中國(guó)農(nóng)田作物植被碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展

羅懷良

西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川師范大學(xué)），四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610101

碳循環(huán)已成為全球變化與地球科學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)問(wèn)題。而陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其變化是全球碳循環(huán)中最復(fù)雜、受人類活動(dòng)影響最大的方面，已成為IGBP、WCRP和IHDP等國(guó)際重大科學(xué)計(jì)劃的主題（Nakicenovic和Swart，2000；高志強(qiáng)和劉紀(jì)遠(yuǎn)，2008）。農(nóng)田植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著十分重要的作用（Nakicenovic和Swart，2000；Philip等，2000）。作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)（耕地約占國(guó)土的13%），從生物圈碳循環(huán)對(duì)大氣二氧化碳濃度的貢獻(xiàn)而言，不能不注重作物植被碳儲(chǔ)量在碳循環(huán)中的作用。近十多年來(lái)，中國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究，但目前的研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)（王紹強(qiáng)等，1999；康惠寧等，1996；周玉榮等，2000；王效科等，2001；方精云等，2007；樸世龍等，2010；王紹強(qiáng)等，2000；周成虎等，2003；潘根興等，2003；陳泮勤等，2004）。而對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量在全球變化中的作用研究相對(duì)不足（潘根興等，2003）。由于農(nóng)田是人類活動(dòng)最活躍的區(qū)域，農(nóng)業(yè)管理方式的變化使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的碳循環(huán)研究具有極大的挑戰(zhàn)性（魯春霞等，2005）。碳在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的演化受多種因素控制，從而構(gòu)成一個(gè)非線性復(fù)雜系統(tǒng)（李長(zhǎng)生，2000）。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的國(guó)內(nèi)研究主要集中在土壤碳儲(chǔ)量及固碳方面，而對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量的關(guān)注以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的綜合研究明顯不足（魯春霞等，2005；朱詠莉等，2004；Wang等，2004；方精云等，2004；羅懷良，2009）。

1 作物植被碳儲(chǔ)量估算方法及估算參數(shù)

1.1 作物植被碳儲(chǔ)量估算方法

目前中國(guó)國(guó)內(nèi)估算作物植被碳儲(chǔ)量的方法主要有：參數(shù)估算法、遙感資料反演法和環(huán)境參數(shù)模型法。

1）參數(shù)估算法。該方法是將作物生物量通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換系數(shù)換算成碳儲(chǔ)量。樣地尺度的作物植被碳儲(chǔ)量估算采用含碳率將作物樣方生物量進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換；而其余尺度作物植被碳儲(chǔ)量的估算，則利用相關(guān)作物的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及估算參數(shù)來(lái)進(jìn)行估算。其計(jì)算公式（方精云等，2007；羅懷良，2009）如下：

式中：S為區(qū)域作物植被碳儲(chǔ)量（t）；Si為第i類作物的碳儲(chǔ)量（t）；iC為第i類作物的含碳率（%）；Qi為第i類作物產(chǎn)量（t）；Ei為第i類作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)（收獲指數(shù)）（%）；fi為第i類作物收獲部分（果實(shí)）的水分系數(shù)（%）；n為作物種類數(shù)；D為區(qū)域作物平均碳密度（t·hm-2）；A為區(qū)域耕地面積（hm2）。

2）遙感資料反演法。應(yīng)用遙感方法可以快速獲取作物植被碳儲(chǔ)量的空間分布及其變化，估算土地利用變化對(duì)植被碳儲(chǔ)量的影響常用此方法。該方法一般先利用高時(shí)空分辨率遙感影像估算植被生物量和凈第一性生產(chǎn)力，然后分析土地利用對(duì)碳儲(chǔ)量的影響（方精云等，2004；姜群鷗等，2008）。國(guó)內(nèi)學(xué)者（方精云，2007）利用各省區(qū)作物平均生物量密度與相應(yīng)的平均NDVI（均一化植被指數(shù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，再利用所得回歸方程以及農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和各年份的NDVI數(shù)據(jù)，估算不同年份農(nóng)業(yè)植被生物量碳密度的空間分布及時(shí)間變化。

