王玉英, 胡春勝, 董文旭, 張玉銘, 李曉欣, 劉秀萍

(中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心石家莊 050022)

巴黎協(xié)定(1.5 ℃的溫控目標(biāo))要求各國(guó)在2060年到2080年間實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)在2020年9月召開的第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出在2030年前CO排放達(dá)到峰值(碳達(dá)峰), 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和(CO的人為移除與人為排放相抵消)。如要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),我國(guó)“碳中和”時(shí)間表為: 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,2045-2050年實(shí)現(xiàn)100%可再生能源供電, 2040-2045年退役全部傳統(tǒng)煤電。

農(nóng)業(yè)作為生態(tài)產(chǎn)品的重要供給者具有“綠色”屬性和多重“身份”。農(nóng)業(yè)碳中和是一種創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)理念和模式, 即“將工業(yè)生產(chǎn)的二氧化碳用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 通過(guò)作物生長(zhǎng)把二氧化碳吸收利用”。但當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全國(guó)的17%, 其中農(nóng)業(yè)源CH和NO排放分別占全國(guó)的50%和92%,且以每年5%速率增長(zhǎng)。因此在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的征程中, 農(nóng)業(yè)的作用舉足輕重。華北平原耕地面積占全國(guó)總耕地面積的25%, 生產(chǎn)了全國(guó)76%的小麥(Triticum aestivum)和29%的玉米(Zea mays)。該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要特點(diǎn)是依靠大量水(＞470 m·hm)和肥[＞600 kg(N)·hm·a]投入保障產(chǎn)量。伴隨這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)田應(yīng)用的巨大問(wèn)題是溫室氣體排放的迅速增加。因此該區(qū)域面臨的主要挑戰(zhàn)是在保障作物產(chǎn)量的同時(shí)采取合理的農(nóng)藝措施減少碳排放, 進(jìn)一步增加碳固存, 為國(guó)家近期碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡估算

1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳排放估算

根據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》非能源農(nóng)業(yè)碳排放包括水稻(Oryza sativa)種植、土地管理、動(dòng)物腸道和禽畜糞便發(fā)酵, 能源農(nóng)業(yè)碳排放包括化石能源及生物質(zhì)燃燒。中國(guó)省際碳排放總量的估算公式為:

式中: E表示農(nóng)業(yè)碳排放總量(萬(wàn)t COe); E和E分別為農(nóng)業(yè)非能源和能源碳排放量(萬(wàn)t COe)。COe為CO當(dāng)量, 即某氣體的CO當(dāng)量為該氣體數(shù)量乘以其溫室效應(yīng)指數(shù)。農(nóng)業(yè)非能源碳排放量計(jì)算公式如下:

式中: e為i排放源(包括作物種植、土地管理、腸道和禽畜糞便發(fā)酵4種) j種溫室氣體的排放量, ?和T分別表示不同碳源產(chǎn)生溫室氣體的排放系數(shù)及使用量, GWP表示各種溫室氣體對(duì)應(yīng)的全球增溫潛力。

農(nóng)業(yè)能源碳排放主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的6個(gè)方面, 即化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用機(jī)械、農(nóng)地灌溉和翻耕, 其計(jì)算公式如下:

式中: E為農(nóng)業(yè)能源碳排放總量, E為i種碳源的碳排放量, T為i碳排放源的量, δ為各碳排放源的碳排放系數(shù)。其中農(nóng)業(yè)能源碳排放系數(shù)及其參考來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)業(yè)能源碳排放系數(shù)的參考來(lái)源及華北平原小麥玉米農(nóng)資投入量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 農(nóng)田系統(tǒng)非能源碳固定估算

