8保护性耕作减排增汇项目方法学

生物质炭土壤应用减排增汇项目方法学随着全球气候变化问题日益严重，减少温室气体排放、提高碳汇能力成为各国关注的焦点。

生物质炭作为一种可再生能源和环境友好型材料，其在土壤中的应用可以有效提高土壤碳储存量，降低温室气体排放。

本文将详细介绍生物质炭土壤应用减排增汇项目的方法学。

一、项目背景生物质炭是由生物质在缺氧或微氧条件下经过热解、气化等过程转化而成的一种富含碳的物质。

它具有较高的稳定性和吸附性能，能够改善土壤结构、提高土壤肥力、增加土壤碳储存量，从而降低温室气体排放。

二、项目目标1.提高土壤碳储存量，增加碳汇能力；2.降低土壤温室气体排放，减缓气候变化；3.改善土壤质量，促进农业可持续发展。

三、方法学1.生物质炭制备选用适宜的生物质原料，如农作物秸秆、林业废弃物等，通过热解、气化等方法制备生物质炭。

制备过程中需控制温度、时间和氧气浓度等条件，以确保生物质炭的品质。

2.生物质炭性质分析对制备好的生物质炭进行性质分析，包括碳含量、比表面积、孔隙结构、官能团等，以了解其吸附性能和稳定性。

3.土壤类型与生物质炭适用性评估根据土壤类型、质地、肥力状况等因素，评估生物质炭在土壤中的应用潜力。

对于不同类型的土壤，选择适宜的生物质炭种类和用量。

4.生物质炭施用将生物质炭按照一定比例与土壤混合，采用撒施、深施等方法施入土壤。

施用量需根据土壤类型、生物质炭性质和预期效果进行优化。

5.监测与评估（1）土壤碳储存量监测：定期采集土壤样品，测定土壤有机碳、全碳含量，评估生物质炭对土壤碳储存量的影响。

（2）温室气体排放监测：采用静态箱法、气体通量法等方法，监测土壤温室气体排放通量，评估生物质炭对温室气体排放的减排效果。

（3）土壤质量评估：监测土壤肥力、微生物多样性、作物产量等指标，评估生物质炭对土壤质量的影响。

6.效果评价与优化根据监测结果，评价生物质炭土壤应用的效果，针对存在的问题进行优化调整，以提高减排增汇效果。

四、总结生物质炭土壤应用减排增汇项目方法学旨在通过生物质炭的施用，提高土壤碳储存量，降低温室气体排放，为应对气候变化提供一种有效的技术途径。

*通信作者资助项目：国家自然科学基金基础科学中心项目（31988102），国家自然科学基金（32171544、42141004）修改稿收到日期：2022年3月25日专刊：科技支撑“双碳”目标实现S&T Supporting Realization of Carbon Peak and Carbon Neutrality Goals 基础前沿交叉创新Cross-cutting Innovation in Basic and Frontier Areas引用格式：于贵瑞, 朱剑兴, 徐丽, 等. 中国生态系统碳汇功能提升的技术途径：基于自然解决方案. 中国科学院院刊, 2022, 37(4): 490-501.Yu G R, Zhu J X, Xu L, et al. Technological approaches to enhance ecosystem carbon sink in China: Nature-based solutions. Bulletin of ChineseAcademy of Sciences, 2022, 37(4): 490-501. (in Chinese)中国生态系统碳汇功能提升的技术途径：基于自然解决方案于贵瑞*朱剑兴 徐 丽 何念鹏中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室 北京 100101摘要 2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和已被确定为中国经济社会发展的重要战略目标。

当前，中国陆地生态系统碳汇能力约为每年 10 亿—13 亿吨二氧化碳（CO 2）。

巩固和提升生态碳汇功能，需要与国土空间规划和生态保护等相结合，稳定现有森林、草原、湿地、滨海碳碳汇，进而实施生态保护与修复等重大增汇工程，同时还需要推动生态系统管理及新型生物/生态碳捕集、利用与封存技术（Bio-CCUS/Eco-CCUS ）的开发应用。

通过统筹陆地-河流-海洋国土空间规划和各种增汇技术，有望实现中国区域生态系统自然和人为碳汇功能倍增目标，即在 2050—2060 年实现每年 20 亿—25亿吨 CO 2 的碳汇贡献。

保护性耕作技术一．保护性耕作旳概念和意义1、保护性耕作旳概念保护性耕作技术是用秸秆残茬覆盖地表，尽量减少耕作，实行少免耕施肥播种、病虫害防控和深松等为重要内容旳保护性耕作措施，是改善土壤构造、培肥地力、提高抗旱能力、减少风蚀水蚀、节本增效，实现农业可持续发展旳一项先进农业耕作技术（懒汉式种田法）。

2、保护性耕作旳意义由于老式农业旳过度耕作，加剧了干旱地区旳水土流失和生态环境旳恶化，如何有效地避免水土流失，增长土壤蓄水能力，提高水旳运用率，是干旱地区农业可持续发展旳核心。

