我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究全球變化和國家糧食安全

1、第20卷第4期2005年4月地球科學(xué)進(jìn)展ADVANCES I N E ART H SC I ENCEVol.20No.4Ap r.,2005文章編號(hào):100128166(20050420384210我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究:全球變化和國家糧食安全3潘根興1,趙其國2(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所,江蘇南京210095;2.中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇南京210008摘要:京都議定書已于2005年生效,我國面臨著CO2減排的巨大壓力。分析了我國農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫及其演變研究的現(xiàn)狀,認(rèn)為當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)在耕地資源嚴(yán)重短缺、耕地地力趨于下降的背景下面臨著2個(gè)巨大挑戰(zhàn):提高和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)能力與

2、補(bǔ)償日益增加的工業(yè)CO2排放。有機(jī)碳貧乏作為我國耕地土壤的基本特點(diǎn),這一方面提供了我國較大的固碳空間,另一方面也體現(xiàn)了我國實(shí)施固碳農(nóng)業(yè)的必要性和緊迫性。目前迫切需要了解我國農(nóng)業(yè)土壤在最近20年來的碳庫演變態(tài)勢(shì)與規(guī)模,明確我國農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力與容量,在國家層面上實(shí)施農(nóng)業(yè)固碳穩(wěn)產(chǎn)工程,以在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和爭取國家CO2排放的較大配額上實(shí)現(xiàn)雙嬴。關(guān)鍵詞:京都議定書;固碳;CO2減排;全球變化;糧食安全;耕地資源;農(nóng)業(yè)土壤中圖分類號(hào):X22;S153.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A當(dāng)前,國際社會(huì)正在不斷加強(qiáng)對(duì)控制全球氣候變化的努力1。旨在減緩溫室氣體排放的京都議定書已于2005年2月16日生效2,3。京都議定書3

3、.4款提出可以通過增加生態(tài)系統(tǒng)碳庫來補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放4,5。為此,美國于2003年發(fā)起碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇,I PCC于2002年開始籌備全球碳捕獲與固定(CO2cap ture and sequestrati on評(píng)估報(bào)告,目前已開始征求各國政府的意見6。土壤是地球表層系統(tǒng)中最大而最活躍的碳庫之一(1550 Pg,約為大氣圈和生物圈碳庫的2.5倍79。美國土壤學(xué)會(huì)10和美國農(nóng)業(yè)部11分別將土壤碳收集(s oil C sequestrati on列為基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域。歐盟12和美國13、加拿大14、法國15及F AO16自2002年紛紛出臺(tái)國家級(jí)綜合研究項(xiàng)目分析農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力及其實(shí)現(xiàn)的途

4、徑,以作為控制制定CO2排放清單及CO2減排配額的依據(jù)。我國政府自2002年開始向國際社會(huì)承諾控制全球氣候變化的義務(wù),2003年加入碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇17,并著手從國家層面上實(shí)施緩解氣候變化的措施,并啟動(dòng)了“氣候變化國家評(píng)估報(bào)告”項(xiàng)目18。全球變化與我國可持續(xù)發(fā)展一直是我國地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究的兩個(gè)突出主題,并在服務(wù)于國家利益和推動(dòng)國際全球變化研究上努力開展具有我國特色的研究19。本文試圖從我國全球變化和糧食生產(chǎn)安全兩個(gè)角度討論加強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)(耕作土壤有機(jī)碳演變研究的重要性,分析該領(lǐng)域存在的主要問題,提出未來發(fā)展趨勢(shì)與有待加強(qiáng)研究的科學(xué)問題以及政策建議。1我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變與全球變化由于工業(yè)C

5、O2排放日益加劇,而目前又還沒找到有效的替代技術(shù)途徑,尋求將能源消耗中排放的3收稿日期:2005201204;修回日期:2005204201.3基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“中國主要水稻土有機(jī)碳的固定機(jī)制、穩(wěn)定性與碳匯效應(yīng)”(編號(hào):40231016資助1作者簡介:潘根興(19582,男,浙江浦江人,教授,主要從事土壤碳循環(huán)與全球變化研究.E2ma il:gxpan 此文是國際地圈生物圈計(jì)劃中國全國委員會(huì)第四屆第五次、第五屆第一次全會(huì)的會(huì)議交流論文碳在農(nóng)業(yè)中重新收集與固定成為國際上共同努力的趨勢(shì)。全球農(nóng)業(yè)利用的土壤覆蓋面積是4961 Mh m2,耕地為1369Mhm220,耕地占全球陸地面

