华北平原小麦-玉米轮作系统碳中和潜力及固碳措施*

王玉英, 胡春胜, 董文旭, 张玉铭, 李晓欣, 刘秀萍

(中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心石家庄 050022)

巴黎协定(1.5 ℃的温控目标)要求各国在2060年到2080年间实现碳中和。中国在2020年9月召开的第75届联合国大会上提出在2030年前CO排放达到峰值(碳达峰), 2060年前实现碳中和(CO的人为移除与人为排放相抵消)。如要实现上述目标,我国“碳中和”时间表为: 2060年前实现碳中和,2045-2050年实现100%可再生能源供电, 2040-2045年退役全部传统煤电。

农业作为生态产品的重要供给者具有“绿色”属性和多重“身份”。农业碳中和是一种创新的农业理念和模式, 即“将工业生产的二氧化碳用于农业生产, 通过作物生长把二氧化碳吸收利用”。但当前中国农业源温室气体排放占全国的17%, 其中农业源CH和NO排放分别占全国的50%和92%,且以每年5%速率增长。因此在实现碳达峰、碳中和的征程中, 农业的作用举足轻重。华北平原耕地面积占全国总耕地面积的25%, 生产了全国76%的小麦(Triticum aestivum)和29%的玉米(Zea mays)。该区域农业生产的主要特点是依靠大量水(＞470 m·hm)和肥[＞600 kg(N)·hm·a]投入保障产量。伴随这种农业生产与农田应用的巨大问题是温室气体排放的迅速增加。因此该区域面临的主要挑战是在保障作物产量的同时采取合理的农艺措施减少碳排放, 进一步增加碳固存, 为国家近期碳中和目标做出贡献。

1 农业生态系统碳平衡估算

1.1 农业生态系统碳排放估算

根据《省级温室气体清单编制指南》非能源农业碳排放包括水稻(Oryza sativa)种植、土地管理、动物肠道和禽畜粪便发酵, 能源农业碳排放包括化石能源及生物质燃烧。中国省际碳排放总量的估算公式为:

式中: E表示农业碳排放总量(万t COe); E和E分别为农业非能源和能源碳排放量(万t COe)。COe为CO当量, 即某气体的CO当量为该气体数量乘以其温室效应指数。农业非能源碳排放量计算公式如下:

式中: e为i排放源(包括作物种植、土地管理、肠道和禽畜粪便发酵4种) j种温室气体的排放量, ∂和T分别表示不同碳源产生温室气体的排放系数及使用量, GWP表示各种温室气体对应的全球增温潜力。

农业能源碳排放主要来源于农业生产的6个方面, 即化肥、农药、农膜、农用机械、农地灌溉和翻耕, 其计算公式如下:

式中: E为农业能源碳排放总量, E为i种碳源的碳排放量, T为i碳排放源的量, δ为各碳排放源的碳排放系数。其中农业能源碳排放系数及其参考来源见表1。

表1 农业能源碳排放系数的参考来源及华北平原小麦玉米农资投入量Table 1 Reference sources of agricultural energy carbon emission coefficients and the input of agricultural resources in wheat and maize seasons in the North China Plain

1.2 农田系统非能源碳固定估算

农田是陆地的主要组成部分, 研究农田生态系统碳平衡与碳动态对于理解和阐明其在全球碳平衡中的贡献具有重要作用。农田生态系统通过光合作用产物将太阳能转换为生物能, 在此过程中固定CO、释放O。近40年来的大量化学肥料施入和人工灌溉等管理措施会影响从土壤释放到大气中的碳量和植株以净第一生产力(NPP)截存的有机碳量。针对华北平原20世纪90年代初期以来推行秸秆还田条件下的小麦-玉米轮作体系, 我们分析了1978—2008年0～20 cm农田表层土壤有机质含量, 并据此估算了0～20 cm的土壤有机碳储量。研究发现1978—2002年,冬小麦季土壤有机碳储量从无秸秆还田的2.5 kg(C)·m迅速增加到秸秆还田24年后的4.0 kg(C)·m, 2002—2008年略有下降, 维持在3.8 kg(C)·m。夏玉米季的土壤有机碳储量从2.4 kg(C)·m迅速增加到4.0 kg(C)·m,之后略有降低, 2002—2008年间0～20 cm土壤有机碳储量稳定维持在3.7 kg(C)·m(图1)。该结果说明秸秆还田措施能有效增加土壤有机碳储量, 进而达到增加碳固存的目的。鉴于此, 针对当前土壤有机质含量比较低或者水土流失比较严重的地区, 推行作物秸秆就地还田措施对有效提高土壤有机质含量至关重要。

图1 1978—2008年华北平原小麦-玉米轮作系统0～20 cm土层土壤有机碳储量的演变[13]Fig.1 Evolution of soil organic carbon storage in the soil layer of 0-20 cm in wheat-maize rotation system in the North China Plain from 1978 to 2008[13]