实行保护性耕作技术，可以减少风蚀导致旳土质流失，可以多蓄天上水、保住地中墒和提高土壤水旳运用率，又能增长土壤有机质含量、改善土壤构造，是发展干旱地区农业最经济、最有效、最现实旳措施，同步，也可有效减少沙尘暴旳发生，可以有效减少地表裸露，减轻风蚀强度，减少空气中浮尘含量，减少沙尘天气发生旳强度和频率；减少耕地表土流失量，减少有机质和氮、磷、钾等养分旳流失，可持续提高土壤蓄水能力；减少二氧化碳排放，改善大气环境，保护生态环境。

保护性耕作旳好处（1）减轻农田水土侵蚀。

通过农田免耕和秸秆覆盖有效控制了农田水土流失，并起到克制农田扬尘作用。

（2）提高农田蓄水保墒能力。

免耕覆盖改善了土壤孔隙分布，可以有效地减少土壤水分蒸发和增长土壤蓄水量。

（3）提高农田耕层土壤肥力。

秸秆还田及减少动土次数可以提高表层土壤有机质和养分含量。

（4）省工、省时、节本增效。

通过减少土壤耕作次数和复式作业，减少机械动力和燃油消耗成本，减少农民劳动强度。

减少作业工序，亩均减少作业成本15-30元，与老式耕作相比增产5%以上。

宁城县自开始进行保护性耕作技术示范推广。

十几年来，重要开展了以留茬免耕、秸秆还田、秸秆编织覆盖免耕播种为重要模式旳保护性耕作示范推广工作，实行面积逐年扩大，示范效果明显。

到推广面积已达到50万亩。

运用保护性耕作技术比老式耕作省2-3道工序，减少费用20-40元/亩。

【原创】保护性耕作技术讲义作者: 来源:橙子的博客时间:2011-6-20前言保护性耕作是农业部的重点技术推广项目, 保护性耕作的措施主要是用作物的秸秆和残茬覆盖农田，秸秆、残茬腐烂还田后，可改善土壤的理化性质，增加土壤有机质，培肥地力，降低农业对化肥的依赖；保护性耕作还可固土护田，可使农田扬尘降低；保护性耕作通过田间地表覆盖和深松，可以增加天然降水入渗，大幅度减少地表径流和土壤水分的无效蒸发，增强农田抗旱能力；保护性耕作实行免耕少耕，可大大简化生产工艺、降低作业成本；提高生产率，节省劳力，有利于农村劳动力的转移，多方促进农民增收。

保护性耕作是农业可持续发展的需要，是改善我区城乡居民生活环境的需要。

我区从2003年开始与固原市农机化推广服务中心紧密配合，先后在开城镇、彭堡镇、清河镇、中河乡累计实施冬小麦保护性耕作试验示范面积5000余亩，通过多年试验示范已探讨出适合当地农艺要求的一年一作冬小麦保护性耕作技术模式，即：留高茬+免耕施肥播种技术和留高茬+机械深松+免耕施肥播种。

2006年被区农业厅确定为宁夏唯一的农业部2007年保护性耕作项目新建县。

按项目要求2007年我区冬小麦保护性耕作实施面积（耕地面积）达到1万亩，2008年达到3万亩，2009年达到6万亩以上。

为搞好保护性耕作技术的示范推广,方便乡镇农机管理、推广、农机驾驶员等有关人员了解掌握技术内容,以搞好示范推广工作的组织和实施,提高保护性耕作技术示范推广工作质量,结合生产实际，汇集和吸收了外省大量有关科研成果和经验资料，自己编写了《保护性耕作技术讲义》作为项目实施的主要技术培训教材。

由于时间仓促，加之个人知识面和工作经验所限，不妥之处难免，诚请项目区的广大农民提出宝贵意见，批评指正。

二〇〇八年七月第一章概述一、保护性耕作的目的及意义二、保护性耕作是农业耕作技术的一场革命三、保护性耕作技术的起源四、保护性耕作在国外的发展概况五、具有中国特色的保护性耕作技术发展现状六、宁夏实施保护性耕作技术基本情况七、保护性耕作技术在我区的试验情况第二章、保护性耕作基本知识一、什么叫保护性耕作？二、保护性耕作与传统耕作方式有何区别？三、国外保护性耕作是如何产生和发展的？四、为什么要研究和应用保护性耕作？五、保护性耕作有什么好处？六、保护性耕作为什么能够增产？七、为什么土壤应该少翻耕？八、小麦免耕播种会不会减产？九、机械化保护性耕作有哪些好处？第三章保护性耕作技术的效益及增产增收机理一、保护性耕作技术的效益二、保护性耕作原理三、保护性耕作的增产机理四、保护性耕作的生态环境保护机理第四章保护性耕作的技术内容一、免耕或少耕播种施肥技术二、秸秆残茬覆盖技术三、杂草、病虫害控制和防治四、深松及少耕技术第五章原州区保护性耕作技术的工艺技术体系一、保护性耕作机械化技术工艺体系制定的原则二、保护性耕作技术工艺体系的主要内容三、保护性耕作技术工艺体系第六章保护性耕作技术配套机具一、免耕覆盖播种机二、深松机三、浅松机第七章保护性耕作技术操作要点一、秸秆及残茬处理二、休闲期除草三、深松作业四、表土处理五、免耕施肥播种六、杂草、病虫害控制和防治技术第八章、常用除草剂介绍、使用方法及注意事项1、2，4－滴丁酯2、2甲4氯3、百草敌4、克芜踪（百草枯）5. 10%草甘膦水剂第一章概述一、保护性耕作的目的及意义农业可持续发展是当今世界农业发展的重大课题，保护性耕作是实现农业可持续发展的主要措施之一，是传统农业的一场革命。

