2020, Vol. 37
有机肥与无机肥配施是当前农业领域的研究热点，将有机肥与无机肥配合施用既弥补了单施有机肥时肥效较为缓慢、肥料中氮素当季利用率低等缺点，也降低了过量施用化肥所带来的不良影响，对维持作物高产稳产、改善农田生态环境、促进农业可持续发展具有重要意义[1-3]。对农田生产活动现状进行客观评估是实现农业可持续发展的第一步，而足迹指标正是农田生态系统生产活动的评估指标。本研究的足迹类型主要有碳足迹、氮足迹和水足迹。目前我国对于农田碳足迹的研究多集中在耕作措施、种植模式、灌溉方式等方面，对于探讨有机无机肥配施对农田碳足迹影响的研究较少[4-5]。如史磊刚等[6]在对华北平原麦-玉种植模式下碳足迹的研究中发现，化肥与灌溉造成的碳排放是影响麦-玉模式碳足迹的关键。胡乃娟等[7]研究了不同麦秸还田方式对周年稻麦轮作农田碳足迹的影响，结果表明，在旋耕、翻耕和沟埋3种麦秸还田方式中，麦秸沟埋还田能够在增加作物产量的同时减少农田碳排放。与碳足迹相比，氮足迹的研究起步相对较晚，因此目前我国对于农田氮足迹的研究相对较少，且氮足迹的核算方法仍在不断更新与完善中[8-9]。周涛等[10]对2010年广东省农业氮足迹进行了分析，发现饲料与化肥的氮足迹在农业氮足迹中所占比例最大。周杏等[11]对湖北省油菜种植的氮足迹进行了分析，结果表明，肥料类型对所排放活性氮的组分有显著影响，施用有机肥可以显著减少活性氮排放。目前国内外对于水足迹影响的研究较为完善，但多数集中在区域性的农田生态系统中，对于不同施肥方式对农田水足迹的影响研究较为少见。秦丽杰等[12]对吉林省西部玉米生产水足迹进行了研究。盖力强等[13]对华北平原小麦、玉米的生产水足迹进行了研究，结果表明，绿水在当地的作物生产中占有重要地位，且减少小麦、玉米生产水足迹对华北平原具有重要意义。前人在对农业生产中的碳足迹、氮足迹、水足迹进行研究时，多只考虑了其中一个方面，仅有少数研究将多个足迹指标综合考虑，同时将农田生态系统的碳足迹、氮足迹和水足迹综合考虑的研究更是少之又少[14]。
本研究针对我国豫北地区存在的化肥施用量过大、农业废弃物利用率低等问题，在有机物料还田的基础上梯度减施氮肥，探究有机肥和化肥配合施用的适宜施肥量，在保证作物高产稳产、提高农田经济效益的前提下，综合考虑农田生态系统的碳足迹、氮足迹和水足迹，确立农田碳、氮、水高效利用的优化培肥模式，为形成和发展高产低耗的肥料施用技术提供理论支持。
1 材料与方法 1.1 试验地概况在始于2008年的定位试验基础上，于2017年10月—2018年10月在河南省新乡市获嘉县照镜镇前李村高产试验田（113°39′E，35°09′N）进行试验。试验田土壤为黏壤土，土壤肥沃，适宜播种，定位试验前耕层土壤及施加的有机肥养分含量见表 1，试验期间的气温和降水变化见图 1。
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表 1 土壤和有机肥养分含量 Table 1 The nutrient content of the soil and different organic fertilizer |
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图 1 试验期间气温和降水变化 Figure 1 Variations of air temperature and precipitation |
试验田种植模式为麦-玉两熟制，供试小麦品种为“百农矮抗58”，玉米品种为“郑单958”。试验于小麦季施加处理，以单施纯氮270 kg·hm-2为对照（CK），设置了J（秸秆全量还田，4 200 kg·hm-2）、JF（秸秆全量还田+牛粪，牛粪45 m3·hm-2）、JZ（秸秆全量还田+菌渣，菌渣60 m3·hm-2）3种有机物料还田方式；耦合N1（纯氮243 kg·hm-2，较CK减量10%）、N2（纯氮216 kg·hm-2，较CK减量20%）、N3（纯氮189 kg·hm-2，较CK减量30%）3个施氮水平，共计10个处理。每小区面积5 m×6 m=30 m2，3次重复。