6、積的10.5%。在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中只有農(nóng)業(yè)土壤碳庫是強(qiáng)烈人為干擾而又可以在較短的時(shí)間尺度上可以調(diào)節(jié)的碳庫。近5年來,國際科學(xué)界出現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)土壤碳固定與收集的重視,研究十分興盛。有較多資料顯示,西方國家由于實(shí)行保護(hù)性耕作和少免耕,最近時(shí)期的農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定和增長的趨勢(shì)21,可以在較顯著的水平上抵消其碳排放。據(jù)估計(jì),全球農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力為20Pg16,在最近25年內(nèi)其速率平均可達(dá)(0.9±0.3Pg/a22,歐盟15國農(nóng)業(yè)土壤的碳收集潛力為90120TgC/a23,美國為107TgC/a24。全球農(nóng)業(yè)土壤的碳收集潛力差不多是全球每年大氣CO2總量的增加值的1/4 1/3。因此,從

7、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理上來說,保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮農(nóng)業(yè)土壤的碳收集能力,對(duì)于全球糧食供應(yīng)與緩解氣候變化趨勢(shì)具有雙重的積極意義。為此,國外科學(xué)家提出農(nóng)業(yè)土壤碳收集是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙贏戰(zhàn)略25或者唯一在氣候控制努力上沒有遺憾的技術(shù)23。美國科學(xué)家業(yè)已證明的其森林生態(tài)系統(tǒng)(土壤、草地生態(tài)系統(tǒng)(土壤和農(nóng)業(yè)土壤中存在的碳收集效應(yīng)2628是布什政府提出以碳收集抵消其全球最高的碳排放的主要依據(jù)。根據(jù)方精云最近的研究,我國自然植被系統(tǒng)的生物量碳庫不到7Pg,其中面積為農(nóng)業(yè)耕地面積的3倍以上的草地系統(tǒng)的生物量碳庫僅1.15Pg。最近20年來自然植被系統(tǒng)生物量固碳僅達(dá)20Tg/a。這與西方國家森林和草地的固碳規(guī)模29相比

8、很微弱,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國工業(yè)發(fā)展中碳減排的固碳?jí)毫?。相?1億多公頃的耕地,生物量固碳年均達(dá)10 Tg,相當(dāng)于4億多公頃自然植被面積的一半。因此,我國農(nóng)業(yè)在固碳上具有更大的潛力與容量,農(nóng)業(yè)及其耕地土壤的有機(jī)碳固定勢(shì)必成為我國CO2減排壓力下碳匯的最重要去向。表1的資料也明顯表明了農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力。我國耕地面積為130Mhm2左右,約占我國國土面積的1/8,以占全球耕地的不到9%的耕地養(yǎng)活了占全球1/5的人口,我國農(nóng)業(yè)一直擔(dān)負(fù)著保障不斷增長的人口的糧食安全的重任,但我國農(nóng)業(yè)經(jīng)營所帶來的對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的影響一直受到國際科學(xué)界的嚴(yán)重關(guān)注。我國土壤的總有機(jī)碳庫的最近估計(jì)接近8090Pg63。

9、就人為活動(dòng)影響最顯著和活躍的表層土壤碳庫來說,全國總計(jì)3839Pg30。農(nóng)業(yè)土壤約占5Pg(表1。就碳密度來說,我國土壤總體上低于世界平均值,遠(yuǎn)低于歐洲國家(表2。從土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存和固定潛力來說,我國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)看來也是脆弱的系統(tǒng)。表1我國不同土地利用下表層土壤有機(jī)碳庫的分布Table1D istr i buti on of Topso il O rgan i c CarbonPool under d i fferen t l and uses土地利用類型面積(106hm2碳密度(t C/hm2背景碳庫(Pg固碳潛力(Pg自然土壤739.948.7±46.735.311.031農(nóng)業(yè)土壤

10、137.536.7±31.6 5.1水稻土3229.846.9±25.7 1.3 3.0表2中國和歐洲表層有機(jī)碳儲(chǔ)存情況比較Table2Co m par ison of organ i c carbon storageof Ch i n a and Europe土地利用面積(103hm2總有機(jī)碳庫(Pg有機(jī)碳密度(t C/h m2中國33歐洲3,4中國歐洲3,4中國30歐洲3,4土地總計(jì)953300489168403434.6252.070.8農(nóng)業(yè)用地254989156313.52耕地1380001354007.1837.053.0對(duì)于農(nóng)業(yè)利用下土壤碳庫的變化一直是農(nóng)業(yè)與全

