农业土地利用管理对土壤碳汇的影响

农业土地利用管理对土壤碳汇的影响

0世界农业技术的发展态势气候变化是世界面临的主要挑战。人类活动影响气候变化的一个重要因素是土地利用的变化,尤其是农业土地利用与管理。人类活动加剧了气候变化的进程,反过来,人类也遭受到气候变化的影响。气候变化的负面影响特别体现在水资源、人类健康、农业持续性、自然生态系统和环境等方面、以及自然灾害频率和范围扩大,并对农业生态系统土壤碳和氮循环产生影响。气候变暖将导致全球陆地生态系统碳循环的变化,原有的碳平衡状态被破坏,同时也引发一系列环境问题(如海平面上升、降水格局变化等)。土壤是陆地生态系统中巨大的碳库。土壤可以被看作是一种碳源或碳汇,并且影响着大气中CO2的浓度。土地利用变化是影响陆地碳源和碳汇变化的主要因素之一。土壤对大气CO2吸收与碳汇效应及其潜力受到世界各国的高度关注。如欧盟开展了对欧盟15国土壤固碳潜力的研究;美国和加拿大完成了全国农业土壤有机碳库与固碳潜力的研究。世界各地的许多研究已经表明,通过采取合理的土地利用和农业管理方式有助于土壤碳增汇,如全球仅农业上采用最佳管理措施,土壤每年可固碳约为0.4—0.8PgC·a-1,尤其改善耕地管理、加强侵蚀控制和退化土地恢复等措施对固碳减排潜力贡献最为突出。据政府间气候变化专门委员会(IPCC)统计,全球农业减排的技术潜力每年高达5500—6000MtCO2当量,其中89%来自减少土壤CO2释放(即土壤固碳),来自减少CH4和土壤N2O排放潜力分别约占9%和2%,而亚洲农业的潜力居全球首位。中国是一个人口大国,也是一个农业大国,随着国民经济的快速发展和人口的持续增加,中国温室气体(以CO2t相当量)绝对增长量超过世界其它国家,中国已成为世界温室气体排放大国。据美国能源情报署最近公布的各国碳排放数据显示,中国2008年温室气体排放量为6534MtCO2,其对全球CO2排放量的贡献率为21.5%。中国快速增长的温室气体排放暗示对全球变化有极大影响。中国经济社会发展与综合国力的提高正受到来自全球碳减排的巨大压力。近年来,中国政府对气候变化问题给予了高度重视,为积极应对全球气候变化,先后出台了一系列有益于保护全球气候的政策和措施。2007年1月中国政府气候变化专家委员会成立大会暨第一次工作会议在北京召开,指出气候变化对粮食生产、土地资源和水资源,以及极端天气条件有着极其重大的影响。2007年2月科学出版社出版发行了《气候变化国家评估报告》——科技部等六部门联合发布了中国首部有关全球气候变化及其影响的国家评估报告,指出气候变化将继续对中国自然生态系统和社会经济系统产生重要影响,影响以负面为主,且某些影响具有不可逆性。报告并预测,未来中国极端天气气候事件将呈上升趋势,北方水资源短缺状况将进一步加剧,农业生产不稳定性也会随之增加。2007年6月国务院批准发布了《中国应对气候变化国家方案》,方案提出了中国应对气候变化的总体目标和减缓温室气体排放的一系列措施,包括农业和土地利用方式控制温室气体排放技术等措施。2007年6月,中国科技部等14部委出台了《中国应对气候变化科技专项行动》,其中也将农业和土地利用方式控制温室气体排放技术列为重点任务之一。2008年10月国务院新闻办公室又发布了《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书。本文是在中国面对全球气候变化形势的巨大压力的背景下,通过国内外文献资料,调研分析中国农业土地利用管理与土壤碳汇关系,探讨中国农业土地利用管理对土壤固碳减排的影响,为改善农业土地利用管理,增强中国农业土壤固碳减排能力提供决策依据。1农业温室气体排放人类活动影响气候变化的一个重要因素是土地利用的变化,尤其是农业土地利用与管理。气候变化的主要原因是由于人类活动向大气中排放过量的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)等温室气体而引起的。