減少碳排放措施范文

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第1篇

作者簡介：石岳峰，博士生，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)田溫室氣體排放。

基金項(xiàng)目：Climate, Food and Farming Research Network (CLIFF)資助；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新專項(xiàng)（編號：KYCX2011036）。

摘要

農(nóng)田是CO2，CH4和N2O三種溫室氣體的重要排放源, 在全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動貢獻(xiàn)了約14%的人為溫室氣體排放量，以及58%的人為非CO2排放，不合理的農(nóng)田管理措施強(qiáng)化了農(nóng)田溫室氣體排放源特征，弱化了農(nóng)田固碳作用。土壤碳庫作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫之一，同時也是溫室氣體的重要源/匯。研究表明通過采取合理的農(nóng)田管理措施，既可起到增加土壤碳庫、減少溫室氣體排放的目的，又能提高土壤質(zhì)量。農(nóng)田土壤碳庫除受溫度、降水和植被類型的影響外，還在很大程度上受施肥量、肥料類型、秸稈還田量、耕作措施和灌溉等農(nóng)田管理措施的影響。本文通過總結(jié)保護(hù)性耕作/免耕，秸稈還田，氮肥管理，水分管理，農(nóng)學(xué)及土地利用變化等農(nóng)田管理措施，探尋增強(qiáng)農(nóng)田土壤固碳作用，減少農(nóng)田溫室氣體排放的合理途徑。農(nóng)田碳庫的穩(wěn)定/增加，對于保證全球糧食安全與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義。在我國許多有關(guān)土壤固碳與溫室氣體排放的研究尚不系統(tǒng)或僅限于短期研究，這也為正確評價各種固碳措施對溫室氣體排放的影響增加了不確定性。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；溫室氣體；秸稈還田；保護(hù)性耕作；氮素管理；固碳

中圖分類號 S181 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1002-2104(2012)01-0043-06 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.01.008

人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生了大量的CO2, CH4和N2O等溫室氣體，全球范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動貢獻(xiàn)了約14%的人為溫室氣體排放量，以及58%的人為非CO2排放（其中N2O占84%，CH4占47%）[1]。在許多亞洲、拉丁美洲和非洲的發(fā)展中國家，農(nóng)業(yè)更成為溫室氣體的最大排放源，同時由于人口快速增長帶來了糧食需求的大量增加，使得未來20年中農(nóng)田溫室氣體的排放量也會有所增加[2]。大氣中溫室氣體濃度的升高可能引起的全球氣候變化已受到各國的廣泛重視。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中溫室氣體的產(chǎn)生是一個十分復(fù)雜的過程，土壤中的有機(jī)質(zhì)在不同的氣候、植被及管理措施條件下，可分解為無機(jī)C和N。無機(jī)C在好氧條件下多以CO2的形式釋放進(jìn)入大氣，在厭氧條件下則可生成CH4。銨態(tài)氮可在硝化細(xì)菌的作用下變成硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌的作用下可轉(zhuǎn)化成多種狀態(tài)的氮氧化合物，N2O可在硝化/反硝化過程中產(chǎn)生。在氣候、植被及農(nóng)田管理措施等各因子的微小變化，都會改變CO2，CH4和N2O的產(chǎn)生及排放。

而通過增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的碳庫儲量被視為一種非常有效的溫室氣體減排措施。農(nóng)田土壤碳庫除受溫度、降水和植被類型的影響外，還在很大程度上受施肥量、肥料類型、秸稈還田量、耕作措施和灌溉等農(nóng)田管理措施的影響。通過增施有機(jī)肥、采用免耕/保護(hù)性耕作、增加秸稈還田量等措施，可以減少農(nóng)田土壤CO2凈排放量，同時起到穩(wěn)定/增加土壤有機(jī)碳含量作用。農(nóng)田碳庫的穩(wěn)定/增加，對于保證全球糧食安全與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義[3]。中國農(nóng)田管理措施對土壤固碳的研究主要集中在土壤碳的固定、累積與周轉(zhuǎn)及其對氣候變化的反饋機(jī)制，正確評估農(nóng)田土壤碳固定在溫室氣體減排中的作用，加強(qiáng)農(nóng)田碳匯研究具有重要意義。

1 農(nóng)田固碳

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，它與大氣以及陸地生物群落共同組成系統(tǒng)中碳的主要貯存庫和交換庫。土壤碳分為土壤有機(jī)碳（soil organic carbon, SOC）和土壤無機(jī)碳（soil inorganic carbon, SIC）。SIC相對穩(wěn)定，而SOC則時刻保持與大氣的交換和平衡，因此對SOC的研究是土壤碳研究的主要方面。據(jù)估計(jì)，全球約有1.4×1012-1.5×1012t的碳是以有機(jī)質(zhì)形式儲存于土壤中，土壤貢獻(xiàn)給大氣的CO2量是化石燃料燃燒貢獻(xiàn)量的10倍[4]，因此SOC的微小變化都將會對全球氣候變化產(chǎn)生重要影響。同時，土壤碳庫與地上部植物之間有密切關(guān)系，SOC的固定、累積與分解過程影響著全球碳循環(huán)，外界環(huán)境的變化也強(qiáng)烈的影響著地上部植物的生長與土壤微生物對土壤累積碳的分解。

Lal認(rèn)為SOC的增加可以起到改善土壤質(zhì)量，增加土壤生產(chǎn)力，減少土壤流失風(fēng)險，降低富營養(yǎng)化和水體污染危害的作用，且全球耕地總固碳潛力為0.75-1.0 Pg•a-1, IPCC 第四次評估報告剔除全球農(nóng)業(yè)固碳1 600-4 300 Mt a-1（以CO2計(jì)），其中90%來自土壤固碳[5]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人類干擾最重的陸地生態(tài)系統(tǒng)，與自然土壤相比，農(nóng)田土壤在全球碳庫中最為活躍，其土壤碳水平直接受人類活動的影響和調(diào)控空間大，農(nóng)田土壤碳含量管理及對溫室氣體影響機(jī)制正日益受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。農(nóng)田管理措施是影響SOC固定、轉(zhuǎn)化及釋放的主要因素，同時還受土地利用方式、氣候變化等多因素的共同影響，因此對農(nóng)田碳庫的評價及調(diào)整措施需全面考慮多種因素的交互作用。

