农田温室气体净排放研究进展_黄坚雄

收稿日期：2011－03－01作者简介：黄坚雄，博士，主要研究方向为农田温室气体减排技术。通讯作者：陈源泉，副教授，主要研究方向为农业系统生态经济分析。基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（编号：2007BAD89B01）。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）

摘要农业是温室气体排放的主要排放源之一，农业温室气体减排对全球温室气体排放具有重要贡献，研究农田温室气体净排放潜力亦具有重要现实意义。本文阐述了农田温室气体净排放的涵义，并归纳总结了耕作方式、施肥、水分管理、间套作等农业措施对农田土壤有机碳（SOC）含量、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）排放的影响，结

果表明：保护性耕作总体能提高表层SOC含量，减少CH4排放，但减少农田土壤N2O排放的研究尚存在一定的争议，耕作方式亦影响

投入，从而影响温室气体的排放；施肥（特别是配施）能提高SOC含量。施氮肥越多，N2O排放量越大，而CH4主要受有机物料的影响

较大；水分对减少N2O和CH4排放有相反作用，需综合进行平衡管理；不同的作物品种、间套作模式或促进或减少温室气体排放。此

外，本文指出了国外在该领域的研究注重从系统角度考虑农田温室气体排放，而国内的研究则非常少，提出我国农田温室气体净排放可作为未来研究的一个重点，并对未来研究内容进行了初步归纳总结。关键词农田；温室气体；净排放；影响因素中图分类号X22文献标识码A文章编号1002－2104（2011）08－0087－08doi：10．3969/j．issn．1002－2104．2011．08．014

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（CO2－eq）

大于农田土壤N2O和CH4、农田生产物资的使用所造成的

·78·中国人口·资源与环境2011年第21卷第8期CHINAPOPULATION，RESOURCESANDENVIRONMENTVol．21No．82011

图1农田温室气体净排放示意图Fig．1SchematicdiagramofnetGHGsemissioninfarmland

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

0－10cm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75．34t［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（CarbonSequestrationinTerrestrial

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，0－30cm的土壤平均每年固定337±108kg/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

·88

·中国人口·资源与环境2011年第8期法”或“减少耕作法”每年每公顷能节省23kg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

47．51kg油耗，相当于125．4kgCO2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

0－20cm土层土壤的有机碳含量。有机肥处理的SOC含

量最高，为12．2t/hm2碳，NPK处理的作物产量最高，但

SOC含量却较低，为3．7t/hm2碳，对照为1．4t/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