保护性耕作农田碳释放与土壤碳累积的关系

保护性耕作农田碳释放与土壤碳累积的关系

1农田生态系统碳释放研究中国的人均二氧化碳排放量达到世界第二，在国际贸易中面临着减少碳排放的问题，这也是中国政府和科学家面临的重要课题（朱一尊等，2004；张国生等，2005；郭光芬等，2006；郑坚等，2006）。研究表明,保护性耕作可以减少土壤有机碳的损失,增强土壤碳汇,加以秸秆还田更能持续地减少CO2的释放(Dalal&Chan,2001;West&Post,2002;杨景成等,2003;姜勇等,2007),但这些研究忽略了实施农业耕作管理措施过程中,制造和运输农田物资耗能的减少导致温室气体(一般换算成CO2当量)减排作用。国外学者认为,对农田生态系统净碳排放的评价若不考虑能耗引起的CO2向大气的排放量,是不完全的(Janzenetal.,1998;Lal,2004);2002年,美国橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory)将农田投入换算成能量,并进一步折算出每项投入造成的碳释放系数,提出了衡量新耕作管理措施下农田生态系统对大气CO2排放贡献多少的方程,即相对净碳释放方程(West&Marland,2002a,b)。国内对农田投入碳释放的研究较少,未作相关的定量计算。本文通过保护性耕作长期定位试验,系统研究不同耕作方式下小麦-玉米2熟区的净碳释放量,评价少耕、免耕的减排和固碳潜力,旨在为计算中国减少温室气体排放潜力和选择合适的固碳耕作措施,提供数据资料和理论依据。2试验计划和方法2.1试验方法与处理农田生态系统包括生态过程、技术过程与经济过程,即农田生产的生态系统、技术系统和经济系统。碳循环主要发生在生态系统和技术系统中(图1)。目前在对碳循环的研究中多把焦点放在了生态过程的碳循环研究,即农田土壤碳的研究,而忽略了技术过程中碳循环的研究。华北平原小麦-玉米2熟区保护性耕作长期定位试验于2001年在中国科学院栾城生态试验站开始。试验站位于河北省石家庄市栾城县,114°40′E,37°50′N,海拔50.1m,年均气温12.2℃,多年平均降雨量480.7mm。试验土壤为潮褐土,质地为壤土,是典型的小麦-玉米一年两熟农作区。试验采用大田方法,在同一地块上设3个处理,每个处理0.333hm2,每个处理选择地力均匀的3个区域即3次重复进行取样与测定。耕作处理差异主要在冬小麦种植上,玉米采用免耕套种。3个处理分别为:翻耕,玉米收获后粉碎秸秆2遍,翻耕1遍后旋耕机旋2遍,然后播种,翻耕深15cm;少耕,玉米收获后粉碎秸秆2遍,旋耕机旋2遍,然后播种,旋耕深5cm;免耕,直立秸秆自然分布于农田,免耕播种机一次性完成秸秆粉碎、播种、施肥和镇压作业。在2006年10月于小麦播种前取土样,其中不同处理各取样区分0~10、10~20和20~30cm等3个层次,采集5个点的混合土样,当天运回实验室,捡去作物根系和小石头,自然风干,过0.25mm筛,用于土壤总有机碳的测定。2.2相对净释放量relatoretfres不同耕法对碳减排和碳增汇作用的比较采用West和Marland(2002b)提出的相对净碳释放方程分析计算。农田生态系统边界确定后,系统碳循环过程中的碳释放量减去土壤碳累积量,即为绝对净碳释放量(absolutenetCflux),见式(1)。绝对净释放量如果是负值则表明该系统为大气CO2吸收“汇”,反之则为大气CO2排放“源”。AbsolutenetCflux=Cemissions-Csequestration(1)新耕作方式(system2)下农田生态系统的绝对净碳释放量,与传统耕作方式(system1)之差,即为相对净碳释放量(relativenetCflux),见式(2)。