保護(hù)性耕作農(nóng)田碳釋放與土壤碳累積的關(guān)系

保護(hù)性耕作農(nóng)田碳釋放與土壤碳累積的關(guān)系

1農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳釋放研究中國的人均二氧化碳排放量達(dá)到世界第二，在國際貿(mào)易中面臨著減少碳排放的問題，這也是中國政府和科學(xué)家面臨的重要課題（朱一尊等，2004；張國生等，2005；郭光芬等，2006；鄭堅等，2006）。研究表明,保護(hù)性耕作可以減少土壤有機(jī)碳的損失,增強(qiáng)土壤碳匯,加以秸稈還田更能持續(xù)地減少CO2的釋放(Dalal&Chan,2001;West&Post,2002;楊景成等,2003;姜勇等,2007),但這些研究忽略了實(shí)施農(nóng)業(yè)耕作管理措施過程中,制造和運(yùn)輸農(nóng)田物資耗能的減少導(dǎo)致溫室氣體(一般換算成CO2當(dāng)量)減排作用。國外學(xué)者認(rèn)為,對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳排放的評價若不考慮能耗引起的CO2向大氣的排放量,是不完全的(Janzenetal.,1998;Lal,2004);2002年,美國橡樹嶺國家實(shí)驗室(OakRidgeNationalLaboratory)將農(nóng)田投入換算成能量,并進(jìn)一步折算出每項投入造成的碳釋放系數(shù),提出了衡量新耕作管理措施下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對大氣CO2排放貢獻(xiàn)多少的方程,即相對凈碳釋放方程(West&Marland,2002a,b)。國內(nèi)對農(nóng)田投入碳釋放的研究較少,未作相關(guān)的定量計算。本文通過保護(hù)性耕作長期定位試驗,系統(tǒng)研究不同耕作方式下小麥-玉米2熟區(qū)的凈碳釋放量,評價少耕、免耕的減排和固碳潛力,旨在為計算中國減少溫室氣體排放潛力和選擇合適的固碳耕作措施,提供數(shù)據(jù)資料和理論依據(jù)。2試驗計劃和方法2.1試驗方法與處理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)包括生態(tài)過程、技術(shù)過程與經(jīng)濟(jì)過程,即農(nóng)田生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。碳循環(huán)主要發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)中(圖1)。目前在對碳循環(huán)的研究中多把焦點(diǎn)放在了生態(tài)過程的碳循環(huán)研究,即農(nóng)田土壤碳的研究,而忽略了技術(shù)過程中碳循環(huán)的研究。華北平原小麥-玉米2熟區(qū)保護(hù)性耕作長期定位試驗于2001年在中國科學(xué)院欒城生態(tài)試驗站開始。試驗站位于河北省石家莊市欒城縣,114°40′E,37°50′N,海拔50.1m,年均氣溫12.2℃,多年平均降雨量480.7mm。試驗土壤為潮褐土,質(zhì)地為壤土,是典型的小麥-玉米一年兩熟農(nóng)作區(qū)。試驗采用大田方法,在同一地塊上設(shè)3個處理,每個處理0.333hm2,每個處理選擇地力均勻的3個區(qū)域即3次重復(fù)進(jìn)行取樣與測定。耕作處理差異主要在冬小麥種植上,玉米采用免耕套種。3個處理分別為:翻耕,玉米收獲后粉碎秸稈2遍,翻耕1遍后旋耕機(jī)旋2遍,然后播種,翻耕深15cm;少耕,玉米收獲后粉碎秸稈2遍,旋耕機(jī)旋2遍,然后播種,旋耕深5cm;免耕,直立秸稈自然分布于農(nóng)田,免耕播種機(jī)一次性完成秸稈粉碎、播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè)。在2006年10月于小麥播種前取土樣,其中不同處理各取樣區(qū)分0~10、10~20和20~30cm等3個層次,采集5個點(diǎn)的混合土樣,當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗室,撿去作物根系和小石頭,自然風(fēng)干,過0.25mm篩,用于土壤總有機(jī)碳的測定。2.2相對凈釋放量relatoretfres不同耕法對碳減排和碳增匯作用的比較采用West和Marland(2002b)提出的相對凈碳釋放方程分析計算。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)邊界確定后,系統(tǒng)碳循環(huán)過程中的碳釋放量減去土壤碳累積量,即為絕對凈碳釋放量(absolutenetCflux),見式(1)。