11、球變化關(guān)系的研究內(nèi)容。國外科學(xué)家采用時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換和生態(tài)系統(tǒng)模型對(duì)全球和區(qū)域的土壤碳庫變化作過估計(jì)34,35。目前一般認(rèn)為,人類活動(dòng)下全球土壤碳庫的總消減達(dá)到土壤原碳庫的5%左右36, I PCC37估計(jì)全球土壤碳庫的歷史損失量為55Pg。國外科學(xué)家對(duì)我國土壤碳庫的歷史變化問題甚為關(guān)注,Lal31提出我國土壤碳庫的最近時(shí)期損失為3.5 Pg(包括沙漠化的2Pg。L indert等38根據(jù)我國農(nóng)業(yè)歷史資料和1960年前文獻(xiàn)上的土壤踏勘資料提出我國廣大地區(qū)土壤存在土壤碳庫嚴(yán)重?fù)p失;而L i 等39根據(jù)DNDC模型計(jì)算結(jié)果提出我國1950年以來土壤碳庫存在持續(xù)消減,1970年以來這種損失達(dá)到70Tg/

12、a的規(guī)模。這些結(jié)果發(fā)表后被Lal31在有關(guān)研究和綜述論文中引用,在國際全球變化研究領(lǐng)域已產(chǎn)生重要影響。然而,這些損失資料沒有很足夠的實(shí)測(cè)資料和模型研究資料予以對(duì)比。W u等40發(fā)表的論文提出我國自然土壤開墾為耕地后的總有機(jī)碳庫損失為78Pg。最近,Song等30提出我國583第4期潘根興等:我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究:全球變化和國家糧食安全方精云.中國陸地植被碳匯有多大:整合遙感和地面觀測(cè)數(shù)據(jù).北京:CNC2I G BP2004年會(huì)報(bào)告,2004.自然土壤開墾后耕地土壤表層有機(jī)碳庫的總損失約為2Pg。這種損失在華北、東北和西南地區(qū)達(dá)到60%以上(表3,這與全球變化的區(qū)域響應(yīng)和生態(tài)環(huán)境脆弱性的梯度

13、相吻合。我國農(nóng)業(yè)耕作土壤在高強(qiáng)度集約化利用和高化學(xué)投入下的有機(jī)碳庫損失一方面可能是目前我國耕作土壤普遍有機(jī)質(zhì)含量較低的原因,另一方面可能對(duì)全球土壤的有機(jī)碳損失與向大氣的CO2釋放有重要的影響。表3我國不同地理區(qū)域耕作土壤有機(jī)碳損失估計(jì)30 Table3Esti m a tes of culti va ti on-i n duced so il organ i c carbon pool loss fro m var i ous reg i on s of Ch i n a30地理區(qū)域有機(jī)碳密度(t C/hm2耕作碳損失(t C/hm2總損失碳庫(Tg有機(jī)碳庫不穩(wěn)定性(%華東35.26 5.05

14、191.014.3東北59.6936.5773.361.1華南38.16 2.015.23 5.2華北30.0124.1434.980.3西北32.6912.5304.538.2西南47.5333.0642.969.4總和/平均33.4514.72361.8343.9有機(jī)碳不穩(wěn)定性:相對(duì)于自然土壤的損失率(%盡管國外科學(xué)家認(rèn)為土壤碳庫一直是我國農(nóng)業(yè)的環(huán)境問題,最近20多年來我國農(nóng)業(yè)土壤中較普遍地出現(xiàn)了碳的固定趨勢(shì)8。這從我國土壤肥力的長期觀測(cè)和不同時(shí)段的土壤有機(jī)碳含量的變化資料的分析中可以認(rèn)識(shí)到(表4。由于農(nóng)田管理與培育技術(shù)的進(jìn)步和推廣,作物高產(chǎn)使根系生物量歸還土壤增加,加上秸稈還田的數(shù)量和面

15、積的增加,土壤總體上呈不斷上升趨勢(shì)。并且,在許多長期試驗(yàn)中農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)碳庫增加還未達(dá)到飽和限。因而這段時(shí)間內(nèi)農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量是增加的,十年尺度內(nèi)都可以觀察到土壤有機(jī)碳增加的現(xiàn)象。李忠佩等41從農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)平衡的實(shí)驗(yàn)及計(jì)算出發(fā),論證了南方紅壤地區(qū)最近20年來大部分農(nóng)業(yè)土壤表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)的盈余,而東北黑土地區(qū)總體上仍表現(xiàn)為虧缺42,華北平原區(qū)基本上穩(wěn)定或略有增長,從有機(jī)質(zhì)農(nóng)田角度提出我國低產(chǎn)農(nóng)田的碳庫增加規(guī)模為500Tg;在有機(jī)質(zhì)的增加中,化肥施用可能有積極的貢獻(xiàn)。一方面這可能是通過產(chǎn)量的提高而增加了土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量,另一方面我國化肥以氮肥為主,耕作土壤中氮素水平普遍提高,相對(duì)于自然或森林

