姜超強,李晨,朱啟法,徐海清,劉炎紅,沈嘉,閻軼峰,余飛,祖朝龍*
1.安徽省農業(yè)科學院煙草研究所,安徽 合肥 230001;2.安徽省煙草公司,安徽 合肥 230071;3.安徽皖南煙葉有限責任公司,安徽 宣城 242000
種植模式是影響作物產量、土壤質量和農田可持續(xù)生產的重要因素(吳玉紅等,2021)。種植模式由農作物組成及其在時間、空間上配置等所決定。合理的種植模式不僅能夠增產,還可以改善土壤理化性質,增加土壤微生物多樣性,提高土壤有機碳,實現稻田可持續(xù)發(fā)展(孟宇輝等,2019;張鵬等,2019;吳玉紅等,2021)。已有的一些研究認為水旱輪作比常規(guī)連作模式的土壤微生物含量和多樣性更高,有助于減少病害發(fā)生,提高農作物產量;與旱地輪作相比,水旱輪作可提高馬鈴薯根際土壤的細菌群落多樣性(蘇燕等,2020);油-稻-稻輪作比稻-稻輪作微生物碳和微生物氮分別增加 15.3%—35.7%和14.3%—34.6%,且微生物豐富度指數顯著提高(張立成等,2017)。因此,適宜的種植模式對提高作物經濟效益,促進地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關重要。
不同種植模式除了影響產量和經濟效益之外,對農田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應和碳足跡也有重要影響。農田的碳足跡是指人類在農田生態(tài)系統(tǒng)上進行生產活動引起的直接的或者間接的碳流量,研究農田碳足跡對減少農業(yè)對溫室氣體的排放具有重要意義(劉巽浩等,2013;馬懷英等,2021)。通常用生命周期評價法(Life cycle assessment,LCA)評價作物生產系統(tǒng)中的碳足跡(劉巽浩等,2013;陳中督等,2019)。不同土地利用方式下碳足跡有較大差異,馬懷英等(2021)比較分析燕麥(ArenasativaL.)與豆科作物的3種間作模式,發(fā)現燕麥與大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)間作具有較強的增產穩(wěn)產效果和較低的單位面積碳足跡。曾昭海(2018)研究發(fā)現,禾本科作物與豆科作物間,通過豆科作物的生物固氮作用,能夠有效減少化學氮肥施用產生的碳排放。并且不同耕作模式對稻田碳匯效應也有顯著影響,唐海明等(2020)研究發(fā)現,翻耕、旋耕結合秸稈還田處理均有利于提高雙季稻田耕層土壤的固碳速率、碳匯效應和經濟收益,是增加耕層土壤有機碳庫貯量的有效措施。采取合理的輪作模式和耕作措施能夠提升土壤肥力,增強稻田固碳能力、增加凈碳匯,促進水稻高產穩(wěn)產,保障國家糧食安全(Tang et al.,2019;唐海明等,2020)。農田碳匯效應的研究已經成為當前研究的一個熱點。研究農田碳匯效應,定量評價種植模式的碳足跡對優(yōu)化種植模式,降低農田碳排放和綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
皖南是安徽重要的糧食產區(qū),也是中國典型煙稻輪作區(qū),該區(qū)域以稻麥輪作、煙稻輪作等種植模式為主,為安徽糧食豐收和優(yōu)質煙葉生產作出重要貢獻(董建江等,2015;相智華等,2020)。如何進一步優(yōu)化種植模式,協調作物高產穩(wěn)產與綠色高效之間的矛盾,發(fā)展綠色低碳循環(huán)農業(yè)已成為熱點問題。為此,諸多學者在探索不同的種植模式對農田碳匯效應的研究方面也取得了良好成效(張若焰等,2019;馬懷英等,2021)。例如,燕麥與大豆在穩(wěn)產增產的同時還能夠降低碳足跡(馬懷英等,2021);春玉米 (ZeamaysL.)-晚稻輪作與早稻-晚稻種植相比降低了稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放和碳足跡(姜振輝等,2019)。近年來,由于種植模式的單一化,且隨著農資產品的大量投入和消耗,皖南地區(qū)維持水稻和煙葉高產穩(wěn)產的同時,也造成了生態(tài)環(huán)境污染問題(王浩田等,2020)。