華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)碳中和潛力及固碳措施*

王玉英, 胡春勝, 董文旭, 張玉銘, 李曉欣, 劉秀萍

(中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心石家莊 050022)

巴黎協(xié)定(1.5 ℃的溫控目標)要求各國在2060年到2080年間實現(xiàn)碳中和。中國在2020年9月召開的第75屆聯(lián)合國大會上提出在2030年前CO排放達到峰值(碳達峰), 2060年前實現(xiàn)碳中和(CO的人為移除與人為排放相抵消)。如要實現(xiàn)上述目標,我國“碳中和”時間表為: 2060年前實現(xiàn)碳中和,2045-2050年實現(xiàn)100%可再生能源供電, 2040-2045年退役全部傳統(tǒng)煤電。

農(nóng)業(yè)作為生態(tài)產(chǎn)品的重要供給者具有“綠色”屬性和多重“身份”。農(nóng)業(yè)碳中和是一種創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)理念和模式, 即“將工業(yè)生產(chǎn)的二氧化碳用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn), 通過作物生長把二氧化碳吸收利用”。但當前中國農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放占全國的17%, 其中農(nóng)業(yè)源CH和NO排放分別占全國的50%和92%,且以每年5%速率增長。因此在實現(xiàn)碳達峰、碳中和的征程中, 農(nóng)業(yè)的作用舉足輕重。華北平原耕地面積占全國總耕地面積的25%, 生產(chǎn)了全國76%的小麥(Triticum aestivum)和29%的玉米(Zea mays)。該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要特點是依靠大量水(＞470 m·hm)和肥[＞600 kg(N)·hm·a]投入保障產(chǎn)量。伴隨這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)田應(yīng)用的巨大問題是溫室氣體排放的迅速增加。因此該區(qū)域面臨的主要挑戰(zhàn)是在保障作物產(chǎn)量的同時采取合理的農(nóng)藝措施減少碳排放, 進一步增加碳固存, 為國家近期碳中和目標做出貢獻。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡估算

1.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳排放估算

根據(jù)《省級溫室氣體清單編制指南》非能源農(nóng)業(yè)碳排放包括水稻(Oryza sativa)種植、土地管理、動物腸道和禽畜糞便發(fā)酵, 能源農(nóng)業(yè)碳排放包括化石能源及生物質(zhì)燃燒。中國省際碳排放總量的估算公式為:

式中: E表示農(nóng)業(yè)碳排放總量(萬t COe); E和E分別為農(nóng)業(yè)非能源和能源碳排放量(萬t COe)。COe為CO當量, 即某氣體的CO當量為該氣體數(shù)量乘以其溫室效應(yīng)指數(shù)。農(nóng)業(yè)非能源碳排放量計算公式如下:

式中: e為i排放源(包括作物種植、土地管理、腸道和禽畜糞便發(fā)酵4種) j種溫室氣體的排放量, ?和T分別表示不同碳源產(chǎn)生溫室氣體的排放系數(shù)及使用量, GWP表示各種溫室氣體對應(yīng)的全球增溫潛力。

農(nóng)業(yè)能源碳排放主要來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的6個方面, 即化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)用機械、農(nóng)地灌溉和翻耕, 其計算公式如下:

式中: E為農(nóng)業(yè)能源碳排放總量, E為i種碳源的碳排放量, T為i碳排放源的量, δ為各碳排放源的碳排放系數(shù)。其中農(nóng)業(yè)能源碳排放系數(shù)及其參考來源見表1。

表1 農(nóng)業(yè)能源碳排放系數(shù)的參考來源及華北平原小麥玉米農(nóng)資投入量Table 1 Reference sources of agricultural energy carbon emission coefficients and the input of agricultural resources in wheat and maize seasons in the North China Plain

