2023, Vol. 44
2. 黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理自治区协同创新中心, 呼和浩特 010018;
3. 内蒙古科技大学能源与环境学院, 包头 014010
2. Autonomous Region Collaborative Innovation Center for Integrated Management of Water Resources and Water Environment in the Inner Mongolia Reaches of the Yellow River, Hohhot 010018, China;
3. School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China
我国是温室气体排放量最多的国家之一, 农业生产活动为温室气体排放的重要来源, 其排放的温室气体总量占人为生产活动温室气体排放总量的12%[1], 到2050年该比例预计会上升至30%[2].此外, 我国作物秸秆资源丰富, 但秸秆丢弃、焚烧等问题严重, 此类问题成为限制秸秆资源高效利用的严重障碍.因此, 充分挖掘作物秸秆利用潜力、减少资源能源浪费、降低温室气体排放和改善农业生态环境, 对于实现我国的“碳中和、碳达峰”目标、促进农业可持续发展具有重要意义.
将作物秸秆制成生物炭施入农田, 可能是减少土壤温室气体排放和改善农业生态环境的一种有效途径.有研究表明, 秸秆生物炭能够有效抑制土壤CO2和N2O的排放、促进土壤CH4吸收, 有助于减少温室气体排放[3~6], 另有研究发现施加生物炭会增加农田土壤温室气体的累积排放量[7, 8].不同生物炭用量对土壤温室气体排放量的影响程度也不尽相同, 有研究发现施用10 t ·hm-2和20 t ·hm-2生物炭能够起到减排效果, 20 t ·hm-2生物炭减排效果最好[9].王冠丽等[10]综合经济效益和环境因素, 建议内蒙古科尔沁地区玉米农田施用15 t ·hm-2生物炭.王月玲等[11]研究表明, 施用20 t ·hm-2和40 t ·hm-2的生物炭可以降低土壤N2O的排放和综合增温潜势, 当生物炭施用量超过60 t ·hm-2反而增加了土壤N2O的排放和综合增温潜势.
外国学者在国际上首先提出碳足迹的研究方法, 并从多重角度对农业活动对碳足迹的影响进行了研究[12~14].农业碳足迹评价方法可定量计算农业生产活动过程中温室气体排放的总量以及各生产环节排放的分量, 可以更加科学地评价农业生产的温室效应[15~17].目前关于生物炭的碳足迹研究多在灌溉[18]、施肥[19]和覆膜[20]等单一试验因素下进行的, 研究地点多为南方稻田[9]和温室大棚[21], 试验周期普遍偏短, 北方干旱灌区秸秆生物炭施用条件下覆膜滴灌农田玉米整个生命周期的碳足迹目前尚不清楚.
内蒙古河套灌区地处我国北方干旱地区, 是中国设计灌溉面积最大的灌区, 玉米是灌区内最主要的粮食作物, 每年的废弃玉米秸秆大部分都被直接焚烧, 对环境造成严重破坏.如果能将其应用到生物炭固碳减排技术中, 不仅能够解决环境污染问题, 而且可以促进资源的可持续利用, 减少农田生态系统温室气体排放和碳足迹.本文设置不同生物炭添加量, 通过连续监测分析一次性施用生物炭后膜下滴灌玉米农田生态系统温室气体(CO2、CH4和N2O)的响应差异及其与综合增温潜势的关系, 利用生命周期评估法估算农业生产活动引起的直接或间接碳排放量及其对碳足迹的贡献, 以期为我国北方地区节水灌溉农田生态系统减排固碳研究提供科学参考和技术支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况本试验地点位于内蒙古自治区巴彦淖尔市临河区双河镇进步村(107°18′E, 40°41′N).该地属于中温带半干旱大陆性气候, 降雨量少, 气候干燥, 多年降雨量137~214 mm, 多年平均降雨量140 mm左右, 平均气温6.8℃, 无霜期130 d左右, 平均日照时长3 230 h左右.2015年和2016年作物生长阶段(5~9月)的累积降雨量为90 mm和120 mm, 月平均气温为16.5~24.1℃和16.6~24.3℃, 每个月的降雨量和气温变化如图 1所示.试验田为玉米农田, 土壤质地为砂壤土, 土壤有机质、速效氮和速效磷含量较低, 速效钾含量较高, 土壤肥力水平整体较差, 0~30 cm土层的基础理化性质如表 1所示.
