中国农田固碳减排发展现状及其战略对策

唐海明，汤文光，肖小平*，杨光立

1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业环境研究中心，湖南 长沙 410125

土壤有机碳(SOC)是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一，它由进入土壤中的生物残体及其部分分解产物和土壤腐殖质构成，其含量的高低受气候条件和人类活动的共同影响。土壤有机碳库是陆地碳库的核心组成部分，也是全球碳循环的重要组成部分。据估计全球土壤有机碳储量约在1400～1500 Pg，其中农田土壤贮存的碳占土壤碳贮量的8%～10%。由于土壤有机碳贮量的巨大库容，其较小幅度的变化就可能影响到碳向大气的排放，以温室效应影响全球气候变化，同时也影响到陆地植被的养分供应，进而对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能产生深刻影响。

自20世纪80年代以来，农田土壤固碳在一系列固碳减排措施中处于重要地位。土壤有机碳的动态变化日益成为全球有机碳研究的热点，也是国际全球变化问题研究的核心内容之一。我国农田土壤有机碳呈增长趋势，且南方大于北方。增加农田土壤有机碳的固定不仅可以提高土壤生产力、减少大气CO2含量，而且对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用。因此，农业中土壤有机碳的储存与动态变化对于正确评价农业产业对全球气候变化的影响具有重要的理论意义。

1 我国农田固碳减排的基本现状

我国农田土壤碳的储存和转化与所在的区域植被覆盖、地理气候、品种、土壤性质、种植制度和施肥情况等控制植被生产力和凋落物分解速率的关键环境有关，而且环境中不确定因子存在明显差异，对其凋落物有机碳的周转产生重要影响。近年来，随着农业种植水平的提高、农业种植方式的变化，农业机械作业的比例越来越大，秸秆还田量呈不断上升趋势，此外，化学肥料使用量逐年增加，农家肥则有逐年减少的趋势。这些农田管理措施的改变，对我国农田土壤碳的储存和转化、温室气体排放产生较大影响[1-2]。

我国土壤碳密度偏低，反映了我国生态系统总体质量较低，应对与抵御气候变化的自然能力较弱，但这也提供了固碳减排的巨大空间。中国在过去的20年中，施化肥、施有机肥、配施、秸秆还田和免耕5种管理情景下土壤有机碳每年分别增加0.129、0.545、0.889、0.597和0.765 t·ha-1。从固碳潜力来看，免耕、配施和秸秆还田的作用较大，能使土壤有机碳在一定的时间段内达到较高的平衡值。

因此，采取农业分区的方法，根据长期定位实验数据数量的限制，可将中国划分为4个农业区：东北旱作-熟区、北方旱作两熟区、东南部水田两熟三熟区和西北旱作两熟区。从地区来看，黄淮海区、长江上中游区和西南区在各种农田管理措施下SOC年增加量较大，主要是适宜的水热条件有利于土壤有机质的形成；而东北区除施有机肥外，其它措施下的SOC增加量均较小，其中施化肥措施下东北区SOC含量下降，主要是由于温湿气候区SOC恢复潜力较冷干的气候区大[3]。此外，东北黑土地养分含量较高，其可吸收有机碳的空间有限，而东北区施有机肥的几个试验土壤有机质初始值较低，碳汇相对较大。

我国农业以占全球不到9%的耕地养育了约占全球1/5的人口。自20世纪80年代以来，我国农业生产的经营体制和农业技术支撑条件发生了根本性的改变，农业整体生产力大为提高，农业土壤肥力质量也发生了明显的变化，这对农业土壤固碳具有积极意义。国内多个研究组对黄淮海平原、南方红壤丘陵等地区、东北黑土区等中小区域尺度的有机碳水平的调查和统计，均显示出我国农田有机碳变化呈总体增加态势。1970年以来，全国土壤肥力与肥料效益监测网的长期试验也都显现了良好施肥和高产管理下土壤有机质的增加趋势。在最近几年发表的一些代表性的长期试验研究显示，无论在南方的红壤地区、长江中下游平原地区、四川盆地紫色土区，还是在黄淮海平原和东北旱地区，在配方施肥和有机、无机配合施肥条件以及良好的农作制下农田土壤有机碳均呈普遍的上升趋势。蔡祖聪课题组通过对全国不同区域26个长期试验站点29个长期试验的农田土壤有机碳变化情况的统计研究表明，在平衡施肥和有机、无机复合施肥下农田表土有机碳含量每年增加0.05～0.29 Pg，估计在良好施肥下过去20年农田表土有机碳固定量为0.2～1.6 Pg[4]。黄耀等[5]分析了我国1993年以来关于区域耕地土壤有机碳变化的200余篇文献中近60000个土壤样品的测定结果后，发现近20年来53%～60%的耕地面积的土壤有机碳含量呈增长趋势，而30%～35%呈下降趋势，4%～6%基本持平。这种趋势在不同的地理气候区存在差异。在此基础上，他们估计近20年来中国农田土壤表土有机碳储量增加了300～400 Tg。同时也有研究表明，1982—2006年全国农田土壤有机碳年平均增长幅度达0.69%。在区域格局上表现为华北、华东、西北增长明显，而西南、华南和东北地区增长不明显。根据不同区域和不同土地利用下的平均增长速率，估计全国农田表土(0～20 cm)有机碳库年均增加24.1～27.1 Tg。作为我国特殊的农业土地利用方式，稻田面积相当于旱地面积的约30%，不但是最重要的粮食生产保障，也是我国农业固碳减排十分重要的土壤类型和农作系统。这进一步支持了农学家的观点——稻田是我国可持续发展的农业选择。稻田系统固碳可以起到减排、高产稳产和提高生态系统服务功能的共赢作用。

