2019, Vol. 38
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室, 北京 100081
2. National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Institute of Agricultural Resources and Reginal Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
化学氮肥在我国粮食产量增加的过程中发挥着不可替代的重要作用，但在我国，由于受到诸多因素的影响，农民为了获得作物高产，过量施肥现象相当普遍[1-2]。化学氮肥施用是导致农田土壤N2O气体排放的最重要因素之一。Gao等[3]通过建立我国农田N2O排放数据库，采用Meta analysis汇总N2O排放因子，得出我国水田和旱地土壤N2O直接排放因子分别为0.41%和1.05%。除了化学氮肥施用带来的农田N2O直接排放外，通过径流和渗漏方式进入到地表水和地下水的这部分氮素以及挥发到大气中的NH3等也会间接导致N2O的排放[4-5]。另外，化学氮肥的生产过程包括化石燃料和化学氮肥原料的开采和运输、氨合成过程及其二次加工都需要消耗大量化石燃料和电力，这也均与温室气体排放相关[4]。Zhang等[4]的研究结果显示，2005年我国与氮肥生产和施用过程相关的温室气体排放量占全国温室气体排放总量的6.8%，其中N2O排放量更是占到全国N2O排放总量的50%。
近年来，我国农田所投入的化学氮肥在生产、运输和施用过程中导致的温室气体排放问题逐渐引起人们的关注[6-8]。对于我国不同种类化学氮肥（尿素、复混肥和碳酸氢铵等）来说，其在制造和运输过程中的温室气体排放系数存在差异，而在以往的研究中对这方面的关注较少。本研究基于《中国统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》中2013—2015年我国典型省份（河南、河北和山东）小麦和玉米的年播种面积及不同种类化学氮肥的单位面积施用量，并根据文献调研得出化学氮肥施用导致的旱地土壤N2O直接排放因子、挥发沉降和淋溶径流途径损失氮素的N2O间接排放因子及不同种类化学氮肥生产和运输过程的温室气体排放系数，分析了我国河南、河北和山东3个典型省份在小麦和玉米上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量，以期为我国区域农田温室气体排放清单的编制和化学氮肥施用中温室气体减排对策的制定提供数据基础和决策支持。
1 材料与方法 1.1 数据来源本研究的研究区域为河南、河北和山东3个小麦和玉米典型种植省份，2015年这些省份的小麦和玉米总播种面积分别占到了全国小麦和玉米总播种面积的48%和26%。这些省份在小麦和玉米上不同种类化学氮肥单位面积施用量来源于国家发展和改革委员会价格司编制的《全国农产品成本收益资料汇编》 [9]，估算中所用到的小麦和玉米播种面积来自于国家统计局编制的《中国统计年鉴》 [10]。在小麦和玉米上投入的化学氮肥的种类主要包括尿素、复混肥和碳酸氢铵等。对2013年我国种植业化肥施用状况调查分析的结果显示，氮磷钾等养分配方复混肥样本数占农民选购复混肥总样本数的比例较高[11]，本研究采用此养分比例对复混肥中氮素含量进行计算。为避免年际间的波动，对于小麦和玉米的年播种面积及其化学氮肥单位面积施用量，采用2013—2015三年的平均值。对化学氮肥消费所产生的温室气体排放量的估算包括化学氮肥施用导致的农田土壤N2O直接排放、氨挥发沉降和氮淋溶径流损失导致的N2O间接排放以及化学氮肥在生产运输过程中的温室气体排放[4]。
1.2 化学氮肥消费量用以估算我国典型省份小麦或玉米年化学氮肥消费量的计算公式为：
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(1) |
式中：NC为小麦或玉米的年化学氮肥消费量，kg；NRi为小麦或玉米上不同种类化学氮肥（尿素、复混肥和碳酸氢铵）单位面积施用量，kg·hm-2；A为小麦或玉米的年均播种面积，hm2。