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图 1 作物生长阶段的月平均气温、月累积降雨量和月累积灌溉量 Fig. 1 Monthly average temperature, cumulative rainfall and cumulative irrigation during crop growth stage |
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表 1 供试土壤和生物炭基础理化性状1) Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil and biochar |
1.2 试验设计
本试验采用单因素完全随机设计方案, 设置3个生物炭处理: C15、C30和C45, 对应的生物炭施用量为15、30和45 t ·hm-2.试验以不施用生物炭的小区为空白对照(CK), 每个处理包括CK均设置3个重复小区, 共12个小区, 每个小区的面积为90 m2(15 m×6 m).2015年5月初将生物炭一次性均匀撒施于土壤表层, 随后用旋耕机将生物炭与耕层土壤混合, 2016年不再施用生物炭, 继续开展田间原位控制试验.生物炭为辽宁金福农业开发有限公司生产的玉米秸秆生物炭产品, 产品的基础理化性质如表 1所示.
每年的5月中下旬开始播种, 玉米品种为西蒙6号, 种植密度是56 667株·hm-2, 株距和行距分别是30 cm和60 cm.播种前施用基肥, 基肥施用量: 复合肥(N ∶P2 O5 ∶K2 O＝30% ∶5% ∶5%)为337.5 kg ·hm-2, 磷酸二氢胺(N ∶P2 O5＝14% ∶39%)为450 kg ·hm-2.追肥共追施尿素375 kg ·hm-2, 其中拔节期追施3次, 抽雄期和灌浆期各追施1次, 每次追施尿素75 kg ·hm-2.整个试验阶段施用氮肥(N)339 kg ·hm-2、磷肥(P2 O5)192 kg ·hm-2和钾肥(K2 O)17 kg ·hm-2. 基肥的施肥方式为撒施, 追肥的方式为随水施肥, 2 a的施肥量和施肥方式一致.试验期间通过张力计控制灌溉(WST-2B, 北京奥特思达科技有限公司).张力计布设在试验田膜内20 cm处, 每个试验小区为一个灌溉单元, 当张力计的读数达到-25 kPa开始灌溉, 灌水定额225 m3 ·hm-2, 2015年和2016年累积灌溉量为399 mm和300 mm.玉米成熟后从每个处理小区随机选取20株, 测定玉米产量.
1.3 温室气体采集和测定通过静态暗箱-气相色谱法定位观测土壤温室气体通量(CO2、CH4和N2O).静态箱的地箱尺寸为40 cm×40 cm×15 cm, 顶箱尺寸为40 cm×40 cm×40 cm, 由厚1.0 mm的不锈钢制成.玉米种子播种后, 在每个试验小区选取中间4行的中间位置安放地箱, 每个小区放置3个地箱.在玉米生长季选择晴天的09:00~11:00完成采样工作.采样时每个采样箱分别扣住底箱0、10、20和30 min后采集气体, 而后从其中抽取气体40~60 mL转存于样品采样袋内.采集完的气体用Agilent 6820气相色谱仪分析CO2、CH4和N2O浓度, 计算温室气体排放通量、季节性累积排放量和综合增温潜势.
(1) 计算温室气体排放通量(F)
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式中, ρ为箱内气体密度, kg ·m-3; Δm和Δc分别表示Δt时间内箱内气体质量和气体浓度的变化; A、V和H分别为采样箱底的面积(m2)、体积(m3)和气室高度(m); Δc/Δt为箱体内气体浓度变化; F为负值时表示温室气体被吸收, F为正值时表示温室气体排放.
(2) 计算温室气体累积排放量(Ec)
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式中, n为玉米生长季观测次数; Fi和Fi+1为第i和i+1次采样时温室气体的排放通量, mg ·(m2 ·h)-1; Ti+1和Ti为第i+1和i次采样的时间间隔, d; a为转换系数(由于采样期间的天数小于玉米生长季的天数, 将此系数转换为玉米生长季的天数), 2015年a取132/88, 2016年a取132/123.
