农田碳汇估算模型与应用研究述评

随着全球变化研究的不断深入,农田碳汇管理日益受到学术界与决策界的关注。农田作为陆地生态系统的重要组成部分,其固碳能力的发挥关系到能否降低大气CO2浓度和抑制全球变暖趋势。回顾近10多年来国内外农田碳汇估算模型与应用研究的主要进展,概述了4种代表性农田碳汇估算模型的原理、结构、参数及制备、应用案例和模型检验等技术环节,为区域、国家乃至全球尺度农田碳汇估算筛选了模型与方法。     

河南省农田生态系统碳源/汇研究

采用1992-2007年河南省各地市主要农作物产量、耕地面积及农业投入等数据,对农田生态系统碳源/汇进行了测算,分析了碳源/汇及碳汇强度的时空变化特征,并提出了相应的碳增汇对策和建议。结果表明:1992-2007年,河南省农田生态系统碳吸收、碳排放及其强度均呈明显增加的趋势,碳吸收明显大于碳排放,河南省农田生态系统碳汇功能不断增强;化肥施用带来的间接碳排放成为主要的碳排放源;1992年以来,农田生态系统碳汇量呈明显增加的趋势,区域单位面积产量越大,碳汇强度也越高;河南省农田生态系统碳汇强度自东北到西南逐渐降低,平原地区明显大于山区。     

农田碳汇管理策略及其效果评价

目前增加农田生态系统的碳储量的措施主要有：减少碳损失,包括提高能源利用率,减少水土流失和提高水肥利用率;增加土壤有机碳,包括调整耕作制度,使用有机肥料,应用深根作物和增加土壤中微团聚体的含量。在分析各种策略与措施的基础上,笔者认为以下几种农田碳汇管理措施有效且较容易推广。①实施土地用途转换管理：把低产及土壤退化严重的农田变成草地或森林;集约管理农田,实行农林复合、林草复合经营方式;在区域或地区尺度变单一土地利用方式为承担不同人类需要的多种土地利用方式等。②调整耕作制度：免耕不仅使土壤团聚体的数量和稳定性增加,从而减少了团聚体内部有机质的分解作用;还能有效地抑制土壤的过度通气,减少有机碳的氧化降解,防止土壤侵蚀;此外,免耕土壤有机碳的平均滞留时间比常规耕作土壤增加了约1倍。轮作能提高土壤固碳效率,在轮作中加入豆科作物或豆科牧草更可增加土壤有机质汇集,是实现土壤蓄存碳潜力的重要途径。提高复种指数,降低休耕频率可以提高作物产量并增加土壤作物残茬和根的有机质输人,从而增加土壤中有机碳的含量。③改善经营与管理：有机肥或有机肥和化肥配合施用,能显著提高土壤有机碳含量．应当优先选择;人为改变土壤的水分条件可以调节土壤排放温室气体的总量、组成及其产生的潜在温室效应;残茬和土壤有机质库的增加,可以改善植物的水分利用效率和营养再循环能力,减少养分流失,加强碳汇集。④依托技术进步：如改良作物品种,有计划地抓紧培育具有对高温、干旱等极端气候及病虫害有抗性的品种,确保在新的生态环境中产量不断提高,扩大碳的吸收存储。此外,采用新型节能的农机部件对拖拉机等农业动力机械进行改装,也可减少农田碳排放,增加农田碳汇的潜力。     

