王建偉，李東曉，王紅光，李浩然，王千一，張明哲，李瑞奇

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院省部共建華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071000）

0 引言

聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署報(bào)告中全球溫室氣體排放自2010年到2020年期間，平均每年增長(zhǎng)1.4%，2019年由于森林火災(zāi)的增加全球溫室氣體排放更是達(dá)到了2.6%[1]。2021 年全球碳排放量為390 億t，同比增漲5.7%。這將導(dǎo)致極端氣候發(fā)生的頻率和強(qiáng)度隨之增加；一些脆弱系統(tǒng)，如生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，將遭受嚴(yán)重后果。由于溫室氣體中CO2含量最多，且溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)率最大，巴黎協(xié)定呼吁各國(guó)必須盡快使全球人為二氧化碳排放達(dá)到峰值，并在21世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放，在本世紀(jì)內(nèi)將全球升溫控制在2℃以內(nèi)。隨著《京都議定書(shū)》的簽署，中國(guó)已經(jīng)承擔(dān)起減排義務(wù)。作為最大的發(fā)展中國(guó)家，也是世界第二大碳排放源，中國(guó)預(yù)計(jì)在2025年到2030年二氧化碳排放量超過(guò)美國(guó)，位居第一，面臨巨大的減排壓力[2-4]。2020年，中國(guó)政府承諾“二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030 年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，以緩解氣候變化給全球帶來(lái)的不利影響和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)業(yè)碳排放約占碳排放總量的20%[5]。盡管中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中糧食產(chǎn)量取得了大幅提高，但農(nóng)藥、農(nóng)膜、化肥等農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的濫用，造成了環(huán)境污染、農(nóng)田退化和農(nóng)田的高碳排放等問(wèn)題[6]。中國(guó)存在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)等典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是碳循環(huán)過(guò)程中最活躍的碳庫(kù)，具有很突出的固碳減排潛力。2013—2020年，中國(guó)種植業(yè)碳排放總量為19.72 億t，凈碳匯總量為54 億t[7]。目前，中國(guó)的典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要是指小麥—玉米生態(tài)系統(tǒng)和稻田生態(tài)系統(tǒng)，具有社會(huì)性、高產(chǎn)性和波動(dòng)性三大特點(diǎn)，本文主要圍繞典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放源、碳源影響因素及減排措施進(jìn)行綜述，以期未來(lái)在農(nóng)業(yè)碳減排方面發(fā)揮一定的指導(dǎo)作用和參考價(jià)值。

1 典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳排放現(xiàn)狀

1.1 碳排放源分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳排放主要是指溫室氣體的排放，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)。全球變暖的主要原因便是其排放量的大幅度增加[8]。大氣中約90%的N2O、70%的CH4和20%的CO2來(lái)自于糧食生產(chǎn)相關(guān)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地管理[9]。IPCC 指出，農(nóng)業(yè)溫室氣體排放占全球溫室氣體排放總量的比例巨大，占全球溫室氣體排放總量的14%左右[10]。

美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局的數(shù)據(jù)指出，自1990年以來(lái)，長(zhǎng)壽命溫室氣體的氣候增溫總效應(yīng)增加了43%，其中有82%是由CO2所引發(fā)。到2017年，全球大氣中CO2濃度已從工業(yè)化前的約499.9 mg/m3上升至729.1 mg/m3[11]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，CO2的排放主要來(lái)自于土壤有機(jī)質(zhì)的分解以及農(nóng)作物秸稈的燃燒，同時(shí)，農(nóng)膜、化肥、農(nóng)藥、柴油等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的使用也會(huì)產(chǎn)生CO2；然而，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域與大氣之間存在著巨大的CO2交換量，這使得農(nóng)田中CO2的凈排放量只占總排放量的很小一部分，占全球CO2總排放量的1%[12-13]。

