謝婷，張慧，苗潔*，宋明偉，曾艷琴

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430205；3.枝江市環(huán)境監(jiān)測站，湖北 宜昌 443200）

氣候變化及其不利影響已經(jīng)成為人類共同關(guān)心的問題[1]，大多數(shù)學(xué)者的研究集中于溫室氣體來源、減排及碳固定。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類活動最為頻繁的系統(tǒng)，是主要的大氣“源”與“匯”。定量分析區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的“源”與“匯”差異及特征是研究該區(qū)域溫室減排與碳固定措施的前提。目前有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“源”與“匯”的研究比較豐富，主要的研究方向有農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)[2-3]、碳收支[4]、碳足跡[5-8]、碳結(jié)構(gòu)[9]、碳平衡[10]、碳源/匯[11-12]等，具體為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“源”與“匯”的時空特征分析[13-14]、結(jié)構(gòu)特征分析、影響因素分析[15-16]等。在現(xiàn)有的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“源”與“匯”研究[8-11]中，通常未考慮耕地土壤的碳固定作用，有關(guān)農(nóng)作物與耕地土壤整體的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“源”與“匯”的研究較少。對溫室氣體“源”與“匯”的定義也不統(tǒng)一，部分研究將溫室氣體“源”與“匯”定義為碳源與碳匯[13-14]，也有研究僅將含碳元素的溫室氣體“源”與“匯”定義為碳源與碳匯[15-16]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要溫室氣體包括CO2、CH4、N2O，主要排放源包括稻田CH4排放、農(nóng)用地N2O 排放、土壤呼吸帶來的CO2排放等。土壤呼吸可以分為自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸，自養(yǎng)呼吸主要來自根呼吸，是根系通過呼吸作用把光合作用合成的碳水化合物氧化分解并釋放出能量和CO2的過程[17]；土壤異養(yǎng)呼吸則是土壤微生物對有機碳的分解，包括土壤有機質(zhì)分解時的微生物呼吸、凋落物呼吸及根際微生物呼吸[18]，是有機質(zhì)進入土壤后，在土壤微生物分泌的胞外酶的作用下降解，然后在微生物體內(nèi)發(fā)生代謝，最終徹底分解釋放出CO2的過程[17]。根據(jù)IPCC（政府間氣候變化專門委員會）第五次氣候變化評估報告，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放僅包括稻田CH4排放、農(nóng)用地N2O 排放，不包括CO2排放。這是由于土壤呼吸帶來的CO2排放過程復(fù)雜、影響因素眾多，且與植物光合作用處于動態(tài)平衡。因此，本研究界定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體僅包括稻田CH4排放和農(nóng)用地N2O排放。

為避免概念混淆，采用《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）[19]的“源”與“匯”定義，即“源”指向大氣排放溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過程或活動；“匯”指從大氣中清除溫室氣體、氣溶膠或溫室氣體前體的任何過程、活動或機制，并考慮了農(nóng)作物與耕地土壤的溫室氣體排放及碳固定變化特征。本研究在省域尺度上研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的“源”與“匯”，分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“源”與“匯”變化特征及其地區(qū)差異，可為區(qū)域溫室氣體減排和碳固定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)源計算

1.1.1 溫室氣體排放計算

本研究界定的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放僅包括稻田CH4排放和農(nóng)用地N2O 排放。根據(jù)《省級溫室氣體清單編制指南》[20]和IPCC（2014）[21]推薦計算方法，溫室氣體排放量（Cemissions，以CO2-eq 計）計算公式如下：

