农田温室气体净排放研究进展

黄坚雄 陈源泉 隋 鹏 高旺盛 王彬彬吴雪梅 熊 杰 史学朋 孙自广

(中国农业大学循环农业研究中心，北京100193)

进入工业革命以来，大气中CO2浓度在不断升高，全世界大多数科学家已一致认为，不断增长的CO2浓度正导致全球温度上升，并可能带来持续的负面影响［1］。地表和大气之间的反馈对气候变化起着至关重要的作用，而农业生产过程不仅改变了地表环境，而且改变了大气、土壤和生物之间的物质循环、能量流动和信息交换的强度，因此带来了一系列环境问题，如土地沙化退化、水土流失、温室气体排放增强等。近十多年来，温室气体排放增加引起的全球气候变暖成为人们普遍关注的焦点，而农业则是CO2、CH4和N2O这三种温室气体的主要排放源之一［2］。据估计，农业温室气体占全球总温室气体排放的13．5%，与交通(13．1%)所导致温室气体排放相当［3］。因此，农田温室气体排放相关研究已成为目前国际研究热点之一。

1 农田温室气体净排放的涵义

农田是温室气体的排放源，但同时也具有固碳作用，研究农田温室气体排放的重点之一就是从“净排放”的角度综合考虑其“固”与“排”的平衡。如图1所示，在农田生态系统中，作物通过光合作用吸收大气中的CO2，而根和秸秆还田后分解转化成较稳定的有机碳(SOC)，将CO2固定在土壤中。因此，SOC是农田生态系统的唯一的碳库。SOC的形成和土壤呼吸是一个同时进行的过程，采用黑箱的理论方法可得出，农田土壤固碳和土壤呼吸的共同作用最终体现为SOC变化量(dSOC)。农田土壤能排放CO2、N2O和CH4，其中CO2排放来自秸秆分解及土壤呼吸，已包含于dSOC中，故不再重复计算［4］，而CH4则是由有机碳通过一系列反应后转化而成，从土壤释放到大气中后其增温效应比CO2强，则须加以考虑。农田生产物资(柴油、化肥、农药等)的使用所造成的温室气体(主要为CO2、N2O和CH4)排放亦需加以考虑。

综上所述，农田温室气体净排放计算组成因素为dSOC、农田土壤N2O和CH4的排放、农田生产物资的使用所造成的温室气体(主要为CO2、N2O和CH4)排放，影响以上组成因素的农业措施主要有耕作方式、施肥、水分管理、作物品种、轮作及间套作等。当土壤固定的碳(CO－eq)2

图1 农田温室气体净排放示意图Fig．1 diagram of net GHGs emission in farmland

大于农田土壤N2O和CH4、农田生产物资的使用所造成的温室气体(主要为 CO2、N2O和 CH4)排放所相当的碳(CO2－eq)时，该系统为碳汇，反之则为碳源。

2 农田温室气体净排放的主要影响因素

农业生产过程中采用的农业措施(如耕作、施肥、灌溉等)影响着SOC含量、农田土壤温室气体排放及物资投入量，从而影响了农田温室气体净排放结果。因此，了解其主要的影响因素具有一定的现实指导意义，具体如下。

