農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究進(jìn)展

趙明月,劉源鑫,張雪艷

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081 2 首都師范大學(xué)交叉科學(xué)研究院,北京 100048 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2021年8月,聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(IPCC)發(fā)布第六次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告《氣候變化2021:自然科學(xué)基礎(chǔ)》指出,2011至2020年,全球地表溫度比工業(yè)革命時(shí)期上升1.09℃,2019年CO2濃度達(dá)到0.041%,高于200萬年以來的任何時(shí)候。為積極應(yīng)對和減緩全球氣候變化,控制CO2等溫室氣體排放,對充分發(fā)揮陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能,增加固碳,提出了迫切需求。陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力巨大,對全球和區(qū)域碳循環(huán)具有重要影響意義[1—2],是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要生態(tài)措施[3—4]。陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳效應(yīng)、季節(jié)和地區(qū)差異、驅(qū)動(dòng)機(jī)制均是目前研究的熱點(diǎn)[5—7]。根據(jù)全球碳收支項(xiàng)目發(fā)布的《Global Carbon Budget 2021》,2020年全球陸地系統(tǒng)碳匯量(2.9±1)Gt C/a[8],其中全球大氣CO2濃度升高是當(dāng)前陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯增加的主導(dǎo)因素之一[9—10]。中國陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球陸地碳匯中發(fā)揮了重要作用,中國約占世界陸地面積的6.5%,貢獻(xiàn)了全球陸地碳匯10%—31%[11]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地三大系統(tǒng)之一,占陸地生態(tài)系統(tǒng)的38.5%,是碳循環(huán)過程最活躍的碳庫。其碳匯及固碳能力在以往的研究中,往往被低估甚至忽略了[12]。事實(shí)上,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)既可能是碳“源”,也可能是碳“匯”。一方面,農(nóng)田作物和土壤呼吸向大氣中釋放CO2,全球農(nóng)業(yè)排放的二氧化碳占人為溫室氣體排放總量21%—25%,是溫室氣體重要排放源之一[13],因此人們普遍認(rèn)為農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是碳源。但與此同時(shí),農(nóng)作物進(jìn)行光合作用吸收和固定大氣中的CO2,以生物量的形式貯存在作物中,并利用農(nóng)田土壤進(jìn)行固碳[14]。因此,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為全球碳平衡中的重要角色,其與大氣CO2具有雙向傳導(dǎo)作用,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能逐漸受到重視[15]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯對全球碳循環(huán)的重要作用,表現(xiàn)在農(nóng)作物和農(nóng)田土壤碳匯兩個(gè)方面。農(nóng)作物碳庫普遍小于農(nóng)田土壤碳庫,其研究也相對薄弱,已有研究多集中在農(nóng)作物碳儲量估算[16]、影響因素、時(shí)空分異與尺度變化方面[17],對農(nóng)作物凈碳匯效益的分析尚顯不足[18]。研究者普遍認(rèn)為,由于農(nóng)作物增加的生物量大多在短時(shí)期內(nèi)經(jīng)分解又釋放到大氣中,因此認(rèn)為農(nóng)作物生物量碳匯約為零[19]。陸地土壤有機(jī)碳儲量約為1400—1500 Pg,是地球表面最大的碳庫,約為大氣中碳儲量的2倍,土壤中碳儲量的變化直接影響到大氣中CO2[20],其中農(nóng)田土壤碳儲量約占陸地土壤碳儲量的8%—10%。由于土壤碳匯固定在土壤中有機(jī)碳的穩(wěn)定性及持續(xù)時(shí)間尚存爭議,且不同研究區(qū)域、農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)、農(nóng)田管理措施等都會(huì)對農(nóng)田土壤碳匯產(chǎn)生影響,因此農(nóng)田土壤碳匯估算的不確定性較高。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)助力“碳中和”愿景體現(xiàn)在大氣CO2固定和減排兩個(gè)方面,主要通過加強(qiáng)土壤固碳能力和提高化肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料利用率來實(shí)現(xiàn)。由于管理方式、輪作和耕作制度等農(nóng)田措施對土壤有機(jī)碳的儲存和轉(zhuǎn)化有較大影響[21],利用保護(hù)性耕作、結(jié)合覆蓋、輪作、農(nóng)藥病蟲害防治等措施,可以減少碳庫損失、增加碳輸入以增加土壤固碳。由于氣候變化、地理環(huán)境和人類活動(dòng)等影響作用,不同農(nóng)田管理措施在不同區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯效果差異顯著,如何判別農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力,并據(jù)此提出針對性措施提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯,目前研究尚未取得統(tǒng)一定論。

