華北平原農(nóng)田溫室氣體排放與減排綜述*

王玉英, 李曉欣, 董文旭, 張玉銘, 秦樹平, 胡春勝**

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華北平原農(nóng)田溫室氣體排放與減排綜述*

王玉英1, 李曉欣1, 董文旭1, 張玉銘1, 秦樹平2, 胡春勝1**

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室 石家莊 050022; 2. 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002)

華北平原作為典型的冬小麥-夏玉米輪作高水肥精細(xì)管理農(nóng)田, 高水高肥管理下其碳排放量高于秸稈還田的固碳量, 其生態(tài)系統(tǒng)正在以每年77 g(C)×m-2×a-1的速度損失碳。華北平原農(nóng)田>400 kg(N)×hm-2×a-1的過高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因, 其土壤N2O排放強(qiáng)度在氮肥施入量為136 kg(N)×hm-2×a-1時最低, 且在施氮量為317 kg(N)×hm-2×a-1時可獲得最高作物產(chǎn)量。華北平原土壤中溫室氣體的產(chǎn)生和消耗主要發(fā)生在0~90 cm土壤剖面內(nèi), >90 cm土層主要作為土壤包氣帶中的緩沖層而存在。當(dāng)前降低華北平原農(nóng)田溫室氣體排放除了合理施肥和灌溉, 還需要改變固有的農(nóng)作制度, 實行減免耕等保護(hù)性措施, 并將減排和固碳同步進(jìn)行。對華北平原溫室氣體凈排放研究, 今后需在以下幾個方面加強(qiáng): 1)在地-氣之間加強(qiáng)冠層尺度溫室氣體的原位連續(xù)在線監(jiān)測研究, 并將穩(wěn)定性同位素技術(shù)應(yīng)用到此研究中以達(dá)到追蹤其來源和比例構(gòu)成的目的。2)在土壤包氣帶中, 利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)探索土壤空氣中溫室氣體的來源比例, 探索剖面土壤溫室氣體產(chǎn)生和消耗對土壤-大氣界面溫室氣體排放的響應(yīng)機(jī)制。3)將模型研究應(yīng)用于土壤-大氣連續(xù)體溫室氣體排放研究。

華北平原; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng); 小麥-玉米輪作體系; 溫室氣體; 排放與減排; 調(diào)控措施

自工業(yè)革命以來, 人類活動造成的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)等溫室氣體排放量明顯增加。截至2011年, 大氣中CO2、N2O和CH4的濃度依次升至704 mg×m-3、0.58 mg×m-3和1.18 mg×m-3, 分別比工業(yè)革命前增加40%、20%和150%[1]。這勢必會加劇全球氣候變化進(jìn)程。研究表明大氣中每年有5%~20%的CO2、80%~90%的N2O和15%~30%的CH4來源于土壤[2]。而農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分, 其溫室氣體排放動態(tài)對全球氣候變化具有重要影響。IPCC的研究報告指出農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量占全球人為活動產(chǎn)生的溫室氣體排放總量的10%~12%, 其中N2O和CH4排放占比分別達(dá)60%和50%[1]。而我國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放在全國所占比例超過15%, 其中N2O和CH4排放分別高達(dá)90%和60%[3]。因此, 我國作為農(nóng)業(yè)大國農(nóng)田土壤CO2、CH4和N2O減排對減緩全球氣候變化具有重要意義。

華北平原作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 耕地面積占全國總耕地面積的25%[4], 生產(chǎn)了全國76%的小麥和29%的玉米[5], 依靠大量水(>667 mm?a-1)和肥[500~600 kg(N)?hm-2?a-1]投入來保障糧食產(chǎn)量是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要特點[6], 但是該種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)田應(yīng)用也伴隨著溫室氣體排放的迅速增加。因此在保障作物產(chǎn)量的同時采取合理的農(nóng)藝措施來減少溫室氣體排放是目前該區(qū)域面對的主要挑戰(zhàn)。鑒于此, 研究華北平原典型農(nóng)田溫室氣體排放, 探索農(nóng)田溫室氣體減排調(diào)控措施對于發(fā)展低碳農(nóng)業(yè), 減緩全球變暖具有重要價值。