2．1 耕作方式

2．1．1 耕作方式对农田土壤有机碳含量的影响

目前，国内外学者基本一致认为，与传统翻耕相比，以少免耕和秸秆还田为主要特征的保护性耕作能主要提高0－10 cm土层SOC含量［5－10］，而对深层 SOC 含量影响不大［11－12］。据估计，全世界平均每公顷耕地每年释放C素为75．34 t［13］，而保护性耕作则相对减少了对土壤的扰动，是减少碳损失的途径之一。在美国，Kisselle等和Johnson等的研究表明，与传统耕作相比，以少免耕和秸秆还田为主要特征的保护性耕作提高了土壤碳含量［5－6］，美国能源部门的 CSiTE(Carbon Sequestration in Terrestrial Ecosystems)研究协会收集了76个的农业土壤碳固定的长期定位试验的数据进行分析，结果表明从传统耕作转变免耕，0－30 cm 的土壤平均每年固定 337 ±108 kg/hm2［14］碳。在加拿大，Vanden等分析对比了西部35个少耕试验，结果表明平均每年土壤碳固定的增长量为320±150 kg/hm2［8］碳。国内的许多研究亦表明保护性耕作能提高SOC含量，如罗珠珠等和蔡立群等的试验表明，免耕和秸秆覆盖处理可显著增加SOC含量［9－10］。但也有部分的研究的结果表明免耕和秸秆还田没有显著增加土壤碳含量［15］，可能的原因是SOC变化受气候变化的影响或测定年限较短造成的［12］。总体而言，与传统耕作相比，通过少免耕和秸秆还田等措施能提高SOC含量是受到广泛认同的结论。

2．1．2 耕作方式对农田土壤温室气体排放的影响

(1)耕作方式对农田CH4排放的影响。农田CH4在厌氧条件下产生，而在有氧条件下，土壤中的甲烷氧化菌可氧化CH4并将其当作唯一的碳源和能源。甲烷氧化菌在团粒结构较好的壤土中可保护自己免受干扰［16］，有利于其氧化CH4，而耕作方式对土壤团粒结构有一定的影响［17］。许多研究结果表明，与传统耕作相比，保护性耕作减少CH4的排放。如David等在玉米农田的长期耕作试验的研究结果表明免耕是CH4的汇，而深松和翻耕则为CH4的源［18］。Verlan等和Liebig等的研究亦得出类似的结果［19］。在国内，隋延婷研究表明玉米农田常规耕作处理的CH4排放通量大于免耕处理的CH4的排放通量，由于在常规耕制度下土壤受到耕作扰动，促进了分解作用，导致土壤有机质含量下降，而免耕制度下减少了对土壤的扰动，从而增加了土壤有机质的平均滞留时间，降低了CH4排放量［20］。但亦有部分研究结果表明保护性耕作增加了CH4的排放，如Rex等的研究表明在玉米大豆轮作体系中免耕比深松和翻耕排放更多的CH4［21］。总体而言，少免耕措施能基本减少CH4排放。

(2)耕作方式对农田N2O排放的影响。土壤中N2O的产生主要是在微生物的参与下，通过硝化和反硝化作用完成。目前，耕作方式对农田N2O排放的影响没有较一致的结果。郭李萍研究表明，与传统耕作相比，免耕措施和秸秆还田处理的小麦农田的N2O排放量比传统耕作低，保护性耕作减少了土壤N2O的排放［22］，李琳在研究不同耕作措施对玉米农田土壤N2O排放量影响的结果中表明，不同耕作方式土壤N2O排放量大小为翻耕＞免耕＞旋耕［23］。国外的一些研究结果亦与以上研究结果一致，如Malhi等的研究表明传统耕作处理的N2O排放高于免耕［24］。David等在玉米农田的耕作试验结果表明N2O年排放量最大为翻耕，其次为深松，最小免耕［18］。但也有部分研究结果与上述结果不同，如Bruce等的研究表明免耕会增加N2O的排放［25］。钱美宇在小麦农田的研究表明传统耕作方式农田土壤N2O排放量较高，单纯的免耕措施会降低N2O通量，而秸杆覆盖和立地留茬处理会相对增加免耕处理的农田土壤N2O通量［26］。总体而言，少免耕措施比传统耕作更能减少农田土壤N2O的排放的研究尚存在一定的争议，可能是土壤、气候等因素导致存在差异。