遵义市近60年的农田生态汇及碳足迹变化

为黔北喀斯特山区的低碳农业持续发展提供理论依据,采用农田系统碳汇计算方法,研究遵义市近60年农田碳汇及碳足迹。结果表明:遵义市60a农田系统的年均固碳能力呈波动趋势,年均固碳量为274.61万t;农田碳汇强度为4.55t/hm~2,其中,1959—1961年碳汇强度为3.30t/hm~2,农田碳汇强度增加速度为0.04t/(hm~2·a),1961—2000年农田碳汇强度增速为0.10t/(hm~2·a),2001—2008年农田碳汇强度呈降低趋势。遵义市农田碳足迹总体呈增加趋势,平均为2.40×104hm~2;遵义市60a不同农作物对固碳的贡献水稻最大,为60.89%;玉米其次,为17.07%,小麦第三,为8.29%;研究期间内,水稻的碳汇贡献由最初的78.29%降至50.33%。遵义市农田碳汇随着农业碳投入的变化而变化,在农田管理年投入碳大于20万t后,遵义农田碳汇无显著变化;遵义农田管理碳投入小于20万t时,农田碳汇呈显著增加趋势,增速为10.44万t/万t。     

四川兴文县农田生态系统碳源/汇现状特征研究

采用2003～2010年四川省兴文县农业投入和产出相关农业数据,对农田生态系统的碳源/汇现状特征进行了研究。结果表明:①2003～2010年兴文县农田生态系统碳吸收量呈持续增加趋势,2010年碳吸收量达183 487.22 t,比2003年提高了8.76%。②2003～2010年兴文县农田生态系统排放量总体呈增加的趋势,从2003年的10443.06 t增加到2010年的11955.70 t,化肥施用是导致碳损失的主要途径。③兴文县农田生态系统的碳吸收大于碳排放,具有较强的碳汇能力,但碳排放的增长大于碳吸收的增长,对农田碳汇培育形式压力。     

农田生态系统碳源/碳汇综述

当前全球温室效应不断增强,为探索解决这一问题的有效措施,全球气候变化逐渐成为重要的研究领域。陆地土壤是地球表面最大的碳库,具有极强的碳储存能力,农田生态系统是陆地三大系统之一,不同的农田管理措施、研究区域、农田种植结构等都会对农田系统碳储量产生重要的影响,农田碳的研究对全球气候变化具有重要意义。文章通过总结众多学者的研究,指出目前研究中存在的问题和不足,同时综述了农田生态系统碳源/汇定量研究的主要方法及影响因素,虽然气候、土壤等自然因素的差异会对不同区域的碳收支平衡产生影响,但灌溉量、农业机械化程度等人为管理措施才是导致农田生态系统碳源/汇变化的主导因素。为实现社会的可持续发展,需合理调整农田管理措施,走绿色农业发展之路。     

气候变化对农田生态系统碳氮过程的影响及其对生产的启示

从农田生态系统过程角度综合分析了气候变化([CO_2]增加、温度升高)对土壤碳库、氮供给生物化学过程的综合影响和长期效应。总结指出,[CO_2]增加、温度升高对农田生态系统过程的影响具有明显的时间效应,短时间尺度上加快农田土壤养分周转,改变碳氮组分,长时间尺度上导致土壤养分有效性降低;[CO_2]增加、温度升高和养分管理对农田生态系统过程的影响具有显著的交互作用,土壤养分有效性制约着气候变化对农田生态系统生产力和碳汇功能的影响。因此,气候变化([CO_2]增加、温度升高)情景下对农业生产管理包括施肥运筹及秸秆还田策略等的启示在于:根据气候变化背景下土壤养分的周转规律有效管理农田土壤养分、保持农田土壤肥力,从而保障农业高产的可持续性以及农田碳汇的生态服务功能。     

潍坊市农田生态系统碳源(碳汇)及其碳足迹变化

以山东省潍坊市为研究区,以种植面积、农作物产量及农业投入等相关数据为基础,定量测算2003—2012年潍坊市农田生态系统的碳源(碳汇),分析期间碳足迹的变化。结果表明:1)2003—2012年,潍坊市农田生态系统碳吸收总量小于碳排放总量,二者的比例为1∶7.4,碳排放强度增长率从0.055%减少到0.048%,碳吸收强度增长率从1.18%增加到1.98%。10年间农田生态系统碳吸收量和碳排放量分别增长了10.69%和7.02%,碳吸收增长率高于碳排放增长率,农田系统具有较强的碳汇功能。2)蔬菜是主要的碳汇,占比为73.31%,6种碳排放途径中,农田灌溉是主要的碳源,占比为87.32%。3)农田生态系统碳足迹从2003年的38.990万hm2减少到2012年38.769万hm2,碳足迹平均占生态生产性土地面积的1.456%,比例较低。10年间碳足迹强度均值为0.14 hm2/万元,2003—2012年潍坊市农田生态系统每增加1万元的产值可以制造0.14 hm2的碳足迹。     

