种植业固碳减排潜力和技术对策研究

白若琦+白朴+吴益伟+朱相成

摘要： 种植业是重要的人为温室气体排放源，也具有强大的碳汇功能。从农资投入、秸秆利用、土壤固碳等方面分析我国种植业的巨大减排潜力和固碳增汇空间，并结合笔者多年从事作物栽培的经验和国内外学者的研究成果，提出在选育和推广低碳作物品种、低碳种植模式的基础上，农作物产中采用以节肥、节水、节药为特征的低碳栽培措施，农作物产后通过秸秆还田、秸秆高温好氧堆肥化处理生产优质环保型有机肥或运用生物碳技术，实现种植业固碳、减排、增汇、增产、增效的目标。

关键词： 种植业；固碳；减排；增汇；技术对策

中图分类号： S181 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0279-04

种植业是全球具有碳源和碳汇双重功能的行业，农业生产产生的温室气体占全球人为导致的温室气体排放的近30%[1-3]，同时，农田土壤也是地球的一个重要碳库，具有巨大固碳潜力[4]。据《中国统计年鉴（2014）》[5]，2014年我国耕地面积为1.35亿hm2，占国土面积的14.06%，全年农作物播种面积为1.65亿hm2，可见种植业的减排增汇对气候和环境有较大影响。顺应绿色、循环、低碳发展的大趋势，研究以种植业为核心的农田生态系统温室气体产生、释放和固定的机制，探明温室气体的源、汇机制及调控技术原理，研发农田生态系统温室气体减排、土壤固碳增肥、作物增产一体化关键集成技术，减少农田碳排放和增加种植业增汇效果，实现固碳于植物、藏碳于土壤，增加农作物产量，对缓解全球温室效应与环境压力，实现我国农业持续发展具有重要意义[6-7]。本研究基于笔者从事农作物种植技术工作的经验，结合国内外学者的研究成果，分析种植業固碳减排增汇潜力和技术对策。

1 我国种植业减排增汇潜力分析

1.1 种植业具有巨大的减排潜力

1.1.1 石油农业特征明显，减排空间巨大

我国种植业长期过量使用化肥、农药、农膜等，石油农业特征明显。我国种植业化肥用量过大、农家肥用量不足、肥料利用率低，造成耕地理化结构变劣、地力下降、水体的富营养化、农田面源污染等[8-9]。据统计，1978—2014年，我国农作物播种面积仅增加0.15亿hm2，而化学肥料施用量却从884万t增至5 995万t，是1978年的6.8倍。化学投入品的过量使用导致我国农田的高碳排放，1993—2007年，我国作物生产单位面积碳排放达0.78 t CE/hm2，其中化肥、灌溉用电、燃油等化学品导致间接碳排放占89%[10]，是我国农田温室气体排放的主体部分。因此，通过减少化肥、农药等农资的使用实现碳减排具有很大的潜力[11]。

一般认为，我国农田的氮肥利用率偏低，仅为30%左右[12-13]，据有关人员对浙江省杭州市西湖区和绍兴市新昌县茶园的调查，该茶园平均施氮肥量为560 kg/hm2，为收获生物量的4倍，利用率仅有20%～25%。据分析，如果将氮肥施用量在目前的基础上减少28%～47%，年均农田温室气体减排潜力达41.7～70.1 Tg CE[14]。我国种植业化学农药过度、不合理使用现象非常严重。2013年，我国农药使用量达18019万t，单位面积用药量是世界平均水平的25倍[15]。用药不对口、不适时，高毒高残留低效农药仍在使用，导致病虫害防治药效不佳、环境污染严重，且农药使用量和人工费用递增，直接或间接碳排放增加。通过调整作物种植模式和布局，推广低碳作物品种，实施节水、节肥、节药技术以及沼气利用等，可直接或间接减少温室气体排放。

