楊 歡,喬 遠(yuǎn),2,王興邦,2,陳新平,2,張務(wù)帥,2,*

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 4007152 西南大學(xué)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究中心,重慶 400715

玉米作為我國(guó)第一大糧食作物,在國(guó)家的糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定中占據(jù)重要的地位。玉米總產(chǎn)和種植面積在2018年分別達(dá)到2.57億t和42.1×106hm2,占國(guó)內(nèi)谷物總產(chǎn)的37%和農(nóng)作物總種植面積的25.4%,其總產(chǎn)和總種植面積較2004年分別增長(zhǎng)97.4%和65.6%[1]。黃淮海地區(qū)是我國(guó)主要的玉米產(chǎn)區(qū)之一,玉米種植面積為600多萬(wàn)hm2,總產(chǎn)量超過(guò)2300萬(wàn)t,約占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的39%[2]。當(dāng)前黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)存在資源利用率不高,土壤退化等問(wèn)題[3]。因此,定量化評(píng)價(jià)黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡對(duì)保障我國(guó)糧食安全和玉米可持續(xù)生產(chǎn)尤為重要。

前期研究表明我國(guó)糧食生產(chǎn)存在肥料、農(nóng)藥和柴油等資源投入過(guò)量的問(wèn)題[4]。農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的脅迫效應(yīng)總體十分劇烈,短期內(nèi)中國(guó)仍然面臨農(nóng)業(yè)快速發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾[5]。實(shí)施既能養(yǎng)活人類(lèi)又能保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)農(nóng)業(yè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)若干可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。因此,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的能源分析可以幫助確定支持可持續(xù)農(nóng)業(yè)的措施。于偉詠等[6]研究中測(cè)算中國(guó)31個(gè)省份的農(nóng)業(yè)能源利用效率,指出碳排放強(qiáng)度低的地區(qū)農(nóng)業(yè)能源利用效率較高。王夢(mèng)媛等[7]研究發(fā)現(xiàn)盡管作物生產(chǎn)主要投入和產(chǎn)出要素相同,但同一作物不同地點(diǎn)產(chǎn)出能值和能源利用效率均存在顯著差異。綜上所述,我國(guó)農(nóng)業(yè)能源利用效率主要從全國(guó)尺度出發(fā)開(kāi)展研究,但尚未針對(duì)黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的時(shí)空變化進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料特別是氮肥的投入可以增加地上植物生物量,進(jìn)而通過(guò)增強(qiáng)根系分泌物增加地下碳輸入。Ni[8]等人進(jìn)行的整合分析表明,化肥顯著增加了20%的土壤碳輸入,主要是由于凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加。農(nóng)田土壤過(guò)多的化肥施用會(huì)導(dǎo)致土壤的酸化和鹽堿化,這可能會(huì)影響作物生長(zhǎng),從而降低有機(jī)碳固存潛力[9]。然而,氮肥投入同時(shí)也會(huì)增加土壤呼吸相關(guān)微生物的活性,甚至可以抵消對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的促進(jìn)作用。Chen等[10]通過(guò)大量的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)量的氮肥和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理會(huì)造成大量的活性氮損失和溫室氣體排放。在中國(guó)東北地區(qū),與不施氮的玉米農(nóng)田土壤相比施氮增加土壤碳輸入0.08 Mg C/hm2,但同時(shí)刺激土壤CO2排放增加0.09 Mg C/hm2,從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量減少[11]。由于直接測(cè)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化存在一定局限,凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡被開(kāi)發(fā)為估算土壤碳平衡的工具,但與之相關(guān)的黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究尚缺乏。

基于全生命周期的定量化黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)資源投入的能源利用效率和環(huán)境效益的時(shí)空變化研究較為缺乏,制約著我國(guó)對(duì)黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)生態(tài)環(huán)境效益的評(píng)價(jià)和減排措施的提出。本文以2004—2018年黃淮海玉米生產(chǎn)為研究對(duì)象,基于國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用生命周期評(píng)價(jià)(Life Cycle Assessment, LCA)、能值分析、碳平衡分析等方法,定量化該地區(qū)玉米生產(chǎn)能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡及其時(shí)空變化,探究關(guān)鍵影響因素,提出優(yōu)化措施,為實(shí)現(xiàn)玉米綠色生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域與供試作物