“十四五”時(shí)期,我國生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、推動(dòng)減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期。2021年10月,國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,特別指出“推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳”。在此背景下,針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯相關(guān)概念混雜、研究方法多樣、中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯現(xiàn)狀和潛力不明的問題,本研究基于文獻(xiàn)綜述和SoilGrids250數(shù)據(jù),厘清農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯相關(guān)概念和研究方法,分析中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯時(shí)空演變規(guī)律,根據(jù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力提出固碳技術(shù)和措施。本研究結(jié)果有助于深化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯科學(xué)認(rèn)知,促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門深入貫徹生態(tài)文明理念,提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對國家碳中和的貢獻(xiàn)。

1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯相關(guān)概念解析

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫包括作物碳庫和農(nóng)田土壤碳庫,是維系社會(huì)系統(tǒng)糧食安全和工業(yè)原材料、調(diào)節(jié)大氣CO2的重要組成部分。表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的相關(guān)概念較多且容易混淆,本文做簡單梳理,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、大氣CO2之間碳循環(huán)相關(guān)邏輯如圖1所示。農(nóng)田農(nóng)作物碳庫,主要包括經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和秸稈,反映農(nóng)作物在生長、收獲和收割過程中對大氣碳庫的固定和排放。農(nóng)田土壤碳庫是土壤有機(jī)質(zhì)、微生物活動(dòng)和根系生長共同作用的結(jié)果。二者組成的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與大氣系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的碳交換過程。施肥、耕作、收割等農(nóng)田管理加劇了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的碳交換過程,使之變得更復(fù)雜。

圖1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon cycle in farmland ecosystem綠色箭頭表示從固碳來源,灰色箭頭表示碳損失,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)及子系統(tǒng)內(nèi)綠色流入量和灰色流出量的差值為碳匯量

農(nóng)田總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Production, GPP)是指農(nóng)作物在一定時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的全部有機(jī)物的總量,表征進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的初始能量和物質(zhì),是陸地碳通量中的重要組成部分[22—23]。農(nóng)作物生物量(Crop Biomass, CB)是指單位時(shí)間單位面積內(nèi)有機(jī)物質(zhì)干重總量,含地上和地下生物量。農(nóng)作物凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP)是農(nóng)作物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)減去呼吸作用,反映農(nóng)作物通過光合作用固定大氣CO2的能力,是表征農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[24—25]。農(nóng)田土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon, SOC)是土壤碳庫的重要組成部分,是由腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體組成的含碳有機(jī)化合物。農(nóng)田系統(tǒng)中,植物根系、凋落物及人為歸還使得農(nóng)作物的部分碳再次歸還到土壤中。農(nóng)田土壤固碳潛力(Carbon Sequestration Potential, CSP)是農(nóng)田土壤在立地環(huán)境條件下最大穩(wěn)定碳庫存,受到氣候變化、人類活動(dòng)和土壤特性等共同影響[26—28]。

基于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳交換過程中相關(guān)概念,研究中常用農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net Ecosystem Productivity, NEP)或凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(Net Ecosystem Exchange, NEE)衡量區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯情況。NEP是一定時(shí)間內(nèi)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)GPP減去農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸(含自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸),即農(nóng)田NPP減去異養(yǎng)呼吸[29]。NEP代表從大氣到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳通量,為正值表明該生態(tài)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)對CO2的吸收量大于排放量,該生態(tài)系統(tǒng)是碳匯,反之則為碳源。NEE指生態(tài)系統(tǒng)呼吸減去NPP[30],和NEP大小相等符號相反。

由上述概念可知,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,農(nóng)作物碳匯等于農(nóng)作物生物量減去人類收獲和其他用途的消耗,由于農(nóng)作物收獲期短,糧食和秸稈大多被消費(fèi)和消耗掉,很難作為碳固定下來,因此,研究者普遍認(rèn)為農(nóng)作物的碳匯為零[19]。因此,農(nóng)田土壤是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的碳源,也是主要的碳匯,農(nóng)田土壤碳匯等于有機(jī)碳投入減去土壤呼吸和肥料分解排放的碳。

