保護性耕作對溫室氣體排放和經(jīng)濟成本的影響

張國　逯非　王效科

摘要：保護性耕作的基本措施是秸稈還田和少免耕。本研究調(diào)查了山東省滕州和兗州保護性耕作的推廣現(xiàn)狀，估算了不同保耕形式對溫室氣體凈減排和經(jīng)濟成本的影響。結(jié)果表明：秸稈還田和耕地方式關(guān)系密切，在增加玉米秸稈還田量時，農(nóng)戶會選擇增加耕地次數(shù)和強度；在玉米秸稈全部焚燒和采取傳統(tǒng)耕地條件下，農(nóng)田溫室氣體排放為318 kgC/（hm2·a），而在全部還田結(jié)合免耕條件下，可以吸收和固定1 459 kgCe/（hm2·a），表明此時的農(nóng)田是溫室氣體的吸收匯，而且此時成本較全部還田+傳統(tǒng)耕地的成本下降了32%，為1 050 CNY/（hm2·a）。這些結(jié)果表明，全部還田+免耕是一項經(jīng)濟且環(huán)境友好的保護性耕作方式。

關(guān)鍵詞：秸稈還田；免耕；固碳；凈排放；成本

中圖分類號：S345文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2014）05-0034-04

正確的農(nóng)田管理措施能提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量，改善環(huán)境，促進可持續(xù)發(fā)展。耕地為種子萌發(fā)、定植和生長提供合適的土壤環(huán)境條件，但是頻繁耕地會降低土壤質(zhì)量[1]。隨著生活水平的提高，秸稈作為燃料的用量減少，而且運輸成本高等，這些因素使農(nóng)戶選擇焚燒或廢棄秸稈，我國每年廢棄焚燒秸稈總量約2.15億噸[2]。焚燒將秸稈固定的碳重新釋放并產(chǎn)生N2O等氣體，危害生態(tài)環(huán)境和土壤質(zhì)量[3]。

保護性耕作能減少對土壤的擾動，形式包括不翻耕、少耕、深松、覆蓋耕作、免耕等[4]。許多研究證明秸稈還田能增加土壤養(yǎng)分[5]、提高有機碳含量[6]和改善作物品質(zhì)[7]。少免耕減少團聚體破壞，秸稈促進團聚體的形成，團聚體的增加能保護有機物不被分解[8]。保護性耕作減少耕作次數(shù)和強度，降低燃料的消耗和溫室氣體排放。

山東省是中國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，主要種植模式是小麥—玉米一年兩熟，目前保護性耕作已經(jīng)推廣了6億公頃。由于滕州和兗州尚處于玉米秸稈還田和少免耕推廣階段，新舊技術(shù)同時存在，因此通過該調(diào)查可以研究保護性耕作技術(shù)對土壤固碳、溫室氣體排放和經(jīng)濟成本的影響。

1材料與方法

1.1調(diào)查區(qū)域和調(diào)查方法

滕州市處于魯中南山區(qū)的西南麓延伸地帶，屬于黃淮平原，兗州市處于山東泰沂蒙山前沖積平原。兩地都屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，年均溫13.6℃，四季冷熱分明。年均降水量分別為733 mm和773.1mm，集中在夏秋季，雨熱同季，全年無霜期210～240天。兩地的土壤類型主要為褐土、潮土和砂姜黑土。

本研究采用的保護性耕作數(shù)據(jù)來自入戶問卷調(diào)查，調(diào)查時間為2011年10月。滕州和兗州隨機選取3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨機選取3個自然村，有效問卷總數(shù)32份，其中滕州15份，兗州17份。

本研究中半量還田指還田量50%～70%，全量還田指還田量≥90%，傳統(tǒng)耕地指1次翻耕+2次旋耕或2～3次旋耕，免耕指一次性完成播種行旋耕、施基肥、播種、起畦等作業(yè)[9]。

1.2計算方法

不同保護性耕作措施下的溫室氣體排放和減排，采用的方法和公式來自Lu等（2009， 2010）[6，10]。固碳速率考慮免耕的固碳效應(yīng)、秸稈還田的固碳效應(yīng)以及還田的替代氮肥的效應(yīng)，因為氮肥生產(chǎn)導(dǎo)致溫室氣體排放，因此秸稈還田減少氮肥用量同時促進減排。溫室氣體排放考慮耕地的燃油消耗、秸稈焚燒不完全釋放產(chǎn)生CH4和N2O。