结果若为负值则表明新耕作方式对减少大气CO2的贡献大于传统耕作方式,反之则对减少大气CO2的贡献小于传统耕作方式。RelativenetCflux=NetCfluxsystem2-NetCfluxsystem1(2)2.3测量项目2.3.1燃料碳释放系数的确定参照美国橡树岭国家实验室的West和Marland(2002b)提出的方法,将肥料、灌溉、机械、农药、种子等各项农田投入换算成能量,并进一步折算出每项投入造成的碳释放系数。折算方法是求出各项农用物资在生产和运输过程中的耗能和耗电,机械投入还包括维修过程中的耗能,把能耗量和电耗量都折算成燃料投入量,最后将农田投入量和燃料导致的碳释放量对应即得到碳释放系数。燃料的碳释放包括燃料自身燃烧释放的碳,以及生产和运输燃料过程中的碳释放。准确纪录作物生长发育周期中的各项农田投入。目前,国内限于资料及研究人员的专业背景,还未形成一套统一适用的工业能折算系数,影响了研究资料的准确性、可比性和使用价值。本文在计算农业投入、制造和运输农业物资过程中所消耗的能量,并将其换算成CO2当量时,部分借鉴于美国橡树岭国家生态实验室的统计。2.3.2土壤有机碳的测定土地耕作主要是对土壤中的有机碳(SOC)储量产生影响。土壤在有机碳储量计算中,国内外研究多以1m深度为计算参照标准,这样有利于结果比较。但本文研究不同耕作方式下土壤有机碳库储量的变化,耕作方式的不同对耕层有机碳的影响较大,耕层以下有机碳的变化甚微可忽略不计(梁爱珍等,2006),故土壤剖面深度以30cm计算。Ellert和Bettany(1995)提出了土壤SOC储量(Mg·km-2,1Mg=103kg)的计算公式:Melement=Msoil·conc·0.001(1)Msoil=ρb·T·1000(2)式中:Msoil为单位面积土壤质量(Mg·km-2);conc为土壤SOC含量(kg·Mg-1);T为土壤深度(m)。本研究运用铬酸氧还滴定的稀释热法测定土壤有机碳。准确称取含有机质约15~35mg的土样,放入500ml三角瓶中,加入1mol·L-1(1/6K2Cr2O7)水溶液10ml,转动使土粒分散,迅速加入20ml浓H2SO4,转动使土壤与试剂混匀。把三角瓶静放在石棉网上30min(室温20℃以上)。然后加入约200ml水和3~4滴邻菲啰啉指示剂,用0.5mol·L-1FeSO4标准液滴定,溶液最终变为褐红色时为终点。根据氧化有机碳的(Cr2O7)2-净消耗量计算土壤中有机碳的含量(mg·g-1),测得结果乘以氧化校正系数1.4。2.4处理数据利用Excel和SPSS软件对数据进行处理和统计分析。3结果与分析3.1除草和农药,降低碳释放2006年冬小麦生育期的机械、化肥、除草剂、农药、种子及灌溉投入,以及各项农田投入造成的碳释放量(表1)。柴油的碳释放包括自身燃烧的碳释放加上生产和运输中的碳释放,除草剂、农药、肥料、种子投入的碳释放均包括在生产和运输过程中的碳释放。根据美国橡树岭国家实验室得出的碳折算系数可得各项农用物资的碳释放:柴油为0.9552kg·kg-1;除草剂和农药分别为4.7024和4.9319kg·kg-1;N、P2O5和K2O分别为0.0858、0.0165和0.0120kg·kg-1;冬小麦种子为0.1100kg·kg-1。灌溉按灌溉系统的水泵耗燃料计算,灌溉3次共耗柴油27.00kg·km-2,造成碳释放25.79kg·km-2。免耕地采用免耕播种机一次性完成秸秆粉碎、播种、施肥和镇压作业,比翻耕地少了翻地、旋地和秸秆粉碎这几道单独作业,因此机械燃料的碳释放为40.12kg·km-2,比翻耕地减少38.68kg·km-2。少耕地比翻耕地少了翻地作业,机械燃料的碳释放为61.61kg·km-2,比翻耕地减少碳释放17.19kg·km-2。免耕地土壤较紧实,且玉米秸秆粉碎程度不够,影响了小麦的发芽率。