生物质炭对农田温室气体排放的作用效应及其影响因素探讨

气候变暖已成为当今全球关注的焦点。农田生态系统作为CO2、CH4、N2O等温室气体的主要排放源,在全球温室效应中起重要作用。近年来,由于生物质炭在改善土壤性质,提高土壤碳汇和控制农业温室气体排放方面的巨大应用潜力,特别是对土壤碳的增汇减排作用,已成为土壤学和环境科学的研究热点。目前,关于生物质炭在农田温室气体排放方面的影响研究主要集中在我国华中、太湖平原、成都平原等地。然而由于受空间地域、实验条件等因素的差异,众多学者开展生物质炭作用于农田温室气体排放的研究结果不尽相同,也未曾见有报道从影响因素的角度深入探讨其作用机制。综述对比了近几年来国内外关于生物质炭对农田温室气体排放的影响研究,并从生物质炭的种类、施炭量、应用的土壤类型以及耕作方式和施肥条件等因素探讨了生物质炭对农田温室气体排放的作用机制。旨在通过改变生物质炭的种类和施炭量等条件,从而为抑制农业温室气体的排放乃至缓解全球气候变化提供可靠的科学依据。综合各项研究发现,秸秆炭在抑制农田温室气体排放方面要优于其他种生物质炭;40 t·hm-2的施炭量是一个既能提高作物产量又能实现固碳减排目标的较好选择;单作物耕作方式和合理的保护性耕作技术有利于减少农田温室气体的排放;在肥料的施用选择上,施用氮磷钾有机肥比普通氮肥更能有效地减少农田温室气体的综合排放效应。然而,从微生物活性和群落结构变化的角度深入探讨生物质炭作用于农田温室气体排放的微观机理及其温室气体减排还仍需进一步的研究。     

施肥对冬小麦土壤温室气体排放的影响

通过对不同施肥处理下冬小麦（Triticum aestivum）农田土壤温室气体排放的测定,研究了巢湖流域圩区农业生态系统春季土壤温室气体的排放特点。结果表明,土壤温室气体通量与温度等因素正相关,与土壤水分质量分数负相关,不同施肥方式对土壤温室气体排放也有重要影响。土壤系统维持持续的CO2气体排放,土壤是CO2气体的净排放源;CH4的情况则较为复杂,在较低温度条件下,土壤可以吸收少量的CH4气体,随着温度的上升开始出现CH4的净排放。与对照相比,优化施肥、减量施肥＋秸秆还田、常规施肥可减少的温室气体排放量折合CO2体积当量分别相当于减排12.0%、20.5%、17.6%,合理的施肥管理可以大幅度减少温室气体的排放。     

土壤温室气体产生与排放影响因素研究进展

土壤是温室气体(如CO2、CH4和N2O)产生的重要源,土壤温室气体主要来自于微生物呼吸,植物根呼吸和土壤动物呼吸。土壤温室气体排放机制及其影响因素是研究全球碳氮循环的重要组成部分。研究表明,影响土壤呼吸的因素很多,土壤理化性质如温度、含水量、有机质含量、pH值、氧化还原电位(Eh)、土壤质地等因素都可以直接影响土壤微生物量及其生理生化过程,从而影响温室气体排放。其中,土壤温度,湿度、有机质含量是关键性因素。此外,地域气候、土地利用以及土地覆盖变化也可以通过改变土壤理化性质及呼吸底物来影响温室气体排放。文章重点论述了土壤温室气体排放机制,排放影响因素以及排放的日变化和季节变化规律。认为今后的研究方向应该是土壤微环境碳氮循环机制,土壤呼吸模型在尺度上的推延,以及注重中国陆地与近海生态系统碳固定及减少碳排放的对策和应用技术研究,特别在人工林碳固定及农业固碳减排方面加大研究力度等。     

