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1、中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展赵荣钦1,黄爱民1,秦明周1,杨 浩2(1.河南大学 环境与规划学院,河南 开封475001;2.中国科学院南京土壤研究所,江苏 南京210008)摘 要:从影响农田生态系统碳循环的主要因素出发,概括总结了我国有关的农田碳增汇/减排技术,提出了对农田碳增汇/减排技术进行效益评价的方法,指出了当前在该领域研究中存在的问题和不足,以及未来的发展趋势.关键词:农田生态系统;碳循环;增汇/减排;效益评价中图分类号:S154.1(2)文献标识码:A文章编号:1003-4978(2004)01-0060-06 收稿日期:2003209215 基金项目:中国科学院知识
2、创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-17)作者简介:赵荣钦(1978-),男,河南省孟津县人,河南大学硕士研究生.Progress in the Studies of Techniques of Adding Carbon Sinksand Reducing Carbon Emissions in Agroecosystems of ChinaZHAO Rong2qin1,HUANG Ai2min1,QIN Ming2zhou1,YANG Hao2(1.Collage of Environment and Planning,Henan University,Henan Kaifeng47
3、5001,China;2.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Jiangsu Nanjing210008,China)Abstract:Based on the main factors affecting carbon cycle in agroecosystems,this paper summarized the relatedtechniques of adding carbon sinks and reducing carbon emissions in agroecosystems of China,it wo
4、rked out the principlesand methods to evaluate the benefits of the techniques of adding carbon sinks and reducing carbon emissions inagroecosystems,pointed out the problems,deficiencies and the development trends in this field.Key words:agroecosystem;carbon cycle;add carbon sinks and reduce carbon e
5、missions;benefits evaluation工业革命以来,人类活动向大气排放了大量的温室气体,且各种温室气体的浓度呈显著增加的趋势.早在1991年,全球大气中仅CO2浓度就达到35510-61,比工业革命前增加了近25%,而且高于16万年以来任何时期的值2.为减少全球温室气体的排放,1997年签订的京都协议对发达国家温室气体年排放限量和具体时间表做出了规定,并对发展中国家做了具体的要求和规定以及需要履行的义务3.之后,各国进一步加强了对碳循环和碳收支问题的研究,碳循环成为全球变化研究的重点领域.从目前的研究结果来看,碳失汇4最有可能存在于陆地生态系统中5-6,但有关中国陆地生态系统
6、的碳汇问题只是在个别文献6-8中提到,有关农田生态系统碳循环的研究尤为薄弱.目前对农田碳循环的研究多集中在稻田甲烷9-11、土壤碳12-14等方面.由于农田生态系统碳循环是一个复杂的问题,涉及到其子系统之间各种形式的物质循环和迁移,因而,对碳增汇/减排技术的探索有助于我们了解农田碳循环的作用机理和内部机制.1 农田生态系统碳库及碳增汇/减排的影响因素1.1 农田生态系统碳库及碳循环现状农业是重要的温室气体排放源,据估计,农业源排放的CO2和CH4分别占人为温室气体排放量的21%25%和57%15.农田生态系统碳库是全球碳库和陆地生态系统碳库的重要组成部分,而且是其中最活跃的部分.农业土壤碳储量