16、生態(tài)系統(tǒng)中氮素對(duì)碳固定與收集的限制作用43,農(nóng)田土壤中氮素積累使土壤生物可以固定更多的碳于有機(jī)質(zhì)。因此,在現(xiàn)階段,我國的高產(chǎn)高投入的農(nóng)業(yè)并不一定導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的下降。在我國耕作土壤有機(jī)質(zhì)的變化中,有2點(diǎn)值得注意。其一,有機(jī)質(zhì)增長幅度在南方要高于北方,而東北仍表現(xiàn)為有機(jī)碳損失;其二,作為一種特殊的農(nóng)業(yè)土地利用方式,水稻土中有機(jī)質(zhì)積累明顯較旱地高,尤其是南方水稻土(表4。水稻土作為一種特殊利用方式下形成的人為耕作土壤,其有機(jī)質(zhì)含量是所有耕作土中最高的。水稻土耕作層平均比旱地土壤多保持了9 t/h m2的有機(jī)碳,按土壤普查當(dāng)時(shí)的面積算,全國因水稻土的經(jīng)營多固定了0.3Pg有機(jī)碳32。一些田間實(shí)驗(yàn)資料

17、表明,我國水稻土的固碳速率介于0.1 2t C/(h m2a,甚至超過北美森林土壤的固碳速率44,45。在農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力中,水稻土明顯占較高的份額。因此,中國的水稻生產(chǎn)經(jīng)營方式的農(nóng)業(yè)的碳匯效應(yīng)在全球農(nóng)業(yè)與碳循環(huán)中具有重要意義。表4我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存變化的實(shí)際資料(據(jù)文獻(xiàn)中有機(jī)碳含量資料處理 Table4O bserved da t a of changes of organ i c carbon storage of cropl and so ils of Ch i n a(Ca lcul a ted fro m reported da t a區(qū)域碳密度變化(t C/(hm2a時(shí)段資料來

18、源測(cè)點(diǎn)背景湖南湘北紅壤水田湖南湘北紅壤旱地0.400.161979200346國家農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)國家農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)安徽皖南水田0.500.901984199947地方肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)江蘇淮北旱地0.77±0.291981200363典型地力調(diào)查江蘇宜興水田0.400.801981200244地方肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)江西丘陵農(nóng)田0.470.90198419948地方肥力監(jiān)測(cè)點(diǎn)四川紫色土水田0.40.51981200063國家科技攻關(guān)示范區(qū)河北曲周旱地0.321980200063國家農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)寧夏旱地0.200.281989199848國家地力監(jiān)測(cè)點(diǎn)683地球科學(xué)進(jìn)展第20卷2耕作土壤有機(jī)碳庫與國家糧食安全近年

19、來,我國農(nóng)業(yè)面臨糧食安全的挑戰(zhàn)。我國糧食生產(chǎn)自1998年總產(chǎn)達(dá)到5400億kg以來,總產(chǎn)和單產(chǎn)出現(xiàn)持續(xù)滑坡。水稻、小麥播種面積急劇下降,玉米、大豆單產(chǎn)變率增大。總量減少、單產(chǎn)不穩(wěn)造成了國家和國際社會(huì)對(duì)我國未來16億人口的糧食安全的嚴(yán)重?fù)?dān)憂。同時(shí),我國農(nóng)業(yè)還面臨著能否承擔(dān)固碳重任的挑戰(zhàn)。美國和歐洲農(nóng)業(yè)的目前的固碳水平為每年0.1Pg左右3,2224。然而,我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中耕層土壤碳庫已損失了約2Pg(表3,我國耕地有機(jī)碳密度已低于世界平均水平30%。農(nóng)業(yè)能否有效固碳也構(gòu)成了國際社會(huì)對(duì)我國農(nóng)業(yè)環(huán)境安全的擔(dān)憂。在第236次香山科學(xué)會(huì)議“我國農(nóng)田土壤碳庫演變及發(fā)展趨勢(shì)”及“全國土壤肥力演變與持續(xù)利用”討

