基于氮素阈值和能值分析的长江流域冬油菜环境效益研究

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随着我国人口的不断增加以及人们对生活水平不断提高的渴望,我国的资源消耗逐渐增加。植物油占我国消费用油的主要部分,但我国食用植物油大量依靠进口,自给率不足40%。油菜是我国第一大油料作物,随着国家对食用油安全的重视,近年我国油菜种植面积逐年增加。然而,为了获得较高的产量,仍有部分农民大量施用氮肥,给环境带来潜在风险,且管理措施不合理,导致油菜氮肥利用率低下。因此,本研究基于田间试验数据、农户调研数据、气象数据以及土壤性质数据,估算了长江流域冬油菜产区氮盈余阈值和氮淋溶阈值,并基于能值分析对当前农户生产条件下油菜生产-加工过程进行可持续性评价。主要结论如下:(1)油菜相对产量对施氮量的响应符合线性加平台模型。以相对产量的90%~95%作为目标产量,施氮量即氮肥投入农学阈值为146.8~164.9 kg N/hm~2;油菜相对产量对氮盈余的响应符合指数模型。同样以相对产量的90%~95%作为目标产量,氮盈余阈值为42.3~57.0 kg N/hm~2。随着氮肥用量和氮盈余的增加,氨挥发呈线性增长,直接氧化亚氮排放和氮淋溶则呈指数增长。以57.0 kg N/hm~2为氮盈余阈值,长江流域不同区域分别有45.7%~65.5%的农户超过此阈值,其中长江上游西南部和长江下游单位面积活性氮损失较高,而南方三熟区则表现为单位产量活性氮损失较高,长江中游单位面积及单位产量的活性氮损失均较低。(2)通过收集1991-2020年油菜季气象数据并结合彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)模型计算了长江流域冬油菜蒸散量。结果表明长江流域冬油菜生育期间平均温度均在10℃以上,且降水充足,从北向南逐渐递增。蒸散量受多种气候因素影响,表现为从西向东呈递减趋势。基于水分平衡模型以及欧盟地下水硝酸盐含量限额,结合以上气候和土壤数据指标,本研究估算了长江流域冬油菜产区共计931个县的油菜季氮淋溶阈值。油菜季氮淋溶阈值的区域变化特征与区域降水量的变化特征高度相似。降水充沛且蒸散量较低的下游南部地区和南方三熟区氮淋溶阈值最高,而上游地区最低。长江流域氮淋溶的平均阈值为34.0 kg N/hm~2(范围7.9~75.1kg N/hm~2),基于氮淋溶阈值的氮肥投入环境阈值平均为345.4 kg N/hm~2(201.6~490.3 kg N/hm~2)。结合调研问卷,仅有10.0%的农户超出阈值,其中降水量较低的长江上游以及长江中游北部区域氮淋溶风险较高。(3)通过农户以及食品加工企业调研问卷数据并结合能值分析评价了长江流域冬油菜能值投入构成及其生产-加工系统的可持续性。根据结果,在长江流域冬油菜生产体系中,还田的秸秆、天然气、地球旋转能、氮肥以及雨水化学能是主要的资源能值投入,油菜秸秆、饼粕以及菜籽油是主要能值产出。根据能值分析提供的多种能值指标,在不同施氮水平中,施氮量处于150~210 N/hm~2时经济效益与环境效益达到平衡,此时系统生产效率较高而对环境的压力也处于较低的水平。从整个区域来看,冬油菜生产体系环境负荷率较低,对环境压力较小,但生产效率偏低。综上所述,长江流域冬油菜生产氮肥投入农学阈值为146.8~164.9 kg N/hm~2,氮肥投入环境阈值为201.6~490.3 kg N/hm~2。在农户种植条件下,施氮量处于150~210 kg N/hm~2时能够兼顾经济效益及环境效益。在能值投入上,还田的秸秆、天然气、氮肥占主要部分,产出主要为油菜秸秆、饼粕以及菜籽油。基于当前水平评价,冬油菜种植体系对环境压力较小,但仍需要改进种植管理措施,提高生产效率。
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