2 我国农田固碳减排的主要影响因素

近年来，农田土壤碳固定的研究已经成为国际全球变化研究的一个重要热点。大量研究表明，土壤有机碳库量变化受诸多因素影响，如采用保护性耕作措施、扩大水田种植面积、增加秸秆还田、增加有机肥施用、采用轮作制度和土地利用方式等，由于带来了物质进入量水平、水分状况和施肥管理等的明显差异，而导致土壤有机碳库的显著差别。

2.1 耕作措施

土壤是陆地生态系统的核心，连接着大气圈、水圈、生物圈和岩石圈，土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支中占主导地位，因此与温室效应及气候变化有着密切的联系，影响着CO2的吸收与排放。除干旱、半干旱地区钙质土壤碳酸盐中的碳外，大量的碳以有机质的形式存留在土壤中。据Lal等[6]研究，全球耕地总固碳潜力为0.75～1.0 Pg·a-1，IPCC第四次评估报告剔除全球农业固碳1600～4300 Mt a-1（以CO2计），其中90%来自土壤固碳。与自然土壤相比，农田土壤在全球碳库中最活跃。在自然因素和农业管理措施(如：耕作、施肥和灌溉等)的作用下，农田土壤碳库在不断地变化。翻耕通常被认为是引起农田土壤有机质(SOM)含量下降的主要原因，大量的秸秆被燃烧使得固定在作物残茬的养分转化为CO2释放到大气中。再加上肥料的不合理施用，多年的传统耕作会引起农田土壤有机碳储量不断地下降。Song等[7]的研究表明，垦耕可使土壤碳库损失达1.74～2.07 Pg，这主要是耕作的机械作用和对农作物残留物的管理措施不合理造成的。据研究，土壤碳库损失量的60%～70%可通过采用合理的管理措施重新固定。IPCC估算，通过合理的农业管理措施，每年能使土壤碳库提高0.4～0.9 Pg，持续50年，土壤碳库可累积增加24～43 Pg。Six等[8]认为，对传统耕作农田实行免耕，在刚开始阶段会导致土壤碳库的降低，而长期免耕则有利于增加土壤碳库。Huggins[9]发现，农田土壤有机质的动态变化与其初始水平及干扰历史有关，虽然保护性耕作可以增加土壤有机质含量，但它只能部分恢复前期碳损失，如果在耕种初期土壤有机质含量较高，那么试图通过农田管理来恢复到耕种前的水平，并使之保持相对稳定是非常困难的。

中国是世界上重要的农业大国，且历史悠久，农田管理措施对土壤固碳作用的影响已经受到了广泛的关注。韩冰等[10]指出提高化肥施用量、秸秆还田量、有机肥施用量和推广免耕，可以将我国农田土壤的总固碳量提高到182.1 Tg·a-1。潘根兴[11]认为，我国农田土壤具有显著的固碳减排潜力，其中稻作农业的土壤固碳潜力十分突出。据报道，近20年来我国南方稻田生态系统土壤有机碳含量普遍呈升高趋势，表现为重要的碳“汇”。王成己等[12]通过对长期保护性耕作文献数据的整合分析得出，长期保护性耕作下，中国农田表土有机碳含量总体呈上升趋势，水田比旱地更有利于促进有机碳积累。