全球范围内,人为的温室气体CO2,CH4和N2O排放量分别占温室气体总排放量的60%、15%和5%。已有事实证明,人类活动(如燃烧化石燃料、农业耕种和土地利用变化等)所造成温室气体排放量增加,从而造成地球表面和大气层下部变暖。根据1990年碳预算估计,人为的CO2排放总量约10%—30%来自土地利用的变化。农业用地(包括改善的草原和草地)约占地球陆地表面的40%,农业活动是N2O的主要排放源;反刍动物的放牧草场是CH4排放的主要场所。据USEPA统计,农业土地利用有关活动导致的CH4和N2O的排放分别占全球CH4和N2O气体总排放量的50%和75%,作为非CO2温室气体约占总的人为温室气体排放总量的14%。农业和土地利用变化(如森林砍伐)导致的温室气体排放分别约占人为温室气体排放总量的13%和17%。农业温室气体的排放主要包括农业碳的排放和清除、土壤非CO2的排放(种植水稻,因土壤长时间被水淹没,形成厌氧条件,产生并排放CH4;农田过量施用氮肥,造成土壤中的N2O排放)和动物CH4、N2O的排放(饲养反刍动物饲料在其肠内发酵引起CH4排放;家畜粪肥处理过程也会引起CH4和N2O的排放)。根据《中华人民共和国气候变化初始国家信息通报》,按照IPCC第2次评估报告提供的全球增温潜势数据计算,1994年中国温室气体总排放量为3650MtCO2当量,其中CO2、CH4和N2O分别约占73.1%、19.7%和7.2%。农业源温室气体排放占温室气体排放总量的17%。中国农业活动是CH4和N2O排放的主要来源,农业CH4和N2O排放量分别占CH4和N2O总排放量的50%(17.2Mt)和92%(0.786Mt)。由于农业CO2的排放量很低,在《中国气候变化初始信息通报》中没有报告,而土地利用变化和林业部门的CO2排放量为负值,表现为碳吸收汇407Mt(约占11%)。可见,农业是以非CO2温室气体为主要排放源。国内研究指出,通过将冬季淹水休闲稻田改为冬季排水种植旱作物,可以使每年水稻CH4的排放量减少47%—68%,采用烤田和间歇灌溉可使CH4排放量降低30%—72%;通过秸秆氨化改善反刍动物营养可降低单头肉牛CH4排放15%—30%;发展沼气工程和改进粪便收集和贮存方式可减少粪便CH4排放,一个户用沼气在南方高温地区每年最大可减少温室气体2.0—4.1tCO2当量;推行缓释肥、长效肥料可减少单位面积农田N2O排放约50%—70%。Smith等认为,农业温室气体减排机制可分为三类:(1)农业向大气中释放CO2、CH4和N2O气体可以通过农业生态系统中碳和氮有效管理而减少。例如通过合理施氮提高作物氮肥利用效率来抑制N2O排放和通过畜牧管理提高饲料利用效率来抑制CH4排放;(2)农业生态系统拥有大量碳储备,主要以土壤有机质保存。从历史上看,农业生态系统土壤有机质损失已超过50PgC,但一些失去的碳通过改善管理是可以恢复的,从而减少大气CO2浓度。任何增加光合输入或减缓土壤呼吸或焚烧损失都有利于提高碳库储量,从而增加土壤碳汇。通过采用适合当地条件的措施可明显提高土壤固碳能力;(3)作物和农田残留物可作为一种生物质燃料的来源。2农田土壤有机碳的年际变化动态近期许多资料显示,中国在20世纪80年代之前碳释放量表现出逐年增加的趋势,而自20世纪80年代以来中国土地利用/覆盖变化造成的碳释放量急剧减少,原因在于1980年代后中国人工林增加,区域气候变化,CO2浓度施肥促进植被生长,植被恢复尤其灌丛恢复,及增加秸秆还田等农业管理措施对土壤的固碳作用。北京大学全球气候变化研究小组利用已有的土地利用和资源清查数据、大气CO2浓度观测数据、遥感数据以及气象数据,对1980—1990年期间中国陆地生态系统区域碳平衡进行估算得出,期间每年碳通量为0.19—0.26PgC,相当抵消同期工业CO2总排放量的28%—37%。