低碳背景下德州市农田生态系统碳源汇变化及其影响因素分析

本研究依据2001-2010年农作物产量、耕地面积及农业投入等数据,对德州市农田生态系统碳汇进行估算并分析变化情况,并探讨农田生态系统碳源汇的影响因素;结果显示德州市2001-2010年农田生态系统的碳吸收总量呈增加的趋势;小麦、玉米作为主要的粮食作物,吸收量明显高于其他农作物;2001-2010年德州市碳排放呈现先增后减的变化;不同县市由于农业发展方向和发展特色的差异,造成碳排放也不相同;五种途径碳排放过程中,化肥施用过程中碳排放所占的比例较大且呈减少的趋势;2001-2010年德州市碳吸收量远远大于碳排放量,德州市农田生态系统具有很强的碳汇功能。碳源汇影响因素分析表明,德州市农田生态系统碳吸收量与小麦、玉米、棉花的产量有正相关;农用化学品投入和燃料动力使用以及耕作灌溉管理均显著正相关。     

基于京津翼一体化的农田生态系统碳足迹年际变化规律研究

基于京津冀一体化背景下,以农田生态系统作为研究对象,对2005—2014年农田生态系统的碳汇、碳源、碳足迹的年际变化进行了研究,为京津冀一体化的规划和产业布局提供理论依据。结果表明：京津冀地区农田生态系统的碳汇功能呈下降趋势,近10年降幅为6.6%,年均固碳量为485.5万t·a^-1,碳汇功能的主要决定因素是粮食作物中玉米与小麦的经济产量及种植面积。京津冀地区农田生态系统碳排放量年均727.8万t·a^-1,基本上呈现出逐年降低的趋势,碳排放量的主要决定因素为农业化学品中氮素化肥的施用量。京津冀地区农田生态系统碳足迹年均为161.2万hm²·a^-1,呈现出逐年减少趋势,处于碳生态盈余状态。     

广东省农田生态系统碳源汇时空差异

以1992要2011 年广东省21 个地区农作物产量、农作物播种面积、种植面积、农业投入等相关数据为依 据,对全省农田生态系统碳源汇进行了估算分析,并研究了农田生态系统碳源汇的影响因素。结果表明院20 年来广东 省农田生态系统碳吸收总量总体呈现逐步下降趋势,其中粮食作物和经济作物的碳吸收量波动下降,果蔬作物碳吸 收量显著增加;农田生态系统碳排放量呈现逐渐增加的趋势,其中化肥、农药等农用化学品投入带来的碳排放所占 比例最大。广东省农田生态系统碳排放量远远小于碳吸收量,农田作物具有较强的碳吸收功能,表现为明显的碳汇。 从分布格局来讲,不同区域之间的碳排放量和碳吸收量差异很大。     