1 華北平原溫室氣體排放研究進(jìn)展

1.1 土壤-大氣界面溫室氣體排放研究

1.1.1 外源肥料輸入

經(jīng)典的靜態(tài)箱法被廣泛應(yīng)用于研究土壤-大氣界面溫室氣體排放中。近年來, 利用靜態(tài)箱法觀測華北平原小麥()-玉米()輪作系統(tǒng)土壤-大氣界面溫室氣體排放的報道很多[6-12]。第一, 氮肥施入、水分和溫度變化均會影響CH4、CO2和N2O排放。王玉英等[7-8]的研究表明華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體為CH4吸收匯、CO2和N2O排放源, 氮肥施入和灌溉可以直接導(dǎo)致農(nóng)田CO2和N2O的排放通量迅速增加, 同時降低農(nóng)田土壤對CH4的吸收強(qiáng)度。例如施氮量[kg(N)? hm-2?a-1]為0、200、400和600時, 冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)N2O排放總量[kg(N2O)?hm-2?a-1]分別為1.27、2.24、4.85和6.40, 其CH4吸收量[kg(CH4)?hm-2?a-1]分別為-2.01、-1.11、-1.01和-1.34[8]。氮肥施入后土壤中NH4+和NO3-濃度迅速增加, 而硝酸鹽作為土壤硝化和反硝化作用的主要底物, 其迅速增加必然導(dǎo)致硝化和反硝化過程加劇進(jìn)而使其產(chǎn)物N2O產(chǎn)生量增加?；视昧吭黾邮笴O2排放量略有提高, 這是由于施肥量高的處理留落在田間的作物根系更為發(fā)達(dá)導(dǎo)致。長期定位施肥試驗結(jié)果表明, 氮肥對土壤CH4氧化的影響主要來源于銨態(tài)氮肥, 由于NH4+能夠抑制土壤對CH4的吸收, 其可能的抑制機(jī)制為由于NH4+和CH4的氧化是相互排斥的, 銨態(tài)氮肥的使用增加了土壤NH4+含量, 而甲烷氧化細(xì)菌優(yōu)先同化氨, 從而抑制了土壤對CH4的吸收速率[13], 這也可以解釋尿素氮施入農(nóng)田后CH4吸收匯強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。第二, 有機(jī)肥投入是土壤固碳的有效途徑, 但同時增加農(nóng)田CO2和N2O的排放[14-16]。有機(jī)肥和化肥養(yǎng)分有效性和形態(tài)明顯不同, 對溫室氣體排放的影響也明顯不同。例如李燕青等[14]在華北平原冬小麥-夏玉米種植制度下, 以長期定位試驗為平臺持續(xù)監(jiān)測了化肥和有機(jī)肥在不同施肥水平下潮土玉米季土壤N2O和CO2的排放特征; 其研究結(jié)果表明等氮條件下化肥處理的N2O日排放通量明顯高于有機(jī)肥, 有機(jī)肥處理顯著增加了農(nóng)田土壤CO2的排放量, 而化肥對CO2排放總量的影響不明顯。相較于化肥有機(jī)肥速效態(tài)氮的含量很低(僅占全氮含量的13%左右), 因此N2O排放量也相對較少[17-18]。另外, 有機(jī)肥中有效氮的緩慢釋放決定了土壤中N2O排放是一個緩慢過程, 而現(xiàn)在測定周期基本上是周年(短期)測定, 因此這些研究可能低估了有機(jī)肥對N2O排放的影響[19]。此外, 有機(jī)肥在提高微生物活性方面更具潛力[20], 因此有機(jī)肥施入后會顯著提高農(nóng)田土壤CO2的排放量[14]。第三, 秸稈還田對農(nóng)田土壤溫室氣體排放也有重要影響。秸稈還田將改變農(nóng)田土壤氮狀況及氮循環(huán)速率、碳吸存量、pH、生物(微生物、細(xì)根、土壤動物等)量, 進(jìn)而影響地表CO2通量。一般認(rèn)為, 隨著秸稈還田量的增加, 土壤呼吸通量也增加[21-23]。這主要是由于秸稈還田能增加土壤總孔隙度, 同時土壤溶液中的CO2含量隨秸稈添加量的增加而增大[23], 從而增加了土壤中CO2的釋放速率。同時秸稈還田能影響土壤中微生物量、微生物活性和微生物群落結(jié)構(gòu), 進(jìn)而導(dǎo)致土壤CO2排放量增加。秸稈還田將改變農(nóng)田土壤氮狀況及氮循環(huán)速率、生物量、碳氮比以及NO3-和NH4+的含量, 進(jìn)而影響地表N2O通量, 各試驗結(jié)果有著一定的差異。由于CH4產(chǎn)生的特殊性, 國內(nèi)的研究一般集中于水稻田土壤的CH4排放。研究認(rèn)為麥稈直接還田增加了稻田CH4的排放量[24]。

