農(nóng)田土壤固碳潛力的影響因素及其調(diào)控（綜述）

曹麗花 劉合滿?┭疃?升

摘要：土壤碳循環(huán)是與全球氣候變化密切相關(guān)的重要地球表層系統(tǒng)過(guò)程，是近年來(lái)國(guó)際地學(xué)和生態(tài)學(xué)界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人為擾動(dòng)影響最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在碳循環(huán)中具有重要地位，是人為可調(diào)控的碳循環(huán)系統(tǒng)。增強(qiáng)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的固定能力不僅有助于減緩大氣CO2濃度增加速率，而且對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義。本文簡(jiǎn)要概述我國(guó)農(nóng)田土壤的固碳潛力，著重分析影響我國(guó)農(nóng)田土壤固碳潛力的因素，包括施肥、灌溉、耕作強(qiáng)度等，提出增強(qiáng)農(nóng)田土壤固碳潛力的調(diào)控措施，如合理施肥、合理輪作、保護(hù)性耕作、生物質(zhì)炭施用等方法，并在此基礎(chǔ)上提出今后的研究方向。最后建議綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理對(duì)固碳潛力的影響，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)土壤固碳效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；固碳潛力；影響因素；調(diào)控措施

中圖分類號(hào)： S153.6+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0016-05

收稿日期：2015-08-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41161052、41461055）。

作者簡(jiǎn)介：曹麗花（1982—），女，河南濮陽(yáng)人，碩士，副教授，研究方向?yàn)楦咴寥捞佳h(huán)。E-mail：clh-m@163.com。

[ZK）]

在全球氣候變暖背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)大氣CO2濃度升高的貢獻(xiàn)及調(diào)控措施受到廣大研究者的廣泛關(guān)注。土壤有機(jī)碳庫(kù)是地球表層系統(tǒng)中最大且最具活動(dòng)性的碳庫(kù)之一，是全球碳循環(huán)的重要組成部分。據(jù)估算全球1 m深土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 500 Pg（1 Pg=1012 kg），約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的2/3，是大氣碳庫(kù)（750 Pg）的2倍[1]，因此土壤碳庫(kù)較小的改變將導(dǎo)致大氣CO2濃度很大的波動(dòng)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是受人為擾動(dòng)影響最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，大約儲(chǔ)存了陸地土壤碳庫(kù)的8%～10%[2]，且碳庫(kù)具有周轉(zhuǎn)速率快的特點(diǎn)，對(duì)維持全球碳平衡意義重大，因而成為國(guó)際地學(xué)和生態(tài)學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不但是重要的陸地碳庫(kù)，而且是重要的溫室氣體“源”和“匯”。據(jù)估計(jì)，農(nóng)業(yè)源排放的CO2、CH4分別占人為溫室氣體排放量的21%～25%、57%，總體而言，農(nóng)業(yè)對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)為20%[3]。根據(jù)《京都議定書》，農(nóng)田固碳是其認(rèn)可的溫室氣體減排重要途徑之一，且農(nóng)田擁有巨大的固碳潛力。本文對(duì)農(nóng)田土壤固碳潛力現(xiàn)狀、影響因素及增加固碳潛力的措施進(jìn)行闡述，旨在為科學(xué)合理管理農(nóng)田土壤碳庫(kù)、提升農(nóng)田土壤固碳潛力提供科學(xué)依據(jù)。

1農(nóng)田土壤固碳潛力

固碳潛力（soil carbon sequestration potential）是指土壤碳的飽和水平或土壤所容納碳的最大能力[4]，是在一定管理水平、氣候條件下的土壤所能穩(wěn)定保持的碳總量。土壤碳固定可以改善土壤質(zhì)量，減少農(nóng)業(yè)對(duì)CO2排放的貢獻(xiàn)[5]，是一種可行的固碳減排措施。土壤固碳潛力分為3種，第1種是生物潛力，是指在外源碳投入充足的前提下土壤可達(dá)到的最大固碳量，被認(rèn)為是技術(shù)可達(dá)潛力[6]；第2種是物理化學(xué)潛力，是從土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定機(jī)制出發(fā)，表示有機(jī)碳與土壤顆粒穩(wěn)定結(jié)合的最大固定量，物理化學(xué)潛力更為穩(wěn)定，不易受外界擾動(dòng)的影響；第3種是社會(huì)經(jīng)濟(jì)潛力，是在生物潛力的基礎(chǔ)上考慮農(nóng)民是否愿意實(shí)施可以增加土壤有機(jī)碳的農(nóng)業(yè)管理措施，是實(shí)現(xiàn)的可達(dá)潛力，與社會(huì)因素和區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)[7]。