1.3 化学氮肥施用导致的土壤N2O直接排放量对于我国农田因氮肥施用导致的N2O排放估算，应用较多的是排放因子法。排放因子法虽然不能反映一些因素对农田N2O排放的影响，但却是在大尺度上计算N2O排放的通用方法[3]。由于相关数据和资料的限制，本研究以《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中提供的方法对化学氮肥施用导致的土壤N2O直接排放量进行估算，采用Gao等[3]基于261个旱地样本数据总结得出的旱地土壤N2O直接排放因子1.05%。
用以估算我国典型省份小麦或玉米土壤由于化学氮肥施用导致的土壤N2O直接排放量的计算公式为：
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(2) |
式中：EDN2O为小麦或玉米土壤由于化学氮肥施用导致的土壤N2O直接排放量，kg；EF1为旱地土壤因化学氮肥施用造成的土壤N2O直接排放因子，取1.05%；44/28表示将N转换为N2O的系数。
1.4 化学氮肥施用导致的N2O间接排放量除了化学氮肥施用产生的农田土壤N2O直接排放外，以NH3等形式挥发的氮以及通过渗漏和径流损失的这部分氮素也会导致N2O的间接排放。Zhang等[4]基于我国259个旱地样本数据得出上述两部分氮素的损失系数分别为12.9%和9.8%。根据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》，挥发的氮以及通过渗漏和径流损失的这部分氮素的N2O间接排放因子分别为1%（EF2）和0.75%（EF3）[12]。因此，用以估算我国典型省份小麦或玉米化学氮肥施用导致的N2O间接排放量的计算公式为：
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(3) |
式中：EIN2O为小麦或玉米由于化学氮肥施用导致的N2O间接排放量，kg。
1.5 化学氮肥在生产和运输过程中的温室气体排放量对于尿素、复混肥和碳酸氢铵的工业生产来说，温室气体排放系数分别为8.1、7.4、7.2 kg CO2–eq·kg–1 N，其运输过程的温室气体排放系数分别为0.06、0.18、0.15 kg CO2–eq·kg–1 N[4]。用以估算我国典型省份在小麦或玉米上消费的化学氮肥在生产、运输过程中温室气体排放量的计算公式为：
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(4) |
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(5) |
式中：EP为在小麦或玉米上消费的化学氮肥在生产过程中的温室气体排放量，kg；EF4（i）为不同种类化学氮肥（尿素、复混肥和碳酸氢铵）生产过程的温室气体排放因子；ET为在小麦或玉米上消费的化学氮肥在运输过程中的温室气体排放量，kg；EF5（i）为不同种类化学氮肥运输过程的温室气体排放因子。
1.6 化学氮肥产生的温室气体排放总量用以估算我国典型省份小麦或玉米化学氮肥施用导致的温室气体排放总量的计算公式为：
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(6) |
式中：ETG为我国典型省份小麦或玉米消费的化学氮肥产生的温室气体排放总量，kg；298表示在100年尺度上，N2O的全球增温潜势是CO2的298倍。
2 结果与分析 2.1 我国典型省份小麦和玉米的化学氮肥施用现状根据《中国统计年鉴》中2013—2015年河南、河北、山东3省的小麦或玉米年播种面积，可以得出各省份小麦的年均播种面积分别为540.0万、234.6万、373.8万hm2，玉米的年均播种面积分别为327.7万、317.6万、312.0万hm2。在这3个省份之中，河南省的小麦播种面积最大，占3个省份小麦总播种面积的47%，其次为山东省和河北省；3个省份的玉米播种面积基本相当。对《全国农产品成本收益资料汇编》中各省份氮肥投入情况进行分析，可知2013—2015年期间河南、河北、山东3省小麦的化学氮肥单位面积施用量分别为207、262、225 kg·hm-2，河北省的小麦化学氮肥施用量在3个典型省份中为最高，比山东省和河南省分别高出16%和26%。3个典型省份在小麦上投入的化学氮肥包括尿素、复混肥和碳酸氢铵等，以尿素和复混肥为主，碳酸氢铵的施用量较低，其氮素投入比例分别为3%、7%和6%（表 1）。对于河南和山东这两个省份来说，小麦的尿素单位面积施用量与复混肥单位面积施用量（以氮素养分含量计）基本相当；而河北省小麦的化学氮肥投入以尿素为主，以尿素形式投入的氮素占到氮素投入总量的59%，其次是复混肥，占到34%。