全球气候变化下中国农田土壤碳库未来变化

农田土壤碳库对缓解气候变化、保证粮食安全具有重要作用。日益加剧的气候变化对农田土壤有机碳库演变的潜在影响受到广泛关注。全球气候变化所带来的温度、降雨和大气二氧化碳（CO₂）浓度的改变,会通过影响净初级生产力（NPP）、外源碳投入和有机碳分解速率等因素改变生态系统碳循环过程。另外,气候变化也会通过改变土地利用方式和种植制度等农业措施改变生态系统碳循环。综述国内外农田土壤碳库演变对气候变化影响的研究成果表明,到21世纪末,中国气温将会升高3.9-6.0℃,降水有望增加9%-11%。至2050年,气温和降水的变化会造成中国农田系统碳投入相比1980年降低2.3%-10%（小麦、玉米和水稻平均值）。相反,在综合考虑CO₂浓度升高的协同作用后,2050年中国农田系统碳投入相比1990年前将会增加13%-22%（平均年增长率0.2%-0.4%）。模型预测显示,至2020、2050和2080年,中国旱地0-30 cm土层有机碳在CO₂低排放情景下分别会损失2.7、6.0和 7.8 tC·hm^-2,在CO₂高排放情景下分别会损失2.9、6.8和8.2 tC·hm^-2,大概占1980年农田土壤碳的4.5%、10.5%和12.7%。综合碳投入和排放对农田土壤碳库的整体影响来看,21世纪末期中国农田土壤有机碳库含量较1980年会下降10%左右,但如果采取相应的管理措施,可有效抑制农田土壤碳库的降低甚至提高,如农田系统碳投入以每年1%的速度增加时,土壤碳库会在21世纪末增加两倍。目前的研究结果显示,气候变化是否会强烈影响农田土壤碳库依然有很大的不确定因素,其对固碳效应正面和负面影响相互抵消后成为碳源还是碳汇说法不一。因此,在采取缓解气候变化、增加农田土壤固碳的措施的同时,还需加强农田土壤碳库未来变化趋势的研究和探索,为中国政策框架的决定以及未来气候变化谈判提供可靠的科学依据。     

陕西关中农田温室气体减排潜力分析

为分析陕西关中地区测土配方施肥项目减少温室气体排放的潜力,以陕西省CDM项目中渭南市临渭区测土配方施肥项目为例,采用IPCC2006中N₂O排放量计算方法和测土配方施肥固碳减排计量方法指南中土壤碳储量计算方法,从氮肥施用、土壤碳固定,农作物产量改变3个方面对该地区测土配方施肥项目温室气体减排潜力进行综合分析和估算。该项目共涉及临渭区3个乡镇17个项目村,共计农田面积2 818.89 hm。结果表明：测土配方施肥的使用,不但可以减少氮肥施用量,提高农作物产量,增加土壤碳储量,而且能够减少农田温室气体的排放。项目实施后,每公顷农田每年可减少温室气体排放1 206.93~1 484.18 kg CO₂当量,项目年温室气体减排量为3 660.95 t CO₂当量。     

我国保护性耕作对农田温室气体排放影响研究进展

农业生产过程是大气温室气体(Greenhouse gas,GHG)一个重要的排放源。20世纪30年代以来,为了防止土壤侵蚀和沙尘暴,许多国家和地区发展并推广了保护性耕作(简称保耕)。近年来,越来越多的研究开始关注保耕对土壤GHG排放和固碳的影响。本文综述了我国近期发表的文章,重点分析了我国保耕措施对农田GHG(CO2、CH4、N2O)排放、固碳以及综合全球增温潜势的影响。结果表明:保耕措施中秸秆还田能促进土壤呼吸,如果将秸秆制成生物炭则对CO2排放影响很小,免耕能减少土壤呼吸;水稻田秸秆还田促进了CH4的排放,提高程度从10%~400%,并随着还田量和年限增加而增加,大部分研究也表明水稻田采用免耕降低了CH4排放;秸秆还田和免耕对土壤N2O排放具有复杂影响,与还田的秸秆量及其碳氮比、还田方式、气候条件和土壤环境等有关;秸秆还田提高了土壤有机碳含量,而免耕更多是改变了有机碳分布,使更多有机碳聚集于土壤表层;分析评价全球增温潜势时,如果考虑固碳作用,保耕措施将能减少GHG排放甚至使农田转变成碳汇。因此,保耕对全球增温潜势的影响评估应该考虑土壤固碳作用,推广保耕整套技术体系应因地制宜,同时与其他推荐措施相结合,从而实现生态效益和经济效益的双赢。     