(3) 计算综合增温潜势(GWP)
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式中, Ec-CO2为CO2的季节累积排放量, kg ·hm-2; Ec-N2O为N2O的季节累积排放量, kg ·hm-2; Ec-CH4为CH4的季节累积排放量, kg ·hm-2.
1.4 碳足迹评价方法和计算对于碳足迹而言, 其生命周期评价的组成主要包括研究边界、数据来源和计算过程这3个部分.本试验碳足迹的研究边界为玉米种子播种至玉米收获的整个生长季, 评价试验过程中能源消耗(电力、柴油)、农艺措施中的能源消耗(施肥、农药和收获)、农资生产过程中(肥料、生物炭)的碳排放以及温室气体的碳排放.碳排放量以单位面积土壤排放出CO2的碳当量来表示(以CO2-eq计, kg ·hm-2).
结合试验阶段的实际情况, 得到各种物质的碳排放系数(表 2)和农业活动投入量(表 3), 分别计算2 a间不同生物炭处理条件下覆膜滴灌玉米农田的碳足迹(CF).
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表 2 各排放项目的温室气体排放系数1) Table 2 Greenhouse gas emission coefficient of each emission project |
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表 3 玉米农田生态系统各农业活动的投入量1) Table 3 Inputs of agricultural activities in maize farmland ecosystem |
式中, Ai为第i个农业活动投入的总量(如化肥、灌溉和耕作等); EFi为第i个农业活动的温室气体排放系数.
根据收获的作物产量和计算的碳足迹结果, 计算单位玉米产量的碳足迹(CFy):
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式中, Y为玉米的产量, t ·hm-2.
2 结果与分析 2.1 土壤温室气体排放通量的季节性变化 2.1.1 土壤CO2排放通量如图 2(a1)和2(a2)所示, 2015年作物生长阶段不同生物炭处理的CO2排放通量均出现先增加后减少的趋势, 播种后44~60 d生物炭处理的CO2排放通量整体高于CK, 播种后77~140 d生物炭处理的CO2排放通量整体低于CK.2016年播种后25~50 d, 生物炭处理的CO2排放通量与CK无显著差异, 播种后50~140 d, 生物炭处理的CO2排放通量整体明显低于CK, 可见施用生物炭能显著抑制作物生长中后期的土壤呼吸速率, 减少CO2排放.相比而言, C15、C30和C45处理的CO2季节平均排放通量在2015年较CK减少24.8%、17.7%和21.8%, 在2016年较CK分别减少19.1%、26.0%和21.8%.
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图 2 玉米生长阶段不同处理CO2、CH4和N2O的季节性排放通量 Fig. 2 Seasonal emission fluxes of CO2, CH4, and N2O from different treatments during maize growth stage |
由图 2(b1)和2(b2)所示, 2015年CK、C15、C30和C45处理的土壤CH4季节平均排放通量分别为-61.6、-221.6、-173.8和12.2 mg ·(hm2 ·h)-1, 处理C15和C30的CH4季节平均排放通量较CK分别减少259.6%和182.0%, 而处理C45的CH4季节平均排放通量较CK增加119.9%, 不同处理间差异显著.2016年各处理的土壤CH4排放/吸收通量变化规律与2015年基本相似.处理C30的CH4季节平均排放通量较CK减少63.3%, 处理C45的CH4季节平均排放通量较CK增加52.5%, 处理C30的CH4季节平均排放通量与CK相比没有显著差异.
2.1.3 土壤N2O排放通量由图 2(c1)和2(c2)所示, 空白对照的N2O排放通量均为正值, 生物炭处理的土壤N2O排放通量有正有负, 表明生物炭施用对土壤N2O的排放有一定的抑制作用. 2015年随着生物炭的增加, N2O季节平均排放通量逐渐减小, 生物炭的抑制效应持续增强, 处理CK、C15、C30和C45的N2O季节平均排放通量分别为106.0、30.5、-8.8和-10.9 mg ·(hm2 ·h)-1, C15、C30和C45的N2O季节平均排放通量较CK分别减少71.2%、108.3%和110.3%.2016年处理CK、C15、C30和C45的N2O季节平均排放通量分别为380.9、214.7、202.6和233.5 mg ·(hm2 ·h)-1, C15、C30和C45的N2O季节平均排放通量较CK分别降低43.6%、46.7%和38.7%.