1.2 農(nóng)田系統(tǒng)非能源碳固定估算

農(nóng)田是陸地的主要組成部分, 研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡與碳動態(tài)對于理解和闡明其在全球碳平衡中的貢獻具有重要作用。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用產(chǎn)物將太陽能轉(zhuǎn)換為生物能, 在此過程中固定CO、釋放O。近40年來的大量化學(xué)肥料施入和人工灌溉等管理措施會影響從土壤釋放到大氣中的碳量和植株以凈第一生產(chǎn)力(NPP)截存的有機碳量。針對華北平原20世紀90年代初期以來推行秸稈還田條件下的小麥-玉米輪作體系, 我們分析了1978—2008年0～20 cm農(nóng)田表層土壤有機質(zhì)含量, 并據(jù)此估算了0～20 cm的土壤有機碳儲量。研究發(fā)現(xiàn)1978—2002年,冬小麥季土壤有機碳儲量從無秸稈還田的2.5 kg(C)·m迅速增加到秸稈還田24年后的4.0 kg(C)·m, 2002—2008年略有下降, 維持在3.8 kg(C)·m。夏玉米季的土壤有機碳儲量從2.4 kg(C)·m迅速增加到4.0 kg(C)·m,之后略有降低, 2002—2008年間0～20 cm土壤有機碳儲量穩(wěn)定維持在3.7 kg(C)·m(圖1)。該結(jié)果說明秸稈還田措施能有效增加土壤有機碳儲量, 進而達到增加碳固存的目的。鑒于此, 針對當前土壤有機質(zhì)含量比較低或者水土流失比較嚴重的地區(qū), 推行作物秸稈就地還田措施對有效提高土壤有機質(zhì)含量至關(guān)重要。

圖1 1978—2008年華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)0～20 cm土層土壤有機碳儲量的演變[13]Fig.1 Evolution of soil organic carbon storage in the soil layer of 0-20 cm in wheat-maize rotation system in the North China Plain from 1978 to 2008[13]

我們之前采用渦度相關(guān)法和靜態(tài)箱-氣相色譜法原位觀測華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量, 同時結(jié)合生物量觀測得出了華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)的碳平衡(圖2)。該研究指出小麥季吸收碳1051 g(C)·m、釋放碳692 g(C)·m,凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(net ecosystem exchange, NEE)和凈初級生產(chǎn)力(net primary production, NPP)分別為359 g(C)·m和604 g(C)·m, 收獲后籽粒移除碳269 g(C)·m, 由于生態(tài)系統(tǒng)輸入碳量比輸出碳量高90 g(C)·m, 因此小麥季為碳匯(用負號 “-”表示)。玉米季吸碳984 g(C)·m, 釋放碳841 g(C)·m, NEE和NPP分別為143 g(C)·m和540 g(C)·m, 收獲后籽粒移除碳310 g(C)·m, 由于生態(tài)系統(tǒng)輸入碳量比輸出碳量低167 g(C)·m, 因此玉米季為碳源(用正號“+”表示)。此研究中因為籽粒收獲最終會被移出生態(tài)系統(tǒng), 因此該部分碳被計算在了碳排放范圍。但是廣義的考慮, 實際生態(tài)系統(tǒng)中植株通過光合作用以NPP截存的有機碳量(包括籽粒和還田的秸稈)應(yīng)當計算在農(nóng)田系統(tǒng)固存的碳量中。利用這種理論,結(jié)合我們之前的研究, 發(fā)現(xiàn)華北平原冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田以NPP截存的有機碳量(包括籽粒和還田的秸稈), 小麥季和玉米季分別為604 g(C)·m和540 g(C)·m。進一步綜合考慮地下部異養(yǎng)呼吸(R)損耗(NPP-R=NEE), 小麥季和玉米季的凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量NEE分別為-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(圖2)。

圖2 華北平原小麥-玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源碳收支平衡圖[13][單位為g(C)·m-2]Fig.2 Non-energy carbon budgets in a wheat-maize rotation ecosystem in the North China Plain[13].The unit is g(C)·m-2.