农田管理措施对土壤有机碳周转及微生物的影响

农田管理措施对农田生态系统碳循环影响显著，进而制约土壤肥力、农业生产及粮食安全，影响气候变化和环境健康。本文综述了不同农田管理措施（施肥方式、种植制度、耕作模式）对农田土壤有机碳、含碳温室气体排放和土壤微生物的影响。发现有机肥与无机肥配施情景下土壤有机碳增速最快，且施肥量与土壤碳库存在阈值效应；有机肥的施用增加了土壤中CO₂排放通量，磷、钾两种肥料的施用与施用氮肥相比更能降低农田土壤排放温室气体产生的全球增温潜势；提高有机肥和磷肥的施用比例有利于土壤中微生物丰富度的提高和微生物量碳的积累。种植结构和种植密度均会影响农田土壤的碳储量，种植结构对农田生态系统温室气体排放影响显著，轮作和间作的种植模式与传统单一作物种植相比可有效减少农田含碳温室气体的排放，同时，轮作与连作相比更有利于土壤微生物多样性的增加。保护性耕作措施有利于农田土壤固碳效率的提高，可降低农田温室气体的排放，且对微生物活性、多样性、群落结构以及碳源利用情况均有积极影响。最后总结了国际主流碳模型在农田生态系统的应用概况，并提出了未来发展展望。     

我国农田土壤温室气体减排和有机碳固定的研究进展及展望

作为世界上最大的水稻生产国以及氮肥消耗国,我国农业生产过程排放了大量温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)。因此,减少农田土壤CH4和N2O排放以及提高土壤碳库储量(简称“固碳减排”)对于缓解全球气候变暖以及确保粮食安全至关重要。近20年来,我国在农田土壤固碳减排方面进行了大量研究,总结出了一系列行之有效的固碳减排措施。本文综述了我国目前针对农田土壤温室气体减排以及土壤有机碳固定的有效措施,并对未来农田土壤固碳减排方向进行了展望。     

测土配方施肥项目固碳减排计量方法学探讨

固碳减排计量是进行减缓气候变化的碳交易机制的基础工作,而适合项目计量的计量方法学是实现交易的基础工具。我国正在大力推广的测土配方施肥项目在合理利用肥料、提高产量的同时,也表现出重要的农业温室气体的减排作用。为了给未来编制测土配方施肥方法学标准文本提供依据,本文从边界和基准线的设定、碳库和关键排放源的选取、固碳减排的计量方法等方面探讨了测土配方施肥项目固碳减排计量方法学问题。     

基于生命周期法评价山西省2004-2013年小麦碳足迹动态及其构成解析

基于《全国农产品成本收益资料汇编》以及收集的相关参数数据,采用生命周期评价法分析2004-2013年山西省小麦生产中不同功能单位的碳足迹变化动态并解析其构成,以期为山西省小麦的低碳清洁化生产与气候变化的缓解提供一定的理论依据。结果表明：山西省小麦生产的温室气体排放从2004年的3 798.5 kg/hm²（CO₂-eq）增加到2013年的4 650.5 kg/hm²（CO₂-eq）,年均增加74.9 kg/hm²（CO₂-eq）;肥料应用（尤其是氮肥和复合肥）、土壤N₂O以及机械操作的能源消耗是其主要构成,占总排放的90%以上。山西省小麦的产量碳足迹总体上变化不大,而产值碳足迹、成本碳足迹以及净利润碳足迹均表现为逐渐降低的趋势,其中成本碳足迹达到显著水平。考虑土壤有机碳储量变化后,不同功能单位的小麦碳足迹均大幅度降低。综上所述,合理施肥、加强机械一体化推广以及增加土壤固碳是降低山西省小麦碳足迹的主要途径。     

浙江省嘉兴市高速公路造林碳汇计量

在全球气候变化背景下,森林碳汇能力成为国际减缓气候变暖的重要措施之一。随着碳汇林业的开展,碳汇计量日益受到国际社会重视。依据《造林项目碳汇计量与监测指南》,对浙江省嘉兴市高速公路互通枢纽区进行碳汇造林及碳汇计量,计量期为2011-2031年。结果表明:该项目在2011年表现为碳源,累计项目碳汇量为-81.59 t(二氧化碳当量),自2012年开始有碳汇,项目净碳汇累计量为1 747.84 t(二氧化碳当量),2017年项目累计量达到11 396.84 t(二氧化碳当量),到2031年累计量达到45 886.07 t(二氧化碳当量),年均净碳汇量为2 294.30 t(二氧化碳当量),释放O₂为2 031.00 t,固碳效果明显,生态效益显著。     

Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security

The carbon sink capacity of the world's agricultural and degraded soils is 50 to 66% of the historic carbon loss of 42 to 78 gigatons of carbon. The rate of soil organic carbon sequestration with adoption of recommended technologies depends on soil texture and structure, rainfall, temperature, farming system, and soil management. Strategies to increase the soil carbon pool include soil restoration and woodland regeneration, no-till farming, cover crops, nutrient management, manuring and sludge application, improved grazing, water conservation and harvesting, efficient irrigation, agroforestry practices, and growing energy crops on spare lands. An increase of 1 ton of soil carbon pool of degraded cropland soils may increase crop yield by 20 to 40 kilograms per hectare (kg/ha) for wheat, 10 to 20 kg/ha for maize, and 0.5 to 1 kg/ha for cowpeas. As well as enhancing food security, carbon sequestration has the potential to offset fossil fuel emissions by 0.4 to 1.2 gigatons of carbon per year, or 5 to 15% of the global fossil-fuel emissions.     

降水和冻融循环对大兴安岭沼泽湿地温室气体交换的影响

以大兴安岭北坡沼泽湿地为研究对象,通过采集原状土柱、实验室内模拟降水年际变化(R80和R130:80 mm和130 mm降水处理)和春季土壤冻融循环过程(培养温度:-15～5、-10～10℃和-5～15℃),评估降水和冻融对该沼泽湿地冻融期二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N2O)交换及温室气体净收支的影响。结果表明,相对于R80处理,R130处理减少CO_2排放(P0.05)、促进N2O(P0.05)和CH_4排放,冻融期生态系统总呼吸主导温室气体净收支,148 d培养期R80和R130处理温室气体净收支分别为2 955.8±258.9 kg CO_2-eq·hm~(-2)和1 951.1±317.3 kg CO_2-eq·hm~(-2),因此,丰沛降雨有利于减少冻融期该沼泽湿地对气候变化的正反馈效应。R80处理代表的常规降水条件下,冻融期CH_4和N2O交换对该沼泽湿地温室气体净收支的贡献可忽略不计;R130处理代表的丰沛降水条件下,土壤冻融会激发N2O排放,使该沼泽湿地在冻融期表现为强N2O排放特征。未来对沼泽湿地土壤冻融和综合温室效应评估应特别关注降水量年际变异的影响。     

黄土台塬土地利用方式对土壤有机碳矿化及温室气体排放的影响

以黄土台塬区耕地、天然草地、灌木林地、乔灌混交林和乔木林地为研究对象,采用静态箱-气相色谱法、室内密闭培养法对其土壤温室气体及有机碳矿化动态进行了监测和分析。结果表明:土壤总有机碳和各种活性碳组分含量分布规律一致,均表现为草地显著高于林地,林地显著高于耕地(P0.05);土壤有机碳矿化量趋势为培养初期增长迅速,后期增速缓慢,0~5 cm土层草地土壤有机碳矿化累积量是林地的1.26~1.34倍,是耕地的1.82倍,5~20 cm土层较0~5 cm土层有所降低,耕地降幅高达48%;不同土地利用土壤矿化碳潜力Cp值在0.81~2.70 mg·kg~(-1)之间且差异显著(P0.05),而不同土地利用土壤有机碳分解速率常数k差异不显著;五种土地利用方式的土壤可矿化碳累计分配比例表明,耕地土壤有机碳矿化能力最高,固存量最小,而草地土壤有机碳矿化能力最低,固存量最多;耕地土壤释放的主要温室气体CO_2和N_2O强度显著高于其他用地类型,而CH_4的吸收强度为林地天然草地耕地。综上,退耕还林还草极大地推动了该区土壤有机碳的固定,减弱了土壤向大气排放温室气体的潜力。     

旱地农田N2O、CO2排放主要影响因素及研究进展

旱地农田是大气CO₂和N₂O的重要排放来源,农业生产活动对全球气候变化有着重要影响。全球气候变暖已成为不争的事实,探索农田温室气体排放情况对缓解气候变暖,实现农业节能减排具有重要意义。综述了旱地农田土壤N₂O和CO₂排放机理、影响因素和减排措施。结果表明：旱地农田N₂O和CO₂排放受土壤理化性质和田间管理措施多种因素影响。针对减少旱地农田N₂O和CO₂排放主要从合理施肥、灌溉和优化农作措施方面入手,因地制宜,“固碳”和“减排”同步,实现增产增汇减排的可持续发展农业。     