2．1．3 耕作方式对物资投入的影响

农业是能源使用的主要部分，Osman等指出，能源消耗指数和农业生产力有极显著的正相关性［27］。耕作方式改变意味着化石燃料的使用亦发生改变。农业生产过程中，耕地和收获两个环节耗能最大，实践表明，采用“免耕法”或“减少耕作法”每年每公顷能节省23 kg燃料碳。日本在北海道研究认为，在少耕情况下，每公顷可节省47．51 kg油耗，相当于125．4 kgCO2的量，总的 CO2释放量相比传统耕作减少15% －29%［28］。实施保护性耕作将秸秆还田，能保土保水［29－30］，从而减少了养分和水分投入所造成的温室气体排放。所以，培育土壤碳库是节约能源、减少污染、培肥土壤一举多得的措施［31］。晋齐鸣等的研究指出，保护性耕作田的致病菌数量较常规农田有较大幅度提高，并随耕作年限的延长而增加［32］。Nakamoto等的研究表明旋耕增加了冬季杂草的生物量，翻耕减少了冬季和夏季杂草多样性［33］。类似的，Sakine的研究表明深松处理杂草密度最高，其次为旋耕，最小为翻耕［34］。因此，因保护性耕作导致土壤病害和草害的加重很可能会导致农药的使用量增加。总而言之，采取保护性耕作在一定程度上可减少柴油、肥料等的投入，但却可能增加农药等的投入，其对减少农田温室气体排放的贡献需综合两者的效应。

2．2 施肥

2．2．1 施肥对农田土壤有机碳含量的影响

在农田施肥管理措施中，秸秆和无机肥配施、秸秆还田、施有机肥、有机肥和无机肥的施用均能提高SOC的含量［35－36］，其中，有机肥和无机肥配施的固碳潜力较大［37］。Loretta等在麦玉轮作体系中长期施用有机肥和无机肥的试验结果表明，从1972至2000年，单施无机氮肥处理的SOC均变化不明显，而有机粪肥和秸秆分别配施无机氮肥均能显著提高SOC含量［38］。Cai等在黄淮海地区开展14年定位的试验结果表明，施用NPK肥和有机肥均能提高0－20 cm土层土壤的有机碳含量。有机肥处理的SOC含量最高，为12．2 t/hm2碳，NPK处理的作物产量最高，但SOC含量却较低，为3．7 t/hm2碳，对照为1．4 t/hm2碳。因此，有机肥和无机化肥配施既能保证产量，又能提高SOC 含量［37］。Purakayastha等的研究亦得出相同结论［39］。总而言之，施肥(特别是配施)能提高SOC含量的研究结果较一致。

2．2．2 施肥对农田土壤温室气体排放的影响

农田是N2O和CH4重要的排放源之一，其中农田N2O排放来自土壤硝化与反硝化作用，而施用氮肥可为其提供氮源。N2O的排放量与氮肥施用量成线性关系，随着无机氮施用的增加，N2O的产生越多［40］。项虹艳等的研究表明施氮处理对紫色土壤夏玉米N2O排放量显著高于不施氮肥处理［41］。Laura等的试验也得出了相同的结果，且有机物代替化肥能减少N2O的排放［42］。孟磊等在旱地玉米农田的研究及秦晓波等在水稻田的研究表明施有机肥处理下N2O的排放通量比施无机肥处理小［43－44］，但在水稻田中施有机肥促进了CH4的排放［45］。石英尧等的研究表明随着氮肥用量的增加，稻田CH4排放量增加［46］。此外，施肥种类对温室气体排放亦有一定的影响［47］。总体而言，施肥对土壤N2O和CH4排放有影响，N2O排放主要受无机氮肥影响较大，且在一定程度上随氮肥用量的增大而增大，而CH4主要受有机物料的影响较大，可能是有机物料为CH4的产生提供了充足的碳源。

2．3 水分管理

农田土壤N2O在厌氧和好氧环境下均能产生，而CH4则是在厌氧环境下产生。水分对土壤农田透气性具有重要的调节作用，是影响农田土壤N2O和CH4排放的重要因素之一。旱地土壤含水量与土壤中的硝化作用和反硝化作用具有重要的相关性，N2O排放通量与土壤含水量显著正相关，直接影响着土壤N2O的排放［48］。Ponce等的试验指出，在一定程度上随着土壤含水量的增加，N2O的产生越多，提高含水量促进N2O的产生［49］，Laura等亦得出相似的研究结果［42］。Liebig等、Metay等和郭李萍在其研究当中均指出CH4在旱地土壤表现为一个弱的碳汇［19，22］，其对农田温室气体排放的贡献较小。因此，在旱田的水分管理中要提倡合理灌溉。