2 農(nóng)田固碳措施對溫室氣體排放的影響

近年來，農(nóng)田土壤固碳的研究已經(jīng)成為全球變化研究的一大熱點(diǎn)。大量研究表明，SOC儲量受諸多因素的影響，如采用保護(hù)性/免耕措施、推廣秸稈還田、平衡施用氮肥、采用輪作制度和土地利用方式等，上述管理措施的差異導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫的顯著差別，并影響農(nóng)田溫室氣體排放水平。

2.1 保護(hù)性耕作/免耕措施

保護(hù)性耕作作為改善生態(tài)環(huán)境尤其是防治土壤風(fēng)蝕的新型耕作方式，在多個國家已經(jīng)有廣泛的研究和應(yīng)用。中國開展的保護(hù)性耕作研究證明了其在北方地區(qū)的適用性[6]，并且已進(jìn)行了保護(hù)性耕作對溫室效應(yīng)影響的相關(guān)研究。統(tǒng)計(jì)表明2004年全球范圍內(nèi)免耕耕作的面積約為95 Mha, 占全球耕地面積的7%[7], 并且這一面積有逐年增加的趨勢。

常規(guī)耕作措施會對土壤物理性狀產(chǎn)生干擾，破壞團(tuán)聚體對有機(jī)質(zhì)的物理保護(hù)，影響土壤溫度、透氣性，增加土壤有效表面積并使土壤不斷處于干濕、凍融交替狀態(tài)，使得土壤團(tuán)聚體更易被破壞，加速團(tuán)聚體有機(jī)物的分解[8]。免耕/保護(hù)性耕作可以避免以上干擾，減少SOC的分解損失[9]。而頻繁的耕作特別是采用犁耕會導(dǎo)致SOC的大量損失，CO2釋放量增加，而免耕則能有效的控制SOC的損失，增加SOC的儲量，降低CO2的釋放量[10]。West和 Post研究發(fā)現(xiàn)從傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)槊飧梢怨潭?.57±0.14 Mg C ha-1yr-1[11]。但對于保護(hù)性耕作/免耕是否有利于減少溫室氣體效應(yīng)尚不明確，這是由于一方面免耕對減少CO2排放是有利的，表現(xiàn)為免耕可以減少燃油消耗所引起的直接排放；另一方面，秸稈還田以后秸稈碳不會全部固定在土壤中，有一部分碳以氣體的形式從農(nóng)田釋放入大氣[12]。

免耕會導(dǎo)致表層土壤容重的增加，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，減少SOC氧化分解的同時增加N2O排放[13]；采用免耕后更高的土壤水分含量和土壤孔隙含水量（Water filled pore space, WFPS）能夠刺激反硝化作用，增加N2O排放[14]；同時免耕導(dǎo)致的N在表層土壤的累積也可能是造成N2O排放增加的原因之一，在歐洲推廣免耕措施以后，土壤固碳環(huán)境效益將被增排的N2O抵消50%以上[15]。但也有新西蘭的研究表明，常規(guī)耕作與免耕在N2O排放上無顯著性差異[16]，還有研究認(rèn)為鑿式犁耕作的農(nóng)田N2O排放比免耕高，原因可能是免耕時間太短，對土壤物理、生物性狀還未產(chǎn)生影響。耕作會破壞土壤原有結(jié)構(gòu)，減少土壤對CH4的氧化程度[17]。也有研究表明，翻耕初期會增加土壤對CH4的排放，但經(jīng)過一段時間（6-8 h）后，CH4排放通量有所降低[18]。

總之，在增加土壤碳固定方面，保護(hù)性耕作和免耕的碳增匯潛力大于常規(guī)耕作；在凈碳釋放量方面，常規(guī)耕作更多起到CO2源的作用，而保護(hù)性耕作和免耕則起到CO2匯的作用；在碳減排方面，免耕和保護(hù)性耕作的減排潛力均大于常規(guī)耕作；由于N2O和CH4的排放受多種因素的綜合影響，因此耕作措施對這兩種溫室氣體排放的影響還有待進(jìn)一步研究。

2.2 秸稈管理措施

作物秸稈作為土壤有機(jī)質(zhì)的底物，且作物秸稈返還量與SOC含量呈線性關(guān)系，因此作物秸稈是決定SOC含量的關(guān)鍵因子之一。秸稈還田有利于土壤碳匯的增加，同時避免秸稈焚燒過程中產(chǎn)生溫室氣體。因此，秸稈還田是一項(xiàng)重要而又可行的農(nóng)田碳匯管理措施。秸稈還田以后，一部分殘留于土壤中成為土壤有機(jī)質(zhì)的來源，另一部分將會以CO2氣體的形式散逸到大氣中，因此，隨著秸稈還田量的增加CO2排放也會增加。有研究表明，秸稈經(jīng)過多年分解后只有3%碳真正殘留在土壤中，其他97%都在分解過程中轉(zhuǎn)化為CO2散逸到大氣中[19]。秸稈還田會增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而有機(jī)質(zhì)是產(chǎn)生CH4的重要底物，因此秸稈還田會增加CH4的排放。綜合考量，秸稈還田措施會引起CH4排放的增加，但直接減少了對CO2的排放，同時秸稈還田相對提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于土壤碳的增加，對作物增產(chǎn)具有積極作用。