因此,采取科學合理的種植模式對提升土壤肥力,增強農田固碳和凈碳匯效應,保障糧食高產穩(wěn)產和煙葉優(yōu)質高產生產至關重要。當前對皖南地區(qū)種植模式的評價主要集中在作物產量和經濟效益方面,對其生態(tài)效益和碳匯效應方面的研究尤為缺乏。未能準確評價不同種植模式(煙稻輪作、稻麥輪作、再生稻種植)的碳足跡和碳匯效應,直接制約了該區(qū)節(jié)能減排、綠色生產方案的制定和實施。因此,本研究以大田試驗為基礎,系統(tǒng)分析皖南不同種植模式經濟效益、碳匯效應、碳足跡大小及其構成,以明確不同種植模式下稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應和經濟效益,為該區(qū)科學評價和選擇綠色低碳可持續(xù)的種植模式提供科學依據。
試驗地位于安徽省宣城市文昌鎮(zhèn)(30°53′54″N,118°30′7″E),該區(qū)平均海拔 50 m,年平均氣溫15.6 ℃,年平均降水量 1200—1500 mm,日照時數為1780 h,無霜期240 d。試驗田土壤為水稻土,質地為粉砂質黏壤。試驗前耕層土壤(0—20 cm)理化性質為:pH 5.63;有機質質量分數18.2 g·kg-1,堿解氮 96.5 mg·kg-1,有效磷 31.6 mg·kg-1,速效鉀145.3 mg·kg-1。
于2020—2021年設置4種不同種植模式:單季稻、煙稻輪作、稻麥輪作、再生稻,小區(qū)面積為72 m2(7.2 m×10 m),完全隨機區(qū)組排列,每個處理重復3次。供試單季稻品種為隆兩優(yōu)1686,煙稻輪作的烤煙品種為云煙97、水稻品種為陵兩優(yōu)268,稻麥輪作的水稻品種為隆兩優(yōu)1686、小麥品種為揚麥19號,再生稻品種為豐兩優(yōu)香一號。各種植模式不同作物的播種、移栽和收獲時間,以及肥料施用量如表1所示。
表1 不同種植模式的農田管理情況Table 1 Management practice of different planting patterns
煙葉成熟期分次采烤,每次按照小區(qū)分別單獨掛牌采收烘烤,烤后煙葉按照烤煙分級標準(國家技術監(jiān)督局,1992)分別評定等級,計算產量和產值。水稻和小麥成熟時,每個小區(qū)選擇具代表性的3個樣方(1 m2)進行測產,計算產量和產值。
不同種植模式的經濟效益計算為:
式中:
E——經濟凈收益;
Y——作物產量;
P——作物產品單價;
C1——物資投入成本(種子、化肥、農藥、農膜、柴油);
C2——管理人工成本(灌溉、耕作、收獲的勞動力成本)。所有物資和勞動力成本均是當年價。
采用生命周期評價法,參照劉巽浩等(2013)和陳中督等(2019)文獻計算農田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡,系統(tǒng)邊界為作物從播種到收獲全過程物資投入(種子、化肥、農藥、農膜、柴油等)和農事活動(耕作、灌溉、收獲等)產生的間接溫室氣體排放,以及CH4和N2O直接溫室氣體排放。碳足跡(單位面積碳足跡,CO2-eq,kg·hm-2)計算公式為:
式中:
C——作物生產單位面積碳足跡;
n——該作物從播種到收獲全過程消耗的生產物資(種子、化肥、農藥、農膜、柴油等)和農事活動(耕作、灌溉、收獲等);
?——某種生產物資和農事活動(kg);
mc——生產物資和農事活動的溫室氣體排放系數。溫室氣體排放系數、CH4和N2O排放系數參照劉巽浩等(2013)、胡乃娟等(2018)和陳中督等(2019)的相關標準。
農田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效應參照胡志華等(2017)和唐海明等(2020)的方法計算碳吸收量、碳排放量和凈碳匯。碳吸收為農田生態(tài)系統(tǒng)作物的碳吸收總量,碳排放為生產活動中涉及的碳排放總量。凈碳匯計算公式為:
式中:
Cs——系統(tǒng)的凈碳匯;
Ca——系統(tǒng)的碳吸收量;
