中国典型农业生态系统的固碳减排现状、影响因素及减排措施

王建伟，李东晓，王红光，李浩然，王千一，张明哲，李瑞奇

（河北农业大学农学院省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室/河北省作物生长调控实验室，河北保定 071000）

0 引言

联合国环境规划署报告中全球温室气体排放自2010年到2020年期间，平均每年增长1.4%，2019年由于森林火灾的增加全球温室气体排放更是达到了2.6%[1]。2021 年全球碳排放量为390 亿t，同比增涨5.7%。这将导致极端气候发生的频率和强度随之增加；一些脆弱系统，如生态系统和农业系统，将遭受严重后果。由于温室气体中CO2含量最多，且温室效应贡献率最大，巴黎协定呼吁各国必须尽快使全球人为二氧化碳排放达到峰值，并在21世纪中期实现二氧化碳净零排放，在本世纪内将全球升温控制在2℃以内。随着《京都议定书》的签署，中国已经承担起减排义务。作为最大的发展中国家，也是世界第二大碳排放源，中国预计在2025年到2030年二氧化碳排放量超过美国，位居第一，面临巨大的减排压力[2-4]。2020年，中国政府承诺“二氧化碳排放力争在2030 年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”，以缓解气候变化给全球带来的不利影响和潜在风险。

农业碳排放约占碳排放总量的20%[5]。尽管中国农业生产中粮食产量取得了大幅提高，但农药、农膜、化肥等农业产品的滥用，造成了环境污染、农田退化和农田的高碳排放等问题[6]。中国存在农田生态系统、草原生态系统、水域生态系统等典型农业生态系统，其中农田生态系统是碳循环过程中最活跃的碳库，具有很突出的固碳减排潜力。2013—2020年，中国种植业碳排放总量为19.72 亿t，净碳汇总量为54 亿t[7]。目前，中国的典型农田生态系统主要是指小麦—玉米生态系统和稻田生态系统，具有社会性、高产性和波动性三大特点，本文主要围绕典型农田生态系统的碳排放源、碳源影响因素及减排措施进行综述，以期未来在农业碳减排方面发挥一定的指导作用和参考价值。

1 典型农业生态系统碳排放现状

1.1 碳排放源分析

农业生态系统的碳排放主要是指温室气体的排放，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)。全球变暖的主要原因便是其排放量的大幅度增加[8]。大气中约90%的N2O、70%的CH4和20%的CO2来自于粮食生产相关的农业生产和土地管理[9]。IPCC 指出，农业温室气体排放占全球温室气体排放总量的比例巨大，占全球温室气体排放总量的14%左右[10]。

美国国家海洋和大气管理局的数据指出，自1990年以来，长寿命温室气体的气候增温总效应增加了43%，其中有82%是由CO2所引发。到2017年，全球大气中CO2浓度已从工业化前的约499.9 mg/m3上升至729.1 mg/m3[11]。在农业生态系统中，CO2的排放主要来自于土壤有机质的分解以及农作物秸秆的燃烧，同时，农膜、化肥、农药、柴油等农业生产资料的使用也会产生CO2；然而，农业领域与大气之间存在着巨大的CO2交换量，这使得农田中CO2的净排放量只占总排放量的很小一部分，占全球CO2总排放量的1%[12-13]。

CH4是仅次于CO2的第二大长寿命温室气体，对增温效应的贡献约在15%～17%左右，年增长率为0.6%[14]。地球上约有40%的CH4是自然排放，而约60%则来自人类活动，畜牧、水稻种植、化石燃料使用、垃圾填埋和生物质燃烧等。其中最重要的CH4排放源之一、占很大比例的便是稻田生态系统[15]，约占全球其他因素引起的CH4排放总量的11%[16]。此外，在动物的正常代谢过程中，寄生在动物消化道内的微生物在消化道内发酵饲料时产生的CH4，动物粪便施入土壤前储存和处理产生的CH4也都是CH4的排放源[17]。

N2O是持续存在于大气中并不断积累的一种温室气体，寿命可达100 年，已经从2.7×10-4mg/mL（1750年）上升到3.31×10-4mg/mL（2018 年），是平流层臭氧的最主要破坏者，单分子增温潜势比CO2高300 倍[18]。N2O的一个重要来源就是农田和水系生态的硝化和反硝化生化过程，并受多种环境因子和生物因子的影响[19]。其中，氮肥的施用是其主要贡献者[20]。