3）環(huán)境參數(shù)模型法。該方法是利用環(huán)境因子與陸地植被生產(chǎn)力之間的關(guān)系，建立模型，間接推算陸地植被生物量和碳儲(chǔ)量變化。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者分別采用生態(tài)系統(tǒng)機(jī)理性模型（如CEVSA）（孫睿和朱啟疆，2001）、改進(jìn)的光能利用率模型（陶波等，2003）、過(guò)程模型（如CASA）（樸世龍等，2001）以及多種模型相結(jié)合（高志強(qiáng)和劉紀(jì)遠(yuǎn)，2008）對(duì)作物凈初級(jí)生產(chǎn)力（碳儲(chǔ)量）進(jìn)行模擬研究。

1.2 作物植被碳儲(chǔ)量估算的參數(shù)研究

各種作物植被碳儲(chǔ)量估算方法都涉及到含碳率、收獲部分（果實(shí)）水分系數(shù)和經(jīng)濟(jì)系數(shù)等相應(yīng)的估算參數(shù)。國(guó)內(nèi)在大區(qū)域尺度作物植被碳儲(chǔ)量的估算中多采用經(jīng)驗(yàn)假定參數(shù)進(jìn)行（方精云等，2007；魯春霞等，2005；方精云等，2004）。而在中小區(qū)域尺度作物植被碳儲(chǔ)量估算中，實(shí)測(cè)參數(shù)也只有零星報(bào)道（羅懷良等，2008a；羅懷良，2009）。

1.2.1 作物含碳率

將植物生物量轉(zhuǎn)換為碳儲(chǔ)量是按照一個(gè)比率（植物干有機(jī)質(zhì)中碳占的比重，即含碳率）來(lái)進(jìn)行的。由于獲取的含碳率有限，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多采用0.5或0.45作為作物平均含碳率，只有少數(shù)學(xué)者根據(jù)具體作物類型采用相應(yīng)的含碳率。事實(shí)上，不同種類的植物及同一種植物的不同組織器官中碳元素的含量是有差別的。作物含碳率采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法（劉光崧，1996；中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì)，1989）(GB 7875—1987)測(cè)定。中國(guó)國(guó)內(nèi)報(bào)道的作物含碳率還比較有限（葉篤正和陳泮勤，1992；羅懷良等，2004）(表1)。

1.2.2 作物收獲部分（果實(shí)）水分系數(shù)

在作物植被碳儲(chǔ)量估算中，作物生物量常利用作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)求取。而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中作物產(chǎn)量并非作物收獲部分（果實(shí)）的干質(zhì)量，作物收獲部分的水分含量應(yīng)在估算時(shí)予以考慮。國(guó)內(nèi)在作物植被碳儲(chǔ)量估算中大多采用經(jīng)驗(yàn)值0.15（張劍等，2009；張厚瑄，1998；王彧等，2006）作為作物收獲部分的水分系數(shù)。而各種作物收獲部分的實(shí)際水分系數(shù)是有差異的。水分系數(shù)主要用烘干法測(cè)定。中國(guó)國(guó)內(nèi)報(bào)道的作物收獲部分水分系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)報(bào)道的作物植被碳儲(chǔ)量估算參數(shù)值Table 1 Domestic reported parameter for estimation of crop carbon storage

1.2.3 作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)

作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)（或收獲指數(shù)）是作物籽粒、糖或纖維等的收獲量與作物凈干物質(zhì)總量的比值，作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)采用樣方生物量觀測(cè)、烘干求取。國(guó)內(nèi)在作物植被碳儲(chǔ)量估算中多采用理論值 0.35作為作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)（張劍等，2009；張厚瑄，1998）。實(shí)際上，不同作物在不同地區(qū)不同氣候條件下，采用不同栽培方式和管理措施，其經(jīng)濟(jì)系數(shù)是不一樣的（包浩生和彭補(bǔ)拙，1993；張福春和朱志輝，1990；王建林和太華杰，1996）。中國(guó)國(guó)內(nèi)報(bào)道的作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)見(jiàn)表1。