1.2.1固碳速率①免耕條件下的固碳速率：SCSRNT=157 kgC/（hm2·a），其它耕作方式設(shè)定為零。

②秸稈還田的固碳速率：根據(jù)公式（1）計算：SCSRs=0.0406∑（PiriRi）+181.9（1）

式中SCSRs：秸稈還田的固碳速率，單位kgC/（hm2·a）；P：作物產(chǎn)量，單位kg/（hm2·a），i代表小麥或玉米（下同）；系數(shù)r：草谷比，小麥1.366，玉米2[11]；R：作物秸稈還田比例。

③秸稈還田的氮肥替代減排效應(yīng)：

MNS=∑（ePiriRiFNiDMFi）（2）

式中MNS：氮肥替代減排效應(yīng)，kgCe/（hm2·a）；e為氮肥生產(chǎn)的排放系數(shù)，為1.748 kgCe/（hm2·a）[13]；P、r、R和i代表意義與公式（1）相同；FN：秸稈的干物質(zhì)含氮量，小麥為0.65%，玉米0.92%；DMF：干物質(zhì)含量，小麥為0.85，玉米0.78。

根據(jù)公式（3）計算土壤總固碳速率SCSR，單位為kgCe/（hm2·a）：

SCSR=SCSRNT+SCSRs+MNS （3）

1.2.2溫室氣體排放本研究將玉米秸稈分為還田和焚燒兩種用途。由于旱地吸收和氧化CH4[13]，而且秸稈干物質(zhì)的含N量不到1%[10]，因此本研究不考慮還田對CH4和N2O產(chǎn)生的影響。

①耕地溫室氣體排放：根據(jù)Lu等（2010）[10]，每次翻耕或旋耕消耗燃油所產(chǎn)生的溫室氣體排放為15.57 kgCe/（hm2·a），根據(jù)耕地次數(shù)計算溫室氣體排放ED[kgCe/（hm2·a）]。

②秸稈焚燒溫室氣體排放：本研究根據(jù)公式（4）計算100年為尺度的全球增溫趨勢，將秸稈不完全焚燒產(chǎn)生的CH4和N2O折算為CO2-C當(dāng)量并求和：

EB=（0.005FC×16112×25+0.007FN×44128×298）×Pr（1-R）×DMF（4）

式中EB：玉米秸稈焚燒的溫室氣體排放，單位為kgCe/（hm2·a）；FC、FN：玉米秸稈的干物質(zhì)含碳量和含氮量，分別為44.4%和0.92%；P、r、R和DMF代表意義與公式（1）、（2）相同。

耕地和秸稈焚燒發(fā)生的總碳泄漏通過公式（5）計算：

EM=ED+EB（5）

保護性耕作產(chǎn)生的溫室氣體凈排放通過公式（6）進行計算：endprint

NMR=SCSR-EM（6）

式中NMR、SCSR、EM分別指凈減排、土壤總固碳速率、溫室氣體排放，單位均為kgCe/（hm2·a）。

1.2.3經(jīng)濟成本本研究中的經(jīng)濟成本指保護性耕作措施下小麥耕種成本，單位為CNY/（hm2·a）。由于玉米秸稈還田導(dǎo)致耕地次數(shù)增加，因此成本也增加，但采取免耕播種的方式，一次性完成播種行旋耕、施基肥、播種、起畦等作業(yè)，耕種成本下降。

2結(jié)果與分析

2.1保護性耕作現(xiàn)狀

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滕州和兗州的小麥秸稈全部還田，玉米秸稈在兗州的所有調(diào)查農(nóng)戶中全量還田，滕州67%農(nóng)戶進行還田，而且還田量不同（表1）。與不還田農(nóng)戶相比，還田農(nóng)戶的耕地次數(shù)增加，以便把粉碎秸稈徹底翻到土壤里面。由于技術(shù)推廣，兗州有24%農(nóng)戶采用免耕措施。

2.2凈減排效應(yīng)

保護性耕作措施中，秸稈還田和免耕都能促進土壤固碳（圖1）。滕州只還田小麥秸稈的方式，固碳速率達到503 kgC/（hm2·a）；還田量增加導(dǎo)致固碳速率增大，當(dāng)玉米秸稈全量還田，固碳速率增加了100%。由于產(chǎn)量差異不大，因此在不同地區(qū)或不同耕地方式下，秸稈全量還田下的固碳速率沒有差異。兗州少量農(nóng)戶采取免耕的方式，固碳速率增加了157 kgC/（hm2·a）。秸稈還田的氮肥替代減排作用的變化趨勢與固碳效應(yīng)相同，在只有小麥秸稈還田條件下，替代減排效應(yīng)為76 kgCe/（hm2·a），當(dāng)玉米秸稈也全量還田時，替代減排效應(yīng)大約為240 kgCe/（hm2·a）。