中国农田主要温室气体排放特征与控制技术

全球气候变化已成为不争的事实,已经引起了各国科学家和政府的高度重视。人类活动向大气中排放的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体浓度的增加是导致气候变化的重要原因之一。农田土壤是这三种温室气体的重要来源。文章概述了农田土壤CO2、CH4和N2O三种主要温室气体的排放机制,系统总结了国内对这三种温室气体排放通量的观测研究,提出了相应的减排技术对策,并对目前的研究问题和未来的发展方向作了深入的探讨,以期为控制农田土壤温室气体排放、发展低碳农业提供参考依据。     

依靠科技进步 发展低碳农业

在全球携手应对气候变暖、减少温室气体排放的背景下,发展低碳经济是解决气候变化与经济发展矛盾的有效途径。通过描述气候变化、固碳减排对粮食安全、土壤碳汇、森林固碳、资源循环利用等影响和促进作用,深入分析发展低碳经济与可持续发展的关系,探讨如何在农业领域内开发高效循环生产体系,从而实现农业生产过程的固碳减排目的。由此,提出发展低碳农业是实现低碳经济的目标之一,它是一个复合技术体系,涉及了绿色农业、循环农业、生态文明、可持续发展理念。必须通过科学技术的突破,改造、提升低碳农业技术,改变农业现有的＂高能耗、高污染＂的生产状况,实现低碳生产、生活方式的转变。最后提出发展现代的低碳农业产业经济的对策和思考。     

温室气体排放与中国粮食生产

中国用占世界8％的土地养活了世界上1／5的人口，粮食生产已经基本满足了现有人口的需求。但是，生产粮食会向大气释放大最的温室气体。面对全球减少温室气体排放的压力，在粮食生产中，增加农田生态系统的碳固定能力及减少N2O和CH4的排放，直接关系着中国粮食生产的未来发展。文章分析全球和中国温室气体排放清单中粮食生产的作用和意义；利用生物地球化学模型DNDC和中国农业生产数据库，估算中国农田生态系统的土壤碳动态和N2O排放；通过情景分析(Scenario)，预测在不同方案下，中国农田生态系统碳动态和N2O的排放量；提出了我国未来粮食生产应该采取的对策和技术措施。     

免耕和秸秆覆盖对农田土壤温室气体排放的影响

农业土壤是重要的温室气体排放源,各种农业措施对温室气体排放产生重要的影响。免耕和秸秆覆盖作为两种重要的保护性耕作措施正在被越来越广泛的应用,但是其对土壤温室气体排放的影响还不明确,结果存在分歧。通过对免耕和秸秆覆盖措施下农田三种主要的温室气体（CO2、CH4和N2O）排放的相关研究进行对比分析,探讨两种保护性农业措施对温室气体排放的影响。研究表明,免耕减少土壤干扰,增加团聚体的稳定性,有利于难分解碳的形成,减少土壤CO2排放;与常规耕作相比,免耕有利于CH4氧化,增强甲烷氧化菌活性,降低CH4排放;免耕对N2O排放的影响与气候类型和土壤性质有密切的相关关系,在干燥的气候条件下,免耕增加通气条件差的土壤的N2O排放,对通气好的土壤影响不大。而在湿润的气候条件下,不同的土壤性质结论不一致。秸秆覆盖增加土壤CO2排放,并随着秸秆覆盖量的增加而增大;秸秆覆盖对CH4排放的影响有很大的不确定性,与覆盖方式和覆盖秸秆性质有密切联系;大部分研究认为秸秆覆盖增加N2O排放,但也有研究认为秸秆覆盖对N2O排放无影响或降低N2O排放量,秸秆覆盖对N2O排放机理复杂,需要进一步研究。通过综述发现随着保护性农业措施的推广,大量的研究集中在其对作物产量、土壤水分利用率、土壤性质等方面的研究;而保护性农业措施对温室气体排放的研究相对较少,特别是对三种温室气体的综合影响研究并不多见。因此,需结合不同土地类型,开展不同气候类型下免耕和秸秆覆盖对三种主要温室气体排放影响的综合研究,预测增温潜势,为不同气候带保护性农业措施下温室气体排放提供基础数据,并为制定合理的耕作和秸秆覆盖措施提供理论支持。运用同位素示踪等新技术明确秸秆覆盖对温室气体排放的直接和间接贡献率,结合不同研究区?     