農(nóng)田土壤固碳潛力是區(qū)域或國(guó)家尺度上，農(nóng)業(yè)土壤的整體固碳能力[8]，它與人類活動(dòng)、土壤特性、自然環(huán)境有關(guān)，被認(rèn)為是最具溫室氣體減排潛力的系統(tǒng)[9]。目前主要有2種方法用于估算區(qū)域或全球的土壤固碳潛力，一種是基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的外推估算法，另外一種是基于情景假設(shè)的模型模擬法。中國(guó)農(nóng)田土壤由于集約利用程度高、作物殘?bào)w作為燃料和動(dòng)物飼料利用而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量相對(duì)于全球而言較低，因此我國(guó)農(nóng)田土壤有較大的固碳潛力。

[JP2]由于對(duì)固碳潛力范疇的界定和評(píng)估方法不同，不同學(xué)者研究結(jié)果也不同[10-12]。潘根興等研究表明，20世紀(jì)80年代中期以來(lái)中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳總體呈逐漸增高趨勢(shì)，尤其是南方水稻土碳匯效應(yīng)明顯[10]；Lal估計(jì)中國(guó)農(nóng)田土壤固碳潛力（以碳計(jì)）為119～226 Tg/年（1 Tg=109 kg）[11]；韓冰等估算了我國(guó)各?。ㄊ?、自治區(qū)）0～30 cm層次農(nóng)田土壤的固碳潛力，以西藏自治區(qū)最高（7.9 t/hm2），黑龍江省最低（-60.8 t/hm2），且呈從南向北逐漸遞減趨勢(shì)，水田比旱地有更大的固碳潛力[12]。

2影響農(nóng)田土壤固碳潛力的因素

農(nóng)田土壤固碳潛力主要與農(nóng)田系統(tǒng)生物量固碳、植物生物體分解轉(zhuǎn)化、土壤有機(jī)碳礦化碳分解3個(gè)主要碳過(guò)程有關(guān)，而這3個(gè)過(guò)程又主要受到土壤肥力條件與物質(zhì)投入、植物光合效能、植物體分解速率、環(huán)境條件等因素有關(guān)（圖1），故農(nóng)田土壤固碳是一個(gè)復(fù)雜的綜合體系。

2.1施肥

施肥對(duì)農(nóng)田固碳潛力的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）改善植物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，增加生物量，從而增加土壤有機(jī)殘?bào)w的輸入，促進(jìn)有機(jī)碳的積累；（2）通過(guò)影響土壤微生物種群、數(shù)量、活性等，對(duì)土壤呼吸碳排放產(chǎn)生影響。施用化肥在全球

[FK（W12][TPCLH11.tif][FK）]

農(nóng)田土壤中的平均固碳速率為125 kg/（hm2·年），總固碳能力可達(dá)100 Tg/年[13]。同時(shí)肥料的施用可以降低土壤總呼吸的碳排放[14-15]從而起到減少農(nóng)田碳排放和農(nóng)業(yè)固碳作用。然而，化肥生產(chǎn)和施用并非一個(gè)單純的固碳過(guò)程，根據(jù)農(nóng)業(yè)碳足跡的估算方法，化肥的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施用及在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程導(dǎo)致溫室氣體泄漏成為影響施肥有效固碳潛力的重要限制因素。其中氮肥對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放足跡的影響最大，施用氮肥可以增加陸地生物圈對(duì)碳的凈吸收，但同時(shí)又促進(jìn)溫室氣體N2O從土壤中的排放，部分抵消了由于施肥產(chǎn)生的固碳效應(yīng)。由施氮引起溫室氣體排放量是殺蟲劑的9倍，是農(nóng)業(yè)操作的11倍，占農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量的30%[16]。另外，生產(chǎn)1 t的氮肥需排放1.74 t/碳，施用氮肥的溫室氣體泄漏將抵消184%～552%的土壤固碳效益[17]。中國(guó)農(nóng)田施用化學(xué)氮肥已不具備有效固碳潛力，作為固碳措施不可行[18]。

2.2灌溉

土壤水分條件強(qiáng)烈地影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤碳排放。在灌溉條件下，一般土壤總呼吸碳排放量增加，但同時(shí)也促進(jìn)植物細(xì)根生物量和微生物量碳的增加[19]，在干旱和半干旱區(qū)域，科學(xué)合理地灌溉促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，有利于對(duì)大氣CO2的固定。土壤呼吸作用碳排放是影響土壤碳儲(chǔ)量的重要因素，對(duì)氣候變暖具有重要耦合效應(yīng)，導(dǎo)致氣候不可逆轉(zhuǎn)地變化。灌溉可通過(guò)影響土壤的孔隙通道而對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生短期影響，有研究表明，土壤水分對(duì)碳排放的影響主要有替代效應(yīng)、阻滯效應(yīng)和對(duì)微生物活動(dòng)的刺激及生物量激增效應(yīng)等[20]。而灌溉對(duì)土壤碳排放的這種效應(yīng)均為以小時(shí)或天為時(shí)間尺度的較短時(shí)間的響應(yīng)。在國(guó)家層面上，中國(guó)近幾年推行了目的在于維護(hù)土壤生態(tài)功能、固碳減排的退耕還林/草、植被恢復(fù)等政策，但與此同時(shí)也造成地下水的大量消耗，呈現(xiàn)出水資源與固碳的對(duì)立矛盾。