20、論會(huì)上,我國農(nóng)業(yè)科學(xué)家尤其是土肥科學(xué)家認(rèn)為,當(dāng)前我國糧食單產(chǎn)滑坡的重大原因之一是耕地地力的急劇衰退,這在總體上與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中大規(guī)模、無序化占地有關(guān)。90年代初,全國每年占地150200萬h m2。90年代末,平均每年占地300 400萬hm2,用于糧食生產(chǎn)的耕地面積每年減少80100萬h m2。我國的城市、小城鎮(zhèn)、農(nóng)村等建設(shè)用地,平均每年分別在10萬h m2、35萬h m2和5萬h m2規(guī)模49。這些建設(shè)用地中有60%屬于一、二等級(jí)的高質(zhì)量耕地。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡,建設(shè)占地南方多于北方,沿海多于內(nèi)地,使我國耕地在整體質(zhì)量下降的同時(shí),耕地(數(shù)量生產(chǎn)力重心北移、西移,使我國糧食生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境風(fēng)

21、險(xiǎn)越來越嚴(yán)重50!因此,我國耕地地力建設(shè)、培育和更新將是保持我國糧食生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的長期任務(wù)。不過,在區(qū)域和農(nóng)田尺度來說,地力貢獻(xiàn)率在單位面積的耕地糧食生產(chǎn)能力中仍然占主要因素。在南方,地力在單產(chǎn)中占50%60%;北方約占50%65%,北方地力因素更大。15年以上的長期試驗(yàn)表明,旱作物對(duì)地力的依賴還高于水稻。從我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史和國家土壤肥力長期監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)資料可以充分認(rèn)識(shí)到,糧食生產(chǎn)的根本是耕地,中心是地力,關(guān)鍵是有機(jī)質(zhì)(碳。事實(shí)上,我國耕地資源的兩個(gè)基本特征是耕地資源貧乏以及耕地土壤有機(jī)碳缺少。我國人均耕地面積接近F AO規(guī)定的0.053h m2/人的警戒線51。就土壤有機(jī)碳含量而言,南方

22、一般在0.8% 1.2%,華北在0.5%0.8%,東北約在1%1.5%,西北絕大多數(shù)在0.5%以下。我國耕地平均有機(jī)碳含量低于世界平均值30%以上,低于歐洲50%以上52。從碳密度來說,世界平均為121t C/ hm253,蔡祖聰63、Zhou等54,W u等40對(duì)我國全部土壤的報(bào)道值介于80105t C/hm2。全球表層土壤的有機(jī)碳密度約為50t C/hm2,據(jù)我們最近的估計(jì)30,我國自然土壤為57t C/h m2,耕作土壤僅30 t C/hm2,低于世界平均值較大幅度。所以說,我國是土壤碳密度低的國家,也是表層碳密度低的國家。這是耕地資源生產(chǎn)力的基本特點(diǎn)。土壤有機(jī)質(zhì)是耕地地力的最重要的性狀

23、之一,被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和功能的核心55,在全球生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)價(jià)中被認(rèn)為是僅次于淡水的重要自然資源56。確實(shí),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤有機(jī)質(zhì)是至關(guān)重要的決定因子。對(duì)于我國一些糧食主產(chǎn)區(qū)來說,平產(chǎn)年平均糧食單產(chǎn)水平57與其耕地土壤的平均有機(jī)質(zhì)水平有密切的關(guān)系(圖1。在北方旱作區(qū), 0.1%的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于0.8t/hm2的糧食生產(chǎn)地力。而南方稻區(qū),0.1%的有機(jī)質(zhì)相當(dāng)于0.6t/hm2的糧食生產(chǎn)地力。同時(shí),我國耕地肥力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的長期觀測(cè)資料表明,糧食作物的單產(chǎn)的年際變率也受土壤有機(jī)質(zhì)水平制約(表5。平均說來,提高土壤有機(jī)質(zhì)0.1%,可以提高10%20%的穩(wěn)產(chǎn)性。最近數(shù)年來我國東北、華北和西南等地區(qū)糧食生產(chǎn)的

24、不穩(wěn)定加劇,也可能與這些地區(qū)有機(jī)碳急劇損失而下降有關(guān)(比較表3。從各地近15年來的年際試驗(yàn)資料看,耕地土壤固碳對(duì)于提高和穩(wěn)定糧食生產(chǎn)力具有舉足輕重的意義。我國南方的長期試驗(yàn)表明,耕地有機(jī)碳的增長(固碳都促進(jìn)了糧食作物單產(chǎn)的提高和穩(wěn)定(圖2。因此,農(nóng)業(yè)土壤固碳與糧食生產(chǎn)的安全保障的目標(biāo)是一致的。我國農(nóng)業(yè)可以在高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)下為國家固碳和溫室氣體減排做出貢獻(xiàn)。也就是說,農(nóng)業(yè)土壤固碳對(duì)于國家目標(biāo)來說無疑是雙贏的戰(zhàn)略選擇25。3全球變化及糧食安全下我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變研究的科學(xué)問題與需求農(nóng)業(yè)土壤碳庫及其演變研究有兩個(gè)層面的問題:其一是土壤碳庫的國際外交層面的問題,即目前農(nóng)業(yè)土壤碳匯潛力及其技術(shù)條件已

