江蘇稻田輪作模式碳、氮足跡分析

季國軍,紀洪亭,程琨,劉滿強,江瑜,胡正錕,張岳芳,胡乃娟,唐若迪,胡鋒*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095;2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所,江蘇 南京 210014;3.江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210046;4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,江蘇 南京 210095;5.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014)

水稻是江蘇主要糧食作物,2020年江蘇水稻播種面積為220.2萬hm2,水稻總產(chǎn)量為1 965萬t,其播種面積和總產(chǎn)量分別占江蘇糧食作物播種面積和總產(chǎn)值的40.75%和52.71%[1]。稻田是溫室氣體和活性氮排放的主要排放源。當前,在全球氣候變暖、人口增長及新冠疫情等背景下,實現(xiàn)糧食持續(xù)增產(chǎn),保障糧食安全仍然是我國作物生產(chǎn)的主要任務(wù)。在常規(guī)耕種技術(shù)和農(nóng)機裝備條件下,確保耕種面積,保障化肥和農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學(xué)品集約化投入,依舊是維持作物連年豐產(chǎn)的主要措施,這可能進一步增加作物生產(chǎn)碳排放和氮排放[2]。

“足跡”分析方法是量化生產(chǎn)過程或活動對環(huán)境影響的重要方法[3]。碳足跡是在生態(tài)足跡的概念基礎(chǔ)上提出的,其定義為某種活動或者某種產(chǎn)品生命周期過程中溫室氣體排放量的指標[4]。氮足跡與碳足跡類似,氮足跡是某種活動引起的或某種產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生并積累的直接或間接活性氮排放總量[5]。碳、氮足跡評價方法能夠更準確定位作物生命周期各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中溫室氣體排放最大環(huán)節(jié),有利于制定更有針對性的減排措施[6]。

稻麥、稻油、稻綠肥輪作模式是江蘇稻田主要輪作模式。目前有關(guān)稻田輪作模式溫室氣體和活性氮排放的研究已有大量報道[7-9],而關(guān)于不同稻田輪作模式碳、氮足跡的研究較少。陳中督等[10-11]研究了長江中下游地區(qū)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)碳、氮足跡動態(tài)及其構(gòu)成。胡乃娟等[12]分析了稻麥輪作系統(tǒng)下不同麥秸還田方式的農(nóng)田碳足跡。何巧玲等[13]研究了稻油輪作系統(tǒng)下不同油菜秸稈還田方式對水稻碳足跡的影響。以上研究僅針對單一稻田輪作模式。Zhao等[14]研究比較了水稻-小麥、水稻-蠶豆和水稻-紫云英3種輪作模式對活性氮排放的影響。Xia等[15]分析比較了水稻-小麥、水稻-蠶豆、水稻-休閑3種輪作模式對稻田溫室氣體排放的影響。Cai等[16]基于田間試驗分析比較了水稻-小麥、水稻-油菜、水稻-蠶豆、水稻-紫云英4種輪作模式溫室氣體和活性氮排放及碳足跡,結(jié)果表明與水稻-小麥和水稻-油菜輪作模式相比,水稻-蠶豆和水稻-紫云英減少活性氮排放,碳足跡降低37%～50%,該研究是在田間試驗尺度上對不同稻田輪作模式碳足跡進行了比較研究,然而在省級區(qū)域尺度上針對稻麥、稻油及稻綠肥輪作模式碳、氮足跡的比較研究鮮有報道。

本研究基于江蘇新型經(jīng)營主體調(diào)研數(shù)據(jù),采用生命周期評價法,定量分析江蘇3種不同輪作模式(稻麥、稻油及稻綠肥輪作模式)的碳、氮足跡及構(gòu)成,以期為江蘇稻田輪作模式溫室氣體和活性氮減排提供理論和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

于2021年調(diào)研了江蘇13市(南京、蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江、泰州、揚州、南通、徐州、淮安、鹽城、連云港、宿遷)水稻生產(chǎn)主體稻麥、稻油和稻綠肥輪作生產(chǎn)數(shù)據(jù),調(diào)研數(shù)據(jù)包括輪作模式中不同作物的播種面積、籽粒產(chǎn)量、農(nóng)資(種子、農(nóng)膜、氮肥、磷肥、鉀肥)、灌溉用電量、機械柴油消耗量。機械柴油消耗量公式:機械柴油消耗量=(機械作業(yè)費×0.3)/柴油單價。每年柴油單價數(shù)據(jù)來源于金投網(wǎng)油價數(shù)據(jù)庫(https://energy.cngold.org/)。

