草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡分析方法

婁珊寧,陳先江,侯扶江

蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院， 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室, 蘭州 730020

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡分析方法

婁珊寧,陳先江,侯扶江*

蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院， 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室, 蘭州 730020

根據(jù)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),它的碳平衡為4個生產(chǎn)層的碳平衡之和,也是3個界面的碳平衡之和,而某一生產(chǎn)層或者某一界面的碳平衡則是其固定、輸入、排放和輸出的碳之和。草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層的碳平衡分析方法定量重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的碳匯與碳源過程,便于草業(yè)生產(chǎn)改進碳匯管理；草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)3個界面的碳平衡分析方法顯示碳源和碳匯的發(fā)生機理,及其空間和數(shù)量關(guān)系,便于調(diào)控草業(yè)生產(chǎn)組分以增匯減排；但是,這兩個方法不易區(qū)分碳的來源和去向,難以明確其利用效率。草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡分析的輸入/輸出法定量地指示碳的來源和去向,以及碳效率,計算簡單,但是較為概括,不利于牧場尺度的草業(yè)碳匯管理。以中國祁連山甘肅馬鹿牧場和澳大利亞塔斯瑪尼亞奶牛牧場為例,用3種方法分析了兩個牧場的碳平衡,結(jié)果表明,放牧管理的草業(yè)系統(tǒng)的主要碳源是休閑旅游、產(chǎn)品加工流通環(huán)節(jié)產(chǎn)生的溫室氣體,主要碳匯是草地和土壤中貯存的碳,好的草地管理可以增匯減排。

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；生產(chǎn)層；界面；碳平衡；放牧；溫室氣體

草地是全球面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng),全世界天然草地有機碳儲量7610—10730億t[1-2],占陸地碳儲量的37.1%—52.3%[3]。在一定時間尺度上,草地為碳中性,年際間波動較小[4]。過去20年,中國草地生物量和土壤有機碳庫沒有顯著變化[5-6],處于中性碳匯狀態(tài)[7]；期間,它輸出的旅游產(chǎn)品、文化產(chǎn)品和草畜產(chǎn)品卻逐年增多[8-9]；如果把這部分碳損失計算在內(nèi),草地本質(zhì)上是一個碳匯。草地碳庫受管理的影響較大[10-11],碳源或碳匯取決于放牧管理水平[12-13],一般放牧系統(tǒng)的溫室氣體(Greenhouse gases,GHG)排放低于同等畜群規(guī)模的舍飼系統(tǒng)[14]。放牧系統(tǒng)能夠數(shù)十年(如英國和新西蘭的栽培草地)乃至上千年(如天然草地)持續(xù)輸出畜產(chǎn)品,草畜耦合可以提升這種能力[15]。

草業(yè)碳匯管理以碳測定技術(shù)為基礎(chǔ)。以往較為關(guān)注土壤和家畜GHG排放測定,多以某一組分為對象,而非生態(tài)系統(tǒng)整體[16]。土壤GHG的測定有間接測定法和直接測定法[17]。間接法通過測定土壤ATP含量等相關(guān)因子,建立其與土壤GHG排放的數(shù)量預(yù)測模型[18],適用于大尺度或跨區(qū)域的土壤呼吸預(yù)測,以及直接測定土壤呼吸困難或成本較高的領(lǐng)域。直接測定法常用靜態(tài)氣室法(Static Chamber Method)、動態(tài)氣室法和微氣象技術(shù)、室內(nèi)測定法等,測定容器內(nèi)GHG濃度的變化來計算其通量[17],與成分綜合法、底物誘導(dǎo)呼吸法、同位素稀釋法、13C自然豐度法、脈沖標記法等結(jié)合能測定土壤GHG的來源,進而定量根呼吸和土壤微生物呼吸[19]。家畜GHG排放主要是CH4和N2O,放牧家畜呼出的CO2被認為是對草地光合作用的平衡而不計測,CH4主要通過腸道發(fā)酵排放,N2O主要由排泄物排放[20]。家畜GHG排放的測定包括呼吸代謝室(箱)、呼吸面罩和呼吸面具、微氣象技術(shù)、隧道技術(shù)、激光技術(shù)、模型法、體外模擬法,其中排泄物GHG測定基本同土壤。呼吸室法將家畜置于艙室,根據(jù)室內(nèi)GHG變化,計算家畜GHG排放量,有密閉式、開閉式和開放式3種[20]。呼吸面罩常與六氟化硫(SF6)等指示物結(jié)合,在家畜鼻孔處采集氣體樣品,不限制家畜活動,適用于放牧試驗。微氣象技術(shù)、激光技術(shù)、隧道技術(shù)可測定放牧畜群的GHG的排放量[20-22]。大中尺度家畜GHG排放多根據(jù)IPCC的參數(shù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算[23]。