因此,增大免耕地冬小麦种子的播量,免耕地在种子投入上比少耕地和翻耕地增加碳释放6.60kg·km-2。翻耕、少耕和免耕等3个处理的各项农田投入造成的碳释放分别为312.60、295.41和280.52kg·km-2·a-1,免耕地和少耕地比翻耕地减少碳释放32.08和17.19kg·km-2·a-1。3.2增加土壤表层碳储量根据Ellert和Bettany(1995)提出的土壤SOC储量的计算公式得出不同土层深度的有机碳储量(表2)。翻耕、少耕、免耕等3个处理表层30cm土壤的碳储量分别为30.59、32.76和31.61Mg·km-2。在耕作定位实验开始的前5年时间内,与翻耕相比采用免耕和少耕增加土壤表层碳储量1020.00和2170.00kg·km-2;免耕和少耕处理平均每年增加土壤表层碳储量204.00和434.00kg·km-2·a-1。3.3不同处理农田净碳释放量对比净碳释放量为土壤碳累积量与农田投入碳释放量的差值,表示不同耕作方式对大气CO2的贡献。相对净碳释放量是少耕地或免耕地的净碳释放量与翻耕地的净碳释放量的差值,表示少免耕相对于翻耕的对减少大气CO2的贡献(表3)。翻耕、少耕、免耕等3个处理农田净碳释放量分别为+312.6、-138.59和-76.52kg·km-2·a-1。与翻耕处理比较,免耕和少耕处理的相对净碳释放量为-236.08和-451.19kg·km-2·a-1。免耕地农业投入的碳减排量32.08kg·km-2·a-1为土壤碳增汇量204.00kg·km-2·a-1的15.73%,少耕地农业投入的碳减排量17.19kg·km-2·a-1为土壤碳增汇量434.00kg·km-2·a-1的3.96%。4增加土壤碳累积的潜力从本试验各个处理的净碳释放量可以看出,翻耕处理的净碳释放量为正值,即为CO2排放“源”,免耕和少耕处理的净碳释放量为负值,即为CO2的吸收“汇”。少耕处理相对净碳释放量的绝对值大于免耕处理,即少耕地对减少大气CO2的贡献大于免耕地。在农业投入的碳减排贡献方面,免耕地的减排潜力大于少耕地。碳减排的主要贡献是燃料投入的减少,免耕地减少燃料的碳释放38.68kg·km-2,少耕地减少燃料的碳释放17.19kg·km-2。这与张厚瑄和李玉娥(1996)采用“免耕法”或“减少耕作法”得出的结论基本一致。免耕地多投入种子30kg·km-2,这与Harman等(1998)得出的免耕种子要高出30%的投入结论相同。在增加土壤碳累积贡献方面,少耕地的碳增汇潜力大于免耕地。本研究得出免耕地增加土壤表层碳储量204.00kg·km-2·a-1,少耕地增加土壤表层碳储量434.00kg·km-2·a-1。西方国家由于实行保护性耕作和少免耕,近年来农业土壤碳库呈稳定增长的趋势(Postetal.,1990;Paustianetal.,2000),这与本文的研究得出的少免耕增加土壤碳汇的结论一致。但是,本研究得出的少耕增加土壤碳累积的潜力大于免耕地,这与前人的研究结果不同。如在美国冬小麦田耕作方式由翻耕变为免耕后土壤碳累积速率为337.00kg·km-2·a-1,少耕的土壤碳累积速率很小可忽略(West&Marland,2002a)。其原因是,少耕对土壤有机碳的积累效果最好,主要是因为少耕减少了地面作业,降低了土壤扰动,同时保留残茬也能通过减低雨滴的击溅来加强土壤水的渗入,从而减少了含较高有机碳表土的流失(李琳等,2006)。本研究表明,免耕作物生物量低,导致秸秆还田量少,2004—2005年翻耕、旋耕和免耕的秸秆还田量分别时59.06、55.38和46.91kg·hm2;且免耕条件下秸秆聚集在5cm的土层,与翻耕和旋耕相比分解速度比较慢(Paustianetal.,2000),与其国外的长期定位试验相比免耕的时间相对较短,秸秆效应没有完全体现出来。耕作措