1.1.2 灌溉方式

雖然漫灌仍然是華北平原主要的灌溉方式, 但最近幾年因淡水資源日益匱乏, 為維持糧食水平的高產(chǎn), 節(jié)水灌溉技術(shù)(如微噴灌溉和滴灌)正在迅速發(fā)展, 節(jié)水灌溉方式下的農(nóng)田面積也逐漸增加[25]。華北平原是我國糧食的主產(chǎn)區(qū), 未來糧食產(chǎn)量的進(jìn)一步提高需要灌溉和施肥的高效性, 而灌溉和施肥等措施改變勢必會導(dǎo)致溫室氣體排放強(qiáng)度的變化。郭樹芳等[26]在華北平原冬小麥田的研究表明微噴水肥一體化(微噴)方式下土壤CO2排放通量均值比漫灌高12.37%, N2O排放通量值比漫灌高76.22%。微灌加強(qiáng)土壤呼吸可能與微噴緩解了因漫灌造成的土壤緊實度增加, 使土壤保持相對疏松, 提高了根系活力有關(guān)。此外微噴方式下土壤水分含量和溫度均高于漫灌, 且微噴增加了土壤微生物量碳含量, 促進(jìn)土壤微生物作用下的硝化和反硝化反應(yīng), 進(jìn)而帶來土壤N2O排放通量的增加[26]。但是也有相反的研究報道, 例如Kallenbach等[27]研究認(rèn)為地下滴灌比溝灌減少了50%的N2O排放量。Sánchez-Martín等[28]也認(rèn)為, 與溝灌相比, 滴灌減少了甜瓜()田土壤N2O的排放。其原因可能是, 與溝灌相比, 滴灌模式下水分分布促進(jìn)了硝化反應(yīng)[28]。由此可見, 不同節(jié)水灌溉方式對土壤溫室氣體排放通量的影響也存在很大差異, 因此應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)不同灌溉條件下溫室氣體排放通量及其影響機(jī)制的深入探索。