1.2 碳足跡計算

碳足跡研究邊界設(shè)為作物從播種到收獲全過程中各項投入產(chǎn)生的溫室氣體排放,主要來自3個方面:1)種子、農(nóng)膜、肥料投入產(chǎn)生的間接溫室氣體排放;2)灌溉、機械作業(yè)產(chǎn)生的間接溫室氣體排放;3)作物種植過程中土壤氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)排放。參考Li等[4]的方法計算水稻、小麥、油菜、綠肥生產(chǎn)碳足跡,其計算公式如下:

(1)

式中:CF為水稻、小麥、油菜、綠肥生產(chǎn)單位面積碳足跡(kg·hm-2);θi表示第i種農(nóng)資投入量(kg·hm-2);Ci表示第i種農(nóng)資的溫室氣體排放系數(shù),排放系數(shù)參考Li等[4]的研究;QN為純氮投入量(kg·hm-2);CN-indirect、CN-direct、CCH4分別為間接N2O、直接N2O及CH4排放系數(shù);GWPN2O和GWPCH4為N2O和CH4全球增溫潛勢值,根據(jù)IPCC第五次評估報告,在考慮氣候-碳反饋時,甲烷和氧化亞氮的全球增溫潛勢值分別為34和298[4]。

采用Sun等[17]的方法計算江蘇省13個地級市稻麥輪作稻季甲烷排放系數(shù)。首先建立了江蘇水稻播種面積、土壤性狀(pH和土壤容重)、水分管理和土壤有機物料添加的空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)集,將開發(fā)的區(qū)域特定模型投影到農(nóng)業(yè)區(qū)域的網(wǎng)格圖上,將空間數(shù)據(jù)輸入模型,模擬單位面積的每日CH4排放量。根據(jù)每日通量和水稻生長期時間計算單位面積的季節(jié)性CH4排放量[17]。利用文獻[7-8]的數(shù)據(jù),以稻麥輪作稻季甲烷排放量為對照,采用稻油輪作和稻綠肥輪作稻季甲烷排放量與稻麥輪作稻季排放量的比值對稻油和稻綠肥輪作稻季甲烷排放系數(shù)進行修正,即稻油輪作稻季CH4排放系數(shù)=稻麥輪作稻季CH4排放系數(shù)×0.81,稻綠肥輪作稻季CH4排放系數(shù)=稻麥輪作稻季CH4排放系數(shù)×0.60,不同稻田輪作模式稻季CH4排放系數(shù)見表1。

表1 不同水稻輪作模式稻季CH4排放系數(shù)Table 1 CH4 emission factors of rice growing season under different rice rotation patterns

1.3 氮足跡計算

氮足跡研究邊界設(shè)為作物從播種到收獲全過程中各項投入產(chǎn)生的活性氮排放,主要來自3個方面:1)種子、農(nóng)膜、肥料投入產(chǎn)生的間接活性氮排放;2)灌溉、機械作業(yè)產(chǎn)生的間接活性氮排放;3)作物種植過程中田間直接活性氮排放,主要包括氨揮發(fā)、N2O排放、氮素淋失、氮素徑流等。水稻、小麥、油菜、綠肥的氮足跡的計算公式如下:

(2)

式中:NF為氮足跡(kg·hm-2);θi表示第i種農(nóng)資投入量(kg·hm-2);Ni表示第i種農(nóng)資投入的活性氮排放系數(shù);θN為純氮投入量;Nj為第j種田間直接活性氮排放系數(shù)。農(nóng)資和直接活性氮排放系數(shù)參考Li等[4]、陳中督等[10]和Xia等[18]的研究方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)整理,采用Origin 2016和Microsoft Excel 2016軟件繪圖,采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田輪作模式碳足跡及其構(gòu)成分析