2.3耕作強(qiáng)度

耕作被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳?xì)v史損失的首要原因[21]，主要通過(guò)破壞土壤結(jié)構(gòu)，擾亂土壤有機(jī)碳原來(lái)的物理、化學(xué)或生物保護(hù)機(jī)制，使土壤有機(jī)碳更易受到氧化作用的影響，降低穩(wěn)定性和含量，這種過(guò)程尤其表現(xiàn)在土壤團(tuán)聚體上。耕作破壞了土壤團(tuán)聚體的正常結(jié)構(gòu)，使土壤團(tuán)聚體更易被破壞，加速團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)物的分解。Dalal等研究表明，全球每年因耕作損失的有機(jī)碳達(dá)0.06%[22]。我國(guó)由于耕作導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳庫(kù)損失達(dá)（14.8±15.1） t/hm2[23]。

2.4土地利用方式

土地利用方式的轉(zhuǎn)變已成為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和循環(huán)的一個(gè)重要因素，并廣受關(guān)注。土地利用方式對(duì)土壤固碳潛力的影響機(jī)制主要在于土壤物理和化學(xué)屬性的改變，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育及微生物生物活性等。有研究表明，土地利用方式強(qiáng)烈影響土壤微生物種群構(gòu)成與活性，從而影響土壤有機(jī)碳的礦化分解[24]，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理擾動(dòng)對(duì)土壤pH值、土壤顆粒屬性等的長(zhǎng)期影響也導(dǎo)致土壤固碳潛力的改變。

在不同空間尺度上研究得到土地利用方式的轉(zhuǎn)變均引起土壤碳庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量的改變。有研究表明，土地利用方式由草地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后，耕作層土壤有機(jī)碳含量在40～50年內(nèi)會(huì)減少30%～50%[25]。許信旺等通過(guò)監(jiān)測(cè)966個(gè)農(nóng)田樣地發(fā)現(xiàn)稻田土壤有機(jī)碳庫(kù)[（46.9±25.7） t/hm2]比旱地農(nóng)田[（35.9±32.8） t/hm2]高[26]。稻田變成玉米田3～5年后，耕層土壤有機(jī)碳損失30%，這可能是由于玉米田在耕作下加快了有機(jī)碳的分解，失去了稻田生物物理保護(hù)機(jī)制[27]。

2.5土壤性質(zhì)

土壤類型、土層深度、母質(zhì)、pH值、質(zhì)地、黏土礦物等均會(huì)影響農(nóng)田土壤的固碳潛力。研究表明，紅土固碳潛力最大（0～20 cm土層5.32 Tg C），黃土（鐵鋁始成土）固碳潛力最??；0～20 cm的表層土壤固碳潛力最高為4.47 Tg C，由千枚巖發(fā)育而成的土壤固碳潛力大，第4紀(jì)黏土發(fā)育而成的土壤固碳潛力小[28]。

土壤質(zhì)地對(duì)土壤碳穩(wěn)定性和固碳潛力的影響主要體現(xiàn)在對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響和土壤顆粒組成下的土壤有機(jī)碳物理、化學(xué)[JP3]保護(hù)機(jī)制。對(duì)于農(nóng)田來(lái)說(shuō)，良好的土壤質(zhì)地，可以為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，從而有利于土壤生物物質(zhì)的輸入，便于提升土壤碳儲(chǔ)量。土壤顆粒組成是影響土壤有機(jī)碳物理保護(hù)機(jī)制的重要因子，黏粒及土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用，從而可以穩(wěn)定土壤有機(jī)碳，減少碳損失。與細(xì)小土壤顆粒結(jié)合的土壤有機(jī)碳是土壤相對(duì)穩(wěn)定態(tài)碳，并在土壤有機(jī)碳中占有較大的比例[29]，Lal指出粗質(zhì)地土壤的有機(jī)碳更容易損失，有機(jī)碳與黏粒結(jié)合后其化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)[30]。

2.6其他因素

氣候、海拔、土壤侵蝕等因素也會(huì)影響土壤的固碳潛力。研究發(fā)現(xiàn)在免耕條件下，熱帶地區(qū)土壤有機(jī)碳較溫帶地區(qū)增加顯著[31]；土壤固碳潛力隨海拔增加而降低，海拔<300 m時(shí)0～20 cm土壤固碳潛力最大，為5.01 Tg C，當(dāng)海[JP2]拔>800 m 時(shí)固碳潛力僅為0.25 Tg C[28]；土壤侵蝕將破壞土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)碳損失的風(fēng)險(xiǎn)，我國(guó)每年由于土壤侵蝕導(dǎo)致15.9 Tg的土壤有機(jī)碳損失[32]。