研究區(qū)域主要圍繞黃淮海地區(qū)的河北、河南、山東、安徽和江蘇五個(gè)省。該地區(qū)人口產(chǎn)業(yè)密集,農(nóng)資投入量大,不同省份的資源投入和產(chǎn)量水平等存在較大差異。研究對(duì)象為黃淮海地區(qū)主要種植的夏玉米。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與收集

根據(jù)中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局(http://www.stats.gov.cn/)[1]、《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]以及《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》[13]收集整理黃淮海地區(qū)2004—2018年來(lái)玉米生產(chǎn)的產(chǎn)量、種植面積、化肥用量、農(nóng)藥、柴油、地膜、種子和人工等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 生命周期評(píng)價(jià)(LCA)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)是用于評(píng)估給定產(chǎn)品的潛在環(huán)境影響以支持生產(chǎn)和消費(fèi)決策的最廣泛使用的工具之一[14]。研究中使用LCA定量化評(píng)估黃淮海地區(qū)玉米從農(nóng)資的生產(chǎn)加工運(yùn)輸?shù)接衩资斋@的整個(gè)生命周期的環(huán)境效應(yīng)[15]。

1.4 能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)計(jì)算

1.4.1能源利用效率

為了闡明黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的能量平衡,本研究根據(jù)能源輸入(化肥、農(nóng)藥、柴油地膜)和輸出(玉米籽粒所含能量)來(lái)計(jì)算玉米生產(chǎn)的凈能量、能源生產(chǎn)力和能源利用效率。計(jì)算公式如下：

NE=EO-ED

(1)

EP=YP/ED

(2)

EUE(%)=EO/ED×100%

(3)

式中,NE、EP和EUE分別為凈能量(能源產(chǎn)生和消耗量之間的差值)、能源生產(chǎn)力(單位能源消耗所生產(chǎn)的玉米籽粒產(chǎn)量)和能源利用率(單位能源消耗的能量產(chǎn)生量)。EO是玉米籽粒的能源產(chǎn)生,ED是能源消耗包含玉米生產(chǎn)期間消耗的可再生能源(即人工和種子)和不可再生能源(即柴油,機(jī)械,農(nóng)藥和化肥),單位為GJ/hm2。YP為玉米籽粒的產(chǎn)量,單位為kg。本研究將能量輸入和輸出乘以它們各自的能量當(dāng)量參數(shù),以計(jì)算能源消耗量和能源產(chǎn)生量(表1)[16—28]。

1.4.2溫室氣體排放

基于生命周期評(píng)價(jià)方法,本研究計(jì)算了整個(gè)生命環(huán)節(jié)的溫室氣體排放量,單位為kg CO2-eq/hm2。農(nóng)業(yè)溫室氣體主要包括CO2,CH4和N2O[29]。計(jì)算公式如下：

GHG=GHGm+Total N2O×44/28×298

(4)

Total N2O=N2O emission +2.5%×NO3leaching+1%×NH3volatilization

(5)

N2O emission=1.13exp(0.0071×Nsurplus)

(6)

NH3volatilization =1.45+0.24×Nrate

(7)

NO3leaching=25.31exp(0.0095×Nsurplus)

(8)

Nsurplus=Nrate-Nuptake

(9)

Nuptake=產(chǎn)量×0.86/0.845×籽粒吸氮量

(10)