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(草業(yè)系統(tǒng))以草地資源為基礎(chǔ),在生物因素、環(huán)境因素和人類社會管理因素的共同作用下發(fā)生與發(fā)展,其中土-草-畜-人是碳流通的主干,它具有前植物(Pre-plant production level, PPP)、植物(Plant production level, PP)、動物(Animal production level, AP)和后生物(Post-biotic production level, PBP)4個生產(chǎn)層,以及草叢-地境(Interface between herbage and site, HIS; interface A, IA)、草地-家畜(Interface between grassland and livestock, IGL; interface B, IB)、草畜系統(tǒng)-社會經(jīng)營管理(Interface between grassland-livestock system and social and economic management, IGLSE; interface C, IC)3個界面[24]。它的碳循環(huán)從CO2同化開始,到碳排放和人類享用各類產(chǎn)品結(jié)束,其碳平衡機制取決于草地利用方式及管理水平,系統(tǒng)的核心驅(qū)動力是草-畜互作,動物生產(chǎn)是源、匯轉(zhuǎn)換的重要閥門[10]。目前,草地碳循環(huán)的研究較多,特別是草地植被、土壤有機碳,對家畜生產(chǎn)及其與草原碳匯的關(guān)系、草畜產(chǎn)品加工、流通等過程碳平衡的報道較少。

當前,草業(yè)系統(tǒng)碳匯的研究結(jié)果差異較大[25-28],生產(chǎn)管理對碳動態(tài)的影響及其機制尚不明確,限制了人類對草業(yè)碳匯過程的理解和管理,主要因為估算方法不統(tǒng)一及其導(dǎo)致的統(tǒng)計數(shù)據(jù)差異[25-26],根本原因是缺乏以草業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵生態(tài)過程為基礎(chǔ)的評估方法。為此,本研究擬從草業(yè)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層(結(jié)構(gòu))、3個界面(關(guān)鍵生態(tài)過程)和系統(tǒng)整體,重視家畜和草畜互作,建立簡單、適用、準確的草業(yè)系統(tǒng)碳平衡分析方法。

文中,草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡(Carbon balance of grassland agro-ecosystem, CBGAE)指一定時間內(nèi)碳貯量的變化,主要指碳,兼顧氮,因為N2O是草業(yè)系統(tǒng)重要的GHG。計量單位為所含的碳量或相當?shù)奶籍斄俊?/p>

1 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層的碳流動

草業(yè)系統(tǒng)的碳沿著前植物、植物、動物、后生物4個生產(chǎn)層運動(圖1)。

圖1 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層的碳流Fig.1 Carbon flow of grassland agro-ecosystem based on four production levels實線表示碳在4個生產(chǎn)層內(nèi)流動或者由生產(chǎn)層流動至外界,虛線表示外界將碳輸送至4個生產(chǎn)層中

1.1 前植物生產(chǎn)層的碳平衡

前植物生產(chǎn)層以水土保持、休閑娛樂、狩獵旅游等景觀生產(chǎn)為主[29]。塵降、水土保持、生物固氮等活動積累碳氮,是碳匯過程。草地旅游、狩獵等景觀、休閑產(chǎn)品是碳源過程,包括生產(chǎn)層管理的能源消耗、草地踐踏等引起的碳排放(圖1)。該生產(chǎn)層的GHG排放研究雖少,但是草業(yè)觀光旅游的碳排放已受到關(guān)注[30]。塵降是碳匯,但短期內(nèi)貢獻較小。