2.1.1 稻田輪作模式單位面積碳足跡和單位產(chǎn)量碳足跡分析由表2可知:不同稻田輪作模式中水稻單位面積碳足跡表現(xiàn)從高到低依次為稻麥輪作、稻油輪作、稻綠肥輪作,不同作物單位面積碳足跡表現(xiàn)從高到低依次為小麥、油菜、綠肥,且不同處理間差異顯著。稻麥輪作、稻油輪作和稻綠肥輪作單位面積碳足跡分別為18.22、13.20和10.20 t·hm-2。與稻麥輪作相比,稻油和稻綠肥輪作單位面積碳足跡分別顯著降低27.5%和42.7%。稻麥輪作、稻油輪作和稻綠肥輪作單位產(chǎn)量碳足跡分別為1.18、1.16和1.14 kg·kg-1,處理間差異不顯著;油菜單位產(chǎn)量碳足跡顯著高于小麥;不同輪作模式單位產(chǎn)量碳足跡差異不顯著。

表2 不同稻田輪作模式單位面積碳足跡和單位產(chǎn)量碳足跡Table 2 The carbon footprint per unit area and carbon footprint per unit yield of different paddy field rotation patterns

圖1 不同地區(qū)稻田輪作模式單位面積碳足跡Fig.1 The carbon footprint per unit area of the paddy field rotation patterns in different regionsA. 稻麥輪作Rice-wheat rotation;B. 稻油輪作Rice-rape rotation;C. 稻綠肥輪作Rice-green manure rotation. 圖2、4、5同此。The same as in Fig.2,Fig.4 and Fig.5.

對于稻麥輪作,稻麥單位面積碳足跡表現(xiàn)從高到低依次為蘇北地區(qū)、蘇中地區(qū)、蘇南地區(qū),蘇北地區(qū)和蘇中地區(qū)單位面積碳足跡差異不顯著;水稻和小麥單位面積碳足跡均表現(xiàn)為蘇北和蘇中地區(qū)高于蘇南地區(qū)(圖1-A)。對于稻油輪作和稻綠肥,稻油輪作單位面積碳足跡在不同地區(qū)間差異不顯著(圖1-B、C)。此外,不同輪作模式單位產(chǎn)量碳足跡在不同地區(qū)間差異均不顯著(圖2)。

圖2 不同地區(qū)稻田輪作模式單位產(chǎn)量碳足跡Fig.2 The carbon footprint per unit yield of the paddy field rotationpatterns in different regions

2.1.2 稻田輪作模式碳足跡構(gòu)成分析不同稻田輪作模式碳足跡占比基本一致。不同稻田輪作模式中CH4排放占比46.6%～50.7%,N2O排放占比3.8%～8.3%。農(nóng)資投入和農(nóng)事操作產(chǎn)生的間接碳足跡占比45.1%～47.1%,其中氮肥投入導(dǎo)致碳足跡占比較大,為23.9%～25.2%,其次是機械柴油和灌溉用電導(dǎo)致的碳足跡,占比分別為7.4%～9.2%和3.6%～5.4%。水稻生產(chǎn)碳足跡構(gòu)成與周年生產(chǎn)碳足跡構(gòu)成一致。小麥、油菜、綠肥生產(chǎn)碳足跡主要來源為氮肥投入、機械柴油和N2O排放碳足跡(圖3)。

圖3 不同稻田輪作模式碳足跡構(gòu)成占比Fig.3 The percentage of carbon footprint components of different paddy field rotation patterns

2.2 稻田輪作模式氮足跡及其構(gòu)成分析

2.2.1 稻田輪作模式單位面積氮足跡和單位產(chǎn)量氮足跡分析水稻季單位面積氮足跡表現(xiàn)為稻麥輪作顯著高于稻油輪作和稻綠肥輪作。小麥、油菜、綠肥單位面積氮足跡分別為64.42、39.14和13.00 kg·hm-2。稻麥輪作、稻油輪作、稻綠肥輪作單位面積氮足跡分別為139.54、101.65、73.19 kg·hm-2。與稻麥輪作模式相比,稻油和稻綠肥輪作模式單位面積氮足跡分別降低27.2%和47.6%。對單位產(chǎn)量氮足跡而言,稻麥輪作水稻季單位產(chǎn)量氮足跡顯著高于稻油輪作和稻綠肥輪作,油菜單位產(chǎn)量氮足跡顯著高于小麥單位產(chǎn)量氮足跡。稻麥輪作、稻油輪作和稻綠肥輪作單位產(chǎn)量氮足跡分別為9.02、8.90、8.16 g·kg-1,不同處理間差異不顯著(表3)。