2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究方法

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯估算方法按照研究對象可分為農(nóng)作物生物量評估、土壤有機(jī)碳評估和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估。

農(nóng)作物生物量評估方法主要有統(tǒng)計(jì)分析、遙感模擬和基于生理生態(tài)過程的模型模擬[31]。統(tǒng)計(jì)分析方法主要是利用作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)、作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)作物含水率和收貨系數(shù)進(jìn)行估算,遙感模擬主要依賴于植被指數(shù)、凈初級生產(chǎn)力等；生態(tài)過程模型充分考慮作物生長、環(huán)境與人為管理,包括作物生長模型(Crop Growth Model)、作物表面模型(Crop Surface Models)等,常見的作物生長模型包括WOFOSRT模型、DSSAT模型、CERES模型、APSIM模型、CCSODS模型和AquaCrop模型等。

土壤有機(jī)碳評估方法包括Meta 分析、土壤調(diào)查數(shù)據(jù)差減和土壤有機(jī)碳模型[32]。Meta分析作為一種整合分析方法,可以綜合對比以往研究結(jié)果,在區(qū)域或全球尺度得到一個(gè)相對普遍的結(jié)論。土壤調(diào)查數(shù)據(jù)差減依據(jù)國家1958—1960年、1979—1985年開展的全國土壤普查,空間分辨率高,數(shù)據(jù)詳實(shí),但缺少年份更新,難以理清年際變化特征?；谶^程的土壤有機(jī)碳模型考慮土壤生態(tài)生理過程,識別關(guān)鍵影響因素,可預(yù)判未來土壤有機(jī)碳變化,較好服務(wù)于土壤管理,主要包括Century、CANDY、DAISYS、DNDC、NCSOIL、RothC、Agro-C和SCNC等[10]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳核算方法包括渦度相關(guān)法、靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法、大氣反演模型、生態(tài)系統(tǒng)模型法等。渦度相關(guān)法利用感應(yīng)器測定植被上方的三維風(fēng)速、溫度、濕度和CO2濃度,根據(jù)雷諾原理計(jì)算CO2垂直通量,通過觀測NEE得到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支[33]。其優(yōu)點(diǎn)在于可連續(xù)、直接測定NEE,對農(nóng)田不會(huì)產(chǎn)生損害,適用于測定較大尺度的下墊面通量；缺點(diǎn)是靈敏度低、操作繁瑣,觀測對環(huán)境條件要求較高,例如需要平坦的下墊面,并且大氣邊界層內(nèi)湍流劇烈且湍流間歇期不宜過長。靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法將靜態(tài)箱罩在所要測量的樣本上,每隔一段時(shí)間抽取箱中氣體,利用氣相色譜儀測定溫室氣體的濃度,并求出CO2濃度隨時(shí)間的變化率[34]。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Φ桶魑锖粑M(jìn)行觀測,彌補(bǔ)渦度相關(guān)法夜間弱湍流交換情況下通量觀測不足和白天通量組分難以區(qū)分的問題,通過多點(diǎn)觀測可評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)呼吸的空間變異規(guī)律。大氣反演法可以動(dòng)態(tài)評估區(qū)域尺度上的碳源匯分布,缺點(diǎn)是大氣CO2濃度觀測站分布不均,發(fā)展中國家站點(diǎn)較少；且受人為CO2排放估算精度影響,人為排放高估,則陸地碳匯也會(huì)高估。基于過程的碳循環(huán)模型,優(yōu)點(diǎn)是有利于進(jìn)行歸因分析,估算不同因子的貢獻(xiàn)率,可預(yù)測未來碳源/匯。例如,改變模型輸入中CO2濃度,可得到植被生長對CO2濃度上升的敏感性。缺點(diǎn)是簡化復(fù)雜的生態(tài)過程可增加結(jié)果的不確定性,同時(shí)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)因子等模型輸入數(shù)據(jù)也會(huì)增加不確定性。