1.1.2 设施种植高碳排放更加突出

我国是世界上设施栽培面积最大的国家，尤以设施蔬菜栽培发展迅速，2009年我国温室设施总面积已达410.9万hm2。然而，设施栽培大棚又是我国农业碳排放最严重的地块。陈琳等研究表明，不同设施蔬菜碳排放量平均为1 253.68 kg CE/hm2，明显高于旱地粮食作物[16-17]。其原因归结如下：（1）化肥投入量大。由于投入成本大、集约化程度高，农民为了追求眼前经济效益超高量施用化肥，其单季作物氮化肥量超出普通大田作物的数倍，有的高达十几倍，氮肥利用率远低于露地栽培。（2）加温过程排放大量CO2。我国大部分日光温室分布在北方，在深秋、冬季和早春季节气温较低，为满足蔬菜作物生长对温度的要求，须供热加温。（3）CO2严重亏缺限制碳汇作用。由于设施大棚栽培在密闭条件下进行，失去了与大气CO2的交换。据测定，晴天大棚CO2浓度可降至 100 μmol/mol 左右，严重影响光温条件的发挥和碳的固定。（4）土壤退化严重。由于劳动力价格的提高，现代农民不愿施用又脏又费力的有机肥，取而代之的是大量施用化学肥料，通常4～5年后出现土壤次生盐渍化、板结、连作障碍等土壤退化问题，严重影响土壤碳库的固碳作用。（5）设施栽培农产品质量差、收益降低。由于CO2严重亏缺、超高量施用化肥，导致碳、氮代谢失调，不但产量低，而且品质差，蔬菜硝酸盐含量超标严重，影响设施栽培的经济效益和可持续发展。可见，我国设施栽培的高碳排放问题更加突出，其减排空间巨大[18-19]。

1.1.3 作物秸秆减排潜力巨大

我国是种植业大国，年产各类农作物秸秆总量达6亿t，约占世界秸秆总产量的20%～30%，其中主要粮食作物年平均秸秆产量达到4.9亿t。据赵建宁等估算，我国粮食秸秆露天焚烧量平均为094亿t，约占粮食作物秸秆总量的19%；粮食作物秸秆露天焚烧排放的CO、CO2总量平均每年分别为9.19×106、1.07×108 t；排放的总碳量平均每年为3.32×107 t，其中稻谷、小麦、玉米、豆类秸秆露天焚烧释放的总碳量分别为 9.88×106、9.93×106、11.14×106、2.22×106 t[20]。秸秆焚烧造成环境污染，减少土壤有机质含量，使农田土壤质地变劣、生产力下降。随着我国秸秆用作生活燃料或饲料的量不断减少，每年约有2亿t秸秆被随意丢弃，被微生物分解释放的CO2气体达2.2亿t，还产生大量甲烷（CH4）。在稻田中，秸秆直接还田被认为会导致大量CH4排放，但也有很多研究表明，通过调整秸秆还田方式，比如采用旱直播方式进行秸秆还田[21]，在非稻季还田[22]或者先经过堆沤后还田[23]不会导致CH4排放的大量增加，而会减少因秸秆燃烧导致的碳排放。Yan等估计通过改变秸秆还田时间，全球每年CH4排放可降低4.10 Tg[24]，因此，实施农作物秸秆还田、回收利用，不仅对提高农田土壤肥力、水土保持和环境安全有益，而且与种植业向节能减排为特征的低碳、循环、生态和可持续方向发展息息相关。endprint

1.2 种植业固碳增汇潜力巨大

1.2.1 生物固碳

农作物生物固碳对全球气候变化有着不容忽视的影响。植物通过光合作用将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气，这是绿色植物最基本的生化代谢过程，也是地球生物赖以生存的基本条件，是一种碳汇过程。农作物为人工栽培植物，且覆盖地表较大面积，通过光合作用合成自身所需的碳水化合物，转化成根、茎、叶、果实等同化物质，获得产量，同时将温室气体CO2以有机碳的形式固定在植物体内或土壤中。据报道，1991—2008年我国农作物碳汇量呈现“蝙蝠型”波动上升趋势，由1991年的55 345.2万t增加至2008年的74 386.8万t，增长了34.41%[25]。生物固碳是最经济且副作用最少的固碳方法，且有较大的发展空间。

