旱作農田種植碳排放主要因素及減排措施研究進展

何錦　曲麗　周翰舒　柏林　杜鵬　王振

摘要? ? 農業(yè)生產是溫室氣體排放第二大排放源，降低農業(yè)生產的碳排放具有意義重大。本文梳理了種植生產過程中碳排放相關的文獻，發(fā)現(xiàn)種植過程產生碳排放的主要因素之一是化肥的生產和使用。通過優(yōu)化秸稈和肥料利用模式成為化肥減施和替代的重要途徑，綜合考慮了農田碳排放和土壤固碳，為進一步研究旱作農田減排措施提供參考。

關鍵詞? ? 旱作農田;土壤固碳;保護性耕作;生物質炭;減排措施

中圖分類號? ? X71? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）09-0184-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? The agricultural production is the second biggest source of greenhouse gas，reducing the carbon emission from agricultural production is meaningful.The research analyzed the papers related to carbon emissions from agricultural production，revealed that the usage and processing of chemical fertilizers was the one of main factors inducing carbon emissions.The research considered，which could provide a reference for further exploration in carbon reduction in dry farmland，the function of soil sequestration and important approach by optimization of mode in utilizing crop straw as reduction and substation of chemical fertilizers.

Key words? ? dry farmland;soil sequestration;conservation tillage;biochar;emission reduction measure

化石能源的利用使得人類的生產形式和方式發(fā)生巨大改變，同時造成了諸多環(huán)境污染問題和氣候變暖引發(fā)的環(huán)境問題等。聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會第五次評估報告中提及農業(yè)溫室氣體占全球溫室氣體排放總量的比重約為14%。國內學者有報道稱農業(yè)生產目前是溫室氣體第二大排放源[1]。中國農業(yè)源溫室氣體排放的比例超過全國溫室氣體排放總量的15%，其中來自農業(yè)源的CH4和N2O排放比例分別為60%和90%[2]。因此，發(fā)展低碳型農業(yè)是減少碳排放的重要途徑之一。本文通過總結前人對農業(yè)生產中碳排放關鍵因素的研究成果，聚焦于分析旱作農田的減排措施，為旱作農業(yè)低碳化發(fā)展提供參考。

1? ? 農業(yè)主要碳排放源分析和減排思路

李明亮[3]運用數(shù)據(jù)模型的方法研究1998—2013年期間中國農業(yè)碳排放的4個影響因素發(fā)現(xiàn)，碳排放的比重大小依次為農業(yè)源、農業(yè)廢棄物、農資隱含碳、農用能源，其中農業(yè)源碳排放的比例呈現(xiàn)降低趨勢，但是超過1/2;另外，農業(yè)廢棄物處置排放的比例呈現(xiàn)增加趨勢。由此可知，除降低農業(yè)源的碳排放外，農業(yè)廢棄物作為第二大碳排放源，對其進行資源化利用具有一定程度的減排潛力，農業(yè)生產系統(tǒng)物料循環(huán)的核心理念包含農業(yè)低碳化特征。韓笑[4]經過田間試驗表明，作物生產間接排放占總排放的83%～94%，在農業(yè)減排中應重點關注化肥和電力的溫室氣體間接排放。趙子健等[5]分別在肥料管理、農藥減量、農機節(jié)能3個方面研究農業(yè)的減排潛力發(fā)現(xiàn)，肥料管理的減排效果最明顯，可以作為發(fā)展低碳農業(yè)的主要突破口。漆雁斌等[6]對農業(yè)總產值與機械總動力、化肥施用量、農作物播種面積進行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，化肥施用量對農業(yè)產值的影響較大?；噬a和施用是造成農業(yè)生產過程中溫室氣體排放的重要因素之一，農業(yè)生產過程中的減排可以關注化肥減施和化肥替代相關措施和技術。

國務院發(fā)展研究中心應對氣候變化課題組將自然碳匯列為技術和經濟可行的低碳技術體系中。碳匯一詞來源于《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UNFCOC），碳匯一般是指從大氣中清除二氧化碳的過程、活動和機制。農業(yè)碳匯是指在農業(yè)生產過程中，將碳元素固定于土壤等載體上，降低空氣中的碳濃度，農田碳匯是降低大氣CO2濃度的有效途徑之一[7]。增加農田土壤有機碳的固定不僅可以減少大氣CO2濃度，還可以提升土壤有機質含量，土壤碳庫的收支可以調節(jié)大氣碳平衡，其在緩解溫室氣體排放等方面發(fā)揮了重要作用。因此，在考慮化肥的減施和化肥替代減排的同時，可以綜合考慮農田土壤固碳能力和碳匯水平?；实臏p施和化肥替代可以統(tǒng)籌考慮土壤改良和土壤固碳等多個目標，可以通過應用作物秸稈還田、有機肥、生物質炭和生物質炭復合肥等措施實現(xiàn)替代化肥或者配合化肥減施增效的目的。