秸稈還田措施對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的影響可表現(xiàn)為：一方面由于供N量的增加，可促進(jìn)反硝化和N2O排放量的增加；另一方面表現(xiàn)為高C/N的秸稈進(jìn)入農(nóng)田后會進(jìn)行N的生物固定，降低反硝化N損失；同時在秸稈分解過程中還可能產(chǎn)生化感物質(zhì)，抑制反硝化[20]。我國采用秸稈還田農(nóng)田土壤固碳現(xiàn)狀為2389Tg•a-1，而通過提高秸稈還田量土壤可達(dá)的固碳潛力為4223Tg•a-1[3]，與國外研究結(jié)果相比較，Vleeshouwers等研究認(rèn)為，如果歐洲所有農(nóng)田均采用秸稈還田措施，歐洲農(nóng)田土壤的總固碳能力可達(dá)34Tg•a-1[21]。La1預(yù)測采用秸稈還田措施后全球農(nóng)田土壤的總固碳能力可達(dá)200Tg•a-1[22]。隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展及長期以來氮肥的過量投入，氮肥損失也是日益嚴(yán)重，可通過秸稈還田措施與氮肥的配合施用降低氮肥的反硝化作用及N2O的排放。但秸稈還田后秸稈與土壤的相互作用異常復(fù)雜，因此需要進(jìn)一步開展秸稈施入土壤后與土壤的相互作用機(jī)理及田間實(shí)驗(yàn)研究。

2.3 氮肥管理措施

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的無機(jī)氮是提高作物生產(chǎn)力的重要因素，氮肥投入能夠影響SOC含量，進(jìn)而對農(nóng)田碳循環(huán)和溫室氣體排放產(chǎn)生重要影響。長期施用有機(jī)肥能顯著提高土壤活性有機(jī)碳的含量，有機(jī)肥配施無機(jī)肥可提高作物產(chǎn)量，而使用化學(xué)肥料能增加SOC的穩(wěn)定性[23]。農(nóng)業(yè)中氮肥的投入為微生物生長提供了豐富的氮源，增強(qiáng)了微生物活性，從而影響溫室氣體的排放。但也有研究在長期增施氮肥條件下能夠降低土壤微生物的活性，從而減少CO2的排放[24]。有研究表明，CO2排放與土壤不同層次的SOC及全N含量呈正相關(guān)性，說明在環(huán)境因子相對穩(wěn)定的情況下，土壤SOC和全N含量直接或間接地決定CO2排放通量的變化[25]。對農(nóng)業(yè)源溫室氣體源與匯的研究表明，減少氨肥、增施有機(jī)肥能夠減少旱田CH4排放，而施用緩/控釋氮肥和尿素復(fù)合肥能顯著減少農(nóng)田土壤NO2的排放[26]。但也有研究表明，無機(jī)氮肥施用可減少土壤CH4的排放量，而有機(jī)肥施用對原有機(jī)質(zhì)含量低的土壤而言可大幅增加CH4的排放量[27]。長期定位施肥實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，氮肥對土壤CH4氧化主要來源于銨態(tài)氮而不是硝態(tài)氮，因?yàn)榘睂H4氧化有競爭性抑制作用。此外，長期施用氮肥還改變了土壤微生物的區(qū)系及其活性，降低CH4的氧化速率，導(dǎo)致CH4凈排放增加[28]。全球2005年生產(chǎn)的100 Mt N中僅有17%被作物吸收，而剩余部分則損失到環(huán)境中[29]。單位面積條件下，有機(jī)農(nóng)田較常規(guī)農(nóng)田有更少的N2O釋放量，單位作物產(chǎn)量條件下，兩種農(nóng)田模式下N2O的釋放量無顯著性差異[23]。尿素硝化抑制劑的使用可以起到增加小麥產(chǎn)量，與尿素處理相比對全球增溫勢的影響降低8.9-19.5%，同時還可能起到減少N2O排放的目的[30]。合理的氮素管理措施有助于增加作物產(chǎn)量、作物生物量，同時配合秸稈還田等措施將會起到增加碳匯、減少CO2排放的作用。同時必須注意到施肥對農(nóng)田碳匯的效應(yīng)研究應(yīng)建立在大量長期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對不同氣候區(qū)采用不同的氮肥管理措施才能起到增加農(nóng)田固碳目的。

2.4 水分管理措施

土壤水分狀況是農(nóng)田土壤溫室氣體排放或吸收的重要影響因素之一。目前全球18%的耕地屬水澆地，通過擴(kuò)大水澆地面積，采取高效灌溉方法等措施可增加作物產(chǎn)量和秸稈還田量，從而起到增加土壤固碳目的[31]。水分傳輸過程中機(jī)械對燃料的消耗會帶來CO2的釋放，高的土壤含水量也會增加N2O的釋放，從而抵消土壤固碳效益[32]。濕潤地區(qū)的農(nóng)田灌溉可以促進(jìn)土壤碳固定，通過改善土壤通氣性可以起到抑制N2O排放的目的[33]。土壤剖面的干濕交替過程已被證實(shí)可提高CO2釋放的變幅，同時可增加土壤硝化作用和N2O的釋放[34]。采用地下滴灌等農(nóng)田管理措施，可影響土壤水分運(yùn)移、碳氮循環(huán)及土壤CO2和N2O的釋放速率，且與溝灌方式相比不能顯著增加溫室氣體的排放[35]。

稻田土壤在耕作條件下是CH4釋放的重要源頭，但通過采取有效的稻田管理措施可以

減少水稻生長季的CH4釋放。如在水稻生長季，通過實(shí)施一次或多次的排水烤田措施可有

效減少CH4釋放，但這一措施所帶來的環(huán)境效益可能會由于N2O釋放的增加而部分抵消，

同時此措施也容易受到水分供應(yīng)的限制，且CH4和N2O的全球增溫勢不同，烤田作為CH4

減排措施是否合理仍然有待于進(jìn)一步的定量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。在非水稻生長季，通過水分管理尤