2 作物植被碳儲(chǔ)量估算的時(shí)間范圍及估算的空間尺度

2.1 作物植被碳儲(chǔ)量估算的時(shí)間范圍

由于6 ka BP前后黃河流域處于仰韶文化時(shí)期，農(nóng)業(yè)興起，農(nóng)田開(kāi)始出現(xiàn)并不斷擴(kuò)大，逐漸成為一種重要的植被類型（施雅風(fēng)和孔昭宸，1992），這在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算中是不容忽視的。受歷史數(shù)據(jù)缺乏和數(shù)據(jù)精度的局限，歷史時(shí)期的作物植被碳儲(chǔ)量估算難度較大，結(jié)果也存在較大不確定性。

利用重建的全新世植被圖和現(xiàn)代植被碳密度資料，對(duì)全新世期間我國(guó)(30°N以北地區(qū)，除西藏和新疆的西部地區(qū))陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算表明（遇蕾和任國(guó)玉，2008），近10 ka期間，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在6 ka BP前后達(dá)到最大，此后開(kāi)始降低，尤其是近2 ka降幅明顯。新石器時(shí)期，特別是農(nóng)業(yè)文明開(kāi)始以后，人類活動(dòng)對(duì)陸地植被的持續(xù)干預(yù)可能是造成陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量長(zhǎng)期減少的主要原因。但由于對(duì)4 ka BP以后農(nóng)田的界定還不夠確切，很難找到確切的記錄來(lái)劃定農(nóng)田的實(shí)際面積，在計(jì)算農(nóng)田植被碳儲(chǔ)量的過(guò)程中可能引入一定誤差。而且由農(nóng)田界限估計(jì)引起的誤差隨時(shí)間推移有增加趨勢(shì)，且在華北地區(qū)比較明顯。此外，對(duì)過(guò)去 300年土地利用/覆被變化（耕地面積快速增長(zhǎng)）對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量影響也有研究（葛全勝等，2008）。

中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)近百年來(lái)作物植被碳儲(chǔ)量的研究較多，特別是對(duì)20世紀(jì)80年代農(nóng)村實(shí)行聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制后近幾十年以來(lái)的儲(chǔ)量研究更為多見(jiàn)。一方面近幾十年來(lái)連續(xù)的耕地、作物種植面積和作物產(chǎn)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使參數(shù)估算法有較為可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源；另一方面近幾十年來(lái)遙感技術(shù)和GIS技術(shù)發(fā)展迅速，氣候和土壤等環(huán)境數(shù)據(jù)不斷積累，促進(jìn)了遙感反演和環(huán)境參數(shù)模型估算的發(fā)展。

2.2 作物植被碳儲(chǔ)量估算的空間尺度

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者（魯春霞等，2005；方精云等，2004；劉允芬，1995；劉允芬，1998；李克讓等，2003；YU等，2010）就全國(guó)尺度的作物植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)進(jìn)行了估算，同時(shí)也對(duì)不同空間尺度的區(qū)域，如三江平原（徐素娟等，2011）、長(zhǎng)江上游地區(qū)（張劍等，2009）、華北平原（韓建智等，2009）、川中丘陵地區(qū)（羅懷良，2009）、南川市三泉鎮(zhèn)（羅懷良等，2008a，2008b）等地進(jìn)行了大量研究。

相關(guān)研究表明，我國(guó)作物植被碳密度的格局與作物生物量的空間分布是基本一致的，不同地區(qū)作物植被碳儲(chǔ)量及動(dòng)態(tài)存在明顯差異。由于受數(shù)據(jù)精度、估算方法、研究時(shí)段和耕地面積取值等因素影響，目前對(duì)全國(guó)尺度的作物植被碳儲(chǔ)量估算仍然存在較大的差異（表2）和不確定性。

作物植被碳儲(chǔ)量主要受種植面積和碳密度的影響，種植面積受土地利用變化的影響，而碳密度主要受作物生物量的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)區(qū)域土地利用變化對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行了研究，但對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量區(qū)域分布格局和碳密度變化影響因素的分析不多。有關(guān)地形與農(nóng)田生產(chǎn)力之間關(guān)系的研究（閆慧敏等，2007）表明，在1981—2000年間隨著地形起伏度增大，我國(guó)耕地生產(chǎn)力降低的幾率隨之增大。在這種10年尺度上，地形是導(dǎo)致農(nóng)田生產(chǎn)力變化空間格局分異的主要原因。有關(guān)三江平原1980—2007年作物植被碳蓄積量變化的研究（徐素娟等，2011）表明，溫度與降水量相比，降水對(duì)碳密度的影響更明顯。而在華北平原的研究（韓建智等，2009）則表明，灌溉能適應(yīng)氣候變化，促進(jìn)碳固定。