2? ? 旱作農業(yè)減排措施

由于農田耕作方式和耕作環(huán)境等因素不同，溫室氣體產生[6，8-9]和排放[10-12]的機理相差較大。此外，由于我國旱作農田占比較大，研究旱作農田的減排對降低農業(yè)碳排放有重要意義。因此，本文主要探究旱地農田的減排措施，為進一步研究旱作農田種植減排措施試驗設計和研究提供參考。陸地農田生態(tài)系統(tǒng)的碳庫變化主要取決于土壤有機碳輸入與輸出的相對數(shù)量，土壤有機碳的生成量和分解量是直接影響土壤固碳量的重要因素，因而土壤有機質生成量和分解量的影響因素則為土壤固碳研究分析的對象。

土壤生物固碳過程一般是指植物將CO2通過光合作用轉化到植物體中，待枯枝落葉和動物碎屑等進入土壤，在微生物、蚯蚓等生物的作用下形成腐殖質等產物，作為補充土壤有機質的來源。農業(yè)生產的耕作方式會影響枯枝落葉和動物碎屑等進入土壤的方式和數(shù)量，對土壤生物固碳產生一定程度的影響。此外，耕作方式也會引起土壤結構、透氣性、土壤團聚體等變化，從而對土壤有機質的穩(wěn)定產生影響[13]，進而影響土壤固碳的能力，故優(yōu)化耕作方式可以作為土壤固碳的途徑之一。

2.1? ? 保護性耕作

保護性耕作是指種植系統(tǒng)在收獲后至少使用30%的殘落物覆蓋農田土壤的耕作和種植制度[14];在農業(yè)行業(yè)標準NY/T 2190—2012中規(guī)定的機械化保護性耕作是指采用機械化作業(yè)的方式實施免耕播種、少耕播種、化學除草和病蟲害防治，在滿足播種農藝要求的條件下，確保播種后有足量的殘茬覆蓋地表并有效控制雜草生長和防治病蟲害的耕作技術。保護性耕作可以通過免耕播種、少耕播種和秸稈還田的耕作方式增加外源性有機物輸入的方式和降低農田土壤有機碳分解速率，以提高農田碳匯能力。

保護性耕作可提高土壤表層的固碳水平與降低農田增溫潛勢。張婧[15]在小麥與豌豆輪作定位試驗中，將傳統(tǒng)耕作（T）與免耕（NT）、傳統(tǒng)耕作秸稈還田（TS）、免耕秸稈覆蓋（NTS）等保護性耕作方式進行對比發(fā)現(xiàn)，以上3種方式均較傳統(tǒng)耕作下0～80 cm土層的全氮和土壤有機碳含量高，但是在30～80 cm部分的全氮和土壤有機碳要低于傳統(tǒng)耕作;NTS較NT和TS在0～30 cm土層的土壤有機碳含量高，但是T較NTS、NT、TS在30～80 cm土層的有機碳高。秸稈覆蓋、免耕能有效提高0～30 cm土層的有機碳含量，但對深層土壤有機碳含量的提升效果不明顯。呂錦慧[16]研究了傳統(tǒng)耕作（T）、傳統(tǒng)耕作結合秸稈還田（TS）、免耕不覆蓋（NT）、免耕結合秸稈覆蓋（NTS）4種耕作措施下小麥農田的綜合增溫潛勢，依據(jù)減排效果排序為NTS>TS>NT>T。免耕結合秸稈還田覆蓋的保護性耕作的減排效果更加明顯。

秸稈還田方式配合化肥減施對減排效果有不同的影響。馬小婷[17]通過設計冬小麥農田3種秸稈還田方式：秸稈不還田（CK）、秸稈與菌渣還田（MS）與秸稈直接還田（DS）配合3種不同的施氮量，共形成9個處理，結果發(fā)現(xiàn)，全部處理方式的農田增溫潛勢均為負值，具有碳匯作用，其中MS處理下的碳匯作用最明顯。根據(jù)農田的實際生產情況和以上的研究成果，采用免耕結合秸稈配施菌渣等保護性耕作措施具有一定降低農田增溫潛勢的潛力。

壟作結合秸稈還田較平作結合秸稈還田的土壤固碳效果更佳。張? 賽等[18]通過對比小麥農田中4種不同耕作方式發(fā)現(xiàn)，壟作結合秸稈覆蓋耕作方式能顯著提高農田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯水平，與空白對照組相比能增加碳匯13.83%～49.82%。田效琴等[19]對比蠶豆的6種耕作方式，無論壟作還是平作，秸稈覆蓋均較無秸稈覆蓋更利于提高土壤總有機碳含量、顆粒有機碳和活性有機碳，但是壟作在0～20 cm土層間的土壤總有機碳（TOC）較平作高。