其是保持土壤干燥、避免淹田等措施可減少CH4釋放。

許多研究表明，N2O與土壤水分之間有存在正相關(guān)關(guān)系，N2O的釋放隨土壤濕度的增加而增加[36]，并且在超過土壤充水孔隙度（WFPS）限值后，WFPS值為60%-75%時N2O釋放量達(dá)到最高[37]。Bateman和Baggs研究表明，在WFPS為70%時N2O的釋放主要通過反硝化作用進(jìn)行，而在WFPS值為35%-60%時的硝化作用是產(chǎn)生N2O的重要途徑[38]。由此可見，WFPS對N2O的產(chǎn)生釋放影響機(jī)理前人研究結(jié)果并不一致，因此有必要繼續(xù)對這一過程深入研究。

2.5 農(nóng)學(xué)措施

通過選擇作物品種，實(shí)行作物輪作等農(nóng)學(xué)措施可以起到增加糧食產(chǎn)量和SOC的作用。有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用地表覆蓋，種植覆蓋作物，豆科作物輪作等措施來增加SOC，但同時又會對CO2，N2O及CH4的釋放產(chǎn)生影響，原因在于上述措施有助于增強(qiáng)微生物活性，進(jìn)而影響溫室氣體產(chǎn)生與SOC形成/分解[39]，從而增加了對溫室氣體排放影響的不確定性。種植豆科固氮植物可以減少外源N的投入，但其固定的N同樣會起到增加N2O排放的作用。在兩季作物之間通過種植生長期較短的綠被植物既可起到增加SOC，又可吸收上季作物未利用的氮，從而起到減少N2O排放的目的[40]。

在新西蘭通過8年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)農(nóng)場較常規(guī)農(nóng)場有更高的SOC[41]，在荷蘭通過70年的管理得到了相一致的結(jié)論[42]。Lal通過對亞洲中部和非洲北部有機(jī)農(nóng)場的研究表明，糞肥投入及豆科作物輪作等管理水平的提高，可以起到增加SOC的目的[31]。種植越冬豆科覆蓋作物可使相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)碳進(jìn)入土壤，減少農(nóng)田土壤CO2釋放的比例[39]，但是這部分環(huán)境效益會由于N2O的大量釋放而部分抵消。氮含量豐富的豆科覆蓋作物，可增加土壤中可利用的碳、氮含量，因此由微生物活動造成的CO2和N2O釋放就不會因缺少反應(yīng)底物而受限[43]。種植具有較高C：N比的非固氮覆蓋作物燕麥或深根作物黑麥，會因?yàn)樯罡到y(tǒng)更有利于帶走土壤中的殘留氮，從而減弱覆蓋作物對N2O產(chǎn)生的影響[44]。綜上，通過合理選擇作物品種，實(shí)施作物輪作可以起到增加土壤碳固定，減少溫室氣體排放的目的。

2.6 土地利用變化措施

土地利用變化與土地管理措施均能影響土壤CO2，CH4和N2O的釋放。將農(nóng)田轉(zhuǎn)變成典型的自然植被，是減少溫室氣體排放的重要措施之一[31]。這一土地覆蓋類型的變化會導(dǎo)致土壤碳固定的增加，如將耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾髸捎跍p少了對土壤的擾動及土壤有機(jī)碳的損失，使得土壤碳固定的自然增加。同時由于草地僅需較低的N投入，從而減少了N2O的排放，提高對CH4的氧化。將旱田轉(zhuǎn)變?yōu)樗飼?dǎo)致土壤碳的快速累積，由于水田的厭氧條件使得這一轉(zhuǎn)變增加了CH4的釋放[45]。由于通過土地利用類型方式的轉(zhuǎn)變來減少農(nóng)田溫室氣體的排放是一項(xiàng)重要的措施，但是在實(shí)際操作中往往會以犧牲糧食產(chǎn)量為代價。因此，對發(fā)展中國家尤其是如中國這樣的人口眾多的發(fā)展中國家而言，只有在充分保障糧食安全等前提條件下這一措施才是可考慮的選擇。

3 結(jié)語與展望

農(nóng)田管理中存在顯著增加土壤固碳和溫室氣體減排的機(jī)遇，但現(xiàn)實(shí)中卻存在很多障礙性因素需要克服。研究表明，目前農(nóng)田溫室氣體的實(shí)際減排水平遠(yuǎn)低于對應(yīng)管理方式下的技術(shù)潛力，而兩者間的差異是由于氣候-非氣候政策、體制、社會、教育及經(jīng)濟(jì)等方面執(zhí)行上的限制造成。作為技術(shù)措施的保護(hù)性耕作/免耕，秸稈還田，氮肥投入，水分管理，農(nóng)學(xué)措施和土地利用類型轉(zhuǎn)變是影響農(nóng)田溫室氣體排放的重要方面。常規(guī)耕作增加了燃料消耗引起溫室氣體的直接排放及土壤閉蓄的CO2釋放，而免耕、保護(hù)性耕作穩(wěn)定/增加了SOC，表現(xiàn)為CO2的匯；傳統(tǒng)秸稈處理是將秸稈移出/就地焚燒處理，焚燒產(chǎn)生的CO2占中國溫室氣體總排放量的3.8%，而秸稈還田直接減少了CO2排放增加了碳匯；氮肥投入會通過對作物產(chǎn)量、微生物活性的作用來影響土壤固碳機(jī)制，過量施氮直接增加NO2的排放，針對特定氣候區(qū)和種植模式采取適當(dāng)?shù)牡毓芾泶胧┛梢云鸬皆黾油寥捞脊潭ǎ瑴p少溫室氣體排放的目的；旱田采用高效灌溉措施，控制合理WFPS不僅能提高作物產(chǎn)量，還可增加土壤碳固定、減少溫室氣體排放；間套作農(nóng)學(xué)措施、種植豆科固氮作物以及深根作物可以起到增加SOC的目的，減少農(nóng)田土壤CO2釋放的比例；將農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀恢脖桓采w，可增加土壤碳的固定，但此措施的實(shí)施應(yīng)充分考慮由于農(nóng)田面積減少而造成糧食產(chǎn)量下降、糧食漲價等一系列問題。