Ce——系統(tǒng)的碳排放量,碳排放并未計入植物呼吸和土壤呼吸。
數據用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析,采用最小顯著差數法(LSD法)分析數據間的差異顯著性,并用Microsoft Excel 2013進行圖表的繪制。
如表2所示,各種植模式水稻的產量存在較大差異,其中再生稻的水稻產量最高(頭季 8557.0 kg·hm-2,再生季 4364.5 kg·hm-2),其次是單季中稻(9513.5 kg·hm-2),煙后晚稻的產量最低(7817.0 kg·hm-2)。各種植模式作物產值的大小順序表現為煙稻>稻麥>再生稻>單季稻,總投入的大小順序也表現為煙稻>稻麥>再生稻>單季稻。煙稻輪作模式的經濟凈收益為19716.6 yuan·hm-2,顯著高于其他種植模式,分別是單季稻、稻麥、再生稻的2.2、1.5和1.4倍。
表2 不同種植模式作物產量及經濟效益Table 2 Yield and economic benefits of different planting patterns
如圖1所示,稻麥輪作的碳吸收和凈碳匯均顯著高于其他模式,單季稻的碳吸收和碳排放均最低。各種植模式的碳吸收大小表現為稻麥>再生稻>煙稻>單季稻,碳排放大小表現為煙稻>稻麥>再生稻>單季稻。煙稻輪作的碳排放高于碳吸收,凈碳匯為-815.5 kg·hm-2·a-1,顯著低于其他種植模式。可見,各種植模式相比,稻麥輪作的碳吸收和凈碳匯最高;煙稻輪作則是碳排放最高,凈碳匯最低。
圖1 不同種植模式農田生態(tài)系統(tǒng)生產中的碳流通Figure 1 Carbon flux estimation in paddy ecosystem production under different planting patterns
如表3所示,各種植模式不同作物碳吸收有顯著差異,中稻的碳吸收顯著最高;烤煙的碳吸收最低,僅為中稻的27%,顯著低于其他作物。冬小麥的碳排放最低,中稻的碳排放最高,是冬小麥的2.2倍。冬小麥的凈碳匯最高,烤煙的凈碳匯為負值(-1463.4 kg·hm-2·a-1),顯著低于其他作物。中稻、煙后晚稻、頭季稻和再生季稻均表現為高碳吸收和高碳排放??傮w而言,不同作物的凈碳匯的大小表現為冬小麥>頭季稻>中稻>晚稻>再生季稻>烤煙。
表3 不同種植模式下農田生態(tài)系統(tǒng)不同作物的碳流通Table 3 Carbon flux estimation of different crops in paddy ecosystem production under different planting patterns
如表4所示,各種植模式碳足跡有較大差異,單季稻和再生稻的 CH4占總碳足跡的比例分別為56.5%和 54.5%,可見 CH4是水稻種植碳足跡的主要來源。水旱輪作的煙稻和稻麥輪作兩種模式的CH4占總碳足跡的比例均低于40%。4種種植模式的碳足跡主要來源均是CH4、N2O和肥料。稻麥輪作肥料碳足跡比例(24%)為各處理最高,煙稻輪作中農膜和勞力碳足跡分別為8.3%和6.0%,均為各模式最高。進一步對不同作物的碳足跡分析發(fā)現(表5),水稻的碳足跡主要來源是CH4,超過50%;烤煙碳足跡主要來源是肥料、N2O和農膜,分別占26.2%、24.4%和20.7%。值得注意的是,烤煙種植的柴油和勞力分別占總碳足跡的 12.7%和11.7%,遠高于其他作物。
表4 不同種植模式的碳足跡構成Table 4 Source of carbon footprint under different planting patterns %
表5 不同作物的碳足跡構成Table 5 Source of carbon footprint of different crops %