通過上述“自下而上”和“自上而下”的估算方法,研究普遍認(rèn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要碳匯,但不同估算方法得出的結(jié)果存在較大差異。研究通過禹城冬小麥—夏玉米復(fù)種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呼吸,比較了渦度相關(guān)法和靜態(tài)箱/氣相色譜法差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法實(shí)時(shí)觀測的夜間通量結(jié)果具有較好的一致性,靜態(tài)箱/氣相色譜法白天的觀測結(jié)果較渦度相關(guān)法高[33]。大氣CO2濃度和大氣反演模型是造成估算結(jié)果不確定性的主要原因。Pacala 等[35]估算美國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯為0.0—0.04 Pg C/a, Jiang 等[36]基于大氣反演估算中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯水平為(0.021±0.004)Pg C/a。綜上，針對農(nóng)作物生物量、農(nóng)田土壤有機(jī)碳和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯評估方法的總結(jié)和適用范圍，如表1所示。

表1 農(nóng)作物生物量、土壤有機(jī)碳和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳交換研究方法

3 中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯時(shí)空分異規(guī)律

學(xué)者利用多種方法對中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯進(jìn)行核算,但結(jié)果差異較大。總的來說,中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯范圍為-0.002—0.120 Pg C /a,平均值為(0.043±0.010) Pg C /a。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,植被碳匯的平均值約為0 Pg C /a,土壤碳匯平均值為(0.017±0.005) Pg C /a[45]。本節(jié)從中國農(nóng)作物生物量變化、土壤有機(jī)碳空間分布和土壤碳匯3個(gè)關(guān)鍵方面,解析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯時(shí)空分異規(guī)律。

3.1 農(nóng)作物生物量變化

農(nóng)作物碳匯基本為零,但農(nóng)作物生物量能夠評估農(nóng)田生產(chǎn)力,是重要的農(nóng)田管理監(jiān)測指標(biāo),能夠?yàn)殛懙靥际罩Ш透禺a(chǎn)量預(yù)測提供依據(jù)[46]。中國農(nóng)作物生物量的變化率出現(xiàn)波動(dòng)性增長但趨勢放緩的趨勢。采用農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)和遙感數(shù)據(jù)估算結(jié)果表明,1981—2000年期間中國農(nóng)作物的生物量按0.0125—0.0143 Pg C/a 的速率增加[19]。2010年中國農(nóng)作物產(chǎn)生的NPP為596 Tg C,其中地上NPP為517 Tg C,地下NPP為80 Tg C[47]。TW 模型和ZGS 模型評估2000—2015年中國農(nóng)田NPP均值分別為1130.60 g/m2和810.90 g/m2[48]?；?001—2010年MODIS數(shù)據(jù)集的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP平均值變化范圍0.21—17.24 Mg hm-2a-1,時(shí)間上表現(xiàn)為先增加后減少[49]。從空間分布來看,農(nóng)作物生物量呈現(xiàn)出區(qū)域差異,中國南部,尤其是長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)作物生物量最高,其次是黃淮海農(nóng)業(yè)區(qū),黃土高原、內(nèi)蒙古及長城沿線等北方地區(qū)較低。

3.2 農(nóng)田土壤碳匯時(shí)空變化

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的重要來源是土壤有機(jī)碳累積,在此本研究關(guān)注農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量和表層有機(jī)碳密度的空間分布規(guī)律。農(nóng)田土壤有機(jī)碳的主要來源包括植物體(秸稈、根系和根系滲出液)和添加到土壤中的有機(jī)肥。氣候類型、下墊面條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況決定了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳初始狀態(tài)。中國地域遼闊,縱貫7個(gè)氣候帶,從東到西橫跨三級階梯,海拔差4000多米,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況存在東西差異和城鄉(xiāng)差異。從空間格局來看,總體上農(nóng)田土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)從西到東、從南至北遞增的趨勢[50]。