式中：FCH4-i為不同水稻類型的CH4排放因子，kg·hm-2；Ai為對應(yīng)該排放因子水稻的播種面積，hm2；EN2O-直、EN2O-間分別表示農(nóng)用地直接、間接N2O 排放。EN2O-直包括化肥氮N化肥（氮肥和復(fù)合肥中的氮）、糞肥氮N糞肥、秸稈還田氮N秸稈（地上秸稈還田氮和地下根氮）；F直接為N2O 的直接排放因子；EN2O-間包括施肥土壤、糞便氮氧化物和氨揮發(fā)經(jīng)過大氣氮沉降而引起的N2O 排放，以及土壤淋溶或徑流損失進入水體而引起的N2O排放，具體相關(guān)排放因子及參數(shù)采用《省級溫室氣體清單編制指南》推薦值（表1 和表2）；28 和265 分別為IPCC（2014）報告[21]推薦的CH4和N2O的全球變暖潛能值。

表1 稻田甲烷排放因子推薦值（kg·hm-2）[20]Table 1 The emission factor of methane from rice fields（kg·hm-2）[20]

表2 農(nóng)用地氧化亞氮排放因子推薦值（kg·kg-1）[20]Table 2 The emission factor of nitrous oxide from agricultural land（kg·kg-1）[20]

1.1.2 溫室氣體排放強度

單位種植面積下的溫室氣體排放強度（CFC，t·hm-2，以CO2-eq 計）和單位產(chǎn)量下的溫室氣體排放強度（CFY，t·t-1，以CO2-eq計）[22]，表達式如下：

式中：A表示播種面積，hm-2；Y為農(nóng)作物產(chǎn)量，t。

1.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)匯估算

1.2.1 農(nóng)作物碳吸收

農(nóng)作物在整個生長發(fā)育周期內(nèi)，通過光合作用吸收CO2并合成含碳有機物，其中部分有機物作為農(nóng)作物的組織及器官而沉積下來；一部分含碳有機物通過呼吸作用及根分泌物的形式又再次釋放到外界。通過植物干質(zhì)量計算農(nóng)作物在生長發(fā)育過程中吸收和固定的碳量，公式如下：

式中：i為第i種作物類型；CP為作物全生育期碳的吸收總量；Ci為第i種作物合成單位有機質(zhì)（干質(zhì)量）所吸收的碳；Qi為第i種作物經(jīng)濟產(chǎn)量；Wi為第i種作物收獲部分的含水率；Hi為第i種作物的經(jīng)濟系數(shù)。各農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)和含水率系數(shù)見表3。44/12 為C 與CO2的換算比。

表3 農(nóng)作物經(jīng)濟系數(shù)和含水率系數(shù)[6，8-9]Table 3 Crop economy coefficient and moisture content coefficient[6，8-9]

式中：Nt為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物凈碳固定量；Cemissions為系統(tǒng)溫室氣體排放量。

1.2.2 農(nóng)田土壤有機碳儲量

土壤樣品采自耕層（0～20 cm），土壤有機質(zhì)指標(biāo)采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法進行檢測分析。土壤有機碳含量由Bemmelen 轉(zhuǎn)換系數(shù)法[23]計算得出。農(nóng)田系統(tǒng)土壤碳匯來源主要為農(nóng)作物殘骸、化肥與農(nóng)家肥的投入，由于土壤碳匯是動態(tài)的，其內(nèi)部運作機制極為復(fù)雜，而且短時間內(nèi)不能形成穩(wěn)定的碳匯，因此本研究采用2017年與2007年的檢測數(shù)據(jù)，分析10年間的地區(qū)土壤碳固定水平，公式如下：

式中：SOCD 為土壤有機碳（以C 計）密度，kg·m-2；i為不同地區(qū)或農(nóng)作物類別；SOCC 為土壤有機碳（以C 計）含量，g·kg-1；H為土層厚度，cm；BD為土壤容重，g·cm-3；V為土壤中直徑＞2 mm 的礫石所占的體積比例，%，由于抽樣農(nóng)田中的礫石量可忽略不計，因此V=0。SOCS為土壤有機碳存儲量，t；Ai為第i種耕地土壤面積，hm2；SOCDi為相對應(yīng)耕地的有機碳密度均值，kg·m-2；d（SOCS）是土壤有機碳蓄積量在n-1 年的變化量[24]：正值表示固碳量；負(fù)值表示過去n-1 年有機碳庫的損失量；SOCS1和SOCSn分別表示基準(zhǔn)年（2007年）和2017年的SOCS值。

