。农田对大气的碳固存,国际科学界大多认为将是否增加了土壤中的碳作为衡量指标,而土壤固碳量的增加主要是作物的根茬、凋落物长期经过土壤动物及微生物分解矿化、腐殖化的综合结果,根茬和凋落物量等生物量的变化又是随着施氮量的不同而变化的,因此,以农田土壤为研究对象核算出的氮肥施用温室效应更多地反应了长期施氮对农田土壤固碳量,即对大气中CO2 固持量的影响。也就是说,从长远来看,氮肥用量的增加会直接导致温室气体排放量的增加,减少氮肥用量将是实现农田土壤温室气体减排的重要途径.华北平原小麦和玉米氮肥用量普遍超过最大产量施氮量,降低氮肥用量的同时不仅可以节约成本、增加产量,而且可以对温室气体减排做出巨大贡献。