红壤侵蚀地马尾松林恢复后土壤有机碳库动态

运用RothC(version 26.3)模型,并结合“时空代换法”对长汀河田红壤侵蚀退化地马尾松人工恢复后林地表层(0-20cm)土壤有机碳库的动态变化进行了反演和预测,研究结果表明:RothC 26.3模型的模拟结果能够较好地反映红壤侵蚀地植被恢复过程中土壤有机碳的变化趋势;RothC 26.3模型适用于中亚热带季风气候条件下马尾松林地土壤碳库的动态模拟;侵蚀退化地在马尾松林建植后,林地表层土壤碳吸存速率以非线性的形式上升,并在15-25a时间内达到最大,马尾松恢复后前30a林地土壤平均碳吸存速率约为0.385 tC·hm-2· a-1,自马尾松建植后演替至当地顶级群落(次生林)全过程中平均碳吸存速率约0.156 tC·hm-2·a-1;根据模拟结果得到的拟合方程,计算得到研究区红壤侵蚀退化地的碳饱和容量约为36.85 tC/hm2,固碳潜力约为33.26 tC/hm2.     

保护性耕作农田固碳减排效应分析——以陕西户县、大荔和临渭区为例

为了分析保护性耕作的固碳减排效应,以陕西省关中平原麦玉两熟区为研究对象,选取西安户县、渭南大荔和临渭区3个具有代表性的地区进行调查研究,从土壤有机碳固定、土壤温室气体排放、物资投入造成的温室气体排放和避免秸秆焚烧造成的温室气体减排4个方面对该地区保护性耕作措施的固碳减排效应进行综合分析和估算。结果表明:与传统耕作相比,保护性耕作提高了土壤有机碳密度,每公顷农田每年碳固定量增加3 467.28kg CO_2当量,占总减排量的64.21%,对温室气体减排贡献最大;因减少物资投入和避免秸秆焚烧所产生的减排量分别为68.04kg·hm~(-2)·a~(-1)和1 864.65kg·hm~(-2)·a~(-1) CO_2当量;因秸秆还田产生的N_2O抵消了5.67%的温室气体减排量。保护性耕作措施下每公顷农田每年可减少温室气体排放4 739.76~5 364.30kg CO_2当量,整个保护性耕作项目区每年产生的减排量约为2.0×10~4t CO_2当量。因此,保护性耕作技术在关中平原具有巨大的固碳减排能力,是一项经济且对环境友好的生产技术。     

灌溉对藏北高寒草甸生物量和温室气体排放的影响

温室气体不仅是引起气候变化的主要因素,并对气候具有重要的反馈作用,鉴于近年来藏北地区温度明显升高,降水逐步增加,通过对藏北高寒草甸进行灌溉,以模拟未来降水增加对该生态系统生长旺季温室气体排放的影响。结果表明:土壤水分增加显著促进草地地上生物量积累;灌溉促进高寒草甸CO2和N2O排放,但降低CH4吸收量;CO2和CH4排放量日变化与土壤湿度呈显著的线性相关关系(P<0.05),N2O与土壤湿度呈显著的二次项相关关系(P<0.05),三种温室气体排放均与土壤温度无显著相关关系(P>0.05)。综合上述研究结果认为,未来随着降水增加,藏北高寒草甸温室气体排放通量将明显增加,并对该地区气候变化产生正反馈作用;应结合高寒草地光合作用、土壤碳氮含量,对未来藏北高寒草甸温室气体净通量进行深入研究,以确定藏北高寒草甸温室气体排放在气候变化中扮演的角色。     

秸秆、木质素及其生物炭对潮土CO2释放及有机碳含量的影响

研究添加秸秆、木质素及其生物炭后潮土CO2释放特征及土壤有机碳含量变化,为合理利用有机物料提供科学依据。采用室内模拟试验,等碳量(1%秸秆/土壤质量比)施入4种物料(秸秆、木质素及其裂解的两种生物炭),分析不同处理土壤CO2释放速率、累积释放量和有机碳、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)及微生物量碳(MBC)含量的变化与相关性。结果发现,土壤中添加不同物料对土壤CO2释放和有机碳含量有显著影响,秸秆和木质素能提高土壤CO2释放速率、累积释放量及有机碳矿化强度,均达到极显著差异,但两种生物炭处理与对照相比没有显著差异。在培养前期(30 d),不同物料均显著提高了土壤有机碳含量;但培养一年后,仅两种生物炭处理土壤有机碳含量较高,秸秆及木质素与对照相比没有显著差异。秸秆和木质素能显著增加DOC、ROC和MBC等土壤活性有机碳含量,而两种生物炭与对照相比没有明显差异;土壤DOC、ROC(167 mmol·L-1KMn O4)、ROC(33mmol·L-1KMn O4)和MBC直接影响CO2累积释放量,ROC(333 mmol·L-1KMn O4)对CO2累积释放量具有较强的间接作用。相对于秸秆和木质素而言,生物炭增加土壤有机碳含量,而没有增加CO2释放量,因此生物炭农用在固碳减排方面更具有积极意义。     

