东北三省玉米生产资源投入和环境效应的时空特征

[目的]玉米的总产量在我国三大主粮作物中最高,位居世界第二位.东北三省玉米种植面积占全国的39％,而资源投入相对较低.本研究旨在明确东北三省玉米生产资源投入和环境效应的时空特征.[方法]基于生命周期评价(life cycle assessment)方法,采用适用于东北三省玉米生产的活性氮损失模型,定量化评价东北三省2007-2016年玉米生产系统的资源投入(肥料、农药和柴油等)及其相关的活性氮损失和温室气体排放等环境风险.[结果]东北三省玉米生产资源投入在时空尺度上均存在较大差异.吉林省玉米生产的平均总施肥量为400 kg·hm2,单产为7 065 kg·hm-2,平均单位面积温室气体(GHG)排放量为2 965 kg C02 eq·hm-2,均为三省最高,而碳、氮足迹较低,平均单位面积活性氮(Nr)损失量为中间水平且年际间变化不大.辽宁省的平均氮肥投入量为198 kg·hm-2,Nr损失量为20.8kgN·hm-2,碳、氮足迹为493 kgC02eq·Mg-1和3.53 kg N·Mg-1,均为最高.单产为5 966 kg·hm-2,处于中等水平,GHG排放量年际间变化不大.黑龙江省平均施氮量为149 kg·hm-2,单产水平为5 318 kg·hm-2,Nr损失量和GHG排放量等均为三省最低,碳、氮足迹均处于中等水平.时间尺度上,2008-2015年东北三省玉米种植面积逐年增大,累积增加了 5.73 Mhm2.2015年东北三省玉米产量最高,达91.2 Mt(百万吨);2007-2016年玉米平均总产量占全国的32％,其中黑龙江省、吉林省和辽宁省分别占13.9％、11.7％和6.7％;10年平均种植面积占全国的30％,其中黑龙江省、吉林省和辽宁省分别占14.7％、9.3％和6.4％.东北三省玉米10年平均单产为6 116 kg·hm-2,平均单产最高年份为2013年,为6 824 kg·hm-2.2007-2016年10年间东北三省玉米生产的肥料投入整体呈上升趋势,氮肥稳中有降,磷钾肥逐年升高,2014-2016年3年肥料增长趋势大幅减缓,逐渐趋于稳定,10年间氮、磷、钾肥平均用量分别为177、101和70.2 kg·hm-2.2007-2016年,东北玉米生产农药投入量呈现稳步上升趋势;柴油投入量前4年较为稳定,后逐渐上升.东北玉米生产10年间的平均农药用量为10.2 kg·hm-2,平均柴油用量为94.6 L·hm-2.10年间玉米生产(2007-2016)平均单位面积Nr损失量和GHG排放量分别为19.0 kg N·hm-2和2 770 kg CO2 eq·hm 2.Nr损失量10年间较为稳定.2007-2008和2009-2011年玉米生产的平均GHG排放量呈下降趋势,2012-2016年呈稳定上升趋势,2016年达到最高的3 045 kg CO2 eq·hm-2.氮肥田间施用产生的氨挥发是玉米生产中活性氮损失的主要途径,硝酸盐淋洗损失次之,而氧化亚氮排放占比最低.温室气体的主要排放环节为肥料生产运输与田间施用.10年间,东北玉米生产的平均氮足迹和碳足迹分别为3.16 kg N·Mg-1和459 kg CO2eq·Mg-1.[结论]东北三省玉米生产的资源利用和环境代价在空间尺度上差异较明显,吉林省的平均肥料投入量比黑龙江省高124 kg·hm-2,GHG排放量高524 kg CO2 eq·hm2;在时间尺度上,10年间东北三省玉米生产的氮肥投入量为170-182 kg·hm-!,Nr损失量变化范围为18.4-19.4 kg N·hm-2,为我国玉米主产区中较低的氮肥投入与损失量.玉米生产碳、氮足迹的高低主要取决于资源投入(尤其是氮肥投入)与单产水平之间的平衡.东北三省玉米生产资源投入和环境效应的时空特征分析有助于明确现阶段限制因素与主控因子,为优化养分管理实现粮食安全和碳减排的双赢提供理论支撑.