2.2 施肥情况

国内的很多研究者对不同土壤类型、气候条件和利用方式下的施肥方式进行了研究，结果大都表明了有机肥或有机肥和化肥的配合施用能够增加土壤表层碳储量和提高土壤固碳，而单独施用化学肥料所得出的结果则不尽相同。据彭华等[13]研究表明，施肥能够增加表层土壤碳库，促进土壤对碳的固定作用，尤其是增施有机肥(稻草、猪粪)的效果更为显著。潘根兴[14]、郑聚峰等[15]研究表明，长期施用有机肥或有机无机肥配施可显著增加土壤表层碳库、降低土壤呼吸排放。周萍等[16]研究得出，化肥与猪粪配施处理下的土壤SOC含量显著高于不施肥处理、单施化肥和化肥与秸秆配施处理。金琳等[17]认为配施对中国碳汇效应的作用较为明显，可使SOC增长0.889 t·hm-1·a-1，施有机肥的效果相当，土壤有机碳的年增加量为C 0.545 t·hm-1·a-1，施化肥SOC每年增加C 0.129 t·hm-1·a-1，施单一氮、磷、钾肥几乎不能使SOC增加，甚至起负作用。孟磊等[18]研究表明，有机肥处理可通过提高作物生产力进而增加系统碳汇。李洁静等[19]报道有机无机肥配施下净碳量是单施化肥下的3倍。李江涛等[20]认为施肥显著提高了水稻土颗粒态有机碳(POC)的含量，随着化肥施用量和有机肥的增加，土壤POC含量升高。杨长明等[21]认为有机无机肥配施显著增加潮土土壤POC等活性有机碳组分的含量。袁颖红等[22]试验研究表明，长期施肥对土壤有机碳含量的影响主要表现在表层，施入有机肥促进了土壤有机碳储量的增加。随着年限的增加，土壤有机碳储量都有增加的趋势。

2.3 秸秆还田

秸秆可以作为土壤的改良物质并具有作物所需N、P、K以及所有必需微量养分元素。中国1亿hm2耕作土壤大约产生0.6 Pg·a-1的秸秆。20世纪80年代，每年高达80%的秸秆在田间或用作燃料被燃烧。然而随着环保意识的增强和化石燃料（如煤和天然气）在农村的推广，用作燃料的秸秆变得越来越少。以秸秆为原料制成堆肥施入到农田土壤中是秸秆燃烧的有效替代途径，堆肥的施入有利于提高土壤有机碳和氮的含量。金琳等[17]研究结果表明，秸秆还田和免耕可以在很大程度上提高土壤SOC含量。秸秆还田的固碳潜力较大，其土壤有机碳的年增加量为C 0.597 t·hm-1·a-1。王成己等[12]通过对长期保护性耕作文献数据的整合分析，得出如下结论：(1)与少免耕相比较，秸秆还田能显著增加土壤有机碳含量；(2)结合秸秆还田的综合保护性耕作措施可以使稻田和旱地的有效固碳期限分别持续27 a和23 a，稻田在保持较高固碳速率的同时，延长了有效固碳年限。万运帆等[23]报道，冬小麦土壤有机碳的更新高低顺序为秸秆深施、秸秆表覆、秸秆移除和免耕；秸秆移除和免耕均会导致土壤有机碳的轻微下降；冬小麦农田总的温室气体排放88%以上来自CO2，特别是秸秆表覆和免耕95%以上来自土壤碳的损失而释放的CO2。

2.4 农田生态系统

农田生态系统是受人类干扰最重的陆地生态系统，其土壤碳水平直接受人类活动的影响且调控空间大，农田土壤碳含量动态特征及相关机制正日益受到学术界的广泛关注。不少研究证明长期耕作下农田土壤碳含量趋于下降趋势，尤其是单一施用化学肥料趋向更明显，因为化肥施用及土壤耕作促进了土壤有机碳矿化。但也有许多研究发现，长期施用化肥下农田土壤碳呈现递增趋势，尤其是保护性耕作措施下其土壤有机碳水平甚至超过开垦前的水平。这主要是化肥的施用提高了作物生物量积累，进而逐步增加了作物向土壤的有机物料的输入。许多研究已经表明，通过作物根系或残茬(如秸秆)来提高对土壤的有机物料投入，可以显著提高土壤有机碳水平。Graham等[24]研究表明，表层以下10 cm深度内土壤有机碳储量随作物残留物输入量的增加而提高。最近几年来，许多文献报道了不同尺度农田有机碳含量提高的事实，所报道的土壤碳增加主要归结于我国农业发展中产量提高所带来的土壤有机物质的输入增加。而且大量试验也发现，保护性耕作措施(如秸秆还田、多熟种植、少免耕、施用有机肥等)可以提高土壤有机碳稳定性和减缓其分解，进而显著提高土壤有机碳含量。