河南、河北、山东3省玉米的化学氮肥单位面积施用量分别为160、165、213 kg ·hm-2，山东省的玉米化学氮肥施用量比河北和河南省的分别高出29%和33%。和小麦一样，这3个省份玉米的氮素投入也均以尿素和复混肥为主，而碳酸氢铵的投入比例更低，分别为2%、1%和2%。各省份玉米的化学氮肥施用量均低于小麦。河南、河北和山东3个省份小麦和玉米两种粮食作物的年均化学氮肥消费总量分别为164万、114万、151万t·a–1，河南省和山东省主要旱作作物的化学氮肥消费量分别比河北省高出44%和32%。
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表 1 我国典型省份小麦和玉米的化学氮肥施用量和消费量 Table 1 Application rates and consumption of synthetic N fertilizers for wheat and maize in typical provinces of China |
基于河南、河北和山东3省小麦或玉米的年化学氮肥消费量，利用公式（2）和公式（3）可以分别计算出各省份由于化学氮肥施用导致的N2O直接和间接排放量（表 2）。对于小麦来说，河南、河北和山东3个省份由于化学氮肥施用所导致的年均N2O排放总量分别为2.21万、1.21万、1.66万t·a-1，其中来自于农田土壤的N2O直接排放量分别为1.85万、1.01万、1.39万t·a-1。由公式（2）和公式（3）可知，化学氮肥施用所产生的N2O排放量与化学氮肥消费量有直接关系。河南省的小麦播种面积较大，在3个典型省份中居于首位，远超过山东省和河北省的小麦播种面积，这致使其在小麦上的化学氮肥消费量较大。相应地，河南省小麦由于化学氮肥施用产生的直接和间接N2O排放量均高于山东省和河北省。3个典型省份在玉米上由于化学氮肥施用所导致的年均N2O排放总量分别为1.03万、1.03万、1.31万t·a-1，其中来自于农田土壤的N2O直接排放量分别为0.86万、0.86万、1.09万t·a-1。3个省份的小麦由于化学氮肥施用所带来的N2O排放量均高于玉米。本研究的结果表明，在我国旱地上化学氮肥施用过程所导致的N2O排放以直接排放为主，来自土壤的N2O直接排放量占到化学氮肥施用产生的N2O排放总量的84%。总体来看，河南、河北和山东这3个省份小麦玉米两种粮食作物化学氮肥施用过程的年均N2O排放总量分别为3.23万、2.24万、2.96万t·a-1，河南省的排放量居于首位，其次是山东省和河北省。
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表 2 我国典型省份小麦和玉米化学氮肥施用产生的N2O排放量 Table 2 The estimated N2O emissions from the application of synthetic N fertilizers for wheat and maize in typical provinces of China |
基于《中国统计年鉴》中河南、河北和山东3省的小麦或玉米年播种面积，以及《全国农产品成本收益资料汇编》中各省份小麦或玉米上不同种类化学氮肥（尿素、复混肥和碳酸氢铵）的单位面积施用量，利用公式（4）和公式（5）可以计算出在小麦或玉米上消费的不同种类化学氮肥在生产及运输过程中的温室气体排放量（表 3）。由于我国农田中施用的不同种类化学氮肥如尿素、复混肥和碳酸氢铵在工业生产和运输过程中的温室气体排放系数存在差异，所以，在计算过程中通过区分具体化学氮肥类型可以在一定程度上更为准确地估算我国典型省份在小麦或玉米上消费的化学氮肥在其生产和运输过程中的温室气体排放量。对于小麦来说，河南、河北和山东3省来自化学氮肥生产运输的年均温室气体排放量分别为879万、486万、659万t CO2–eq·a-1，其中尿素和复混肥这两种化学氮肥消费产生的温室气体排放量分别占到各省份化学氮肥生产运输过程温室气体排放量的97%、94%和94%，碳酸氢铵由于农田施用量很低，其产生的温室气体排放量所占份额很小。对玉米来说，河南、河北和山东各省份所消费的化学氮肥在生产运输过程中的年均温室气体排放量分别为410万、413万、523万t CO2–eq·a-1，其中尿素和复混肥这两种化学氮肥的温室气体排放量分别占到了各省份化学氮肥生产运输过程温室气体排放量的98%、99%和98%。