前植物生產(chǎn)層的碳平衡CBPPP(carbon balance of PPP)=Cinput-Coutput。Cinput為碳輸入,包括碳氮塵降和土壤沉積、生物固氮及施肥、補播等碳輸入。Coutput為碳輸出,主要包括人和草地以及機械、灌溉等管理活動的GHG排放。CBPPP>0,生產(chǎn)層為碳匯；CBPPP=0,生產(chǎn)層為碳中性,處于生態(tài)臨界點,面臨退化風險；CBPPP<0,生產(chǎn)層為碳源,處于退化階段[10]。提高單位碳排放的經(jīng)濟效益是該生產(chǎn)層增碳減排的主要方向。

1.2 植物生產(chǎn)層的碳平衡

植物生產(chǎn)層是傳統(tǒng)意義上天然草地和栽培草地的牧草生產(chǎn),是草業(yè)系統(tǒng)的主要碳庫,包括植物碳庫和土壤碳庫。碳匯過程主要是光合作用和生物固氮的碳氮同化,以及施肥、補播等碳輸入。碳源主要是土、草和生產(chǎn)層管理中人力、機械、能量消耗等GHG排放,以及牧草輸出等(圖1)。

植物生產(chǎn)層的碳平衡CBPP(carbon balance of PP)=Cinput-Coutput。一般,CBPP>0,尤其是天然草地。CBPP=0,表明天然草地面臨退化風險,栽培草地需要水、肥、能量等投入以維持運轉(zhuǎn)因而屬正常。CBPP<0,草地碳貯量正在減少,處于退化狀態(tài)[13,31]。提高牧草產(chǎn)量和質(zhì)量、減少土壤碳排放和管理的投入是該生產(chǎn)層的主要增匯減排途徑。

1.3 動物生產(chǎn)層的碳平衡

動物生產(chǎn)層是傳統(tǒng)意義上的食草家畜飼養(yǎng),是草業(yè)系統(tǒng)的主要碳源之一。植物生產(chǎn)層的植物碳,絕大部分通過家畜腸道發(fā)酵、排泄物揮發(fā)和分解而排放到環(huán)境(圖1)。畜群管理中人力、機械、疫病防控等排放GHG,是另一主要碳源。家畜生產(chǎn)因購入飼草料而輸入碳。家畜排泄物除了淋溶、GHG排放,大部分碳氮返還到草地,成為土壤碳。極少部分牧草碳固定在畜產(chǎn)品中,而且家畜骨骼、皮毛、角蹄中的碳易于長期保存,也是碳庫。畜肉血中的碳很快排放,排放量可根據(jù)屠宰率計算。

動物生產(chǎn)層的碳平衡CBAP(carbon balance of AP)=Cinput-Coutput。Cinput主要是牧草。家畜對牧草轉(zhuǎn)化效率遠小于1,故CBAP<0。提高牧草尤其是N的轉(zhuǎn)化效率、促進排泄物循環(huán)利用是該生產(chǎn)層增碳減排的主要途徑。

1.4 后生物生產(chǎn)層的碳平衡

后生物生產(chǎn)層主要是草畜產(chǎn)品加工、貯運以及整個草業(yè)系統(tǒng)管理,能夠大幅提升草業(yè)生產(chǎn)的社會效益和經(jīng)濟效益[32]。同時,需要投入大量能量和物質(zhì)。碳源包括產(chǎn)品加工、貯運等,及其基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備制造的碳排放。牧草和家畜作為加工原料輸入該生產(chǎn)層,部分草畜產(chǎn)品可長久保存,為碳匯。

后生物生產(chǎn)層的碳平衡CBPBP(carbon balance of PBP)=Cinput-Coutput。因生產(chǎn)層運轉(zhuǎn)所排放的碳遠多于輸入的碳,CBAP<0。草業(yè)系統(tǒng)如果以經(jīng)濟效益為主要目標,兼顧食物生產(chǎn),可以通過該生產(chǎn)層提升單位碳排放的經(jīng)濟效益,或可總體上減少GHG排放；如果以獲取食物為主要目標,兼顧經(jīng)濟效益,應(yīng)該控制草畜產(chǎn)品加工、貯運的碳排放；可見,該生產(chǎn)層的管理有助于草業(yè)系統(tǒng)整體的增匯減排。