表3 不同稻田輪作模式單位面積氮足跡Table 3 The nitrogen footprint per unit area of different paddy field rotation patterns

稻麥輪作單位面積氮足跡表現(xiàn)從高到低依次為蘇北地區(qū)、蘇中地區(qū)、蘇南地區(qū),不同地區(qū)差異顯著,水稻和小麥單位面積氮足跡均表現(xiàn)為蘇中地區(qū)和蘇北地區(qū)顯著高于蘇南地區(qū)(圖4-A)。對于稻油輪作而言,稻油輪作模式單位面積氮足跡表現(xiàn)從高到低依次為蘇北地區(qū)、蘇中地區(qū)、蘇南地區(qū),不同地區(qū)差異顯著,水稻單位面積氮足跡表現(xiàn)從高到低依次蘇南地區(qū)和蘇中地區(qū)、蘇北地區(qū),油菜單位面積氮足跡在不同地區(qū)差異不顯著(圖4-B)。對于稻綠肥模式而言,水稻、綠肥和稻綠肥輪作單位面積氮足跡在不同地區(qū)差異不顯著(圖4-C)。

圖4 不同地區(qū)稻田輪作模式單位面積氮足跡Fig.4 The nitrogen footprint per unit area of the paddy field rotation patterns in different regions

稻麥輪作模式單位產(chǎn)量氮足跡表現(xiàn)從高到低依次為蘇北地區(qū)、蘇中地區(qū)、蘇南地區(qū),不同地區(qū)差異顯著,水稻單位產(chǎn)量氮足跡表現(xiàn)為蘇北地區(qū)和蘇中地區(qū)顯著高于蘇南地區(qū),小麥單位產(chǎn)量氮足跡在不同地區(qū)差異不顯著(圖5-A)。稻油輪作和稻綠肥輪作單位產(chǎn)量氮足跡在不同地區(qū)差異均不顯著(圖5-B、C)。

圖5 不同地區(qū)不同稻田輪作模式單位產(chǎn)量氮足跡Fig.5 The nitrogen footprint per unit yield of the paddy field rotation patterns in different regions

2.2.2 稻田輪作模式氮足跡構(gòu)成分析不同稻田輪作模式氮足跡構(gòu)成中氮肥施用導(dǎo)致直接氮足跡占比為84.8%～87.1%,其中氨揮發(fā)占比最大,為52.2%～59.0%,其次是氮素徑流(14.6%～20.2%)、氮素淋失(8.7%～10.8%)。農(nóng)資投入中氮肥投入導(dǎo)致間接氮足跡占比最大,為7.8%～7.9%,種子、農(nóng)膜、磷肥、鉀肥、灌溉用電及機械柴油投入導(dǎo)致氮足跡共計占總氮足跡的5.0%～7.4%。從不同作物氮足跡占比來看,水稻生產(chǎn)中氨揮發(fā)占比為63.3%～65.4%,氮素徑流占比為11.1%～11.5%,氮肥投入占比為7.8%～8.0%,小麥、油菜、綠肥生產(chǎn)中氨揮發(fā)占比較水稻低,為38.1%～39.9%,而氮素徑流占比較水稻高,為30.2%～31.6%(圖6)。

圖6 不同稻田輪作模式氮足跡構(gòu)成占比Fig.6 The percentage of nitrogen footprint components of different paddy field rotation patterns

2.3 稻田輪作模式碳、氮足跡相關(guān)性分析

由圖7可知:稻麥輪作、稻油輪作和稻綠肥輪作模式單位面積碳足跡和單位面積氮足跡均呈極顯著正相關(guān)性。這表明作物生產(chǎn)碳足跡增加會導(dǎo)致氮足跡增加,反之作物生產(chǎn)碳足跡降低也會伴隨氮足跡降低。稻油輪作和稻綠肥輪作碳足跡和氮足跡點相對分散,兩者表現(xiàn)出一定的權(quán)衡關(guān)系。

圖7 不同稻田輪作模式碳足跡與氮足跡的關(guān)系Fig.7 Correlations between carbon footprint and nitrogen footprint under different paddy field rotation patterns

