種植業(yè)固碳減排潛力和技術對策研究

白若琦+白樸+吳益?zhèn)?朱相成

摘要： 種植業(yè)是重要的人為溫室氣體排放源，也具有強大的碳匯功能。從農資投入、秸稈利用、土壤固碳等方面分析我國種植業(yè)的巨大減排潛力和固碳增匯空間，并結合筆者多年從事作物栽培的經驗和國內外學者的研究成果，提出在選育和推廣低碳作物品種、低碳種植模式的基礎上，農作物產中采用以節(jié)肥、節(jié)水、節(jié)藥為特征的低碳栽培措施，農作物產后通過秸稈還田、秸稈高溫好氧堆肥化處理生產優(yōu)質環(huán)保型有機肥或運用生物碳技術，實現(xiàn)種植業(yè)固碳、減排、增匯、增產、增效的目標。

關鍵詞： 種植業(yè)；固碳；減排；增匯；技術對策

中圖分類號： S181 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0279-04

種植業(yè)是全球具有碳源和碳匯雙重功能的行業(yè)，農業(yè)生產產生的溫室氣體占全球人為導致的溫室氣體排放的近30%[1-3]，同時，農田土壤也是地球的一個重要碳庫，具有巨大固碳潛力[4]。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒（2014）》[5]，2014年我國耕地面積為1.35億hm2，占國土面積的14.06%，全年農作物播種面積為1.65億hm2，可見種植業(yè)的減排增匯對氣候和環(huán)境有較大影響。順應綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展的大趨勢，研究以種植業(yè)為核心的農田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體產生、釋放和固定的機制，探明溫室氣體的源、匯機制及調控技術原理，研發(fā)農田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體減排、土壤固碳增肥、作物增產一體化關鍵集成技術，減少農田碳排放和增加種植業(yè)增匯效果，實現(xiàn)固碳于植物、藏碳于土壤，增加農作物產量，對緩解全球溫室效應與環(huán)境壓力，實現(xiàn)我國農業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6-7]。本研究基于筆者從事農作物種植技術工作的經驗，結合國內外學者的研究成果，分析種植業(yè)固碳減排增匯潛力和技術對策。

1 我國種植業(yè)減排增匯潛力分析

1.1 種植業(yè)具有巨大的減排潛力

1.1.1 石油農業(yè)特征明顯，減排空間巨大

我國種植業(yè)長期過量使用化肥、農藥、農膜等，石油農業(yè)特征明顯。我國種植業(yè)化肥用量過大、農家肥用量不足、肥料利用率低，造成耕地理化結構變劣、地力下降、水體的富營養(yǎng)化、農田面源污染等[8-9]。據(jù)統(tǒng)計，1978—2014年，我國農作物播種面積僅增加0.15億hm2，而化學肥料施用量卻從884萬t增至5 995萬t，是1978年的6.8倍?；瘜W投入品的過量使用導致我國農田的高碳排放，1993—2007年，我國作物生產單位面積碳排放達0.78 t CE/hm2，其中化肥、灌溉用電、燃油等化學品導致間接碳排放占89%[10]，是我國農田溫室氣體排放的主體部分。因此，通過減少化肥、農藥等農資的使用實現(xiàn)碳減排具有很大的潛力[11]。

一般認為，我國農田的氮肥利用率偏低，僅為30%左右[12-13]，據(jù)有關人員對浙江省杭州市西湖區(qū)和紹興市新昌縣茶園的調查，該茶園平均施氮肥量為560 kg/hm2，為收獲生物量的4倍，利用率僅有20%～25%。據(jù)分析，如果將氮肥施用量在目前的基礎上減少28%～47%，年均農田溫室氣體減排潛力達41.7～70.1 Tg CE[14]。我國種植業(yè)化學農藥過度、不合理使用現(xiàn)象非常嚴重。2013年，我國農藥使用量達18019萬t，單位面積用藥量是世界平均水平的25倍[15]。用藥不對口、不適時，高毒高殘留低效農藥仍在使用，導致病蟲害防治藥效不佳、環(huán)境污染嚴重，且農藥使用量和人工費用遞增，直接或間接碳排放增加。通過調整作物種植模式和布局，推廣低碳作物品種，實施節(jié)水、節(jié)肥、節(jié)藥技術以及沼氣利用等，可直接或間接減少溫室氣體排放。