我们之前采用涡度相关法和静态箱-气相色谱法原位观测华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田生态系统呼吸通量, 同时结合生物量观测得出了华北平原小麦-玉米轮作系统的碳平衡(图2)。该研究指出小麦季吸收碳1051 g(C)·m、释放碳692 g(C)·m,净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange, NEE)和净初级生产力(net primary production, NPP)分别为359 g(C)·m和604 g(C)·m, 收获后籽粒移除碳269 g(C)·m, 由于生态系统输入碳量比输出碳量高90 g(C)·m, 因此小麦季为碳汇(用负号 “-”表示)。玉米季吸碳984 g(C)·m, 释放碳841 g(C)·m, NEE和NPP分别为143 g(C)·m和540 g(C)·m, 收获后籽粒移除碳310 g(C)·m, 由于生态系统输入碳量比输出碳量低167 g(C)·m, 因此玉米季为碳源(用正号“+”表示)。此研究中因为籽粒收获最终会被移出生态系统, 因此该部分碳被计算在了碳排放范围。但是广义的考虑, 实际生态系统中植株通过光合作用以NPP截存的有机碳量(包括籽粒和还田的秸秆)应当计算在农田系统固存的碳量中。利用这种理论,结合我们之前的研究, 发现华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田以NPP截存的有机碳量(包括籽粒和还田的秸秆), 小麦季和玉米季分别为604 g(C)·m和540 g(C)·m。进一步综合考虑地下部异养呼吸(R)损耗(NPP-R=NEE), 小麦季和玉米季的净生态系统碳交换量NEE分别为-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(图2)。

图2 华北平原小麦-玉米两熟农田生态系统非能源碳收支平衡图[13][单位为g(C)·m-2]Fig.2 Non-energy carbon budgets in a wheat-maize rotation ecosystem in the North China Plain[13].The unit is g(C)·m-2.

鉴于此, 在当前以秸秆还田为背景的华北平原小麦-玉米轮作系统中, 提高水分和肥料利用效率, 能增加生物量和作物产量, 从而达到减少碳排放增加大气碳固存的目的。将合理的管理措施应用到该农田系统, 能够达到农业碳中和的目的。

1.3 农田系统非能源与能源碳平衡估算

根据之前的报道小麦季和玉米季的净生态系统碳截存量分别为-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(图2)。结合表1中农地投入化肥[0.8956 kg(C)·kg]、农药[4.9341 kg(C)·kg]、农用柴油[0.5927 kg(C)·kg]和农地灌溉[20.467 kg(C)·hm]的碳排放系数, 以及调研得出的华北平原农田的农资实际消耗量(表1),进一步计算了农田生态系统非能源与能源碳排放输入与输出的平衡图(图3)。研究结果表明, 冬小麦季化肥、农药、农业机械消耗柴油和农地灌溉的碳排放分别为90.7 g(C)·m、3.74 g(C)·m、5.68 g(C)·m和2.05 g(C)·m, 玉米季分别为53.7 g(C)·m、2.89 g(C)·m、10.2 g(C)·m和2.05 g(C)·m。上述能源碳排放结合非能源碳固定, 冬小麦季和夏玉米季的碳汇强度分别为-257 g(C)·m和-74.1 g(C)·m。以华北平原典型集约高产粮区——河北栾城为例, 根据调研数据, 栾城近年来小麦、玉米种植面积分别约为1.49万hm和1.27万hm。因此估算出河北栾城每年冬小麦和夏玉米农田的碳中和潜力分别为3.8×10g(C)和9.4×10g(C)。此外, 还有另外一种情形需要考虑: 农田生态系统区别于其他生态系统的显著特点是籽粒最终会以收获的方式移出生态系统, 如果将籽粒收获的碳算作碳排放的情况下结合图2和图3, 则冬小麦季和夏玉米季均为碳源, 其碳源强度分别为12 g(C)·m和236 g(C)·m。

图3 华北平原小麦-玉米两熟农田生态系统非能源碳与能源碳的碳收支平衡(小麦季为黑色字体, 玉米季为蓝色字体)Fig.3 Carbon budgets of non-energy carbon and energy carbon in a wheat-maize rotation ecosystem in the North China Plain (black font represents wheat season and blue font represents maize season)

鉴于上述分析, 我们发现当前华北平原秸秆还田条件下高水高肥精细管理的小麦-玉米轮作系统表现为碳汇(包括籽粒固碳), 其中冬小麦生长季碳汇强度是玉米季的近3.5倍。因此水热同季的夏玉米季的未来固碳潜力存在很大的可发掘性。

