何巧玲,杨 刚,邹 兰,张荣萍,马 鹏,白银萍,黄 晶
(西南科技大学生命科学与工程学院,四川 绵阳 621010)
【研究意义】温室气体排放引起的气候变化是我国乃至全球面临的重大环境问题。农业是非CO2温室气体的主要排放源，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告指出，全球每年由人类活动造成的温室气体排放中，有50%的CH4以及60%的N2O来自于农业生产活动[1]。因此，迫切需要减少农业温室气体排放。我国是水稻种植大国，而稻田生态系统是CH4的重要排放源，据统计全球大约11%的CH4排放来源于稻田[2]。近几十年来，随着我国对粮食需求量的不断增加，稻田单位面积化肥、农药等农资投入不断增长，在一定程度上提高了水稻产量，但同时也加剧了水稻种植过程的温室气体排放[3-5]。稻田温室气体排放受到了越来越多的关注，特别是为贯彻落实习总书记提出的“努力争取2060年前实现碳中和”节能减排目标[6]，如何实现水稻生产“碳中和”值得深入研究。为科学核算人类活动碳排放对全球气候变化的影响，基于生命周期评价(LCA)思想的碳足迹(Carbon footprint)概念被提出，其定义为某个产品、技术、服务全过程中，直接与间接引起的温室气体排放总和，用CO2当量(CO2-eq)表示[7]。【前人研究进展】目前，碳足迹已被普遍用于量化评估水稻碳足迹，国内外学者对不同地区、不同种植模式、不同农业管理模式下稻作系统碳足迹展开了广泛研究[8-11]，为初步制定水稻温室气体减排方案提供了思路。前人研究表明，采取适当的农业管理措施如保护性耕作[8]、秸秆还田[12]等可降低水稻生产带来的温室气体排放，其中秸秆还田被认为是固碳减排的重要途径[13]。秸秆中含有丰富的C元素，如果将其合理还田，可增加土壤有机碳储量，从而实现土壤固碳[13-14]。Lee等[12]的研究表明秸秆还田可使稻田净温室气体排放降低50%～55%。而逯非等[13]的研究结果表明，秸秆还田引起CH4增排造成的温室效应会大幅抵消土壤固碳的减排效应，从而造成更多温室气体排放。“油菜—水稻”复种是四川盆地重要的种植模式，覆盖和翻埋是该地区油菜秸秆直接还田的两种常见还田方式。【本研究切入点】由于不同秸秆类型、不同生态条件和不同秸秆还田方式下稻田生态系统碳循环过程存在差异，从而可能造成碳足迹的差异[15]。目前关于四川盆地油菜秸秆还田方式对水稻碳足迹影响的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究通过开展田间试验，以秸秆不还田为对照，采用基于LCA土壤碳库法的碳足迹计算方法对四川盆地常见的两种油菜秸秆还田方式(覆盖和翻埋)下水稻碳足迹进行核算，以期为四川盆地油菜秸秆科学还田及水稻低碳清洁生产提供科学依据和理论支持。
1.1 试验区概况
试验田从2015年开始实施油菜秸秆还田试验，试验田位于四川省绵阳市西南科技大学农场(104.7°E，31.5°N；
海拔582 m)。该地区年均降雨量963.2 mm，年平均气温16.3 ℃，年日照数1298.1 h，年无霜期272 d左右，属于亚热带季风气候。前茬作物为油菜，供试水稻品种宜香优2115，土壤肥力均匀。2015年试验前0～20 cm土壤容重1.5 g/cm3，土壤pH 7.1，有机质含量13.3 g/kg，有效氮含量89.2 mg/kg，有效磷含量8.0 mg/kg，有效钾含量63.9 mg/kg。本研究于2020年4—9月进行。
1.2 试验设计
试验设置3个处理，分别为油菜秸秆不还田(CK)、油菜秸秆覆盖还田(S1)、油菜秸秆翻埋还田(S2)，每个处理4次重复，小区面积为12 m2，小区分布为完全随机分布。前茬油菜收获后，将CK与S1处理的秸秆移出，然后用农具对所有处理小区进行翻耕，翻耕深度约15～20 cm，其中S2处理的油菜秸秆被翻埋到土壤；
S1处理则在水稻栽插后的第3天，将先前移出的秸秆粉碎后均匀撒在水稻行间。2020年4月9日旱地育秧，5月29日选取大小均匀的秧苗移栽于试验田，每个小区种8行，每行25株。所有处理均施水稻专用肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=25∶5∶5]，用量按纯氮量150 kg/hm2折算，其中50%作为基肥在水稻移栽前一天施用，其余50%作为分蘖肥在水稻移栽1周后施用。其他田间管理按当地农户常规水平进行。油菜秸秆不同还田方式下的物质投入清单见表1。