1.3 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)業(yè)活動水平數(shù)據(jù)，包括農(nóng)作物產(chǎn)量、種植面積、化肥（農(nóng)家肥）施用量等，來源于《湖北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》[25]；土壤數(shù)據(jù)來源于2007 年與2017 年湖北全省5 727個耕地土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放特征

2.1.1 農(nóng)作物生產(chǎn)溫室氣體排放特征

2007—2017 年湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量（以CO2-eq 計）變化趨勢可分為三個階段：第一階段為2007—2010 年，處于較快增長階段，排放量由2007 年 的2 243.50 萬t 增 長到2010 年 的2 600.14萬t，年均增長率為5.05%；第二階段為2011—2014年，處于緩慢增長階段，排放量年均增長率為1.53%；第三階段則為緩慢下降階段（2015—2017 年），溫室氣體排放量由2015 年的2 594.78 萬t 下降到2017 年的2 480.34 萬t，年均增長率為-2.93%。2007—2017年，湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量最高值出現(xiàn)在2014年，總體變化趨勢較為穩(wěn)定（圖1a）。

稻田甲烷排放和農(nóng)用地氧化亞氮排放是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的兩大來源。根據(jù)圖1b，稻田甲烷排放量明顯高于農(nóng)用地氧化亞氮排放量，甲烷排放量年均占比約為61.08%。2007—2017 年，湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)稻田甲烷排放量年際波動量小，總體變化趨勢較為穩(wěn)定，農(nóng)用地氧化亞氮排放量總體波動較大，說明農(nóng)用地氧化亞氮排放量的變化是引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放總量波動的主要原因。

圖1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放時間趨勢與來源占比分布Figure 1 Temporal trend and composition structure of greenhouse gas emissions in farmland ecosystem

2.1.2 農(nóng)作物生產(chǎn)溫室氣體排放強度特征

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放強度總體波動值區(qū)間較?。▓D2），2007—2017 年，單位種植面積溫室氣體排放強度（CFC）為5.11～5.56 t·hm-2，波動差值為0.45 t·hm-2，年均CFC為5.47 t·hm-2。2013年以前，CFC基本維持在5.55 t·hm-2，2013年后，CFC總體呈下降趨勢，并且下降趨勢明顯，單位播種面積所釋放的溫室氣體逐漸減少。

圖2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放強度趨勢Figure 2 Trend of greenhouse gas emission intensity of farmland ecosystem

2007—2017 年單位糧食產(chǎn)量溫室氣體排放強度（CFY）波動區(qū)間為0.87～0.97 t·t-1，相對于CFC，CFY的波動極為不規(guī)律，這可能與糧食產(chǎn)量波動較大有關(guān)。CFY總體呈現(xiàn)分段式變化：2007—2010 年為第一階段，CFY呈下降趨勢，僅在2010年出現(xiàn)輕微上升；第二階段（2011—2015 年）和第三階段（2016—2017 年）均呈遞減趨勢，并且每一新的階段的初期CFY值都高于前一階段的末期CFY值，出現(xiàn)CFY值回升現(xiàn)象。

2.1.3 農(nóng)作物生產(chǎn)溫室氣體空間分布

以2007、2012、2017 年為時間節(jié)點，農(nóng)田溫室氣體排放空間分布比較穩(wěn)定，但不同地區(qū)存在明顯的差異（圖3）。2007—2017 年，襄陽市、荊州市、黃岡市是湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的主要貢獻城市，湖北省中部的天門市、潛江市、仙桃市三市和山地林區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量偏低。CFC較高水平地區(qū)主要集中在湖北省東部及中部地區(qū)，CFC基本維持在6 t·hm-2以上。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量較高地區(qū)的CFC明顯低于溫室氣體排放量較低區(qū)域的CFC：襄陽市、黃岡市的農(nóng)田溫室氣體排放量雖然較高，但單位播種面積和單位糧食產(chǎn)量所排放的溫室氣體量卻很少；隨州市溫室氣體排放量相對較低，年排放量處于75～150 萬t，但其CFC與CFY卻較高；潛江市、鄂州市、天門市等地區(qū)的農(nóng)田溫室氣體排放量較少，但相比溫室氣體排放量較大的地區(qū)（如黃岡市），其CFC與CFY偏高。