农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响

温室气体排放引起的全球气候变暖和平流层臭氧空洞已成为当前人们关注的环境问题之一。土壤碳库作为地表生态系统中最活跃的碳库之一,是甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等温室气体的重要释放源,也是重要的吸收汇。因此,寻找农田土壤系统碳管理的有效方法已经成为缓解温室效应的重要科学问题。西方发达国家已将固碳农业作为环境管理的重要导向,应用颗粒分组13CNMR或CPMAS-NMR技术对土壤碳固定的机制研究指出微团聚体与矿物-粘粒复合体的相互作用是土壤有机碳稳定存在的主要方式,揭示了土壤有机碳的腐殖质转化及其与土壤矿物、金属氧化物结合的微观水平,且从土壤物理结构、化学组成和生物学特性等多学科交叉研究土壤有机碳的固定机理及其稳定机制。长期传统的土地利用方式和管理措施所导致的土壤有机碳含量、密度及垂直分布的变化是造成土壤碳库损失的主要原因,为了增加农业生态系统土壤有机碳的含量,土地利用方式和农业管理措施应该从增加有机碳输入量和减少有机碳矿化两方面着手,加强对农业土壤固碳潜力和土壤碳库稳定性影响因素的多角度研究。     

有机肥对土壤肥力和土壤环境质量的影响研究进展

施肥是农业生产中补充养分的重要措施,但过量施用化肥的现象越来越严重,导致肥料利用率低,引起土壤肥力下降,破坏农田生态环境。目前,化肥减量和增施有机肥逐渐成为被人们普遍接受和提倡的施肥方式,但仍然存在对有机肥的认识不全面,利用不合理的现象。文章综述了国内外有机肥施用对农田土壤肥力和土壤环境质量的影响效应及作用机理,并对有机肥的合理利用提出了对策。研究表明,有机肥含有丰富的有机质,有机质对土壤肥力水平、土壤重金属有效性和温室气体排放均有至关重要的作用。有机肥能显著改善土壤物理性状,缓解土壤酸化,增加土壤有效养分,维持土壤养分平衡,提高土壤生物和生物化学特性,优化土壤微生物群落的结构组成;然而有机肥(主要来源于畜禽粪便)的长期过量施用会增加土壤重金属含量,加大作物吸收积累重金属的风险,另外,有机肥还可能促进土壤温室气体(CO2,CH4等)的排放,加重温室效应。因此,在农业生产中应加强有机肥的管理,选择安全优质的有机肥(重金属和持久性污染物含量低),建立有机肥施用的配套技术,改革施肥方式,适时适地施肥,有机与无机相结合,尽量降低有机肥施用所带来的环境风险。     

农业源氨排放影响因素研究进展

氨(NH_3)作为大气中碱性气体,在雾霾形成中起着关键性作用,从源头上控制NH_3排放,对降低大气二次无机盐及PM2.5浓度水平,控制雾霾污染,大幅提升空气环境质量尤为重要。农业源NH_3排放是大气中人为源NH_3的主体,其主要来源于农田施肥和畜禽养殖。因此,总结农业源NH_3排放国内外研究进展,分析NH_3排放影响因素,对于了解其NH_3排放过程与特征,进而针对性提出控制措施具有重要意义。为此,就农田施肥和畜禽养殖NH_3排放影响因素的国内外研究现状进行了系统总结,结果发现,肥料类型、土壤理化性质、田间气象要素和施肥方式是影响农田施肥NH_3排放的主要因素;畜禽饲料性质、禽舍环境和清粪模式是影响畜禽养殖NH_3排放的主要因素。目前,农田施肥NH_3排放研究主要是从农田氮地球化学循环过程和粮食增产需求角度开展,而畜禽养殖NH_3排放研究主要从职业卫生健康角度开展,上述研究缺乏以NH_3排放环境暴露风险为目的的考量。因此,开展以环境空气为排放界面的农业源NH_3排污系数研究,制定农业源NH_3排放清单,并基于环境暴露风险,明确农业源NH_3排放优先控制区域,最终可为环境管理部门制定农业源NH_3排放分区控制技术体系、策略与路线图以及标准与政策法规提供理论依据。     

