PAGE 84 生态环境 第13卷第1期（2004年2月） 赵荣钦等：耕地土壤碳固存的措施与潜力 PAGE 83 生态环境 2004, 13(1): 81-84 Ecology and Environment E-mail: editor@ 基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目（KZCX1-SW-01-17） 作者简介：赵荣钦（1978–），男，硕士研究生，研究方向为自然资源开发与管理。E-mail: zhaorq234@; 收稿日期：2003-05- 耕地土壤碳固存的措施与潜力 赵荣钦，秦明周，黄爱民 河南大学环境与规划学院，河南 开封 475001 摘要：土壤CO2排放与土壤退化、土壤有机质（SOC）含量减少和土壤质量下降密切相关。耕地具有较大的碳固存潜力。通过采用最佳管理措施（BMPs）和进行土壤修复来提高土壤质量，能增加SOC含量和提高土壤生产力，并能部分起到减缓温室效应的作用。文章从土壤固碳的机制入手，系统总结了在耕作土壤碳固存方面的研究。从土壤侵蚀控制、退化土壤修复、保护性耕作、残落物管理，改善农作物制度等方面，论述了耕地的固碳潜力，并提出了一系列实现碳固存的措施。最后估算出耕地土壤总的固碳潜力为0.73~0.87 Pg/a。研究表明，在替代性能源开发之前，耕地碳固存是一项切实可行的措施。 关键词：耕地；碳固存；耕作制度；固碳潜力；最佳管理措施 中图分类号：X144 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2004）01-0081-04 大气CO2体积分数已经从1850年的285×10-6上升到1996年的365×10-6 [1]。导致大气CO2体积分数增加有3个主要人为因素：化石燃料燃烧，水泥生产，土地利用和耕作变化[2]。其中土地利用和耕作变化是人类影响陆地生态系统碳过程的重要方面。在大部分情况下，自然土地转化为耕地将会导致土壤有机质（soil organic carbon，SOC）的迅速下降[3~5]。世界各国学者对不同耕作制度和管理措施对耕地碳固存的影响进行了大量的观测实验[1, 6]。在此基础上研究全球耕地碳固存的潜力和措施，对于了解人类活动导致的温室气体的源与汇的强度，并采取积极的措施减缓温室效应具有重要的意义。 1 全球土壤碳库的状况 全球耕地大约有1.338×109 hm2 [7]。人类耕作活动和土壤管理措施，导致了人为干扰的产生和土壤表层的裸露，从而耕作土壤面临者日益严重的退化过程。耕地土壤的退化是一个严重问题[8]，并且对全球食物安全和环境质量产生严重的负面影响。土壤退化带来的两个重要的环境影响是降低水质和增强温室效应。 对全球耕地来说，耕作导致的SOC损失速率为每年0.06%[9]。在亚马逊地区的研究发现，林地转化为草地，表层土壤碳每年损失5%。Woomer等[10]在喀麦隆南部地区的研究发现，15年间SOC丧失的平均速率为6.8 Mg/(hm2·a)，累积碳损失为102 Mg/hm2。Lal [11]对尼日利亚西部长期的实验观测表明，森林地表0~10 cm土壤SOC质量分数为2%，但是耕种10年之后，该质量分数下降为1.4%。Grace等[12]对澳大利亚的变性土的观测研究认为，耕作50年，使最初的SOC水平下降了60%。在以上大部分研究中可以看出，耕作使最初的SOC水平下降了50%~70%。可见耕作过程严重影响着碳的循环过程，这也是人类影响碳过程的重要因素。 全球土壤碳库估计为2500 Pg（1 m深土壤；包括1500 Pg SOC和1000 Pg SIC），生物碳库为550 Pg，大气碳库为750 Pg[13]。土壤退化加速了土壤碳库的CO2释放过程。IPCC估计，全球因森林砍伐和农业活动导致的CO2排放为1.6 Pg/a，这对每年辐射强迫增加的贡献为20%。历史上全球农业土壤累积的碳损失估计为55 Pg[1]，土壤和植被的累积损失为150 Pg[14]。