在我國許多有關(guān)土壤固碳與溫室氣體排放的研究尚不系統(tǒng)或僅限于短期研究，因此為正確評價各種管理措施下的農(nóng)田固碳作用對溫室氣體排放的影響增加了不確定性。本文結(jié)果認(rèn)為，保護(hù)性耕作/免耕，秸稈還田，合理的水、氮、農(nóng)學(xué)等管理措施均有利于增加土壤碳匯，減少農(nóng)田CO2排放，但對各因素協(xié)同條件下的碳匯及溫室氣體排放效應(yīng)尚需進(jìn)一步研究。在未來農(nóng)田管理中，應(yīng)合理利用管理者對農(nóng)田環(huán)境影響的權(quán)利，避免由于過度干擾/管理造成的災(zāi)難性后果；結(jié)合農(nóng)田碳庫特點(diǎn)，集成各種農(nóng)田減少溫室氣體排放、減緩氣候變化的保護(hù)性方案；努力發(fā)展替代性能源遏制農(nóng)田管理對化石燃料的過度依賴，從而充分發(fā)掘農(nóng)田所具有的增加固碳和溫室氣體減排的潛力。

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Advance in Evaluation the Effect of Carbon Sequestration Strategies on

Greenhouse Gases Mitigation in Agriculture

SHI Yuefeng1 WU Wenliang1 MENG Fanqiao1 WANG Dapeng1 ZHANG Zhihua2

（1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;

2. College of Resources Science & Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China）

Abstract

Agricultural field is an important source for three primary greenhouse gases (GHGs), including CO2, CH4 and N2O. Unreasonable agricultural managements increase GHGs and decrease the effect of soil carbon sequestration. Agricultural activities generate the largest share, 58% of the world’s anthropogenic noncarbon dioxide (nonCO2) emission, and make up roughly 14% of all anthropogenic GHG emissions. And soil carbon pool is the most active carbon pools in ecosystems. In addition, soil carbon pool could be a source or sink of GHGs.

第2篇

[關(guān)鍵詞]低碳城市;指標(biāo)體系;評價

[中圖分類號]F205 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1005-6432(2010)45-0121-03

1 建立低碳城市評價指標(biāo)體系的意義

1.1 低碳城市評價指標(biāo)體系建立的目的

在所有碳排放中,作為生產(chǎn)和生活活動高度密集的地區(qū),城市的碳排放量占排放總量的86%(從終端需求角度計(jì)算)。可以看出,減少城市碳排放是減少整體碳排放的關(guān)鍵。城市碳排放根據(jù)其源頭可以分為建筑、交通和生產(chǎn)三個部分。因此,為創(chuàng)建低碳城市也應(yīng)主要從以上幾個方面入手。以上三個類別中的碳排放比例因不同城市的發(fā)展程度、工業(yè)結(jié)構(gòu)和社會文化不同而存在差異。

1.2 低碳城市評價指標(biāo)體系建立的意義

低碳城市評價指標(biāo)體系為環(huán)境友好型城市提供發(fā)展方向。適當(dāng)?shù)牡吞汲鞘性u價指標(biāo)體系是政府管理部門制定規(guī)劃和發(fā)展方向的依據(jù)。規(guī)劃部門可以通過所在城市自身優(yōu)勢與缺陷確定城市可以加以利用的優(yōu)勢和存在的需要重點(diǎn)解決的問題,爭取達(dá)到取長補(bǔ)短的效果。

低碳城市評價指標(biāo)體系將低碳城市的抽象概念轉(zhuǎn)化為操作層次的指標(biāo),有利于公眾對其加深了解和執(zhí)行部門貫徹實(shí)施。指標(biāo)體系對抽象的概念進(jìn)行量化和具體化,避免了定性或定序區(qū)分的模糊性造成的評價的困難。公眾可以通過具體化的指標(biāo)體系深入理解低碳城市的內(nèi)涵和它與自身行為模式的聯(lián)系;規(guī)劃的執(zhí)行者也可以通過指標(biāo)體系準(zhǔn)確判斷規(guī)劃的執(zhí)行效果。

低碳城市評價指標(biāo)體系為低碳城市目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度提供評價依據(jù)。在低碳城市評價指標(biāo)體系存在的情況下,對各城市低碳發(fā)展的實(shí)現(xiàn)程度的評價將變得有據(jù)可依。

2 指標(biāo)體系的基本框架

低碳城市的含義包括以下三個層次:產(chǎn)生途徑、碳排放減量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系的協(xié)調(diào)程度、政府部門采取措施的力度。從以上三個角度制定的低碳城市評價指標(biāo)體系可以從成果、途徑和措施實(shí)施力度三個方面反映一個城市在低碳方面的環(huán)境友好程度。在考慮碳排放量應(yīng)當(dāng)減少的同時,也不應(yīng)忽略低碳作為總的發(fā)展方向應(yīng)當(dāng)與城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)。低碳城市概念提出的目的是為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏發(fā)展,而不是為了遏制全球溫室效應(yīng)加劇而限制經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.1 有關(guān)減少碳排放指標(biāo)