小麦季于播前（2017年10月13日）底施有机肥及化肥，CK底施纯氮162 kg·hm-2，N1~N3处理分别底施纯氮135、108 kg·hm-2和81 kg·hm-2，同时各处理底施K2O 180 kg·hm-2、P2O5 120 kg·hm-2、硫磺60 kg·hm-2、ZnSO4 22.5 kg·hm-2；第二年拔节期（2018年3月24日）追施纯氮108 kg·hm-2。玉米季所有处理于玉米出苗后25~30 d（2018年7月18日）施加复合肥（N: P2O5:K2O=28:6:6）900 kg·hm-2，除CK外，前茬小麦秸秆全部还田。试验期间，具体的灌水日期及灌水量：2017年12月5日灌水60 mm；2018年3月25日灌水68 mm；2018年6月10日灌水100 mm；2018年7月18日灌水140 mm。其他管理同一般大田。
1.3 测定指标与方法 1.3.1 小麦、玉米产量于小麦成熟期（2018年5月31日）每小区随机选取1 m2单收，3次重复，小型脱粒机脱粒，晒干后计算产量。每小区随机选取20株植株考种，测定小麦千粒重。
于玉米成熟期（2018年9月12日）每小区随机选取3 m2单行单收，风干后进行考种，测定玉米的单株穗粒数、百粒重、产量。
1.3.2 土壤呼吸分别于小麦苗期（2017年12月22日）、拔节期（2018年3月29日）、开花期（2018年4月26日）、成熟期（2018年5月31日），玉米苗期（2018年6月23日）、拔节期（2018年7月9日）、大喇叭口期（2018年7月21日）、成熟期（2018年9月12日）测定田间土壤呼吸状态，采用EGM-4便携式土壤CO2/H2O通量测定仪（美国PP Systems公司）于晴天上午8:30—11:30测定，用测得的土壤呼吸数据估算农田碳排放。
1.3.3 土壤气体排放分别于小麦苗期、拔节期、开花期、成熟期，玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、成熟期采用静态箱法对农田土壤气体的排放进行监测。每次测定时间为上午8:30—11:30，采集的气体样品使用Agilent7890A气相色谱仪测定温室气体排放峰面积。试验区盖箱期间的气体排放通量采用直线回归法进行计算：
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式中：F为目标气体的排放通量，mg·m-2·h-1；M为气体的摩尔质量；22.4为标准状态下气体的摩尔体积，L·mol-1；H为采样箱内高度，cm；
农田碳足迹是指农业生产活动在生命周期内的碳排放总量，包括直接碳排放与间接碳排放[16]。计算公式为：
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式中：CI为碳排放总量；Cr为农田碳排放，由土壤呼吸数据估算，Cf为农作物生命周期内各生产资料的碳足迹；n为整个生产过程中消耗的n种物质；Cfi为第i种物质的碳足迹；mi为第i种物质的消耗量；βi为第i种物质的碳排放参数。碳排放参数取值为农药6.3 kg· kg-1，电能0.25 kg·kWh-1，柴油0.94 kg·kg-1，氮肥1.74 kg·kg-1，磷肥0.20 kg·kg-1，钾肥0.15 kg·kg-1，小麦种子0.11 kg·kg-1，玉米种子1.05 kg·kg-1 [17]。
碳固定量为作物成熟期生物量的固碳值，计算公式为：
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式中：Co为碳固定量；M为作物的生物量；w为作物含水率；C为作物植株含碳百分数。冬小麦的作物含水率为0.125，含碳率为0.405；夏玉米的作物含水率为0.135，含碳率为0.405[18]。
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式中：Nc指净碳值，当Nc>0时，农田生态系统为固碳状态，当Nc < 0时，农田生态系统为排碳状态；Ce为碳效率。本文中碳排放量、作物固碳量、净碳值统一用碳当量（kg CE）表示，考虑到单位标准化，将“kg CE”省略为“kg”。
1.4.2 农田氮足迹的估算农田氮足迹包括生产氮足迹和输出氮足迹，生产氮足迹主要考虑了生产资料投入、机械能源消耗和自然挥发氮三方面；输出氮足迹主要考虑了农产品收获和秸秆废弃物两方面。有效利用水平为输入的氮素总量转换为农产品收获的比率。计算方法[10]如下：
