基于生命周期法的中国2004—2015年油菜生产氮足迹分析

陈中督 徐春春 纪 龙 方福平

中国水稻研究所, 浙江杭州 311300

氮(N)是植物和动物蛋白质重要组成部分的基本元素。人为合成活性氮(Nr)对提高农作物产量, 满足人类不断提高的食物需求起巨大作用。但是, 农田中约有一半添加的氮素不能被作物完全利用, 而转化成活性氮(如MH3、N2O、NOx、NH4+)形式释放到环境中, 破坏了自然界氮素系统应有的平衡, 从而威胁空气、土壤和水的质量, 如酸雨、灰霾、水体富营养化、生物多样性威胁、臭氧层破坏, 甚至全球气候变暖等严重影响[1-2]。20世纪, 我国农作物氮肥的施用量和活性氮的排放量都显著增加。然而,农作物生长发育在各个阶段活性氮排放的确切数值还没有适当的量化。对这种分布的量化, 将有助于增强对作物活性氮损失流向的了解, 有助于确定研究和政策的优先事项。

氮足迹最早是在印度新德里举行的第五次国际氮素大会上提出的, 其普遍定义为某种产品或者服务在其生产、运输、储存以及消费过程中直接或间接排放的活性氮的总和[3]。当前, 氮足迹研究才刚刚起步, 其概念及研究方法等都处于探索发展阶段。农业领域的氮足迹评价方法主要包括自上而下的投入产出法和自下而上的生命周期方法。前者多用于宏观尺度, 后者较多用于微观尺度, 具体到某个产品的产出。不同方法的计算结果会有一定的差异,例如, Xue和Landis等[4]基于LCA方法计算的墨西哥谷物生产氮足迹(2.65 g N-eq kg-1), 而Pierer等[5]根据投入-产出法计算奥地利谷物氮足迹为 21.9 g N-eq kg-1。不同研究对农作物生产的氮足迹测算结果存在差异。目前全国尺度作物氮排放的相关研究较少, 针对作物全国尺度生产氮足迹以及排放清单的研究有助于更好地理解中国作物生产对生态环境的影响和如何实现作物绿色健康生产。

油菜是我国食用油和蛋白质饲料的主要来源,油用比例为 100%, 菜籽油是我国传统的食用油, 已占国产油料作物产油量的 57%以上, 在我国食用油市场中具有十分重要的地位。截止到2014年, 我国油菜年均种植面积约为 750万公顷, 总产量约为1477.22万吨, 占油料作物总产量的42%, 种植面积和产量均占世界首位[6-7]。目前, 我国油菜分布较广泛,以长江、黄淮流域为主, 以六盘山和太岳山为界限,大致分为冬油菜和春油菜两大产区。然而, 随着农户对产量需求的不断增加, 其农资投入逐步增加, 尤其是氮肥的施用, 多地出现过量施氮以及偏施氮肥的现象[8], 每年施用到农田中的氮肥有相当大比例被释放到环境中, 形成活性氮(Nr), 造成空气污染、平流层臭氧耗竭和富营养化等一系列环境问题[9]。协调好作物持续高产和生态环境保护之间的矛盾, 一直是备受关注的问题。因此, 研究我国油菜生产氮足迹,并分析各组分氮足迹贡献率, 将填补目前我国经济作物生产氮足迹研究的空白, 对于我国绿色农业的发展有重要意义。本研究利用农业氮足迹理论及生命周期评价法定量核算2004—2015年我国油菜生产氮足迹及其清单组成排放的动态变化为基础, 分析各省级区域油菜生产氮足迹的时空变化特征及趋势,以期为实现我国绿色农业提供理论支撑与科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来自内蒙古、上海、江苏、浙江、安徽、江西、河南、湖北、湖南、重庆、四川、贵州、云南、陕西、甘肃、青海16个省、区、市, 基本覆盖了我国油菜生产的主要区域。油菜生产中各项投入与产出的数据来自《2004—2015年全国农产品成本收益资料汇编》和其他相关统计报表, 主要包括单位面积油菜的产量、柴油使用量、肥料的施用量等。柴油费用 = (机械作业费+排灌费-水费)×21%+燃料动力费[10], 每年柴油单价数据来源于我国油价网数据库(http：//youjia.chemcp.com/)。农药没有历年统计数据, 故采用本实验室2015年的统计数据。

1.2 计算方法

图1 活性氮排放计算边界Fig. 1 System boundary for calculating greenhouse gas (GHG) emissions