3 討論

3.1 輪作模式對稻田碳足跡的影響

以往關(guān)于稻田輪作模式碳足跡的研究主要針對稻麥輪作模式,有關(guān)稻麥輪作、稻油輪作和稻綠肥輪作模式碳、氮足跡的比較研究鮮有報道。陳中督等[10-11]通過分析長江中下游地區(qū)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)碳足跡得出,長江中游地區(qū)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)單位面積碳足跡為7.73 t·hm-2,長江下游地區(qū)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)單位產(chǎn)量碳足跡為0.5 t·hm-2。本研究表明,稻麥輪作模式單位面積碳足跡為18.22 t·hm-2,單位產(chǎn)量碳足跡為1.18 kg·kg-1。本研究結(jié)果與陳中督等[10-11]測算的碳足跡有一定差異。造成差異的原因可能是排放系數(shù)選取及數(shù)據(jù)來源差異等導(dǎo)致的。陳中督等[10-11]研究中農(nóng)資投入排放系數(shù)主要源于中國生命周期數(shù)據(jù)庫(CLCD)和Ecoinvent 2.2數(shù)據(jù)庫,其氮肥(N)、磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)的排放系數(shù)分別為1.53、1.63和0.65 kg·kg-1,而本研究中氮、磷、鉀肥排放系數(shù)選取基于我國目前情況的各種氮、磷、鉀肥制造過程中的溫室氣體排放系數(shù)[19],其氮、磷、鉀肥排放系數(shù)分別為7.76、2.33、0.66 kg·kg-1。此外,陳中督等[10-11]研究中CH4和N2O的排放系數(shù)來源于IPCC國家溫室氣體清單指南。本研究中,CH4和N2O的排放系數(shù)參考Li等[4]和Sun等[17]的研究中江蘇稻田CH4和N2O的排放系數(shù),能更好地反映江蘇稻田CH4和N2O排放情況。本研究表明,稻油輪作和稻綠肥輪作單位面積碳足跡分別為13.20和10.20 t·hm-2,分別較稻麥輪作模式降低27.5%和42.7%,本研究結(jié)果與Cai等[16]基于田間試驗的結(jié)果基本一致。因此,在不考慮糧食安全的情況下,稻油輪作和稻綠肥輪作模式是較為低碳的稻作方式。對于單位產(chǎn)量碳足跡而言,不同稻田輪作模式碳足跡差異不顯著,考慮水稻糧食安全,選擇稻麥輪作較為適宜。

從碳足跡構(gòu)成來看,甲烷是稻田碳足跡的主要構(gòu)成成分,其占比為50.9%～63.3%,稻田甲烷是水稻生產(chǎn)過程中關(guān)鍵的溫室氣體排放環(huán)節(jié)[6,11]。前人研究表明,不同輪作模式對稻季甲烷排放有顯著影響[8]。胡安永等[7]研究表明,不同輪作模式對水稻季甲烷排放的影響大小依次為小麥-水稻輪作、紫云英-水稻輪作、休閑-水稻輪作。岳騫等[8]研究得出,不同稻田輪作模式對稻季CH4排放的影響從大到小依次為稻麥輪作、稻油輪作、稻綠肥輪作。本研究表明,不同輪作模式CH4排放從大到小依次為稻麥輪作、稻油輪作、稻綠肥輪作。稻綠肥輪作CH4排放量較低的原因可能是綠肥還田促進了水稻植株根系發(fā)育及通氣組織,促進CH4被氧化,此外綠肥提高稻田土壤肥力,水稻的植株和根系生長旺盛,激發(fā)了氧化菌的快速增長,將CH4氧化為CO2,從而降低CH4排放量[8]。施用氮肥直接或間接影響稻田甲烷的產(chǎn)生、氧化等過程。全球范圍的META分析研究結(jié)果表明,跟不施氮相比,適量施氮(平均79 kg·hm-2)增加甲烷排放,在100～200 kg·hm-2施氮量范圍內(nèi),施氮對甲烷排放的影響不顯著,進一步提高施氮量(平均249 kg·hm-2)則會導(dǎo)致甲烷排放下降[20]。然而,根據(jù)本研究調(diào)研數(shù)據(jù),江蘇稻田平均施氮量為300 kg·hm-2,較高的施氮量促進稻田CH4排放[21-22]。此外,氮肥投入導(dǎo)致的碳足跡占水稻生產(chǎn)總碳足跡的17.7%～23.8%,高的氮肥投入增加了稻田間接碳足跡。因此,減少氮肥施用量可以降低稻田CH4排放和間接碳足跡。在氮肥運籌上,氮肥減量、施用緩/控釋肥或施用緩/控釋肥與尿素配施等技術(shù)可有效降低稻田CH4排放,進而降低碳足跡[23-24]。此外,優(yōu)化水分管理可降低稻季CH4排放。相比長期淹水灌溉,間歇灌溉、濕潤灌溉等節(jié)水灌溉方式的稻田CH4排放量下降了32.9%～88.7%[25]。中期烤田使稻田土壤通氣狀況變好,O2含量升高,抑制了土壤中CH4的產(chǎn)生,促進了CH4的氧化[26]。前人有關(guān)稻田甲烷減排單項技術(shù)已有大量研究[27-28],單從某一技術(shù)進行改進對碳排放的減排潛力不大[29]。以往研究減排技術(shù)往往關(guān)注水稻生產(chǎn)某一環(huán)節(jié),缺乏從水稻產(chǎn)業(yè)鏈的角度系統(tǒng)提出稻田綜合碳減排方案。因此,從水稻產(chǎn)業(yè)鏈角度,集成應(yīng)用新型農(nóng)業(yè)投入品及其高效施用技術(shù)、高產(chǎn)低碳水稻品種、低碳減排技術(shù)、低碳農(nóng)機等,才能獲得較大的碳減排潛力[29]。