1.1.2 設施種植高碳排放更加突出

我國是世界上設施栽培面積最大的國家，尤以設施蔬菜栽培發(fā)展迅速，2009年我國溫室設施總面積已達410.9萬hm2。然而，設施栽培大棚又是我國農業(yè)碳排放最嚴重的地塊。陳琳等研究表明，不同設施蔬菜碳排放量平均為1 253.68 kg CE/hm2，明顯高于旱地糧食作物[16-17]。其原因歸結如下：（1）化肥投入量大。由于投入成本大、集約化程度高，農民為了追求眼前經濟效益超高量施用化肥，其單季作物氮化肥量超出普通大田作物的數(shù)倍，有的高達十幾倍，氮肥利用率遠低于露地栽培。（2）加溫過程排放大量CO2。我國大部分日光溫室分布在北方，在深秋、冬季和早春季節(jié)氣溫較低，為滿足蔬菜作物生長對溫度的要求，須供熱加溫。（3）CO2嚴重虧缺限制碳匯作用。由于設施大棚栽培在密閉條件下進行，失去了與大氣CO2的交換。據(jù)測定，晴天大棚CO2濃度可降至 100 μmol/mol 左右，嚴重影響光溫條件的發(fā)揮和碳的固定。（4）土壤退化嚴重。由于勞動力價格的提高，現(xiàn)代農民不愿施用又臟又費力的有機肥，取而代之的是大量施用化學肥料，通常4～5年后出現(xiàn)土壤次生鹽漬化、板結、連作障礙等土壤退化問題，嚴重影響土壤碳庫的固碳作用。（5）設施栽培農產品質量差、收益降低。由于CO2嚴重虧缺、超高量施用化肥，導致碳、氮代謝失調，不但產量低，而且品質差，蔬菜硝酸鹽含量超標嚴重，影響設施栽培的經濟效益和可持續(xù)發(fā)展?？梢姡覈O施栽培的高碳排放問題更加突出，其減排空間巨大[18-19]。

1.1.3 作物秸稈減排潛力巨大

我國是種植業(yè)大國，年產各類農作物秸稈總量達6億t，約占世界秸稈總產量的20%～30%，其中主要糧食作物年平均秸稈產量達到4.9億t。據(jù)趙建寧等估算，我國糧食秸稈露天焚燒量平均為094億t，約占糧食作物秸稈總量的19%；糧食作物秸稈露天焚燒排放的CO、CO2總量平均每年分別為9.19×106、1.07×108 t；排放的總碳量平均每年為3.32×107 t，其中稻谷、小麥、玉米、豆類秸稈露天焚燒釋放的總碳量分別為 9.88×106、9.93×106、11.14×106、2.22×106 t[20]。秸稈焚燒造成環(huán)境污染，減少土壤有機質含量，使農田土壤質地變劣、生產力下降。隨著我國秸稈用作生活燃料或飼料的量不斷減少，每年約有2億t秸稈被隨意丟棄，被微生物分解釋放的CO2氣體達2.2億t，還產生大量甲烷（CH4）。在稻田中，秸稈直接還田被認為會導致大量CH4排放，但也有很多研究表明，通過調整秸稈還田方式，比如采用旱直播方式進行秸稈還田[21]，在非稻季還田[22]或者先經過堆漚后還田[23]不會導致CH4排放的大量增加，而會減少因秸稈燃燒導致的碳排放。Yan等估計通過改變秸稈還田時間，全球每年CH4排放可降低4.10 Tg[24]，因此，實施農作物秸稈還田、回收利用，不僅對提高農田土壤肥力、水土保持和環(huán)境安全有益，而且與種植業(yè)向節(jié)能減排為特征的低碳、循環(huán)、生態(tài)和可持續(xù)方向發(fā)展息息相關。endprint

1.2 種植業(yè)固碳增匯潛力巨大

1.2.1 生物固碳

農作物生物固碳對全球氣候變化有著不容忽視的影響。植物通過光合作用將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣，這是綠色植物最基本的生化代謝過程，也是地球生物賴以生存的基本條件，是一種碳匯過程。農作物為人工栽培植物，且覆蓋地表較大面積，通過光合作用合成自身所需的碳水化合物，轉化成根、莖、葉、果實等同化物質，獲得產量，同時將溫室氣體CO2以有機碳的形式固定在植物體內或土壤中。據(jù)報道，1991—2008年我國農作物碳匯量呈現(xiàn)“蝙蝠型”波動上升趨勢，由1991年的55 345.2萬t增加至2008年的74 386.8萬t，增長了34.41%[25]。生物固碳是最經濟且副作用最少的固碳方法，且有較大的發(fā)展空間。

