改进耕作方法可以减少春小麦生产过程中的碳足迹...

编译：冯文豪，排版：王上

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文章信息

原名：Improving farming practices reduces the carbon footprint of spring wheat production

译名：改进耕作方法可以减少春小麦生产过程中的碳足迹

期刊： Nature Communications

2019年影响因子：12.121

5年影响因子：13.61

在线发表时间：2014.11.18

通讯作者：甘延太教授[e-mail]

                 柴   强教授[e-mail]

第一单位：甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室

文章亮点

春小麦生产中的单位产量和单位面积面积碳足迹都为负值

春小麦生产过程中从大气中吸收的CO₂比向空气中释放的多

春小麦碳足迹与土壤有机质、降水条件、种植模式以及农资投入量和方法有关

文章正文

研究背景

小麦是全世界最受欢迎的粮食之一，但是其生产会对环境产生不良影响。例如田间施用无机肥料、杀虫剂和燃油等农事操作都会产生CO₂、N₂O等温室气体。目前为止，对于一种改良的综合的农事耕作方法是否会在增加作物产量的同时减少碳排放是未知的。

因此，该实验通过设置长达25年的大田试验，通过对4种耕作方法1）将豆类纳入小麦轮作系统中，通过利用其固氮作用来减少无机氮肥的施用；2）利用年度土壤试验测定土壤残余养分和土壤有机质中潜在的矿化氮；3）施加适当的氮肥仅仅满足作物正常的生长需求；4）采用更密集的轮作系统，例如减少休耕的频率，来对春小麦生产过程中的两种碳足迹指标进行衡量，评价各种耕作措施综合改良后是否可以提高作物产量、土壤碳吸收和减少小麦生产的碳排放。

研究方案

田间小区分布和管理

ContW：小麦连作；LentW：扁豆小麦轮作；FWW：每3年两季小麦和一季休田；FFlxW：每3年一季小麦一季其它作物加一季休耕。农业科研人员称之为轮作阶段。因此，ContW有1阶段；LentW有2阶段；FWW和FFlxW有3阶段。试验小区分布为随机区组设计，3重复。所有阶段在每年且在每个重复中都会随机分布。

每年对土壤土壤硝态氮(0-0.6m)和土壤磷(0-0.15m)进行测量，并结合萨斯喀彻温大学土壤测试实验室提供的养分施用指南来确定春季对下一茬作物的施肥量。试验田需要进行除草时，利用推荐的除草剂按照比例进行施用。在秋季所有小区均施用2，4-D防治冬季杂草。种植小区通常使用重型清扫机和安装的耙进行一次播种前的耕作操作来准备苗床，而夏季种植的小区需要使用中耕机或杆式除草机进行两次播种前的耕作操作来控制杂草。其他的农事操作，如种植和收获，都是利用当地生产推荐进行处理。

数据收集

作物成熟期，每小区人工收获2.32m²作物，小区中间6行进行测产。同时利用凯氏定氮法对籽粒和茎秆的氮含量进行测定。根干重利用已发表模型估计。1970年测量的土壤有机氮作为起始值，并在1981、1985、1990、1993、1996 、1999 、2003 、2009测量土壤有机氮。

气体排放量估计和碳足迹计算

在估计温室气体排放量时，设定了从生产、运输、储存作物投入(例如肥料和杀虫剂)到收获作物的边界。在设定的范围内，使用了针对具体国家的方法来估计所有来源的温室气体排放量。其中作为能源使用的N₂O排放和非能源使用的N₂O排放包括(一)作物残体分解；(二)无机氮和磷肥施用；(三)淋溶和挥发的氮损失；(四)除草剂、杀真菌剂和杀虫剂的施用；(五)各种农业作业中使用的燃料；(六)化肥和农药的制造、运输、储存和运输过程中使用的化石能源。N₂O和CH₄的排放被转化为CO₂当量，这使得可以使用相同的功能单位对不同的种植制度进行比较。