湖北省农田生态系统温室气体排放特征与源/汇分析

为了深入了解湖北省农田生态系统的源/汇变化特征，采用《省级温室气体清单编制指南》和IPCC（政府间气候变化专门委员会）2014年推荐的温室气体计算方法，利用2007-2017年湖北省农作物产量、耕地面积等相关统计数据及土壤检测数据，对湖北省农田生态系统的源/汇特征进行分析。结果表明：湖北省农田生态系统的温室气体排放呈先增后降趋势，总体分为较快增长阶段（2007-2010年）、缓慢增长阶段（2011-2014年）和缓慢下降阶段（2015-2017年）三个阶段；农作物碳吸收量波动较大，不同农作物的碳吸收量不同，其中水稻、小麦、油菜籽、玉米的碳吸收量较高，分别占农田生态系统碳吸收总量的44.01%、14.11%、10.66%、9.24%；单位年内，农作物碳吸收量高于温室气体排放量，湖北省农田生态系统具有较强的"汇"功能，然而农作物碳吸收量并不稳定，容易受到微生物分解和秸秆燃烧的影响而减少；2007-2017年农田耕地土壤有机碳增量为13.52 Tg，耕地土壤呈现"汇"的特征。研究表明，湖北省农田生态系统整体呈现"汇"的状态，农作物碳吸收量对农田生态系统源/汇特征变化具有较大影响。适当增加水稻、玉米、芝麻等碳吸收强度较高的农作物种植量，减少秸秆燃烧量，有利于维持农田生态系统"汇"特征，减少向系统外排放温室气体。     

喀斯特流域退耕还林项目的碳汇效应分析——以贵州省红枫湖流域为例(英文)

[目的]对红枫湖流域退耕还林项目的碳汇效应进行分析,为贵州省退耕还林的碳汇潜力提供参考依据。[方法]通过对2000~2006年红枫湖流域内退耕还林工程实施情况的调查,对林区内主要树种杉木(Cunninghamia lanceolata)、柳杉(Crypto-meria fortunei)、桃(Amygdalus persica)、李(Prunus salicina)、杏(Armeniaca vulgaris)、喜树(Camptotheca acuminata)和楸树(Catalpa bungei)7种林木的碳汇量及碳汇效应进行计算。在此基础上,估算了红枫湖流域2015年的森林碳汇总量。[结果]2000~2006年,随着时间的变化,森林的中、幼龄林生物蓄积量和碳汇量有上升的趋势,2006年达到1.05×107kg,将发挥越来越大的固碳潜力。在所研究的7种树种中,杉木是研究区内碳汇功能强的树种,预测到2015年,其单位面积碳汇量可以达到106.51t/hm2,其次为柳杉,单位面积碳汇量为99.42t/hm2,杏的碳汇功能最弱,单位面积碳汇量为13.03t/hm2;7种树种的森林碳汇总量为2.35×107kg,平均单位面积碳汇量为26.17t/hm2(c);按305.0元/t的价格计算,可产生7.17×106元的经济效益,按254.1元/t(c)的价格计算,可产生5.91×106元的经济效益。[结论]红枫湖流域退耕还林碳汇效应的经济效益巨大,具有较大的增值空间。     

喀斯特流域退耕还林项目的碳汇效应分析——以贵州省红枫湖流域为例

[目的]对红枫湖流域退耕还林项目的碳汇效应进行分析,为贵州省退耕还林的碳汇潜力提供参考依据。[方法]通过对2000～2006年红枫湖流域内退耕还林工程实施情况的调查,对林区内主要树种杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、桃（Amygdalus persica）、李（Prunus salicina）、杏（Armeniaca vulgaris）、喜树（Camptotheca acuminata）和楸树（Catalpa bungei）7种林木的碳汇量及碳汇效应进行计算。在此基础上,估算了红枫湖流域2015年的森林碳汇总量。[结果]2000～2006年,随着时间的变化,森林的中、幼龄林生物蓄积量和碳汇量有上升的趋势,2006年达到1.05×107kg,将发挥越来越大的固碳潜力。在所研究的7种树种中,杉木是研究区内碳汇功能强的树种,预测到2015年,其单位面积碳汇量可以达到106.51t（C）/hm2,其次为柳杉,单位面积碳汇量为99.42t（C）/hm2,杏的碳汇功能最弱,单位面积碳汇量为13.03t（C）/hm2;7种树种的森林碳汇总量为2.35×107kg,平均单位面积碳汇量为26.17t（C）/hm2;按305.0元/t的价格计算,可产生7.17×106元的经济效益,按254.1元/t（C）的价格计算,可产生5.91×106元的经济效益。[结论]红枫湖流域退耕还林碳汇效应的经济效益巨大,具有较大的增值空间。     