25、成為國際環(huán)境談783第4期潘根興等:我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究:全球變化和國家糧食安全中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會(huì)土壤肥力專業(yè)委員會(huì)“全國土壤肥力演變與持續(xù)利用”全國討論會(huì).北京:2004年11月2224日1 圖1我國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地平均有機(jī)質(zhì)含量與2001年平均單產(chǎn)的關(guān)系(左,北方旱作區(qū);右,南方稻作區(qū)F i g .1Correl a ti on of m ean organ i c carbon con ten t and cerea ls y i eld of cropl and so ils i n ma jor producti on areaof Ch i n a(L eft:dry cro

26、pl ands of North Ch i n a;R i ght:r i ce culti va ti on area of South Ch i n a圖2太湖地區(qū)水稻土(左四種不同肥料處理和江西紅壤丘陵(右8種不同化肥和有機(jī)肥處理下有機(jī)質(zhì)變化與水稻產(chǎn)量變化的關(guān)系F i g .2Correl a ti on of r i ce y i eld w ith changes of organ i c carbon con ten t under d i fferen t fertili za ti on practi ces(L eft:paddys fro m the Ta iLake re

27、g i on,J i a ngsu;R i ght:paddys fro m the h illy reg i on of J i a ngsi 表5我國不同地區(qū)耕地有機(jī)質(zhì)水平與作物單產(chǎn)變率的關(guān)系Table 5Rel a ti on sh i p between organ i c carbon con ten tand y i eld var i a b ility i n var i ous area of Ch i n a 農(nóng)業(yè)地區(qū)作物產(chǎn)量變率(%土壤有機(jī)碳(g/kg 黃淮海平原麥玉米304578太湖平原水稻8301620杭嘉湖平原水稻12301517湖南紅壤丘陵小麥3040911四川紫

28、色土丘陵小麥水稻153013201518江西丘陵紅壤水稻8171320判籌碼;另一個(gè)是提高土壤有機(jī)質(zhì)水平、培育和提高耕地生產(chǎn)力的問。為應(yīng)對(duì)我國環(huán)境外交和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全保障的挑戰(zhàn),亟待重視和推進(jìn)農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變與碳收集能力的研究63。這種研究應(yīng)在宏觀上解決不同區(qū)域土壤在其自然條件和人為活動(dòng)綜合作用下碳庫動(dòng)態(tài)問題;從微觀上解決人為活動(dòng)對(duì)不同利用方式下土壤有機(jī)碳庫動(dòng)態(tài)的影響機(jī)理等一系列科學(xué)問題。但與國際上比較,我國在農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變研究上還存在如下的主要差距:(1關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變與碳循環(huán)研究尚未得到的足夠重視和支持。在未找到控制工業(yè)CO 2排放的替代技術(shù)前的最近2030年間,土壤固定大

29、氣CO 2的容量與潛力成為減緩大氣CO 2濃度升高的關(guān)鍵。美國、歐盟、F AO 正在或已經(jīng)開展一系列的資料收集、數(shù)據(jù)對(duì)比與庫量平衡及其碳收集技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等國內(nèi)國際重大研究合作計(jì)劃,以評(píng)估和預(yù)測(cè)(農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力與容量、速率和時(shí)效性。這些研究將在I PCC 碳收集評(píng)估報(bào)告中占有重要的依據(jù)與參考地位。我國2001年的工業(yè)CO 2排放為1Pg/a,僅次于美國(1.84Pg/a ,預(yù)計(jì)在2025年會(huì)超883地球科學(xué)進(jìn)展第20卷由“全國土壤肥力演變與持續(xù)利用”學(xué)術(shù)討論會(huì)交流資料整理.過美國達(dá)到2Pg/a31,因而我國面臨著減排的巨大壓力。我國政府正在積極應(yīng)對(duì)國際社會(huì)在全球變化上的控制努力,著手實(shí)施國