鑒于此, 在當前以秸稈還田為背景的華北平原小麥-玉米輪作系統(tǒng)中, 提高水分和肥料利用效率, 能增加生物量和作物產(chǎn)量, 從而達到減少碳排放增加大氣碳固存的目的。將合理的管理措施應(yīng)用到該農(nóng)田系統(tǒng), 能夠達到農(nóng)業(yè)碳中和的目的。

1.3 農(nóng)田系統(tǒng)非能源與能源碳平衡估算

根據(jù)之前的報道小麥季和玉米季的凈生態(tài)系統(tǒng)碳截存量分別為-359 g(C)·m和-143 g(C)·m(圖2)。結(jié)合表1中農(nóng)地投入化肥[0.8956 kg(C)·kg]、農(nóng)藥[4.9341 kg(C)·kg]、農(nóng)用柴油[0.5927 kg(C)·kg]和農(nóng)地灌溉[20.467 kg(C)·hm]的碳排放系數(shù), 以及調(diào)研得出的華北平原農(nóng)田的農(nóng)資實際消耗量(表1),進一步計算了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源與能源碳排放輸入與輸出的平衡圖(圖3)。研究結(jié)果表明, 冬小麥季化肥、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機械消耗柴油和農(nóng)地灌溉的碳排放分別為90.7 g(C)·m、3.74 g(C)·m、5.68 g(C)·m和2.05 g(C)·m, 玉米季分別為53.7 g(C)·m、2.89 g(C)·m、10.2 g(C)·m和2.05 g(C)·m。上述能源碳排放結(jié)合非能源碳固定, 冬小麥季和夏玉米季的碳匯強度分別為-257 g(C)·m和-74.1 g(C)·m。以華北平原典型集約高產(chǎn)糧區(qū)——河北欒城為例, 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù), 欒城近年來小麥、玉米種植面積分別約為1.49萬hm和1.27萬hm。因此估算出河北欒城每年冬小麥和夏玉米農(nóng)田的碳中和潛力分別為3.8×10g(C)和9.4×10g(C)。此外, 還有另外一種情形需要考慮: 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)的顯著特點是籽粒最終會以收獲的方式移出生態(tài)系統(tǒng), 如果將籽粒收獲的碳算作碳排放的情況下結(jié)合圖2和圖3, 則冬小麥季和夏玉米季均為碳源, 其碳源強度分別為12 g(C)·m和236 g(C)·m。

圖3 華北平原小麥-玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非能源碳與能源碳的碳收支平衡(小麥季為黑色字體, 玉米季為藍色字體)Fig.3 Carbon budgets of non-energy carbon and energy carbon in a wheat-maize rotation ecosystem in the North China Plain (black font represents wheat season and blue font represents maize season)

鑒于上述分析, 我們發(fā)現(xiàn)當前華北平原秸稈還田條件下高水高肥精細管理的小麥-玉米輪作系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯(包括籽粒固碳), 其中冬小麥生長季碳匯強度是玉米季的近3.5倍。因此水熱同季的夏玉米季的未來固碳潛力存在很大的可發(fā)掘性。

2 華北平原農(nóng)業(yè)碳中和固碳措施

2.1 加強耕地管理

當前華北平原糧食高產(chǎn)主要依靠化肥農(nóng)藥的過量投入, 我們的研究結(jié)果表明這些措施使植物碳足跡和碳投入與20世紀80年代初相比每年額外增加168 g(C)·m, 與碳中和目標相悖。近年來因過度耕作和過量施肥導(dǎo)致華北平原0～20 cm土壤有機碳儲量降低強度高達0.3 kg(C)·m, 因此需要加強耕地管理。針對上述問題首先需要在保障產(chǎn)量的前提下,有序開展有機肥料逐步替代部分化肥。其次結(jié)合測土配方施肥和節(jié)水灌溉等農(nóng)技措施, 減少碳投入降低碳排放。第三建立不同的輪作休耕制度和秸稈還田, 提高土壤固碳能力。研究表明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量森林、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)分別占39%～40%、33%～34%和20%～22%。針對我國耕地分布面積廣的特點, 亟需加強耕地生態(tài)功能保護。例如進一步優(yōu)化種植和養(yǎng)殖業(yè)布局, 降低養(yǎng)殖業(yè)污染物水平等具體措施。借鑒發(fā)達國家經(jīng)驗, 涵養(yǎng)保護土壤生態(tài)功能, 提高固碳水平。

2.2 發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)