作物收获后，秸秆和根系进行还田在地里分解。这些作物残留物成为硝化和反硝化的重要氮源，直接或间接地导致N₂O排放。作物秸秆和根系分解产生的N₂O的量与它们的氮浓度和生物量产量直接相关，因此，秸秆和根系的氮浓度已被纳入排放估算。作物残体氮的量是用地上和地下作物残体生物量乘以它们各自的氮浓度得到的。因此，农田的N₂O排放是氮从无机肥料进入土壤、作物残留物分解、NH ₃挥发和硝酸盐在潮湿条件下通过淋溶和反硝化作用损失的共同结果。

已经发表了一个针对加拿大国家条件N₂O排放因子的特定模型；这个模型主要是基于从斯威夫特长期实验中获得的实际测量值，以及其他相关研究。作物残体分解的直接排放、肥料氮的施用和受淋溶影响的氮的比例被发现是磷Pr与潜在磷PE之比的函数:

EF：每千克氮转化为氧化亚氮的排放因子

Pr/PE ：是在生长期间Pr和PE的比值

FRAC _leach：肥料和作物残渣中的氮淋失的部分

来源于无机氮肥施用和作物残渣的N₂O排放估算：

CO₂ eq_snf ，CO₂ eq_crd：为无机氮肥和作物残渣的总排放量

Q_snf ：合成氮肥的施用量

Q_crd ：作物残渣的量

FRAC_gasm：为无机氮挥发为NH₃ – 和 NOx –N的部分 (EF _vd =0.01 kg N₂O-N kg^-1N) 

EF_leach ：为氮逸失为N₂O的排放因子(EF _leach =0.0075 kg N₂O-Nkg^-1N)

44/28是N₂O-N到N₂O的转换系数，GWP _N2O = 298表示100年内N₂O的全球变暖潜力，GWP_N2O = 268表示20年内的全球增温潜势。

该文献的报告中，碳足迹的计算主要是基于100年时间范围内的全球变暖潜能。然而，为了评估整体政策的有用性，他们还使用GWP _N2O =268计算了20年时间内将N₂O转换为CO₂当量的碳足迹值。两组计算之间的比较有助于理解短期和长期的益处。全球增温潜势是衡量温室气体在大气中吸收多少热量的一个相对指标。

试验测量获得的N₂O排放估计值是理想的，但这种长期数据集并不存在。本研究中的估计值是基于一种经过严格审查的方法，该方法利用了长期实验和其他相关研究的测量数据。本研究中的排放估计值与之前讨论的特定轮作系统的测量值以及类似可比系统的类似研究值相比较好。

实验中按需要并以一定比率使用除草剂，杀真菌剂和杀虫剂。在排放估算中，他们对除草剂使用的平均排放因子为23.2 kg CO ₂ eq kg ^-1，对杀菌剂和杀虫剂使用的平均排放因子为13.8 kg CO ₂ eq kg^-1。这些排放因子基于对作物的运输，存储和运输过程中使用化石能源的估计。通过将排放因子与每个轮作系统中实际应用于农作物的农药数量相乘，可以计算出与农药使用相关的总排放量。

种植、施用农药和收割等其它农事操作相关的排放量分别为：种植相关排放量为14 kg CO₂ eq ha^-1，农药施用时排放量为5 CO₂ eq ha^-1，收获相关排放量为7 CO₂ eq ha^-1。

夏季休耕是一种农事操作，通常用于干旱和半干旱大草原，以通过耕作控制杂草，并通过在整个生长季节中不种植土地来保护土壤水分。夏季休耕期的N₂ O排放是根据实际投入（例如耕作中使用的燃料）加上非输入来源（例如残留土壤N和土壤中有机物的分解）的间接排放估算的。

统计分析

为避免生长季节降水量变化对处理的影响，作者将25年（1985-2009年）的试验年分为三个降水条件：干燥，正常和潮湿。在7个干旱年份中，生长季节（5月1日至8月31日）的Pr平均为186 mm，PE为641 mm（Pr与PE的比值为0.291），平均气温为14.2C。在5个湿润年中，Pr平均为383毫米，PE为559毫米（Pr / PE为0.687），平均气温为12.7摄氏度。其余13年的天气条件接近长期平均值，Pr平均286毫米，PE 582毫米（Pr / PE为0.496），空气温度13.3摄氏度。