絕對凈釋放量如果是負(fù)值則表明該系統(tǒng)為大氣CO2吸收“匯”,反之則為大氣CO2排放“源”。AbsolutenetCflux=Cemissions-Csequestration(1)新耕作方式(system2)下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的絕對凈碳釋放量,與傳統(tǒng)耕作方式(system1)之差,即為相對凈碳釋放量(relativenetCflux),見式(2)。結(jié)果若為負(fù)值則表明新耕作方式對減少大氣CO2的貢獻(xiàn)大于傳統(tǒng)耕作方式,反之則對減少大氣CO2的貢獻(xiàn)小于傳統(tǒng)耕作方式。RelativenetCflux=NetCfluxsystem2-NetCfluxsystem1(2)2.3測量項目2.3.1燃料碳釋放系數(shù)的確定參照美國橡樹嶺國家實(shí)驗室的West和Marland(2002b)提出的方法,將肥料、灌溉、機(jī)械、農(nóng)藥、種子等各項農(nóng)田投入換算成能量,并進(jìn)一步折算出每項投入造成的碳釋放系數(shù)。折算方法是求出各項農(nóng)用物資在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的耗能和耗電,機(jī)械投入還包括維修過程中的耗能,把能耗量和電耗量都折算成燃料投入量,最后將農(nóng)田投入量和燃料導(dǎo)致的碳釋放量對應(yīng)即得到碳釋放系數(shù)。燃料的碳釋放包括燃料自身燃燒釋放的碳,以及生產(chǎn)和運(yùn)輸燃料過程中的碳釋放。準(zhǔn)確紀(jì)錄作物生長發(fā)育周期中的各項農(nóng)田投入。目前,國內(nèi)限于資料及研究人員的專業(yè)背景,還未形成一套統(tǒng)一適用的工業(yè)能折算系數(shù),影響了研究資料的準(zhǔn)確性、可比性和使用價值。本文在計算農(nóng)業(yè)投入、制造和運(yùn)輸農(nóng)業(yè)物資過程中所消耗的能量,并將其換算成CO2當(dāng)量時,部分借鑒于美國橡樹嶺國家生態(tài)實(shí)驗室的統(tǒng)計。2.3.2土壤有機(jī)碳的測定土地耕作主要是對土壤中的有機(jī)碳(SOC)儲量產(chǎn)生影響。土壤在有機(jī)碳儲量計算中,國內(nèi)外研究多以1m深度為計算參照標(biāo)準(zhǔn),這樣有利于結(jié)果比較。但本文研究不同耕作方式下土壤有機(jī)碳庫儲量的變化,耕作方式的不同對耕層有機(jī)碳的影響較大,耕層以下有機(jī)碳的變化甚微可忽略不計(梁愛珍等,2006),故土壤剖面深度以30cm計算。Ellert和Bettany(1995)提出了土壤SOC儲量(Mg·km-2,1Mg=103kg)的計算公式:Melement=Msoil·conc·0.001(1)Msoil=ρb·T·1000(2)式中:Msoil為單位面積土壤質(zhì)量(Mg·km-2);conc為土壤SOC含量(kg·Mg-1);T為土壤深度(m)。本研究運(yùn)用鉻酸氧還滴定的稀釋熱法測定土壤有機(jī)碳。準(zhǔn)確稱取含有機(jī)質(zhì)約15~35mg的土樣,放入500ml三角瓶中,加入1mol·L-1(1/6K2Cr2O7)水溶液10ml,轉(zhuǎn)動使土粒分散,迅速加入20ml濃H2SO4,轉(zhuǎn)動使土壤與試劑混勻。把三角瓶靜放在石棉網(wǎng)上30min(室溫20℃以上)。然后加入約200ml水和3~4滴鄰菲啰啉指示劑,用0.5mol·L-1FeSO4標(biāo)準(zhǔn)液滴定,溶液最終變?yōu)楹旨t色時為終點(diǎn)。根據(jù)氧化有機(jī)碳的(Cr2O7)2-凈消耗量計算土壤中有機(jī)碳的含量(mg·g-1),測得結(jié)果乘以氧化校正系數(shù)1.4。2.4處理數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。3結(jié)果與分析3.1除草和農(nóng)藥,降低碳釋放2006年冬小麥生育期的機(jī)械、化肥、除草劑、農(nóng)藥、種子及灌溉投入,以及各項農(nóng)田投入造成的碳釋放量(表1)。柴油的碳釋放包括自身燃燒的碳釋放加上生產(chǎn)和運(yùn)輸中的碳釋放,除草劑、農(nóng)藥、肥料、種子投入的碳釋放均包括在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的碳釋放。根據(jù)美國橡樹嶺國家實(shí)驗室得出的碳折算系數(shù)可得各項農(nóng)用物資的碳釋放:柴油為0.9552kg·kg-1;除草劑和農(nóng)藥分別為4.7024和4.9319kg·kg-1;N、P2O5和K2O分別為0.0858、0.0165和0.0120kg·kg-1;冬小麥種子為0.1100kg·kg-1。