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表 3 我国典型省份在小麦和玉米上消费的化学氮肥在生产和运输过程中的温室气体排放量 Table 3 The estimated greenhouse gas emissions from the production and transportation of synthetic N fertilizers for wheat and maize in typical provinces of China |
基于河南、河北和山东3省小麦或玉米化学氮肥施用导致的N2O直接和间接排放量，以及所消费的化学氮肥在生产和运输过程中的温室气体排放量，利用公式（6）可以计算出各省份小麦或玉米化学氮肥消费产生的温室气体排放总量（图 1）。河南、河北和山东3省在小麦上消费的化学氮肥带来的年均温室气体排放量分别为1536万、847万、1153万t CO2–eq·a-1，其中河南省的温室气体排放量最高，分别比山东省和河北省高出33%和81%；就单位播种面积温室气体排放量而言，最高的是河北省，为3.61 t CO2–eq·hm-2·a-1，其次是山东省和河南省，分别为3.09、2.85 t CO2–eq·hm-2·a-1。河南、河北和山东3个典型省份在玉米上消费的化学氮肥产生的年均温室气体排放量分别为717万、720万、912万t CO2–eq·a-1，其中山东省的温室气体排放量较高，河南省和河北省的温室气体排放量基本相当；3个省份单位播种面积温室气体排放量分别为2.19、2.27、2.92 t CO2–eq·hm-2·a-1，其中山东省与河北和河南省相比偏高。河南、河北和山东3个省份小麦来自化学氮肥消费的单位产量温室气体排放量分别为0.46、0.60、0.51 t CO2–eq·t-1·a-1，其中河北省和山东省的单位产量温室气体排放量相对较高（图 2）。3个典型省份玉米来自化学氮肥消费的单位产量温室气体排放量分别为0.40、0.43、0.46 t CO2–eq·t-1·a-1，在5%水平上，省份间没有显著性差异。对于小麦和玉米这两种粮食作物消费的化学氮肥导致的温室气体排放总量来说，河南省居于首位，年均温室气体排放量达到2254万t CO2–eq·a-1，其次是山东省和河北省，分别为2065万t CO2–eq·a-1和1567万t CO2–eq·a-1。
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图 1 我国典型省份在小麦和玉米上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量 Figure 1 The estimated greenhouse gas emissions from the consumption of synthetic N fertilizers on wheat and maize in typical provinces of China |
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图 2 我国典型省份小麦和玉米化学氮肥消费的单位产量温室气体排放量 Figure 2 The estimated greenhouse gas emissions of per unit of yield from the consumption of synthetic N fertilizers on wheat and maize in typical provinces of China |