1.2.2 土壤固碳

土壤固碳是《京都議定書》認可的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳途徑之一，在減緩氣候變化中具有重要的地位，據(jù)估計，在全球每年55～60億t CO2當量農業(yè)減排潛力中，89%的減排潛力須要通過提高土壤有機碳儲量來實現(xiàn)[26]。雖然我國農耕區(qū)土壤有機碳庫在過去30年間總體呈增加趨勢，但與國外相比，我國耕作土壤有機碳密度還很低，土壤有機碳密度介于0.81～12.68 kg/m2，平均為3.15 kg/m2，平均比歐美低1/3，有機碳庫構建還有巨大的空間[27]。根據(jù)對我國9個省農田土壤的估算，0～100 cm 耕地土壤中的固碳潛力為 1 296.34 Tg C，相當于我國2010年固體化石燃料燃燒釋放碳總量的79.13%[28]。根據(jù)模型分析結果，如果采取管理措施，使農田系統(tǒng)碳投入以每年1%的速度增加時，土壤碳庫會在21世紀末增加2倍[29]。可見，我國農田土壤固碳潛力巨大。我國農田過度或不適時翻耕，農家肥使用大幅度減少，都導致土壤有機質含量下降，土壤固碳量減少，通過技術改進是增加土壤碳儲量的發(fā)展方向。

2 技術對策

2.1 選育和推廣低碳作物品種

不同作物碳匯、碳源特性不同，同種作物的不同品種的碳匯、碳源特性也有區(qū)別。產量潛力高、種植根系龐大、抗逆性強的作物品種，CO2同化能力強、養(yǎng)分利用效率高、病蟲害輕，屬低碳類型品種[30]。按照低碳、增產的原則，以作物新品種和骨干親本為研究對象，以作物高產、資源高效、低CH4和氧化亞氮（N2O）排放為主要指標，培育可在我國典型農區(qū)推廣應用的新型固碳高產作物，可為我國種植業(yè)固碳減排增匯創(chuàng)造種植條件。我國是水稻生產大國，水稻產量約占世界的30%。我國已成功育成和推廣超級稻，其產量潛力高、根系發(fā)達、吸肥能力強、氮肥利用率高、生產單位產量稻谷的需肥量和CH4排放量均低于常規(guī)稻和普通雜交稻，且葉片功能期長、光合能力強、同化CO2的碳匯能力較強[31]。大面積推廣應用我國自主選育成功的超級雜交稻組合是實現(xiàn)稻田低碳生態(tài)高效栽培的重要途徑。旱地固碳減排效果對環(huán)境的影響不可忽略。篩選和推廣碳匯能力強、碳排放相對較弱的優(yōu)良旱地作物品種，配套開發(fā)增匯減排旱作技術，突破固碳減排高產作物品種和配套耕作栽培等關鍵技術。同時配套研究作物的接茬方式、育苗移栽、播種期、適宜密度、合理施肥、化學調控和主要病蟲害過程對產量、品質和碳排放的綜合影響，提高農田農產品產量和生產效益以及大幅度減少農田生產過程中的溫室氣體排放等。

2.2 推廣低碳種植模式

按照兼顧提高農產品品質、效益和增匯減排的原則，結合特定區(qū)域的氣候特點、土壤性質，調整農田作物結構，增加一些碳匯系數(shù)較高農作物的種植面積，推廣適合當?shù)氐牡吞脊?jié)能種植模式，形成良性循環(huán)農田生態(tài)系統(tǒng)[32-34]。筆者在浙江省溫州市推廣適合當?shù)氐拇笈锓选鹩衩住淼尽Ⅴr食玉米—晚稻—蔬菜、小麥—甜玉米—晚稻等稻田高產高效種植模式，提高了稻田光、溫資源利用率和“碳匯”效果[35]。輪作可提高農田土壤結構和養(yǎng)分供應能力，也可減少作物病蟲害發(fā)生。楊曉琳在中科院欒城試驗站開展了替代輪作種植模式的田間定位研究表明，合理的替代輪作模式有明顯的節(jié)水效果，5種種植模式年均周年耗水量由大到小依次為麥玉模式（724.5 mm）>糧棉油模式（647.4 mm）>糧油模式（615.0 mm）>糧棉薯模式（560.6 mm）>棉花連作模式（522 mm）[36]。冬季空白田種植綠肥可增加地表作物覆蓋，增加對大氣二氧化碳的生物固定，也增加土壤有機質含量和碳固定數(shù)量[37-38]。農田作物與動物的立體搭配種養(yǎng)模式，也是提高農田資源的利用效率、減少溫室氣體排放的模式。如鴨稻共作種養(yǎng)模式，利用雛鴨旺盛的雜食性，起到除草和基本消滅稻飛虱、稻蝽象、稻象甲、稻縱卷葉螟等水稻害蟲的作用，利用鴨不間斷的活動刺激水稻生長，增加稻田水溶解氧含量，減少CH4的排放[39-41]。