灌溉按灌溉系統(tǒng)的水泵耗燃料計算,灌溉3次共耗柴油27.00kg·km-2,造成碳釋放25.79kg·km-2。免耕地采用免耕播種機(jī)一次性完成秸稈粉碎、播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè),比翻耕地少了翻地、旋地和秸稈粉碎這幾道單獨(dú)作業(yè),因此機(jī)械燃料的碳釋放為40.12kg·km-2,比翻耕地減少38.68kg·km-2。少耕地比翻耕地少了翻地作業(yè),機(jī)械燃料的碳釋放為61.61kg·km-2,比翻耕地減少碳釋放17.19kg·km-2。免耕地土壤較緊實(shí),且玉米秸稈粉碎程度不夠,影響了小麥的發(fā)芽率。因此,增大免耕地冬小麥種子的播量,免耕地在種子投入上比少耕地和翻耕地增加碳釋放6.60kg·km-2。翻耕、少耕和免耕等3個處理的各項農(nóng)田投入造成的碳釋放分別為312.60、295.41和280.52kg·km-2·a-1,免耕地和少耕地比翻耕地減少碳釋放32.08和17.19kg·km-2·a-1。3.2增加土壤表層碳儲量根據(jù)Ellert和Bettany(1995)提出的土壤SOC儲量的計算公式得出不同土層深度的有機(jī)碳儲量(表2)。翻耕、少耕、免耕等3個處理表層30cm土壤的碳儲量分別為30.59、32.76和31.61Mg·km-2。在耕作定位實(shí)驗開始的前5年時間內(nèi),與翻耕相比采用免耕和少耕增加土壤表層碳儲量1020.00和2170.00kg·km-2;免耕和少耕處理平均每年增加土壤表層碳儲量204.00和434.00kg·km-2·a-1。3.3不同處理農(nóng)田凈碳釋放量對比凈碳釋放量為土壤碳累積量與農(nóng)田投入碳釋放量的差值,表示不同耕作方式對大氣CO2的貢獻(xiàn)。相對凈碳釋放量是少耕地或免耕地的凈碳釋放量與翻耕地的凈碳釋放量的差值,表示少免耕相對于翻耕的對減少大氣CO2的貢獻(xiàn)(表3)。翻耕、少耕、免耕等3個處理農(nóng)田凈碳釋放量分別為+312.6、-138.59和-76.52kg·km-2·a-1。與翻耕處理比較,免耕和少耕處理的相對凈碳釋放量為-236.08和-451.19kg·km-2·a-1。免耕地農(nóng)業(yè)投入的碳減排量32.08kg·km-2·a-1為土壤碳增匯量204.00kg·km-2·a-1的15.73%,少耕地農(nóng)業(yè)投入的碳減排量17.19kg·km-2·a-1為土壤碳增匯量434.00kg·km-2·a-1的3.96%。4增加土壤碳累積的潛力從本試驗各個處理的凈碳釋放量可以看出,翻耕處理的凈碳釋放量為正值,即為CO2排放“源”,免耕和少耕處理的凈碳釋放量為負(fù)值,即為CO2的吸收“匯”。少耕處理相對凈碳釋放量的絕對值大于免耕處理,即少耕地對減少大氣CO2的貢獻(xiàn)大于免耕地。在農(nóng)業(yè)投入的碳減排貢獻(xiàn)方面,免耕地的減排潛力大于少耕地。碳減排的主要貢獻(xiàn)是燃料投入的減少,免耕地減少燃料的碳釋放38.68kg·km-2,少耕地減少燃料的碳釋放17.19kg·km-2。這與張厚瑄和李玉娥(1996)采用“免耕法”或“減少耕作法”得出的結(jié)論基本一致。免耕地多投入種子30kg·km-2,這與Harman等(1998)得出的免耕種子要高出30%的投入結(jié)論相同。在增加土壤碳累積貢獻(xiàn)方面,少耕地的碳增匯潛力大于免耕地。本研究得出免耕地增加土壤表層碳儲量204.00kg·km-2·a-1,少耕地增加土壤表層碳儲量434.00kg·km-2·a-1。西方國家由于實(shí)行保護(hù)性耕作和少免耕,近年來農(nóng)業(yè)土壤碳庫呈穩(wěn)定增長的趨勢(Postetal.,1990;Paustianetal.,2000),這與本文的研究得出的少免耕增加土壤碳匯的結(jié)論一致。但是,本研究得出的少耕增加土壤碳累積的潛力大于免耕地,這與前人的研究結(jié)果不同。如在美國冬小麥田耕作方式由翻耕變?yōu)槊飧笸寥捞祭鄯e速率為337.00kg·km-2·a-1,少耕的土壤碳累積速率很小可忽略(West&Marland,2002a)。其原因是,少耕對土壤有機(jī)碳的積累效果最好,主要是因為少耕減少了地面作業(yè),降低了土壤擾動,同時保留殘茬也能通過減低雨滴的擊濺來加強(qiáng)土壤水的滲入,從而減少了含較高有機(jī)碳表土的流失(李琳等,2006)。本研究表明,免耕作物生物量低,導(dǎo)致秸稈還田量少,2004—2005年翻耕、旋耕和免耕的秸稈還田量分別時59.06、55.38和46.91kg·hm2;且免耕條件下秸稈聚集在5cm的土層,與翻耕和旋耕相比分解速度比較慢(Paustianetal.,2000),與其國外的長期定位試驗相比免耕的時間相對較短,秸稈效應(yīng)沒有完全體現(xiàn)出來。耕作措