2.2 温室气体排放总量和综合增温潜势如图 3所示, 对于CO2累积排放量, 与空白对照相比, 2015年和2016年得到相同的结果, 施用生物炭均降低了CO2累积排放量, 处理C15、C30和C45在2015年分别下降24.7%、17.6%和22.1%, 2016年分别下降19.2%、25.8%和40.6%, 各处理间达到差异性显著.对于CH4累积排放量, 除处理C45表现不规则变化外(2015年排放CH4, 2016年吸收CH4), 其余处理CK、C15和C30在2015年和2016年的CH4累积排放量均为负值, 土壤表现为对CH4的吸收, 且处理C15和C30吸收量高于空白对照, 2015年分别高出260.0%和182.6%, 2016年高出3.5%和64.4%.对于N2O累积排放量, 除2015年的处理C30和C45以吸收N2O为主外, 其余各处理均排放N2O, 且施加生物炭均降低了两年土壤N2O累积排放量, 处理C15、C30和C45在2015年分别下降71.1%、108.3%和110.4%, 2016年分别下降43.7%、46.7%和38.7%, 各处理间达到显著差异.由此可见, 施加适量的生物炭能够促进土壤对CH4的吸收, 且对土壤CO2和N2O的排放有一定的抑制作用.
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不同小写字母表示处理间差异性显著(P < 0.05) 图 3 玉米生长阶段不同处理CO2、CH4和N2O的累积排放量及其综合增温潜势 Fig. 3 Cumulative emission of CO2, CH4, and N2O and their global warming potential during maize growth stage |
2015年和2016年处理C15、C30和C45的GWP值均小于空白对照, 处理C15、C30和C45的综合增温潜势在2015年分别降低25.9%、19.5%和23.4%, 2016年分别降低19.7%、26.4%和40.5%, 生物炭处理与空白对照间均达到差异性显著, 由此可见, 生物炭的施加能够有效降低GWP, 其中以处理C45降幅较优.
2.3 碳足迹变化从玉米生态系统的碳足迹构成看出(表 4), 氮肥生产和CO2排放是玉米生产的温室气体主要排放源, 分别占总碳足迹的19.8% ~33.4%和41.8% ~61.9%.2015年C15处理碳足迹较CK处理减少了4.4%, 处理间无显著差异, 而C30和C45处理碳足迹较CK处理分别增加了10.2%和18.7%.2016年生物炭处理较空白处理均降低了玉米生态系统碳足迹, 其中处理C45降低效果较好, 降幅达23.8%, 达显著性差异.
不同生物炭处理下土壤碳足迹与作物产量的比值为单位产量碳足迹.由图 4可知, 2015年C15处理单位产量碳足迹最低, 较CK降低了10.1%, C45处理单位产量碳足迹最高, 较CK升高了16.7%. 2016年各生物炭处理单位产量碳足迹较空白对照比均表现为降低, C15、C30和C45处理分别降低12.9%、21.5%和26.2%, 各处理间均达到显著性差异(P < 0.05).
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表 4 不同生物炭处理下玉米农田生态系统的碳足迹构成(以CO2-eq计) 1)/kg ·hm-2 Table 4 Carbon footprint composition of maize farmland ecosystem under different biochar treatments(CO2-eq)/kg ·hm-2 |
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不同小写字母表示处理间差异性显著(P < 0.05) 图 4 连续2 a不同生物炭处理下单位玉米产量的碳足迹差异 Fig. 4 Differences in carbon footprint per unit maize yield under different biochar treatments for two consecutive years |
通过玉米农田生态系统碳足迹的贡献来看(图 5), 土壤温室气体排放对农田碳足迹的贡献最大, 贡献率为38.1% ~59.2%; 其次为氮肥生产19.8% ~33.4%, 之后为电能生产6.7% ~8.8%和地膜生产4.4% ~7.4%, 农药生产、柴油生产、磷肥和钾肥生产贡献率较低.其中, 2015年各生物炭处理对生态系统碳足迹具有一定的贡献, 贡献率达11.4% ~27.5%, 而在2016年施加生物炭处理对生态系统碳足迹贡献率几乎为零.