3.2 輪作模式對稻田氮足跡的影響

陳中督等[11]研究表明,長江中游地區(qū)水稻、小麥單位面積氮足跡分別為102.6和80.9 kg·hm-2。本研究結(jié)果低于陳中督等[11]的研究結(jié)果。研究結(jié)果的差異主要源于選取了不同的活性氮直接排放因子。周杏等[30]核算的湖北省油菜種植氮足跡為48.16 kg·hm-2。本研究結(jié)果與周杏等[30]的研究結(jié)果相近,但高于陳中督等[31]的結(jié)果(11.68 kg·hm-2)。不同作物氮足跡主要來源氨揮發(fā)、氮素徑流、氮素淋失、氮肥投入導(dǎo)致的氮排放。影響稻田系統(tǒng)NH3排放的主要因素包括氣候條件(溫度、光照和降雨、風(fēng)速和濕度)、土壤理化性質(zhì)(pH、陽離子交換量、有機質(zhì)以及黏土含量等)、施肥因素(肥料種類、施肥量、施肥方式、施肥時期以及灌溉)[32]。胡安永等[7]研究了太湖地區(qū)不同輪作方式(紫云英-水稻、小麥-水稻輪作、休閑-水稻模式)對稻田氨揮發(fā)的影響,結(jié)果表明輪作模式降低了稻田氨揮發(fā),但2種輪作模式間稻田氨揮發(fā)差異不顯著。許國春[33]分析認為,小麥-水稻和綠肥-水稻輪作模式氮素徑流、氮素淋失及氧化亞氮等氮素損失差異不顯著。本研究未考慮不同輪作模式對稻田氨揮發(fā)、氮素徑流、氮素淋失等的影響。因此,不同輪作模式單位面積氮足跡的差異主要是小麥季、油菜季、綠肥季的氮足跡差異導(dǎo)致的。

3.3 稻田輪作模式碳、氮足跡相關(guān)性分析

本研究表明,不同稻田輪作模式碳足跡和氮足跡均呈顯著的正相關(guān)性,這與前人的研究結(jié)果一致[4,18]。氮肥施用量與活性氮損失量呈線性或指數(shù)關(guān)系[4,18]。本研究中,氮肥生產(chǎn)和施用導(dǎo)致的氮排放占總氮足跡的92.6%～95.0%。同時,氮肥施用也是溫室氣體重要來源,氮肥施用導(dǎo)致碳足跡占總碳足跡的23.9%～25.2%,僅次于稻田甲烷排放。因此,降低氮肥投入可能在一定程度上實現(xiàn)作物碳足跡和氮足跡的協(xié)同降低。盡管在多數(shù)地區(qū)稻田碳足跡和氮足跡存在協(xié)同,然而在一些地區(qū)碳足跡和氮足跡表現(xiàn)出權(quán)衡關(guān)系。本研究稻油輪作和稻綠肥輪作中,有些地區(qū)碳足跡較高,而氮足跡相對較低,碳足跡和氮足跡存在一定的權(quán)衡關(guān)系,這與Li等[4]的研究結(jié)果一致。Xu等[34]研究發(fā)現(xiàn),在不同的管理措施下,甲烷排放與氨揮發(fā)之間的權(quán)衡導(dǎo)致碳足跡和氮足跡之間存在權(quán)衡關(guān)系。