1980—1990年期间不同土地利用方式下林地、灌丛、草地和农地生态系统固碳份额分别为44%、34%、7%和14%。土壤和植被碳的变化均表现为增汇效应,分别为(75.4±25.1)和(105.2±48.3)TgC·a-1(固碳份额各为42%和58%)。然而,就土壤而言,林地、灌丛、草地、农地土壤碳汇分别为(4±4.1)、(39.4±9.0)、(6±1.0)、(26±11)TgC·a-1(各占土壤碳汇总量的5%、52%、8%和35%)。农业不仅是温室气体的主要排放源之一,同时也可能是温室气体的吸收汇。据IPCC,农业生产释放的CO2估计达40MtCO2当量,不到全球人为释放量的1%。农业土壤可能为CO2汇或源,但净通量很小。然而,由于自然生态系统向农业生态系统的转变、耕作、侵蚀导致的土壤退化和其它过程消耗土壤有机碳,目前,全球土壤碳库已经损失了55—90PgC,全球农业和退化土壤的碳汇能力已经下降到初始值的50%—66%。中国是一个拥有悠久农业活动历史的发展中国家,尽管1980—1990年期间,中国耕作土壤从“碳源”转为“碳汇”,如据黄耀等的研究,近20年来中国耕作土壤有机碳呈较明显增加趋势(大约增加311—401TgC)。其他学者研究也得出类似结果(如Yu等估算约为0.26PgC和Xie等估算约为0.472PgC)。据估计,近20年平均农田土壤碳汇约为15—20TgC·a-1,53%—59%的农田土壤有机碳呈增长趋势,30%—31%呈下降趋势,4%—6%基本持平。金琳等研究表明,农田土壤有机碳增加与近20年来秸秆还田、有机肥与化肥合理施用以及少(免)耕技术推广有关。农田管理措施中,化肥与有机肥配施的增碳作用最大,其中施化肥的作用最不明显,如化肥与有机肥配施(0.9tC·hm-2·a-1)>秸秆还田(0.60tC·hm-2·a-1)>有机肥(0.55tC·hm-2·a-1)>免耕(0.51tC·hm-2·a-1)>化肥(0.13tC·hm-2·a-1)。Song等根据20世纪80年代初全国第二次土壤普查数据估算,中国自然土壤开垦后耕地土壤表层有机碳库的总损失约为2Pg。这种损失在华北、东北和西南地区达到60%以上,耕作土壤有机碳库的不稳定性(相对于自然土壤的损失率)为5%—80%。Yu等估算,中国耕地土壤有机碳损失速率(如1990年代与未耕作土壤相比)高达60%—80%:华南(80%)>西南(71%)>西北(70%)华北>(64%)>东北(62%)。中国目前有78%的耕地土壤已经退化为中低产田,主要原因归结于有机碳的损失。由于长期的人类活动、巨大的人口生存压力、以及一些不科学的农业生产方式(如低水平的农作管理、土地频繁翻耕、肥料施用不当、作物残茬清除或焚烧)导致土壤侵蚀和土壤退化等原因,已经造成了中国陆地生态系统的碳贮量目前处于一种低水平状态,因此林业和农业碳库贮存潜力很大。Lal指出,大约60%—70%的已经损耗的碳可通过采取推荐的管理措施(RMPs)(包括免耕、合理选择作物轮作、冬季用作物秸秆覆盖、减少夏季耕作、利用生物固氮等)和退化土壤恢复而重新固定,未来20—50年可减少大气CO2排放约为0.4—1.2PgC·a-1(相当抵消人为化石燃料排放量的5%—15%)。3对农业和林地土壤有机碳的碳平衡中国农业土壤碳汇/源平衡以及固碳减排潜力一直成为世界关注的热点[7,29,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43],如果按照中国土壤有机碳总储量估算值92.4Pg,中国土壤有机碳库约占世界总土壤有机碳库(按中间值1373.2Pg)的6.7%。就人为活动影响最显著和活跃的表层土壤碳储量来说,全国总计约38—39Pg,农田土壤约占5.1Pg。