式中,GHG為玉米生產(chǎn)整個(gè)生命過(guò)程中溫室氣體排放量,GHGm為農(nóng)業(yè)投入品(包括肥料、農(nóng)藥、柴油等)生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體,單位為kg CO2eq/hm2[16—28]。Total N2O 是指氮肥田間施用所產(chǎn)生的N2O排放,44/28為N與N2O間的換算系數(shù),298為N2O相比于CO2的溫室效應(yīng)的當(dāng)量系數(shù),2.5%和1%分別為硝態(tài)氮淋洗和氨揮發(fā)進(jìn)入環(huán)境后通過(guò)一系列生物化學(xué)反應(yīng)間接轉(zhuǎn)化為N2O的轉(zhuǎn)換因子[30]。N2O emission為N2O直接排放,NH3volatilization為氨揮發(fā),NO3leaching為硝酸鹽淋洗,Nsurplus為氮盈余,單位為kg N/hm2；Nrate為施氮量,單位為kg/hm2；0.86/0.845為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量換算數(shù)值；籽粒吸氮量在產(chǎn)量大于7.5 t/hm2時(shí)為18.1 kg N/t,在產(chǎn)量小于7.5 t/hm2時(shí)為19.8 kg N/t[10]。

表1 溫室氣體排放和能量當(dāng)量參數(shù)

1.4.3凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

為了評(píng)估玉米中植物部分的碳分配,假設(shè)玉米中所有植物部分的碳濃度為0.45g/g[31]。凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡(Net Ecosystem Carbon Budget, NECB)被用來(lái)表示土壤有機(jī)碳含量的變化,基于Xia等[32]計(jì)算公式如下：

NECB=NPP/0.58(GPP)-HR-GHG×12/44+FRW

(11)

式中,GPP為總初級(jí)生產(chǎn)力,NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力,NPP/GPP的比率系數(shù)為0.58[33]。HR為收獲后從土壤中移除的玉米籽粒碳含量,計(jì)算方式為玉米產(chǎn)量與碳濃度相乘,單位為kg C/hm2。GHG為玉米生產(chǎn)整個(gè)生命周期的溫室氣體排放量,由公式4計(jì)算獲得,12/44指CO2和C之間的換算系數(shù)。FRW為收獲后殘留在田間的谷物和秸稈碳含量,單位為kg C/hm2,計(jì)算方式為作物碳含量乘以田間殘留物系數(shù),山東、江蘇、河南、河北、安徽五個(gè)省的田間殘留物系數(shù)分別為0.82、0.86、0.93、0.91和0.86[34]。

凈初級(jí)生產(chǎn)力通過(guò)下式計(jì)算,單位為kg C/hm2：

NPP=NPPG+NPPS+NPPR+NPPER+NPPL

(12)

NPPG、NPPS、NPPR和NPPER分別為作物籽粒、秸稈、根部和根際的碳含量,為植物籽粒、秸稈、根部和根際的生物量與碳濃度相乘,單位為kg C/hm2。NPPL為玉米生育期殘留物的碳含量,單位為kg C/hm2,我們殘留物生物量占地上生物量和根系干生物量的5%[35]。

1.4.4可持續(xù)性指數(shù)

可持續(xù)性指數(shù)是為了量化玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及碳分配情況,計(jì)算公式如下[36]。

SI=(CP-CE)/CE

(13)

式中,CP指玉米生產(chǎn)的碳總量,CE是基于生命周期評(píng)價(jià)方法計(jì)算的溫室氣體排放量,CP和CE的單位都同為kg C/hm2。

研究中的CP包含玉米籽粒(CG)、秸稈(CS)、根系(CR)和根際(CEER)的碳含量,根據(jù)Bolinder等人的研究結(jié)果,按照下式計(jì)算[37]：

CG=YP×0.45

(14)

CS=(YP+YS) (1-HI)×0.45

(15)

CR=YP/(S/R×HI)×0.45

(16)

CEER=CR×YER

(17)

式中,YP是玉米地上部干物質(zhì)產(chǎn)量,YS為玉米秸稈量,單位為kg/hm2,HI是收獲指數(shù)(籽粒的干物質(zhì)產(chǎn)量/總地上干物質(zhì)產(chǎn)量),根據(jù)Zhao等[38]對(duì)中國(guó)玉米生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的研究,將河北、河南、山東、安徽和江蘇玉米生產(chǎn)的HI分別設(shè)置為0.49、0.50、0.51、0.51和0.51。S/R為冠/根比,YER為相對(duì)可恢復(fù)根系因子的額外根系碳(即根際沉積碳)。假設(shè)給定玉米的S/R和YER分別為5.60和0.65[37]。