不同種植模式經濟效益有顯著差異,煙稻輪作的經濟效益最高(表 2)。煙稻輪作經濟凈收益較高主要是煙葉產值較高,每季煙葉產值分別是水稻和小麥3.7倍和4.6倍,因為煙葉的單價遠高于水稻和小麥。董建江等(2015)研究也發(fā)現,煙稻輪作總產值顯著高于稻麥輪作和油稻輪作,主要是煙葉產值顯著高于小麥和油菜。值得注意的是,煙稻輪作生產投入顯著高于稻麥輪作和再生稻種植,煙葉生產屬于勞動密集型,田間煙葉收獲需要人工分次成熟采收耗費大量勞動力,并且每次煙葉采收后需要及時烘烤耗費大量的燃料成本(張若焰等,2019)。因此,生產成本投入遠高于機械化程度較高的稻麥輪作和再生稻種植。隨著農村勞動力的緊缺和燃料成本的提高,如果生產方式不能及時轉變,烤煙種植的成本投入必然還會增加。因此,積極研發(fā)煙葉機械化技術和設備,探索煙葉烘烤新型能源,提高煙葉生產機械化程度,提升燃料利用效率將是煙葉減工降本關鍵所在,也是穩(wěn)定煙稻輪作模式,保障煙糧雙豐收的必然要求。
再生稻種植成本投入顯著低于煙稻輪作和稻麥輪作,經濟凈收益僅次于煙稻輪作,并且水稻產量達到12.92 t·hm-2。再生稻種植是一種經濟高效、增產增收的水稻管理措施,在溫、光、熱資源充足的皖南地區(qū),種植再生稻一方面響應耕地輪休的國家政策,減輕土地耕作強度、緩解土壤退化,另一方面還能增加水稻產量、提升稻米品質(徐富賢等,2015;王天宇等,2021)。近年來,再生稻種植也得到了大面積的推廣應用(Ziska et al.,2018;孔盼等,2021;王天宇等,2021)。王天宇等(2021)研究表明,在安徽省巢湖圩區(qū)再生稻產量為 12.63 t·hm-2,與此類似,湖南再生稻產量為 12.22 t·hm-2(張浪等,2019)。在湖北優(yōu)化栽培模式的再生稻產量則高達 17.67 t·hm-2,采用優(yōu)化栽培技術頭季和再生季的產量分別可達到 12.81 t·hm-2和 4.86 t·hm-2(鄧橋江等,2019)。因此,皖南地區(qū)再生稻產量還有較大提升空間,可以從選育再生力強的品種、綠肥種植、肥料運籌、水分管理與稻樁留樁高度等方面優(yōu)化以提高水稻產量。再生季稻收獲前播種紫云英(AstragalussinicusL.)等綠肥,冬作綠肥還田能夠提高土壤肥力、改善土壤質地、改善微生物群落結構等,進而提高養(yǎng)分吸收、增加水稻產量,實現節(jié)肥增產(田卡等,2015;高嵩涓等,2020)。有研究表明,水稻季減施氮肥40%,通過紫云英翻壓還田能夠顯著提高精米率、Ca、Mg和Fe含量,降低了堊白率,提升稻米品質(卜容燕等,2022)。稻樁留樁高度與再生稻休眠芽萌發(fā)數量密切相關,適當高留樁(≥35 cm)能夠促進再生芽多發(fā)和高位芽再生,還能有效發(fā)揮頭季留下葉片的功能作用,達到高產穩(wěn)產(林文雄等,2015)。因此,優(yōu)化皖南地區(qū)種植模式,通過品種選育和栽培技術優(yōu)化等,推廣種一茬收獲兩次的再生稻,對適應農業(yè)結構調整、增加糧食產量、提高農民收入和保障糧食安全有重大意義。
不同種植模式的凈碳匯大小表現為稻麥>再生稻>單季稻>煙稻,稻麥輪作凈碳匯高主要是由于具有較高的碳吸收。再生稻的碳排放量較煙稻輪作和稻麥輪作顯著降低9.8%和9.2%(表3),N2O排放量比稻麥輪作降低37.2%(表4)。王天宇等(2021)研究也發(fā)現,再生稻田全年N2O排放量和總溫室氣體排放量分別比稻麥輪作降低了86.5%和36.3%;此外,稻麥輪作下,小麥收割后實施秸稈全量還田,為CH4的產生提供適宜的環(huán)境條件,從而增加稻田CH4排放(Ma et al.,2009;Thangarajan et al.,2013;孔盼等,2021)。水稻再生季種植沒有秸稈還田,并且再生季稻是從收割部位重新抽穗,減少了由水稻分蘗造成的CH4排放(張浪等,2019)。再生稻的種植減少了翻耕頻度和強度,再生稻季免耕一次,可以有效降低稻田土壤有機碳的礦化分解損失(佘瑋等,2016)。因此,皖南地區(qū)種植再生稻不僅提高水稻產量,還顯著降低碳排放總量。