轮作系统中的所有阶段都会随机出现在每个重复中。作者确定了整个轮作系统（即每年的所有阶段）的所有变量（例如，生产投入，作物产量，碳排放量等），然后将结果转换为年化值。在统计分析中，各个年份被认为是独立的。有7个干旱年，13个正常年和5个潮湿年，每年有3次重复。混合效应模型在四个轮作系统之间的最小差异方面给出了最佳结果，随机效应分别为：干旱，正常和湿润年份分别为3×7、3×13和3×5年。

初步分析显示，在大多数变量中，种植模式与降水量（干，正常和湿）之间存在明显的相互作用，因此，主要讨论了三种降水量每一种处理的作用效果。均值和均值的标准误是根据每年每个降水类别中的年数来计算的（在干燥，正常和湿润年份分别为3×7、3×13和3×5）。利用回归来确定作物产量与降水量之间，氮输入与温室气体排放之间，氮输入与植物吸收氮之间以及氮输入与氮过剩之间的关系。使用协方差分析来确定各种作物投入因子对碳足迹值的相对贡献量。

最后，利用敏感性测试来评价N₂O的排放系数对最终碳足迹值的影响程度1）氮肥施用的方法；2）随时间变化有机碳增加或者减少量；3）利用100年GWP和20年GWP计算碳足迹之间的差别。

研究结果

单位面积和单位产量的碳足迹

单位面积还是单位产量的碳足迹值都为负值。25年的试验可以根据降水量分为3组，其中降水量小于210mm的年份有7年，Pr/PE为0.291；降水量在210~341mm，Pr/PE为0.495；降水量为341~420mm之间，Pr/PE为0.687。按照以上三种分类，干燥、正常和湿润年份的单位面积碳足迹值分别为-165、-323、-274kg CO₂ eq ha^-1。以上负值的碳足迹值表明春小麦生产过程中从大气中吸收的CO₂比释放的多。

在四种种植模式如下：1）fallow-flax-wheat(FFlxW)；2)fallow-wheat-wheat(FWW)；3)continuous wheat(ContW)；4)lentW。其中lentW具有最低的单位面积碳足迹 -552 kg CO₂ eq ha^-1，比ContW低127%，比FWW低153%，比FFlxW低790%。其原因可能是由于扁豆的共生固氮作用使得是氮肥量减少，从而使得碳足迹减少。按照以上三种分类，干燥、正常和湿润年份的单位产量碳足迹分别为-0.223、-0.176、-0.129 kg CO₂ eq ha^-1。以上碳足迹表明每生产1kg的春小麦从大气中吸收0.129~0.22 kg CO₂ eq ha^-1。四种种植模式下单位产量碳足迹分别为-0.027、-0.164、-0.151、-0.027 kg CO₂ eq ha^-1。

利用协方差分析发现，种植制度不同对单位面积碳足迹影响最大，达到82%。其次是土壤有机碳含量，4.4%。对单位产量碳足迹影响达到61%，作物产量影响达到14.6%，施肥占到6.2%。协方差分析同时表明，影响因子之间存在相互作用，尤为重要的是种植制度土壤碳、氮肥施用和作物产量。

土壤有机碳和小麦碳足迹

1979年在LentW种植系统中测得的土壤有机碳值约为33.33 mg C ha^-1，将其作为基值。随着时间的增加，小麦种植制度下的土壤有机碳逐渐增加，在1993年至1999年之间增加最为明显。后期土壤有机碳的增加主要是由于较高的作物生产力和更多的生物量碳返还土壤。这主要是通过在作物上施用更高比例的氮肥(根据新的土壤测试推荐指南)以及更加适宜的降水量。良好的种植系统已被证明能够吸收更多的碳，而作物残余物的保留是增加土壤有机碳量的一个关键因素。