保护性耕作技术推广方案保护性耕作技术是一种可持续发展的农业生产方式，可以保护土壤质量、提高农作物产量和农业生产效益。

为了优化产业结构，提高农业可持续发展水平，推广保护性耕作技术是一个重要的措施一、实施背景随着人口的增加和农业生产方式的转变，传统的耕作方式已经无法满足农业生产的需求。

不合理的耕作方式会导致土壤质量下降、农作物产量减少，严重影响农业的可持续发展。

为了解决这个问题，推广保护性耕作技术成为当务之急。

二、工作原理保护性耕作技术的核心理念是最大限度地保护土壤，减少对土壤的破坏。

其工作原理主要包括以下几个方面：1. 减少耕作次数：通过减少耕作次数，可以减少土壤的破坏，保护土壤结构和生物多样性。

2. 增加有机质含量：通过添加有机肥料，可以增加土壤的有机质含量，提高土壤肥力，促进农作物的生长。

3. 控制水分：合理调控灌溉水量，保持土壤湿润，减少水分蒸发和土壤侵蚀。

4. 种植适应性强的作物：选择适应性强的作物种植，可以降低对土壤的要求，减少对土壤的破坏。

三、实施计划步骤1. 建立示范基地：选择一些典型的农田作为示范基地，进行保护性耕作技术的试验和推广。

2. 培训农民：组织培训班，向农民介绍保护性耕作技术的原理和操作方法，提高农民的技术水平。

3. 提供技术支持：为农民提供技术指导和咨询服务，解决他们在实施保护性耕作技术过程中遇到的问题。

4. 推广示范效果：通过展示示范基地的效果，吸引更多的农民参与到保护性耕作技术的推广中来。

四、适用范围保护性耕作技术适用于各类农田，尤其是容易发生土壤侵蚀和水土流失的地区。

同时，保护性耕作技术也适用于各类农作物，包括粮食作物、经济作物和果树等。

五、创新要点1. 强调土壤保护：将土壤保护作为保护性耕作技术的核心要义，加强对土壤的保护意识和措施。

2. 推广有机肥料：通过推广有机肥料的使用，提高土壤有机质含量，改善土壤结构。

3. 合理调控水分：通过合理调控灌溉水量，减少水分蒸发和土壤侵蚀，提高农田的水分利用效率。

中国保护性耕作净碳汇的时空分异特征及其驱动力作者：李园园薛彩霞柴朝卿姚顺波李卫来源：《中国人口·资源与环境》2022年第10期关键词保护性耕作；净碳汇；时空分异；驱动力气候变暖已成为威胁人类生存和可持续发展的全球性挑战，“气候经济学之父”尼古拉斯·斯特恩曾提出“如果全球温室气体排放照旧，那么将对地球生态系统造成重大影响”［1］。

作为负责任的大国，中国于2020年宣布力争在2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和。

增加固碳和减少碳排是实现“双碳”目标的两条路径。

IPCC全球气候变化评估报告指出农田具有重要的固碳能力和潜力，但耕作措施对其具有重要影响［2］。

传统耕作方式因频繁干扰土壤而不利于土壤有机碳的存储，兴起于美国“黑风暴”事件的现代保护性耕作则是一种可以有效提高土壤碳储量和减少碳排的耕作技术［3］，其在全球范围内每年的土壤固碳量约为0. 74×109～1. 00×109 t［4］，目前已被世界多个国家应用。

中国在20世纪60年代引进保护性耕作技术，2002年正式推广，至2019年其应用面积已达7 719. 953 万hm2。

那么，保护性耕作在中国近二十年的推广是否起到了固碳减排作用？作用大小如何？各区域间是否存在差异？以及差异背后的驱动力有哪些？这些问题的答案不仅可以为优化不同区域保护性耕作的推广政策提供决策依据，而且对于减缓气候变暖、促进农业可持续发展以及实现“双碳”目标具有重要参考价值。