表1 油菜秸秆不同还田方式下物质投入
1.3 样品采集与测定
1.3.1 产量测定 水稻收割前一周，统计每个小区平均有效穗数。水稻收获时，选取有效穗数与小区平均有效穗数相近的3个样点，每个样点选取3株水稻进行取样。将取样测产的水稻置于自然通风处风干，室内进行考种，产量按水稻含水率13.5%进行折算。
1.3.2 土壤有机碳含量测定 分别在水稻种植前和收获后用土钻采集0～20 cm土层土样，采集后的土样置于室内风干，捡去样品中的植物残茬、石块等非土壤组成部分。风干后的土壤用木棍研细过0.25 mm细筛，混合均匀装袋备用。然后采用重铬酸钾—比色法测定土壤有机碳含量[16]。
1.4 计算方法
本研究基于LCA的土壤碳库法计算水稻碳足迹[17]，主要包括两方面：一是水稻种植过程中农田温室气体直接排放，计算指标包括CH4、N2O和土壤有机碳储量变化；
二是农资间接温室气体排放，农资包括水稻种子、化肥、农药、农膜以及电力消耗。CH4、N2O排放量和农资间接温室气体排放计算的时间范围为2020年4—9月。由于秸秆还田对土壤有机碳固存的影响是一个长期作用过程，本研究考虑的土壤有机碳储量变化为2015年开始连续定位试验之前到2020年9月水稻收获后年平均土壤有机碳储量变化。
1.4.1 农田直接温室气体排放计算 温室气体强度(GHGI)是衡量作物生产过程中温室气体排放的一个重要指标。本研究以生产1 kg水稻为功能单位，计算水稻生产过程温室气体强度，单位为kg CO2-eq/kg，计算方法[18]如下：
(1)
式中，GWP为水稻种植过程的净温室气体排放，单位为kg CO2-eq/hm2；
Y为水稻产量，单位为kg/hm2。
(2)
式中，ECH4为水稻种植过程中CH4的排放量(kg CO2-eq/hm2)；
EN2O为水稻种植过程中N2O的排放量(kg CO2-eq/hm2)；
44/12为C转化为CO2的系数；
ΔSOC为年平均土壤有机碳储量的变化，单位为kg C/hm2。
水稻种植过程中农田温室气体排放主要包括CH4和N2O，其排放量参照《2006年IPCC温室气体清单指南》[1]进行估算，CH4排放量的计算方法如下：
ECH4=δCH4×D×34
(3)
式中，δCH4表示水稻单位种植面积CH4日排放系数，单位为kg/(hm2·d)；
D表示水稻种天数，单位为d；
34为CH4全球增温潜势值[19]。
δCH4=EFC×SFW×SPP×SFO×SFS,R
(4)
式中，EFC为不添加有机物且持续性灌溉稻田的CH4基准排放因子[1.30 kg CH4/(hm2·d)]；
SFW为种植期不同水分状况的换算系数，灌溉条件下为0.78；
SPP为种植季前不同水分状况的换算系数，种植季前180 d内未淹水系数为0.68；
SFO为有机添加物类型和数量变化的换算系数；
SFS,R为土壤类型(默认值为1)。
SFO=(1+CR×CFOA)0.59
(5)
式中，CR为每公顷投入的秸秆干重(t/hm2)；
CFOA为有机添加物的换算系数，本研究为种植前不久秸秆还田，其换算系数为1.00。
农田N2O排放量(EN2O, kg CO2-eq/hm2)的计算方法如下：
(6)
式中，FSN为水稻种植过程中氮肥施用量(kg N/hm2)，折合为纯氮量计算；
FCR为还田秸秆的含氮量(kg N/hm2)；
EFN2O为因氮素投入造成的N2O排放的排放系数，水稻淹水条件下的排放系数为0.003 kg/kg(N2O-N)；
298为N2O全球增温潜势值[19]；
44/28是N2O与N的分子量之比。
农田土壤有机碳年平均储量变化(ΔSOC, kg C/hm2)计算方法[20]如下：
ΔSOC=(SOC后-SOC前)/n
(7)
式中，SOC后与SOC前为2020年水稻收获后与2015年试验开始前土壤有机碳含量(kg C/hm2);n为试验年限，本研究中的n值为6。
SOC=h×y×C×100
(8)
式中，h为土层深度，取值为20 cm；
y为土壤容重(g/cm3)；
C为土壤有机碳浓度(g/kg)；
100为转换系数。
1.4.2 农资间接温室气体排放计算 以生产1 kg水稻为功能单位，计算投入农资在水稻生产过程中温室气体排放(农资间接温室气体排放)，用Einput表示，单位为kg CO2-eq/kg，计算方法如下：