1.1.3 耕作方式

耕作方式主要是通過改變土壤有機(jī)碳分解環(huán)境, 如土壤充氣環(huán)境以及破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等影響土壤CO2排放[29]。大部分研究表明免耕會降低土壤CO2釋放量, 原因為常規(guī)頻繁耕作條件會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大量損失, CO2排放量增加; 免耕則可以有效地控制土壤有機(jī)碳損失, 減少土壤干擾, 降低土壤微生物對活性碳的利用, 進(jìn)而抑制CO2排放[29-30]。耕作措施主要是通過影響土壤濕度、土壤硬度及土壤營養(yǎng)含量等來影響CH4排放。干旱地區(qū)土壤CH4排放量較低, 大多表現(xiàn)為CH4吸收匯[7-8]。大部分研究認(rèn)為免耕降低CH4排放量或者對CH4排放量沒有顯著影響[29-30]。原因可能為免耕土壤更穩(wěn)定, 通透性好, 增強(qiáng)甲烷氧化菌活性有利于CH4氧化, 使CH4吸收量增加。例如Omonode等[31]通過對玉米地和玉米-大豆()輪作地研究發(fā)現(xiàn)犁耕和鑿耕的農(nóng)田為弱的CH4排放源, 免耕農(nóng)田為弱的CH4匯。但也有學(xué)者研究表明CH4通量不受耕作方式的影響[32]。造成上述研究結(jié)果不同的原因可能由于旱地土壤CH4排放量很低, 很多時候都無法監(jiān)測到有效數(shù)據(jù), 而且受外界干擾因素較多。免耕對土壤N2O排放的影響主要通過對溫度、土壤濕度和土壤性質(zhì)等過程來實現(xiàn)。Abdalla等[33]通過綜述相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為氣候條件與土壤對免耕N2O排放存在著交互作用。例如在干燥的氣候條件下, 免耕增加通氣條件差的土壤N2O排放[34], 降低通氣性好的土壤N2O排放或者影響不顯著[34-35]。在濕潤氣候條件下, 土壤性質(zhì)不同其結(jié)論亦不同。目前免耕等保護(hù)性農(nóng)業(yè)措施被逐漸推廣, 大部分研究主要集中在免耕對土壤水分利用率、作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制, 而對保護(hù)性農(nóng)業(yè)措施下溫室氣體排放的研究相對較少。

1.2 冠層和土壤剖面溫室氣體排放研究

1.2.1 冠層溫室氣體排放

地-氣之間進(jìn)行的物理、化學(xué)和生物過程及相互作用對全球氣候變化、生物多樣性和環(huán)境變化有重要影響。渦度相關(guān)技術(shù)是直接觀測下墊面與大氣之間水熱通量和CO2通量的微氣象技術(shù), 具有理論論證完善、觀測精度高和連續(xù)穩(wěn)定等優(yōu)點, 已逐漸成為地-氣之間能量和物質(zhì)通量觀測的標(biāo)準(zhǔn)方法。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 也是受人為因素強(qiáng)烈控制和干擾的系統(tǒng), 因此農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究受到廣泛關(guān)注, 對該系統(tǒng)碳的源/匯評價是目前國際上研究的熱點問題之一。

針對華北平原從20世紀(jì)80年代初轉(zhuǎn)變?yōu)榻斩掃€田的冬小麥-夏玉米輪作精細(xì)管理農(nóng)業(yè)體系, 其溫室氣體排放也發(fā)生了巨大變化[36]。Wang等[36]分析了華北平原1978年到2008年0~20 cm土壤的有機(jī)碳儲量, 其研究結(jié)果表明從1978年到2002年土壤有機(jī)碳含量從2.5 kg(C)?m-2迅速增加到4.0 kg(C)?m-2; 但之后從2003年到2008年, 0~20 cm土壤有機(jī)碳儲量開始降低且最終穩(wěn)定在3.7 kg(C)?m-2。鑒于此, Wang等[36]認(rèn)為在華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中, 雖然秸稈還田措施使土壤有機(jī)碳含量增加, 但長期的高水高肥精細(xì)管理方式可能會造成溫室氣體排放增加, 進(jìn)而導(dǎo)致整個生態(tài)系統(tǒng)處于碳損失狀態(tài)。為了驗證這個假說, Wang等[36]將渦度相關(guān)法、靜態(tài)箱法和生物量觀測結(jié)合起來評估了華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。研究結(jié)果表明冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為碳源, 其碳源強(qiáng)度為77 g(C)?m-2?a-1。其中冬小麥季為碳匯, 碳匯強(qiáng)度為90 g(C)?m-2?a-1; 而夏玉米季為碳源, 其碳源強(qiáng)度為167 g(C)?m-2?a-1。冬小麥和夏玉米季碳源強(qiáng)度的巨大差異主要是由于其總生態(tài)系統(tǒng)呼吸(TER)和凈初級生產(chǎn)力(NPP)的巨大差異造成的。例如與寒冷干燥的冬小麥季相比, 溫暖濕潤的玉米季的TER和NPP分別增加1/4和降低1/10。其次, 雖然夏玉米的生長季(113 d)比冬小麥季(235 d)短52%, 但是全年超過55%的CO2排放來自于玉米季。說明碳排放動力學(xué)雖然與作物生長密切相關(guān), 但是生長季內(nèi)的氣候變異才是其主要驅(qū)動因素[36]。