農(nóng)田是陸地的主要組成部分, 研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡與碳動(dòng)態(tài)對(duì)于理解和闡明其在全球碳平衡中的貢獻(xiàn)具有重要作用。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)光合作用產(chǎn)物將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為生物能, 在此過(guò)程中固定CO、釋放O。近40年來(lái)的大量化學(xué)肥料施入和人工灌溉等管理措施會(huì)影響從土壤釋放到大氣中的碳量和植株以凈第一生產(chǎn)力(NPP)截存的有機(jī)碳量。針對(duì)華北平原20世紀(jì)90年代初期以來(lái)推行秸稈還田條件下的小麥-玉米輪作體系, 我們分析了1978—2008年0～20 cm農(nóng)田表層土壤有機(jī)質(zhì)含量, 并據(jù)此估算了0～20 cm的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。研究發(fā)現(xiàn)1978—2002年,冬小麥季土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量從無(wú)秸稈還田的2.5 kg(C)·m迅速增加到秸稈還田24年后的4.0 kg(C)·m, 2002—2008年略有下降, 維持在3.8 kg(C)·m。夏玉米季的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量從2.4 kg(C)·m迅速增加到4.0 kg(C)·m,之后略有降低, 2002—2008年間0～20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量穩(wěn)定維持在3.7 kg(C)·m(圖1)。該結(jié)果說(shuō)明秸稈還田措施能有效增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量, 進(jìn)而達(dá)到增加碳固存的目的。鑒于此, 針對(duì)當(dāng)前土壤有機(jī)質(zhì)含量比較低或者水土流失比較嚴(yán)重的地區(qū), 推行作物秸稈就地還田措施對(duì)有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量至關(guān)重要。

圖1 1978—2008年華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)0～20 cm土層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的演變[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]

我們之前采用渦度相關(guān)法和靜態(tài)箱-氣相色譜法原位觀測(cè)華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量, 同時(shí)結(jié)合生物量觀測(cè)得出了華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)的碳平衡(圖2)。該研究指出小麥季吸收碳1051 g(C)·m、釋放碳692 g(C)·m,凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(net ecosystem exchange, NEE)和凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary production, NPP)分別為359 g(C)·m和604 g(C)·m, 收獲后籽粒移除碳269 g(C)·m, 由于生態(tài)系統(tǒng)輸入碳量比輸出碳量高90 g(C)·m, 因此小麥季為碳匯(用負(fù)號(hào) “-”表示)。玉米季吸碳984 g(C)·m, 釋放碳841 g(C)·m, NEE和NPP分別為143 g(C)·m和540 g(C)·m, 收獲后籽粒移除碳310 g(C)·m, 由于生態(tài)系統(tǒng)輸入碳量比輸出碳量低167 g(C)·m, 因此玉米季為碳源(用正號(hào)“+”表示)。此研究中因?yàn)樽蚜Ｊ斋@最終會(huì)被移出生態(tài)系統(tǒng), 因此該部分碳被計(jì)算在了碳排放范圍。但是廣義的考慮, 實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)中植株通過(guò)光合作用以NPP截存的有機(jī)碳量(包括籽粒和還田的秸稈)應(yīng)當(dāng)計(jì)算在農(nóng)田系統(tǒng)固存的碳量中。利用這種理論,結(jié)合我們之前的研究, 發(fā)現(xiàn)華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田以NPP截存的有機(jī)碳量(包括籽粒和還田的秸稈), 小麥季和玉米季分別為604 g(C)·m和540 g(C)·m。進(jìn)一步綜合考慮地下部異養(yǎng)呼吸(R)損耗(NPP-R=NEE), 小麥季和玉米季的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量NEE分別為-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(圖2)。

圖2 華北平原小麥-玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源碳收支平衡圖[13][單位為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.

鑒于此, 在當(dāng)前以秸稈還田為背景的華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)中, 提高水分和肥料利用效率, 能增加生物量和作物產(chǎn)量, 從而達(dá)到減少碳排放增加大氣碳固存的目的。將合理的管理措施應(yīng)用到該農(nóng)田系統(tǒng), 能夠達(dá)到農(nóng)業(yè)碳中和的目的。