1.5 系統(tǒng)碳平衡與案例分析

草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡是4個生產(chǎn)層碳平衡之和,CBGAE=CBPPP+CBPP+CBAP+CBPBP。在某一生產(chǎn)周期,CBGAE>0,草業(yè)系統(tǒng)為碳匯,反之則為碳源。它的碳效益為碳固定量與經(jīng)濟效益的比,值越大,說明生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化效率越高,環(huán)境負債率越低,生態(tài)和經(jīng)濟可持續(xù)性越強。結(jié)合各生產(chǎn)層的碳平衡分析,可以針對性地改進碳管理。

CBGAE的測算可以基于某一農(nóng)牧場或某一企業(yè)、某一生產(chǎn)區(qū)域、生態(tài)區(qū)域或行政區(qū)域,故以我國祁連山中段的甘肅馬鹿牧場和澳大利亞塔斯瑪尼亞西北部的奶牛牧場為例(表1)[15,31-39]。

祁連山牧場的甘肅馬鹿(CervuselaphuskansuensisPocock)冬季和春秋季主要在高寒草原放牧,夏季主要在高寒灌叢草甸放牧[40-41],并且發(fā)展了高山牧場旅游、中草藥和馬鹿茸、血產(chǎn)品加工[33]。塔斯瑪尼亞牧場的奶牛常年在多年生黑麥草(LoliumperenneL.)栽培草地放牧,發(fā)展了農(nóng)業(yè)觀光和奶酪加工[38]。這兩個系統(tǒng)均有相對完整的4個生產(chǎn)層,體現(xiàn)了世界農(nóng)業(yè)系統(tǒng)多功能性增強的演化趨勢[15]。

表1 祁連山牧場馬鹿牧場(DRQ)和塔斯馬尼亞奶牛牧場(DRT)4個生產(chǎn)層的碳平衡

Table 1 Carbon balance analysis of four production levels from the deer ranch in Qilian Mountain (DRQ) and dairy ranch in Tasmania (DRT)

生產(chǎn)層Productionlevel主要碳源(1)Maincarbonsource/(tC/a)主要碳匯Maincarbonsink/(tC/a)平移碳平衡Carbonbalance/(tC/a)項目ItemsDRQDRT項目ItemsDRQDRTDRQDRT前植物生產(chǎn)層旅游人數(shù)/(人次/a)50006000碳塵降,水土保持/(t/a)-36000.0-103809.8Pre-plantproductionlevel淋溶/(gm-1a-1)00.7人均碳排放/(t/a)7.217.3植物生產(chǎn)層Plantproductionlevel草地面積/hm210201400SOC積累/(t/m2)0.1220.1221243298.4167580.0動物生產(chǎn)層Animalproductionlevel土壤GHG排放/(kghm-2a-1)10802300日采食量/(kg頭-1d-1)3.1520-15.8-173.3家畜數(shù)量/頭10002100消化率/%5770糞便發(fā)酵系數(shù)/(kg頭-1d-1)0.2229年排糞量/(kg頭-1d-1)5265840后生物生產(chǎn)層腸道發(fā)酵系數(shù)/(kg頭-1d-1)2081屠宰率/%50.7249.00-1005.2-2475.8Post-biological燃煤量/(t/a)108productionlevel燃油的消耗量/(t/a)1015勞動力/(人/a)1010CBGAE(2)1206277.461121.2

DRQ：祁連山牧場馬鹿牧場 Deer ranch in Qilian Mountain；DRT：塔斯馬尼亞奶牛牧場Dairy ranch in Tasmania；CBGAE：草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡 Carbon balance of grassland ago-ecosystem

祁連山牧場CBGAE>0,為碳匯。碳輸出中,前植物、動物和后生物3個生產(chǎn)層分別占97.2%、0.04%和2.7%(表1)。動物生產(chǎn)層中,43%的C隨排泄物返還草地,57%排放到環(huán)境中。后生物生產(chǎn)層的碳排放主要來自茸、血加工。馬鹿的消化率低導(dǎo)致更多的GHG排放,除了食性外[33],主要因為冬季牧場牧草粗老而且利用時間長,夏季和秋季放牧也不在牧草幼嫩期[40]。