1.2.2 土壤固碳

土壤固碳是《京都议定书》认可的陆地生态系统固碳途径之一，在减缓气候变化中具有重要的地位，据估计，在全球每年55～60亿t CO2当量农业减排潜力中，89%的减排潜力须要通过提高土壤有机碳储量来实现[26]。虽然我国农耕区土壤有机碳库在过去30年间总体呈增加趋势，但与国外相比，我国耕作土壤有机碳密度还很低，土壤有机碳密度介于0.81～12.68 kg/m2，平均为3.15 kg/m2，平均比欧美低1/3，有机碳库构建还有巨大的空间[27]。根据对我国9个省农田土壤的估算，0～100 cm 耕地土壤中的固碳潜力为 1 296.34 Tg C，相当于我国2010年固体化石燃料燃烧释放碳总量的79.13%[28]。根据模型分析结果，如果采取管理措施，使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2倍[29]。可见，我国农田土壤固碳潜力巨大。我國农田过度或不适时翻耕，农家肥使用大幅度减少，都导致土壤有机质含量下降，土壤固碳量减少，通过技术改进是增加土壤碳储量的发展方向。

2 技术对策

2.1 选育和推广低碳作物品种

不同作物碳汇、碳源特性不同，同种作物的不同品种的碳汇、碳源特性也有区别。产量潜力高、种植根系庞大、抗逆性强的作物品种，CO2同化能力强、养分利用效率高、病虫害轻，属低碳类型品种[30]。按照低碳、增产的原则，以作物新品种和骨干亲本为研究对象，以作物高产、资源高效、低CH4和氧化亚氮（N2O）排放为主要指标，培育可在我国典型农区推广应用的新型固碳高产作物，可为我国种植业固碳减排增汇创造种植条件。我国是水稻生产大国，水稻产量约占世界的30%。我国已成功育成和推广超级稻，其产量潜力高、根系发达、吸肥能力强、氮肥利用率高、生产单位产量稻谷的需肥量和CH4排放量均低于常规稻和普通杂交稻，且叶片功能期长、光合能力强、同化CO2的碳汇能力较强[31]。大面积推广应用我国自主选育成功的超级杂交稻组合是实现稻田低碳生态高效栽培的重要途径。旱地固碳减排效果对环境的影响不可忽略。筛选和推广碳汇能力强、碳排放相对较弱的优良旱地作物品种，配套开发增汇减排旱作技术，突破固碳减排高产作物品种和配套耕作栽培等关键技术。同时配套研究作物的接茬方式、育苗移栽、播种期、适宜密度、合理施肥、化学调控和主要病虫害过程对产量、品质和碳排放的综合影响，提高农田农产品产量和生产效益以及大幅度减少农田生产过程中的温室气体排放等。

2.2 推广低碳种植模式

按照兼顾提高农产品品质、效益和增汇减排的原则，结合特定区域的气候特点、土壤性质，调整农田作物结构，增加一些碳汇系数较高农作物的种植面积，推广适合当地的低碳节能种植模式，形成良性循环农田生态系统[32-34]。笔者在浙江省温州市推广适合当地的大棚番茄—甜玉米—晚稻、鲜食玉米—晚稻—蔬菜、小麦—甜玉米—晚稻等稻田高产高效种植模式，提高了稻田光、温资源利用率和“碳汇”效果[35]。轮作可提高农田土壤结构和养分供应能力，也可减少作物病虫害发生。杨晓琳在中科院栾城试验站开展了替代轮作种植模式的田间定位研究表明，合理的替代轮作模式有明显的节水效果，5种种植模式年均周年耗水量由大到小依次为麦玉模式（724.5 mm）>粮棉油模式（647.4 mm）>粮油模式（615.0 mm）>粮棉薯模式（560.6 mm）>棉花连作模式（522 mm）[36]。冬季空白田种植绿肥可增加地表作物覆盖，增加对大气二氧化碳的生物固定，也增加土壤有机质含量和碳固定数量[37-38]。农田作物与动物的立体搭配种养模式，也是提高农田资源的利用效率、减少温室气体排放的模式。如鸭稻共作种养模式，利用雏鸭旺盛的杂食性，起到除草和基本消灭稻飞虱、稻蝽象、稻象甲、稻纵卷叶螟等水稻害虫的作用，利用鸭不间断的活动刺激水稻生长，增加稻田水溶解氧含量，减少CH4的排放[39-41]。