国外学者对中国不同土地利用管理下的土壤固碳潜力估算得出(表),中国土壤有机碳的固持潜力约为119—226TgC·a-1,其中,侵蚀管理(32—64TgC·a-1)>农地管理(25—37TgC·a-1)>草地管理(20—40TgC·a-1)>林地管理(14—29TgC·a-1),退化土壤恢复/荒漠化治理(14—28TgC·a-1)。侵蚀管理、农地管理、草地管理、林地管理、退化土壤恢复/荒漠化治理对土壤固碳作用分别占21.4%、13.8%、13.4%、9.6%和9.4%(其中侵蚀管理和退化土壤恢复/荒漠化治理的固碳作用约占30%)。Lal估算农业土壤管理措施(包括保护性耕作、轮作、覆盖作物、养分管理、水管理等)对土壤有机碳固定速率约为200—600kgC·hm-2·a-1。Wang等基于中国北方旱地玉米长期田间试验,应用Centry模型模拟分析了耕作、残茬与施肥管理情景下的土壤有机碳变化得出:少耕免耕土壤有机碳呈逐年递增趋势(120—230kg·hm-2·a-1)。有机无机肥配施的土壤有机碳呈逐年递增趋势(180—300kg·hm-2·a-1)。秸秆全量还田(配施化肥)的土壤有机碳逐年递增(230kg·hm-2·a-1)。研究表明,采用保持耕作措施和残茬回田是维持和提高土壤有机碳的有效途径。增加无机氮肥可减缓土壤有机碳的分解速率,然而,单施无机氮而不投入有机碳(作物残茬或粪肥),对土壤碳库的净增的贡献不大。国内学者对中国不同土地利用和管理下土壤碳平衡估计存在很大的不一致性(表),如Lin等基于IPPC方法估算了未来50年中国不同土地利用类型土壤固碳潜力总计约为26.1—128.3TgC·a-1,其中,林地(17.2—51.6TgC·a-1)>草地(4.1—52.3TgC·a-1)>农地(5.5—17.1TgC·a-1)。魏一鸣等根据区域和全国尺度碳收支研究估计,中国全部陆地生态系统每年固碳量可能在70—180Mt,其中来源于自然要素变化(如大气CO2升高和气候变化等)的约为30—70Mt,农业土壤固碳约为18—22Mt。于贵瑞和李轩然估计秸秆还田、有机肥使用和少免耕技术推广可分别增加碳汇约18.3Mt、5.5Mt和2.4Mt。据史学正等估算,在2050年控制CO2浓度达到500mg·kg-1时,中国仅农田土壤在全面推广和应用秸秆还田、合理施肥和保护性耕作三项措施条件下,土壤固碳约为8.19PgC,此外,还有CO2浓度升高本身对土壤固碳潜力提升的激励效应,中国土壤固碳潜力至少为19.7PgC。4中国的土地利用及其农业土壤固碳减排农业土壤固碳减排作为可以有效减缓温室效应的重要途径受到国内外高度关注,Scherr等在“通过粮食生产和土地利用缓解气候变化”报告中强调了农业和土地利用在应对气候变化中的重要地位。资料表明,农业和土地利用二者对温室气体排放的贡献约占1/3,改变土地管理和粮食生产方式可以抵消25%的全球化石燃料燃烧排放量,因此,在向低碳经济过渡中,任何全球气候变化减排战略,如果不减少来自农业、林业和其它土地利用导致的排放量都是注定要失败的。IPCC在《土地利用、土地利用变化和森林》特别报告编写提纲中列出了可增强农业碳汇的有关活动,如可耕地的保护和转换、草地保护和改良、林地管理、湿地保护、退化土地恢复、保护区、农林业、城镇植被、清洁生物能、农产品和林产品生产等方面。Scherr等指出,通过农业土地利用减缓和吸收温室气体可能在于以下方面:(1)增加土壤碳。通过少耕、减少氮肥用量和防止水土流失最大限度地提高土壤碳吸收能力。(2)种植多年生植物。在粮食、能源和牲畜饲料生产中,可通过种植多年生乔木、灌木、棕榈树和种草提高根枝的固碳能力。(3)气候友好型畜牧业生产。土地利用和农业产生的排放量的一半是源于牲畜业。可通过轮牧和优化饲养减少甲烷排放。(4)恢复退化的流域和牧场。将退化土地恢复和保护重要流域可减少排放量,同时也减少农村贫困。解决气候变化问题的根本措施也就是减少人为温室气体排放或增加对大气中温室气体的吸收。中国目前已成为世界温室气体排放大国,中国在向低碳经济转型中,同样不能忽视农业土地利用及其农业土壤固碳减排对缓解气候变化的贡献。