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箱体宽度表示贡献大小, 箱体内数字为各排放来源的碳足迹对总碳足迹的贡献率, 单位为% 图 5 不同生物炭处理下农业活动对玉米农田生态系统碳足迹的贡献率 Fig. 5 Contribution rate of agricultural activities to carbon footprint of maize farmland ecosystem under different biochar treatments |
与未施加生物炭处理比较, 施加生物炭处理玉米生长中后期的CO2排放通量整体上明显更低, 可见施用生物炭能显著抑制玉米生长中后期的土壤呼吸速率, 减少农田土壤CO2累积排放量, 这与前人的研究结果相似[26~29].主要原因可能是生物炭促进一些难以被土壤微生物分解的大分子物质形成[30, 31], 降低了微生物对有机碳的利用量[32], 使土壤内碳矿化速率受到一定抑制[33], 最终降低CO2排放.相比而言, 2015年各处理CO2累积排放量均高于2016年, 可能是因为当年施用的生物炭本身携带了大量的易被土壤微生物利用的有机质, 从而提高了土壤微生物的活性和呼吸作用, 导致CO2排放量增加[34~36].玉米第一个生长季施加生物炭在第二个生长季依然可以抑制CO2累积排放, 且在第二个生长季的抑制作用更强.可能是第1 a生物炭中碳活性组分分解所产生的CO2抵消了部分抑制作用, 这与Yang等[37]在第一个生长季添加生物炭对第二个生长季CO2仍有抑制效应的结果相一致.
连续2 a玉米拔节期和抽雄期各处理土壤CH4排放通量变化强烈, 而灌浆期和成熟期变化逐渐趋于平缓.表明玉米快速生长期土壤CH4的排放通量较高, 生长后期处理间变化不明显.不同用量的生物炭对土壤CH4排放的影响存在不确定性, CH4的排放是土壤中产CH4菌和CH4氧化菌综合作用的结果[38].与CK相比, 2 a的生物炭处理C15和C30均能促进土壤对CH4的吸收, 这可能是因为生物炭的施入, 降低了土壤容重, 增加了土壤通气性, 促进了CH4的氧化[27, 39], 破坏了产CH4菌的厌氧环境[40~42].相比而言, 较高的生物炭施用量(C45)增加了CH4的累积排放量, 可能是因为较高的生物炭用量含有较高的铵态氮[43], 转化为较高浓度的氨与CH4氧化菌对同一种酶的竞争导致后者受到抑制, 使CH4的氧化量降低[44]; 也可能是生物炭作为碳源为产CH4菌提供营养物质, 促进CH4的排放.
本试验第1 a各生物炭处理的土壤N2O排放前期抑制效果较弱, 后期逐渐增强, 表明生物炭处理对土壤N2O的抑制作用是一个缓慢的过程.生物炭在施用的第2 a依然可以抑制土壤N2O的排放, 但效果同第1 a同时期相比下降较为明显, 原因可能是土壤水分和土壤温度差异导致的[18].随着生物炭施用量的增加, 生物炭对N2O累积排放量减排效果逐渐增强, 这与屈忠义等[26]和Liu等[45]研究的结果一致.出现这种现象的原因为: 生物炭降低了土壤容重, 改善了土壤通气性, 且生物炭本身较高的C/N值, 抑制了氮素微生物的转化与反硝化作用[46]; 生物炭提高了土壤阳离子交换量, 可以吸附更多导致N2O增排的NH4+-N、NO3--N和磷酸盐[47, 48].
施加生物炭均显著降低了农田综合增温潜势.若只考虑第一个生长季的数据变化, 处理C15对降低玉米农田综合增温潜势的作用最为明显, 这与王冠丽等[10]研究的结果一致, 这是因为随着生物炭施入量的增加, 其本身在制作、运输过程中所产生的温室气体亦会增加.综合考虑两个生长季的数据变化, 其中以处理C45降幅较优, 表明从长远的角度出发, 施用45 t ·hm-2生物炭对降低农田综合增温潜势效果更优.