30、家固碳工程。但農(nóng)業(yè)作為我國占1/8的土地利用形式,關(guān)于我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫及其碳收集能力的國家資料還很少。目前僅有美國科學(xué)家對(duì)我國農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力的估計(jì)資料。這與國際社會(huì)的需求和國家控制全球氣候變化的努力的需求還很不適應(yīng)。對(duì)我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變與碳收集潛力的認(rèn)識(shí)不能依靠國外科學(xué)家的已有研究來套用,我們需要從我國的特殊土地利用方式和管理特點(diǎn)出發(fā),研究提出我國農(nóng)業(yè)的固碳潛力估計(jì),闡明最近20年來農(nóng)業(yè)固碳的規(guī)模及其在抵消我國工業(yè)發(fā)展中CO2排放上的作用,并提出符合我國農(nóng)業(yè)特點(diǎn)和需求的固碳目標(biāo)和途徑的方案。(2系統(tǒng)資料的缺乏,長期觀測(cè)與試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的不完善。國外科學(xué)家在對(duì)全球已有的農(nóng)業(yè)土壤長期試驗(yàn)資料進(jìn)行總

31、結(jié),試圖對(duì)各種不同的農(nóng)業(yè)管理與培肥措施對(duì)土壤碳的效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比與評(píng)估,以提出農(nóng)業(yè)土壤可行的碳增匯規(guī)模與可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑選擇,在引用的數(shù)百個(gè)試驗(yàn)資料中沒有中國資料21,58,這可能造成在國際評(píng)估報(bào)告中不能正確反映我國農(nóng)業(yè)的碳匯效應(yīng)與可行碳收集潛力的貢獻(xiàn)。這與我國作為大國、作為發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國的地位與在控制全球變化的國際努力中我國的應(yīng)盡義務(wù)十分不相適應(yīng)。我國不同農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)土壤與地力的長期觀測(cè)、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)起步較晚,90年代初在原國家計(jì)委的支持下建立了9大基地,但目前存在著技術(shù)裝備差、研究水平低、維持難的問題,需要在新的農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求下進(jìn)一步完善基地網(wǎng)絡(luò)、更新觀測(cè)裝備與設(shè)備、充實(shí)技術(shù)力量,發(fā)展成為共享型的

32、農(nóng)業(yè)土壤碳基礎(chǔ)研究平臺(tái)。(3研究集成不夠,模型開發(fā)落后。盡管我國土壤學(xué)界對(duì)于分布于不同區(qū)域和在不同利用方式下的農(nóng)業(yè)土壤碳庫及其演變已有一些研究,但在廣度和深度上與國家需求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,與國外相關(guān)研究相比還存在明顯差距。尤其是多學(xué)科、多界面和多尺度的研究很少,以致于農(nóng)業(yè)土壤碳庫與碳循環(huán)研究的系統(tǒng)資料積累不多,集成的重大成果缺少。系統(tǒng)資料的缺乏,限制了自主模型的開發(fā)與應(yīng)用。而國外現(xiàn)有的關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤的碳庫變化的模型如CQEST R模型、Century模型、Rotha m sted模型和DNDC模型往往不適合我國農(nóng)業(yè)的實(shí)際,模擬計(jì)算結(jié)果常常出現(xiàn)較大偏差59。在第236次關(guān)于農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變的香山會(huì)議上,

33、我國科學(xué)家深切感到在借鑒國外已有模型的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,自主研究開發(fā)我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫動(dòng)態(tài)模型的緊迫性。當(dāng)前,國際上土壤碳庫與全球變化的研究十分活躍。目前的主要發(fā)展趨勢(shì)是以地球系統(tǒng)科學(xué)理論為指導(dǎo),地球生物學(xué)(Geobi ol ogy等新興學(xué)科不斷引入,圍繞大氣CO2濃度上升和全球氣候變化的焦點(diǎn)問題,進(jìn)行以全球系統(tǒng)各圈層間物質(zhì)傳輸與交換為中心的土壤與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的觀測(cè)與研究60,61。一個(gè)明顯的特點(diǎn)是研究的綜合性與學(xué)科交叉性,體現(xiàn)在地球表層地質(zhì)過程、陸地和生態(tài)系統(tǒng)中水文過程和養(yǎng)分過程與碳循環(huán)的關(guān)系的整體行為,以及人為利用與管理、土地覆蓋變化對(duì)陸地碳循環(huán)的影響,研究和揭示人類利用對(duì)這些碳循環(huán)過程的影

34、響及其動(dòng)力學(xué)。從農(nóng)業(yè)和農(nóng)田的角度,世界各國科學(xué)家主要關(guān)心的問題是:農(nóng)業(yè)耕作利用土壤的碳庫份額及其對(duì)全球氣候變化的影響;農(nóng)業(yè)利用下土壤碳動(dòng)態(tài)(速率、時(shí)間尺度與驅(qū)動(dòng)因子;農(nóng)田土壤碳循環(huán)過程的特點(diǎn)及其人類活動(dòng)與管理措施的調(diào)節(jié)效應(yīng)等。我國農(nóng)業(yè)面臨高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重挑戰(zhàn),為了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究不僅必須回答我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫在我國陸地碳循環(huán)中的份額及其對(duì)于全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)與對(duì)大氣CO2的固定效應(yīng),而且必須回答農(nóng)業(yè)碳庫演變與農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)系,在穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保護(hù)生態(tài)環(huán)境中如何促進(jìn)固碳;必須看到,我國高產(chǎn)高投入和高度集約化的農(nóng)業(yè)利用與國外尤其是發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)有很大差別,在碳循環(huán)研