1.2.2 土壤剖面溫室氣體排放

如上文所述, 目前對冠層和土壤-大氣界面的溫室氣體排放報道很多, 但是針對農(nóng)田系統(tǒng)土壤剖面溫室氣體產(chǎn)生和排放的報道很少[37]。土壤包氣帶中的溫室氣體含量是土壤-大氣界面溫室氣體濃度的數(shù)倍。因此明確土壤剖面中CH4、CO2和N2O的濃度及通量可以更清楚地解釋其表層氣體排放動力學(xué), 進(jìn)而能夠制定更加有效的減排措施指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

Wang等[38-39]報道了華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)4個施氮[kg(N)?hm-2?a-1]水平(0、200、400和600)下0~300 cm土壤剖面的溫室氣體濃度和通量變化動態(tài)。研究結(jié)果表明土壤空氣CH4濃度隨著土壤深度的增加而降低, 氮肥施入對土壤剖面中CH4的濃度沒有顯著影響; 土壤空氣CO2濃度隨著土壤深度的增加迅速上升, 氮肥施入對土壤剖面中CO2的濃度同樣沒有顯著影響; 土壤空氣N2O濃度隨著土壤深度的增加而上升, 氮肥施入顯著增加土壤剖面中N2O的濃度。土壤剖面中CH4濃度隨著土壤深度增加而降低說明甲烷氧化細(xì)菌將CH4氧化, 但是60~300 cm的CH4濃度變化不大, 說明在低于0.75 mL?m-3的濃度下甲烷氧化菌不足以氧化或者吸收CH4。CO2濃度隨著土層深度增加而迅速上升, 與前人研究結(jié)果一致[40], 這可能與CO2的分子量有關(guān), 土壤空氣中分子量比較重的氣體會主要分布于底層。土壤剖面N2O濃度隨著土層深度增加有緩慢上升的趨勢, 氮肥施入對土壤剖面中N2O濃度有明顯的激發(fā)效應(yīng), 這主要是氮肥中的硝酸鹽為土壤空氣中N2O產(chǎn)生的主要底物而致[38]。根據(jù)土壤剖面中溫室氣體濃度的監(jiān)測結(jié)果, Wang等[39]利用Fick定律計算了土壤剖面中CH4、CO2和N2O的擴(kuò)散速率。其研究結(jié)果表明土壤剖面中0~90 cm土層為CO2和N2O排放及CH4吸收的主要發(fā)生層, 90 cm以下土層的排放和吸收量都很小, 可以忽略不計。施用氮肥顯著增加剖面中的N2O排放, 但是對CH4和CO2排放影響不大。其中>90%的CO2和N2O排放及CH4吸收均發(fā)生在0~90 cm土層, 這主要是由該試驗地點的土壤特征導(dǎo)致, 0~90 cm土壤容重明顯低于90 cm以下的土壤[39]。