本研究估算了我国3个小麦和玉米主要种植省份河南、河北和山东在农田化学氮肥施用及其生产运输过程中产生的温室气体排放量，可为不同区域农业源温室气体排放清单编制以及政府制定相应温室气体减排政策和方案提供科学依据。本文估算结果的不确定性主要来源于计算过程中所采用的参数，虽然本研究所选择的计算参数的可信度较高，但文献调研得出的一些计算系数本身的不确定性会延伸到本研究的估算中，导致对化学氮肥生产运输及施用所产生温室气体排放量的估算结果不够精确。以化学氮肥施用导致的N2O排放量估算为例，由于可获取的数据有限，本研究没有综合评估相关因素对我国农田化学氮肥施用导致的土壤N2O直接排放因子的影响，而是采用了Gao等[3]基于我国261个旱地样本数据总结得出的旱地土壤N2O直接排放因子，这在一定程度上不能很好地反映环境因素差异所带来的N2O排放量的时空变异性，今后有必要根据不同区域的具体情况得出具有空间分异性的排放因子。Zhang等[4]基于我国259个旱地样本数据得出以NH3等形式挥发的氮以及通过渗漏和径流损失的氮这两部分的损失系数分别为12.9%和9.8%。对于挥发沉降的氮以及通过渗漏和径流损失的这部分氮素导致的间接N2O排放因子，由于相关资料欠缺，本研究未能根据实际情况进行修正得到本土化的排放因子，而是参考了Zhang等[4]的处理方法，采用IPCC推荐值，这可能使估算结果与实际排放量存在一定偏差。
对于3个典型省份的农田化学氮肥消费来说，河北省小麦以及山东省玉米的单位播种面积温室气体排放量较高，这主要与较高的化学氮肥单位面积施用量有关。通过优化农田氮肥管理技术实现氮肥减量施用具有较大的温室气体减排潜力。研究表明，一些较好的农田氮肥管理方法，例如测土配方技术、针对小麦和玉米的氮素实时监控技术（In–season nitrogen Management）以及Nutrient Expert推荐施肥专家系统等，在保证粮食作物产量的前提下，可以在一定程度上降低我国农田化学氮肥施用量[13-15]。以比较适合以家庭为主要经营单元的小农户生产体系的Nutrient Expert推荐施肥专家系统为例，河南、河北和山东3个省份的小麦氮肥推荐施用量分别为144、135、140 kg·hm-2[14]。在应用此氮肥管理技术的情况下，与农户习惯施肥相比，可分别节约氮肥63、127、85 kg·hm-2，进而减少相应的温室气体排放量。如何更好地让广大农户接受并采用先进的氮肥管理技术是目前需要解决的一个重要问题。韩洪云等[16]对山东省枣庄市薛城区农户的调研数据表明，农户耕地采用平均分地的分配方式，与农技人员联系不方便会导致农户未采纳测土配方施肥技术。Huang等[17]在我国山东省进行的研究表明，通过对农民进行技术培训可有效引导农民进行合理施肥，可以达到玉米农田氮肥施用减量22%的效果。这些研究说明，一些较好的农田化学氮肥管理技术要实现大范围推广，对农户进行技术培训是较好的方式之一。因此，农业部门应通过专家知识讲座与田间具体指导相结合的方式加强化学氮肥优化管理技术的推广，并提供良好的后续技术咨询服务。在条件允许的地区可以先进行示范试验，这样有助于消除农户规避风险的心理。我国旱地作物上化学氮肥消费带来的温室气体排放主要来自于化学氮肥的生产过程以及土壤N2O直接排放这两个方面。我国不同种类化学氮肥生产过程的温室气体排放系数存在差异，尿素、复混肥和碳酸氢铵工业生产过程的温室气体排放系数分别为8.1、7.4、7.2 kg CO2–eq·kg–1 N[4]。目前我国旱地作物氮肥投入以尿素和复混肥为主，碳酸氢铵所占比例很低，今后可进一步加大复混肥的投入比例，以减少来自化学氮肥生产过程的温室气体排放。河北省小麦以尿素的投入比例比较高，可通过投入氮肥种类的适当调整以降低来自氮肥生产的温室气体排放量。另外，我国平均氮肥综合碳排放系数是国外平均水平的1.6倍，未来也可考虑通过降低化学氮肥制造链各环节的能耗来降低我国因农田化学氮肥使用带来的温室气体排放量[18]。
4 结论（1）我国河南、河北和山东3个典型省份小麦和玉米的化学氮肥投入均以尿素和复混肥为主，碳酸氢铵的投入比例很低。
（2）3个典型省份小麦化学氮肥消费产生的温室气体排放量分别为1536万、847万、1153万t CO2–eq·a-1，河南省和山东省的排放量远高于河北省；就单位播种面积和单位产量温室气体排放量来说，河北省均高于山东省和河南省。
（3）3个典型省份玉米化学氮肥消费产生的温室气体排放量分别为717万、720万、912万t CO2–eq·a-1，均低于相应省份小麦的排放量；山东省玉米单位播种面积温室气体排放量高于河北省和河南省，而3个省份的单位产量温室气体排放量差异不大。
（4）我国典型省份小麦和玉米化学氮肥消费带来的温室气体排放主要来自于尿素和复混肥生产过程中的温室气体排放以及农田施用导致的土壤N2O直接排放这两部分，今后可以从这两个方面寻求相应的温室气体减排对策。
致谢: 本文部分数据来源于已发表的文献，在此对所有文献作者表示衷心感谢！
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