然而采取最佳管理措施（best management practices，BMPs），进行生态系统来修复和提高土壤质量，具有较大的土壤固碳潜力，大约可以补偿该损失的75%，即40 Pg[1]。这对于减缓全球温室效应是一个值得重视的方面。以下对全球耕地碳固存的措施及相应可实现的潜力进行研究、对比和总结。 2 土壤固碳的机制 要实现土壤固碳主要是通过提高SOC含量来修复和改善土壤质量。土壤质量是指，在生态系统边界范围内，维持生态生产力和环境质量、提高植物和动物健康等功能的能力。它指的是土壤支持作物生长，而不造成土壤退化与危害环境的能力或适宜性。土壤质量与土壤缓冲能力[15]和温室效应密切相关。土壤缓冲能力是指，土壤在受到外界干扰后其自身的修复能力。缓冲能力强的土壤一般都具有较高的土壤质量。SOC含量下降会降低土壤的缓冲能力、恶化土壤质量、减少生物生产力和土壤的环境净化能力。相反，提高SOC含量能改善土壤团聚结构、植物的吸水能力、离子交换能力、土壤生物多样性和土壤质量[16]。土壤质量和缓冲能力的下降，将温室气体（CO2、N2O等）从土壤释放到大气中，从而加大了温室效应的潜力。该过程通过破坏土壤团聚结构致使地表板结、渗透率降低、地表径流加大，从而加速了土壤侵蚀。土壤侵蚀是导致有效根深降低、根区营养元素和水的不平衡以及生产力下降的主要退化过程[13]。土壤侵蚀导致SOC和粘粒含量下降，侵蚀沉积传输的碳中有20%作为CO2被释放的大气中。 SOC动态与土地利用历史和管理措施有关。天然林和草地转化为农业以及随后的耕作和相关活动是导致SOC丧失的主要原因[3]。人类活动加速了SOC的损失，这包括耕作，生物质燃烧、残落物移除、灌溉、低肥料投入、缺乏或较低的有机改良、夏季休耕、没有或很少在轮作循环中采用覆被作物等[17]。也有的农业活动可以导致SOC含量的增加，从而增加耕作土壤碳固存，这主要包括保护性耕作，盐化土壤的修复，修复退化土地，灌溉和水管理，经常采用覆被作物来改善耕作制度、自由使用有机改良，和采用BMPs等[18]。强化农业活动、采用BMPs及将边缘和退化土地进行修复，是一种改善食物安全和提高环境质量的有效措施[19]。 3 全球土壤侵蚀和碳动态 很难准确估计因土壤侵蚀使全球耕地丧失的碳总量。全球河流输送到海洋的总沉积为19.0 Pg/a[20]，全球总的土地面积为1.30×1010 hm2，也就是说侵蚀率为1.5 Mg/hm2。耕地土壤的侵蚀率是森林和牧草地的3~4倍。因此，由水造成的耕地的平均土壤侵蚀为5 Mg/(hm2·a)，由风造成的侵蚀为3 Mg/(hm2·a)。考虑到被侵蚀影响的土地面积，总的来说因水造成的侵蚀为1.3 Pg，由风造成的侵蚀为0.3 Pg。假定传输率为10%[21]，因土壤侵蚀造成的耕地土壤流失总量为16 Pg/a。如果假定侵蚀沉积的SOC质量分数为3%[22]，则因土壤侵蚀造成的耕地SOC丧失的总量为0.5 Pg。如果被土壤侵蚀带走的碳有20%释放到大气中，则因土壤侵蚀造成的全球耕地直接的碳排放为0.1 Pg/a。普遍采用保护性耕作措施能减排因土壤侵蚀导致的碳释放。 4 退化土壤修复和碳固存 对退化土壤进行修复，能增加SOC含量和改善土壤质量。全球总的退化土地面积为2.0×109 hm2，而受极强烈退化的侵蚀影响造成的土地退化为2.5×108 hm2 [8]。这些土地已完全不适合农业生产。通过适当的规划、肥料使用和有机改良，这些土地可以用于生产灌木和林木。在主要土地上实施农业强化和采取BMPs，能促进退化土地修复，这可以通过造林和其他修复措施来实现[18]。假定碳固存率为0.25 Mg/a[13]。则修复退化的农业土壤带来的碳固存潜力为0.025 Mg/a。如果采用BMPs，则修复退化土壤还可以具有更高的固碳潜力。 修复退化土壤的一种重要方式是种植生物燃料品种。生物燃料可以直接燃烧用于产能，是化石燃料的一种很好的补偿品[23]。在不同生态区采取适当的品种实现的碳固定达5 Mg/(hm2·a)[13]。Smith等[24]认为，在欧洲，通过在剩余耕地上种植适当的生物燃料品种，能补偿化石燃料40~60 Tg/a。然而，生产生物燃料必需适当种植。生物燃料必须种植在产能工厂附近，而且必须有用来提炼和运输的基础设施。