从小麦碳足迹值看出，在其生产过程中的碳排放和碳吸收处于平衡状态。在25年的研究期内，年均温室气体排放量在降水量较少年份平均为357CO₂ eq ha^-1，在正常年份为577 CO₂ eq ha^-1，在较为湿润年份为687 CO₂ eq ha^-1。碳排放主要由于作物残渣分解、施用无机氮和磷肥、氮淋失、施用农药、各种农事操作 (如播种、喷洒农药、收获等)中使用的燃料；以及在制造、运输、储存所使用的的化石燃料。然而。这些碳排放最终被小麦更多的碳吸收进行抵消，最终使得碳足迹值表现为负值。

气候因素在影响碳排放和吸收方面发挥了重要作用。在干燥年份中由于较少的生产投入和较少的作物残渣降解使得N₂O排放量较低。然而在正常年份或湿润年份中，有更多的植物生物量碳被土壤所吸收。正常或湿润年份比干燥年份的土壤碳增加69%和85%。在更有利的天气条件下，更多的生物产量会使得有更多的残渣和根系生物量产生，最终提高土壤有机碳。

在四种种植模式下，LentW的土壤固碳平均每年增加1039CO₂ eq ha^-1，比ContW增加26%，比FWW增加56%，比FFlxW增加62%。这种谷类-豆类轮作的优点是豆类植物可以从大气中吸收了氮，从而使得氮的有效性增加，最终提高了植物生物量的积累。尽管四个系统之间的碳排放和碳吸收差异很大，但它们的碳足迹值在干燥、正常和潮湿的降水条件下基本表现一致的。这表明，在不考虑降水情况时 (极端干旱的年份除外)，使用一套改良的耕作方法可以使得春小麦可以达到净碳平衡的状态。

自1999年以来，土壤有机碳含量几乎没有发生变化。巧合的是，自2000年代初以来，作物产量一直处于停滞状态或呈下降趋势。2000年代的小麦年产量比20世纪90年代的产量低17%。2000年的生长季节，降雨量比20世纪90年代减少了10%。因此，在半干旱地区，降水量可能是作物生产力的关键。

按年份计算，小麦碳足迹在整个25个研究年中主要处于负值，与其他年份相比，前几年的数值更低(变化更大)。按十年计算，20世纪80年代单位面积碳足迹的年平均值为-181±12 CO₂ eq ha^-1，明显低于20世纪90年代和21世纪初的数据(图3d)；同样，1980年代的人均碳足迹平均值也低于1990年代和2000年代的平均值。然而，20世纪90年代获得的碳足迹值与2000年代没有什么不同，尽管近年来总体作物产量呈下降趋势。在这种情况下，很明显，小麦碳足迹是多种因素综合作用的结果，包括土壤有机碳的变化、作物投入的数量和方法、作物产量反应和其他相关因素。

作物投入的方法、投入量和碳足迹

在25年的时间里，小麦年产量范围是201kg/ha到3484kg/ha，主要反映了其生长季内的降雨的水平，每毫米降水量平均增加21.4 kg/ha。在影响作物产量的过程中，水分有效性和种植制度之间存在着显著的相互作用。四个系统在干旱年份的作物产量水平相似，而FWW系统中的小麦在正常年份(低24%)和湿润年份(低27%)的粮食产量明显低于其他系统。在FWW系统中，夏季休耕占据了三分之一的轮作周期，导致三年轮作周期中小麦的年产量较低。

25年间，根据土壤测试进行田间施肥。FWW系统施肥最少，因为空闲阶段不用施肥，而ContW施肥最多，导致肥料的利用效率较低。测土施肥使得土壤的N盈余几乎为0，同时碳足迹较低。以上结果都表明在长期的试验中，总施氮量仅仅为了满足作物正常生长发育的氮需求。因为这样才可以将与施氮相关的碳排放降到最低。