CH4是僅次于CO2的第二大長(zhǎng)壽命溫室氣體，對(duì)增溫效應(yīng)的貢獻(xiàn)約在15%～17%左右，年增長(zhǎng)率為0.6%[14]。地球上約有40%的CH4是自然排放，而約60%則來(lái)自人類活動(dòng)，畜牧、水稻種植、化石燃料使用、垃圾填埋和生物質(zhì)燃燒等。其中最重要的CH4排放源之一、占很大比例的便是稻田生態(tài)系統(tǒng)[15]，約占全球其他因素引起的CH4排放總量的11%[16]。此外，在動(dòng)物的正常代謝過(guò)程中，寄生在動(dòng)物消化道內(nèi)的微生物在消化道內(nèi)發(fā)酵飼料時(shí)產(chǎn)生的CH4，動(dòng)物糞便施入土壤前儲(chǔ)存和處理產(chǎn)生的CH4也都是CH4的排放源[17]。

N2O是持續(xù)存在于大氣中并不斷積累的一種溫室氣體，壽命可達(dá)100 年，已經(jīng)從2.7×10-4mg/mL（1750年）上升到3.31×10-4mg/mL（2018 年），是平流層臭氧的最主要破壞者，單分子增溫潛勢(shì)比CO2高300 倍[18]。N2O的一個(gè)重要來(lái)源就是農(nóng)田和水系生態(tài)的硝化和反硝化生化過(guò)程，并受多種環(huán)境因子和生物因子的影響[19]。其中，氮肥的施用是其主要貢獻(xiàn)者[20]。

1.2 碳排放現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)既是碳源又是碳匯，它在溫室氣體循環(huán)中起著重要的作用。農(nóng)業(yè)碳排放源于作物生產(chǎn)中的稻田CH4排放、秸稈焚燒以及化肥的施用等，而碳匯主要是農(nóng)作物的固碳和土壤固碳[21]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中存在重要意義，趙成義[22]的研究表明玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)CO2的凈固定能力最強(qiáng)，24 h 固定CO238.47 g/m2。其次是小麥生態(tài)系統(tǒng)和棉花生態(tài)系統(tǒng)。從年固碳量來(lái)看，綠洲玉米生態(tài)系統(tǒng)為最高，達(dá)到141.66 t CO2/(hm2·a)；其次為小麥生態(tài)系統(tǒng)，為122.60 t CO2/(hm2·a)；棉花生態(tài)系統(tǒng)最低，為50.39 t CO2/(hm2·a)。

小麥—玉米是華北地區(qū)的典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。有研究表明，小麥—玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體上是碳吸收大于碳排放，屬于碳匯系統(tǒng)，小麥和玉米具有較強(qiáng)的固碳潛力，在糧食作物的碳吸收中貢獻(xiàn)最大[23-24]。冬小麥—夏玉米種植模式碳足跡的大小為1737.37±337.02 kg Ce/(hm2·a)，生產(chǎn)1 kg糧食的碳成本是0.12±0.03 kg Ce[25]。研究表明通過(guò)減少種植面積和優(yōu)化化肥農(nóng)藥投入，可以有效降低小麥和玉米生產(chǎn)的碳足跡，實(shí)現(xiàn)(168.89～560.07)億kg CO2eq 的溫室氣體減排潛力[26]。在小麥生產(chǎn)體系中，化肥和機(jī)械對(duì)每公頃土地碳排放和成本的貢獻(xiàn)高于其他農(nóng)資，分別約占碳排放的40%和50%，對(duì)成本的貢獻(xiàn)均為約40%，通過(guò)減少氮肥投入和灌溉，可以顯著降低碳排放和生產(chǎn)成本[27]。