塔斯馬尼亞牧場CBGAE>0,也為碳匯。植物生產(chǎn)層因為施肥、灌溉等,碳排放多于祁連山牧場(表1)。由于劃區(qū)輪牧,奶?？偸窃谀敛葸m宜期采食,因而消化率高。兩個牧場后生物生產(chǎn)層的碳源占比低于3%。

2 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)3個界面的碳平衡分析

草業(yè)系統(tǒng)的3個界面是碳固定或排放的活躍區(qū)域和通道(圖2)。

圖2 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)3個界面的碳流Fig.2 Carbon flow of grassland agro-ecosystem based on three interfaces

界面A過程形成草地[42],它是草類植物與非生物環(huán)境之間碳交換的區(qū)域(圖2)。其碳平衡(Carbon balance of IHS,CBIHS,CBIA)CBIA=Cinput-Coutput。Cinput主要是光合作用、牧草碳氮吸收、大氣碳氮塵降、生物固氮等碳輸入。Coutput包括牧草和土壤GHG排放,GHG主要是CO2,CH4和N2O較少。一般,CBIA>0,該界面是碳匯過程；但是,退化草地的碳等物質(zhì)及其所含能量入不敷出[43],CBIA≤0。

界面B過程形成草畜系統(tǒng),它是草地與家畜相互作用的區(qū)域(圖2)。該界面的碳平衡(Carbon balance of IGL,CBIGL,CBIB)CBIB=Cinput-Coutput。Coutput主要是家畜腸道發(fā)酵、排泄物的揮發(fā)和分解,GHG以CH4和N2O為主。Cinput主要是凋落物和家畜排泄物返還到草地,毛、皮、骨骼的碳保存。一般,家畜采食的牧草超過20%、甚至50%作為排泄物返還草地,其中一部分揮發(fā)、淋溶,或分解中損失,故CBIB<0或CBIB≈0,界面B是碳源。

界面C過程進化完整地草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[42],它的碳平衡(Carbon balance of IGLSE,CBIGLSS,CBIC)CBIC=Cinput-Coutput。Coutput包括草地管理、畜群管理,以及草畜產(chǎn)品加工和貯運、旅游和狩獵等過程的碳排放。Cinput主要是固定在草畜產(chǎn)品的碳,以及草業(yè)系統(tǒng)管理、保護和恢復(fù)所增加的碳。其碳平衡較為復(fù)雜：管理得當,CBIC>0；管理不當,碳排放加速,CBIC<0。

草業(yè)系統(tǒng)的碳平衡是3個界面碳平衡的和,CBGAE=CBIA+CBIB+CBIC,可以據(jù)此有針對性地加強某一界面的碳管理。仍以祁連山馬鹿牧場和塔斯瑪尼亞奶牛牧場為例(表2)。

表2 祁連山牧場和塔斯馬尼亞牧場3個界面的碳平衡

兩個牧場系統(tǒng)的CBGAE>0,均為碳匯。

草業(yè)系統(tǒng)的碳排放主要發(fā)生在前植物生產(chǎn)層或界面C,碳匯主要在植物生產(chǎn)層或界面A,在兩個牧場中均超過90%(表1和表2)。因此,碳匯管理應(yīng)減少前植物和后生物生產(chǎn)層的碳排放,增加植物和動物生產(chǎn)層的碳匯；或是增加界面A和B的碳匯,減少界面C的碳排放。

3 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡分析的輸入/輸出法

草業(yè)系統(tǒng)某一生產(chǎn)層或界面的碳平衡可以根據(jù)四個部分確定。輸入(Carbon input,CI),從草業(yè)系統(tǒng)外部輸入的化肥、機械、種子、畜力、廄肥等物質(zhì),光合作用吸收、同化CO2,微生物活動固定的CH4和N,塵降和水土保持積累碳氮。排放(Carbon emission,CE),人類、家畜消費草畜產(chǎn)品,包括食物、能源、畜力、日用品、廄肥等,在一定時間內(nèi)還原為GHG。固定部分(Carbon fixation,CF),牧草、家畜、排泄物等,在一定時間內(nèi)以可貯存的形態(tài)存在于草業(yè)系統(tǒng)內(nèi)。輸出(Carbon output,CO),輸出的草畜產(chǎn)品、種子、畜力、廄肥等。