假定在不同生态区有1.0×108 hm2耕地可以用于生物燃料生产，则总的碳固存可达0.5 Pg/a。根据0.7的能源替代系数[1]，则净节省的能源相当于C 0.35 Pg/a。因此，通过种植生物燃料作物来修复106 hm2的土地，可实现地下碳固存（以SOC的方式）为C 0.025 Pg/a，实现化石燃料补偿为C 0.35 Pg/a。 耕地退化还包括盐化，这对于碳固存也同样重要。盐化土地占地球土地总面积的1/10[25]。在干旱半干旱地区盐化土地占1/3[26]，全球有9.3×108 hm2 [27]。全世界有100多个国家有盐化土壤，尤其是灌溉土地。由于强烈的结构退化和盐水不平衡，盐化土壤限制了生物生产力。很难估算根区被高盐浓度影响的耕地的面积。然而，干旱半干旱区至少有50%的灌溉耕地具有盐分不平衡的趋势。印度[28]和其他地区的一些实验表明，通过适当的改造技术，可显著提高SOC含量。即使SOC增加率很低，只有C 0.2~0.3 Mg/(hm2·a)，在25年时间内，通过改造1.25×108 hm2耕地土壤，实现的碳固存可达C 0.02-0.04 Pg/a。 5 保护性耕作和作物残落物管理 保护性耕作（CT）是指，为减少水侵蚀，一种耕作或种植系统在种植后至少保留30%的残落物覆盖面积，或者在风蚀严重地区的主要侵蚀时期内，至少保持1000 kg/hm2的平坦而细小的残落物。CT制度也有很大的不同，如免耕（no till）、垄耕（ridge till）、覆盖耕作（mulch till）、凿耕（chisel till）等。在北美、欧洲、太平洋地区以及湿润和半湿润的热带地区，CT制度被广泛采用[2]。在CT制度的众多优点中，其中之一是当从传统耕作方式（翻耕）转变为CT制度时，SOC会显著增加。Lal [15, 16]估计，全球耕地在CT制度下，SOC含量能从1995年的1.20×108 hm2增加到2020年的5.37×108 hm2，在25年内将增加4.17×108 hm2。假定在25年时间内采取CT制度的碳增加速率为0.2 Mg/(hm2·a)，则采用CT制度的总的碳固存潜力为0.08 Pg/a（基于所有CT制度的平均值）。采用保护性耕作制度每年还可以节省化石燃料达C 8 kg/hm2 [5, 13]。按总土地面积4.17×108 hm2来算，从传统耕作方式变为保护性耕作，每年可节省化石燃料C 0.003 Pg。 作物残落物管理是CT制度的一种管理方法。全球农作物残落物数量很大，大约为3.5 Pg/a[15]。除了残落物以外，农田生产的种子和其他生物质为0.5 Pg。Smith等[24]研究认为，欧洲谷类土地每年5 Mg/hm2秸秆还田，带来的碳固存为26 Tg/a。不考虑耕作方法，则只有50%~60%的残落物返还土壤。如果将包含有质量比例为40%的碳的2 Pg作物残落物返回土壤，而大约有10%转化为稳定的腐殖质，则通过作物残落物管理带来的碳固定潜力为0.08 Pg/a[13, 16]。考虑所有的因素，将套种转变为保护性耕作并采取适当的作物残落物管理措施，带来的碳固定为C 0.16 Pg/a。 6 改善农作制度 采用BMPs是改善生物生产力和提高农业产量的重要措施[18]。全球的观测实验数据表明，采取BMPs能增加SOC含量[5, 12, 13, 24, 28~35]。通过改善农作制度来增加SOC含量的主要技术措施包括以下几个方面。 6.1 土壤肥力管理 土壤生产里取决于土壤供给作物所需的营养元素和水的能力。在传统耕作制度下，农民通常完全依赖土壤来供给作物生长。这种不断索取的耕作方式在持续一段时间后，会导致土地生产力下降，土壤肥力下降和土地退化。而只有通过适当使用有机肥、有机改良和强化营养元素循环机制等措施来加以改善。 目前全球肥料消费每年大约有130 Tg的N、P2O5和K2O，还有90 Tg的N被生物固定在土壤中。世界上肥料投入大约有60%是在发展中国家。但是肥料的利用率在非洲南部和亚洲部分地区非常低。全球发展中国家总的耕地面积包括：非洲1.67×108 hm2、南美9.0×107 hm2、中美洲3.3×107 hm2、亚洲4.29×108 hm2 [7]。