此外,中國農(nóng)田土壤碳源/匯是不斷變化的[51]。基于文獻(xiàn)記載、土壤普查資料數(shù)據(jù)及DNDC過程模擬結(jié)果表明,1930—1990年期間,中國農(nóng)田土壤有機(jī)碳是碳源[52],1960—1980 年期間,中國農(nóng)田耕層土壤有機(jī)碳含量從23.0 g/kg下降到15.0 g/kg[50],農(nóng)田土壤有機(jī)碳降低主要出現(xiàn)在中國東部、南部、以及部分西北干旱地區(qū)。根據(jù)1979—1982年全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)估算,中國自然土壤開墾后耕地土壤耕層有機(jī)碳庫的總損失約為2 Pg[53]。李長生[54]根據(jù)1990年的數(shù)據(jù)利用DNDC模擬表明中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳每年丟失73.8 Tg。20世紀(jì)90年代以來,中國農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量增加,逐漸發(fā)揮碳匯功能[55]。據(jù)黃耀和孫文娟[56]研究,1993年來中國耕作土壤有機(jī)碳呈較明顯增加趨勢,大約增加311—401 Tg C。2004—2013年的土壤采樣和文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示,全國土壤有機(jī)碳總平均含量為(14.59±6.29) g/kg,水田耕層土壤有機(jī)碳含量(18.26 ±7.06) g/kg顯著高于旱地土壤(11.63±5.65) g/kg[57]。農(nóng)田土壤表層(0—20 cm)年固碳量在9.6—25.5 Tg 之間,30 cm 深度在 11—36.5 Tg 之間。單位耕地面積的固碳速率,20 cm 深度每年 74—184 kg C/hm2,30 cm 深度則為每年 85—281 kg C/hm2[58]。從空間分布格局來看有機(jī)碳含量由高到低的區(qū)域順序?yàn)槿A南>西南>東北>華東>華北>西北,其中,華北、華東、西南農(nóng)田表土有機(jī)碳含量顯著增加；華東地區(qū)有機(jī)碳增加的農(nóng)田面積占全國農(nóng)田比例最大,東北最小[59]。

3.3 農(nóng)田土壤有機(jī)碳時(shí)空變化

為彌補(bǔ)文獻(xiàn)調(diào)研中土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)覆蓋重合或者不全面、采樣點(diǎn)時(shí)間不一致等造成結(jié)果對比困難的問題,本研究根據(jù)全球土壤數(shù)據(jù)制圖結(jié)果,對比中國農(nóng)田不同表層(0—5、5—15、15—30cm)土壤有機(jī)碳含量空間分布。首先選擇SoilGrids250數(shù)據(jù)[60](https://www.isric.org/explore/soilgrids/faq-soilgrids)；其次,根據(jù)GlobeLand30土地利用覆被數(shù)據(jù)提取耕地作為研究區(qū)(http://www.globallandcover.com),重采樣到1km空間分辨率；最后,根據(jù)中國農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃(https://geodata.pku.edu.cn)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。以上數(shù)據(jù)分析和處理通過GEE(https://developers.google.cn/earth-engine)和ArcGIS10.7(https://github.com/Esri)完成,中國農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳含量空間布局如圖2所示。

由于耕地主要分布在暖溫帶、中亞熱帶、中溫帶、北亞熱帶、干旱中溫帶、南亞熱帶和干旱暖溫帶,上述地區(qū)的耕地占中國耕地總面積的96.2%,因此本研究中主要關(guān)注這些地區(qū)。從空間上來看,東北地區(qū)和南方地區(qū)土壤表層有機(jī)碳含量較高,有機(jī)碳含量的高值普遍分布在黑龍江地區(qū),但南方丘陵山區(qū)的中亞熱帶地區(qū)土壤表層有機(jī)碳平均值最高。從不同土壤分層來看,0—5 cm土壤表層有機(jī)碳含量分布在4.4—157.1 g/kg之間,5—15 cm土壤表層有機(jī)碳含量分布在3.1—164.3 g/kg之間,15—30 cm土壤表層有機(jī)碳含量分布在3.0—135.3 g/kg之間。13個(gè)農(nóng)業(yè)氣候帶中,0—5 cm土壤有機(jī)碳含量平均值分布在16.7—86.5 g/kg之間；5—15 cm土壤有機(jī)碳含量平均值分布在9.4—54.7 g/kg之間；15—30 cm土壤有機(jī)碳含量平均值分布在8.0—26.2 g/kg之間,并且0—5 cm土壤有機(jī)碳含量由高到低的順序表現(xiàn)為中溫帶>中亞熱帶>南亞熱帶>北亞熱帶>干旱中溫度>暖溫帶>干旱暖溫帶。

圖2 不同農(nóng)業(yè)區(qū)劃帶農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳空間分布Fig.2 Spatial distribution of topsoil organic carbon in farmland in different agricultural zoning zonesSOC:Soil organic carbon,土壤有機(jī)碳

4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯影響因素及固碳潛力

4.1 氣候變化和農(nóng)田管理對農(nóng)田土壤碳匯的影響

在自然因素和農(nóng)田管理的雙重作用下,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫在全球碳庫中最為活躍,因此也造成了其影響因素研究的不確定性。研究普遍認(rèn)為,氣候因素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯具有直接影響,而農(nóng)田管理措施具有決定性作用。