1 文献综述保护性耕作是低碳农业生产中的一项重要技术，既可以提高土壤碳储量，又可以降低碳排放。

现有文献关于保护性耕作固碳减排的研究，主要聚焦于利用田间实验测度免耕和秸秆还田等不同措施对土壤固碳和温室气体排放的影响。

目前，学者们对“保护性耕作可以提高土壤固碳能力［5-6］”已基本达成共识。

研究表明，保护性耕作较传统耕作方式显著提高了土壤的固碳速率、有机碳稳定系数及其储量［6-7］。

3【作者简介】王大庆（1969—），男，研究员，博士，黑龙江省农垦管理干部学院北大荒战略与经济发展研究中心，海口经济学院（特聘研究员），研究方向：农业经济、区域经济。

【通讯作者】王宏燕（1963—），女，教授，博士，东北农业大学，研究方向：生态农业、有机农业。

北大荒集团“双碳”及碳汇产业“十四五”规划研究王大庆1.2 曹菲2 王玲1 刘佳斌1 赵伟3 王宏燕*2.3（1.黑龙江省农垦管理干部学院北大荒战略与经济发展研究中心 2.海口经济学院 3.东北农业大学）【摘要】 近期国家出台了《2030年前碳达峰行动方案》，北大荒集团在担当国家粮食安全“压舱石”，努力形成农业领域航母过程中，面对加快产业升级构建绿色低碳高质量发展模式的战略机遇，将对北大荒集团加快建设“三大一航母”具有极其重大和深远的战略意义。

本文就北大荒集团“双碳”及碳汇产业“十四五”规划，分别从北大荒集团“双碳”现状和潜力分析、北大荒集团在“双碳”中的贡献、目标任务等方面做了研究思考。

【关键词】 北大荒集团；“双碳”；“十四五”；碳汇产业2021年10月20日，国务院发布了《2030年前碳达峰行动方案》，提出推进农业农村减排固碳。

该文件是大力发展绿色低碳循环农业的纲领性文件，是北大荒集团“十四五”落实国家“双碳”目标的指引。

北大荒集团在担当国家粮食安全“压舱石”，努力形成农业领域航母过程中，面对加快产业升级构建绿色低碳高质量发展模式的战略机遇，集团固碳减排工作进行较早，潜力巨大，将为国家落实“双碳”战略作出突出贡献。

“十四五”期间，北大荒集团将应围绕保护性耕作与土壤有机质提升固碳、林业碳汇、可再生能源减排、草原固碳等项目，做实管理主体、做强研究主体、做优运营主体，构建国家绿色低碳农业先行区、样板区、示范区。

一、北大荒集团“双碳”现状和潜力分析北大荒集团固碳减排途径包括以下三个方面：一是北大荒集团能源投入主要包括第一、二、三产业以及生活消费所消耗的能源投入量；可再生能源减排部分包括生物质能源化利用、光伏和风能发电抵扣减排部分。

别忘了保护性耕作作者：胡伟来源：《农机市场》 2014年第2期胡伟天津市农业机械管理局，高级工程师。

主要从事农业机械化管理工作与农业机械化发展研究。

2014 年1 月10 日，2013 年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂举行，由科普出版社出版的《保护性耕作技术》科普图书荣获国家科技进步奖二等奖。

据悉，《保护性耕作技术》自2006 年9 月出版后，很快就成为我国农业部和多个省市县农业部门的培训教材，已印刷18次，累计印数42.2 万册。

众所周知，保护性耕作技术对促进我国农业可持续发展，有效解决我国农业生产面临的水资源短缺、生产成本高、农民增产增收难、秸秆焚烧、水土流失、农田扬尘等问题有重大意义。

国家对保护性耕作技术高度重视，自2005 年始，中央一号文件连续8 年要求推广保护性耕作技术，国务院将此项技术列为我国防沙治沙的五大技术之一，农业部将此项技术列为十二项农机主推技术之首。

该书作为科普项目获得国家科技进步奖，实属不易，可喜可贺！然而，相对于早几年红红火火、热热闹闹、大张旗鼓的保护性耕作技术推动阵势，这些年有些冷寂，至少感觉上有些清凉。

前些年的推动工作是全面开花，农机系统，尤其是推广、科研部门全民上阵，科技立项、培训班、现场会，多种形式的推动，形形色色的新闻宣传报道更是此起彼伏。

全国的不说，单说天津：除承担农业部推广任务外，保护性耕作技术示范推广还列为重大农业科技推广项目；天津农机研究所研发了秸秆还田免耕播种机、蓟县振兴公司生产全方位深松机，当然，也掺合了《保护性耕作技术》图书的传播应用。

大强度、大规模的推广，保护性耕作技术得到了较大规模的应用，全市保护性耕作技术推广面积超过120 万亩，占可推广面积的70%以上，成绩不小，还获得了农业部丰收奖二等奖，目前也正在申报天津市科技进步奖。