3增加農(nóng)田土壤固碳潛力的途徑

Lal指出農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的大部分土壤已使初始碳庫(kù)損失了50%～70%的碳，損失量為30～60 t/hm2[30]；同時(shí)，Lal還指出土壤碳庫(kù)損失量的60%～70%可以通過(guò)采用合理的耕作和管理措施重新固定[33]。研究表明，如果全球在農(nóng)業(yè)上采用最佳的管理措施，土壤每年可固碳約0.4～0.8 Pg[34]。王小彬等指出，推行優(yōu)化管理措施下（如增加秸稈還田、有機(jī)肥施用、少免耕技術(shù)等），未來(lái)50年中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤固碳減排潛力（以碳計(jì)）約為 87～393 Tg/年，其中實(shí)施農(nóng)田管理措施（包括有機(jī)肥應(yīng)用、秸稈還田、保護(hù)性耕作）對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率約為30%～36%[35]。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，耕地所釋放出的溫室氣體超過(guò)全球人為溫室氣體排放總量的30%，相當(dāng)于 15 Pg CO2，是全球溫室氣體排放的第二大重要來(lái)源。因此，加強(qiáng)農(nóng)田管理，使土壤碳儲(chǔ)量增加，對(duì)提高土壤生產(chǎn)力、維護(hù)大氣碳平衡、凈化空氣具有重要意義。

3.1保護(hù)性耕作

保護(hù)性耕作通過(guò)減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，增加地表覆蓋度，提高土壤耕層有機(jī)碳含量，減少了碳排放。許多科學(xué)家認(rèn)為保護(hù)性耕作具有碳匯效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤由“碳源”向“碳匯”的轉(zhuǎn)變。Lal估計(jì)，若全球耕地實(shí)行保護(hù)性耕作，土壤有機(jī)碳含量預(yù)計(jì)到2020年可以增加到1.5～4.9 Pg[36]。但保護(hù)性耕作增加的土壤有機(jī)碳主要集中在土壤表層幾厘米深度，它是否可以增加深土層有機(jī)碳含量在國(guó)際上觀點(diǎn)不一致[37]。劉陽(yáng)等認(rèn)為保護(hù)性耕作對(duì)表層土壤具有固碳效應(yīng)，在0～10 cm土層范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳含量較傳統(tǒng)耕作提高近1倍，但對(duì)深層土壤有機(jī)碳含量影響不大，甚至有降低的趨勢(shì)[38]。王成己等通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期保護(hù)性耕作下中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化特征的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析得出，農(nóng)田表土有機(jī)碳含量總體呈上升趨勢(shì)，且水田比旱地更利于土壤碳積累[39]。同時(shí)，保護(hù)性耕作措施也可以節(jié)約能源消耗，用保護(hù)性耕作可以節(jié)省能源消耗（以碳計(jì)）23.8 kg/（hm2·年）[40]。

秸稈還田是保護(hù)性耕作的主要措施之一，我國(guó)秸稈資源居世界之首，我國(guó)每年的農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)生量約為7億t，估計(jì)高達(dá)50%的秸稈被焚燒[41]。生物質(zhì)燃燒已成為全球重要的大氣痕量成分排放源，據(jù)估算全球每年生物質(zhì)燃燒排放量達(dá) 8.7 Pg CO2，約占總CO2排放量的40%[42]。大量研究表明，秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)土壤固氮潛力。鄧祥征等提出，實(shí)施秸稈還田能夠有效促進(jìn)農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量的增加，且增匯效應(yīng)具有顯著的空間分異特征[43]。此外秸稈還田對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳均有不同程度的提升作用[44]，楊晶等通過(guò)7年的保護(hù)性耕作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋+免耕有利于提高輪作系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳含量并改善碳庫(kù)質(zhì)量[45]。稻草還田可以提高土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和礦化碳含量及碳素有效率[46]。韓冰等也認(rèn)為中國(guó)農(nóng)田通過(guò)秸稈還田措施可使土壤固碳潛力達(dá)到42.23 Tg/年，因此秸稈還田是農(nóng)田固碳最有潛力的一個(gè)措施[47]。對(duì)土壤固碳而言，秸稈還田是避免我國(guó)大氣CO2濃度快速增加的有效措施，且有機(jī)碳的增加效應(yīng)與平衡施肥有關(guān)，在均衡施用氮、磷、鉀條件下秸稈還田可以更有效提升土壤有機(jī)碳含量[48]。

[JP3]免耕可以減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，從而降低土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解。在全球尺度上，免耕能實(shí)現(xiàn)（0.57±0.14） t/（hm2·年）的固碳速率[49]。韓冰等在對(duì)全國(guó)典型農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)通過(guò)推廣免耕可以實(shí)現(xiàn)3.58 Tg/年的固碳量[47]。Yan等利用CEVSA（carbon exchange between vegetation，soil，and atmosphere）模型研究得出在免耕和秸稈還田普及率為50%的條件下我國(guó)農(nóng)田土壤固碳潛力將達(dá)到 32.5 Tg/年[50]。