氣候因素對自然植被生產(chǎn)力具有直接影響[61]。研究表明,降水增加有助于農(nóng)作物生物量增加[62—63],提高秸稈產(chǎn)量,有助于增加土壤有機(jī)碳輸入。同時(shí),降水和溫度通過改變土壤水分、通氣狀況和土壤溫度,影響土壤微生物活動(dòng)和繁殖,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳含量[64]。氣候要素對土壤有機(jī)碳的影響在不同地區(qū)不同立地條件表現(xiàn)出差異[65—67]。但由于農(nóng)田管理往往能彌補(bǔ)和改善氣候因素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),尤其是土壤有機(jī)碳的負(fù)面影響,專門針對氣候要素對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯開展影響機(jī)理研究較少。

農(nóng)田管理措施,如耕作方式、施肥處理和土地利用方式,對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯具有決定性作用[32, 68]。一方面,耕作管理措施會(huì)加速表層土壤養(yǎng)分降解和淋溶進(jìn)入深層,同時(shí)部分農(nóng)業(yè)投入品直接作為碳源形式進(jìn)入土層,從而增加土壤碳匯；但另一方面,耕作擾動(dòng)會(huì)加速土壤微生物呼吸從而向大氣排放CO2。研究表明,農(nóng)田中使用化肥與有機(jī)肥配施,可顯著提高土壤增碳作用,可達(dá)0.889 tC hm-2a-1；秸稈還田、施有機(jī)肥和免耕對土壤增碳作用亦十分明顯,分別為0.597、0.545、0.514 tC hm-2a-1[69]。因此,合理調(diào)節(jié)農(nóng)田管理措施,估算土壤碳匯潛力,對調(diào)節(jié)土壤碳庫循環(huán)和增加碳匯具有重要意義。

4.2 農(nóng)田土壤固碳潛力

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力取決于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳的初始狀態(tài)、飽和水平和提升路徑三個(gè)方面。氣候條件、環(huán)境要素和人類活動(dòng)三大影響因素共同決定了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳的初始狀態(tài),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯飽和水平和維系時(shí)間主要是自然因素作用的結(jié)果。人類活動(dòng)決定了提升路徑。施肥、灌溉等農(nóng)田管理使土壤有機(jī)碳的含量短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生變化。通過實(shí)施土壤固碳措施,在未來幾十年內(nèi),每年可能補(bǔ)償0.1%—27%的農(nóng)業(yè)溫室氣體排放[70]。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化研究表明,初始土壤有機(jī)碳含量高,容易導(dǎo)致有機(jī)碳加速分解和流失；初始有機(jī)碳含量越低,其增加潛力越大[71]?；诘诙稳珖寥榔詹閿?shù)據(jù),中國農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳密度為 26.6—32.5t C/hm2,低于美國農(nóng)田的平均值 43.7 t C/hm2[72]和歐洲農(nóng)田的平均值 40.2 t C/hm2[73]。這說明我國利用化肥和有機(jī)碳配施增加作物干物質(zhì)產(chǎn)量、提高土壤碳輸入、促進(jìn)農(nóng)田土壤固碳具有較大潛力。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力主要集中在農(nóng)田土壤[74—75]。由于對固碳潛力邊界的界定和評估方法的不同,導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏一致性。研究顯示,肥料和有機(jī)殘留管理、保護(hù)性耕作、種植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有機(jī)碳匯的主要措施。例如,與秸稈不還田相比,秸稈還田可顯著增加7.7%—14.6%的土壤有機(jī)碳含量[76]。秸稈還田后,約有8%—35.7%的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳,并被保存到土壤碳庫中[77]。在實(shí)際情況下,上述措施往往都不是單一實(shí)行的,而是多種措施配套使用。例如秸稈還田,配合免耕、合理施肥等多種手段和技術(shù),能顯著提高土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量。梁二等[78]研究認(rèn)為,在維持20 世紀(jì)80 年代農(nóng)田管理和氣候條件不變的情況下,中國農(nóng)田土壤固碳潛力約為668 Tg C。Yan等[79]研究顯示,在采用50%免耕和50%秸稈還田的條件下,中國農(nóng)田土壤年均固碳將達(dá)到32.5 Tg C。同時(shí),在土壤保持、保護(hù)性耕作、免耕、秸稈還田、水肥管理等措施下,農(nóng)田土壤固碳速率為0—1.48 tC hm-2a-1),固碳潛力400—2000 TgC/a?？偨Y(jié)上述農(nóng)田管理措施、對土壤有機(jī)碳的潛在影響及固碳效果，如表2所示。