2.3 低碳栽培

2.3.1 低碳施肥

施肥是農作物增產增效的必要措施，也是減排增匯的主要環(huán)節(jié)[42]。研究明確特定農田的土壤母質、土壤熟化程度、理化性狀、供肥特性，結合特定種植模式和特定作物的養(yǎng)分需求特點，實施既兼顧產量、效益，又注重減少環(huán)境面源污染、溫室氣體排放的最佳施肥方案，運用低碳高效農田培肥技術，實施精確定量測土配方施肥，可較大幅度減少化肥，尤其是化學氮肥的用量。隨著我國信息技術和農機裝備的不斷發(fā)展，利用遙感、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的3S技術，實施精準施肥，以減少種植業(yè)化肥用量和提高肥料利用率是以后的發(fā)展方向[43]。施用肥料的類型與作物的產量、碳源碳匯密切相關[44]。結合不同地區(qū)農田的養(yǎng)分狀況和供肥特點，按照不同作物、不同類型土壤的需肥特點配制的專用肥，可提高肥料的利用率和作物產量。有機肥與無機肥配合施用可以提高肥料養(yǎng)分效率，并起到固碳培肥和減少溫室氣體排放的效果。按照相應的標準，生產有機、綠色、無公害農產品，可減少或不用化學肥料，增加有機肥的用量，可促進農田土壤的良性循環(huán)和有機碳的累積。氮肥利用率低、易流失或被反硝化為N2O而被排放，生產上應適當減少化學氮肥用量，改氮肥表施為深施。段智源等研究報道，與傳統(tǒng)施肥方法相比，春玉米用硫包衣尿素分別使溫室氣體排放總量、單位玉米產量排放、萬元凈產值碳排放降低37.8%、40.5%、473%，用尿素添加雙氰胺處理分別使上述指標降低365%、38.6%、45.9%[45]。據(jù)報道，使用甲烷抑制劑也能顯著抑制農田CH4的排放，因地制宜合理增施菌渣、沼肥可改良土壤和提升地力。長效碳酸氫銨對CO2的吸收和固定率達到86%，其中植物吸收CO2 10%以上，土壤固定CO2 76%。土壤中施用長效碳酸氫銨的CO2排放量比施用尿素低169%。研究表明，隨著土壤深度的增加，土壤中生成穩(wěn)定碳酸鈣和碳酸鎂的量也不斷增加，特別是在深層土壤50 cm以下，有更多的碳酸鈣和碳酸鎂形成?？梢?，利用碳酸氫銨、碳酸氫鉀等碳酸氫鹽的碳酸氫根離子可成為減排固定CO2和改善生態(tài)環(huán)境的一條可行途徑。endprint

2.3.2 低碳管水

水分為作物生長所必需的資源，節(jié)水栽培可以科學利用水資源，同時減少機灌的電力需求，間接減少碳排放。選擇耐旱作物，研發(fā)作物全生育期的需水規(guī)律，形成既能滿足作物生長發(fā)育對水分的需求，又能節(jié)水、減少農田CH4等溫室氣體排放的作物管水措施。淹水稻田為溫室氣體CH4的主要排放源，據(jù)政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）估算，稻田CH4排放約占全球CH4排放的12%[46]。水稻種植面積占我國作物播種面積的18.6%，我國稻田CH4排放是全球稻田CH4排放的重要部分。水稻是濕生作物，又是種植業(yè)耗水量最大、節(jié)水空間最大的作物，通過采取強化栽培、超前擱田、濕潤灌溉、間歇灌溉的節(jié)水措施，可調節(jié)水稻群體、促進水稻根系發(fā)育、提高土壤氧化還原電位CH4大量排放、減少節(jié)水和減少機灌所需的能源引起的間接排放，國內外大量研究表明，采用間歇灌溉等節(jié)水灌溉模式可降低稻田CH4排放 15%～72%[47]。筆者提出實踐多年的雜交水稻“六五始控”超前隔田技術[48-49]，在生產上大面積應用，其擱田時間比常規(guī)栽培提早，擱田時間延長，不僅有效抑制了稻株無效分蘗的生長，提高了稻田的群體質量，實現(xiàn)穩(wěn)產高產，也縮短了稻田淹水的時間和減少耗水量。結合水稻本田全生育期多數(shù)時間保持濕潤而無水層的管水技術，節(jié)水效果更加明顯，而且減少稻田全生育期還原性物質的形成，既提高了水稻全生育期根系的活力，也減少了CH4排放[50]。 針對不同的旱地作物，選用抗旱品種，采取抗旱鍛煉、增施有機肥、秸稈覆蓋、地膜覆蓋等措施，減少作物全生育期的用水量，實現(xiàn)節(jié)水減排增產的目標。隨著我國氣象預報精準度提高，利用降水信息，結合需水規(guī)律和水分需求彈性，采取人工灌溉與自然降水相結合的管水方式，充分利用自然降水，可減少人工灌溉的耗水、耗能、耗電。

