秸稈還田固碳增匯效果研究進展

摘要：秸稈還田是當今世界普遍重視的一項培肥地力的增產(chǎn)措施，同時也是重要的固碳措施。從中國農(nóng)田土壤固碳潛力、秸稈還田對土壤有機碳含量及溫室氣體排放的影響、秸稈還田凈減排能力等方面闡述了秸稈還田的固碳增匯效果，指出當前研究中存在的問題，并提出展望。目前對于秸稈還田的固碳增匯效果還存在一定的爭議，今后的研究應(yīng)以縣域為單元，將秸稈還田對土壤碳庫和溫室氣體總排放的影響有機結(jié)合起來，計算凈減排能力。同時開展秸稈還田的溫室效應(yīng)及其影響因子研究，探討如何減少秸稈還田的溫室效應(yīng)，從而提高秸稈還田的凈減排效益。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；固碳潛力；溫室氣體；固碳增匯；有機碳

中圖分類號：S153.6；X16 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2238-04

全球變暖已是不爭的事實，如何采取有效措施以減少溫室氣體排放是應(yīng)對氣候變暖的關(guān)鍵。目前，各國都在積極探尋有效的固碳減排途徑，國際學(xué)術(shù)界在研究溫帶森林、濕地和極地生態(tài)系統(tǒng)對增加土壤碳匯作用的同時，越來越重視農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用。中國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要（2006—2020年）》中將生物固碳技術(shù)列為環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題之一。生物固碳，尤其是農(nóng)作物固碳技術(shù)將成為一種最具潛力、見效最快的減排措施。秸稈還田不僅是當前秸稈資源利用的一種主要方式，也是一種重要的固碳措施。近年來，許多學(xué)者對秸稈還田的固碳效果進行了廣泛的研究，由于在研究手段、科研條件、地域等方面存在差異，得到的研究結(jié)果也不盡相同。本文從中國農(nóng)田土壤固碳潛力、秸稈還田對土壤有機碳含量及溫室氣體排放的影響、秸稈還田凈減排能力等方面闡述了秸稈還田的固碳增匯效果，對當前研究中存在的問題進行分析并提出展望，以期為他人的研究工作提供參考。

1 中國農(nóng)田土壤固碳潛力

從土壤有機碳的儲存和固定潛力來看，中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)屬于較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)[1]。中國農(nóng)業(yè)土壤有機碳庫一直處于虧損狀態(tài)，尤其是在20世紀50～80年代這段時間損失較多[2-4]。Metting等[5]利用DNDC模型對中國農(nóng)業(yè)土壤碳庫進行計算，發(fā)現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)土壤有機碳庫以-73.8 TgC/a的速度在消減，而美國則以72.4 TgC/a的速度遞增。從另一方面也說明中國碳庫容量的增加潛力比其他國家更大。20世紀80年代中期以來，中國農(nóng)業(yè)土壤有機碳含量總體上穩(wěn)中有升，其中南方水稻土的碳匯效應(yīng)非常顯著[3]。中國秸稈還田比例若從15%提高到80%，農(nóng)田碳儲量將增加175 Tg/a[6]。此外，改善農(nóng)業(yè)管理措施可使中國農(nóng)田土壤固碳潛力增加119～226 Tg/a[7]。李忠佩[8]對20年間中國亞熱帶地區(qū)水稻土固碳量進行了計算，發(fā)現(xiàn)固碳量相當于（555.1±88.7）TgCO2；估算出亞熱帶水稻土未來的固碳潛力為（411.0±84.7）Tg CO2，可見水稻土的固碳潛力巨大。

2 秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

2.1 不同還田方式下土壤有機碳變化規(guī)律研究

目前，國內(nèi)學(xué)者對秸稈直接覆蓋還田、焚燒后還田、粉碎還田、高留茬還田等幾種還田方式的固碳效果研究的比較多。結(jié)合不同的農(nóng)業(yè)管理措施，每種還田方式的固碳效果不一致。曾研華等[9]研究了稻草燒灰還田、稻草不還田、稻草還田、稻草還田不施肥、稻草不還田不施肥、稻草燒灰還田不施肥6種方式下土壤碳庫變化情況，一年兩季的試驗結(jié)果表明，稻草還田提高了土壤總有機碳的含量，但差異不顯著，配施化肥明顯增加了土壤活性有機碳含量，較之稻草燒灰還田與不還田，差異顯著。而兩季稻草還田后無肥區(qū)出現(xiàn)相反的趨勢，不還田的較高，這可能跟土壤微生物與植株爭肥不明顯有關(guān)，以致土壤碳激發(fā)、養(yǎng)分分流較少。吳家梅等[10，11]對稻草覆蓋免耕、高樁免耕和高樁翻耕3種還田方式對耕層土壤有機碳積累影響情況進行了研究，結(jié)果顯示，3種方式下0～5 cm土層土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于對照，且高樁免耕方式最高，較無草翻耕提高了13.8%；5～10 cm土層中，高樁翻耕處理下土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)顯著高于其他處理，增幅為1.39～1.66 g/kg；10～15 cm土層中，翻耕方式下土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)要顯著高于其他方式；耕層土壤有機碳密度方面（0～15 cm），稻草翻耕方式要顯著高于其他方式。免耕秸稈還田、翻耕秸稈還田和旋耕秸稈還田三者中，旋耕秸稈還田處理土壤有機碳含量和有機碳密度均為最高，翻耕次之，免耕最小[12，13]。