1.2 碳排放现状

农业生态系统既是碳源又是碳汇，它在温室气体循环中起着重要的作用。农业碳排放源于作物生产中的稻田CH4排放、秸秆焚烧以及化肥的施用等，而碳汇主要是农作物的固碳和土壤固碳[21]。农田生态系统在农业生态系统中存在重要意义，赵成义[22]的研究表明玉米农田生态系统对CO2的净固定能力最强，24 h 固定CO238.47 g/m2。其次是小麦生态系统和棉花生态系统。从年固碳量来看，绿洲玉米生态系统为最高，达到141.66 t CO2/(hm2·a)；其次为小麦生态系统，为122.60 t CO2/(hm2·a)；棉花生态系统最低，为50.39 t CO2/(hm2·a)。

小麦—玉米是华北地区的典型农田生态系统。有研究表明，小麦—玉米农田生态系统总体上是碳吸收大于碳排放，属于碳汇系统，小麦和玉米具有较强的固碳潜力，在粮食作物的碳吸收中贡献最大[23-24]。冬小麦—夏玉米种植模式碳足迹的大小为1737.37±337.02 kg Ce/(hm2·a)，生产1 kg粮食的碳成本是0.12±0.03 kg Ce[25]。研究表明通过减少种植面积和优化化肥农药投入，可以有效降低小麦和玉米生产的碳足迹，实现(168.89～560.07)亿kg CO2eq 的温室气体减排潜力[26]。在小麦生产体系中，化肥和机械对每公顷土地碳排放和成本的贡献高于其他农资，分别约占碳排放的40%和50%，对成本的贡献均为约40%，通过减少氮肥投入和灌溉，可以显著降低碳排放和生产成本[27]。

国家实现碳中和战略重要举措的其中一项便是稻田的固碳减排。稻田生态系统作为南方地区典型农业生态系统，是CO2、CH4和N2O温室气体重要的源和汇，有着巨大的减排潜力。水稻作为中国第一大作物，其CH4和N2O 的年排放量分别约为7.41 Tg 和32 Gg，占农业源温室气体排放量的22%[28-29]。其中CH4的排放占全球人为农业排放的22%[30]。CO2排放约占农业CO2当量排放总量的16%[31]。唐志伟等[32]的研究表明中国稻田CH4总排放量呈先降低后升高再降低的趋势，为实现水稻丰产与稻田CH4减排的协同提供了理论参考。

此外，有研究对中国农业生态系统碳平衡进行估算得出，当前中国农业生态系统是一个弱碳汇，而不是源[33-34]。2010—2020 年，粮食主产区农田生态系统的碳排放总量呈下降趋势，碳排放总量从38595.52 万t CO2当量下降到38480.57万t CO2当量，碳排放强度从2.03下降到1.94[35]。这可能与目前碳排放的估算方法有关。

2 温室气体的测定、影响因素及减排措施

2.1 测算方法

测定土壤排放的CO2、N2O和CH4一般采用静态暗箱-气相色谱法，又称密闭箱法[36-38]。静态箱—气相色谱法具有简单、灵活、可同时分析气体样品中多种组分（CO2、CH4和N2O）以及分析精度高等优点，多用于农田生态系统和草原生态系统，来直接观测农田植被和草地的温室气体排放[39]。将采集到的气体带到实验室用安捷伦气相色谱仪(Agilent 7890A)测定气体样品中N2O、CH4和CO2浓度。N2O 检测器为ECD（电子捕获检测器），CH4和CO2检测器为FID（氢火焰离子检测器）[40-41]。作物净碳汇计算方法是观测计算农业碳汇值和碳输入值，将农业碳汇价值减去碳投入价值得到其净碳汇价值[42-43]。当然，静态箱法的缺点也很明显：不能连续观测，对被测表面产生干扰，导致气箱内的温度、气压、湿度、光照强度、气体混合程度与箱外自然状态存在差异，导致测量值失真[44-45]。

除了静态箱法还有动态箱法，动态箱法分为密闭式动态箱[46]和开放式动态箱。密闭式动态箱法是将气室和红外CO2分析仪连接成一个闭合回路，使一定流量的空气在回路中循环，同时检测CO2浓度随时间的变化。其优点是箱内气体循环流动，有利于气体混合；对红外线气体分析器的测量精度要求不高；测量时间短，可在几分钟或几十秒内完成，对被测土壤干扰小，无需安装复杂的温控设备。开放式动态箱法测量CO2通量的基本原理是让一定流量的空气通过箱体，通过测量箱体进出口空气中被测气体的浓度来确定被罩表面的CO2通量。主要优点是能基本保持被测区域表面的环境状况，使其接近自然状态。但实际操作中有很多困难，要使气流稳定，不产生压差，设计要求非常严格。要求浓度测量的精度很高，这对于一些从土壤表面散发的气体来说是很困难的[47-48]。