農田生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡受多種因素影響,本研究4種種植模式碳足跡主要受CH4、N2O、肥料和柴油的影響,冬小麥、烤煙兩種旱作的碳足跡主要構成是肥料和N2O,而水稻生態(tài)系統(tǒng)的碳足跡則主要受CH4和N2O的影響,如再生稻種植系統(tǒng)的碳足跡中CH4和N2O分別占54.5%和18.0%(表4)。水稻生產會導致溫室氣體排放,尤其是淹水情況下的CH4排放和化肥施用引起的N2O排放,稻田CH4排放主要與田間水分狀況有關,并且淹水時間越長、新鮮秸稈還田越多CH4排放越高(李得蘭等,2008)。從再生稻碳足跡構成來看,減少稻季CH4排放仍是再生稻碳匯減排的重點,蔣靜艷等(2003)和胡乃娟等(2018)也有類似的研究結果。陳中督等(2019)研究認為,長江中游地區(qū)水稻生產碳足跡主要受柴油、氮肥、磷肥和種子的影響,且表現為正相關關系。綜合分析,合理控制水稻生長季水分、提高肥料利用率、稻樁留樁高度和種植綠肥還田是降低再生稻田CH4排放,提高水稻產量的有效措施(Zou et al.,2009;胡乃娟等,2018;鄧橋江等,2019;呂澤芳等,2020)。
本研究發(fā)現,煙稻輪作模式呈現負凈碳匯效應(表 3)。張若焰等(2019)在陜西煙區(qū)的研究也發(fā)現,煙草農業(yè)總碳排放量大于碳匯量,呈現負的凈碳匯效應??緹熥鳛樘厥馊~用經濟作物,相比煙葉產量,生產上更加注重品質。為了生產優(yōu)質煙葉,通常采用控施氮肥、打頂抹杈、摘除底腳葉、多次采收烘烤等措施,這在一定程度上減少了煙株的生物量和碳固定(劉青麗等,2020,2021)。因此,與農作物相比,煙田生態(tài)系統(tǒng)碳匯量通常較低。減少烤煙生產溫室氣體排放是降低煙稻輪作碳排放的重要途徑,而減少多次采收烘烤的勞動用工和柴油投入則是煙葉生產減排的關鍵。此外,中國煙葉烘烤嚴重依賴煤炭,由于煤的能源效率較低,從而導致了更高的溫室氣體排放(和智君等,2010)。煙田生態(tài)系統(tǒng)對大氣而言是“弱碳匯”(張若焰等,2019;劉青麗等,2020),如何減少煙田溫室氣體排放、提高碳匯能力、提升其生態(tài)價值,有待深入研究。近年來,現代煙草農業(yè)的發(fā)展比以往更加注重經濟效益和生態(tài)效益的協同提升,且低碳化生產特征不斷凸顯,低碳農業(yè)技術也得到更為廣泛的推廣應用??緹熖甲阚E構成中NO2、肥料和農膜占總排放比例均超過了20%,并且勞動力和燃油所占比例遠大于水稻和小麥。因此,煙葉采收的機械化程度和煙葉烘烤的節(jié)能減耗也是提高煙稻輪作碳匯效應的重要任務。煙稻輪作種植效益高,但是碳排放也很高,如何降低碳排放至關重要,解決不好直接影響煙糧雙豐收和煙區(qū)穩(wěn)定。本研究探明了烤煙生產碳排放的產生環(huán)節(jié)和主要來源,為下一步更有針對性地推進煙草農業(yè)節(jié)能減排和綠色生產提供重要依據。
本研究評價分析的再生稻、稻麥輪作、煙稻輪作是水稻“碳達峰碳中和”的重要模式生產實踐。在全球攜手應對氣候變化、共促綠色經濟發(fā)展的當今,挖掘這些種植模式的“雙碳”意義,推廣應用適宜的模式和理念,具有重要現實意義。在提高種植模式的碳匯效應方面,今后應重點進行開展以下研究:
一是推進作物生產固碳減排的技術。開展免耕、秸稈還田、綠肥種植、水旱輪作等農藝農技一體化研究,推進全程機械化進程。
二是探索增加作物碳匯途徑。皖南地區(qū)是典型的多熟制區(qū)域,水稻固碳貢獻作用突出,因此可以進一步從增加熟制來提高作物產量進而增加碳匯,例如稻-稻-綠肥、煙-稻-綠肥、稻-稻-油菜等增加碳匯的種植模式。
三是建立生態(tài)補償政策。充分發(fā)揮再生稻保護性耕作技術,探索秸稈還田或打捆收集補助機制,利用財政補貼、價格優(yōu)惠等激勵政策,進一步促進節(jié)能減排、綠色低碳農業(yè)生產技術的推廣應用。
(1)皖南不同種植模式的經濟凈收益的大小為煙稻>再生稻>稻麥>單季稻。煙稻輪作是該區(qū)保障煙糧雙豐收的重要種植模式,其經濟效益高,但是呈現負碳匯效應。應重點從機械化生產、煙葉節(jié)能烘烤等方面降低碳排放。
(2)不同種植模式凈碳匯大小表現為稻麥>再生稻>單季稻>煙稻。再生稻水稻產量高,且成本投入和碳排放低,符合中國倡導的“雙碳”理念,應大力推廣,以提高農民收入和保障糧食安全。
(3)減少CH4排放是再生稻減少碳排放的關鍵。應從控制農田水分管理、提高肥料利用率以及再生稻適當高留樁等方面降低再生稻田CH4排放。