2.3 低碳栽培

2.3.1 低碳施肥

施肥是农作物增产增效的必要措施，也是减排增汇的主要环节[42]。研究明确特定农田的土壤母质、土壤熟化程度、理化性状、供肥特性，结合特定种植模式和特定作物的养分需求特点，实施既兼顾产量、效益，又注重减少环境面源污染、温室气体排放的最佳施肥方案，运用低碳高效农田培肥技术，实施精确定量测土配方施肥，可较大幅度减少化肥，尤其是化学氮肥的用量。随着我国信息技术和农机装备的不断发展，利用遥感、全球定位系统和地理信息系统的3S技术，实施精准施肥，以减少种植业化肥用量和提高肥料利用率是以后的发展方向[43]。施用肥料的类型与作物的产量、碳源碳汇密切相关[44]。结合不同地区农田的养分状况和供肥特点，按照不同作物、不同类型土壤的需肥特点配制的专用肥，可提高肥料的利用率和作物产量。有机肥与无机肥配合施用可以提高肥料养分效率，并起到固碳培肥和减少温室气体排放的效果。按照相应的标准，生产有机、绿色、无公害农产品，可减少或不用化学肥料，增加有机肥的用量，可促进农田土壤的良性循环和有机碳的累积。氮肥利用率低、易流失或被反硝化为N2O而被排放，生产上应适当减少化学氮肥用量，改氮肥表施为深施。段智源等研究报道，与传统施肥方法相比，春玉米用硫包衣尿素分别使温室气体排放总量、单位玉米产量排放、万元净产值碳排放降低37.8%、40.5%、473%，用尿素添加双氰胺处理分别使上述指标降低365%、38.6%、45.9%[45]。据报道，使用甲烷抑制剂也能显著抑制农田CH4的排放，因地制宜合理增施菌渣、沼肥可改良土壤和提升地力。长效碳酸氢铵对CO2的吸收和固定率达到86%，其中植物吸收CO2 10%以上，土壤固定CO2 76%。土壤中施用长效碳酸氢铵的CO2排放量比施用尿素低169%。研究表明，随着土壤深度的增加，土壤中生成稳定碳酸钙和碳酸镁的量也不断增加，特别是在深层土壤50 cm以下，有更多的碳酸钙和碳酸镁形成。可见，利用碳酸氢铵、碳酸氢钾等碳酸氢盐的碳酸氢根离子可成为减排固定CO2和改善生态环境的一条可行途径。endprint

2.3.2 低碳管水

水分为作物生长所必需的资源，节水栽培可以科学利用水资源，同时减少机灌的电力需求，间接减少碳排放。选择耐旱作物，研发作物全生育期的需水规律，形成既能满足作物生长发育对水分的需求，又能节水、减少农田CH4等温室气体排放的作物管水措施。淹水稻田为温室气体CH4的主要排放源，据政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）估算，稻田CH4排放约占全球CH4排放的12%[46]。水稻种植面积占我国作物播种面积的18.6%，我国稻田CH4排放是全球稻田CH4排放的重要部分。水稻是湿生作物，又是种植业耗水量最大、节水空间最大的作物，通过采取强化栽培、超前搁田、湿润灌溉、间歇灌溉的节水措施，可调节水稻群体、促进水稻根系发育、提高土壤氧化还原电位CH4大量排放、减少节水和减少机灌所需的能源引起的间接排放，国内外大量研究表明，采用间歇灌溉等节水灌溉模式可降低稻田CH4排放 15%～72%[47]。笔者提出实践多年的杂交水稻“六五始控”超前隔田技术[48-49]，在生产上大面积应用，其搁田时间比常规栽培提早，搁田时间延长，不仅有效抑制了稻株无效分蘖的生长，提高了稻田的群体质量，实现稳产高产，也缩短了稻田淹水的时间和减少耗水量。结合水稻本田全生育期多数时间保持湿润而无水层的管水技术，节水效果更加明显，而且减少稻田全生育期还原性物质的形成，既提高了水稻全生育期根系的活力，也减少了CH4排放[50]。 针对不同的旱地作物，选用抗旱品种，采取抗旱锻炼、增施有机肥、秸秆覆蓋、地膜覆盖等措施，减少作物全生育期的用水量，实现节水减排增产的目标。随着我国气象预报精准度提高，利用降水信息，结合需水规律和水分需求弹性，采取人工灌溉与自然降水相结合的管水方式，充分利用自然降水，可减少人工灌溉的耗水、耗能、耗电。