3.4 江蘇稻田輪作模式生產(chǎn)布局和農(nóng)藝管理措施優(yōu)化

與稻麥輪作和稻油輪作相比,稻綠肥輪作是較為低碳和低氮的稻田輪作模式。江蘇冬季綠肥播種面積約3萬hm2[35],受溫光資源限制,江蘇稻綠肥輪作模式主要分布在南京、鎮(zhèn)江、蘇州等蘇南地區(qū)。蘇南地區(qū)可適當發(fā)展稻綠肥輪作,擴種綠肥有利于培肥稻田土壤,增強土壤供肥能力和減少稻季化學(xué)肥料施用[36],同時稻綠肥輪作可以滿足中、高端稻米生產(chǎn)需求,提高農(nóng)戶的種植效益。江蘇油菜種植主要分布在蘇中的南通、泰州、揚州,蘇南的南京和鎮(zhèn)江,蘇北的鹽城和淮安。從本研究結(jié)果來看,影響油菜生產(chǎn)碳、氮足跡主要是氮肥和機械柴油,因此江蘇稻油輪作中油菜低碳生產(chǎn)應(yīng)優(yōu)先考慮氮肥管理和種植機械化[37]。油菜生產(chǎn)中,氮肥使用導(dǎo)致的碳足跡和氮足跡分別占總碳足跡和氮足跡的66.0%和65.9%,機械柴油導(dǎo)致的碳足跡占總碳足跡的17.0%。因此通過優(yōu)化氮肥管理,調(diào)節(jié)氮肥施用時期、比例和配比,滿足油菜前期快速生長的氮素需求,后期則主要通過發(fā)揮土壤氮素供應(yīng),可促進油菜氮素轉(zhuǎn)移再利用[38]。在油菜機械化管理上,推廣新能源技術(shù),加快綠色、智能、高效農(nóng)機化技術(shù)裝備研發(fā)和應(yīng)用,減少化石能源消耗和碳排放。

江蘇是長江中下游地區(qū)典型的稻麥輪作區(qū),稻麥輪作是江蘇主要的稻田輪作模式。本研究表明,稻麥輪作單位面積碳、氮足跡顯著高于稻油和稻綠肥輪作,其區(qū)域分布從大到小依次為蘇北地區(qū)、蘇中地區(qū)、蘇南地區(qū)。蘇北和蘇中地區(qū)較高的單位面積碳、氮足跡與2個區(qū)域較高的施氮量有關(guān)。根據(jù)本研究調(diào)研數(shù)據(jù),蘇北、蘇中和蘇南地區(qū)稻麥輪作平均施氮量分別為41.5 kg·hm-2(稻季和麥季分別為22.0和19.5 kg·hm-2)、40.1 kg·hm-2(稻季和麥季分別為21.7和18.4 kg·hm-2)和32.8 kg·hm-2(稻季和麥季分別為17.3和15.5 kg·hm-2)。因此,蘇北和蘇中地區(qū)稻麥輪作低碳和低氮生產(chǎn)應(yīng)考慮優(yōu)化氮肥管理,減少氮肥施用量,降低NH3、N2O等活性氮排放,進而降低碳、氮足跡。此外,針對稻麥輪作生產(chǎn)較高的單位面積碳、氮足跡問題,需從水稻產(chǎn)業(yè)鏈角度,集成應(yīng)用新型農(nóng)業(yè)投入品及其高效施用技術(shù)、高產(chǎn)低排水稻品種、低碳和低氮減排技術(shù)、低碳農(nóng)機等,才能獲得較大的碳、氮減排潛力[29]。