2 華北平原溫室氣體減排措施

2.1 合理施肥和灌溉

農(nóng)田土壤N2O的一個重要來源是化肥的施用, 研究表明N2O的排放隨著施肥量的增加而增加, N2O受施肥速率和施肥種類的影響很大[7-10,12,14,16]。據(jù)粗略估計, 我國目前化肥氮的總消耗量可基本滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要, 但約有1/3的區(qū)域(主要在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū))過量施用。例如華北平原屬于典型高氮肥施入?yún)^(qū)域。Qin等[9]在華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O排放的研究中表明, N2O排放強(qiáng)度(yield-scaled N2O emission)在氮肥施入量為136 kg(N)?hm-2?a-1時最低, 且在施氮量為317 kg(N)?hm-2?a-1即可獲得最高作物產(chǎn)量。而當(dāng)前華北平原的平均氮肥施入量>400 kg(N)?hm-2?a-1。因此減少華北平原氮素施入量是降低當(dāng)前N2O排放的有效措施。此外選用氮利用率高和N2O排放少的硝態(tài)氮和尿素以及緩釋性化肥, 采用根外追肥, 減少因土壤微生物活物活動造成額外N2O排放, 這些措施均對當(dāng)前華北平原的溫室氣體減排具有一定效果。碳酸氫銨和尿素是我國農(nóng)業(yè)的主體肥料, 但其肥效期短, 揮發(fā)損失量大, 氮素利用率低。研究表明與施用普通碳酸氫銨和尿素相比, 長效碳酸氫銨與長效尿素能顯著減少N2O排放27%~88%[41]。Xu等[42]的研究表明脲酶抑制劑氫醌與硝化抑制劑雙氰胺適宜組合, 可有效地減少N2O排放和其他氣態(tài)氮損失。

華北平原目前主要的灌溉方式為漫灌。針對華北平原地下水位下降, 水資源短缺等問題, 微噴水肥一體化(微噴)方式正在被廣泛推廣[26]。研究表明雖然華北平原冬小麥田微噴水肥一體化(微噴)方式下土壤CO2排放通量均值比漫灌高12.37%, N2O排放通量值比漫灌高76.22%, 但是其農(nóng)田碳匯強(qiáng)度也增加了176.48 g(C)?m-2[26]。因此由于土壤水分、溫度和肥料是影響溫室氣體排放的重要因素, 在節(jié)水灌溉條件下進(jìn)入土壤的水分和肥料的不均勻性必然會帶來溫室氣體排放在空間上的異質(zhì)性。

2.2 變更農(nóng)作制度

免耕和秸稈覆蓋作為兩種重要的保護(hù)性耕作措施受到廣泛重視。華北平原目前主要以翻耕為主。免耕被認(rèn)為是減少N2O排放的有效措施, 因為翻耕對土壤的擾動促進(jìn)了郁閉于土壤內(nèi)的N2O的釋放。而通過改進(jìn)和優(yōu)化耕作措施, 注重化肥與有機(jī)肥的配合施用, 推廣少耕與免耕技術(shù), 提高秸稈與有機(jī)物質(zhì)的歸還量, 能穩(wěn)定甚至增加土壤有機(jī)碳貯量, 減少農(nóng)田土壤的CO2凈排放[43]。研究表明秸稈還田提高了土壤的C/N比值, 引起微生物對N源的充分利用, 同時也減少了硝化、反硝化過程的中間產(chǎn)物N2O的排出[43]。然而也有研究認(rèn)為施入秸稈為反硝化微生物提供了充足的能源物質(zhì)和微域厭氧環(huán)境, 利于反硝化過程的進(jìn)行, 促進(jìn)了N2O的生成與排放[44]。但增加土地覆蓋秸稈還田、增加有機(jī)肥施用和采用輪作等方式能顯著降低土壤侵蝕、改善有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)[43]。鑒于此, 通過農(nóng)作制度管理達(dá)到減少溫室氣體排放, 應(yīng)在選擇方式之前對實施地區(qū)土壤和氣象等條件進(jìn)行實地分析和優(yōu)化選擇。

2.3 “固碳”和“減排”同步

土壤通過生物和非生物過程捕獲大氣中的碳素并將其穩(wěn)定地存入碳庫, 這一過程被稱為碳固存。增加土壤有機(jī)碳固存不僅為植被生長及微生物活動提供碳源、維持土壤良好的物理結(jié)構(gòu), 同時也是減少大氣中CO2等溫室氣體含量的一個有效、持續(xù)措施。我國耕地土壤有機(jī)碳含量總體上較低, 低于世界平均值的30%以上, 低于歐洲50%以上[33,35], 因此我國農(nóng)業(yè)土壤具有巨大的固碳減排潛力。