溫室氣體排放主要來自于秸稈焚燒和耕地燃油消耗（圖1）。玉米秸稈全部焚燒的情況下，溫室氣體排放約866 kgCe/（hm2·a），隨著還田量的增加和焚燒減少，溫室氣體排放減少。秸稈還田導(dǎo)致耕地次數(shù)增加，每增加一次耕地，排放量大約增加15.57 kgCe/（hm2·a）。由于傳統(tǒng)耕地一般為2～3次，因此排放范圍一般是30～45 kgCe/（hm2·a）。免耕則減少了這部分溫室氣體排放。

在小麥秸稈全還田、玉米秸稈全部焚燒情況下，溫室氣體排放量為318 kgCe/（hm2·a）。當(dāng)玉米秸稈一半還田一半焚燒時，土壤由源變?yōu)閰R，固定溫室氣體622 kgCe/（hm2·a）。當(dāng)玉米秸稈全量還田，吸收固定的溫室氣體凈減排比半量還田增加了1倍。當(dāng)全量還田結(jié)合免耕措施可以吸收溫室氣體1 459 kgCe/（hm2·a）。

傳耕不還：傳統(tǒng)耕地+秸稈不還田；傳耕半還：傳統(tǒng)耕地+秸稈半量還田；傳統(tǒng)全還：傳統(tǒng)耕地+秸稈全量還田；免耕全還：免耕+秸稈全量還田；此處還田指玉米秸稈還田情況，小麥秸稈在所有農(nóng)戶全量還田。下圖同。

2.3經(jīng)濟成本

保護性耕作措施中不同耕地方式導(dǎo)致耕地成本發(fā)生變化。隨著秸稈還田量的增加，耕地次數(shù)增加，成本也上升（圖2）。在傳統(tǒng)耕地條件下，玉米秸稈不還田時，小麥耕種成本為1 110 CNY/（hm2·a）。滕州半量還田和全量還田時的成本分別增加8%和34%。兗州農(nóng)戶采取免耕全還措施時，與當(dāng)?shù)夭扇鞲€的農(nóng)戶相比，成本下降了32%，為1 050 CNY/（hm2·a）。

3結(jié)論與討論

滕州和兗州的保護性耕作主要模式是小麥秸稈還田免耕直播玉米（100%），次之是玉米秸稈還田耕地播種小麥（72%），采用玉米秸稈還田免耕播種小麥的農(nóng)戶最少（13%），這與湯秋香等

圖2滕州和兗州不同保護性耕作措施下的耕種成本

（2008）[14]對華北平原的調(diào)查結(jié)果一致。保護性耕作要求秸稈還田并減少對土壤擾動，然而調(diào)查發(fā)現(xiàn)為了減少秸稈還田對播種質(zhì)量和種子萌芽的影響，農(nóng)戶增加耕地次數(shù)和強度，這表明只有保證作物產(chǎn)量才能促進少免耕的推廣[15]。

保護性耕作的目標(biāo)在于減少作業(yè)次數(shù)，提高養(yǎng)分含量和節(jié)約經(jīng)濟成本[18]。本研究兩地區(qū)秸稈還田促進耕地次數(shù)和強度的增加，這導(dǎo)致耕地成本增大，違背了保護性耕作的原則。因此在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，可以激勵農(nóng)戶采取秸稈還田結(jié)合少免耕的保護性耕作模式[19]。

合適的保護性耕作能促進土壤固碳，減少溫室氣體排放[16]。秸稈還田能直接提高土壤有機碳和養(yǎng)分的含量[5]，秸稈含有氮素可替代化學(xué)氮肥，這樣就減少了氮肥生產(chǎn)的溫室氣體排放[11]。免耕一方面通過減少土壤擾動和微生物的分解，發(fā)揮固碳作用[1]，另一方面減少了燃料的消耗，意味著減少了燃油的溫室氣體的排放[17]。

本研究表明，在玉米秸稈全部焚燒和進行傳統(tǒng)耕地條件下，農(nóng)田表現(xiàn)是溫室氣體的排放源。而在全量還田結(jié)合免耕條件下，農(nóng)田可以吸收固定溫室氣體1 459 kgCe/（hm2·a），而且成本降低了32%，因此全量還田和免耕相互結(jié)合的保護性耕作模式是一項經(jīng)濟且環(huán)境友好的管理措施。

致謝：本研究在調(diào)查期間，得到了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院馬尚宇博士的熱情幫助，特此致謝。

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