3.2合理施肥

施肥是農(nóng)田管理措施中的一項(xiàng)重要措施，能夠增加土壤中氮、磷、鉀和其他元素的含量，滿足作物生長(zhǎng)的需求。通過(guò)17年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明，相對(duì)于不施肥，化肥使稻田有機(jī)碳增加5.8%，秸稈還田配施化肥稻田有機(jī)碳增加 16.5%，化肥配施豬廄肥使稻田有機(jī)碳增加17.9%[51]。增施有機(jī)肥（稻草、豬糞）利于表層土壤固碳[52]，韓冰等提出我國(guó)農(nóng)田土壤施用有機(jī)肥后的土壤固碳潛力為41.38 Tg/年[47]。

目前，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益前提下，最佳施肥方式為有機(jī)和化學(xué)肥料配合施用，化肥與有機(jī)肥配施可以顯著提高土壤有機(jī)碳含量，固碳率最高達(dá)到997 kg/（hm2·年）[53]。相關(guān)研究表明，有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配施可顯著增加土壤表層碳庫(kù)，降低土壤呼吸碳排放量[54]，有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配施下土壤碳匯量較純施化肥提高了50%左右[55]。在對(duì)我國(guó)不同區(qū)域29個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)農(nóng)田土壤分析發(fā)現(xiàn)，在平衡施肥和有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配施下農(nóng)田表土有機(jī)碳含量每年增加0.05～0.29 Pg，估計(jì)在良好施肥下過(guò)去20年農(nóng)田表土有機(jī)碳固定量為 0.2～1.6 Pg[56]。

3.3生物質(zhì)炭的利用

生物質(zhì)炭是農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)在限氧條件下經(jīng)低溫（350～450 ℃）熱解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質(zhì)。生物質(zhì)炭不僅具有相當(dāng)大的固碳潛力，還可以減少甲烷和氧化亞氮等溫室氣體的排放量[57]，成為提升土壤肥力和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一種新興技術(shù)手段。潘根興等研究表明，如果采用合適的技術(shù)將秸稈就地轉(zhuǎn)為生物質(zhì)炭，我國(guó)農(nóng)田可以避免50 Tg/年的秸稈溫室氣體排放量（以碳計(jì)），僅水稻田土壤碳匯每年可以增加20 Tg以上，占農(nóng)田總固碳潛力的1/3[58]。Woolf等運(yùn)用生命周期評(píng)估的方法學(xué)分析可知，不同利用程度下全球秸稈轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭每年可以減少1.0～1.8 Pg CO2當(dāng)量的溫室氣體排放，其中50%來(lái)自避免秸稈燃燒釋放，30%來(lái)自能源替代排放，另外20%是避免堆肥中CH4、N2O的排放[59]。到2100年，人類活動(dòng)排放的CO2量的1/4將可以通過(guò)處理廢棄有機(jī)質(zhì)得到的生物質(zhì)炭進(jìn)行封存，這可能使大氣中CO2濃度降低 40 mg/L[60]。

3.4合理輪作

輪作是保持和提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，能提高土壤固碳效率，在全球尺度上，合理輪作平均可固碳（0.20±0.12） t/（hm2·年）[49]。Huggins等發(fā)現(xiàn)，在輪作體系中加入多年生草本植物或豆科植物有利于土壤有機(jī)碳的固存[61]。Gregorich等通過(guò)35年的試驗(yàn)表明，玉米與豆科作物輪作下土壤碳含量比玉米單作高20 t/hm2[62]。

3.5合理灌溉

在全球氣候變化背景下作物產(chǎn)量將呈降低趨勢(shì)（到2050年將降低9%），而通過(guò)科學(xué)的水分管理則可以提升19%作物產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)大氣CO2平衡起重要作用[63]。一般而言，在降水較少的干旱和半干旱區(qū)，灌溉可以提高土壤有機(jī)碳含量的11%～35%[64]，這可能與灌溉條件下較多的碳輸入及較高水分條件下限制土壤微生物活性有關(guān)[65]，但在氣候濕潤(rùn)區(qū)的研究結(jié)果則不一致。有研究表明，灌溉降低了土壤有機(jī)碳含量[66]，或?qū)ν寥捞純?chǔ)量基本無(wú)影響或影響不大[67]。

然而，對(duì)于淡水資源極度缺乏的中國(guó)來(lái)說(shuō)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過(guò)度依賴和開(kāi)發(fā)地下水資源，不僅消耗大量地下水資源，而且在機(jī)械抽取地下水時(shí)產(chǎn)生了大量的碳泄漏。因而對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)來(lái)說(shuō)，如何科學(xué)合理利用有限水資源，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，減少碳排放則需要深入研究和探討不同氣候區(qū)域尺度上的科學(xué)合理灌溉制度和對(duì)固碳效應(yīng)的影響機(jī)制。