農(nóng)田土壤固碳措施的主要目的是將CO2固持于土壤中, 以降低大氣溫室氣體濃度。但是如何同時利用土壤固碳潛力并降低大氣中溫室氣體濃度, 卻仍是當(dāng)前面臨的一個難題。研究表明通過改進(jìn)和優(yōu)化耕作措施, 注重化肥與有機(jī)肥的配合施用, 推廣少耕與免耕技術(shù), 提高秸稈與有機(jī)物質(zhì)的歸還量, 能穩(wěn)定甚至增加土壤有機(jī)碳貯量, 減少農(nóng)田土壤的CO2凈排放。例如土壤免耕減緩了土壤中碳、氮基質(zhì)供應(yīng)量, 通過陸地生物及落葉的轉(zhuǎn)化使有機(jī)碳蓄積量增加[35], 有效提高了土壤有機(jī)碳含量。但是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳氮氣體交換對人為擾動變化的響應(yīng)時常表現(xiàn)為互為消漲效應(yīng), 一系列固碳措施減少土壤CO2排放的同時也可能會增加CH4和N2O排放[35]。例如Qiu等[45]利用DNDC模型對全國土壤有機(jī)碳的研究結(jié)果表明, 在目前的施肥水平下采取秸稈還田、增施有機(jī)肥、免耕等措施, 土壤有機(jī)碳含量能夠明顯增加, 土壤CO2釋放“源”變?yōu)椤皡R”; 但同時發(fā)現(xiàn)在北方地區(qū)土壤有機(jī)碳提高的同時, 由于微生物活性的增加, 導(dǎo)致土壤中可溶性有機(jī)碳和硝態(tài)氮含量的升高, 從而N2O排放呈現(xiàn)增加趨勢。因此采取只針對單一氣體簡單的調(diào)控策略可能達(dá)不到減緩氣候變化的預(yù)期目標(biāo), 甚至?xí)a(chǎn)生與預(yù)期完全相反的后果。因此, 在討論減排技術(shù)措施時應(yīng)兩者兼顧, 既提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳效果, 又減少溫室氣體排放以有效應(yīng)對氣候變化。Zhang等[46]的研究也指出通過合理減少化肥投入, 配合采取固碳替代管理措施, 在保持作物產(chǎn)量、增加碳固存的同時能顯著地減少溫室氣體排放。

3 總結(jié)與展望

綜上所述, 華北平原作為典型的冬小麥-夏玉米輪作高水肥精細(xì)管理農(nóng)田, 在目前的秸稈還田條件下生態(tài)系統(tǒng)正在以77 g(C)?m-2?a-1的速度損失碳, 說明高水高肥管理下其碳排放量>秸稈還田的固碳量。華北平原農(nóng)田>400 kg(N)?hm-2?a-1的過高氮素投入是造成其碳排放增加的主要原因, 其土壤N2O排放強(qiáng)度在氮肥施入量為136 kg(N)?hm-2?a-1時最低, 且在施氮量為317 kg(N)?hm-2?a-1可獲得最高作物產(chǎn)量。華北平原土壤中溫室氣體的產(chǎn)生和消耗主要發(fā)生在0~90 cm土壤剖面內(nèi), >90 cm土層主要作為土壤包氣帶中的緩沖層而存在。減少當(dāng)前華北平原農(nóng)田溫室氣體排放除了合理施肥和灌溉, 還需要改變固有的農(nóng)作制度實行減免耕等保護(hù)性措施, 并將減排和固碳同步進(jìn)行。