只有降低單位產(chǎn)量或產(chǎn)品的溫室氣體排放強度才能促進碳中和, 農(nóng)業(yè)低碳發(fā)展是當前農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展趨勢。因此當前亟需建立低碳農(nóng)業(yè)模式。在保障糧食產(chǎn)量的前提下, 推廣淺耕、免耕技術(shù)、智能灌溉、科學(xué)施肥等措施促進農(nóng)業(yè)低碳化。通過改善動物健康和飼料消化率調(diào)控腸道CH釋放, 提高畜禽廢棄物利用率和效率, 減少CH和NO排放等措施, 降低農(nóng)業(yè)溫室氣體排放強度。長期以來我國實行粗放式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式, 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)資源利用效率低下, 同時也加重了環(huán)境污染, 增加了碳投入。鑒于此當前亟需提高規(guī)?；r(nóng)業(yè)經(jīng)營水平和生產(chǎn)效率。加強農(nóng)業(yè)用地的集約化經(jīng)營; 改善和加強農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施更新改造, 推廣節(jié)水灌溉及農(nóng)業(yè)機械化和智能化水平。此外推廣低碳腐植酸肥料可促進化肥低碳化。與化學(xué)肥料相比腐植酸低碳肥料對土壤中團聚體、尤其是水穩(wěn)性團聚體形成有很強的促進作用。研究表明每施用1 kg腐植酸, 植物吸收CO量增加240 kg。鑒于此, 推廣腐植酸低碳肥料可實現(xiàn)“土壤-肥料-作物”產(chǎn)業(yè)種植鏈的低碳化,是十分高效的碳中和模式。

2.3 發(fā)展富碳農(nóng)業(yè)

富碳農(nóng)業(yè)就是用人工增施CO氣肥的手段滿足作物對CO的需求。當前將CO作為氣肥或制成干冰在溫室和大田使用, 能有效提高作物抗病力且增加土壤有機質(zhì), 進而提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。同時從大氣中捕獲CO制成CO氣體肥料, 也是最直接的減排和固碳手段。因此增施CO氣肥對我國當前碳中和目標具有重要意義。由于溫室大棚長期處于“碳饑餓”狀態(tài), CO氣體施肥能有效解決設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中CO不足的瓶頸難題。CO氣體施肥增產(chǎn)效果顯著。在美國亞拉巴馬州奧本國家土壤動力學(xué)實驗室為期3年的研究表明, 在作物生長旺盛期和結(jié)果期增施CO, 高粱(Sorghum bicolor)和大豆(Glycine max)的生物量分別增加30%和40%。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草增施CO后增產(chǎn)200%。鑒于此, 針對我國當前溫室大棚面積有限, 有計劃地推廣溫室CO氣體施肥可顯著提高整體農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。此外, CO氣體施肥有效保證糧食安全。研究表明增施CO的作物可普遍減少50%～60%農(nóng)藥用量。同時CO氣體施肥可提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。例如內(nèi)蒙溫室大棚增施CO氣肥后番茄(Lycopersicon esculentum)增產(chǎn)25%, 且果實色澤口感等大幅度提升。最后增施CO氣肥后促進作物根系發(fā)達, 進而增加土壤有機質(zhì)含量。綜上所述, 富碳農(nóng)業(yè)發(fā)展在碳中和的背景下為大勢所趨。

3 實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達峰碳中和的挑戰(zhàn)

在我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達峰碳中和過程中面臨巨大挑戰(zhàn)。首先落實難度大。以種植業(yè)為例, 當前我國主要是小農(nóng)戶種植主導(dǎo), 相關(guān)的固碳減排標準難以有效推廣, 且考慮經(jīng)濟利益國家財政應(yīng)予以大力補貼。其次當前缺乏農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳達峰碳中和的專業(yè)研究機構(gòu), 導(dǎo)致相關(guān)政策解讀和標準制定困難。針對這個問題應(yīng)當建立完善的專業(yè)研究平臺, 整合各方力量開展系統(tǒng)研究。

綜上所述, 華北平原作為我國的糧食主要產(chǎn)區(qū)之一, 為了保障糧食生產(chǎn), 采取高水高肥的精細管理措施, 這直接導(dǎo)致了當前該區(qū)域碳排放源強度高達236 g(C)·m。這也從另一個方面印證了華北平原農(nóng)田系統(tǒng)具有很高的碳中和潛力。未來通過調(diào)整該地區(qū)的田間管理措施, 推進農(nóng)業(yè)資源重組, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率, 促進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展, 以期有效實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳中和。