2.2 不同秸稈施用量下土壤有機碳變化規(guī)律研究

秸稈還田具有可觀的固碳潛力[14]，土壤固碳量是否隨著秸稈施用量的增加而增加呢？在免耕稻田中，隨著秸稈施用量的增加，土壤有機碳含量和土壤固碳量也逐漸增加[15]。鐘杭等[16]研究認為，稻麥秸稈連續(xù)2 年還田，全量還田與半量還田的土壤有機碳較對照均有提高，全量還田的提高量為7.09%，高于半量還田的5.87%。但也有研究表明，高量秸稈還田較中量秸稈還田在提高土壤有機碳含量方面并沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢，其中，高量秸稈還田土壤總有機碳含量為8.73 g/kg，中量秸稈還田為9.51 g/kg，低量秸稈還田為8.29 g/kg，對照為7.55 g/kg，各種活性有機碳含量趨勢也是如此，這可能由于秸稈還田量過高，導(dǎo)致土壤C/N失衡，從而影響還田秸稈的腐解效果[17]。

3 秸稈還田對溫室氣體排放的影響

3.1 秸稈還田對土壤二氧化碳（CO2）排放的影響

CO2來源于土壤呼吸，主要包括植物活根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸和含碳物質(zhì)化學(xué)氧化作用幾個過程。模擬研究表明[18]，有機物料還田量是決定耕層土壤CO2年排放通量大小的直接原因，90%秸稈還田可使土壤呼吸總量增加4.38%[19]。試驗研究也表明[20，21]，隨著秸稈還田量的增加，土壤CO2排放通量在增加。強學(xué)彩等[22]研究了玉米季和小麥季3種不同秸稈還田量下土壤CO2排放量，發(fā)現(xiàn)土壤CO2排放通量隨著秸稈施用量增加而增加。李成芳等[15]的研究也表明，秸稈還田能增加土壤CO2排放量，且土壤CO2累積排放量隨秸稈施用量的增加而增加。作物秸稈覆蓋于土壤表面，不僅利于土壤有機碳的固定，還能從時間尺度上影響土壤CO2的釋放特征[23]。這種影響主要表現(xiàn)為，不進行秸稈覆蓋的土壤全年43%的CO2釋放量集中在夏季，而進行秸稈覆蓋處理的土壤在夏季的CO2排放量只占全年的26%。

3.2 秸稈還田對土壤甲烷（CH4）排放的影響

相對翻耕還田和旋耕還田來說，免耕還田更有助于降低CH4的排放速率，同時可推遲峰值排放時間[24]。冬季秸稈還田與不同土地管理方式相結(jié)合，對后續(xù)稻季CH4排放量有影響。在一定范圍內(nèi)，土壤CH4累積排放量隨秸稈施用量的增加而減少[15]。研究表明，冬季稻田3種土地管理方式中（種麥、休閑和淹水），淹水與秸稈混施處理的CH4平均排放量最大，休閑與秸稈混施次之，種麥與秸稈混施最小[25]。秸稈還田在增加土壤有機碳的同時，也會導(dǎo)致甲烷增排，逯非等[14]運用試驗數(shù)據(jù)和模型相結(jié)合的方法估算出中國秸稈還田后稻田甲烷排放量將從無秸稈還田的5.796 Tg/a增加到9.117 Tg/a。馬二登等[26]研究了麥季稻稈不還田、稻稈表面覆蓋、稻稈均勻混施和稻稈原位焚燒4種還田方式對后續(xù)稻季CH4排放的影響，結(jié)果表明，表面覆蓋和均勻混施處理均能增加后續(xù)稻季CH4排放量，分別增加了75%和40%，而原位焚燒處理對后續(xù)稻季CH4排放量影響不顯著。張岳芳等[27]研究了不同麥秸還田與土壤耕作處理下稻季CH4的排放情況，其中麥秸還田旋耕的CH4排放量要高于麥秸還田翻耕，且二者排放量均高于麥秸不還田翻耕和旋耕。