國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略重要舉措的其中一項(xiàng)便是稻田的固碳減排。稻田生態(tài)系統(tǒng)作為南方地區(qū)典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是CO2、CH4和N2O溫室氣體重要的源和匯，有著巨大的減排潛力。水稻作為中國(guó)第一大作物，其CH4和N2O 的年排放量分別約為7.41 Tg 和32 Gg，占農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量的22%[28-29]。其中CH4的排放占全球人為農(nóng)業(yè)排放的22%[30]。CO2排放約占農(nóng)業(yè)CO2當(dāng)量排放總量的16%[31]。唐志偉等[32]的研究表明中國(guó)稻田CH4總排放量呈先降低后升高再降低的趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)水稻豐產(chǎn)與稻田CH4減排的協(xié)同提供了理論參考。

此外，有研究對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡進(jìn)行估算得出，當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)弱碳匯，而不是源[33-34]。2010—2020 年，糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放總量呈下降趨勢(shì)，碳排放總量從38595.52 萬(wàn)t CO2當(dāng)量下降到38480.57萬(wàn)t CO2當(dāng)量，碳排放強(qiáng)度從2.03下降到1.94[35]。這可能與目前碳排放的估算方法有關(guān)。

2 溫室氣體的測(cè)定、影響因素及減排措施

2.1 測(cè)算方法

測(cè)定土壤排放的CO2、N2O和CH4一般采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法，又稱密閉箱法[36-38]。靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法具有簡(jiǎn)單、靈活、可同時(shí)分析氣體樣品中多種組分（CO2、CH4和N2O）以及分析精度高等優(yōu)點(diǎn)，多用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)，來(lái)直接觀測(cè)農(nóng)田植被和草地的溫室氣體排放[39]。將采集到的氣體帶到實(shí)驗(yàn)室用安捷倫氣相色譜儀(Agilent 7890A)測(cè)定氣體樣品中N2O、CH4和CO2濃度。N2O 檢測(cè)器為ECD（電子捕獲檢測(cè)器），CH4和CO2檢測(cè)器為FID（氫火焰離子檢測(cè)器）[40-41]。作物凈碳匯計(jì)算方法是觀測(cè)計(jì)算農(nóng)業(yè)碳匯值和碳輸入值，將農(nóng)業(yè)碳匯價(jià)值減去碳投入價(jià)值得到其凈碳匯價(jià)值[42-43]。當(dāng)然，靜態(tài)箱法的缺點(diǎn)也很明顯：不能連續(xù)觀測(cè)，對(duì)被測(cè)表面產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致氣箱內(nèi)的溫度、氣壓、濕度、光照強(qiáng)度、氣體混合程度與箱外自然狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致測(cè)量值失真[44-45]。

除了靜態(tài)箱法還有動(dòng)態(tài)箱法，動(dòng)態(tài)箱法分為密閉式動(dòng)態(tài)箱[46]和開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱。密閉式動(dòng)態(tài)箱法是將氣室和紅外CO2分析儀連接成一個(gè)閉合回路，使一定流量的空氣在回路中循環(huán)，同時(shí)檢測(cè)CO2濃度隨時(shí)間的變化。其優(yōu)點(diǎn)是箱內(nèi)氣體循環(huán)流動(dòng)，有利于氣體混合；對(duì)紅外線氣體分析器的測(cè)量精度要求不高；測(cè)量時(shí)間短，可在幾分鐘或幾十秒內(nèi)完成，對(duì)被測(cè)土壤干擾小，無(wú)需安裝復(fù)雜的溫控設(shè)備。開(kāi)放式動(dòng)態(tài)箱法測(cè)量CO2通量的基本原理是讓一定流量的空氣通過(guò)箱體，通過(guò)測(cè)量箱體進(jìn)出口空氣中被測(cè)氣體的濃度來(lái)確定被罩表面的CO2通量。主要優(yōu)點(diǎn)是能基本保持被測(cè)區(qū)域表面的環(huán)境狀況，使其接近自然狀態(tài)。但實(shí)際操作中有很多困難，要使氣流穩(wěn)定，不產(chǎn)生壓差，設(shè)計(jì)要求非常嚴(yán)格。要求濃度測(cè)量的精度很高，這對(duì)于一些從土壤表面散發(fā)的氣體來(lái)說(shuō)是很困難的[47-48]。