3.2 生物炭对碳足迹的影响2015年是施加生物炭的第1 a, 在处理C15、C30和C45的碳足迹中, 生物炭是玉米农田生态系统温室气体排放的重要来源, 贡献率达11.4% ~27.5%.这是因为生物炭在制作、运输过程中需要消耗大量的能源及化石燃料[16].2016年施加生物炭处理对农田生态系统碳足迹贡献值几乎为零, 其中处理C45降低效果显著, 表明生物炭对碳足迹的影响是一个长效的过程.这一结果与2015年明显不同, 主要原因是试验第2a未施用生物炭, 未计算生物炭引起的碳排放量.因此若能科学地采取一些措施将这种消耗控制在更低范围, 将对农田生态系统的固碳减排产生重要意义.
2015年处理C15的单位产量碳足迹最低, 而2016年处理C45的单位产量碳足迹最低, 一方面是因为生物炭施加进土壤后, 能够增加土壤固碳量, 降低农田系统碳足迹[21, 49, 50], 另一方面生物炭的过多施入也造成了农田生态系统碳足迹的剧增[10].所以在为农田生态系统低碳减排提供科学参考时, 应结合2a的研究结果选用最优的生物炭施加方案.综合考虑经济效益与环境效益, 施用30 t ·hm-2生物炭对农田生态系统减排固碳增产效果更好.
通过农田生态系统碳足迹的贡献来看, 土壤温室气体排放对农田碳足迹的贡献最大, 贡献率为38.1% ~59.2%, 其次为氮肥生产的19.8% ~33.4%, 之后是电能生产的6.7% ~8.8%.本研究中碳足迹的贡献排序与部分研究结果一致[10, 18, 51], 但碳足迹的贡献率存在一定差异, 这可能与试验边界选取、试验区位置、碳排放系数选择和农业活动投入量的差异有关.刘松等[19]研究发现, 通过氮肥减施和降低氮肥生产过程中的温室气体排放可降低碳足迹.史磊刚等[52]提出灌溉电能消耗与作物碳足迹存在显著的正相关性.因此, 改善生物炭的制作工艺和运输途径而降低能源消耗、减少氮肥施用量并提高氮肥利用效率和发展节水节能灌溉技术, 是未来减少农田生态系统碳足迹的重要方向.由于本试验中部分农业活动的碳排放系数来源于前人的研究结果, 同一环节不同的作业方式亦会存在差异, 农田地形地貌、灌溉水泵功率、作业农机型号和性能等因素也可能不同, 得到的试验结果可能存在一定的偏差.未来需要结合田间试验的实际操作, 研究确定更合理的碳排放系数, 以期更准确反映干旱灌区滴灌覆膜农田生态系统的碳足迹.
4 结论(1) 施加适量的生物炭可以有效降低膜下滴灌玉米农田土壤CO2、CH4和N2O的累积排放量, 减小其综合增温潜势.与对照CK相比, 生物炭施用量的增加对CO2累积排放的抑制作用随之增强, 且第二个生长季抑制作用更强.30 t ·hm-2生物炭对N2O累积排放抑制作用更强, 但第二个生长季抑制作用较第一个生长季相比减弱.不同施用量生物炭对CH4累积排放的影响存在不确定性, 两个生长季影响并无显著性差异.第一个生长季施加生物炭仍可以有效抑制第二个生长季农田土壤温室气体的排放.
(2) 对比玉米农田生态系统碳足迹的贡献率, 最大为土壤温室气体排放的38.1% ~59.2%, 其次为氮肥生产的19.8% ~33.4%, 之后为电能生产的6.7% ~8.8%和地膜生产的4.4% ~7.4%.连续2 a生物炭对生态系统碳足迹平均贡献率为5.7% ~13.8%, 施用生物炭30 t ·hm-2对农田生态系统减排固碳增产效果更好.改善生物炭的制作工艺和运输途径、提高氮肥利用效率和发展节水灌溉技术, 对于减少我国干旱地区农田生态系统碳排放有重要意义.下一步应考虑农业生产投入和效益, 研究生物炭施用后的节水增产效益, 为生物炭的合理应用提供多方位的科学依据和技术支撑.
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