3 作物植被碳儲(chǔ)量變化的源匯效應(yīng)及固碳措施

3.1 作物植被碳儲(chǔ)量變化的源匯效應(yīng)

中國(guó)學(xué)者對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量變化的源匯效應(yīng)存在不同認(rèn)識(shí)，存在兩種不同的觀點(diǎn)。

1）作物植被生物量的碳匯為零。有學(xué)者（方精云，2007）在進(jìn)行1981—2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算時(shí)，估算出在1982—1999年間我國(guó)作物生物量碳庫(kù)增加0.19 Pg（每年增加0.0125～0.0143 Pg C）。但考慮到這些增加的生物量絕大部分在短期內(nèi)經(jīng)分解又釋放到了大氣中，因此將作物植被生物量的碳匯設(shè)定為零（方精云，2007）。

2）作物植被碳儲(chǔ)量變動(dòng)具有源/匯效應(yīng)。在20世紀(jì)90年代初開(kāi)展的全球變化對(duì)農(nóng)業(yè)、水文水資源、森林及沿海地區(qū)海平面的影響及適應(yīng)對(duì)策的研究中（田廣生，1999），就得出1990年中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為CO2的弱匯；隨后通過(guò)計(jì)算農(nóng)牧漁業(yè)中碳的周年吸收、排放、固定和周轉(zhuǎn)量，得出1990年和2000年中國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一個(gè)弱匯（劉允芬，1995）。近年來(lái)在全國(guó)尺度（魯春霞等，2005；閆慧敏等，2007）以及在三江平原（徐素娟等，2011）、川中丘陵區(qū)（羅懷良，2009）、重慶南川市三泉鎮(zhèn)（羅懷良等，2008a）等區(qū)域尺度的研究中，通過(guò)直接估算作物植被碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)到：隨著種植技術(shù)不斷改進(jìn)，單位面積作物植被碳密度持續(xù)增大，作物植被碳儲(chǔ)量具有微弱的碳匯效應(yīng)。同時(shí)，由于作物生長(zhǎng)受多種因素的影響，其生物量和植被碳儲(chǔ)量變化具有波動(dòng)性。因此不同時(shí)段的作物植被碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)既可以是碳源，也可以是碳匯（張劍等，2009）。

雖然在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳儲(chǔ)量（密度）普遍大于作物植被碳儲(chǔ)量（密度），但對(duì)于區(qū)域尺度而言，作物植被碳儲(chǔ)量仍然是一個(gè)數(shù)量可觀的碳庫(kù)。而且作物植被碳庫(kù)儲(chǔ)量有增加的潛力和可能，作物植被碳儲(chǔ)量大小及秸稈利用情況直接影響著土壤碳庫(kù)。因此，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)研究中應(yīng)該對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量予以足夠的重視，并分時(shí)段和區(qū)域具體分析其源/匯效應(yīng)。

3.2 維持和提高作物植被碳儲(chǔ)量的固碳措施

陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳減排和增匯措施有3種（陳泮勤等，2004）：保護(hù)現(xiàn)有的碳庫(kù)、增加碳庫(kù)的儲(chǔ)量和可再生生物產(chǎn)品的替代。作物等陸地植被對(duì) CO2的吸收被認(rèn)為是最安全有效的固碳過(guò)程（李新宇和唐海萍，2006）。就維持和提高作物植被碳儲(chǔ)量方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究分析和探討了下列固碳措施。

1）加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。我國(guó)種植業(yè)大多位于季風(fēng)氣候區(qū)，受外界氣候條件波動(dòng)的影響，種植業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性差，作物植被碳儲(chǔ)量波動(dòng)也比較大。加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)（特別是農(nóng)田水利建設(shè)），通過(guò)梯田改建、水土保持工作等措施，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，可以確保農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，進(jìn)而穩(wěn)定和提高作物植被碳儲(chǔ)量。