北京市农田生态系统碳足迹及碳生态效率的年际变化研究

近年来,由于北京城市功能的疏解以及郊区城市化进程的加快,使北京市农田生态系统受到了较大的冲击。本文以北京农田生态系统作为研究对象,对2004—2012年农田生态系统的碳汇、碳源、碳足迹以及碳生态效率的年际变化进行了研究,以明确其在北京城市发展中的功能与地位,为北京市健康持续发展及产业布局提供理论依据。结果表明:北京农田生态系统碳汇总体呈增加趋势,年递增幅度为2.8%,年平均碳蓄积量为105.82 万t,决定其碳汇功能的主要因素是粮食作物中玉米与小麦的经济产量及种植面积。北京农田生态系统的年均碳排放量为27.6 万t,基本呈现逐年降低的趋势,年均递减1.3%,决定碳排放量的主要因素为农业化学品中氮素化肥的施用量。北京市农田生态系统年均碳足迹为5.71 hm2²,呈逐年降低的趋势,年递减率为5.5%,处于碳生态盈余状态,但是由于近年北京市耕地面积的减少,碳生态盈余量呈下降趋势;北京农田生态系统的碳生态效率较高,年均为3.854 kg C·kg^-1 CE,农业生产处于较高的持续状态。     

喀斯特流域退耕还林项目的碳汇效应分析——以贵州省红枫湖流域为例

[目的]对红枫湖流域退耕还林项目的碳汇效应进行分析,为贵州省退耕还林的碳汇潜力提供参考依据。[方法]通过对2000~2006年红枫湖流域内退耕还林工程实施情况的调查,对林区内主要树种杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Crypto-meria fortunei）、桃（Amygdalus persica）、李（Prunus salicina）、杏（Armeniaca vulgaris）、喜树（Camptotheca acuminata）和楸树（Catalpa bungei）7种林木的碳汇量及碳汇效应进行计算。在此基础上,估算了红枫湖流域2015年的森林碳汇总量。[结果]2000~2006年,随着时间的变化,森林的中、幼龄林生物蓄积量和碳汇量有上升的趋势,2006年达到1.05×107kg,将发挥越来越大的固碳潜力。在所研究的7种树种中,杉木是研究区内碳汇功能强的树种,预测到2015年,其单位面积碳汇量可以达到106.51t/hm2,其次为柳杉,单位面积碳汇量为99.42t/hm2,杏的碳汇功能最弱,单位面积碳汇量为13.03t/hm2;7种树种的森林碳汇总量为2.35×107kg,平均单位面积碳汇量为26.17t/hm2（c）;按305.0元/t的价格计算,可产生7.17×106元的经济效益,按254.1元/t（c）的价格计算,可产生5.91×106元的经济效益。[结论]红枫湖流域退耕还林碳汇效应的经济效益巨大,具有较大的增值空间。     

土壤有机碳和无机碳耦合关系研究进展

干旱、半干旱地区土壤碳库由土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)组成。由于土壤有机碳和无机碳之间存在耦合关系,有机碳含量变化可能会导致无机碳含量变化,反之亦然。过去农田土地管理和退耕还林等措施增加碳库侧重土壤有机碳,但是由于土壤有机碳和无机碳耦合关系机理尚不清楚,土壤有机碳增加可能对土壤无机碳造成的影响了解不足,不利于精确估算土壤碳汇变化情况。总结土壤有机碳和无机碳耦合关系情况,并从土壤有机碳向无机碳转移、土壤无机碳对土壤有机碳的保护作用等方面探究土壤有机碳和无机碳耦合机理,并提出未来研究需要加强的几个方面。