對華北平原溫室氣體凈排放研究, 今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)的研究方向有以下幾個方面: 1)在地-氣之間加強(qiáng)冠層尺度除CO2和H2O以外的CH4和N2O等溫室氣體的原位連續(xù)在線監(jiān)測研究, 并將穩(wěn)定性同位素技術(shù)應(yīng)用到此研究中, 以達(dá)到追蹤其來源和比例構(gòu)成的目的。2)在土壤包氣帶中, 利用穩(wěn)定性同位素技術(shù)探索土壤空氣中的溫室氣體來源比例, 明確變更農(nóng)事制度對剖面溫室氣體排放的直接和間接影響; 進(jìn)而探索剖面土壤溫室氣體產(chǎn)生和消耗與土壤-大氣界面溫室氣體排放的響應(yīng)機(jī)制。并根據(jù)不同研究區(qū)土壤類型和氣候條件, 探索既可以減少溫室氣體排放, 又可以保持作物產(chǎn)量的最佳措施。3)將模型研究應(yīng)用于土-氣界面溫室氣體排放研究。短期的試驗數(shù)據(jù)能夠得出單位面積糧食產(chǎn)量和溫室氣體的排放量, 但存在年際間的波動, 且不能夠完全反映農(nóng)田管理措施的長期效應(yīng)。經(jīng)過驗證的過程機(jī)理模型可進(jìn)行長時間尺度的模擬, 可能是解決此問題的一條捷徑。

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Review on greenhouse gas emission and reduction in wheat-maize double cropping system in the North China Plain*

WANG Yuying1, LI Xiaoxin1, DONG Wenxu1, ZHANG Yuming1, QIN Shuping2, HU Chunsheng1**

(1.Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. College of Resources and Environment, Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

The winter-wheat and summer-maize double cropping system in the North China Plain (NCP) is the classic intensive crop production pattern with high water demand and nitrogen fertilizer inputs. The carbon (C) emission quantities are higher than the carbon sequestration quantities in the cropping system. C was being lost from the intensive wheat-maize double cropping system in the NCP at a rate of 77 g(C)?m-2?a-1when harvest removals are considered, even though crop residue C is input into the soil since 30 years ago. High nitrogen (N) fertilizer application rate [>400 g(N)?hm-2?a-1] results in the increase of C emissions directly. Yield-scaled N2O emission is lowest at N application rate of 136 g(N)?hm-2?a-1. And it is found that maximal crop yield is achieved at a N application rate of 317 g(N)?hm-2?a-1, which is 20% less than current practice. More than 90% of the annual cumulative greenhouse gas (GHG) fluxes originated at soil depths shallower than 90 cm. The subsoil (>90 cm) is not a major source or sink of GHG, but it acts as a ‘reservoir’. Considering the synthetic greenhouse effect, some measures of greenhouse gas reductions were put forward in papers such as reductions of fertilizer input and water supply and improving farming system (tillage reduction or zero tillage). Furthermore C reduction needs to be in step with C sequestration. In the future, studies on greenhouse gas emissions in NCP require to be further strengthened in the following aspects: 1)continuous online monitoring of canopy scale greenhouse gases, and using stable isotope techniques to track their sources and proportions; 2) in soil profile, using stable isotope techniques to study the sources and proportions of greenhouse gases, and exploring the responding mechanism between greenhouse gas production/consumption in soil profile and their emissions at soil surface is fairly crucial; 3) using models to estimate greenhouse gas emissions of soil-atmosphere continuum.

North China Plain; Agroecosystem; Wheat-maize double cropping system; Greenhouse gas; Emission and emission reduction; Control measures

, E-mail: cshu@sjziam.ac.cn

Dec. 1, 2017;

Dec. 8, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171117

X51; X154.1

A

1671-3990(2018)02-0167-08

胡春勝, 主要研究方向為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程與機(jī)理。E-mail: cshu@sjziam.ac.cn 王玉英, 主要從事農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室效應(yīng)研究。E-mail: wangyuying@sjziam.ac.cn

2017-12-01

2017-12-08

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41473021, 41530859 and 41571291).

* 國家自然科學(xué)基金項目(41473021, 41530859和41571291)資助