2.3.3 病虫害低碳防治

农作物病虫害的低碳防治，应遵循以农业防治为主，提倡物理防治、生物防治、化学防治为辅的原则。农业防治是低碳防治的基础。通过优化种植模式，选用抗性强的农作物品种，以及轮作、中耕、除草等农业措施减少病源、虫源，结合健身栽培、适度密植、调节群体等栽培措施，减少田间郁闭度和降低田间湿度，减轻病虫害发生，从而减少农药用量和施药用工。应大力推广生物防治、物理防治替代化学农药防治，减少化学农药对环境及农产品的不良影响。银灰色膜、防虫网、黄板、频振式杀虫灯等物理防治措施在生产上推广效果良好。我国利用大红瓢虫防治柑橘吹绵蚧，用白僵菌防治大豆食心虫和玉米螟，用金小蜂防治越冬红铃虫，用赤小蜂防治螟虫等均获得成功，生物防治对环境影响小，应加大推广力度。生产上推广稻鸭共育、稻鱼蛙共养等技术不仅有效防治稻田的虫害和草害，也提高了农田的产出和效益。化学农药防效好、药效快，仍是作物病虫害防治的重要手段。在严格掌握防治适期和适当放宽防治指标的基础上，选用高效、低毒、低残留农药替代低效、高毒、高残留农药。应尝试引进3S系统实施精准施药，推广无人机施药技术，提高工效和减少成本和环境污染[51]。

2.4 农作物秸秆综合利用

农作物秸秆还田对固碳减排具有双重性，它可充实稻田土壤碳库，也会引起CH4等温室气体排放增加[52]。秸秆还田可以消耗部分农作物秸秆，但涉及切碎、腐烂等机械和生物化学等过程，也常常对土壤结构以及接茬作物对养分吸收造成不良影响，秸秆直接还田的化感作用对后茬作物的影响也不能忽略。现阶段，除了一些草本作物的秸秆可直接还田外，大量农作物秸秆直接还田尚不现实。将秸秆等有机废弃物进行高温好氧堆肥化处理生产优质环保型有机肥已成为秸秆利用的重要途径之一。土壤耕作层是固碳的主要土壤层，土壤有机碳含量提高可同时提高土壤肥力，开发有机无机配合施肥-保护性耕作等高效固碳增肥技术，开发固碳减排调理剂和增效剂等，可提高土壤碳库稳定性，减缓土壤生物质腐殖化过程中CO2、CH4等温室气体的产生和释放。应以增加有机碳输入量和减少有机碳矿化为目标，研究土壤碳的固定、积累与周转机制，突破我国农田土壤增碳关键技术，在农业生产上示范推广。如果将农作物秸秆等生物质低温碳化转化为微生物难降解、稳定性长达几千甚至上万年的生物炭，就可以有效地减缓土壤中生物质腐殖化过程中CO2、CH4等温室气体的产生和释放，提高土壤中的碳汇[53]。向土壤中添加生物炭可以提高土壤的物理化学性质和渗水性，减少土壤中氮、磷等营养元素的流失，降低N2O排放，促进土壤中有益微生物的生长，提高土壤肥力[54]。传统的生物炭主要通过泥窑、砖窑等各类碳窑制备，其能量利用效率低下，而且会产生许多污染物。应研发先进新型农林废弃有机物为原料的废弃生物质裂解技术，制备优质生物炭和提高生物炭产率，减少污染排放和碳氮损失，使农作物秸秆变废为宝，充分发挥种植业的低碳功能，实现种植业固碳减排增汇增产增效的目标[55]。

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