秸秆覆盖还田、少耕免耕播种、土地深松、化学除草技术可以说已经深入普通老百姓之中，成效显著，对推动农业发展功不可没。

第34卷第1期河南大学学报(自然科学版)Vol.34　No.1 2004年3月Journal of Henan University(Natural Science)Mar.2004中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展赵荣钦1,黄爱民1,秦明周1,杨浩2(1.河南大学环境与规划学院,河南开封475001;　2.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008)摘　要:从影响农田生态系统碳循环的主要因素出发,概括总结了我国有关的农田碳增汇/减排技术,提出了对农田碳增汇/减排技术进行效益评价的方法,指出了当前在该领域研究中存在的问题和不足,以及未来的发展趋势.关键词:农田生态系统;碳循环;增汇/减排;效益评价中图分类号:S154.1(2) 文献标识码:A文章编号:1003-4978(2004)01-0060-06Progress in the Studies of T echniques of Adding C arbon Sinksand R educing C arbon Emissions in Agroecosystems of ChinaZHAO Rong2qin1,HUAN G Ai2min1,Q IN Ming2zhou1,YAN G Hao2(1.Collage of Environment and Planning,Henan U niversity,Henan Kaif eng475001,China;2.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Jiangsu N anjing210008,China)Abstract:Based on the main factors affecting carbon cycle in agroecosystems,this paper summarized the related techniques of adding carbon sinks and reducing carbon emissions in agroecosystems of China,it worked out the principles and methods to evaluate the benefits of the techniques of adding carbon sinks and reducing carbon emissions in agroecosystems,pointed out the problems,deficiencies and the development trends in this field.K ey w ords:agroecosystem;carbon cycle;add carbon sinks and reduce carbon emissions;benefits evaluation工业革命以来,人类活动向大气排放了大量的温室气体,且各种温室气体的浓度呈显著增加的趋势.早在1991年,全球大气中仅CO2浓度就达到355×10-6[1],比工业革命前增加了近25%,而且高于16万年以来任何时期的值[2].为减少全球温室气体的排放,1997年签订的京都协议对发达国家温室气体年排放限量和具体时间表做出了规定,并对发展中国家做了具体的要求和规定以及需要履行的义务[3].之后,各国进一步加强了对碳循环和碳收支问题的研究,碳循环成为全球变化研究的重点领域.从目前的研究结果来看,碳失汇[4]最有可能存在于陆地生态系统中[5-6],但有关中国陆地生态系统的碳汇问题只是在个别文献[6-8]中提到,有关农田生态系统碳循环的研究尤为薄弱.目前对农田碳循环的研究多集中在稻田甲烷[9-11]、土壤碳[12-14]等方面.由于农田生态系统碳循环是一个复杂的问题,涉及到其子系统之间各种形式的物质循环和迁移,因而,对碳增汇/减排技术的探索有助于我们了解农田碳循环的作用机理和内部机制.1　农田生态系统碳库及碳增汇/减排的影响因素1.1　农田生态系统碳库及碳循环现状农业是重要的温室气体排放源,据估计,农业源排放的CO2和CH4分别占人为温室气体排放量的21%～25%和57%[15].农田生态系统碳库是全球碳库和陆地生态系统碳库的重要组成部分,而且是其中最活跃的部分.农业土壤碳储量占全球碳储存总量的8%～10%.在人类耕种、施肥、灌溉等管理活动影响下,农业土壤中碳库的质和量迅速变化.碳在农业生态系统的演化受多种因素控制,从而构成了一个非线性复　收稿日期:2003209215　基金项目:中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-17)　作者简介:赵荣钦(1978-),男,河南省孟津县人,河南大学硕士研究生.杂系统[16].农田生态系统碳循环过程可分为对碳的吸收、固定、排放和转移四个部分.