土壤生态系统中黑碳研究的几个关键问题

因人类活动的影响,全球大气C02浓度自1750年以来呈现逐步上升的趋势。农业生产活动与气候变化紧密相关,因土地利用方式的改变以及高度集约化的粮食、食物生产等农业活动都有可能增加CO2等温室气体的排放。如何遏制和减少大气中的CO2浓度是当前的热点问题,黑碳这一物质形式有可能为这一问题的缓解或解决提供新途径。生物质黑碳是生物质材料在低氧或无氧状态下经热裂解而形成的一种富含碳元素的有机连续体,其中碳（C）元素的含量高达70％-80％,并且大多以稳定的芳香环形式而存在。人类生存环境中所形成黑碳的80％以上最终都要归于土壤,且由于其较强的抗分解能力而长期滞留于土壤环境中。利用黑碳的这些特性及其碳封存能力,实施积极而有效的土壤管理措施,有可能增加土壤生态系统中的碳储存,从而为人类社会应对全球气候变化提供新的机遇。在文献资料调研的基础上,描述了土壤中黑碳的来源及其增加土壤碳储存、减缓陆地生态系统碳循环的潜力;阐释了量化土壤中黑碳的重要性以及精确测定土壤黑碳含量的关键所在;揭示了黑碳在土壤环境中的稳定性,探讨了外源黑碳与土壤本体有机碳的相互作用关系,并分析了黑碳对土壤温室气体排放的影响及其不确定性。揭示这些问题有助于客观评价黑碳能否作为一个有效的土壤有机碳库,也益于明确黑碳在全球碳循环以及中国农业减排过程中的作用与地位。     

中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力

在利用反硝化-分解(DNDC)模型估算中国分县农田土壤碳库及其变化量的基础上,分析中国分省农田土壤碳库的饱和水平,估算各省市自治区农田土壤的固碳潜力,比较旱田与水田固碳能力的差异。结果表明:笔者所得到的中国农田土壤碳库的饱和水平可代表在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下农田土壤经过耕种后所能达到的碳含量的平衡值,为农田选择土地利用方式、耕作栽培措施和施肥方式以固定更多的碳素提供依据。在分布上,中国农田土壤碳库的饱和水平以华北地区较低,以华北地区为中心向外呈辐射状递增。在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下,中国农田土壤的固碳潜力为-0.969 Pg。从单位面积的固碳潜力看,以西藏自治区最高,黑龙江省最低;从分布看,从南向北有逐渐递减的趋势。中国水田比旱田有更大的固碳能力。     

中国农田生态系统土壤碳库的饱和水平及其固碳潜力

在利用反硝化-分解（DNDC）模型估算中国分县农田土壤碳库及其变化量的基础上，分析中国分省农田土壤碳库的饱和水平，估算各省市自治区农田土壤的固碳潜力，比较旱田与水田固碳能力的差异。结果表明：笔者所得到的中国农田土壤碳库的饱和水平可代表在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下农田土壤经过耕种后所能达到的碳含量的平衡值，为农田选择土地利用方式、耕作栽培措施和施肥方式以固定更多的碳素提供依据。在分布上，中国农田土壤碳库的饱和水平以华北地区较低，以华北地区为中心向外呈辐射状递增。在1990年的土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下，中国农田土壤的固碳潜力为-0．969Pg。从单位面积的固碳潜力看，以西藏自治区最高，黑龙江省最低；从分布看，从南向北有逐渐递减的趋势。中国水田比旱田有更大的固碳能力。     

Carbon sequestration and soil microbes in purple paddy soil as affected by long-term fertilization