7、占全球碳储存总量的8%10%.在人类耕种、施肥、灌溉等管理活动影响下,农业土壤中碳库的质和量迅速变化.碳在农业生态系统的演化受多种因素控制,从而构成了一个非线性复第34卷 第1期河南大学学报(自然科学版)Vol.34No.12004年3月Journal of Henan University(Natural Science)Mar.2004杂系统16.农田生态系统碳循环过程可分为对碳的吸收、固定、排放和转移四个部分.对碳的吸收主要包括农作物等从大气及土壤中吸收的碳;固定是指当年固定在系统内暂时储备或未被消耗或分解的碳;碳排放主要是指生产性和生活性农产品所相当的碳量;转移是指当年出口的农产品及其
8、制成品所相当的碳量.根据以上所建立的各子系统相互关系模型,对我国农业生态系统碳平衡进行估算的研究表明,当前我国农业生态系统是一个弱碳汇2.但由于各地区生产布局条件和经济发展水平的差异,我国农业生态系统的碳汇功能具有地域差异,尽管大部分地区为碳汇区,仍然也有部分地区为农业碳源,如京、津、沪、广东及云、贵、川等地17.而且由于施肥和田间管理不当等原因,我国农业土壤的碳库处于负平衡状态,即有机碳储量以每年7.381013g的速率逐年减少16.这种现状将会对我国农业发展和陆地生态系统的碳平衡造成长期不良的影响,因此我们必须需求合理的农田生态系统碳增汇措施,这对于减少温室气体排放、增加农田土壤有机质、维
9、护农田生态环境都具有重要意义.图1 农田生态系统碳增汇/减排的影响因素框图1.2 农田生态系统碳增汇/减排的影响因素农田生态系统的碳汇功能受多种因素影响.只有深入地了解碳循环的影响因素,才能对各种因子作用力的大小和形式作出评估,从而提出适合不同类型生态系统的碳增汇措施.图1中将农田碳增汇/减排的影响因素分为土地利用方式变化、气候因子、农业生产方式水平和结构、土壤条件、作物品种及全球变化的影响等六个方面.实际上其中最重要的是人类活动的影响,但它渗透在各种影响因素之中.例如,目前由于土地利用方式变化每年向大气排放1.61015g,是仅次于化石燃料燃烧的第二大来源18.人类活动影响农业生产方式、农业
10、土地整治措施以及土壤的呼吸和理化性质,从而在一定程度上决定了农田碳循环的形式和速率.所以,我们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手,通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索碳增汇/减排技术,来达到固碳增汇的目的.2 农田生态系统碳增汇/减排技术碳增汇与减排是一个问题的两个方面,前者是从“汇”的角度来考虑,而后者是以“源”作为出发点,即所谓的“减源增汇”,其实质是采用合理有效的措施将更多的碳固定于农田生态系统中.各国已对碳增汇/减排技术做出过一些有益的探索19-20,我国部分学者也对该技术做过一些总结17,21-22,归纳起来,有关的技术措施多是针对工业及能源消费,部分对农业的研究也仅限于稻田
11、甲烷排放方面,对气体减排的研究较多,但对如何增汇及相应的经济与生态效益的研究较少.采取有效的措施对农田生态系统“减源增汇”,才能进一步掌握其碳循环的规律,为建立农田生态系统CO2清单和更大尺度上的碳通量研究提供科学依据.(1)调整耕作制度.耕作制度对农田生态系统碳储量有较大影响,全球每年因耕作损失的碳为81014赵荣钦,等:中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展61g13.农田土壤碳排放是植物根系、土壤微生物、土壤动物等呼吸排放的共同产物.农田有植被生长的土地,CO2排放通量高于退化草地或撂荒地23,因此免耕法和发展生态农业是增加碳汇的有效途径.免耕法是一种对土壤扰动最小的耕作方式,能非常有
12、效的提高农田土壤有机碳13,24.近年来,农业土地的闲置计划已经在北美和欧洲实施25,据估算,美国普遍采用免耕技术后,在30年里能截留2.810144.51014gC26.英国还规定休耕的土地必须占耕地总数的15%18%19.长期免耕能增加表土层土壤微生物碳、氮含量,通过陆地生物及落叶的转化,有机碳蓄积量能够增加,这使免耕土壤比传统耕作管理措施的土壤有机碳平均水平高.我国人多地少,在部分地区实行免耕的同时,需要大力发展生态农业,这也是一项增加农田生态系统碳汇的重要措施.另外,对稻田来说,可实行合理的生产方式和耕作制度来减少碳排放,如采取水旱轮作,可以明显降低稻田甲烷排放,其中早晚稻间水旱轮作效
13、果更好27.半旱式垄作也可降低冬水田甲烷排放通量28.总的来说,从森林变为农田的过程会导致土壤有机质含量显著减少,但我们可以加以人为的调节来适度地改变这一过程.我国的耕作制度存在很多不合理的地方,在改变耕作制度提高农业产量和增加经济效益的同时,需结合不同的农田生态系统类型自身的特点,采用恰当的耕作方式,以达到增加碳汇的目的.(2)改变水分类型.改变水肥条件是人类改变土壤温室气体排放量及其组成的主要途径,农田的水分状况是农田土壤排放或吸收大气温室气体的决定因素之一.淹水土壤向大气排放CH4,而排水良好的农田土壤氧化大气CH4;土壤的N2O排放量在很大程度上取决于土壤水分状况和及其变化频率;土壤水