秸秆还田土壤溶解性有机碳的官能团特征及其与CO2排放的关系

土壤溶解性有机碳(DOC)是土壤有机碳的重要组成部分,其含量变化和分子结构组成均会对土壤CO_2气体排放产生影响。为了探讨秸秆还田后土壤DOC的结构特征及其与土壤CO_2排放的关系,在连续4个小麦生长季,对秸秆还田和不还田土壤DOC含量及其官能团特征和土壤CO_2排放通量进行测定分析,结果表明:秸秆还田和不还田土壤的DOC结构中均含有-C=C-、-CO-NH-和苯环这3种官能团;秸秆还田土壤DOC含量显著高于无秸秆还田土壤,而且DOC组分中的胺类物质(-CO-NH-)和芳香族化合物(-C=C-、苯环)的含量比例也明显增加;土壤CO_2排放通量也表现为秸秆还田土壤显著高于无秸秆还田土壤。土壤DOC含量、DOC官能团结构特征和CO_2排放在4个小麦生长季内的变化规律基本一致。相关分析显示土壤CO_2排放不但与DOC含量具有显著的正相关关系(r=0.86*),而且与DOC的分子结构特征显著相关(r210=0.62*;r280=0.73*),胺类物质和芳香族化合物的含量越高,CO_2排放通量越大。     

我国典型省份小麦和玉米农田化学氮肥施用与生产运输过程的温室气体排放量估算

基于相关统计数据,通过文献调研方法,估算了我国河南、河北和山东3个典型省份在小麦和玉米上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量,包括化学氮肥施用产生的土壤N_2O直接排放、通过挥发沉降和淋溶径流途径损失的氮素导致的N_2O间接排放以及不同种类化学氮肥在生产和运输过程中的温室气体排放。结果表明:河南、河北和山东3个典型省份在小麦上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量分别为1536万、847万、1153万t CO_2–eq·a–1,单位播种面积温室气体排放量分别为2.85、3.61、3.09 t CO_2–eq·hm–2·a–1,单位产量温室气体排放量分别为0.46、0.60、0.51 t CO_2–eq·t~(–1)·a~(–1);相应省份在玉米上消费的化学氮肥产生的温室气体排放量分别为717万、720万、912万t CO_2–eq·a–1,单位播种面积温室气体排放量分别为2.19、2.27、2.92 t CO_2–eq·hm–2·a–1,单位产量温室气体排放量分别为0.40、0.43、0.46 t CO_2–eq·t~(–1)·a~(–1)。研究表明,化学氮肥消费带来的温室气体排放主要来自于化学氮肥在生产过程中的温室气体排放以及化学氮肥施用导致的土壤N_2O直接排放这两部分。     

生物质炭的固碳减排与合理施用

近年来开展了大量短期一次性施用生物质炭对作物产量、土壤碳库和温室气体排放的研究。研究表明生物质炭能增加土壤碳库,但对作物产量、CH4和N2O排放的影响受生物质炭性质和土壤类型影响。生物质炭用在酸性土壤上比中性或碱性土壤上更能提高作物产量。草本或木本炭能减少N2O排放,但畜禽粪便炭不能减少N2O排放。在热带、亚热带地区生物质炭施用对N2O的减排作用小于温带地区。生物质炭的固碳减排效应除了受生物质炭类型、稳定性和施用区域影响外,还受制炭能耗和裂解气回收技术影响。在未来发展方向上,提出了亟需加强制炭技术、长期连续施用生物质炭效应和生物质炭性质与土壤类型互作研究。     

土地利用和覆被变化对土壤碳库和碳循环的影响

土壤是陆地生态系统的重要组成成分,其较小幅度的变化即影响到陆地植被的养分供应,同时可能影响到碳向大气的排放而加剧全球气候变化。本文概述了国内外土壤碳库和碳吸存的研究概况,并对土地利用和覆被变化对土壤碳库和碳循环影响的最新研究进展进行了详尽的阐述,旨在对科学地利用和保护有限的土壤资源,减缓土壤中温室气体排放、增加土壤碳截存,提高土壤质量,对退化土地的生态恢复及环境治理和保护提供理论参考。