美国LI-COR 公司开发了LI-6400、LI-8100、LI-840 等土壤呼吸测量系统，可用于多地点同步快速测量土壤碳通量，也可对同一地点进行长时间连续监测。其中LI-8100 具有受土壤自然条件的影响小，不受天气状况影响等诸多优点，并且可对箱内产生的CO2进行直接测量。由于其所具有的精确、快速、简单的特点，迅速成为国内外土壤碳通量研究的首选仪器之一[49]。其原理利用测量室内CO2浓度的增加速率推算测量室外土壤CO2扩散到空气中的速度。为了保证推算结果的正确，测量室内外的浓度梯度、气压、土壤温湿度应该相似[50]。主要缺点是：空气流通速率和室内外压差对测量的负面影响；由于这种方法所需的设备价格昂贵，而且需要电源，因此在现场的使用受到一定的限制；与涡度相关法相比，它改变了近地面的微气象条件；不适合多点同时测定[49]。

此外，还有基于微气象学原理的涡度相关法，它是一种测量大气与森林、草地或农田之间CO2、H2O和热通量的微气象技术。其原理通过测定大气中CO2浓度脉动和垂直风速脉动直接计算温室气体物质通量[51]。该法在测量碳通量方面的主要优势在于，通过测量垂直风速和CO2密度的脉动，首次从气象角度实现了对碳通量的直接观测，可以对地表碳通量进行长期、连续、非破坏性的定点监测，有利于碳通量观测的长远发展。与箱法相比，测量步骤更短，可以在短时间内获得大量高时间分辨率的CO2通量和环境变化信息[52]。其不足表现在，该应用易受地形和气象条件限制。涡流相关的传感器非常精密，在野外长时间观测往往需要维护。涡度相关数据序列的校正和插值比较复杂，不同的台站有不同的校正和插值方法，这就要求每个台站根据自身情况确定最佳的校正和插值方法[53]。

鉴于不同测量方法的优缺点，不同地区典型农业生态系统的测量应选择适宜的国际认可度高的方法；且有些方法不断发展，其精准性也不断提升，在测量过程中的影响因素也不能忽略。

2.2 影响因素及减排措施

影响农业温室气体排放的重要因素是农业管理方式，包括作物种类、耕作方式、农药化肥种类、有机生物质炭、灌溉、农膜的使用、秸秆还田和放牧的强度等。这些管理方法均是通过改变土壤的理化性质来影响碳排放和固碳能力[54-56]。稻田中的CH4、N2O 受水稻品种、土壤类型、水分条件、肥料种类、栽培管理方式等因素影响[57]。小麦—玉米轮作系统的碳排放主要受农药化肥使用量、灌水量、农机燃料、秸秆处理方式以及耕作方式等因素影响。温室气体减少排放、农田土壤固碳和农业生产的增加尤其是种植业碳汇的增加是实现碳达峰重要手段[58-59]。

2.2.1 土壤固碳农田土壤固碳是IPCC 认为经济可行且环境友好的减缓碳排放的重要方法，在一系列固碳减排措施中处于重要地位，是应对全球气候变化的有效措施之一，也是《京都议定书》认可的减排途径之一，其减排潜力可占自然总潜力的20%以上[60-61]。土壤固碳是植物的光合作用将大气中的CO2变为有机碳进入土壤，形成土壤碳库，这也是农田生态系统作为CO2汇的重要过程——固定和增加。土壤有机碳被称为是地球表层系统中最大、最活跃的生态系统碳库之一。在提高土壤肥力的条件下有效提高土壤固碳能力，可促进现代农业产业可持续发展[62]。通过采取相应的管理措施，提高土壤中有机碳和无机碳的含量，将大气中的二氧化碳保持在土壤碳库中。添加生物炭肥可以提高土壤的理化性质及其渗水性，减少氮、磷等营养元素的流失，能够显著减少土壤CO2和N2O的排放量，并促进土壤对CH4的吸收作用，抑制稻田N2O 和CH4的排放[63-65]。