草業(yè)系統(tǒng)的碳平衡為CBGAE=CI+CF-CE-CO。如果CBGAE>0,即CI+CF>CE+CO,草業(yè)系統(tǒng)為碳匯,反之為碳源。某一生產(chǎn)層或某一界面的碳平衡同理計算,它們的初始碳量與碳平衡之和為當前碳量。

表3 動物生產(chǎn)層碳平衡分析的輸入/輸出法舉例

祁連山和塔斯瑪尼亞兩個草業(yè)系統(tǒng)的動物生產(chǎn)層均為碳源(表3),與生產(chǎn)層法和界面法的分析結(jié)果相同(表1,表2)。

4 討論

4.1 3種碳平衡計算方法的比較

3種草業(yè)系統(tǒng)碳平衡分析方法各有側(cè)重(表4)：4個生產(chǎn)層的方法關(guān)注能量與物質(zhì)流動規(guī)律,對應(yīng)著相應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)；界面的方法強調(diào)關(guān)鍵生態(tài)過程,簡明地體現(xiàn)了碳平衡的作用機制；碳輸入/輸出法側(cè)重碳相對于生態(tài)系統(tǒng)的運動,忽略碳產(chǎn)生的環(huán)節(jié)和機制。目前碳平衡分析常用方法還有生活史分析(Life cycle analysis)[30,44-46]和元分析(Meta-analysis)[11,47-49]；前者對碳流程自上而下梳理,與生產(chǎn)層法和界面法有相似之處,但是它忽略生產(chǎn)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)組分之間的聯(lián)系和相互作用；后者對已有文獻的實測指標再一次的統(tǒng)計分析,相對定量地、概括地反映大時空尺度的碳動態(tài),但是對碳平衡的機理難以作具體的、有針對性的明晰。

表4 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳匯計算方法的比較

草業(yè)系統(tǒng)碳匯,既有光合作用、碳塵降等自然過程,也有施廄肥等人工碳。當前的碳平衡分析方法難以區(qū)別碳的這兩種來源,也難以定量輸出碳的來源,不利于提高碳的管理效率,是今后研究需要改進的方面。

4.2 影響碳平衡分析的因素

4.2.1 大氣碳氮塵降

每年有36億t碳塵降,近10億t不知去向[50],90%返還到土壤或水體,對濕潤地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡有重要影響。文中案例分析未考慮碳氮塵降,其生態(tài)效應(yīng)卻是當前研究熱點之一,短期內(nèi)氮塵降提高植物生產(chǎn)力,增加土壤微生物對有機質(zhì)的分解[51],直接影響植物碳庫和土壤碳庫[51]；長期則降低土壤微生物量[52]。

4.2.2 草地碳氮淋溶

草業(yè)系統(tǒng)的可溶性碳氮會淋溶到地下水系統(tǒng)[53-54]。碳氮淋溶的影響因素主要是降水、灌溉和土地利用方式[38,53,55-57]。天然草地因主要位于干旱和極端干旱地區(qū),只存在微弱的淋溶過程[58]；因而保持大量無機碳,其碳量超過土壤有機碳[2]。草地灌溉量越多,土壤無機碳的淋溶量越大[58]。放牧會增強土壤的淋溶作用,一方面因為放牧降低植被蓋度,加快土表枯落物分解,減少了降水截留[55]；另一方面放牧促進植物地上部分產(chǎn)物向根系分配運輸,加快土壤有機質(zhì)分解,促進分解產(chǎn)物向下部轉(zhuǎn)移和聚集[59]。此外,土壤中空氣CO2分壓和土壤溶液的pH值也控制土壤無機碳濃度和通量[38],影響草業(yè)系統(tǒng)的碳平衡[60]。