4結(jié)論與展望

根據(jù)世界能源委員會(huì)的結(jié)論，我國(guó)對(duì)全球CO2排放量的貢獻(xiàn)率為13.5%，屬于僅次于美國(guó)的世界第2大CO2排放國(guó)。如果按照當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)CO2產(chǎn)生量將會(huì)上升，到2020年可能會(huì)超過(guò)美國(guó)[68]。因此，我國(guó)是一個(gè)人口眾多的發(fā)展中國(guó)家，對(duì)利用固碳減排來(lái)減緩全球變暖具有不可推卸的責(zé)任，在未來(lái)的氣候談判戰(zhàn)略中，應(yīng)從不同類型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳屬性及不同管理?xiàng)l件背景下固碳潛力出發(fā)，強(qiáng)調(diào)固碳的重要性，這不僅對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而且對(duì)全球氣候變化也具有至關(guān)重要的作用。

近年來(lái)，在國(guó)際上興起的生物炭化技術(shù)被認(rèn)為是減少以及控制秸稈露天燃燒、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、減少陸地溫室氣體排放、提升土壤碳庫(kù)的迫切需要。潘根興等提出生物質(zhì)炭是一種真正稱得上綠色生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)和固碳減排的多贏技術(shù)，是在未來(lái)農(nóng)業(yè)固碳減排和應(yīng)對(duì)氣候變化方面具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高端技術(shù)，對(duì)固碳減排也起到至關(guān)重要的作用[58]。但是，由于其生產(chǎn)原料來(lái)源不同、熱解溫度不同，導(dǎo)致其性質(zhì)也不盡相同，因此在農(nóng)田土壤中應(yīng)用生物質(zhì)炭時(shí)其施用量也有待進(jìn)一步探索。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，與氣候、土壤、管理措施和地形等因子均有密切關(guān)系，結(jié)合目前相關(guān)研究?jī)?nèi)容的熱點(diǎn)，需要從農(nóng)業(yè)碳足跡、相關(guān)固碳機(jī)理方面綜合深入研究，為進(jìn)一步提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳速率和固碳量提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Schlesinger W H. Evidence from chronoseauene studies for a low carbon storage potential of soil[J]. Nature，1990，348（15）：232-234.

[2]王君. 多重干濕交替對(duì)農(nóng)田土壤碳循環(huán)的影響[D]. 上海：東華大學(xué)，2013.

[3]林而達(dá). 氣候變化與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[M]. 北京：北京出版社，2001.

[4]Six J，Conant R T，Paul E A，et al. Stabilization mechanisms of soil organic matter：implications for C-saturation of soils[J]. Plant and Soil，2002，241（2）：155-176.

[5]Halvorson A D，Wienhold B J，Tillage B A. Nitrogen，and cropping system effects on soil carbon sequestration[J]. Soil Science Society of America Journal，2002，66（3）：906-912.

[6]Antle J，Capalbo S，Mooney S，et al. Sensitivity of carbon sequestration costs to soil carbon rates[J]. Environmental Pollution，2002，116（3）：413-422.

[7]Freibauer A，Rounsevell M D，Smith P，et al. Carbon sequestration in the agricultural soils of Europe[J]. Geoderma，2004，122（1）：1-23.

[8]潘根興，周萍，李戀卿，等. 固碳土壤學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題與研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2007，44（2）：327-337.

[9]Van W B，Paustian K，Meersmans J，et al. Agricultural management explains historic changes in regional soil carbon stocks[J]. Proceedings of the National Academy of Science，2010，107（33）：14926-14930.[ZK）]

[10]潘根興，李戀卿，張旭輝，等. 中國(guó)土壤有機(jī)碳庫(kù)量與農(nóng)業(yè)土壤碳固定動(dòng)態(tài)的若干問(wèn)題[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18（4）：609-618.

[11]Lal R. Offseting Chinas CO2 emissions by soil carbon sequestration[J]. Climatic Change，2004，65：263-275.[HJ1.5mm]

[12]韓冰，王效科，歐陽(yáng)志云. 中國(guó)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)的飽和水平及其固碳潛力[J]. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2005，21（4）：6-11.

[13]Lal R，Bruce J P. The potential of world cropland soils to sequester C and mitigate the greenhouse effect[J]. Environmental Science & Policy，1999，2：177-185.

[14]Bowden R D，Davidson E，Savage K，et al. Chronic nitrogen additions reduce total soil respiration and microbial respiration in temperate forest soils at the Harvard Forest[J]. Forest Ecology and Management，2004，196（1）：43-56.

[15]Janssens I A，Dieleman W，Luyssaert S，et al. Reduction of forest soil respiration in response to nitrogen deposition[J]. Nature Geoscience，2010，3（5）：315-322.

[16]Gan Y，Liang C，Huang G，et al. Carbon footprint of canola and mustard is a function of the rate of N fertilizer[J]. International Journal of Life Cycle Assessment，2012，17（1）：58-68.