对碳的吸收主要包括农作物等从大气及土壤中吸收的碳;固定是指当年固定在系统内暂时储备或未被消耗或分解的碳;碳排放主要是指生产性和生活性农产品所相当的碳量;转移是指当年出口的农产品及其制成品所相当的碳量.根据以上所建立的各子系统相互关系模型,对我国农业生态系统碳平衡进行估算的研究表明,当前我国农业生态系统是一个弱碳汇[2].但由于各地区生产布局条件和经济发展水平的差异,我国农业生态系统的碳汇功能具有地域差异,尽管大部分地区为碳汇区,仍然也有部分地区为农业碳源,如京、津、沪、广东及云、贵、川等地[17].而且由于施肥和田间管理不当等原因,我国农业土壤的碳库处于负平衡状态,即有机碳储量以每年7.38×1013g 的速率逐年减少[16].这种现状将会对我国农业发展和陆地生态系统的碳平衡造成长期不良的影响,因此我们必须需求合理的农田生态系统碳增汇措施,这对于减少温室气体排放、增加农田土壤有机质、维护农田生态环境都具有重要意义.图1　农田生态系统碳增汇/减排的影响因素框图1.2　农田生态系统碳增汇/减排的影响因素农田生态系统的碳汇功能受多种因素影响.只有深入地了解碳循环的影响因素,才能对各种因子作用力的大小和形式作出评估,从而提出适合不同类型生态系统的碳增汇措施.图1中将农田碳增汇/减排的影响因素分为土地利用方式变化、气候因子、农业生产方式水平和结构、土壤条件、作物品种及全球变化的影响等六个方面.实际上其中最重要的是人类活动的影响,但它渗透在各种影响因素之中.例如,目前由于土地利用方式变化每年向大气排放1.6×1015g ,是仅次于化石燃料燃烧的第二大来源[18].人类活动影响农业生产方式、农业土地整治措施以及土壤的呼吸和理化性质,从而在一定程度上决定了农田碳循环的形式和速率.所以,我们可以从人类活动对农田生态系统的影响着手,通过改善农业生产方式和作物生长条件来探索碳增汇/减排技术,来达到固碳增汇的目的.2　农田生态系统碳增汇/减排技术碳增汇与减排是一个问题的两个方面,前者是从“汇”的角度来考虑,而后者是以“源”作为出发点,即所谓的“减源增汇”,其实质是采用合理有效的措施将更多的碳固定于农田生态系统中.各国已对碳增汇/减排技术做出过一些有益的探索[19-20],我国部分学者也对该技术做过一些总结[17,21-22],归纳起来,有关的技术措施多是针对工业及能源消费,部分对农业的研究也仅限于稻田甲烷排放方面,对气体减排的研究较多,但对如何增汇及相应的经济与生态效益的研究较少.采取有效的措施对农田生态系统“减源增汇”,才能进一步掌握其碳循环的规律,为建立农田生态系统CO 2清单和更大尺度上的碳通量研究提供科学依据.(1)调整耕作制度.耕作制度对农田生态系统碳储量有较大影响,全球每年因耕作损失的碳为8×1014赵荣钦,等:中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展61　g [13].农田土壤碳排放是植物根系、土壤微生物、土壤动物等呼吸排放的共同产物.农田有植被生长的土地,CO 2排放通量高于退化草地或撂荒地[23],因此免耕法和发展生态农业是增加碳汇的有效途径.免耕法是一种对土壤扰动最小的耕作方式,能非常有效的提高农田土壤有机碳[13,24].近年来,农业土地的闲置计划已经在北美和欧洲实施[25],据估算,美国普遍采用免耕技术后,在30年里能截留2.8×1014～4.5×1014gC [26].英国还规定休耕的土地必须占耕地总数的15%～18%[19].长期免耕能增加表土层土壤微生物碳、氮含量,通过陆地生物及落叶的转化,有机碳蓄积量能够增加,这使免耕土壤比传统耕作管理措施的土壤有机碳平均水平高.我国人多地少,在部分地区实行免耕的同时,需要大力发展生态农业,这也是一项增加农田生态系统碳汇的重要措施.另外,对稻田来说,可实行合理的生产方式和耕作制度来减少碳排放,如采取水旱轮作,可以明显降低稻田甲烷排放,其中早晚稻间水旱轮作效果更好[27].半旱式垄作也可降低冬水田甲烷排放通量[28].总的来说,从森林变为农田的过程会导致土壤有机质含量显著减少,但我们可以加以人为的调节来适度地改变这一过程.我国的耕作制度存在很多不合理的地方,在改变耕作制度提高农业产量和增加经济效益的同时,需结合不同的农田生态系统类型自身的特点,采用恰当的耕作方式,以达到增加碳汇的目的.(2)改变水分类型.改变水肥条件是人类改变土壤温室气体排放量及其组成的主要途径,农田的水分状况是农田土壤排放或吸收大气温室气体的决定因素之一.淹水土壤向大气排放CH 4,而排水良好的农田土壤氧化大气CH 4;土壤的N 2O 排放量在很大程度上取决于土壤水分状况和及其变化频率;土壤水分状况也是影响土壤有机质分解速率和CO 2排放量的重要因素[29].一般土壤含水量在持水量的15%～40%时具有最强的氧化能力.稻田土壤氧化的主要是土壤中生成的CH 4,因此CH 4排放量的大小与土壤含水量密切相关.稻田土壤排放出的温室气体(CO 2、CH 4等)组成及总量受土壤水分类型的影响,并且各种温室气体的排放速率随培育时间的变化有显著差别,据研究,长期淹水的土壤CO 2排放速率逐渐上升,而好气土壤CO 2的排放速率随时间延长而逐渐下降[25,30].