有關(guān)減少碳排放的指標(biāo)包括建筑、交通和生產(chǎn)三個方面,主要反映的是在從源頭上減少碳排放方面的低碳城市的實(shí)現(xiàn)程度。建筑碳排放指標(biāo)包括住宅生活和公共建筑碳排放兩大類。交通方面碳排放可通過城市車輛總量、城市節(jié)能汽車比例、城市公共交通覆蓋程度、城市分布密集程度四個指標(biāo)來反映。城市注冊的正在使用的汽車總量能反映城市總體的交通碳排放量,能反映一個城市的碳排放對自然生態(tài)的壓力;節(jié)能汽車比例可以反映交通節(jié)能化的實(shí)現(xiàn)程度,說明在固定汽車總量的條件下,一個城市的交通低碳程度;城市生產(chǎn)用能源消耗總量反映一個城市總體生產(chǎn)規(guī)模和其相應(yīng)的對生態(tài)環(huán)境造成的壓力大小;城市生產(chǎn)用非化石燃料能源比例反映一個城市生產(chǎn)過程中燃料投入方面的低碳實(shí)現(xiàn)程度;城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)反映城市的成熟化程度,進(jìn)而間接說明一個城市在生產(chǎn)方面實(shí)現(xiàn)低碳的難易程度和未來所需時間。

2.2 反映碳排放減量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間關(guān)系的指標(biāo)

這類指標(biāo)有城市總體人均碳排放量、碳生產(chǎn)率和含碳能源消費(fèi)系數(shù)三項(xiàng)。城市人均碳排放量的計(jì)算方法是碳排放總量/人口總量,反映不同消費(fèi)模式導(dǎo)致的城市人均碳排放水平差異,是從消費(fèi)角度考慮的指標(biāo)。碳生產(chǎn)率是城市GDP與城市碳排放總量的比值,說明整個城市的能源生產(chǎn)效率,具體說明一個城市的低碳技術(shù)水平對于城市低碳化發(fā)展的影響程度。碳能源消費(fèi)系數(shù)為整個城市的碳排放總量與能源消費(fèi)總量的比值,主要用于衡量資源稟賦、能源結(jié)構(gòu)和能源效率等。

2.3 反映政府部門采取措施力度的指標(biāo)

這類指標(biāo)包括政府組織機(jī)構(gòu)符合低碳城市要求程度、低碳城市宣傳教育覆蓋程度、低碳城市研究工作科研資金占科研總投資比例、研究基金在規(guī)定期限內(nèi)到位比例和城市綠化面積比例五項(xiàng)指標(biāo)。以上五項(xiàng)均為衡量政府部門為實(shí)現(xiàn)低碳城市而采取措施力度的指標(biāo)。

第3篇

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體產(chǎn)生是一個復(fù)雜的過程,氣候、植被、土質(zhì)及農(nóng)田管理諸條件中任何一個因子的微小變化,都會改變CO2、N2O、CH4的產(chǎn)生和排放。相對于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止合成的化學(xué)品投入,一定程度上影響著溫室氣體的產(chǎn)生和排放。

1.1二氧化碳(CO2)排放

農(nóng)業(yè)源CO2的排放主要有兩個途徑:化石燃料燃燒引起的直接排放和能源間接消耗的排放(如化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)和運(yùn)輸)[57],其中合成化學(xué)氮肥的能耗造成的CO2間接排放達(dá)0.4~0.6Gt[89],相當(dāng)于全球農(nóng)業(yè)直接排放的10%。有機(jī)農(nóng)業(yè)的原則之一是減少不可再生資源的使用,相對于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)不使用合成的農(nóng)藥和化肥。研究表明,有機(jī)生產(chǎn)比集約化常規(guī)生產(chǎn)能夠明顯減少能源的消耗[67,1011]。不同地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品在有機(jī)和常規(guī)農(nóng)作間CO2的排放差異。由表1可知,冬小麥的有機(jī)種植比常規(guī)生產(chǎn)減少46%~57%的CO2排放量,而種植有機(jī)土豆則減少13%~33%的CO2排放量[1214]。其中,農(nóng)藥和化肥合成造成的CO2間接排放占據(jù)一定比例:例如,英國常規(guī)小麥生產(chǎn)中,化肥和農(nóng)藥占總能耗的比例分別為56%和11%[8];美國的常規(guī)小麥和玉米生產(chǎn)則是30%~40%和9%~11%[22];中國常規(guī)梨生產(chǎn)化肥占總能耗的29%~41%[20]。因此,從單位面積(每公頃)CO2排放量看,有機(jī)農(nóng)業(yè)CO2總排放量低于常規(guī)農(nóng)作,主要是與有機(jī)農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),例如,有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止高能耗的化學(xué)氮肥和農(nóng)藥的投入以及較少喂養(yǎng)高能耗的動物飼料。然而,如果從另一角度——單位產(chǎn)量來比較有機(jī)和常規(guī)生產(chǎn)CO2排放的差異,不同農(nóng)作排放的研究結(jié)果則不盡相同。例如:種植1hm2有機(jī)土豆比生產(chǎn)常規(guī)土豆CO2排放量低,但生產(chǎn)1t有機(jī)土豆CO2排放量則比常規(guī)土豆高[1314];同樣有機(jī)牧場的養(yǎng)殖研究表明,生產(chǎn)1kg有機(jī)牛奶的平均CO2排放量比常規(guī)牛奶高[16];與常規(guī)梨生產(chǎn)相比,生產(chǎn)1t有機(jī)梨的CO2排放量在不同地區(qū)結(jié)果不同,有高有低[20]。不同農(nóng)作單位產(chǎn)量CO2排放量變化范圍從+81%到50%,主要影響因素是產(chǎn)量和機(jī)械耕作的強(qiáng)度[1221]。從耕作角度研究有機(jī)農(nóng)業(yè)CO2的排放,有研究人員提出一些地區(qū)的有機(jī)生產(chǎn)中,因禁止使用除草劑而大量使用機(jī)械除草,導(dǎo)致燃油消耗產(chǎn)生的CO2排放量增多。但大多數(shù)研究表明機(jī)械耕作的能耗通常少于合成化肥和農(nóng)藥的能耗[5,2324]。總體來說,相對于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)通過減少投入品的使用,作物輪作,尤其是和大豆的輪作,提高了肥料使用效率,減少了蟲害管理的農(nóng)業(yè)措施,從而直接(使用成本)和間接(化學(xué)生產(chǎn)和運(yùn)輸)地減少了使用化肥投入品的能源消耗[5,11,2526]。