(9)
式中，Qi表示第i种农资的投入量(kg/hm2)；
εi为第i种农资单位温室气体排放系数(kg CO2-eq/kg)，农资对应的温室气体排放系数见表2；
Y为水稻产量，单位为kg/hm2。
表2 单位农资碳排放系数
1.4.3 水稻碳足迹计算 本研究中碳足迹表示为生产1 kg水稻造成的温室气体排放，包括水稻生产过程中农田温室气体直接排放和农资间接温室气体排放，用CF表示(kg CO2-eq/kg)。
CF=GHGI+Einput
(10)
1.5 数据处理与分析
利用Excel 2016统计和整理水稻生产过程中的清单数据，利用在线LCA软件eFootprint (http://a.efootprint.net/)建模计算分析水稻碳足迹，利用BM SPASS Statistics 22进行数据分析。
2.1 农田直接温室气体排放
油菜秸秆不还田(CK)、油菜秸秆覆盖还田(S1)和油菜秸秆翻埋还田(S2)处理下水稻生育期CH4排放量表现为S1(277.2 kg/hm2)和S2(277.2 kg/hm2)均显著大于CK(82.7 kg/hm2，P<0.05,表3)。不同处理下N2O排放量表现为CK处理低于S1和S2，且CK处理与S1和S2差异显著(P<0.05)。对土壤有机碳储量变化而言，CK(939.9 kg C/hm2)显著低于S1(3132.9 kg C/hm2)和S2(2959.2 kg C/hm2)，这表明秸秆还田能显著提高农田土壤有机碳储量。3种油菜秸秆还田方式下GWP变化范围为-1794.3～-425.9 kg CO2-eq/hm2，且CK>S2>S1，不同处理间GWP差异显著(P<0.05)。由公式(1)计算得到生产1 kg水稻农田直接温室气体排放量，CK、S1、S2处理方式下GHGI的结果分别为-0.06、-0.24、-0.17 kg CO2-eq/kg，其中最大的是CK，最小的是S1(表3)，这表明油菜秸秆还田能够有效减少水稻生产过程中农田温室气体直接排放。
表3 油菜秸秆不同还田方式下农田温室气体排放与土壤有机碳变化
2.2 农资间接温室气体排放
油菜秸秆不还田(CK)、油菜秸秆覆盖还田(S1)和油菜秸秆翻埋还田(S2) 3种处理下农资间接温室气体排放结果如表4所示。3种油菜秸秆还田方式下每种农资间接温室气体排放均是CK>S2>S1，但不同处理间的差异不显著，CK、S1、S2的农资间接温室气体总排放分别为0.193、0.176、0.188 kg CO2-eq/kg。由于3种处理下每个小区的农资投入量是相同的，小区水稻的产量越高，则生产单位重量水稻造成的温室气体间接排放越小。
表4 油菜秸秆不同还田方式下农资间接温室气体排放
从各农资间接温室气体排放差异来看，施用复合肥造成的温室气体排放占农资间接温室气体总排放的73.9%，是农资间接温室气体排放的主要贡献者；
其次是农机使用造成的电力消耗，占到农资间接温室气体总排放的18.7%。化肥和农机间接温室气体排放两者合计占农资间接温室气体总排放的92.6%，可见化肥和农机投入是农资间接温室气体排放的重要来源。
2.3 油菜秸秆不同还田方式下水稻碳足迹
3种还田方式下的水稻碳足迹如图1所示。在不考虑土壤有机碳储量变化的情况下，水稻碳足迹最小的是CK(0.59 kg CO2-eq/kg)，其次是S1(1.23 kg CO2-eq/kg)，最大的是S2(1.33 kg CO2-eq/kg)，且各处理的水稻碳足迹均为正值。将土壤有机碳储量变化纳入碳足迹计算，水稻碳足迹最小的是S1(-0.06 kg CO2-eq/kg)，其次是S2(0.02 kg CO2-eq/kg)，最大的是CK(0.12 kg CO2-eq/kg)，且考虑土壤有机碳储量变化的碳足迹结果均小于不考虑有机碳储量变化的结果。表明油菜秸秆还田因增加了土壤有机碳储量而减少水稻碳足迹，尤其是油菜秸秆覆盖还田。
不同小写字母表示不同油菜秸秆还田方式旧的差异达显著水平(P<0.05)Different small letter indicate significant different among different managements of rapesped straw at 0.05 level图1 油菜秸秆不同还田方式下水稻碳足迹Fig.1 Carbon footprints of rice under different managements of rapeseed straw