圖3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放特征空間分布Figure 3 Spatial distribution of greenhouse gas emissions in farmland ecosystem

2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收特征

2.2.1 農(nóng)作物碳吸收總量特征

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物的碳吸收隨時間變化波動幅度較大（圖4a），2007—2013 年，農(nóng)作物碳吸收呈波動增長趨勢，但自2013 年后，農(nóng)作物碳吸收量總體呈下降趨勢。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)作物碳吸收量最高值出現(xiàn)在2013 年，為12 834.94 萬t。2013 年以后，農(nóng)作物碳吸收量出現(xiàn)負(fù)增長，最低負(fù)增長率出現(xiàn)在2016 年，為-7.63%，這與當(dāng)年糧食產(chǎn)量較低有關(guān)。農(nóng)作物的碳吸收量與農(nóng)作物種植類別相關(guān)，不同的農(nóng)作物碳吸收量差異較大（圖4b）。碳吸收量較高的4 種作物分別為水稻、小麥、油菜籽、玉米，分別占農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收總量的44.01%、14.11%、10.66%、9.24%。其中水稻、玉米和蔬菜的碳吸收量隨時間表現(xiàn)出比較為明顯的增長趨勢，農(nóng)作物碳吸收總量受水稻等碳吸收量占比較高的農(nóng)作物的影響。

圖4 農(nóng)作物碳吸收變化趨勢Figure 4 Variations of crop carbon absorption

2.2.2 地區(qū)農(nóng)作物碳吸收量特征

由圖5可知，2007—2017年湖北省單位面積的農(nóng)作物碳吸收量（碳吸收強度）年均約為28.57 t·hm-2，整體呈現(xiàn)遞增趨勢。除十堰市、宜昌市、咸寧市、恩施自治州、神農(nóng)架林區(qū)外，其他地區(qū)的碳吸收強度均高于湖北省均值。同地區(qū)不同時間節(jié)點的農(nóng)作物碳吸收強度波動較大，其中鄂州市波動最為明顯。不同農(nóng)作物碳吸收強度隨時間波動較大（圖6），水稻碳吸收強度最高，從2007 年的22.51 t·hm-2上升至2017 年的24.18 t·hm-2，增幅為7.42%。其次為玉米，玉米碳吸收強度隨時間呈下降趨勢，2017 年的碳吸收強度為16.86 t·hm-2，比2007年下降了18.04%。

圖5 不同地區(qū)單位種植面積農(nóng)作物碳吸收情況Figure 5 Carbon absorption of crops per unit area in different regions

圖6 不同農(nóng)作物單位種植面積碳吸收情況Figure 6 Carbon absorption per unit area of different crops

2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量特征

2007、2017 年的湖北省土壤有機碳儲量見表4，2017 年土壤有機質(zhì)均值為24.21 g·kg-1，高于2007 年土壤有機質(zhì)均值，有機質(zhì)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均較低；耕地SOCD 的變化不明顯，從2007 年的3.40 kg·m-2到2017 年的3.57 kg·m-2，增量僅為0.17 kg·m-2（以C計）。農(nóng)田土壤有機碳儲量由2007 年的130.59 Tg 增長到2017 年的144.11 Tg，耕地有機碳儲量總體呈現(xiàn)增長趨勢，但升幅較小。