氮足迹计算边界为油菜种植期内活性氮损失量,主要包括农资氮足迹(种子、肥料、农膜、农药等生产、运输和施用产生的活性氮排放)和田间直接活性氮损失量, 包括NH3挥发、N2O排放、NO3-和NH4+淋失等(图1)。式中,NF为油菜生产单位面积氮足迹(g N-eq hm-2)；n表示该油菜生产系统从播种到收获整个过程消耗的农业生产资料种类和农事操作(化肥、农药、柴油等),δ表示某种农资的消耗量(kg),mN表示某种农资的活性氮排放参数(表1), 本研究排放参数主要源于梁龙等[12]研究数据。NH3挥发、N2O排放、NO3-和NH4+淋失产生的氮足迹值计算方法参考ISO 14044[11]。

为评价油菜生产中活性氮损失排放对环境的影响, 本研究依据国际标准化组织提供的《环境管理——生命周期评价——要求和指南》生命周期评价要求, 通过CML提供的方法将不同形态的活性氮转化为富营养化潜势以便求和计算[11]： NF=作物生产的单位产量氮足迹(NFy)的计算： NFy=NF/Y, 式中,Y指油菜产量。

1.3 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2011和SPSS 17.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, US) 软件进行数据处理和统计分析, 采用Microsoft Excel 2011和SigmaPlot 12制作图表。采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 我国油菜生产氮足迹组成及总体变化趋势

油菜生产活性氮排放平均为7572.0 g N-eq hm-2,主要包括农资投入活性氮排放和田间直接氮损失,分别占25%和75%左右。从表2中可以看出, 农资投入活性氮排放中, 以肥料投入所占比例最高, 为单位面积氮足迹的91%～95%, 化肥投入所产生的氮足迹呈现逐年下降的趋势, 年均降低幅度为0.9%。其中不同形式肥料形式表现为氮肥(82.4%)＞复合肥(13.8%)＞磷肥(3.3%)＞钾肥(0.5%)。氮肥、磷肥、钾肥呈逐年下降趋势, 分别为2.1%、3.2%和4.3%, 而复混肥呈现逐年上升的趋势, 增加的氮足迹被氮肥、磷肥、钾肥连年下降的氮足迹所抵消。农药施用对油菜生产氮足迹占比约为 3%左右, 其中贡献率表现为杀菌剂＞除草剂≈杀虫剂。耕作及收获等农事操作所产生的柴油氮足迹随着年份的增加呈现逐年增加的趋势, 增加幅度为 20.5%, 占到农资活性氮排放的 1%～6%。田间直接氮损失主要包括 NH3挥发、N2O排放、NO3-和NH4+淋失。NH3的挥发是油菜氮足迹主要来源, 所占比例约为 54%。其次为NH4+的淋失, 所占氮足迹比例约为 14%。NO3-淋失和N2O排放所带来的活性氮损失量最低, 贡献度约为4%。从图2可以看出, 2004—2015年我国油菜单位面积氮足迹呈逐年下降趋势, 年均下降幅度为1% (R2=0.7068,P＜0.01)。油菜单位产量氮足迹呈呈现出波动趋势, 在 2007年和2013年分别达到最低值, 分别为3.57 g N-eq kg-1和3.37 g N-eq kg-1。

表1 农业投入资料的活性氮排放系数Table 1 Index of active nitrogen emission of different material for agricultural production

表2 2004-2015年我国油菜生产单位面积氮足迹大小及组成Table 2 Composition of nitrogen footprint of oilseed rape production of China from 2004 to 2015

图2 2004-2015年我国油菜生产单位面积氮足迹(a)、单位产量氮足迹(b)变化情况Fig. 2 Nitrogen footprint per unit area (a) and nitrogen footprint per unit yield (b) in oilseed rape production of China from 2004 to 2015

2.2 全国各省油菜生产氮足迹分析

我国2004—2015年间油菜生产氮足迹存在显著的地域差异(图3)。单位面积氮足迹表现为内蒙古、上海、江苏三省区最高, 分别为 10,686.4、10,962.5和11,679.5 g N-eq hm-2。最低的省份为青海、甘肃、安徽、湖北、湖南、四川等, 年均值介于5321～5453 g N-eq hm-2之间, 与最高值相比, 差值将近一半。2004—2015年间, 中国 16个油菜种植省份中有 12个单位面积氮足迹变化率表现为负值, 即表明中国大部分油菜种植省份单位面积氮足迹表现为下降趋势, 其中内蒙古油菜氮足迹年均下降幅度最大。各省份单位产量氮足迹分布与单位面积氮足迹类似,内蒙古依旧最高, 为12.7 g N-eq kg-1, 最低值出现在青海和甘肃, 分别为2.59和2.76 g N-eq kg-1。过去 12年中, 单位产量氮足迹的变化率为-0.006～0.008 g N-eq kg-1yr-1, 除四川、贵州、云南和陕西4个省份外, 单位产量氮足迹均呈现出下降趋势, 其中内蒙古下降幅度最大, 为-0.307 g N-eq kg-1yr-1。