2）改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與管理。由于農(nóng)業(yè)比較利益下降，近年來(lái)耕地撂荒現(xiàn)象有所增加（尤其在亞熱帶地區(qū)冬季撂荒比較突出）（劉成武和李秀彬，2006）。減少冬閑田、降低撂荒頻率、提高復(fù)種指數(shù)，開(kāi)展合理的輪作與套作，推廣施肥管理和地膜育秧（苗）、作物秸稈覆蓋、聚土壟作等生產(chǎn)技術(shù)，因地制宜地開(kāi)展生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)，可以顯著增加作物產(chǎn)量，從而增加作物植被碳儲(chǔ)量（楊景成等，2003；趙榮欽等，2004）。

3）調(diào)整作物結(jié)構(gòu)。研究表明，水田作物植被碳密度比旱地大（羅懷良，2009，2008a）。在水稻適宜區(qū)，應(yīng)通過(guò)水利建設(shè)，擴(kuò)大水稻種植。旱地應(yīng)在穩(wěn)定和適當(dāng)擴(kuò)大玉米、甘薯、高粱和大豆等作物種植面積的前提下，注意發(fā)展花生、芝麻等經(jīng)濟(jì)作物的生產(chǎn)。而在南方地區(qū)，小春作物則應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)冬水田的綜合利用，穩(wěn)定小麥的播種面積，并適度擴(kuò)大馬鈴薯和油菜等農(nóng)作物的種植面積。這樣既可以保障區(qū)域的糧食安全，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，特別是為畜牧業(yè)發(fā)展提供充足的精飼料保障；又有利于作物植被碳儲(chǔ)量的穩(wěn)定和提高。

4）加強(qiáng)作物秸稈的利用。國(guó)內(nèi)對(duì)作物秸稈利用已積累有豐富的資料和經(jīng)驗(yàn)（林而達(dá)等，2005），但秸稈利用與農(nóng)業(yè)主體生產(chǎn)的結(jié)合不好，沒(méi)有取得預(yù)期效果。作物秸稈的一個(gè)重要用途是通過(guò)各種形式還田（直接還田、覆蓋還田、焚燒還田和過(guò)腹還田），這樣既能增加農(nóng)田對(duì)有機(jī)碳的固定，又能改良土壤。此外，適當(dāng)延長(zhǎng)種植產(chǎn)品（糧食、纖維、草料和薪材等）的儲(chǔ)存周期（林而達(dá)等，2005），也是一種作物固碳的措施。

4 作物植被碳儲(chǔ)量未來(lái)研究的方向

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)作物植被碳儲(chǔ)量的估算仍存在較大的不確定性，獲取的估算參數(shù)尚不充分，估算方法和模型有待完善。今后應(yīng)在以下幾方面進(jìn)一步加強(qiáng)作物植被碳儲(chǔ)量的研究：一是進(jìn)一步完善和改進(jìn)估算方法以提高估算精度。需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)一步確定和豐富作物植被碳儲(chǔ)量估算的相關(guān)參數(shù)；將遙感圖像的信息提取、理論推算與大田生產(chǎn)實(shí)測(cè)資料結(jié)合起來(lái)，完善遙感反演估算方法；加強(qiáng)理論分析和估算模型研究，改進(jìn)環(huán)境參數(shù)估算模型。二是加強(qiáng)作物植被碳儲(chǔ)量及固碳措施的區(qū)域個(gè)例研究，探索不同空間尺度作物植被碳儲(chǔ)量的尺度轉(zhuǎn)換。由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域差異十分顯著，不同區(qū)域作物植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化也不盡相同。因此，需要進(jìn)行大量的區(qū)域案例研究。在大量的不同空間尺度估算研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行作物植被碳儲(chǔ)量的尺度轉(zhuǎn)換研究。三是開(kāi)展農(nóng)田生態(tài)系碳循環(huán)的綜合研究。把農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)統(tǒng)作為一個(gè)整體，將作物植被碳儲(chǔ)量與土壤碳儲(chǔ)量結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)及固碳機(jī)理的綜合研究。此外，還應(yīng)就氣候變化與作物植被碳儲(chǔ)量之間的相互耦合關(guān)系進(jìn)行探討。

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