分析水稻碳足迹的组成(图2)可知，3种处理下对碳足迹贡献最大的均是水稻种植过程中稻田CH4排放，且油菜秸秆还田方式下CH4对碳足迹的贡献是秸秆不还田的3倍多，这表明CH4是引起水稻温室气体排放的主要贡献因素，且油菜秸秆还田加剧了稻田CH4排放。其次对碳足迹贡献最大的是水稻种植过程中复合肥的投入，它是农资间接排放的主要贡献者。土壤有机碳储量变化能抵消部分水稻生产带来的温室气体排放，且对碳足迹产生了较大的影响，这表明增加农田土壤固碳量能有效降低水稻生产带来的温室效应；
油菜秸秆还田相对于不还田可以把更多的碳固定到土壤中，具有更大缓解温室效应的潜力。
图2 油菜秸秆不同还田方式下水稻碳足迹构成Fig.2 Rice carbon footprints composition under different managements of rapeseed straw
3.1 农资间接温室气体排放
本研究结果表明，农资是水稻碳足迹的重要来源，这与已有研究结果一致[21-24]，在不考虑农资间接温室气体排放的情况下，水稻碳足迹的值均小于0，此时水稻生产表现为碳汇；
当考虑农资间接温室气体排放时，3种处理下水稻碳足迹的值均增大，且CK和S2的水稻碳足迹由负数变为正数。农资中的复合肥是水稻温室气体间接排放的主要贡献者，占总农资温室气体排放的73.9%，这与崔文超等[23-25]研究中化肥是水稻碳足迹的主要来源之一的结论一致。导致这一结果的原因是水稻种植过程中化肥投入量大，且生产化肥需要大量化石能源的投入，从而带来了大量的温室气体排放。其次对水稻生产间接温室气体排放贡献较大的是水稻收割阶段的电力使用，占总间接温室气体排放的18.7%。因此，建议采用优化施肥方式，减少化肥的施用量，提高机械化操作效率，来减少水稻生产过程中农资间接温室气体排放。
3.2 土壤有机碳储存与碳足迹
土壤有机碳含量是评价农田土壤质量的重要指标之一，直接影响土壤肥力进而影响作物产量；
同时，提高土壤有机碳储量，将大气中更多的CO2固定在土壤中，是减少农业温室气体排放的重要途径[26-27]。以往对作物碳足迹的研究大多集中在评价作物生产过程中农资生产和使用带来的间接温室气体排放与农田土壤呼吸排放的CH4和N2O，极少考虑到土壤有机碳储量变化[20,25,28-29]。本研究结果表明土壤有机碳储量变化对水稻碳足迹构成具有重要影响，在考虑土壤有机碳储量变化时，水稻碳足迹显著下降，甚至S1处理的碳足迹由正数变为负数，这与其他学者研究结果一致[17,20]。在本研究中，CK处理的水稻碳足迹为0.12 kg CO2-eq/kg，低于Xue等[17]与Gao等[30]的研究结果。原因可能是本研究相对于其他研究投入的水稻种子、化肥等农资较少；
其次本研究中秸秆还田条件下土壤有机碳储量变化高于其他研究[17,30-31]，这可能是由于秸秆还田量、气候条件、田间管理措施的差异造成。
3.3 油菜秸秆还田方式对水稻碳足迹的影响
本研究中农田CH4和N2O排放数据是根据IPCC指南[7]进行估算得出，由于水稻品种、气候条件、土壤类型以及农田管理措施的不同，可能导致计算得到的数据与实际生产存在一定差异。此外，本研究是基于小区试验，未使用农机进行耕作，因此碳足迹的计算没有考虑农户实际生产中因耕作使用机械的能源消耗。
油菜秸秆还田影响稻田温室气体排放、土壤有机碳储量变化以及水稻产量等从而影响水稻碳足迹。
(1)油菜秸秆还田虽然加剧了稻田CH4和N2O排放，但同时也增加了土壤有机碳储量并提高了水稻产量，总体上，油菜秸秆还田处理的碳足迹低于不还田。因此，与不还田相比油菜秸秆还田方式下水稻产量更高、碳足迹更小。覆盖和翻埋两种油菜秸秆还田方式均能提高土壤有机碳储量变化和水稻产量，综合考虑劳动力成本与可操作性，推荐生产上采用油菜秸秆翻埋还田。
(2)稻田CH4排放是水稻碳足迹的重要贡献因素，减少CH4排放对水稻绿色生产具有重要意义。
(3)农资间接温室气体排放对水稻碳足迹具有重要贡献，特别是化肥的投入。建议采用优化施肥方式，减少化肥施用量，提高机械化作业水平，减少电力、柴油等能源消耗以减少水稻碳足迹。
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