1.2氧化亞氮(N2O)排放

農(nóng)業(yè)源N2O的排放占全球人類活動排放的60%[2](N2O的溫室氣體當(dāng)量值為CO2的298倍[2]),主要來自于化肥和有機(jī)氮肥的使用及豆科作物種植;排放量取決于肥料的種類以及肥料的處理和施用方式。有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止化肥的施用不僅能夠減少生產(chǎn)化肥的能耗,而且減少化肥使用過程中NOx排放。文獻(xiàn)報道在1960~2000年期間,隨著化肥施用量的增多,全球作物氮的利用效率從80%降到30%,從而增加了NOx排放的風(fēng)險[27]。同樣,在中國,化肥投入和有機(jī)物質(zhì)投入對農(nóng)田直接NOx排放的貢獻(xiàn)份額分別為77.64%和15.57%[28]。按照目前每年生產(chǎn)化學(xué)氮肥的數(shù)量計(jì)算,排放N2O的總量是農(nóng)業(yè)上人為溫室氣體排放的10%[9]。因此,有機(jī)農(nóng)業(yè)在一定程度上能夠減少N2O的排放風(fēng)險。基于單位面積計(jì)算N2O排放,有機(jī)農(nóng)業(yè)比常規(guī)耕作低[2930],而Syvsalo等[31]指出有機(jī)牧場產(chǎn)生的N2O排放比常規(guī)耕作低,但沒有明顯差異。如果基于單位產(chǎn)量計(jì)算N2O的排放,兩種農(nóng)作系統(tǒng)則相似[67,32],或有機(jī)農(nóng)作略高,例如Lundstrm[16]研究了奶牛場的NOx排放量,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)單位產(chǎn)量(1kg)有機(jī)牛奶的NOx排放量略高于常規(guī)牛奶生產(chǎn)。與此同時,有研究表明生產(chǎn)管理措施能夠減少有機(jī)農(nóng)業(yè)中N2O的排放率,如耕作方式、糞肥的使用、種植豆科作物(N來源)及牧場和草地管理等。Unwin等[33]認(rèn)為,通過改進(jìn)排水,減少耕作和機(jī)械除草(而不是除草劑的使用),有機(jī)耕作可以減少N2O的排放。也有研究表明一些因素會提高有機(jī)農(nóng)業(yè)上N2O的排放[34],比如豆科作物的高比例種植,堆肥過程N(yùn)2O的排放,高強(qiáng)度的耕作導(dǎo)致土壤氮的礦化和N2O的排放。

1.3甲烷(CH4)排放

農(nóng)業(yè)源CH4的排放占全球人類活動排放的50%[2](CH4的溫室氣體當(dāng)量值是CO2的25倍)[2],主要來自于牲畜養(yǎng)殖、水稻種植以及廢棄物分解(包括動植物廢棄物和垃圾),其中將近80%的CH4排放來自牲畜腸道消化代謝,而20%來自排泄物,并且,液態(tài)排泄物釋放CH4的可能性比固體排泄物大。動物糞肥的儲藏和處理以及飼料的種類均會影響農(nóng)業(yè)CH4的排放。研究表明:CH4排放的效果主要和堆肥的產(chǎn)生和使用有關(guān)系。如果有機(jī)系統(tǒng)的堆肥進(jìn)行發(fā)酵,經(jīng)常通風(fēng)能夠減少厭氧產(chǎn)生的CH4。此外,有機(jī)養(yǎng)殖通常在牧場和稻草房內(nèi)進(jìn)行;而常規(guī)養(yǎng)殖通常使用糞池進(jìn)行糞肥處理,在這種厭氧環(huán)境下極易產(chǎn)生大量的CH4[24]。然而,相對于常規(guī)養(yǎng)殖的糧食喂養(yǎng),有機(jī)養(yǎng)殖的牲畜通常攝取低質(zhì)量的粗飼料,增加了CH4排放的可能,研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)養(yǎng)殖粗糧的高投入導(dǎo)致CH4的排放量增加8%~10%[7,16,35]。如果研究單位面積CH4的排放,重要的影響因素主要包括牲畜放養(yǎng)的密度、每頭牛喂養(yǎng)的周期、糞肥系統(tǒng)、反芻牲畜的比例等。Cobb等[29]、Unwin等[33]、Lampkin等[36]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)場單位面積的CH4排放比常規(guī)低。原因主要是有機(jī)養(yǎng)殖的牲畜密度通常比常規(guī)低,而喂養(yǎng)周期比較長,其中非產(chǎn)奶期的比例比常規(guī)喂養(yǎng)低,從而產(chǎn)生較少的CH4排放;但有機(jī)農(nóng)場反芻牲畜的比例為80%而常規(guī)則為60%,這一因素造成的CH4排放量增加與有機(jī)農(nóng)場的低密度養(yǎng)殖減少CH4排放可以相互抵消。而單位產(chǎn)量的CH4排放量,尤其是奶牛場,有機(jī)和常規(guī)沒有明顯的區(qū)別[67,37];而Unwin等[33]和Piorr等[34]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)場的產(chǎn)奶量比常規(guī)低20%,從而有機(jī)奶場單位牛奶的CH4排放比較高。土壤能夠氧化CH4，從而減少CH4排放而成為CH4庫。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)管理的土壤CH4自身調(diào)節(jié)的效率比常規(guī)管理的土壤高,施有機(jī)肥的土壤CH4氧化能力是施化肥土壤的兩倍[3839]。然而,由于缺乏CH4排放研究,有機(jī)農(nóng)業(yè)環(huán)境資源利用很少評估CH4的凈平衡及其他定量數(shù)據(jù)。專家根據(jù)文獻(xiàn)推導(dǎo)出以下結(jié)論:有機(jī)農(nóng)業(yè)中單位面積CH4的排放可能較少,而單位產(chǎn)量的CH4排放則比常規(guī)農(nóng)作高(僅限于牛奶生產(chǎn)研究)。