3.3 秸稈還田對土壤一氧化二氮（N2O）排放的影響

作物秸稈還田一方面通過刺激微生物活性以促進反硝化和N2O排放量，另一方面引發(fā)微生物的固持作用，降低有效氮濃度，抑制硝化和反硝化過程，降低N2O的排放[28]。張岳芳等[27]研究表明，麥秸還田翻耕和麥秸還田旋耕的N2O排放量均小于麥秸不還田翻耕和麥秸不還田旋耕。免耕還田能降低稻田N2O排放速率，排放速率平均值比翻耕還田和旋耕還田降低42.1%和16.7%[24]，N2O排放量將減少51.2%[29]。這是因為旋耕和翻耕對土壤攪動程度較大，促進了硝化與反硝化過程，從而導(dǎo)致N2O排放增加[30]。而李成芳等[15]的研究表明，秸稈還田能顯著提高土壤N2O排放量，且土壤N2O累積排放量隨秸稈施用量的增加而增加。鄒國元等[31]也認為秸稈還田可能促進土壤N2O的排放?？梢?，秸稈還田對土壤N2O排放量的影響研究有待進一步深入。

4 秸稈還田凈減排能力分析

在中國全面推廣秸稈還田的情況下，土壤固碳潛力為42.23 TgC/a，由秸稈還田導(dǎo)致的N2O排放量為6.46 TgCe/a，秸稈還田過程中農(nóng)業(yè)機械燃料額外消耗導(dǎo)致的溫室氣體排放量為1.33 TgCe/a，由此可以算出凈減排潛力為34.44 TgCe/a，表現(xiàn)為溫室氣體匯[32]。在歐盟每年秸稈還田量為1.33×108 t的情況下，土壤固碳潛力為6.5 TgC/a，N2O對比焚燒增加量為0～1.2 TgCe/a，得出凈減排潛力為5.3～6.5 TgCe/a，也表現(xiàn)為溫室氣體匯[33]。King等[34]的研究也表明，英格蘭農(nóng)業(yè)土壤添加秸稈后凈減排潛力達到471～700 kgCe/（hm2·a），對溫室氣體減排具有重要意義。而Li等[35]運用DNDC模型對河北旱地秸稈還田的凈減排效益進行了估算，結(jié)果表明，在土壤固碳潛力為830 kgC/（hm2·a）的情況下，N2O直接排放量為894 kgCe/（hm2·a），故凈減排潛力為-64 kgCe/（hm2·a），表現(xiàn)為溫室氣體源?？梢?，目前有關(guān)秸稈還田的凈減排能力還存在爭議。

5 問題與展望

秸稈還田是當今世界普遍重視的一項培肥地力的增產(chǎn)措施，在杜絕了秸稈焚燒所造成的大氣污染的同時還有增肥增產(chǎn)作用。此外，秸稈還田還是重要的固碳措施之一。目前有關(guān)秸稈還田固碳效果方面的研究也很多，但是對秸稈還田凈減排能力方面的研究還不夠。秸稈還田對土壤有機碳的提升效果已經(jīng)得到學(xué)術(shù)界的普遍認可，然而由此產(chǎn)生的溫室氣體排放問題亦不容忽視。這些溫室氣體包括土壤直接排放部分和進行秸稈還田管理所消耗能源帶來的排放部分。目前，對秸稈還田的凈減排能力研究主要借助模型進行估算，估算結(jié)果和實際情況存在差距。不同研究結(jié)果之間有存在爭議的情況，我們可以從研究手段、地點等方面來看待這些爭議。中國國土面積廣大，各地氣候和地貌呈現(xiàn)多樣性特點，再加上農(nóng)村實行聯(lián)產(chǎn)承包責任制，導(dǎo)致各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理方式千差萬別。這也給從國家尺度或省級尺度上來研究秸稈還田的固碳增匯效果帶來了很多難題，造成諸多不確定性。今后應(yīng)加強以下幾方面的研究。

1）以縣為單位，開展縣域秸稈還田固碳增匯效果研究，農(nóng)業(yè)部門和環(huán)保部門聯(lián)手，利用各自資源優(yōu)勢，開展合作研究。

2）系統(tǒng)深入研究各種秸稈還田方式的固碳增匯效果，要將秸稈還田對土壤碳庫和溫室氣體總排放影響有機結(jié)合起來，計算凈減排能力，從而對其進行評價篩選。

3）開展秸稈還田的溫室效應(yīng)及其影響因子研究，探討如何減少秸稈還田的溫室效應(yīng)，從而提高秸稈還田的凈減排效益。

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