35、究上要充分考慮我國農(nóng)業(yè)的這種特殊性。在今后較長的一段時(shí)期,我國需要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)與農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究,特別是如下的一些重要科學(xué)問題:農(nóng)田土壤碳庫及其活性與全球變化的關(guān)系;高產(chǎn)和集約化農(nóng)田中養(yǎng)分動(dòng)態(tài)與碳循環(huán)特點(diǎn);高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)中持續(xù)固碳的機(jī)理、措施與碳的穩(wěn)定性;農(nóng)田土壤中碳庫增加下溫室氣體排放的綜合效應(yīng)。從國家層面需要加強(qiáng)和支持如下一些科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)工作:(1第二次土壤普查以來我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中土壤碳庫演變的總體態(tài)勢(shì),當(dāng)前農(nóng)田土壤碳庫的實(shí)際情況與今后演變的趨勢(shì)。第二次土壤普查提供了我國農(nóng)業(yè)土壤的背景碳庫,目前需要有國家尺度的土壤碳庫調(diào)查(有機(jī)碳和無機(jī)碳。因此,強(qiáng)烈呼吁開展新一輪土壤普查或耕地土壤肥力與質(zhì)量

36、調(diào)查。這是今后碳庫研究的基礎(chǔ)資料和國家碳庫清單的重要依據(jù)。(2我國農(nóng)業(yè)的土地利用機(jī)制和高投入(肥料養(yǎng)分、農(nóng)藥等下農(nóng)田土壤碳循環(huán)過程及其動(dòng)力學(xué)特點(diǎn);這需要從考慮不同氣候帶和作物帶中耕作制土壤生物的相互作用角度進(jìn)行全方位的研究。建議設(shè)立國家層面的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究計(jì)劃予以支持。(3高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)下土壤固碳的可行措施與時(shí)效性。這需要以不同生態(tài)區(qū)和不同作物帶農(nóng)區(qū)的長期試驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)可行的土壤固碳工程技術(shù)和措施的增碳效應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)和分析,篩選和比較土壤固碳效應(yīng)及其持續(xù)性,為國家層面推廣和普及固碳農(nóng)業(yè)提供可靠的技術(shù)支撐。因此,建議國家繼續(xù)加大對(duì)農(nóng)業(yè)長期試驗(yàn)的穩(wěn)定支持,并適當(dāng)擴(kuò)大長期試驗(yàn)的地區(qū)和作物的代表性。綜上所述

37、,今后我國農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究必須順應(yīng)國際地球系統(tǒng)科學(xué)與全球變化研究的發(fā)展趨勢(shì)62,需要在研究技術(shù)上不斷創(chuàng)新,不僅是碳庫的分析研究,而且需要吸收采用土壤學(xué)、生物學(xué)(分子生物學(xué)和現(xiàn)代分析技術(shù),從宏觀和微觀的兩種角度、從國家區(qū)域田塊的多種空間尺度,使我國農(nóng)田碳循環(huán)研究走向由分子生物學(xué)到地球生物學(xué),由田塊到國家,由土壤大氣的多學(xué)科研究、多尺度研究和多界面研究系統(tǒng)集成,在人為作用土壤碳循環(huán)全球變化相互作用上展現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)土壤碳循環(huán)研究的特色,在國際上占據(jù)應(yīng)有的影響。并為國家糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展、保障我國糧食安全提供土壤質(zhì)量(地力培育、更新的技術(shù)途徑依據(jù)與參考。致謝:本文采用了第236次香山會(huì)議和全國土壤肥

38、力演變與持續(xù)利用研討會(huì)上的部分交流資料。作者感謝提供資料的各位專家,作者文責(zé)自負(fù)。感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所張旭輝、李戀卿、宋國菡和鄭聚鋒等同事的討論和資料整理。參考文獻(xiàn)(References:1I G BP Terrestrials Carbon Working Gr oup.The terrestrial carboncycle:I m p licati ons f or the Kyot o Pr ot ocolJ.Science,1998,280:139321394.2S m ith P,M ilne R,Powls on D S,et al.Revised esti m

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