然而，也有研究報道稱秸稈還田會增加農田溫室氣體排放。楊波[20]以長江中下游地區(qū)太湖流域的稻麥輪作某田為研究對象，通過試驗得出秸稈還田配施氮肥雖然可以增加土壤固碳量，但是與單施化肥相比，秸稈還田后凈溫室效應（net GWP）和平均溫室氣體排放強度（GHGI）顯著增加。同樣地，顧澤海[21]以長江中下游地區(qū)小麥與水稻輪作試驗田為研究對象，結果發(fā)現(xiàn)，在稻麥輪作系統(tǒng)中實施4種不同方式的周年小麥和水稻秸稈還田，雖然可以提高小麥產量，但是都較秸稈不還田的單位產量凈增溫潛勢高。

2.2? ? 優(yōu)化肥料管理模式

2.2.1? ? 秸稈制炭還田模式。增加外源性有機物輸入的方式和降低農田土壤有機碳分解速率的方式可以影響土壤固碳量。外源性碳的持續(xù)輸入和持續(xù)有效轉化成土壤有機碳是影響土壤有機碳的生成量的重要影響因素之一，也是提高土壤固碳能力的重要途徑之一。添加生物質炭可通過改變碳氮比、土壤通氣性、土壤含水量等土壤理化性質，進而影響土壤微生物活性和土壤溫室氣體排放特性。有研究表明，土壤中的NH4+-N含量與土壤產生的N2O成正相關關系，是影響N2O的主要影響因素[22]。同時，生物質炭具有較高的陽離子交換量（CEC），也可能增加對NH4+-N和NO3-N的吸收，減少土壤微生物進行硝化和反硝化反應的底物，從而抑制土壤微生物的活性，降低土壤溫室氣體的排放。

有研究表明，相較于秸稈還田，生物質炭的施用不僅能改善土壤土質、增加土壤固碳量，還能降低僅秸稈還田處理下的CO2排放量。包建平等[23]通過在紅壤旱地的田間試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈炭化之后還田較秸稈直接還田更有利于土壤形成穩(wěn)定性碳庫，雖然短期秸稈還田可以提高土壤活性有機碳，但是土壤總有機碳無明顯提升，如果秸稈配施生物質炭，則能促進土壤總有機碳和惰性有機碳含量。王夢雅等[24]通過試驗發(fā)現(xiàn)，生物質炭配合秸稈處理下土壤總有機碳顯著高于單一秸稈處理，土壤活性有機碳含量明顯高于單一生物質炭處理，而且CO2排放量明顯低于單一秸稈還田處理。

生物質炭結合減氮施肥較秸稈結合氮肥減施在降低溫室氣體排放方面具有更大的潛力。韓繼明等[25]對比研究了在旱地玉米和小麥輪作系統(tǒng)中，秸稈還田結合減施氮肥和生物質炭還田結合減施氮肥處理比秸稈還田配施全量化肥氮處理的溫室氣體排放強度分別降低了36.40%～40.48%和40.48%～53.50%。劉志偉等[26]在旱地和水田對比了無秸稈還田、秸稈直接還田和秸稈轉化為生物質炭還田處理下土壤中有機碳的含量和全氮含量，2種秸稈還田方式都顯著增加了土壤有機碳，其中生物質炭還田處理的土壤綜合溫室效應（GWP）比秸稈直接還田在旱地和水田分別低39.6%和28.8%。張? 影等[27]通過在潮土和砂土上試驗生物質炭和不同腐殖化的有機物料發(fā)現(xiàn)，單施秸稈和腐熟有機物料能明顯提高土壤總有機碳，但是在相同的添加量下，生物質炭可以顯著提升土壤有機碳含量，對土壤有機碳礦化無顯著影響，與單施秸稈相比，秸稈制碳再還田更利于土壤固碳減排。

雖然秸稈制碳再還田更利于土壤固碳減排，但是生物質的使用量會影響農田減排效果，需要通過實地試驗得出最佳施用生物質炭方案。劉先良等[22]通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，與不施用生物質炭相比，施用生物質炭可以顯著降低農田的增溫潛勢（GWP）以及溫室氣體排放強度（GHGI），而且隨著單位面積農田生物質炭施用量的增加，農田的增溫潛勢（GWP）以及溫室氣體排放強度（GHGI）呈現(xiàn)下降趨勢。劉宏元等[28]在華北平原冬小麥—夏玉米輪作農田中試驗4種不同劑量的生物質炭，結果表明，增加劑量可以更明顯降低全球增溫潛勢和溫室氣體排放強度，增加作物產量。李曉[29]通過試驗發(fā)現(xiàn)，高用量生物質炭的土壤與低用量的土壤相比，更能持續(xù)降低農田增溫潛勢和作物溫室氣體排放強度。周加順等[30]通過在成都平原小麥與水稻輪作農田的試驗發(fā)現(xiàn)，1次大量施用生物質炭可以顯著降低施用后前2個水稻季農田的全球增溫潛勢，而且減排效果能維持5年。