2.2.2 秸秆还田秸秆还田具有非常可观的固碳潜力，它是中国农田表层土壤有机碳含量增加的主要原因之一[66-67]。增加秸秆还田比例是减少中国农田CO2排放的最有效措施[68]。它能够提高农田土壤的固碳速率，在增加土壤有机碳含量的同时，也增加了N2O的排放，虽然秸秆还田条件下土壤固碳率与N2O排放虽存在消长关系，但仍更有利于温室气体减排[69-70]。LU 等[71]对中国农田土壤固碳进行了估算，在目前情况下，施用氮肥、秸秆还田和免耕每年可封存5.96、9.76、0.80 Tg C，认为秸秆还田具有最大的固碳潜力。POWLSON等[72]通过试验发现，当试验进行100年后，添加秸秆处理的土壤有机碳含量较秸秆不还田处理的土壤增加了20.4 t/hm2。不同的秸秆还田方式的碳排放存在明显差异，秸秆生物质炭的转化形式更有利于农田系统的固碳减排[73]。胡乃娟等[74]研究表明，麦秸沟埋还田不仅能提高作物产量，还能增强土壤固碳能力，降低温室气体的排放强度。吴洁[75]的研究表明，与常规秸秆还田相比，秸秆集中沟还田能明显减少温室气体排放，且随着还田的深入，温室气体排放呈下降趋势。程琨[76]通过DAYCENT 模型模拟验证出旱作农业生态系统中，施用有机肥、减少化学氮肥、保护性耕作结合秸秆还田是最好的减排措施。

2.2.3 稻田固碳如果水稻生长期一直保持淹水状态，其CH4排放量就会高于普通稻田[77]。土壤中的水分可以通过影响硝化和反硝化作用来影响农田N2O的生成速率，通过影响N2O 在土壤中的扩散和还原速率来影响农田N2O 的排放[78]。水稻是典型的禾本科喜硅作物，所以在吸收硅素的过程中往往会形成植物岩，植物岩形成时会续存一些有机碳，可以减轻生态系统的碳排放压力，因此种植植物岩产生能力强、植物岩碳含量高的水稻品种来固碳有助于缓解全球变暖[79]。此外，陈松文等[80]研究表明，通过合理的农业技术和优化水稻种植模式，可以提高水稻生产的碳中和水平。对以水稻碳汇为主体的省份，采取间歇节水灌溉、秸秆还田、氮肥减施、免耕等稻田管理技术，促进稻田减排、增汇、节能循环，提高水稻碳汇能力[81]。其中减排潜力最大的管理措施是减少化学氮肥施用和间歇淹水管理[82]。

2.2.4 耕作方式耕作方式也是影响温室气体排放的一个重要因素。沈吉成等[83]通过研究发现在旱农区免耕和秸秆覆盖的保护性耕作措施不仅可以改善土壤质量，还可以减少土壤碳排放，增强农田土壤的碳汇功能。根据土壤碳积累和农田输入碳排放的结合，传统耕作转变为保护性耕作后，可以实现“碳源”向“碳汇”的转变[84]。大量研究表明少耕、免耕和秸秆还田等保护性耕作措施能有效增加土壤有机碳含量，减少CO2排放[85-87]。杜勇利[88]通过研究发现玉米—大豆带状套作系统可有效减小土壤温室气体的排放强度。侯连涛[89]研究发现小麦旋耕和玉米免耕直播可以减少小麦—玉米轮作系统的总碳排放。小麦与玉米轮作能减少农田土壤二氧化碳的总排放量，相对于传统单作来说下降了279～829 kg/hm2，下降幅度5.1%～16.0%[90]。

2.2.5 生产要素农膜、农药、化肥以及农用机械等生产要素的使用也会产生温室气体。其中，化肥的使用是中国种植业碳排放的主要来源[91-92]。有机肥的施用和管理的优化可以增加农田的碳输入，提高有机碳的固存效率，改善土壤的理化性质，增加土壤中有机碳的含量[93-94]。此外，施肥方式的不同也会影响土壤有机碳含量，可以采用增加作物产量的施肥方法来提高土壤有机碳含量[95-96]。根据土壤氮素矿化率确定不同的施肥量，合理使用有机肥，提高氮素利用效率，可有效减少高肥力土壤因过量施肥造成N2O排放高的现状[67]。谢钧宇[97]研究出有机无机肥配施能显著提高小麦和玉米的产量，包括有机碳的输入、固碳率和固碳潜力的提高。沈亚文[98]研究表明，在玉米-大豆系统中，在提高保证农田生产力的情况下，少施氮肥可显著降低温室气体含量。在氮肥行业在整个生产和运输过程中，也会产生大量的温室气体CO2。因此，减少氮肥施用不仅可以减少N2O 的排放，同时还可以减少CO2的排放[99]。