2 結(jié)果

2.1 黃淮海地區(qū)不同年份生產(chǎn)投入與環(huán)境效益評(píng)價(jià)

2.1.1資源投入、總種植面積和總產(chǎn)量年際變化及各省份種植面積和產(chǎn)量占比

2004—2018年的15年間,黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的肥料投入總體呈增加趨勢(shì),氮肥、磷肥和鉀肥的平均投入量分別為202、72.4和53.8 kg/hm2(表2)。氮肥用量在不同年份間存在較大差異,2004年投入量最高為219 kg/hm2,自2015年后我國(guó)總體養(yǎng)分投入量有所下降,2018年投入量最低為178 kg/hm2。磷肥和鉀肥投入量在15年間保持逐年遞增,2018年分別較2004年增加了61.7和62.8 kg/hm2。種子投入在15年間呈下降的趨勢(shì),2004年達(dá)到最高值43.3 kg/hm2,2017年最低為30.4 kg/hm2。農(nóng)藥和柴油投入量在15年間的差異較大,單位面積最高投入量相比于最低投入量增長(zhǎng)133%和221%。地膜投入量15年間相對(duì)穩(wěn)定,總體變化范圍為0.2—0.8 kg/hm2。

表2 黃淮海地區(qū)不同年份玉米生產(chǎn)投入產(chǎn)出情況

黃淮海地區(qū)15年間玉米總產(chǎn)量和種植面積整體呈上升趨勢(shì),總產(chǎn)量提高85.7%,種植面積增加53.5%(圖1)。單產(chǎn)在15年間總體呈先上升后下降的趨勢(shì),平均值為6.7 t/hm2(表2)。山東、河南和河北為黃淮海地區(qū)玉米主產(chǎn)地,各省的總產(chǎn)量分別占區(qū)域總量的34%、29%和27%。安徽和江蘇的產(chǎn)量分別占區(qū)域總量的6%和4%,種植面積分別占8%和4%(圖1)。

圖1 黃淮海地區(qū)不同年份及不同省份玉米生產(chǎn)的總產(chǎn)量、種植面積、產(chǎn)量占比和種植面積占比Fig.1 Total maize production, total planting area, proportion of production, and proportion of planting area in different years and provinces in Huang-Huai-Hai region

2.1.2玉米生產(chǎn)能源利用效率的年際變化

黃淮海地區(qū)2004—2018年15年間玉米生產(chǎn)能源消耗量和能源產(chǎn)生量的平均值分別為26.6 GJ/hm2和103 GJ/hm2(表3)。玉米生產(chǎn)的凈能量隨時(shí)間呈上升的趨勢(shì),變化范圍為60.7—86.4 GJ/hm2,平均值為76.5 GJ/hm2。作為評(píng)價(jià)玉米生產(chǎn)能源利用情況的指標(biāo),2004到2018年間均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。2005和2007年玉米生產(chǎn)的能源生產(chǎn)力和能源利用效率相同,都分別為0.24 t/GJ和3.7。

表3 黃淮海地區(qū)不同年份玉米生產(chǎn)能源利用情況

2.1.3玉米生產(chǎn)溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)的年際變化

15年間,黃淮海地區(qū)溫室氣體排放呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),變化范圍為3.6—4.1 t CO2-eq/hm2,平均排放量為3.8 t CO2-eq/hm2(圖2)。其中肥料生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程和田間施用的溫室氣體排放在總排放量中占比最高,達(dá)到81.7%。農(nóng)藥生產(chǎn)運(yùn)輸和農(nóng)機(jī)耗油的溫室氣體排放占總排放量的5.7%和6.9%,其它過(guò)程的貢獻(xiàn)率之和低于6%。各環(huán)節(jié)溫室氣體排放貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋悍柿仙a(chǎn)運(yùn)輸>肥料田間施用>農(nóng)機(jī)耗油>農(nóng)藥生產(chǎn)運(yùn)輸>種子>灌溉耗電>地膜>人工。