2.3.3 病蟲害低碳防治

農作物病蟲害的低碳防治，應遵循以農業(yè)防治為主，提倡物理防治、生物防治、化學防治為輔的原則。農業(yè)防治是低碳防治的基礎。通過優(yōu)化種植模式，選用抗性強的農作物品種，以及輪作、中耕、除草等農業(yè)措施減少病源、蟲源，結合健身栽培、適度密植、調節(jié)群體等栽培措施，減少田間郁閉度和降低田間濕度，減輕病蟲害發(fā)生，從而減少農藥用量和施藥用工。應大力推廣生物防治、物理防治替代化學農藥防治，減少化學農藥對環(huán)境及農產品的不良影響。銀灰色膜、防蟲網(wǎng)、黃板、頻振式殺蟲燈等物理防治措施在生產上推廣效果良好。我國利用大紅瓢蟲防治柑橘吹綿蚧，用白僵菌防治大豆食心蟲和玉米螟，用金小蜂防治越冬紅鈴蟲，用赤小蜂防治螟蟲等均獲得成功，生物防治對環(huán)境影響小，應加大推廣力度。生產上推廣稻鴨共育、稻魚蛙共養(yǎng)等技術不僅有效防治稻田的蟲害和草害，也提高了農田的產出和效益?；瘜W農藥防效好、藥效快，仍是作物病蟲害防治的重要手段。在嚴格掌握防治適期和適當放寬防治指標的基礎上，選用高效、低毒、低殘留農藥替代低效、高毒、高殘留農藥。應嘗試引進3S系統(tǒng)實施精準施藥，推廣無人機施藥技術，提高工效和減少成本和環(huán)境污染[51]。

2.4 農作物秸稈綜合利用

農作物秸稈還田對固碳減排具有雙重性，它可充實稻田土壤碳庫，也會引起CH4等溫室氣體排放增加[52]。秸稈還田可以消耗部分農作物秸稈，但涉及切碎、腐爛等機械和生物化學等過程，也常常對土壤結構以及接茬作物對養(yǎng)分吸收造成不良影響，秸稈直接還田的化感作用對后茬作物的影響也不能忽略?，F(xiàn)階段，除了一些草本作物的秸稈可直接還田外，大量農作物秸稈直接還田尚不現(xiàn)實。將秸稈等有機廢棄物進行高溫好氧堆肥化處理生產優(yōu)質環(huán)保型有機肥已成為秸稈利用的重要途徑之一。土壤耕作層是固碳的主要土壤層，土壤有機碳含量提高可同時提高土壤肥力，開發(fā)有機無機配合施肥-保護性耕作等高效固碳增肥技術，開發(fā)固碳減排調理劑和增效劑等，可提高土壤碳庫穩(wěn)定性，減緩土壤生物質腐殖化過程中CO2、CH4等溫室氣體的產生和釋放。應以增加有機碳輸入量和減少有機碳礦化為目標，研究土壤碳的固定、積累與周轉機制，突破我國農田土壤增碳關鍵技術，在農業(yè)生產上示范推廣。如果將農作物秸稈等生物質低溫碳化轉化為微生物難降解、穩(wěn)定性長達幾千甚至上萬年的生物炭，就可以有效地減緩土壤中生物質腐殖化過程中CO2、CH4等溫室氣體的產生和釋放，提高土壤中的碳匯[53]。向土壤中添加生物炭可以提高土壤的物理化學性質和滲水性，減少土壤中氮、磷等營養(yǎng)元素的流失，降低N2O排放，促進土壤中有益微生物的生長，提高土壤肥力[54]。傳統(tǒng)的生物炭主要通過泥窯、磚窯等各類碳窯制備，其能量利用效率低下，而且會產生許多污染物。應研發(fā)先進新型農林廢棄有機物為原料的廢棄生物質裂解技術，制備優(yōu)質生物炭和提高生物炭產率，減少污染排放和碳氮損失，使農作物秸稈變廢為寶，充分發(fā)揮種植業(yè)的低碳功能，實現(xiàn)種植業(yè)固碳減排增匯增產增效的目標[55]。

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