表2 農(nóng)田措施對土壤有機(jī)碳固碳潛力的影響效果

5 研究不足和展望

中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯對維系全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán),維持糧食產(chǎn)量和品質(zhì),甚至對保障全球糧食安全都具有重要意義。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能包括農(nóng)作物生物量固碳和農(nóng)田土壤固碳,且主要依賴后者。受制于氣候因素和農(nóng)田管理活動(dòng)的共同影響,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力和能力差異性較大。中國農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量較低,呈現(xiàn)時(shí)空分布不均且總體上逐年緩慢增長的趨勢?？v觀全球,由于各國環(huán)境條件和農(nóng)業(yè)實(shí)踐方法不同,采取的土壤固碳措施差別很大。但沒有一個(gè)國家達(dá)到“4p1000”倡議的期望目標(biāo),這說明為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要探索更多的措施和方案[70]。未來四十年,是中國大力挖掘生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力的關(guān)鍵時(shí)期,推動(dòng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯科學(xué)研究和技術(shù)推廣,是助力“碳中和”的重要路徑之一。

中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能已達(dá)成共識,但碳匯估算不確定性高,結(jié)果缺乏一致性。由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)排放溫室氣體,尤其是水稻田排放甲烷,加之化肥等農(nóng)田管理無疑增加了碳排放,因此很長時(shí)間內(nèi)人們認(rèn)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為碳源。隨著有機(jī)肥和科學(xué)農(nóng)田管理,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),尤其是農(nóng)田土壤固碳的功能逐漸受到關(guān)注。1980年以來,中國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)開始實(shí)現(xiàn)凈固碳,且碳匯功能不斷增強(qiáng)。但由于固碳邊界界定、管理措施、研究方法和數(shù)據(jù)的復(fù)雜性,對碳匯估算仍存在較大的不確定性[59]。尤其是作為最活躍的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯時(shí)空差異大,進(jìn)一步增大了估算結(jié)果的不確定性。

氣候因素對農(nóng)田土壤有機(jī)碳的影響存在較大時(shí)空差異,對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響往往被忽略。農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫及碳匯潛力是自然和人為作用的共同結(jié)果,但農(nóng)田土壤的碳匯飽和水平應(yīng)是自然因素作用的結(jié)果,人類活動(dòng)通過改變實(shí)施路徑起到干擾或加劇的作用。研究普遍認(rèn)為水熱條件是有機(jī)碳含量和變化的控制因素[58],但氣候因素對土壤有機(jī)碳的變化影響研究存在差異,厘定氣候變化對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的影響機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判研究不足。如何在人為措施中增加氣候變化適應(yīng)性管理,是未來農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究的一個(gè)重要方向。同時(shí),實(shí)施有效的農(nóng)田管理措施,包括施用有機(jī)肥、秸稈還田、保護(hù)性耕作等,對土壤固碳的貢獻(xiàn)率仍值得探究。

土壤固碳技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新,如何因地制宜協(xié)調(diào)本地自然和人為影響因素是提升土壤碳匯的關(guān)鍵。肥料和有機(jī)殘留管理、保護(hù)性耕作、種植模式、灌溉等農(nóng)田管理可有效提高土壤有機(jī)碳含量,提升碳匯水平。但在實(shí)際情況中,農(nóng)田管理措施往往以提高產(chǎn)量為目的,甚至造成土壤碳源的現(xiàn)象。保護(hù)性耕作固碳技術(shù)通過減少對土壤的擾動(dòng),降低土壤侵蝕,促進(jìn)蓄水保墑,提高表層土壤有機(jī)碳含量,增強(qiáng)土壤固碳能力。農(nóng)作物秸稈還田固碳技術(shù)通過秸稈粉碎拋撒、機(jī)械還田,將碳保留在土壤中,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量?？茖W(xué)推廣保護(hù)性耕作,提升生物質(zhì)和秸稈還田水平,開發(fā)和推廣農(nóng)田管理措施和技術(shù),以及評估其碳匯能力,是挖掘農(nóng)田土壤碳匯潛力的重要方向。