此外，东欧的土壤也需要肥力修复。因此，总的需要肥力修复的耕地面积大约为8.0×108 hm2。采用适当的施肥和营养元素循环措施能增加SOC含量达0.125 Mg/(hm2·a)[3]。因此，全球耕地通过土壤肥力恢复可实现0.1 Pg/a的固定碳潜力。 6.2 有机肥和副产品 有机副产品循环是一个主要的环境问题，也是土壤固碳的一种重要措施。除了作物残落物，其他的农业副产品包括动物粪便等。全球家畜粪肥的生产量很大，有效使用这些肥料能增加SOC。如在印度的长期实验表明，冲积土壤在15年内施用粪肥可使有机质含量从0.5%上升到2.5%[36]。全球城市每年生产大量副产品，在美国，城市副产品（生物体和固体残余物）的生产大约为300 Tg/a。假定生产出来的有机农业副产品有1/3返回耕地，其中1/10的碳质量可以转化为腐殖质，则通过使用有机副产品的固碳潜力为0.04 Pg/a。 6.3 水管理 排水和灌溉是水管理的重要方面。全球灌溉土地面积大约为2.50×108 hm2 [7]，而且灌溉土地还有进一步增加的趋势。因此，改善水利用效率并防止土壤盐化是很重要的。在灌溉土地上采用BMPs，可以提高生物生产力、降低盐化程度并增加SOC含量。改善灌溉土地管理的固碳潜力大约为C 0.1 Mg/(hm2·a)[37]。因此灌溉土地的总的碳固存潜力为C 0.025 Pg/a。该潜力高于改造盐化土壤的潜力。 6.4 提高作物产量 生物量和农业作物产量在土壤严重风化的热带和亚热带地区非常低。广泛采用改善的作物品种、适当的轮作制度、综合害虫控制措施、改善土壤肥力和水管理技术等，能显著增加作物产量。需要采用改善的作物体制的耕地面积全球共有8.00×108 hm2，主要位于热带和亚热带的非洲、亚洲和拉丁美洲[7]。然而，要增加热带和亚热带地区土壤的SOC含量并不容易。采取改善的管理措施可以使产量从每年1%提高到每年5%[38]，SOC的增加量只有0.05 Mg/(hm2·a)[13]。因此，通过采取改善的农作制度带来的碳固存大约为0.04 Pg/a。 7 全球耕地的固碳潜力及意义 通过土地修复和采用BMPs，全球耕地固碳的总潜力为0.45~0.60 Pg/a。此外化石燃料交易实现的碳补偿为0.30~0.40 Pg/a。总的潜力（C 0.75~1.0 Pg/a）大约为全球每年森林砍伐和其他农业活动导致的碳排放量的50%。在最佳的案例情景下，通过采取BMPs实现的土壤固定碳容量将会在20~50年间达到饱和（到2050年）[13]。通过采用土地修复措施实现的固定碳率通常将会在10~15年达到最大。尽管土壤碳固定将会持续稳定100年或更长时间，但在25~30年以后固定碳速率通常会降低。化石燃料补偿措施将会持续较长时间（超过20~50年）。 关于碳源与汇问题的研究是目前全球变化研究的热点，而与人类活动最为密切的耕地来说，其源汇强度也会随人类活动强度的不同而发生变化。在过去的的传统耕作方式下，土壤SOC含量急剧下降，但人类也可以采取一系列措施来恢复日益退化的土壤，或采取农业补偿措施来替代工业领域的碳排放。而且增加耕作土壤碳固存是一种双赢政策，它既可以增加农业生产力，用可以修复退化土地和提高土壤有机质含量，也起到了减缓温室效应的效果。目前化石燃料仍然会在今后的一段时期内使用，而要最终减缓温室效应，是要开发出替代性的能源，而不是以化石燃料为基础，但这需要一个较长的时间周期。而在此之前，尽可能地采取措施来实现土壤碳固存是一项行之有效的政策，这对于各国实现京都协议的承诺和在全球范围内实现减排具有重要意义。 参考文献： INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE (IPCC). Impacts, Adoption and Mitigation of Climate Change: Scientific-technical Analy

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