中国在国际上被视为温室气体排放大国,但目前中国的气候变化应对研究项目尚未包含农业科学和农业经济学专题。在全球温室气体排放总量中,农业排放占13.5%,与交通排放比重(13.1%)大致相当,然而,国际上对农业的关注度远远小于对工业和交通温室气体排放问题的关注。尽管在农田、草地与森林几种土地利用方式中,森林生态系统碳汇功能最强,如据Piao等资料估算,林地植被碳汇约占植被碳汇总量的70%,而农地土壤固碳份额约占土壤碳汇总量的35%,林地土壤碳汇份额约为5%。中国作为农业大国,农业土壤通过改善耕地管理、加强侵蚀控制和退化土地恢复等可以发挥土壤碳增汇效应,为全球温室气体减排作出贡献。然而,中国农业土壤的增碳减排潜力并未给予足够的重视。基于中国农业土地利用管理下的土壤碳汇潜力估算,尤其是推行优化管理措施下,未来50年中国农业土壤固碳减排潜力约为87—393TgC·a-1,相当抵消中国工业温室气体排放总量的11%—52%。其中有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作措施下的土壤固碳份额分别为6%—11%、15%—21%和2.8%—11%,农田管理措施固碳份额总计约占30%—36%(相当抵消工业温室气体排放3.4%—19%);侵蚀管理/退化土壤恢复/荒漠化治理等措施下的土壤固碳份额约占64%—70%(相当抵消工业温室气体排放8%—33%)。显然,目前中国农地土壤碳汇能力及其潜力对中国土壤固碳减排的贡献同样应当给予更多的重视。此外,许多研究已经表明,通过改善反刍动物的营养成分;稻田合理灌溉等,可减少CH4排放;通过提高氮肥利用率;推广施用长效肥和控释肥等,可减少农田N2O排放;通过推广秸秆还田、平衡施肥和少(免)耕等,以及通过侵蚀管理和退化土壤恢复,可减少CO2排放。尤其当采取综合管理措施下,土壤固碳潜力明显高于单项措施的效果。然而,在农业土地利用和管理措施技术的选择上,还需要权衡不同措施在固碳减排中的正负效应,如土壤碳库以外的温室气体排放变化可能对净固碳减排效应的影响。例如免耕的节能和增碳效应也可能由于土壤反硝化作用加强导致土壤N2O排放通量增加而抵消(据Rochette研究,这通常发生在土壤通气条件不畅时),因而免耕也会导致土壤碳收益的负平衡。此外,当有机物料加入到土壤中时,土壤呼吸速率会增大,如山西寿阳旱地玉米不同耕作和养分管理模式下土壤呼吸通量为:少耕>免耕>传统耕作;秸秆还田>牛粪>化肥>CK。东北黑土长期施肥下耕地土壤呼吸通量观测也有类似结果:有机肥>NPK化肥>CK。对化肥来说,中国化肥生产和应用过程中温室气体排放(CO2和N2O)增加可能抵消增施氮肥的增碳效益,对于固碳减排作用也会有所“折扣”。因此,中国作为化肥生产和使用大国,化肥生产和应用过程中产生的温室气体对碳平衡的负效应给予重视,进一步通过化肥减施和改善肥料利用效率来提高农业土壤固碳减排净效应。目前,关于中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的估算和评价仍存在很大的不确定性,农业土地利用管理措施下的土壤碳估算值之间都有很大差异,这种差异可能主要是来自于生态系统的复杂性和不同研究者所用研究方法和手段的局限性;是由于不同估算方法之间的差异以及估算中的各种不确定性造成的;观测资料缺乏可比性;研究资料的时间与空间或分析方法的不同;影响生态系统呼吸作用因素考虑的不足;模型的不完善等。方精云等认为,中国土壤碳汇的测定数据仍然极少,成为中国碳汇估算中最不确定的部分。今后的研究需要在重视加强不同管理措施下土壤碳汇时空变化过程(包括地上和地下部分碳循环过程)数据积累的基础上,结合运用土壤碳循环过程模型模拟手段,通过不同区域田间试验和调查、模型参数获取和校正、模型方法的完善和验证,以提高模拟预测精