美國(guó)LI-COR 公司開(kāi)發(fā)了LI-6400、LI-8100、LI-840 等土壤呼吸測(cè)量系統(tǒng)，可用于多地點(diǎn)同步快速測(cè)量土壤碳通量，也可對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。其中LI-8100 具有受土壤自然條件的影響小，不受天氣狀況影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且可對(duì)箱內(nèi)產(chǎn)生的CO2進(jìn)行直接測(cè)量。由于其所具有的精確、快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，迅速成為國(guó)內(nèi)外土壤碳通量研究的首選儀器之一[49]。其原理利用測(cè)量室內(nèi)CO2濃度的增加速率推算測(cè)量室外土壤CO2擴(kuò)散到空氣中的速度。為了保證推算結(jié)果的正確，測(cè)量室內(nèi)外的濃度梯度、氣壓、土壤溫濕度應(yīng)該相似[50]。主要缺點(diǎn)是：空氣流通速率和室內(nèi)外壓差對(duì)測(cè)量的負(fù)面影響；由于這種方法所需的設(shè)備價(jià)格昂貴，而且需要電源，因此在現(xiàn)場(chǎng)的使用受到一定的限制；與渦度相關(guān)法相比，它改變了近地面的微氣象條件；不適合多點(diǎn)同時(shí)測(cè)定[49]。

此外，還有基于微氣象學(xué)原理的渦度相關(guān)法，它是一種測(cè)量大氣與森林、草地或農(nóng)田之間CO2、H2O和熱通量的微氣象技術(shù)。其原理通過(guò)測(cè)定大氣中CO2濃度脈動(dòng)和垂直風(fēng)速脈動(dòng)直接計(jì)算溫室氣體物質(zhì)通量[51]。該法在測(cè)量碳通量方面的主要優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)測(cè)量垂直風(fēng)速和CO2密度的脈動(dòng)，首次從氣象角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳通量的直接觀測(cè)，可以對(duì)地表碳通量進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、非破壞性的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，有利于碳通量觀測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。與箱法相比，測(cè)量步驟更短，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量高時(shí)間分辨率的CO2通量和環(huán)境變化信息[52]。其不足表現(xiàn)在，該應(yīng)用易受地形和氣象條件限制。渦流相關(guān)的傳感器非常精密，在野外長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)往往需要維護(hù)。渦度相關(guān)數(shù)據(jù)序列的校正和插值比較復(fù)雜，不同的臺(tái)站有不同的校正和插值方法，這就要求每個(gè)臺(tái)站根據(jù)自身情況確定最佳的校正和插值方法[53]。

鑒于不同測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，不同地區(qū)典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的測(cè)量應(yīng)選擇適宜的國(guó)際認(rèn)可度高的方法；且有些方法不斷發(fā)展，其精準(zhǔn)性也不斷提升，在測(cè)量過(guò)程中的影響因素也不能忽略。

2.2 影響因素及減排措施

影響農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的重要因素是農(nóng)業(yè)管理方式，包括作物種類、耕作方式、農(nóng)藥化肥種類、有機(jī)生物質(zhì)炭、灌溉、農(nóng)膜的使用、秸稈還田和放牧的強(qiáng)度等。這些管理方法均是通過(guò)改變土壤的理化性質(zhì)來(lái)影響碳排放和固碳能力[54-56]。稻田中的CH4、N2O 受水稻品種、土壤類型、水分條件、肥料種類、栽培管理方式等因素影響[57]。小麥—玉米輪作系統(tǒng)的碳排放主要受農(nóng)藥化肥使用量、灌水量、農(nóng)機(jī)燃料、秸稈處理方式以及耕作方式等因素影響。溫室氣體減少排放、農(nóng)田土壤固碳和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增加尤其是種植業(yè)碳匯的增加是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰重要手段[58-59]。