表4 農(nóng)田土壤碳儲量Table 4 Carbon reserves of farmland soil

3 討論

3.1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“匯”特征變化影響因素分析

目前在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的研究中，農(nóng)作物的碳吸收量通常遠(yuǎn)高于農(nóng)田溫室氣體排放量，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為較強的碳匯功能[26]。這與本研究結(jié)果一致：湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的農(nóng)作物碳吸收量遠(yuǎn)高于溫室氣體排放量，并且年均碳吸收量是溫室氣體排放量的4.7 倍；耕地土壤有機碳儲量從130.59 Tg（2007 年）增加到144.11 Tg（2017 年），增長了13.52 Tg。湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體呈現(xiàn)“匯”的狀態(tài)。

根據(jù)本研究結(jié)果，湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量總體波動較小，近幾年（2014—2017 年）出現(xiàn)緩慢下降趨勢，農(nóng)田土壤碳儲量總體升幅較小。兩者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“匯”特征變化影響較小，農(nóng)田溫室氣體排放量不會增強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由“匯”向“源”轉(zhuǎn)變趨勢。然而，農(nóng)作物碳吸收總量年際波動較大，并且固碳并不穩(wěn)定。農(nóng)作物固碳的主要部位是作物的莖葉，農(nóng)作物秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這些秸稈組成成分經(jīng)過微生物水解及好氧厭氧發(fā)酵后會再次產(chǎn)生二氧化碳排放到大氣中[27]。因此在一定周期下，農(nóng)作物吸收的碳并不能持久穩(wěn)定，農(nóng)作物秸稈分解和燃燒會削弱并改變農(nóng)作物碳吸收的狀態(tài)，進而改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體“匯”的狀態(tài)。緩解全球氣候變暖問題是一個長期的過程，農(nóng)作物固碳穩(wěn)定性比多年生林木低很多。農(nóng)作物秸稈殘骸和所生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品最終都會通過燃燒、漚肥、生物腸道消化及微生物分解等方式將固定的碳又釋放到大氣中[28]，農(nóng)作物碳吸收在很大程度上會轉(zhuǎn)變?yōu)樘寂欧?。因此農(nóng)作物碳固定量是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“匯”特征變化的重要因素。

農(nóng)作物碳吸收量受諸多因素的影響，農(nóng)作物產(chǎn)量越高，其碳吸收量也越高[29]。除農(nóng)作物產(chǎn)量外，農(nóng)作物的種植類型對作物碳吸收也具有較大影響。由于不同種類農(nóng)作物或同種作物不同品種的光合作用速率、自身理化性質(zhì)具有差異，它們的碳吸收能力也有所不同。朱燕茹[30]定量分析了不同種類作物對碳吸收的影響，通過對作物播種面積與相應(yīng)作物碳吸收量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)作物播種面積與碳吸收量具有線性關(guān)系，并且多種糧食作物碳吸收量與播種面積呈正相關(guān)，但不同作物每增加一單位播種面積，其作物碳吸收量變化都不同。然而，不同農(nóng)作物的播種面積并不能等同于不同農(nóng)作物種類，該研究使用不同農(nóng)作物的播種面積這一指標(biāo)來分析農(nóng)作物種類對碳吸收的影響，具有一定的局限性。本研究通過對農(nóng)作物碳吸收特征的分析，發(fā)現(xiàn)糧食作物的碳吸收總量遠(yuǎn)高于經(jīng)濟作物、油料作物，其中水稻碳吸收量最高，這是由于水稻種植面積遠(yuǎn)高于其他作物并且水稻是人們主要的糧食來源。排除面積干擾，通過對比不同農(nóng)作物的碳吸收強度，發(fā)現(xiàn)不同種類農(nóng)作物的碳吸收能力有較大差異。水稻的碳吸收強度最高，年均約為23.28 t·hm-2，其次是玉米（18.70 t·hm-2）和棉花（15.58 t·hm-2）。同樣作為糧食作物種植，水稻碳吸收強度是玉米的1.24倍、小麥的1.49倍；而油料作物中，芝麻的碳吸收強度較高，年均約為14.61 t·hm-2，是花生的1.26倍、油菜籽的1.17倍。在保證經(jīng)濟社會需求的前提下，合理地規(guī)劃農(nóng)作物種植種類，增加碳吸收強度較高的農(nóng)作物的種植面積，在一定程度上可以提高農(nóng)作物碳吸收總量，達到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)增匯的目的。