2.3 我国冬油菜典型生产省份氮足迹、投入及构成分析

以上海、江苏、浙江为冬油菜高产区, 安徽、江西、湖南为冬油菜低产区, 对比分析我国冬油菜氮足迹、投入及构成。从表 3可以看出, 我国冬油菜高产省份平均单产为2328.0 kg hm-2, 较低产省份提高了36.2%。与低产省相比, 高产省单位面积氮足迹和单位产量氮足迹分别提高了 76.8%、31.3%(P＜0.05)。高产省份单位面积农资投入中, 氮肥、磷肥、复合肥产生的氮足迹值均高于低产省份, 分别提高了 80.6%、76.9%和 57.8%, 差异达显著水平(P＜0.05), 但是钾肥显著低于低产省份, 降低幅度为68.0%, 其他农资投入如柴油等差异不显著。油菜田间活性氮直接损失不同省份间差异显著, 高产省份比低产省份提高了 78.1%, 差异达显著水平(P＜0.05)。

图3 我国各省份2004-2015年油菜生产单位面积氮足迹、单位产量氮足迹及其变化率分布Fig. 3 Distribution of nitrogen footprint per unit area, nitrogen footprint per unit yield and their trends of oilseed rape production during 2004-2015 in each province of China

表3 我国典型省份冬油菜氮足迹、投入及产业构成Table 3 Nitrogen footprint, input and composition of industry in typical provinces of China

(续表 3)

2.4 我国油菜产量和氮足迹的相关性

我国油菜产量与单位面积氮足迹之间存在显著的相关性, 随着油菜产量的增加其单位面积氮足迹也呈现出增加的趋势, 其中油菜每公顷产量增加 1 kg, 其单位面积氮足迹增加3.87 g N-eq hm-2(R2=0.26；P= 0.0003)。在单位面积油菜产量增加的条件下, 单位产量氮足迹呈现出下降的趋势, 即每公顷油菜的产量增加 1 t, 其单位产量氮足迹降低 1.2 g N-eq kg-1(R2= 0.17；P＜ 0.0001)。从本研究发现, 油菜生产单位面积氮足迹、单位产量氮足迹与油菜产量之间不存在显著的相关性(图4), 表明油菜生产氮足迹受多种因素的影响。

图4 中国油菜产量与单位面积氮足迹(a)和单位产量氮足迹(b)的关系Fig. 4 Relationship between the yield of rapeseed and nitrogen footprint per unit area (a) or nitrogen footprint per unit yield (b) in China

3 讨论

3.1 我国油菜生产氮足迹大小及构成

油菜作为作物多样化的主要作物, 可以充分利用土地资源, 改善农田小气候, 降低次年病虫害的发生, 比传统的单一栽培耕作制度具有巨大的环境优势[13]。然而目前对于油菜作物生产本身所带来的环境影响评估较少。本研究表明, 2004—2015年我国油菜生产单位面积氮足迹年均 7572.0 g N-eq hm-2,呈逐年下降趋势, 年均下降 1% (R2= 0.7068,P＜0.01), 该值远高于欧美国家等油菜生产氮足迹。当前, 我国油菜生产农资投入水平普遍高于发达国家。本研究发现, 我国油菜生产农资投入氮足迹中肥料所占比例较高, 占 90%以上。合成氮肥的施用率约为发达国家的两到三倍。邹娟等[14]指出油菜氮肥农学效率为6.2 kg kg-1N, 利用率较低。现阶段,油菜生产通过调整施肥量、改变施肥时期和施肥方法, 选用适当的肥料品种能够在实现作物增产的同时适当降低氮肥投入氮排放。其次, 中国严重依赖煤炭获取各种能源和材料的生产, 由于煤的能源效率较低, 农资投入的活性氮排放系数显著高于发达国家, 从而导致更高的活性氮排放[15-16]。此外, NH3的挥发是主要的氮足迹来源, NH3的挥发量随着氮肥施用量的增加呈线性增加趋势[17]。有研究表明,免耕提高了土壤酶活性, 促进了氮肥水解, 此外,免耕有利于土壤有机质在表层富集, 降低肥料与土壤颗粒接触的机率, 从而降低土壤颗粒对肥料的固定, 促进 NH3挥发[18]。因此油菜种植过程氮足迹主要考虑田间种植环节的活性氮排放, 应因地制宜发展适合的田间管理措施, 减少氮素以NH3和NO3-的形式流失, 进而减少田间种植环节产生的活性氮排放。2006—2013年期间, 我国油菜生产单位产量氮足迹出现明显的波动, 原因可能在于我国油菜产量的阶段性变化。2005年以来, 中央持续减轻农民税赋及增加农民种油菜补贴政策面, 对激发油农种植积极性产生较大影响, 从而提高了我国油菜种植面积和产量[19]。2007年我国油菜产量达到最高值, 较2005年提高了14.4%, 从而降低了单位产量氮足迹。2008年以后, 我国加大了大豆、棕榈油等油料大量进口, 致使菜籽价格持续走低, 再加上小麦种植补贴、良种补贴和综合补贴, 使农民种植油菜的积极性受到很大的影响, 降低了油菜单位产量, 从而提高了油菜单位产量氮足迹[20]。