为减少农田温室气体排放,可实施间歇性灌溉,这是减少水田CH 4排放的有效措施.另外,在适当生长期改善地下水位也有利于稻田甲烷的减排[31].日本1991年的实验证明,在分蘖期和抽穗期各排水10天,可使生长季甲烷排放总量减少一半[15],充分表明了人为改变土壤的水分类型可以改变土壤排放的温室气体的总量、组成及其产生的潜在温室效应.(3)改善施肥方式.施肥对农田土壤碳、氮含量与可矿化量以及微生物活性都具有重要影响.施用不同的肥料对农田碳循环的影响差异显著.长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳的含量,有机肥配施无机肥,可提高作物产量,而使用化学肥料能增加土壤有机碳的稳定性[25].水稻生长发育期间,施用肥料的种类,施肥量及施用有机肥的不同对甲烷排放会产生不同的影响,单纯施用有机肥可以导致甲烷排放量的增加,而先进行发酵再施用于稻田则有较好的效果[32].对农业源温室气体源与汇的研究表明,减少氨肥、增施农家肥能够减少旱田甲烷排放,而缓释肥和尿素复合肥的施用能显著减少农田土壤NO 2的排放[33].将有机肥料改为无机肥料,施用沼渣、硫铵和硝铵、包被复合肥以及氧化硅粉等技术措施可有效减少甲烷排放通量[34],但施尿素则会增加稻田甲烷的排放[15],而且稻田甲烷排放通量与水稻产量呈显著负相关关系,这说明控制田间甲烷排放总量与增加水稻产量的目标是一致的[35],正因此,我们完全可以通过改善施肥条件来达到减排的目的.但施肥对农田碳增汇的影响需要建立在大量长期的定位实验上,应该对不同地域和作物采用各自不同的实验方法,才能达到不同的施肥固碳效应.(4)秸秆还田.土壤有机碳含量与作物残留物返还量呈线性关系,因此作物残留物是决定土壤有机碳含量的关键因子之一,对于增加农田碳汇来说,秸秆还田这是一项重要而又切实可行的措施,在当前的耕种制度下,最经济而且易于推广.农田温室气体排放主要通过作物植株传输、农田土壤呼吸和水层扩散等途径[36],而秸秆还田有利于抑制温室气体的扩散,它能够培育土壤肥力,明显提高土壤有机质含量,而且熟料麦秸比生料麦桔的效果更好[37].在农业生产活动中应该提倡非经济产量的资源化利用[17],推行过腹还田、发展沼气;直接还田的秸秆要在粉碎、沤制后施用,严禁就地焚烧.(5)其他措施.对农田生态系统进行碳增汇/减排还有其他诸多方式,如改良作物品种[17,38],有计划地抓紧培育具有对高温、干旱等极端气候及病虫害有抗性的品种,确保在新的生态环境中农牧产量不断提高,扩大碳的吸收存储.据研究,通过选择合适的水稻栽培品种可减排甲烷达20%～30%.采用甲烷抑制剂[11,38]也是一种有效的方法.中国农业科学院农业气象研究所研制AM1,AM2两种甲烷抑制剂,其主要原料为腐殖酸,它可以将有机质转化为腐殖质,在增加稻谷产量的同时,也减少了甲烷形成的基质.另外,也62　河南大学学报(自然科学版),2004年,第34卷第1期可以采取措施改变地表径流、改良土壤,扩大人工草地等,来间接增加农田的碳汇功能.总之,农田生态系统碳循环具有双重作用,它即是碳“汇”又是碳“源”,我们应当采取措施使农田和农业生产由碳“源”变为碳“汇”[39],但减少农田碳排放也面临着种种困难,包括人口增长的压力,技术细节的限制、土地使用权的转变,以及社会政治影响等.也有一些具有双赢效果的技术措施,如使用有机肥、改善耕作制度等.我们在探索碳增汇技术的同时,也应该兼顾由此产生的影响,使其发挥更大的社会、经济和生态效益.3　农田生态系统碳增汇/减排技术选择的准则和效益评价在以上提及的技术措施当中,免耕法既能有效地减排农田温室气体,又具有经济可行性.并且在国外得到了成功实施.免耕法在美国的实施增加了玉米、小麦和大豆的生产,1992年免耕种植的作物产量占这些作物总产量的10%～14%,实践证明该措施是一种成功的非强迫的减缓措施的典型[24].另外,水稻半旱式栽培技术[40]在我国部分省区的大面积推广也证明了其经济可行性和减排效果.这两种措施得以成功推广,而有些措施却未必能够付之实践并发挥其应有的效益,这是由于增汇技术的实施受经济水平、农业生产方式和结构、生产技术以及政策等多种因素影响.实际上,农田碳增汇/减排技术并不像工业减排温室气体一样可能会带来经济的衰退.寻求合适的技术,并进行效益分析,来达到预期的目的是完全可能的.其中最关键的是对增汇/减排技术进行必要的效益分析和评价.3.1　增汇/减排技术选择的准则在选取增汇/减排技术时,应遵循以下准则:①符合并支持国家环境与发展优先领域和战略;②具有较大的温室气体减排潜力并能带来长期的、实际的可测量的减排量;③应选择有明显增量成本的技术,④具有明显的区域环境效益;⑤具有较大的社会、经济效益;⑥可获得所需的资源与投资[41].3.2　技术措施的效益评价农田生态系统碳增汇/减排措施的选取,应根据不同的地域进行分析.对有些措施来说,增汇/减排的经济和社会影响具有长期性和不确定性,而且其生态效益也具有跨地域性.因此需要进行环境影响分析、风险分析及负面效应分析等.必须考虑的基本因素包括技术进步因素、人口因素、经济因素、自然活动因素、农业政策、税收政策等.