2有機(jī)農(nóng)作土壤固碳潛能分析

另一個減少溫室氣體排放的措施是提高土壤的固碳能力。實(shí)例研究表明有機(jī)農(nóng)業(yè)不僅能夠減排,而且通過施入有機(jī)投入品(生物質(zhì)和糞肥),采用保護(hù)地耕作(覆蓋耕作)、大豆輪作等農(nóng)業(yè)措施,提高土壤有機(jī)碳的含量[4,25,40]。不同地區(qū)的專家針對有機(jī)管理的農(nóng)田土壤固碳潛能開展了研究,發(fā)現(xiàn)有機(jī)管理的土壤每年每公頃固碳量為0.2~0.4t(C),每年固定0.9~2.4Gt的CO2,相當(dāng)于全年農(nóng)業(yè)排放溫室氣體總量的15%~47%[4145];同樣,有機(jī)管理土壤的每年每公頃固碳量為300~600kg[10]。一系列有機(jī)和常規(guī)農(nóng)田土壤固碳比較研究也顯示,有機(jī)管理的土壤中有機(jī)質(zhì)含量比常規(guī)管理土壤的有機(jī)質(zhì)含量高[45],有機(jī)農(nóng)田的土壤固碳高于常規(guī)農(nóng)田。例如,Pimentel等[11]開展了22年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有機(jī)管理的土壤有機(jī)碳含量提高15%~28%,而常規(guī)耕作則僅提高9%;美國中部35組有機(jī)和常規(guī)耕作的比較研究也發(fā)現(xiàn),有機(jī)管理措施下的土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)耕作高很多[46]。瑞士專家經(jīng)過長期(21年)試驗(yàn)表明,有機(jī)管理系統(tǒng)土壤碳含量穩(wěn)定,而常規(guī)管理系統(tǒng)中碳含量減少15%;Clark等[47]8年長期試驗(yàn)表明,有機(jī)低投入系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)農(nóng)作提高10%。同樣,在荷蘭,70年有機(jī)管理的農(nóng)場土壤有機(jī)碳含量明顯高于常規(guī)管理[4849]。

分析有機(jī)管理土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)高的原因在于,有機(jī)農(nóng)田系統(tǒng)投入較多的動植物殘體增加土壤的碳含量,或者減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的分解率,即碳投入率超過了分解率。研究表明相對于常規(guī)和免耕操作而言,有機(jī)農(nóng)戶通常施入較多的有機(jī)碳或者含有機(jī)碳的投入品,通過投入合適碳氮比的多種有機(jī)物質(zhì)創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)庫[50];同樣,USDA在馬里蘭進(jìn)行了長期的有機(jī)生產(chǎn)和免耕常規(guī)生產(chǎn)比較研究,發(fā)現(xiàn)長期有機(jī)耕作的土壤明顯優(yōu)于常規(guī)免耕,原因在于使用糞肥和覆蓋作物能夠彌補(bǔ)耕作引起的碳損失[51]。Drinkwater等[52]在賓夕法尼亞州開展有機(jī)和常規(guī)玉米大豆種植系統(tǒng)的比較試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與豆科植物的長期輪作,不僅可減少土壤有機(jī)質(zhì)投入,降低土壤碳氮比,同時可提高土壤有機(jī)碳含量,改善土壤的物理性質(zhì)。同樣,有機(jī)農(nóng)作比常規(guī)農(nóng)作確實(shí)能增加15%~28%的有機(jī)碳。因此,動物糞肥、有機(jī)物質(zhì)的多樣性以及碳氮比、腐爛率等因素都可能對這個過程產(chǎn)生很重要的影響[45]。Rodale研究所的科學(xué)家們研究認(rèn)為,如果在所有可耕種的土地上開展有機(jī)農(nóng)作,則能夠減少40%的CO2排放。

盡管目前的研究證實(shí)有機(jī)管理在土壤固碳方面存在很高潛力。然而,測量一定時期內(nèi)碳存儲具有一定的復(fù)雜性和不確定性,例如地區(qū)多樣性,測量不確定性,過程不確定性,實(shí)際的突發(fā)性,以及減少滲漏和儲存碳的適當(dāng)定價等[53];同時,從長期看,通過土壤固碳減少大氣溫室氣體是有限的,不可能無限制地提高土壤有機(jī)質(zhì)的水平,到一定程度會達(dá)到一個平衡,視土壤和氣候條件以及管理措施而定[54]。例如,Foereid等[42]對有機(jī)管理的土壤固碳進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)第1個50年的土壤有機(jī)碳含量增長很快(每年碳增長率為10~40g•m2),之后趨于平穩(wěn),100年后幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。盡管上述研究表明土壤固碳的潛能不是無限制的,但一定程度趨于平穩(wěn)并達(dá)到飽和。也有研究表明,有機(jī)碳長久穩(wěn)定的狀態(tài)取決于土壤管理以及避免碳減少的措施,例如李玉娥等[55]研究發(fā)現(xiàn)退耕還草后土壤CO2排放通量明顯減少;通過改進(jìn)的管理措施,全球農(nóng)業(yè)土壤的固碳能力能夠達(dá)到21~51Gt碳,相當(dāng)于2~3年大氣的溫室氣體排放(參照2004年的排放量)[40]。因此,從長期看,相對于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)管理方式在減少能源消耗和提高土壤固碳能力方面有一定的優(yōu)勢和潛力。