1.3 農(nóng)田系統(tǒng)非能源與能源碳平衡估算

根據(jù)之前的報(bào)道小麥季和玉米季的凈生態(tài)系統(tǒng)碳截存量分別為-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(圖2)。結(jié)合表1中農(nóng)地投入化肥[0.8956 kg(C)·kg]、農(nóng)藥[4.9341 kg(C)·kg]、農(nóng)用柴油[0.5927 kg(C)·kg]和農(nóng)地灌溉[20.467 kg(C)·hm]的碳排放系數(shù), 以及調(diào)研得出的華北平原農(nóng)田的農(nóng)資實(shí)際消耗量(表1),進(jìn)一步計(jì)算了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源與能源碳排放輸入與輸出的平衡圖(圖3)。研究結(jié)果表明, 冬小麥季化肥、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機(jī)械消耗柴油和農(nóng)地灌溉的碳排放分別為90.7 g(C)·m、3.74 g(C)·m、5.68 g(C)·m和2.05 g(C)·m, 玉米季分別為53.7 g(C)·m、2.89 g(C)·m、10.2 g(C)·m和2.05 g(C)·m。上述能源碳排放結(jié)合非能源碳固定, 冬小麥季和夏玉米季的碳匯強(qiáng)度分別為-257 g(C)·m和-74.1 g(C)·m。以華北平原典型集約高產(chǎn)糧區(qū)——河北欒城為例, 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù), 欒城近年來(lái)小麥、玉米種植面積分別約為1.49萬(wàn)hm和1.27萬(wàn)hm。因此估算出河北欒城每年冬小麥和夏玉米農(nóng)田的碳中和潛力分別為3.8×10g(C)和9.4×10g(C)。此外, 還有另外一種情形需要考慮: 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是籽粒最終會(huì)以收獲的方式移出生態(tài)系統(tǒng), 如果將籽粒收獲的碳算作碳排放的情況下結(jié)合圖2和圖3, 則冬小麥季和夏玉米季均為碳源, 其碳源強(qiáng)度分別為12 g(C)·m和236 g(C)·m。

圖3 華北平原小麥-玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源碳與能源碳的碳收支平衡(小麥季為黑色字體, 玉米季為藍(lán)色字體)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)

鑒于上述分析, 我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前華北平原秸稈還田條件下高水高肥精細(xì)管理的小麥-玉米輪作系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯(包括籽粒固碳), 其中冬小麥生長(zhǎng)季碳匯強(qiáng)度是玉米季的近3.5倍。因此水熱同季的夏玉米季的未來(lái)固碳潛力存在很大的可發(fā)掘性。

2 華北平原農(nóng)業(yè)碳中和固碳措施

2.1 加強(qiáng)耕地管理

當(dāng)前華北平原糧食高產(chǎn)主要依靠化肥農(nóng)藥的過(guò)量投入, 我們的研究結(jié)果表明這些措施使植物碳足跡和碳投入與20世紀(jì)80年代初相比每年額外增加168 g(C)·m, 與碳中和目標(biāo)相悖。近年來(lái)因過(guò)度耕作和過(guò)量施肥導(dǎo)致華北平原0～20 cm土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量降低強(qiáng)度高達(dá)0.3 kg(C)·m, 因此需要加強(qiáng)耕地管理。針對(duì)上述問(wèn)題首先需要在保障產(chǎn)量的前提下,有序開展有機(jī)肥料逐步替代部分化肥。其次結(jié)合測(cè)土配方施肥和節(jié)水灌溉等農(nóng)技措施, 減少碳投入降低碳排放。第三建立不同的輪作休耕制度和秸稈還田, 提高土壤固碳能力。研究表明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量森林、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)分別占39%～40%、33%～34%和20%～22%。針對(duì)我國(guó)耕地分布面積廣的特點(diǎn), 亟需加強(qiáng)耕地生態(tài)功能保護(hù)。例如進(jìn)一步優(yōu)化種植和養(yǎng)殖業(yè)布局, 降低養(yǎng)殖業(yè)污染物水平等具體措施。借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn), 涵養(yǎng)保護(hù)土壤生態(tài)功能, 提高固碳水平。

2.2 發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)