3.2 我国省级区域间油菜生产氮足迹差异

我国油菜生产氮足迹存在明显的地域特征, 春油菜以内蒙古北方地区单位面积氮足迹最高, 而冬油菜以东部沿海地区单位面积氮足迹较高。主要由于各地区油菜种植品种不同, 地处不同环境, 气候条件存在较明显差异, 农作措施也存在显著差异,从而使得农资投入水平及油菜田之间活性氮排放存在差别。东北沿海地区, 农户收入水平较高, 耕整地机械化水平较高, 从而提高了柴油等农资投入的增加。再者, 受到经济、技术、交通等因素的制约, 各地区肥料施用量存在较大差异, 各结构组分的比例也不同。东部沿海地区油菜种植肥料投入水平较高,而中部地区投入水平较低, 较难满足农业生产水平的需求。2004—2015年, 春油菜生长区, 如内蒙古、甘肃等省区单位氮足迹下降较快, 活性氮排放压力减少, 主要原因是随着我国工业化进程的加快, 降低了肥料的使用量, 肥料利用率显著提高, 从而大幅度减少了活性氮排放量。

3.3 我国油菜生产减氮策略

油菜是需氮量大的作物, 氮素对油菜的生长发育尤为重要。本研究表明, 我国油菜生产的减氮策略应优先考虑减少肥料以及农田NH3的挥发。现阶段, 在油菜施肥方面, 避免盲目施肥, 应多采用科学有效的实施方案, 对油菜生长过程中氮素养分状况进行诊断并据此指导施肥管理, 提高氮肥利用效率的目标。目前, 主要通过叶绿素仪分析数字图像以及光谱氮素诊断等现代无损诊断技术对作物生长过程中的氮素营养进行诊断[21]。张筱蕾等[22]利用高光谱成像技术获取油菜生育期叶片高光谱图像数据,通过模型比较分析同一叶片或不同叶片氮素水平的差异性快速确定油菜营养状况, 优化施肥管理措施。其次, 综合考虑不同轮作、秸秆还田条件下土壤氮素供应特点及后效, 统筹氮肥的施用； 配合合理密植、水肥管理、同其他元素肥料配施、机械深施等措施, 以协同增效的方式实现油菜的高产和氮肥的高效[23]。

3.4 研究局限性

本研究是基于统计年鉴中农作物面积、产量、化肥投入和其他农业投入计算和分析, 而不同的数据库之间数据质量存在一定偏差, 影响最后结果的准确度。例如《2004—2015年全国农产品成本收益资料汇编》中没有柴油使用量的基础数据, 本研究只能借鉴崔晓晨等[18]建立的农作物作业效益与作业量和成本之间的函数关系计算得出, 每年柴油单价数据来源于我国油价网数据库(http：//youjia.chemcp.com/)。其次, 不确定性还来源于活性氮排放因子的选取, IPCC (2006)对全球数据整合分析得出氧化亚氮的直接排放因子, 但是, 区域间气候、作物、土壤类型等因素的差别会导致排放因子的差异, 因此,采用单一的排放因子会给研究带来一定的不确定性。另外, 本研究采用生命周期评价法, 系统边界存在一定的争议, 例如计算氮足迹时是否考虑人工投入、机械磨损等。这些争议需要国内外学者进一步讨论和完善, 为农作物氮足迹的研究制定一套统一的评价体系。

4 结论

我国油菜生产单位面积氮足迹随年限增加表现下降趋势, 年均降低幅度为1%。2004—2015年, 油菜生产平均氮足迹以内蒙古、上海、江苏 3个省、区、市较高。我国油菜生产活性氮排放主要来自氮肥投入和 NH3排放, 分别占油菜生产氮足迹的 20%和 54%。我国冬油菜高产省单位面积氮足迹和单位产量氮足迹显著高于低产省, 其中氮肥、磷肥、复合肥产生的氮足迹值比低产省份分别高 80.6%、76.9%和57.8% (P＜0.05)。我国油菜单位面积氮足迹随着油菜产量的增加呈增加趋势, 但相关性不显著。提高油菜生产氮肥利用效率和机械化作业效率是降低我国油菜生产氮足迹和提高单位产量的关键途径。