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式中：NFseed为种子氮足迹；Aseed为单位面积用种量；Aa为播种面积；Nseed为作物种子含氮量；NFfer为肥料氮足迹，包括有机肥和无机肥；Tfer为施肥量；Nfer为肥料含氮量；NFen为机械能源氮足迹；NFNOx和NFN2O分别表示NOx和N2O氮足迹；EC为柴油消耗量；EFH为柴油的NOx排放因子，取值31 kg·t-1；EFM为柴油的N2O排放因子，取值25.59 kg·t-1；c1和c2为NOx和N2O的含氮量，分别取值0.304和0.727[19-20]。
1.4.3 农田水足迹的估算分别从蓝水、绿水和灰水三个方面研究作物的水足迹，蓝水足迹主要为农田灌溉用水量；绿水足迹为作物在生育期内土壤的耗水量与降水量；灰水足迹是指将作物生产中所造成的水污染稀释到标准水所用的水量。作物需水一般包括绿水和蓝水两部分，计算公式为：
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式中：WFprod, blue为蓝水足迹，m3·kg-1；WFprod, green为绿水足迹，m3·kg-1；CWUprod, blue和CWUprod, green分别为作物生育期蓝水和绿水资源利用量，m3·hm-2；Y为作物单位面积产量，kg·hm-2 [21]。
本文对灰水足迹进行估算时，主要考虑施用氮肥对水体造成的污染，未考虑其他肥料及农药对水质的污染。采用临界稀释体积法计算灰水需求量，计算公式如下：
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式中：WFprod, grey为灰水足迹，m3·kg-1；CWUprod, grey为作物生育期灰水资源利用量，m3·hm-2；Y为作物单位面积产量，kg·hm-2；Lp为进入水体的污染物的量，通常选取总施氮量的10%[12]；Cmax为水体可接受的最大污染物浓度，本研究中采用USEPA（美国环保局）标准，即以每升饮用水中不超过10 mg氮计算；Cnat为自然状态下水体中该污染物的浓度，通常为0。
作物生产水足迹就是该地区作物生长过程中所消耗的水资源量，即蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹之和，计算公式如下：
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(17) |
式中：WFprod为作物生产水足迹，m3·kg-1。
1.4.4 农田经济效益估算采用市场价值法计算农田的经济效益，计算公式：
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(18) |
式中：V为农田经济效益，元·hm-2；S为种植面积，hm2；Y为小麦或玉米的产量，kg·hm-2；P为小麦或玉米的市场价格，元·kg-1，小麦的市场价格为2.4元· kg-1，玉米的市场价格为1.88元·kg-1；C为小麦或玉米的生产成本，元，包括机械投入、劳动成本和生产资料投入，生产资料投入包括农药、种子和化肥；小麦种子价格为4.5元·kg-1，玉米种子价格为5.8元·kg-1，氮肥为2.4元·kg-1，K2O为5元·kg-1，P2O5为3元·kg-1，ZnSO4为6元·kg-1，玉米复合肥为2.5元·kg-1。
2 结果与分析 2.1 冬小麦、夏玉米产量及其构成因素由表 2可知，有机物料还田各处理均能不同程度提高小麦及玉米产量，不同有机物料处理下小麦产量表现为JZ>JF>J>CK，较CK增加了1.90%~69.64%。JZ条件下，随配施氮量的增加，小麦产量呈上升趋势，可能是由于长期施加菌渣改良了麦田土壤质量，增加了麦田所能利用的最大氮量；JF条件下，随着施氮量的增加小麦产量呈下降趋势，各施氮水平下小麦产量较CK增加了19.52%~31.35%；J条件下，各施氮水平小麦产量较CK增加了1.90%~31.76%，且N2水平对小麦产量的增加效果最为显著，说明秸秆还田处理下，配施氮量过高或过低均不利于小麦产量最大限度增加。从产量结构上分析，小麦季各处理的单位面积穗数表现为JZ>JF>J>CK，均显著高于CK，但有机物料还田各处理的千粒重均显著低于CK，因此有机物料还田处理主要通过提高小麦的公顷穗数，而非千粒重来提高小麦产量。
