JCLP丨中国棉花生产氮足迹核算和减排潜力

论文内容

研究背景：

农业活动是人类排放活性氮的重要途径。从20世纪初人工合成氨方法发明以来，伴随着人口的快速增长农业种植活动中氮肥投入量不断增加，但肥料的大量投入与低利用效率加剧了农业活动的活性氮排放，造成了严重的环境问题，例如土壤理化性质改，水体富营养化以及全球变暖，给全球农业的可持续发展带来了巨大挑战。中国作为发展中国家以及人口大国，农业生产中大量的农资投入和低利用率加剧了活性氮排放，是世界上主要的活性氮排放源之一。面对巨大的环境压力，减少农业种植系统的活性氮排放刻不容缓。

棉花(Gossypium hirsutum L.)是中国重要的经济作物，目前中国棉花生产的氮足迹仍要高于世界平均水平，十分不利于中国棉花的可持续生产。本研究通过使用生命周期法量化中国三大棉区的氮足迹水平及其时空变化规律，使用主成分分析方法研究其驱动因素，并结合STIRPAT模型探究其减排潜力，提出棉花生产减排增效策略。

研究内容:

2004-2018年中国棉花种植区氮素足迹的时空变化。就棉花生产而言，华南地区的NFa、NFy和NFv均高于华北地区，其中湖南省的NFa最高，河北省的NFa最低。榆林市和延安市大部分地区的NFa呈下降趋势，而榆林市的NFa则呈上升趋势。新疆的NFa增幅最大，湖南的降幅最大，分别达到3.85公斤Neq-ha-1yr-1和-3.39公斤Neq-ha-1yr-1。河南和河北的NFy降幅最大，陕西的增幅最大。除新疆和陕西外，中国其他主要植棉区的NFv从0.001 g Neq-yuan-1-yr-1下降到0.23 g Neq-yuan-1-yr-1，新疆和陕西的增幅分别为0.004 g Neq-yuan-1-yr-1和0.007 g Neq-yuan-1-yr-1；陕西增幅最大，湖南下降幅度最大。

通过分析2004-2018年棉花氮素排放模型的预测值和实际值，发现在P<0.0001的水平上，拟合方程的相关性（R2）为0.8483，方程能够真实反映实际情况。根据情景分析，2019-2050年氮排放影响因素中的种植规模和进口数量在政策和市场的作用下将逐渐趋于稳定。农业经济和城镇化率在中国经济发展速度缓慢上升后将趋于稳定，技术效率的自变量变化率将在-3.5%到0.86%之间。四种情景下的模型模拟结果如下。在BS、LS、HS和NS情景下，氮气排放存在差异。在BS和LS情景下，氮排放的变化趋势比较相似，在2023年后开始迅速下降。HS和NS情景下的氮排放趋势也相对相同，并有反弹的可能。通过分析全国棉花生产四种情景下氮排放的变化趋势，可以得到不同情景下的减排潜力和增排风险。在基准情景（BS）下，与2018年相比，2050年中国棉花生产的氮排放可减少48.73千吨的活性氮排放。与2018年相比，低氮情景（LS）在2050年可以减少54.43千吨的活性氮排放，比基准情景多10.07%。在高投入（HS）和无干预（NS）情景下，不能实现减排目标，但分别增加了8.89千吨和18.68千吨活性氮的排放，进一步增加了农业系统产生的环境压力。

研究结论：

2004-2018年间中国棉花生产单位面积氮足迹不断增加，平均每年增加1.168 kg Neq·ha-1。西北棉区棉花生产单位面积氮足迹呈上升趋势，黄河流域与长江中下游棉区棉花生产单位面积氮足迹呈下降趋势。肥料及其产生的氮损失是活性氮排放的主要途径。STIRPAT模型预测结果显示相比2018年，2050年中国棉花生产最多可减少氮排放54.43千吨。通过适量施用氮肥并结合诸如增种绿肥等先进耕作措施可以有效减少棉花生产的活性氮排放。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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