3 我国农田固碳减排的主要对策

3.1 加强农田碳循环和土壤碳汇效应的研究

目前，国内外对我国农田生态系统碳排放和固定等方面研究较多，而对碳循环和土壤碳汇效应的研究报道还较少。在今后的研究中应全面考虑农田生态系统的整体固碳减排效应，加强对土壤碳的固定、积累与周转及其对气候变化的反馈机制研究，这对于正确评估土壤碳固定在温室气体减排中的作用，加强农业碳汇相关技术体系的研究构建具有重要意义。

3.2 合理调整农田土地利用结构

目前，我国关于不同土地利用变化下土壤有机碳动态变化的研究相对薄弱，而我国最近20多年来土地利用变化剧烈，无论是土地利用结构的变化还是农用地面积的变化，均造成区域和国家尺度土壤有机碳库的强烈改变。我国农业是世界上受人为活动控制最强烈的生产系统，由于未来面临高产稳产与生态环境保护的双重挑战，发展我国农业土壤固碳减排是十分紧迫的任务。因此，在良好的农业气候变化政策和措施下，我国农业完全可能在保持和提高农田碳库与维持农田生态系统高生产力之间找到平衡点。在今后一个相当长的时期内，可通过合理布局，调整种植结构，扩大秸秆还田面积和免耕技术运用范围，重视有机肥和厩肥的配合施用等措施，发展可持续农业，从而达到进一步提高土壤固碳减排能力的目标。

3.3 农田管理技术体系的创新

土壤有机碳动态变化不但受自然因素，如温度、降水和植被类型的影响，而且很大程度上受施肥、秸秆还田、免耕和灌溉等农业耕作管理措施的影响。在目前的种植模式下，通过现有农田管理措施的改善来增加土壤固碳效应的空间已经很小，稻田土壤进一步固碳的潜力有限。要想进一步提高稻田土壤固碳的潜力，必须针对现有的技术模式，进行种植系统的调整和优化，实现农田管理技术体系的创新突破，减少农田土壤的CO2净排放。例如在未来农业生产中，可通过调整种植结构、扩大绿肥种植面积、扩大油菜种植比例、减少冬闲比重、提高秸秆还田等是进一步提高稻田土壤固碳潜力切实可行的技术途径，对挖掘农田土壤固碳潜力、提高农田粮食生产力与缓解气候变化趋势具有重要的理论参考意义和技术指导价值。

3.4 加强农田生物固碳减排技术的研究

随着温室气体浓度的不断增加，全球气候变暖已成为不争的事实。因此，寻求减少温室气体排放、增加陆地生态系统碳汇以缓解气候变化的固碳减排技术途径已变得越来越迫切。土壤固碳和农业减排作为一项有效减缓温室效应的重要途径已受到国际社会的积极重视，相关的区域和国际合作计划正在开展和实施当中，各国也已纷纷出台相关政府措施以加强应对气候变化的能力。我国政府高度重视全球气候变化问题，先后采取了一系列行动来应对全球气候变化的挑战，目前生物固碳技术和固碳工程已被列入我国中长期科学技术发展规划。生物固碳作为一种目前最安全、有效、经济的固碳减排方式，已经引起了国际社会的普遍关注，成为众多学科交叉研究的热点领域之一。目前温室气体的生物固碳减排措施主要包括，生物质能源利用(作物秸秆所制备的生物炭、作物秸秆添加制剂后还田和生物黑炭等)、农田和草原土壤固碳、造林、再造林及减少伐木等。

3.5 注重降低农业生产的温室气体排放

土壤有机碳与温室气体有着密切的关系，其变化直接影响CO2的排放量，进而影响气候变化。降低农业生产的温室气体排放，提高农业土壤的碳储量，也就是做到了农业的固碳减排。农业生产的温室气体排放中以CO2的排放占到首位，要做到农业的固碳减排，就要尽量降低农业碳排放，如降低土壤有机质的矿化、增强土壤固定新鲜有机碳的能力以及减少农业秸秆的焚烧等。在已有稻田土壤固碳机理研究的基础上，为减缓气候变化的不利影响，在农田管理方面通过大力推广免耕技术，增加秸秆还田面积，合理施用化肥和有机肥、秸秆深施等有效措施，降低农业土壤CO2和N2O的释放，实现农业土壤的有效固碳。

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