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表 2 不同处理下小麦、玉米的产量及构成因素 Table 2 The yield and yield components of wheat and maize under different treatment |
不同处理下玉米产量较CK增加了2.10%~ 45.18%，且表现为J>JF>JZ>CK，小麦季产量最高的JZ处理在玉米季产量较低，可能是由于JZ处理下小麦生长旺盛，对土壤中养分的消耗较大。J条件下，各处理间产量差异不显著，但均显著高于CK，较CK增加了36.99%~39.81%；JF条件下，与小麦季类似，随配施氮量的增加玉米产量呈降低趋势，可能是由于牛粪中有机质含量远高于菌渣和秸秆，因此在玉米季时养分供应仍充足。玉米的穗粒数和百粒重均表现为J>JF>CK>JZ。J条件下，JN1与JN2处理的百粒重均高于JN3处理；JF条件下，各处理的穗粒数和百粒重均表现为JFN3处理最高，与产量趋势一致；JZ条件下，仅JZN1处理的穗粒数显著高于CK。说明J与JF处理主要通过增加玉米的穗粒数及百粒重提高玉米产量，JZ处理不能有效增加玉米产量及其各构成因素。
2.2 麦-玉周年农田经济效益估算如表 3所示，不同有机物料还田处理下农田的经济效益表现为J>JZ>JF>CK，J条件下，农田的经济效益表现为JN2>JN1>JN3，JN2处理的经济效益最高，较CK增加了60.71%；JZ条件下，经济效益与施氮量呈正相关，最高的JZN1处理达27 365.09元·hm-2，较CK增加了69.94%；JF条件下，不同施氮水平的经济效益表现为JFN3>JFN2>JFN1，随着施氮量的增加，农田的经济效益降低，但均显著高于CK。综上所述，与单施化肥相比，有机物料还田处理增加了农田的经济投入，但在增加经济投入的同时也大幅增加了农田的经济产出，因此可以显著增加农田的经济效益，且JZN1、JN2和JFN3处理对农田经济效益的增加效果最显著。
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表 3 不同处理下麦-玉周年农田经济效益 Table 3 The economic benefits of wheat-maize annual farmland under different treatments |
农田碳足迹包括由土壤呼吸估算的农田碳排放及生产资料碳排放。由图 2可知，农田碳排放是农田碳足迹的重要组成部分，占49.58%~66.69%，且除JZN3处理外，有机物料还田处理的农田碳排放均高于CK。生产资料碳排放中，农田灌溉与施用化肥引起的碳排放占生产资料碳排放总量的96%以上，差异主要存在于施用化肥引起的碳排放中，施氮量与碳排放量呈正相关。麦-玉周年农田碳足迹总体表现为J>JZ>JF>CK，与农田直接碳排放表现出一致的趋势，且除JFN2和JZN3处理外，其他有机物料还田处理均增加了麦-玉周年农田的碳足迹，且J处理对碳足迹的增加最多。
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图 2 不同处理下麦-玉周年农田碳足迹 Figure 2 Carbon footprint of agricultural production under different treatments |
由表 4可知，不同处理下农田的净碳值均为正值，说明该农田生态系统为固碳状态。不同有机物料还田处理下农田的净碳值总体表现为JF>JZ>J>CK，JF条件下，JFN3处理的净碳值最高，较CK增加了74.96%；JZ条件下，各施氮水平的净碳值较CK增加了16.91%~42.36%；J条件下，仅JN3处理的净碳值略低于CK，但差异不显著。碳效率是碳固定量与碳排放量的比值，是评价农作物碳足迹强度的重要指标。不同有机物料还田处理下农田的碳效率总体表现为JF>JZ>J>CK，除JFN1、JZN2和JN3处理外，其他处理均能有效增加农田碳效率。因此与单施化肥相比，有机物料还田处理虽然增加了麦-玉周年农田生态系统的碳足迹，但也显著增加了农田的碳固定量，进而增加农田的净碳值及碳效率。