水稻田是一个重要的N2O和CH4的排放源，并且排放通量的时空差异明显［50］。稻田淹水下由于处于极端还原条件，淹水期间很少有N2O的排放［22］，但稻田淹水制造了厌氧环境，有利于CH4的产生［51］，且管理措施对其有重要影响，假如水稻生长季至少搁田一次，全球每年可减少4．1×109t的 CH4排放，但搁田增加了 N2O 的排放［52］。Towprayoon等的研究亦得出了类似的结论［53］，因此，稻田水分对减少N2O和CH4排放有相反作用，需综合进行平衡管理。

2．4 作物品种、轮作及间套作

品种对农业减排亦有重要作用。如水稻品种能影响CH4排放，由于根氧化力和泌氧能力强的水稻品种能使根际氧化还原电位上升，抑制甲烷的产生，同时又使甲烷氧化菌活动增强，促进甲烷的氧化，则产生的甲烷就减少，排放量亦会减少［54］。抗虫棉的推广亦能减少农药使用，减少了农药制造的能耗;培育抗旱作物能减少对水分的需求量，使之更能适应在逆境中生长，增加了生态系统的生物量，作物还田量增加，有利于SOC的积累。品种的改良与引进能增加生物多样性，改善了作物生态环境，可减少物资的投入［55］。因此，品种选育是减少农田温室气体排放的途径之一。

轮作、间套作在一定程度上能减少农田温室气体排放。Andreas等指出，轮作比耕作更有减排潜力，其对20年的长期定位的试验结果分析表明，玉米－玉米－苜蓿－苜蓿轮作体系土壤固碳量较大，每年固碳量为289 kg/hm2碳，而玉米－玉米－大豆－大豆轮作体系表现为碳源。与玉米连作对比，将豆科植物整合到以玉米为主的种植系统能带来多种效益，如提高产量、减少投入、固碳并减少温室气体的排放。玉米和大豆、小麦和红三叶草轮作能减少相当于1 300 kg/hm2CO2的温室气体。苜蓿与玉米轮作每年能减少至少2 000 kg/hm2CO2。豆科植物具有固氮作用，比减少氮肥使用、减少化肥生产和土壤碳固定减少温室气体排放更有显著贡献［8］。West and Post总结了美国67个长期定位试验，表明轮作使土壤平均每年增加200±120 kg/hm2碳［56］。Nzabi等的研究表明，豆科植物秸秆还田能提高SOC，但由豆科种类决定［57］。Rao等研究表明，间作使SOC减少［58］。Maren等研究表明，玉米与大豆间作系统N2O排放量显著比玉米单作少但比大豆单作多，且间作系统是比较大的CH4汇［59］。陈书涛等研究表明不同的轮作方式对N2O排放总量影响不同［60］。总体而言，作物类型对温室气体排放具有较大的差异性，部分轮作模式和间作模式对提高农田SOC含量，减少农田温室气体排放具有一定的贡献。

3 讨论

3．1 国内外关于农田温室气体净排放研究的差异

人们在关注到固碳减排的重要性的同时，也意识到了农业生态系统具有巨大的固碳潜力。固碳指大气中的CO2转移到长期存在的碳库的过程［4，61］，农田生态系统中的碳库则是土壤有机碳库。据估计，到2030年全球农业技术减排潜力大约为5．5×109－6．0×109t CO－ep2，其中大约89%可通过土壤固碳实现［3］。然而，系统范围的界定对土壤固碳潜力计算的结果存在较大的影响。目前，国内和国外在此方面的研究取向存在着一定的差异。

国外学者关于农田温室气体排放计算的相关研究大多考虑了农业措施(如物资投入)造成的隐藏的温室气体排放［61－63］，并得出了一些比较有价值的结论，如 Ismail等根据肯塔基州20年的玉米氮肥长期定位试验计算结果表明，施用氮肥显著地促进了土壤碳固定，然而来自氮肥使用所排放的CO2抵消了土壤固定的碳的27% －65%。类似的，瑞士的Paustian等也指出41%土壤固定的碳被氮肥生产使用所抵消。Gregorich等则指出增长的有机碳被生产使用的氮肥抵消了62%［63］。