Soil organic carbon (SOC) sequestration impacts on food security and climate change and may be affected by soil microbes in fertilized croplands. A 12-year field experiment under the rice–wheat system was used to evaluate the effect of the long-term fertilization on the SOC accumulation, culturable soil microbes, and their interaction in purple paddy soil. Results showed that varied fertilizations resulted in a significant increase of the SOC content and stock in the plow layer, as well as rise in populations of major soil microbes, including bacteria, actinomycetes, and fungi compared with no fertilization. Soil with combined application of chemical NPK fertilizer and organic amendment (pig manure or rice straw return) on average had the highest organic carbon content and stock, amounts of bacteria, actinomycetes, and fungi, which were 7.8%, 5.8%, 75.8%, 130.5%, and 16.2% higher than the NPK fertilization alone. Fertilization differentially altered populations of the functional anaerobic bacteria in paddy soil. With the combined application of chemical NPK fertilizer and organic amendment, soil displayed higher amounts of anaerobic cellulolytic bacteria, anaerobic fermentative bacteria, hydrogen-producing acetogen, methanogenic bacteria, denitrifying bacteria, and sulphate-reducing bacteria than that with the NPK fertilization alone or no fertilization. Populations of all three major soil microbes showed significantly positive correlations with the SOC content, indicating their interaction was of mutual promotion. Data suggest that the combined application of the NPK fertilizer with organic amendment especially by the rice straw return is recommended to sustain the soil biological fertility and mitigate the emission of the greenhouse gas by the SOC sequestration in purple paddy soil.     

秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径,促进土壤碳截获对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物质炭具有改良土壤性质、促进土壤团聚体的形成、对土壤微生物生态具有调控作用等特性。因此,生物质炭对增强土壤碳截获能力及减少土壤CO2气体排放可能具有重要作用。采用实验室盆栽的方式,以黑麦草为目标植物,对农业秸秆生物质炭土地利用的环境效益进行了研究。实验结果表明：农业秸秆制生物质炭应用于农田土壤能产生多方面的环境效益。与对照相比,添加1%~4%生物质炭处理的土壤活性有机质质量分数均增加了25%以上,土壤呼吸度降低了23%~50%,同时,添加生物质炭对植物的生长也有促进作用。添加4%秸秆炭的处理的黑麦草生物量增加了68%。此外,秸秆生物质炭的添加对土壤中的养分具有较好的持留功能,与比照相比,添加生物质炭处理的土壤淋出液中氮和磷质量浓度显著降低,说明生物质炭能够有效减少水冲刷造成的氮磷流失,降低农业面源污染。     

Estimation of soil carbon saturation and carbon sequestration potential of an agro-ecosystem in China

Soil is believed to be the most important sink for sequestering atmospheric carbon. Hence, estimating soil carbon sequestration potential has been carried out for different regions and agricultural practices. However, soil carbon saturation (SCS), a fundamental concept for estimating soil carbon sequestration potential, has not been estimated for countries or regions. In this study, we estimated SCS of agricultural land for most provinces in China for 1990 by the DNDC model, a carbon and nitrogen biogeochemical cycle model, in order to provide a basis for farmers to select the land use, tillage and fertilization regimes to sequester more carbon. The result showed that SCS was as low as 0.48% in Tianjin and up to 5.14% in Tibet. There was a positive correlation between SCS and the proportion of paddy field in a province. In 1990, cropland soil carbon sequestration potential (SCSP) in China was -0.969 Gt C (-2.706 to 0.767 Gt C). This suggests that agricultural soil will be a carbon source to the atmosphere if agricultural practices are not altered. However, SCSP differed between provinces in China. SCSP was highest in Tibet (7.9 t C ha-1) and lowest in Heilongjiang Province (-60.8 t C ha-1), with a gradual decrease from south to north in China.     

低碳经济与农业发展思考

大气中碳浓度的升高是导致全球气候变化的主要原因.以低能耗、低排放、低污染为特征的低碳经济是目前人类应对全球气候变化,减缓温室气体排放的根本出路.农业生产与全球气候变化息息相关,农业是温室气体的第二大重要来源,如何减少农业温室气体排放量并探寻减排方法已经成为当务之急.从低碳经济这一热点问题谈起,论述了农业生产与全球气候变化的关系,以及当前农业面临的问题和挑战,提出了发展低碳农业的对策以及具体措施,旨在为呼应低碳经济,应对全球气候变化提供科学决策,促进现代农业由高碳经济向低碳经济转型,实现农业的可持续发展.