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表 4 不同处理下麦-玉周年农田碳排放、碳固定、净碳值和碳效率 Table 4 Carbon emission, carbon sequestration, net carbon value and carbon efficiency under different treatments |
如表 5所示，生产氮足迹分为生产资料氮足迹、机械能源氮足迹和自然挥发氮三部分，生产资料投入是生产氮足迹的主要来源，占其总量的71.16%~ 83.28%。机械能源方面包括整地、收获及秸秆等有机物料还田对柴油的消耗，各处理机械能源氮足迹均较小。各处理的自然挥发氮足迹表现为J条件下仅JN2处理高于CK，JZ条件下各施氮水平均高于CK。输出氮足迹中，不同有机物料还田时农产品收获氮足迹总体表现为JZ>J>JF>CK，J条件下，各水平的农产品收获氮足迹较CK增加了18.90%~39.63%；JZ条件下，JZN1处理的农产品收获氮足迹最高，达2.33 kg；JF条件下，配施氮量与农产品收获氮足迹呈负相关，JFN3处理最高。有效利用水平为农产品收获氮足迹与生产氮足迹的比值，有机物料还田处理下的有效利用水平均显著高于单施化肥处理，J条件下，各施氮水平的有效利用水平较CK增加了31.76%~39.41%；JF条件下，配施氮量越高，有效利用水平越低，JFN3有效利用水平最高，为0.246 1；JZ条件下JZN1处理的有效利用水平最高，较CK增加了29.33%。因此，与单施化肥相比，有机物料还田下减施氮肥能够降低麦-玉周年农田生态系统的生产氮足迹，增加其输出氮足迹，提高氮投入有效利用水平。
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表 5 不同处理下麦-玉周年农田氮足迹 Table 5 Annual nitrogen footprint in wheat-maize farmland under different treatments |
采用虚拟水的方法计算了不同处理下作物的水足迹，结果如表 6所示。与CK相比，有机物料还田配施氮肥显著降低了作物的生产水足迹，有机物料还田配施氮肥处理下麦田的蓝水、绿水、灰水足迹均有不同程度的降低，且灰水足迹的降低效果最好。麦-玉周年农田的生产水足迹总量表现为JZ < JF < J < CK，JZ条件下，配施氮量与生产水足迹呈负相关，JZN1处理对农田水足迹的降低效果最显著；JF条件下，配施氮量与生产水足迹呈正相关，生产水足迹最低的JFN3处理较CK降低了27.44%；J处理下，农田生产水足迹表现为JN2 < JN1 < JN3，较CK降低了6.31%~26.50%。综上所述，与单施化肥相比，有机物料还田配施氮肥处理可以显著降低作物的生产水足迹，且JZN1、JFN3和JN2处理对麦-玉周年农田生产水足迹的降低效果最好。
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表 6 不同处理下麦-玉周年农田水足迹 Table 6 Annual water footprint in wheat-maize farmland under different treatments |
本研究以小麦播种为起点，玉米收获为终点，分别计算了麦-玉周年农田生态系统的碳足迹、氮足迹和水足迹。结果表明，与单施化肥相比，有机物料还田和减施氮肥处理增加了农田的碳排放量，与前人研究结果[7]一致。有机肥的添加增加了农田的直接碳排放，是由于有机肥的施入增加了土壤中碳的含量，使土壤微生物活性增强，土壤呼吸增强；同时有机肥的施入促进了植物根系的生长，使根系生物量增加，并增加了土壤中的根茬残留物，造成农田直接碳排放增加[4]。但有机物料还田造成的农田直接碳排放增加不会影响大气CO2浓度，因为本研究中所施用的有机肥为农业废弃物，这些农业废弃物如果没有施入农田中，同样也会矿化释放为CO2，并同时造成环境污染[22]。农田碳足迹组成中，化肥与灌溉所造成的碳足迹占碳足迹总量的32.29%~48.89%，所占比例较大，与Cheng等[23]对我国作物生产碳足迹构成的研究结果相似。可能是由于国内化肥与电能生产能耗较高[24]，因此降低能源和工业部门的碳排放对降低农业生产生命周期内的碳足迹仍然十分重要。同时，降低农田施氮量、提高作物氮素利用效率也是降低农田碳足迹的重要措施。