相较之下，国内对农田温室气体排放的研究主要集中在农田土壤的碳源碳汇范围，多数没有考虑物资投入所造成的排放。国内从“净排放”进行的相关研究较少，类似问题从近期开始得到重视，如逯非等就提出了净减排潜力(Net Mitigation Potential，NMP)［64］，如伍芬琳等估算了华北平原小麦－玉米两熟地区保护性耕作的净碳排放［65］，但没有考虑农田土壤N2O和CH4的排放。韩宾等从耕作方式转变的角度研究了麦玉两熟区的固碳潜力［66］，亦没有考虑农田土壤N2O和CH4的排放。

综上所述，国内外关于农田温室气体排放的研究差异主要在于对温室气体排放计算范围的界定，考虑隐藏的碳排放更能体现农田温室气体的真实排放。农田温室气体净排放能真实地反应出一系列农业措施的综合效应是碳源还是碳汇，具有重要的指导意义，需加以重视。

3．2 研究展望

鉴于国内农田温室气体排放研究的重要性及不足，在未来关于农田温室气体排放计算的研究当中，需注重以下两点:一是加强各种农业措施对农田温室气体排放影响的研究。农业生态系统是一种复杂的系统，由于气候、土壤等的差异，同一研究问题得出的结论存在一定的差异，加强研究不同的农业措施对温室气体排放的影响及机制，在各个环节中调控农田温室气体排放具有重要的意义。主要包括以下内容:①综合考虑农业措施对深层SOC含量的影响条件下，研究农田土壤是否为一个碳汇。以往对其的研究主要集中在土壤表层，如保护性耕作能提高表层SOC含量，但亦得出保护性耕作对深层SOC含量影响不大［11－12］，仅极少研究报道保护性耕作能提高深层SOC含量［67］;②加强耕作措施和施肥对 SOC增长潜力的研究［68］，如由于气候及土壤环境有差异，如同一物质的玉米秸秆在中国东北地区的腐殖化系数为0．26－0．48，而在江南地区则是0．19 －0．22［69］，从而对 SOC 的累计影响较大。中国农业的区域性特点明显，了解不同区域的SOC增长潜力在该领域研究具有重要意义;③加强轮作和间套作对SOC含量及温室气体排放的影响。在国内，轮作和间套作对温室气体排放的研究较少，如陈书涛等的研究表明玉米－小麦轮作农田的N2O年度排放量比水稻－小麦轮作高［60］。Oelbermann等研究表明间作能提高 SOC 含量［70］;④研究减少物质投入的农业措施，且主要为减少氮肥的投入。保护性耕作对减少化石能源有重要作用，但农业投入造成温室排放和农田土壤N2O排放的主要因素为氮肥生产及投入;⑤水稻田水分管理。连续淹水条件下水稻田排放的温室气体主要为CH4，而搁田可减少CH4排放，但却增加了排放N2O排放增加。因此，需要在水稻田提出适宜的水分管理制度。二是加强国内农田温室气体净排放的计算研究。国内近年来对农田温室气体的排放的计算目前，国内对净排放的研究存在不足，主要关注在SOC及农田土壤温室气体排放两方面。近年国外学者对国内学者发表文章的回应就体现了国内在该方面研究的不足［71－72］。值得一提的是，农田投入所造成的温室气体排放清单对净排放研究具有重要影响，如生产等量的纯N、P2O5和K2O，如发达国家的生产造成的温室气体排放分别约是我国的31．1%、40．5% 和 45．3%［14，73］。因此，排放清单研究有待进一步的加强和跟踪研究。

总之，加强该领域的研究，能在温室气体减排的角度上得出最佳的减排措施及途径，能为提出更合理的建议和制定更准确的决策提供一定的参考依据。

(编辑:田 红)

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