4.2.3 家畜排泄物的GHG排放

集約化草業(yè)系統(tǒng)中家畜排泄物的GHG排放不容忽視。IPCC的GHG排放目錄中,家畜糞便的CH4排放是重要指標[35]。放牧家畜的排泄物多返還草地,少部分歸牧后存留于畜圈[10],這部分碳發(fā)酵后施肥到耕地中；排泄物的GHG排放多發(fā)生于存儲、堆漚過程,進入土壤的碳還影響土壤微生物呼吸和碳儲量。但是,放牧家畜或者廄肥有多少排泄物碳返還到土壤、多少成為土壤碳,尚不清楚。

4.2.4 后生物生產(chǎn)層的碳足跡

國際碳足跡核算多用在能源行業(yè)[61],尚沒有草業(yè)系統(tǒng)通用的碳足跡計算標準,而且后生物生產(chǎn)層的碳足跡仍是研究空白,用生命周期評價法(Life cycle assessment, LCA)可對其各個組分梳理,明確其耗能排放數(shù)據(jù)[62]。我國天然草地面積大,栽培草地方興未艾,草畜產(chǎn)品加工是草業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,卻與增碳減排相矛盾,草業(yè)系統(tǒng)發(fā)展后生物生產(chǎn)層以提高系統(tǒng)整體碳排放的經(jīng)濟效率是兼顧生態(tài)與生產(chǎn)的重要途徑,實施清潔發(fā)展機制(Clean Development Mechanism, CDM)對于草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)后生物生產(chǎn)層的健康發(fā)展有借鑒意義[63-64]。

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Carbon balance analysis methods of grassland agro-ecosystems

LOU Shanning, CHEN Xianjiang, HOU Fujiang*

StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

According to the structures of grassland agro-ecosystems, their carbon balance represent the sum of the carbon balances of the four production levels, or the sum from its three interfaces. The carbon balance per production level or interface is the sum of the carbon that is taken up and lost through the different processes in that level or interface. The carbon balance analysis method based on four production levels can quantify which of the processes in the production are either a carbon sink or source. For example, carbon and nitrogen accumulation such as Carbon and Nitrogen sink, soil and water conservation are carbon sink process in Pre-plant production level. The grassland tourism hunting and so on, are the process of carbon source in Pre-plant production level. Photosynthesis and carbon and nitrogen assimilation of biological nitrogen fixation are the process of carbon sink in Plant production level. Greenhouse gases emission is the process of carbon source in Plant production level. The process of carbon sink and source in Animal production level are mostly Carbon fixation in animal product and greenhouse gases emission of ruminant. Carbon fixation in forage and animal products are the process of carbon sink in Post-biological production level. Processing and transport activities are the process of carbon source in Post-biological production level. This can subsequently facilitate improvements in the management of carbon sequestration in grassland production. Furthermore, the carbon balance analysis method based on three interfaces can determine the production mechanisms of carbon sinks and sources, as well as their spatial and quantitative relationships. This can contribute to regulating and controlling the carbon emissions from grassland agro-ecosystems. However, both methods cannot accurately quantify a grassland system′s paths of carbon uptake and output, or its utilization efficiency. The carbon balance analysis by the balance between carbon input and output can quantify the pathway of carbon movement. This method is simple and more succinct; however, it is not applicable to farmland scale management of carbon sequestration. Considering a ranch in the Qilian Mountains, China, and a dairy farm in Tasmania, Australia, as examples, three methods were used for analyzing their carbon balances. The results showed that carbon emissions from tourism, product processing, and marketing accounted for the major portions of the total emissions from the grazing management system. Their main carbon sinks were carbon stored in the forage and the soil. Overall, optimal grassland management would benefit from adding carbon sinks and reducing carbon emissions.

grassland agro-ecosystems; production level; interface; carbon balance; grazing; greenhouse gases

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2014CB138706)；國家自然科學基金資助項目(31172249)；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT13019)；國家科技支撐計劃課題資助項目(2011BAD17B0203)

2015-07-17;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201507171503

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: cyhoufj@lzu.edu.cn

婁珊寧,陳先江,侯扶江.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡分析方法.生態(tài)學報,2017,37(2):557-565.

Lou S N, Chen X J, Hou F J.Carbon balance analysis methods of grassland agro-ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):557-565.