只有降低單位產(chǎn)量或產(chǎn)品的溫室氣體排放強(qiáng)度才能促進(jìn)碳中和, 農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展是當(dāng)前農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。因此當(dāng)前亟需建立低碳農(nóng)業(yè)模式。在保障糧食產(chǎn)量的前提下, 推廣淺耕、免耕技術(shù)、智能灌溉、科學(xué)施肥等措施促進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳化。通過(guò)改善動(dòng)物健康和飼料消化率調(diào)控腸道CH釋放, 提高畜禽廢棄物利用率和效率, 減少CH和NO排放等措施, 降低農(nóng)業(yè)溫室氣體排放強(qiáng)度。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)實(shí)行粗放式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式, 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)資源利用效率低下, 同時(shí)也加重了環(huán)境污染, 增加了碳投入。鑒于此當(dāng)前亟需提高規(guī)?；r(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)水平和生產(chǎn)效率。加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用地的集約化經(jīng)營(yíng); 改善和加強(qiáng)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施更新改造, 推廣節(jié)水灌溉及農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智能化水平。此外推廣低碳腐植酸肥料可促進(jìn)化肥低碳化。與化學(xué)肥料相比腐植酸低碳肥料對(duì)土壤中團(tuán)聚體、尤其是水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。研究表明每施用1 kg腐植酸, 植物吸收CO量增加240 kg。鑒于此, 推廣腐植酸低碳肥料可實(shí)現(xiàn)“土壤-肥料-作物”產(chǎn)業(yè)種植鏈的低碳化,是十分高效的碳中和模式。

2.3 發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)

富碳農(nóng)業(yè)就是用人工增施CO氣肥的手段滿足作物對(duì)CO的需求。當(dāng)前將CO作為氣肥或制成干冰在溫室和大田使用, 能有效提高作物抗病力且增加土壤有機(jī)質(zhì), 進(jìn)而提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)從大氣中捕獲CO制成CO氣體肥料, 也是最直接的減排和固碳手段。因此增施CO氣肥對(duì)我國(guó)當(dāng)前碳中和目標(biāo)具有重要意義。由于溫室大棚長(zhǎng)期處于“碳饑餓”狀態(tài), CO氣體施肥能有效解決設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中CO不足的瓶頸難題。CO氣體施肥增產(chǎn)效果顯著。在美國(guó)亞拉巴馬州奧本國(guó)家土壤動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室為期3年的研究表明, 在作物生長(zhǎng)旺盛期和結(jié)果期增施CO, 高粱(Sorghum bicolor)和大豆(Glycine max)的生物量分別增加30%和40%。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草增施CO后增產(chǎn)200%。鑒于此, 針對(duì)我國(guó)當(dāng)前溫室大棚面積有限, 有計(jì)劃地推廣溫室CO氣體施肥可顯著提高整體農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。此外, CO氣體施肥有效保證糧食安全。研究表明增施CO的作物可普遍減少50%～60%農(nóng)藥用量。同時(shí)CO氣體施肥可提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。例如內(nèi)蒙溫室大棚增施CO氣肥后番茄(Lycopersicon esculentum)增產(chǎn)25%, 且果實(shí)色澤口感等大幅度提升。最后增施CO氣肥后促進(jìn)作物根系發(fā)達(dá), 進(jìn)而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。綜上所述, 富碳農(nóng)業(yè)發(fā)展在碳中和的背景下為大勢(shì)所趨。

3 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰碳中和的挑戰(zhàn)

在我國(guó)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰碳中和過(guò)程中面臨巨大挑戰(zhàn)。首先落實(shí)難度大。以種植業(yè)為例, 當(dāng)前我國(guó)主要是小農(nóng)戶種植主導(dǎo), 相關(guān)的固碳減排標(biāo)準(zhǔn)難以有效推廣, 且考慮經(jīng)濟(jì)利益國(guó)家財(cái)政應(yīng)予以大力補(bǔ)貼。其次當(dāng)前缺乏農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達(dá)峰碳中和的專業(yè)研究機(jī)構(gòu), 導(dǎo)致相關(guān)政策解讀和標(biāo)準(zhǔn)制定困難。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題應(yīng)當(dāng)建立完善的專業(yè)研究平臺(tái), 整合各方力量開展系統(tǒng)研究。

綜上所述, 華北平原作為我國(guó)的糧食主要產(chǎn)區(qū)之一, 為了保障糧食生產(chǎn), 采取高水高肥的精細(xì)管理措施, 這直接導(dǎo)致了當(dāng)前該區(qū)域碳排放源強(qiáng)度高達(dá)236 g(C)·m。這也從另一個(gè)方面印證了華北平原農(nóng)田系統(tǒng)具有很高的碳中和潛力。未來(lái)通過(guò)調(diào)整該地區(qū)的田間管理措施, 推進(jìn)農(nóng)業(yè)資源重組, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展, 以期有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和。