3.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳減排途徑分析

湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量整體年際波動較小，自2014 年起，呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢。湖北省溫室氣體排放量整體波動較小，但其不同地區(qū)溫室氣體排放量差異明顯。由于在地理氣候、社會經(jīng)濟等方面存在一定差異，不同地區(qū)溫室氣體排放也具有地區(qū)特征，因此不同的地區(qū)應(yīng)當(dāng)根據(jù)其區(qū)域特點采取不同的固碳減排措施。

溫室氣體排放量低但排放強度高的地區(qū)應(yīng)當(dāng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整農(nóng)作物種植規(guī)模、種植種類對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進行合理的調(diào)整，對耕地面積進行合理規(guī)劃，提高單位耕地面積農(nóng)作物產(chǎn)量。

溫室氣體排放量高但排放強度低的地區(qū)應(yīng)著重提高固碳量。不同農(nóng)作物的碳吸收能力不同，可通過適當(dāng)調(diào)整不同品種的農(nóng)作物種植規(guī)模，提高農(nóng)作物總體碳吸收量。有研究表明土壤呼吸強度會因為高強度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動而出現(xiàn)明顯的增強趨勢，并且較高的土壤呼吸強度會加快土壤有機質(zhì)的分解，釋放所固定的碳[16]。因此建議耕地不宜過度頻繁地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，應(yīng)合理規(guī)劃種植時間及強度。土壤碳封存主要由植物碳輸入驅(qū)動，因此可以通過增加農(nóng)作物產(chǎn)量和采用農(nóng)作物混合種植方式提高土壤碳儲量，例如油菜籽與燕麥混合種植，能夠有效地固定有機碳[31]。不同植物碳的輸入量與其在土壤中分解量和殘留比例之間存在差異，HALLAM 等[32]的研究表明玉米和大豆秸稈在土壤中的殘留量與其輸入量呈正相關(guān)，輸入量越多，土壤中的殘留比例越高[32]。因此選擇合適的作物秸稈還田來增加土壤碳輸入能夠極大地提高農(nóng)田土壤的碳固定水平。

溫室氣體排放量和排放強度均較高的地區(qū)更應(yīng)采取措施減少溫室氣體的排放量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體主要為稻田甲烷和農(nóng)用地氧化亞氮。2007—2017 年農(nóng)用地氧化亞氮排放量的波動較大，可調(diào)控性較高，因而可以通過加強化肥施用量監(jiān)控、合理減少化肥使用量來以及施用長效緩釋氮肥的方法來減少氧化亞氮的排放。本研究發(fā)現(xiàn)稻田甲烷排放占農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的比例較高，在降低稻田甲烷排放量方面，水稻田間歇灌溉所排放的甲烷比淹灌少59%，比常規(guī)灌溉少46%[33]。因此可以通過推廣間歇灌溉來減少稻田甲烷排放。水稻的品種不同，在種植后所排放的甲烷量也會有所不同，通常有1.5～3.5倍的差別[34]。因此也可以通過選育和種植新的水稻品種來達到減少甲烷排放的目的。

4 結(jié)論

（1）湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量整體呈緩慢下降趨勢，農(nóng)田碳儲量升幅較小。

（2）湖北省農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)整體呈現(xiàn)“匯”的狀態(tài)，農(nóng)作物碳吸收量對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)源/匯特征變化具有較大影響。

（3）適當(dāng)增加水稻、玉米、芝麻等碳吸收強度較高的農(nóng)作物種植面積、減少秸稈燃燒量，有利于維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)“匯”特征。