2 华北平原农业碳中和固碳措施

2.1 加强耕地管理

当前华北平原粮食高产主要依靠化肥农药的过量投入, 我们的研究结果表明这些措施使植物碳足迹和碳投入与20世纪80年代初相比每年额外增加168 g(C)·m, 与碳中和目标相悖。近年来因过度耕作和过量施肥导致华北平原0～20 cm土壤有机碳储量降低强度高达0.3 kg(C)·m, 因此需要加强耕地管理。针对上述问题首先需要在保障产量的前提下,有序开展有机肥料逐步替代部分化肥。其次结合测土配方施肥和节水灌溉等农技措施, 减少碳投入降低碳排放。第三建立不同的轮作休耕制度和秸秆还田, 提高土壤固碳能力。研究表明全球陆地生态系统有机碳储量森林、草地和农田生态系统分别占39%～40%、33%～34%和20%～22%。针对我国耕地分布面积广的特点, 亟需加强耕地生态功能保护。例如进一步优化种植和养殖业布局, 降低养殖业污染物水平等具体措施。借鉴发达国家经验, 涵养保护土壤生态功能, 提高固碳水平。

2.2 发展低碳农业

只有降低单位产量或产品的温室气体排放强度才能促进碳中和, 农业低碳发展是当前农业的重要发展趋势。因此当前亟需建立低碳农业模式。在保障粮食产量的前提下, 推广浅耕、免耕技术、智能灌溉、科学施肥等措施促进农业低碳化。通过改善动物健康和饲料消化率调控肠道CH释放, 提高畜禽废弃物利用率和效率, 减少CH和NO排放等措施, 降低农业温室气体排放强度。长期以来我国实行粗放式农业生产方式, 导致农业资源利用效率低下, 同时也加重了环境污染, 增加了碳投入。鉴于此当前亟需提高规模化农业经营水平和生产效率。加强农业用地的集约化经营; 改善和加强农业基础设施更新改造, 推广节水灌溉及农业机械化和智能化水平。此外推广低碳腐植酸肥料可促进化肥低碳化。与化学肥料相比腐植酸低碳肥料对土壤中团聚体、尤其是水稳性团聚体形成有很强的促进作用。研究表明每施用1 kg腐植酸, 植物吸收CO量增加240 kg。鉴于此, 推广腐植酸低碳肥料可实现“土壤-肥料-作物”产业种植链的低碳化,是十分高效的碳中和模式。

2.3 发展富碳农业

富碳农业就是用人工增施CO气肥的手段满足作物对CO的需求。当前将CO作为气肥或制成干冰在温室和大田使用, 能有效提高作物抗病力且增加土壤有机质, 进而提升农业经济效益。同时从大气中捕获CO制成CO气体肥料, 也是最直接的减排和固碳手段。因此增施CO气肥对我国当前碳中和目标具有重要意义。由于温室大棚长期处于“碳饥饿”状态, CO气体施肥能有效解决设施农业生产中CO不足的瓶颈难题。CO气体施肥增产效果显著。在美国亚拉巴马州奥本国家土壤动力学实验室为期3年的研究表明, 在作物生长旺盛期和结果期增施CO, 高粱(Sorghum bicolor)和大豆(Glycine max)的生物量分别增加30%和40%。内蒙古农业大学牧草增施CO后增产200%。鉴于此, 针对我国当前温室大棚面积有限, 有计划地推广温室CO气体施肥可显著提高整体农业经济效益。此外, CO气体施肥有效保证粮食安全。研究表明增施CO的作物可普遍减少50%～60%农药用量。同时CO气体施肥可提高农产品质量。例如内蒙温室大棚增施CO气肥后番茄(Lycopersicon esculentum)增产25%, 且果实色泽口感等大幅度提升。最后增施CO气肥后促进作物根系发达, 进而增加土壤有机质含量。综上所述, 富碳农业发展在碳中和的背景下为大势所趋。

3 实现农业碳达峰碳中和的挑战

在我国实现农业碳达峰碳中和过程中面临巨大挑战。首先落实难度大。以种植业为例, 当前我国主要是小农户种植主导, 相关的固碳减排标准难以有效推广, 且考虑经济利益国家财政应予以大力补贴。其次当前缺乏农业农村碳达峰碳中和的专业研究机构, 导致相关政策解读和标准制定困难。针对这个问题应当建立完善的专业研究平台, 整合各方力量开展系统研究。

综上所述, 华北平原作为我国的粮食主要产区之一, 为了保障粮食生产, 采取高水高肥的精细管理措施, 这直接导致了当前该区域碳排放源强度高达236 g(C)·m。这也从另一个方面印证了华北平原农田系统具有很高的碳中和潜力。未来通过调整该地区的田间管理措施, 推进农业资源重组, 提高农业生产效率, 促进农业高质量发展, 以期有效实现农业碳中和。