黃淮海15年玉米生產(chǎn)碳輸入高于碳輸出,凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡為正值。黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡在2005年最低,為10.1 t C/hm2,自2015年(14.2 t C/hm2)后呈逐漸下降的趨勢(shì)。2015—2018年平均凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡為13.6 t C/hm2,比2004—2014年高11.9%。凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中總初級(jí)生產(chǎn)力和作物殘留物量分別占總碳輸入的84.1%和15.9%；碳輸出中收獲移除和以溫室氣體排放形式的碳損失分別占總碳輸出的74.6%和25.4%(圖2)。碳輸入和碳輸出均在2015年達(dá)到最高,分別為18.8 t C/hm2和4.5 t C/hm2,在2005年最低,分別為13.5 t C/hm2和3.5 t C/hm2?？沙掷m(xù)性指數(shù)同凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和溫室氣體排放的變化規(guī)律相近,均為先增加后降低,2005年最低為5.7,2012年最高為7.7(圖2),2012年玉米生產(chǎn)的可持續(xù)指數(shù)較2004年增加了20.6%。

圖2 黃淮海地區(qū)不同年份玉米生產(chǎn)溫室氣體排放量、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)Fig.2 Greenhouse gas emissions, net ecosystem carbon budget and sustainability index of maize production in Huang-Huai-Hai region in different years

2.2 黃淮海地區(qū)不同省份生產(chǎn)投入與環(huán)境效益評(píng)價(jià)

2.2.1不同省份玉米生產(chǎn)資源投入和產(chǎn)量變化

黃淮海玉米生產(chǎn)資源投入和產(chǎn)量在空間上存在差異(表4)。江蘇省氮肥投入量最高,為257 kg/hm2,比氮肥投入量最低的河南省高出55.8%；山東省磷肥、鉀肥和農(nóng)藥的投入量最高,分別高于區(qū)域平均34.1%、31.6%和9.7%,河北省的農(nóng)藥投入量顯著低于其他4個(gè)省份。河北省柴油和種子投入量占比最高,分別占區(qū)域總投入量的24.1%和21.6%。山東省機(jī)械化程度較高,人工投入量最低。黃淮海地區(qū)各省份單產(chǎn)由高到低分別為：山東>河北>河南>安徽>江蘇。

表4 黃淮海地區(qū)不同省份玉米生產(chǎn)投入產(chǎn)出情況

2.2.2不同省份玉米生產(chǎn)的能源利用效率

2004—2018年江蘇省玉米生產(chǎn)平均能源消耗量最高,為31.0 GJ/hm2,凈能量、能源生產(chǎn)力和能源利用效率最低,分別為66.2 GJ/hm2、0.20 t/GJ和3.1(表5)。河南省平均能源消耗量為區(qū)域最低,為23.5 GJ/hm2。河北省玉米生產(chǎn)凈能量、能源生產(chǎn)力和能源利用率最高,分別為83.0 GJ/hm2、0.30 t/GJ和4.5。山東省能源產(chǎn)生量最高,為111 GJ/hm2。河北省和河南省能源利用效率比區(qū)域平均分別高15.4%和12.8%,而山東省、安徽省和江蘇省比區(qū)域平均分別低0.4%、8.3%和25.8%。

表5 黃淮海地區(qū)不同省份玉米生產(chǎn)的能源利用情況

2.2.3不同省份玉米生產(chǎn)溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)

黃淮海玉米生產(chǎn)溫室氣體排放由低到高的順序?yàn)楹幽?河北<山東<安徽<江蘇(圖3)。江蘇省玉米生產(chǎn)溫室氣體排放最高,達(dá)4.8 t CO2-eq/hm2,是河南省的1.5倍。山東省和安徽省玉米生產(chǎn)溫室氣體排放均為3.9 t CO2-eq/hm2。河北、河南、山東、安徽和江蘇肥料生產(chǎn)運(yùn)輸和施用環(huán)節(jié)溫室氣體排放分別占區(qū)域溫室氣體總排放的13.0%、12.9%、16.0%、16.4%和22.1%。