[17]逯非，王效科，韓冰，等. 中國(guó)農(nóng)田施用化學(xué)氮肥的固碳潛力及其有效性評(píng)價(jià)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，19（10）：2239-2250.

[18]逯非，王效科，韓冰，等. 農(nóng)田土壤固碳措施的溫室氣體泄漏和凈減排潛力[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（9）：4993-5006.

[19]Samuelson L，Mathew R，Stokes T，et al. Soil and microbial respiration in a loblolly pine plantation in response to seven years of irrigation and fertilization[J]. Forest Ecology and Management，2009，258（11）：2431-2438.

[20]陳全勝，李凌浩，韓興國(guó)，等. 水分對(duì)土壤呼吸的影響及機(jī)理[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（5）：972-978.

[21]Reicosky D C，Dugas W A，Torbert H A. Tillage-induced soil carbon dioxide loss from different cropping systems[J]. Soil and Tillage Research，1997，41（1）：105-118.

[22]Dalal R C，Carter O R. Soil organic matter dynamics and sequestration in Australian tropical soils[J]. Advances in Soil Science，2000，4：283-314.

[23]Song G，Li L，Pan G，et al. Topsoil organic carbon storage of China and its loss by cultivation[J]. Biogeochemistry，2005，74（1）：47-62.

[24]Jangid K，Williams M A，F(xiàn)ranzluebbers A J，et al. Land-use history has a stronger impact on soil microbial community composition than aboveground vegetation and soil properties[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（10）：2184-2193.

[25]楊學(xué)明，張曉平，方華軍. 農(nóng)業(yè)土壤固碳對(duì)緩解全球變暖的意義[J]. 地理科學(xué)，2003，23（1）：101-106.

[26]許信旺，潘根興，汪艷林，等. 中國(guó)農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳變化特征及控制因素[J]. 地理研究，2009，28（3）：601-612.

[27][JP3]李志鵬，潘根興，張旭輝. 改種玉米連續(xù)3年后稻田土壤有機(jī)碳分布和 13C自然豐度變化[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2007，44（2）：244-251.

[28]Shi X Z，Wang H J，Yu D S，et al. Potential for soil carbon sequestration of eroded areas in subtropical China[J]. Soil and Tillage Research，2009，105：322-327.

[29]Feng W，Plante A F，Six J. Improving estimates of maximal organic carbon stabilization by fine soil particles[J]. Biogeochemistry，2013，112（1/3）：81-93.

[30]Lal R. Carbon management in agricultural soils[J]. Mitigation and adaptation strategies for global change，2007，12：303-322.

[31]Ogle S M，Swan A，Paustian K. No-till management impacts on crop productivity，carbon input and soil carbon sequestration[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2012，149：37-49.

[32]Lal R. Soil Carbon sequestration in China through agricultural intensification and restoration of degraded and desertified ecosystems[J]. Land Degradation and Development，2002，13（6）：469-478.

[33]Lal R. Soil carbon dynamics in cropland and rangeland[J]. Environmental Pollution. 2002，116（3）：353-362.

[34]Canadell J G. Land use effects on terrestrial carbon sources and sinks[J]. Science in China：Series C，2002，45（Supp）：1-9.

[35]王小彬，武雪萍，趙全勝，等. 中國(guó)農(nóng)業(yè)土地利用管理對(duì)土壤固碳減排潛力的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（11）：2284-2293.

[36]Lal R. Residue management，conservation tillage and soil restoration for mitigating greenhouse effect by CO2-enrichment[J]. Soil and Tillage Research，1997，43：81-107.

[37]張海林，孫國(guó)峰，陳繼康，等. 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田碳效益影響研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，42（12）：4275-4281.

[38]劉陽(yáng)，汪季，劉靜，等. 保護(hù)性耕作對(duì)玉米農(nóng)田碳儲(chǔ)量的影響[J]. 內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2012，38（1）：14-17，29.

[39]王成己，潘根興，田有國(guó). 保護(hù)性耕作下農(nóng)田表土有機(jī)碳含量變化特征分析——基于中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)資料[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2464-2475.

[40]Kern J S，Johnson M G. Conservation tillage impacts on national soil and atmospheric carbon levels[J]. Soil Science Society of America Journal，1993，57：200-210.

[41]張阿鳳，程琨，潘根興，等. 秸稈生物黑炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用的固碳減排計(jì)量方法學(xué)探討[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（9）：1811-1815.

[42]Levine J S，Cofer W R，Cahoon D R，et al. Biomass burning：a driver for global change[J]. Environmental Science and Technology，1995，29（3）：120-125.

[43]鄧祥征，韓健智，王小彬，等. 免耕與秸稈還田對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳貯量變化的影響[J]. 中國(guó)土壤與肥料，2010（6）：22-28.