通过地膜覆盖可以增加土壤的固碳能力，增加土壤各土层CO2的浓度，降低各土层CH4的浓度[100-101]。冯浩等[102]发现覆膜处理后的小麦—玉米CO2和N2O排放总量较不覆膜处理分别增加了9.3%～33.9%和14.3%～47.1%，对CH4吸收差异不大。合理重复利用农膜，研发可降解低农膜，减少农膜过度使用带来的污染，推广使用新能源农机设备，对传统农用机械进行节能改造以及推广低碳减排技术等措施均能减少温室气体的排放[103-106]。

此外，在向低碳经济转型的过程中，农业土地利用及其农业土壤固碳在应对气候变化方面的重要性和对温室效应的减缓程度也是中国最应该重视的[107]。韩冰等[108]通过其自建的经验公式估算了不同管理措施下农田土壤的固碳能力和潜力。分析了施用化肥、有机肥、秸秆还田和免少耕4 种典型耕作管理措施对农田土壤碳增加的贡献分别为40.51、23.89、35.83、1.17 Tg/a。改善农业管理措施和恢复退化的农田是封存有机碳的有效途径之一，不仅可以抵消大气中温室气体的排放，还可以提高土地生产力，实现农业可持续发展[109-110]。

3 存在问题

土地可持续管理和化肥利用率低是中国农业温室气体减排面临的两大挑战[111]。目前中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的估算和评价仍存在较大的不确定性，农业土地利用管理措施下的土壤碳估算值存在较大差异[112]。土地资源规划不合理，导致土地质量差，退化严重。此外，中国的化肥利用效率低于世界水平，化肥利用效率低，化肥用量大是当前农业种植普遍存在的问题[113]。目前农田管理处于非常重要的固碳时期，解决农田碳库重建和加快农田温室气体减排是中国农业生态系统2 个重要固碳减排方向途径。在经济方面，HE 等[114]通过构建估算农业温室气体排放量的框架的方式，总结发现发达地区的减排成本更容易受到技术进步和政府环境治理的影响，以种植为主的地区减排成本受产业结构和能源消费结构影响。而欠发达地区减排成本主要受经济水平影响。在能源方面，中国面临严峻的能源供应及环境危机，化石能源的使用会带来一系列的环境污染，需要发展光能源减排、沼气减排等新能源，减少化石能源带来的高碳排放，以及相关减排措施有待进一步完善。在宣传方面，农民对低碳农业的相关知识了解较少，环保减排意识薄弱，导致在农业种植过程中仍采用传统高碳种植方式。政府应该加大宣传力度，对于低碳农业的宣传更要到农民群众中去。在科研方面，农业生态系统固碳潜力虽然研究范围相对较广，但研究不够深入，在一些问题上存在争议。同时，对不同地区差异的研究略显不足，不同地区之间缺乏可比性。需要针对不同地区不同作物进行具体的固碳分析，了解存在的问题。

4 展望

实现温室气体减排，要因地制宜地科学培育和管理土壤，努力实现农业可持续发展的增产、增汇、减排[115]。随着土壤固碳的能力愈加明显，今后应更加重视农田土壤固碳的各种有效减排措施的综合应用，加大对农田土壤固碳潜力的研究，为农业固碳减排做出贡献。对于小麦—玉米轮作系统应该改善耕作方式，推广少耕、免耕技术，减少农业机械的使用，用科学的施肥灌溉方式代替传统的施肥灌溉方式。稻田生态系统要优化水分管理、肥料配方和施肥技术，培育低排放高产量的水稻品种，开发低成本硝化抑制剂来降低N2O的排放量。此外，还能通过扩大秸秆还田比例，提高设施农业的生产效率，完善生化生产要素应用技术等途径，来进一步提高农业生态系统固碳减排潜力。

随着国际大环境对气候变化的广泛关注以及中国一系列碳排放政策的制定，人们对于低碳生活生产的认识不断加深。基于区域农业碳排放的实际情况以及生态系统碳排放特点，中央和地方政府应构建区域农业碳减排合作机制，加强区域合作，制定符合排放现状的减排方案，推进农业低碳科技创新，加大低碳农业技术研发和推广的投入，鼓励研发碳捕获等关键技术。从而发掘农业生态系统的固碳减排潜力，推动碳经济向低排放和高能效转型。