14、分状况也是影响土壤有机质分解速率和CO2排放量的重要因素29.一般土壤含水量在持水量的15%40%时具有最强的氧化能力.稻田土壤氧化的主要是土壤中生成的CH4,因此CH4排放量的大小与土壤含水量密切相关.稻田土壤排放出的温室气体(CO2、CH4等)组成及总量受土壤水分类型的影响,并且各种温室气体的排放速率随培育时间的变化有显著差别,据研究,长期淹水的土壤CO2排放速率逐渐上升,而好气土壤CO2的排放速率随时间延长而逐渐下降25,30.为减少农田温室气体排放,可实施间歇性灌溉,这是减少水田CH4排放的有效措施.另外,在适当生长期改善地下水位也有利于稻田甲烷的减排31.日本1991年的实验证明,在
15、分蘖期和抽穗期各排水10天,可使生长季甲烷排放总量减少一半15,充分表明了人为改变土壤的水分类型可以改变土壤排放的温室气体的总量、组成及其产生的潜在温室效应.(3)改善施肥方式.施肥对农田土壤碳、氮含量与可矿化量以及微生物活性都具有重要影响.施用不同的肥料对农田碳循环的影响差异显著.长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳的含量,有机肥配施无机肥,可提高作物产量,而使用化学肥料能增加土壤有机碳的稳定性25.水稻生长发育期间,施用肥料的种类,施肥量及施用有机肥的不同对甲烷排放会产生不同的影响,单纯施用有机肥可以导致甲烷排放量的增加,而先进行发酵再施用于稻田则有较好的效果32.对农业源温室气体源与汇
16、的研究表明,减少氨肥、增施农家肥能够减少旱田甲烷排放,而缓释肥和尿素复合肥的施用能显著减少农田土壤NO2的排放33.将有机肥料改为无机肥料,施用沼渣、硫铵和硝铵、包被复合肥以及氧化硅粉等技术措施可有效减少甲烷排放通量34,但施尿素则会增加稻田甲烷的排放15,而且稻田甲烷排放通量与水稻产量呈显著负相关关系,这说明控制田间甲烷排放总量与增加水稻产量的目标是一致的35,正因此,我们完全可以通过改善施肥条件来达到减排的目的.但施肥对农田碳增汇的影响需要建立在大量长期的定位实验上,应该对不同地域和作物采用各自不同的实验方法,才能达到不同的施肥固碳效应.(4)秸秆还田.土壤有机碳含量与作物残留物返还量呈线
17、性关系,因此作物残留物是决定土壤有机碳含量的关键因子之一,对于增加农田碳汇来说,秸秆还田这是一项重要而又切实可行的措施,在当前的耕种制度下,最经济而且易于推广.农田温室气体排放主要通过作物植株传输、农田土壤呼吸和水层扩散等途径36,而秸秆还田有利于抑制温室气体的扩散,它能够培育土壤肥力,明显提高土壤有机质含量,而且熟料麦秸比生料麦桔的效果更好37.在农业生产活动中应该提倡非经济产量的资源化利用17,推行过腹还田、发展沼气;直接还田的秸秆要在粉碎、沤制后施用,严禁就地焚烧.(5)其他措施.对农田生态系统进行碳增汇/减排还有其他诸多方式,如改良作物品种17,38,有计划地抓紧培育具有对高温、干旱等
18、极端气候及病虫害有抗性的品种,确保在新的生态环境中农牧产量不断提高,扩大碳的吸收存储.据研究,通过选择合适的水稻栽培品种可减排甲烷达20%30%.采用甲烷抑制剂11,38也是一种有效的方法.中国农业科学院农业气象研究所研制AM1,AM2两种甲烷抑制剂,其主要原料为腐殖酸,它可以将有机质转化为腐殖质,在增加稻谷产量的同时,也减少了甲烷形成的基质.另外,也62河南大学学报(自然科学版),2004年,第34卷第1期可以采取措施改变地表径流、改良土壤,扩大人工草地等,来间接增加农田的碳汇功能.总之,农田生态系统碳循环具有双重作用,它即是碳“汇”又是碳“源”,我们应当采取措施使农田和农业生产由碳“源”变
19、为碳“汇”39,但减少农田碳排放也面临着种种困难,包括人口增长的压力,技术细节的限制、土地使用权的转变,以及社会政治影响等.也有一些具有双赢效果的技术措施,如使用有机肥、改善耕作制度等.我们在探索碳增汇技术的同时,也应该兼顾由此产生的影响,使其发挥更大的社会、经济和生态效益.3 农田生态系统碳增汇/减排技术选择的准则和效益评价在以上提及的技术措施当中,免耕法既能有效地减排农田温室气体,又具有经济可行性.并且在国外得到了成功实施.免耕法在美国的实施增加了玉米、小麦和大豆的生产,1992年免耕种植的作物产量占这些作物总产量的10%14%,实践证明该措施是一种成功的非强迫的减缓措施的典型24.另外,
20、水稻半旱式栽培技术40在我国部分省区的大面积推广也证明了其经济可行性和减排效果.这两种措施得以成功推广,而有些措施却未必能够付之实践并发挥其应有的效益,这是由于增汇技术的实施受经济水平、农业生产方式和结构、生产技术以及政策等多种因素影响.实际上,农田碳增汇/减排技术并不像工业减排温室气体一样可能会带来经济的衰退.寻求合适的技术,并进行效益分析,来达到预期的目的是完全可能的.其中最关键的是对增汇/减排技术进行必要的效益分析和评价.3.1 增汇/减排技术选择的准则在选取增汇/减排技术时,应遵循以下准则:符合并支持国家环境与发展优先领域和战略;具有较大的温室气体减排潜力并能带来长期的、实际的可测量的