生物質炭生產工藝和原料會影響土壤固碳和農田溫室氣體排放。趙世翔等[31]通過試驗蘋果枝條制備生物質炭發(fā)現(xiàn)，隨著熱解溫度升高，生物質芳構化加強，碳穩(wěn)定性進一步加強;在土壤輸入生物質炭后發(fā)現(xiàn)，土壤易氧化有機碳比例隨著熱解溫度的增加會降低，雖然能保持土壤有機碳含量，但是同時降低土壤有機碳活性。根據(jù)不同使用場合和土壤等情況，需要對生產生物質炭的工藝進行優(yōu)化，以達到既能保持土壤有機碳又能保持土壤有機碳活性的目的。生物質炭原料和制作工藝的差異會影響其結構、C/N值和含碳量等理化性質，導致其有不同的使用功能和環(huán)境效益，因而還需要進一步關注生物質炭在低碳農業(yè)領域的應用和研究。

2.2.2? ? 利用秸稈制作炭基復合肥。通常而言，由作物秸稈制成的生物質炭雖然含碳量高，但是礦物質養(yǎng)分低，需要與化肥配施或與秸稈還田結合，才能保證農田的土壤肥力和作物產量。生物質炭復合肥既有生物質炭對土壤改良和土壤固碳等優(yōu)勢，又可以滿足作物生長所需的養(yǎng)分和微量元素。在NY/T 3041—2016中對生物質炭基肥料的定義是以生物質炭為基質，添加氮、磷、鉀等養(yǎng)分中的一種或者幾種，采用化學方法和物理方法混合制成的肥料。

生物質炭基復合肥比單施生物質炭更具備溫室氣體減排優(yōu)勢，更有實際應用價值。李曉[29]在山東棕壤上施用生物質炭和炭基肥的研究發(fā)現(xiàn)，施用炭基肥處理的玉米產量和氮肥利用率顯著高于對照組，而且優(yōu)于生物質炭;與空白對照相比，施用炭基肥能顯著降低全球增溫潛勢（GWP）。生物質炭基復合肥替代化肥可以降低溫室氣體排放強度。舒常祿等[32]發(fā)現(xiàn)，與空白對照相比，施用化肥顯著增加土壤N2O的排放，但是施用炭基肥的土壤N2O排放并無差異，當炭基肥施用量為600 kg/hm2和1 200 kg/hm2時，可以分別降低10.5%和13.8%的溫室氣體排放強度。李正東等[33]通過在小麥農田施用生物質炭復合肥的試驗發(fā)現(xiàn)，相較于施用常規(guī)化肥，其能降低57.5%～66.9%的全球增溫潛勢（GWP）。

3? ? 結論

本文在前人研究的基礎上發(fā)現(xiàn)，化肥使用是造成旱作農田生產碳排放的關鍵因素之一，降低化肥使用對旱作農田生產低碳化有重要意義。因此，本文形成了化肥替代和化肥減施的旱作農田減排思路，以旱作農田生產的肥料施用種類和秸稈綜合利用為主線，減排措施具體體現(xiàn)在以下3個方面：一是可以通過采用秸稈還田覆蓋的保護性耕作增加農田土壤固碳能力和碳匯能力;二是降低農業(yè)種植活動本身溫室氣體的直接排放，通過減少甚至禁止作物秸稈焚燒等造成的排放，優(yōu)化秸稈等農業(yè)廢棄物的綜合利用，例如秸稈制炭還田;三是減少間接排放，主要體現(xiàn)在降低農業(yè)生過程中對工業(yè)產品的依賴，如化肥、除草劑等投入品。

本文通過總結前人文獻發(fā)現(xiàn)，肥料管理方式對碳減排效果從大到小的趨勢依次為生物質炭基復合肥、生物質炭配合化肥減施、免耕秸稈還田覆蓋、秸稈還田、傳統(tǒng)農田施肥。另外，壟作結合秸稈還田較秸稈還田的碳減排效果明顯。由于土壤的溫室氣體排放會受到土壤質地、土壤酸堿度、土壤含水量等土壤理化性質、作物品種、肥料施用量和肥料性質等因素的影響[28，31-35]，本文所引用文獻中的結論是在不同試驗的設計和試驗地土壤土質等眾多影響因素下的試驗結果，所有以上分析的結論并不具有絕對性，但是上述分析結果可以為旱作農業(yè)在肥料管理對溫室氣體減排效果的研究提供試驗方案的設計思路，具有一定的參考意義。

4? ? 參考文獻

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