氮肥投入和碳排放之间存在正相关关系，每公斤氮肥投入产生8.29 CO₂ eq ha^-1的排放。因为无机氮肥在作物投入的总排放量中所占比例最大。平均而言，53%的碳排放来自氮源，其中22%来自直接的氧化亚氮排放和间接的氧化亚氮排放，后者是通过农田施用氮肥时氨和氮氧化物的挥发以及硝酸盐的淋溶而产生的，另外31%来自氮肥的生产、运输、储存以及在农田使用前将其输送至农田。氮肥对碳排放总量的贡献是磷肥的16.7倍，是农药的8.4倍，是各种耕作和耕作方式的2.3倍。这些数据在其他具有类似系统的半干旱小麦生产区报告的数值范围内。

对氮供应和氮吸收之间关系的进一步研究表明，肥料中氮贡献了谷物和秸秆中的一部分氮，而作物剩余的氮吸收来自生长季节残留的土壤氮和土壤有机质矿化的氮。在半干旱气候中，土壤来源的氮，主要是通过氮矿化释放的无机氮贡献了作物吸收的大部分氮。因此可以说明，利用测土施肥是一项简单而有效的方法在满足作物正常氮需求的情况下来减少作物碳排放。

豆禾轮作和碳足迹

豆禾轮作中小麦相对比小麦连作并没有减产，但是其施氮量却减少29%。因此，LentW的氮肥利用率比ContW高80%（干燥年份），97%（正产年份），36%(湿润年份)。由于豆科作物的共生固氮作用，一部分氮残留在作物的根部、根瘤和土壤根沉积中，形成土壤氮库，从而有利于后续作物的氮素吸收。扁豆作物的地下生物量较少，但是氮浓度却较高。因此，利用豆类作物代替休耕是减少碳足迹的关键。

影响碳足迹关键因素的敏感性分析

进行3个敏感性分析1）测试土壤有机碳随时间增加或减少对碳足迹的敏感性。2）确定N₂O的排放系数，从而确定施氮方法。3）测试利用100年时间跨度和20年跨度的GWP计算分析碳足迹的区别。

该研究发现，随着时间推移，土壤有机碳的增加在抵消作物投入导致的碳排放以及最终影响碳足迹方面发挥重要的作用。增加1kg的土壤有机碳可以降低碳足迹0.003U。25年的试验期内，4个种植系统获得的土壤有机碳相当于787 CO₂ eq ha^-1，该敏感性测试表明SOC增加到454 CO₂ eq ha^-1或更多可以降低碳足迹。值得注意是，碳足迹值与产量之间没有明确的关系。这表明小麦生产的碳足迹值是一个复杂因子作用的结果，有机碳是其中之一。

该研究利用两种轮作系统来阐明施氮方法是否会影响碳排放系数和碳足迹值。豆禾轮作在经过测土施肥后，N₂O的排放量为116 CO₂ eq ha^-1。而直接施肥44.1 kg N ha^-1，N₂O排放量为158 CO₂ eq ha^-1。结果表明测土施肥减少碳足迹7%。相对于小麦连作，测土施肥减少13%。禾豆轮作相对于连作减少N₂O排放16%，减少总排放量127%，减少碳足迹150%。以上结果表明，测土施肥比轮作模式更可以降低碳足迹。

敏感性分析表明，GWP和降水量共同作用于碳足迹值。在干燥条件下，不同时间跨度的GWP对N₂O排放和碳足迹无影响。但是在正常或者是降水量较多的年份，两种时间跨度计算的结果明显不同。利用20年跨度的GWP计算碳足迹值相对于100年跨度，净排放量降低8.6%，单位产量的碳足迹值降低8.3%。

结论展望

该研究结果认为这一长期田间试验的结果表明如果种植春小麦是综合改进的耕作方法，那么它可以达到降低净排放量，将碳足迹减小甚至降低为负值的效果。但是作者并不认为在不同于半干旱的北美大草原的环境中种植的小麦作物也可以实现碳净螯合目标。但作者认为，采用先进的农业技术大规模生产作物可以提高作物产量，增强土壤碳螯合，并为人类健康带来巨大的社会环境效益和其他潜在效益。