对温室气体排放进行附加效益分析目前在国际上尚处于起步阶段,存在诸多的不确定因素.但从长远来说,对采取的措施所带来的影响进行评价是必要的[42].(1)成本效果法.对农业温室气体减排效果的评价中,宜采用成本效果法.将效益定为温室气体的减排量,以成本效果比为评价指标,如下式[43]:温室气体减排成本效果比=项目减排成本/项目温室气体减排量.该方法用于对某一区域或减排措施的成本和效果做出定量比较,但只是从成本出发,而没有综合考虑减排措施所产生的生态效益和社会效益.(2)动态综合评估模型.由法国科学家M.Ha -Duong 和英国科学家M.J.Grubb 等人提出的动态综合评估模型[44],主要用于确定CO 2限量排放的经济代价,也可以确定在经济代价最小时的最佳CO 2排放方案,但对于农田生态系统碳增汇/减排技术措施的评估也具有重要的参考价值.该模型如下:C (s ,t )=C a (D )(1+r )t 0-tE ref (t )E ref (t 0)[x (s ,t )2+D 2A (s ,t )2].式中,C (s ,t )为经济代价,D 为能源系统时间特征(20年或50年);C a (D )为经济代价规模(C a (50)=1.36,C a (20)=3.18);r 为技术进步率(1%);E ref (t )为未来碳年排放量;E ref (t 0)为当前碳年排放量;x (s ,t )为碳减少规模;A (s ,t )为碳减少速度[A (s ,t )=x (s ,t )-x (s ,t -1)].很显然,该评估模型最初是针对工业源温室气体排放而建立的.我们可以借鉴其中的方法,适当改变其中一些参数,如把D 及r 变为D a -农业系统时间特征和r a -农业技术进步率,使之适合对农田生态系统碳增汇/减排技术的评估,为选取合理的增汇/减排措施提供依据.4　当前该领域存在的主要问题和发展趋势(1)研究的深度不够.过去对农田生态系统碳循环的的研究,多局限在部分农田类型,而没有对不同地赵荣钦,等:中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展63　域农田生态系统进行系统观测.对稻田的观测较多,而对其他农业类型的研究较少.而且对农田的观测只是建立在少数观测站点的基础上,对碳动态变化的影响因素的探讨,也只是通过对改变施肥条件和作物生长条件等,采集不同条件下的数据来对整个农田类型进行和分析预测,得出的结论却未必能推广到整个地区.(2)没有对各种增汇/减排技术进行可行性分析和效益评价.过去的研究得出了一些重要结论,并且分析了不少影响碳排放的因素,但能否根据所研究的成果采取有效的措施来进行增汇和减排却不得而知.(3)目前研究的出发点多是建立在如何增加农田生物量的基础上.大多数农业活动考虑的是提高NPP ,重点放在增加收获量而不是作物残留物之上.增加农田生物量也是增加碳汇的主要形式,但农业产品多输出于农田生态系统之外,最终结果并没有增加农田的固碳功能.我们应该基于农田土壤的碳增汇潜力进行研究.鉴于以上存在的问题,在以后的研究过程中,应注意以下几点:①深入探讨农田特别是农田土壤碳循环的机理,对不同地域农田生态系统进行长期定位观测,评价不同条件和可能因素对碳增汇/减排的影响,并逐步提高估算的精度.②加强遥感技术在碳动态监测中的应用,以求在大范围内对农田碳循环进行分析.③引进工业领域对碳减排技术的效益评价模式,为我国采取合适的减排技术提供必要的决策.1998年5月,我国在《京都协定》上签约,该协定规定包括我国在内的发展中国家每年减排5%[45\〗.我国是一个农业大国,同时也面临着耕地不足的压力,加强农田生态系统碳增汇技术研究不仅是一个重大的经济和社会问题,也是重大的政治问题.参考文献:[1]HOU GHTON J T ,CALL ENDER B A ,VARN EY S K.IPCC Climate Change 1992:The Supplementary Report to the IPCCScientific Assessment [R ].U K:Cambridge University Press ,1992[2]刘允芬.农业生态系统碳循环研究[J ].自然资源学报,1995,11(1):1-8.[3]方精云.全球生态学[M ].北京:高等教育出版社,2000,246-257.[4]方精云,朴世龙,赵淑清.CO 2失汇与北半球中高纬度陆地生态系统的碳汇[J ].植物生态学报,2001,25(5):594-602.[5]FOOD Y G M ,PALUBINSK AS G ,LUCAS R M ,et al.Identifying Terrestrial Carbon sinks :Classification of SuccessionalStages in Regenerating Tropical Forest from Landsat TM Data [J ].Remote Sens.Environ ,1996,55:205-216.[6]王效科,白艳莹,欧阳志云,等.全球碳循环中的失汇及其形成的原因[J 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