21、减排量;应选择有明显增量成本的技术,具有明显的区域环境效益;具有较大的社会、经济效益;可获得所需的资源与投资41.3.2 技术措施的效益评价农田生态系统碳增汇/减排措施的选取,应根据不同的地域进行分析.对有些措施来说,增汇/减排的经济和社会影响具有长期性和不确定性,而且其生态效益也具有跨地域性.因此需要进行环境影响分析、风险分析及负面效应分析等.必须考虑的基本因素包括技术进步因素、人口因素、经济因素、自然活动因素、农业政策、税收政策等.对温室气体排放进行附加效益分析目前在国际上尚处于起步阶段,存在诸多的不确定因素.但从长远来说,对采取的措施所带来的影响进行评价是必要的42.(1)成本效果法.对
22、农业温室气体减排效果的评价中,宜采用成本效果法.将效益定为温室气体的减排量,以成本效果比为评价指标,如下式43:温室气体减排成本效果比=项目减排成本/项目温室气体减排量.该方法用于对某一区域或减排措施的成本和效果做出定量比较,但只是从成本出发,而没有综合考虑减排措施所产生的生态效益和社会效益.(2)动态综合评估模型.由法国科学家M.Ha-Duong和英国科学家M.J.Grubb等人提出的动态综合评估模型44,主要用于确定CO2限量排放的经济代价,也可以确定在经济代价最小时的最佳CO2排放方案,但对于农田生态系统碳增汇/减排技术措施的评估也具有重要的参考价值.该模型如下:C(s,t)=Ca(D)
23、(1+r)t0-tEref(t)Eref(t0)x(s,t)2+D2A(s,t)2.式中,C(s,t)为 经 济 代 价,D为 能 源 系 统 时 间 特 征(20年 或50年);Ca(D)为 经 济 代 价 规 模(Ca(50)=1.36,Ca(20)=3.18);r为技术进步率(1%);Eref(t)为未来碳年排放量;Eref(t0)为当前碳年排放量;x(s,t)为碳减少规模;A(s,t)为碳减少速度 A(s,t)=x(s,t)-x(s,t-1).很显然,该评估模型最初是针对工业源温室气体排放而建立的.我们可以借鉴其中的方法,适当改变其中一些参数,如把D及r变为Da-农业系统时间特征和ra
24、-农业技术进步率,使之适合对农田生态系统碳增汇/减排技术的评估,为选取合理的增汇/减排措施提供依据.4 当前该领域存在的主要问题和发展趋势(1)研究的深度不够.过去对农田生态系统碳循环的的研究,多局限在部分农田类型,而没有对不同地赵荣钦,等:中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展63域农田生态系统进行系统观测.对稻田的观测较多,而对其他农业类型的研究较少.而且对农田的观测只是建立在少数观测站点的基础上,对碳动态变化的影响因素的探讨,也只是通过对改变施肥条件和作物生长条件等,采集不同条件下的数据来对整个农田类型进行和分析预测,得出的结论却未必能推广到整个地区.(2)没有对各种增汇/减排技术进行
25、可行性分析和效益评价.过去的研究得出了一些重要结论,并且分析了不少影响碳排放的因素,但能否根据所研究的成果采取有效的措施来进行增汇和减排却不得而知.(3)目前研究的出发点多是建立在如何增加农田生物量的基础上.大多数农业活动考虑的是提高NPP,重点放在增加收获量而不是作物残留物之上.增加农田生物量也是增加碳汇的主要形式,但农业产品多输出于农田生态系统之外,最终结果并没有增加农田的固碳功能.我们应该基于农田土壤的碳增汇潜力进行研究.鉴于以上存在的问题,在以后的研究过程中,应注意以下几点:深入探讨农田特别是农田土壤碳循环的机理,对不同地域农田生态系统进行长期定位观测,评价不同条件和可能因素对碳增汇/
26、减排的影响,并逐步提高估算的精度.加强遥感技术在碳动态监测中的应用,以求在大范围内对农田碳循环进行分析.引进工业领域对碳减排技术的效益评价模式,为我国采取合适的减排技术提供必要的决策.1998年5月,我国在 京都协定 上签约,该协定规定包括我国在内的发展中国家每年减排5%45.我国是一个农业大国,同时也面临着耕地不足的压力,加强农田生态系统碳增汇技术研究不仅是一个重大的经济和社会问题,也是重大的政治问题.参考文献:1 HOUGHTON J T,CALLENDER B A,VARNEY S K.IPCC Climate Change 1992:The Supplementary Report t
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