黃淮海地區(qū)各省份玉米生產(chǎn)平均碳輸入和碳輸出分別為16.6、4.1 t C/hm2,凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡為12.6 t C/hm2(圖3)。河北省玉米生產(chǎn)的凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡最高,為13.8 t C/hm2,江蘇省玉米生產(chǎn)凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡最低,為11.3 t C/hm2。碳輸入中總初級(jí)生產(chǎn)力占比80%以上,碳輸出中收獲移除占比70%以上。作物殘留物量范圍在2.5—2.8 t C/hm2之間,河北省最高,江蘇省最低。黃淮海地區(qū)各省份玉米生產(chǎn)能源利用效率和可持續(xù)性指數(shù)由高到低的順序?yàn)椋汉颖?河南>山東>安徽>江蘇(圖3)。

圖3 黃淮海地區(qū)不同省份玉米生產(chǎn)溫室氣體排放量、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)Fig.3 Greenhouse gas emissions, net ecosystem carbon budget and sustainability index of maize production in different provinces in Huang-Huai-Hai region

2.2.4不同省份玉米生產(chǎn)的綜合生態(tài)環(huán)境效益分析

黃淮海地區(qū)各省份玉米生產(chǎn)的資源投入和環(huán)境效益間存在較大差異。通過(guò)顏色等級(jí)得分方格圖(圖4),可以清晰比較各省份不同指標(biāo)的得分情況,得分越高,代表該省份玉米生產(chǎn)的綜合生態(tài)環(huán)境效益越高。各省份間玉米生產(chǎn)能源利用效率、作物殘留物和可持續(xù)性指數(shù)的得分分布情況相似,河北省最高,江蘇省最低。山東省產(chǎn)量得分最高,凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡得分位居第二。安徽省在各個(gè)指標(biāo)上的得分僅高于江蘇省。河北、河南和山東三個(gè)省份綜合得分均為正值,安徽和江蘇兩個(gè)省份綜合得分均為負(fù)值。

圖4 黃淮海地區(qū)不同省份玉米生產(chǎn)的綜合生態(tài)環(huán)境效益Fig.4 Comprehensive ecological and environmental benefits of maize production in different provinces in Huang-Huai-Hai region

3 討論

黃淮海地區(qū)15年間(2004—2018年)玉米生產(chǎn)平均能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)分別為3.9、3.8 t CO2/hm2、12.6 t C/hm2和6.8(表3、圖2)。氮肥和柴油是影響能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)的重要因素。15年間全國(guó)平均[13]氮肥和農(nóng)藥投入量為199和9.3 kg/hm2,柴油使用量為34.2 L/hm2。黃淮海地區(qū)氮肥投入量與全國(guó)平均投入量相差不大,但農(nóng)藥和柴油投入量比全國(guó)高21.3%和102%,與此同時(shí)單產(chǎn)比全國(guó)低3.2%,從而導(dǎo)致了黃淮海地區(qū)較高的溫室氣體排放。本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》,有機(jī)肥等在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有體現(xiàn)或數(shù)據(jù)不完整,這可能對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度存在影響,因此在本研究中我們限定了系統(tǒng)邊界以確保結(jié)果的真實(shí)性與可比性。

本研究發(fā)現(xiàn),黃淮海玉米生產(chǎn)的能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡呈先增加后降低的趨勢(shì)?；诖?為滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的人口需求,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需不斷增加資源投入來(lái)保證糧食產(chǎn)量,這會(huì)造成各種環(huán)境問(wèn)題。2004—2015年,能源利用效率不斷下降的原因是資源投入相關(guān)的能源消耗量的增長(zhǎng)速率高于能源產(chǎn)生量的增長(zhǎng)速率。2015年國(guó)家農(nóng)業(yè)部實(shí)施“化肥農(nóng)藥零增長(zhǎng)行動(dòng)”后總體資源投入有所下降,能源利用效率也有所回升。在2004—2015年間,黃淮海玉米單產(chǎn)提高22.6%,凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡增加21.6%。凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡是土壤中原有有機(jī)碳庫(kù)分解與新添加的碳源、系統(tǒng)碳輸入與同化等共同作用的結(jié)果[39]。凈初級(jí)生產(chǎn)力在生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中扮演著重要角色[40],農(nóng)資投入促進(jìn)玉米固定大氣中CO2能力的提高,增加土壤中可獲得的有機(jī)物料[41]。同時(shí),地上部生物量增加促進(jìn)根際分泌物對(duì)土壤原有碳庫(kù)的分解。由此可知,增加作物產(chǎn)量,應(yīng)用秸稈還田、有機(jī)替代等技術(shù),增加地上和地下的碳同化和碳儲(chǔ)量對(duì)提高凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡具有重要意義[42]。

黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡在空間上存在較大差異。黃淮海地區(qū)15年間玉米生產(chǎn)能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡最高的省份均為河北省(表5、圖3)。能源利用效率、溫室氣體排放和可持續(xù)性指數(shù)隨資源投入特別是肥料投入的變化而變化,具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中的碳輸入計(jì)算均與單產(chǎn)相關(guān),河北省玉米單產(chǎn)位居區(qū)域第二,總初級(jí)生產(chǎn)力及作物殘留物最高,所以其凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡最高。江蘇省農(nóng)資投入最高,尤其是氮肥投入,因此江蘇省溫室氣體排放、能源利用效率、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)最低,這與前人的研究結(jié)果相似[6]。在顏色等級(jí)得分方格圖中河北省、河南省和山東省的得分均為正值,生態(tài)環(huán)境效益相對(duì)較好,黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)布局應(yīng)適當(dāng)向這三個(gè)省份傾斜。

綜上所述,黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的能源利用效率和凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡等總體生態(tài)環(huán)境效益有待提升,為實(shí)現(xiàn)該地區(qū)玉米生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展,可采取以下措施：(1)平衡施肥：減少氮肥的投入,優(yōu)化磷肥和鉀肥,大力推廣測(cè)土配方施肥技術(shù)。氮肥是溫室氣體排放的主要貢獻(xiàn)因子,通過(guò)優(yōu)化氮肥施用,可以提高作物產(chǎn)量、能源利用效率和增加土壤碳固持。到2013年,我國(guó)實(shí)施測(cè)土配方施肥技術(shù)因氮肥田間施用減少導(dǎo)致的農(nóng)田減排達(dá)1171.8萬(wàn) t CO2-eq[43]。(2)配施增效肥料：緩控釋肥等已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),可有效減少溫室氣體排放并提高氮肥利用效率和產(chǎn)量[44]。(3)應(yīng)用秸稈還田技術(shù)：Lu[45]的整合分析結(jié)果表明,秸稈還田能夠顯著提高我國(guó)表層土壤(0—20 cm)有機(jī)碳儲(chǔ)量12%。(4)開(kāi)展土壤-作物系統(tǒng)綜合管理；綜合技術(shù)的優(yōu)化經(jīng)過(guò)多種研究與大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)對(duì)我國(guó)溫室氣體減排和提高產(chǎn)量有積極影響[10]。

4 結(jié)論

黃淮海地區(qū)2004—2018年玉米生產(chǎn)平均能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)分別為3.9、3.8 t CO2/hm2、12.6 t C/hm2和6.8。肥料的生產(chǎn)和田間施用以及農(nóng)機(jī)耗油是各種生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的主要影響因素。2004年到2018年,黃淮海地區(qū)玉米生產(chǎn)的能源利用效率、溫室氣體排放、凈生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和可持續(xù)性指數(shù)總體呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)?？臻g尺度上,玉米單位面積的生態(tài)環(huán)境效益得分排序由高到低為河北省>河南省>山東省>安徽省>江蘇省,其中河北省、河南省和山東省得分均為正值,具有較好的玉米生產(chǎn)綜合效益。玉米生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候特征、土壤養(yǎng)分特性和種植規(guī)模等因素進(jìn)行規(guī)范化、合理化布局。同時(shí),合理減少農(nóng)業(yè)化學(xué)品投入量,施用增效肥料,應(yīng)用秸稈還田技術(shù)等保護(hù)性耕作措施,進(jìn)行田間系統(tǒng)化的綜合管理,提高玉米生產(chǎn)的資源利用率和生態(tài)環(huán)境效益。