[44]陳文超，朱安寧，張佳寶，等. 保護(hù)性耕作對(duì)潮土團(tuán)聚體組成及其有機(jī)碳含量的影響[J]. 土壤，2014，46（1）：35-40.

[45]楊晶，沈禹穎，南志標(biāo)，等. 保護(hù)性耕作對(duì)黃土高原玉米—小麥—大豆輪作系統(tǒng)產(chǎn)量及表層土壤碳管理指數(shù)的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19（1）：75-82.

[46]Zeng Y H，Wu J F，He H，et al. Soil carbon pool management index under different straw retention regimes[J]. Agricultural Science &Technology，2012，13（4）：818-822.

[47]韓冰，王效科，逯非，等. 中國(guó)農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：612-619.

[48]Lou Y L，Xu M G，Wang W，et al. Return rate of straw residue affects soil organic C sequestration by chemical fertilization[J]. Soil and Tillage Research，2011，113（1）：70-73.

[49]West T O，Wm P. Soil organic carbon sequestration rates by tillage and crop rotation[J]. Soil Science Society of America Journal，2002，66（6）：1930-1946.

[50]Yan H M，Cao M K，Liu J Y，et al. Potential and sustainability for carbon sequestration with improved soil management in agricultural soils of China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2007，121（4）：325-335.

[51]Pan G X，Zhou P，Li Z P，et al. Combined inorganic/organic fertilization enhances N efficiency and increases rice productivity through organic carbon accumulation in a rice paddy from the Tai Lake region，China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2009，131（3/4）：274-280.

[52]彭 華，紀(jì)雄輝，劉昭兵，等. 洞庭湖地區(qū)長(zhǎng)期施肥條件下雙季稻田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯效應(yīng)及收益評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2526-2532.

[53]Purakayastha T J，Rudrappa L，Singh D，et al. Long-term impact of fertilizers on soil organic carbon pools and sequestration rates in maize-wheat-cowpea cropping system[J]. Geoderma，2008，144（1）：370-378.

[54]潘根興，周萍，張旭輝，等. 不同施肥對(duì)水稻土作物碳同化與土壤碳固定的影響——以太湖地區(qū)黃泥土肥料長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（11）：3704-3710.

[55]李潔靜，潘根興，李戀卿，等. 紅壤丘陵雙季稻稻田農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同施肥下碳匯效應(yīng)及收益評(píng)估[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2520-2525.

[56]吳樂(lè)知，蔡祖聰. 基于長(zhǎng)期試驗(yàn)資料對(duì)中國(guó)農(nóng)田表土有機(jī)碳含量變化的估算[J]. 生態(tài)環(huán)境，2007，16（6）：1768-1774.

[57]Spokas K A，Reicosky D C. Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas reduction[J]. Annals of Environmental Science，2009，3（11）：179-193.

[58]潘根興，張阿鳳，鄒建文，等. 農(nóng)業(yè)廢棄物生物黑炭轉(zhuǎn)化還田作為低碳農(nóng)業(yè)途徑的探討[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26（4）：394-400.

[59]Woolf D，Amonette J E，Street-Perrott F，et al. Sustainable biochar to mitigate global climate change[J]. Nature Communications，2010，1：56.

[60]Lenton M T，Vaughan E N. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options[J]. Atmospheric Chemistry and Physics，2009，9：5539-5561.

[61]Huggins D R，Buyanovsky G A，Wagner G H，et al. Soil organic C in the tallgrass prairie-derived region of the Corn Belt：effects of long-term crop management[J]. Soil and Tillage Research，1998，47（3）：219-234.

[62]Gregorich E G，Drury C F，Baldock J A，et al. Changes in soil carbon under long term maize in monoculture and legume-based rotation[J]. Canadian Journal Soil Science，2001，81：21-31.

[63]Rost S，Gerten D，Hoff H，et al. Global potential to increase crop production through water management in rainfed agriculture[J]. Environmental Research Letters，2009，4（4）：044002.

[64]Trost B，Prochnow A，Drastig K，et al. Irrigation，soil organic carbon and N2O emissions：a review[J]. Agronomy for Sustainable Development，2013，33（4）：733-749.

[65]Gillabel J，Denef K，Brenner J，et al. Carbon sequestration and soil aggregation in center-pivot irrigated and dryland cultivated farming systems[J]. Soil Science Society of America Journal，2007，71（3）：1020-1028.

[66]Collins H P，Rasmussen P E，Douglas C L. Crop rotation and residue management effects on soil carbon and microbial dynamics[J]. Soil Science Society of America Journal，1992，56（3）：783-788.

[67]Houlbrooke D J，Littlejohn R P，Morton J D，et al. Effect of irrigation and grazing animals on soil quality measurements in the North Otago Rolling Downlands of New Zealand[J]. Soil Use and Management，2008，24（4）：416-423.

[68]World Bank. Issues and options in greenhouse gas emissions control[R]. Washington D C：World Bank，1994.[ZK）][HT][HJ][FL）]