与碳足迹、水足迹相比，目前国内外对于氮足迹的研究相对较少[8]。借鉴碳足迹的概念，本研究主要从生产和输出两方面对农田生态系统的氮足迹进行估算。生产氮足迹中，秸秆还田+菌渣处理下最高，分析生产氮足迹的组成发现，秸秆还田+菌渣处理主要增加了玉米季田间N2O排放。可能与玉米季作物的生长有关，土壤有效氮源的供应是控制N2O排放的主要因素，而在玉米季，秸秆还田+菌渣处理下玉米的产量最低，干物质积累最少，对土壤中氮素的利用最少，因此N2O排放最高[25]。生产氮足迹总量中，施加化肥所造成的氮足迹占70.18%~81.04%，说明在农业生产中，化肥的施用是造成农田氮足迹增加的最主要原因。同时过高的氮肥投入造成了氮肥利用率低下等问题，施入农田中的氮肥大都以活性氮的形式释放到环境中，并未真正为作物利用，带来了严重的环境污染问题[26]。
水足迹的计算结果表明，与单施化肥相比，有机物料还田处理可以显著降低农田的水足迹总量，一方面是由于有机物料还田处理可以有效降低土壤容重，减小土壤孔隙度，显著改善土壤通气及水分状况，增强土壤表层保水效果；另一方面，有机肥的施入可以显著增加作物的根系总量，扩大根系对土壤水分及养分的吸收空间，提高作物的水分效率[27]。在3种有机物料还田方式中，秸秆还田+菌渣处理的水足迹最低，说明秸秆菌渣还田方式对于减少田间土壤水分损失、提高作物水分利用效果最好。水足迹组成中，灰水足迹占农田水足迹总量的43.70%~46.06%，是农田水足迹最重要的组成部分，且在本研究中，对于灰水足迹的估算是保守的，因为仅考虑了氮肥对灰水足迹的影响，尚未考虑气候类型及农药施用等对水质造成的污染。因此调整施肥模式、降低灰水足迹对降低农田水足迹至关重要，与张宇等[28]研究结果一致。
相关研究表明，有机肥与无机肥配施可以调节土壤营养环境，提高土壤保水性和保肥性，降低土壤酸度，最终提高作物产量[29-30]。孙宁科等[31]认为，有机肥与无机肥长期配合施用能够显著提高作物产量，同时增加作物产量的稳定性。有机肥氮替代化肥氮之所以能够增产，是由于其能够改善土壤中氮素的供应过程，使土壤养分能够平稳释放[32]。本研究中，有机物料还田下减施氮肥能够显著增加作物的产量，不同有机物料还田下小麦的产量表现为JZ>JF>J>CK，玉米的产量表现为J>JF>JZ>CK。小麦季JZ处理下产量最高，是由于菌渣中存在大量的微生物，可以加速有机物料的分解，增加土壤酶的活性，增加作物对氮的积累及利用，因此JZN1处理下小麦产量最高[33-34]；JF条件下，牛粪中也存在大量的微生物，能够有效改良土壤状况，但牛粪中氮的含量是菌渣中氮的3.3倍，因此氮投入量较JZ处理大大增加，能够满足玉米季作物对氮素的大量需求，故JFN3处理的玉米产量最高。农田的经济效益与作物的产量和生产成本密切相关，本研究结果表明，与单施化肥相比，秸秆还田处理对农田经济效益的提升最为显著。主要是由于在秸秆还田+牛粪和秸秆还田+菌渣处理中，牛粪与菌渣存在一定的运输成本，且还田时投入的人力成本相对较高，故秸秆还田+牛粪与秸秆还田+菌渣处理的经济效益总体上低于秸秆还田处理。但经济效益最高的JZN1处理仍显著高于秸秆还田各处理。
4 结论与单施化肥相比，有机物料还田与减施氮肥处理能够显著增加作物产量及农田经济效益，且以JZN1、JFN3和JN2处理对农田经济效益的提高效果最为显著。但从碳、氮、水足迹的计算结果来看，JZN1处理不能有效降低农田的生产氮足迹，JN2处理对农田碳效率的提升及对生产氮足迹的降低效果较弱，因此豫北地区更适宜采用小麦季施纯氮189 kg·hm-2、秸秆+牛粪还田（JFN3）的施肥方式。
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