2.2.1 土壤固碳農(nóng)田土壤固碳是IPCC 認(rèn)為經(jīng)濟(jì)可行且環(huán)境友好的減緩碳排放的重要方法，在一系列固碳減排措施中處于重要地位，是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的有效措施之一，也是《京都議定書(shū)》認(rèn)可的減排途徑之一，其減排潛力可占自然總潛力的20%以上[60-61]。土壤固碳是植物的光合作用將大氣中的CO2變?yōu)橛袡C(jī)碳進(jìn)入土壤，形成土壤碳庫(kù)，這也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為CO2匯的重要過(guò)程——固定和增加。土壤有機(jī)碳被稱為是地球表層系統(tǒng)中最大、最活躍的生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)之一。在提高土壤肥力的條件下有效提高土壤固碳能力，可促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[62]。通過(guò)采取相應(yīng)的管理措施，提高土壤中有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳的含量，將大氣中的二氧化碳保持在土壤碳庫(kù)中。添加生物炭肥可以提高土壤的理化性質(zhì)及其滲水性，減少氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的流失，能夠顯著減少土壤CO2和N2O的排放量，并促進(jìn)土壤對(duì)CH4的吸收作用，抑制稻田N2O 和CH4的排放[63-65]。

2.2.2 秸稈還田秸稈還田具有非?？捎^的固碳潛力，它是中國(guó)農(nóng)田表層土壤有機(jī)碳含量增加的主要原因之一[66-67]。增加秸稈還田比例是減少中國(guó)農(nóng)田CO2排放的最有效措施[68]。它能夠提高農(nóng)田土壤的固碳速率，在增加土壤有機(jī)碳含量的同時(shí)，也增加了N2O的排放，雖然秸稈還田條件下土壤固碳率與N2O排放雖存在消長(zhǎng)關(guān)系，但仍更有利于溫室氣體減排[69-70]。LU 等[71]對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤固碳進(jìn)行了估算，在目前情況下，施用氮肥、秸稈還田和免耕每年可封存5.96、9.76、0.80 Tg C，認(rèn)為秸稈還田具有最大的固碳潛力。POWLSON等[72]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行100年后，添加秸稈處理的土壤有機(jī)碳含量較秸稈不還田處理的土壤增加了20.4 t/hm2。不同的秸稈還田方式的碳排放存在明顯差異，秸稈生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)化形式更有利于農(nóng)田系統(tǒng)的固碳減排[73]。胡乃娟等[74]研究表明，麥秸溝埋還田不僅能提高作物產(chǎn)量，還能增強(qiáng)土壤固碳能力，降低溫室氣體的排放強(qiáng)度。吳潔[75]的研究表明，與常規(guī)秸稈還田相比，秸稈集中溝還田能明顯減少溫室氣體排放，且隨著還田的深入，溫室氣體排放呈下降趨勢(shì)。程琨[76]通過(guò)DAYCENT 模型模擬驗(yàn)證出旱作農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，施用有機(jī)肥、減少化學(xué)氮肥、保護(hù)性耕作結(jié)合秸稈還田是最好的減排措施。

2.2.3 稻田固碳如果水稻生長(zhǎng)期一直保持淹水狀態(tài)，其CH4排放量就會(huì)高于普通稻田[77]。土壤中的水分可以通過(guò)影響硝化和反硝化作用來(lái)影響農(nóng)田N2O的生成速率，通過(guò)影響N2O 在土壤中的擴(kuò)散和還原速率來(lái)影響農(nóng)田N2O 的排放[78]。水稻是典型的禾本科喜硅作物，所以在吸收硅素的過(guò)程中往往會(huì)形成植物巖，植物巖形成時(shí)會(huì)續(xù)存一些有機(jī)碳，可以減輕生態(tài)系統(tǒng)的碳排放壓力，因此種植植物巖產(chǎn)生能力強(qiáng)、植物巖碳含量高的水稻品種來(lái)固碳有助于緩解全球變暖[79]。此外，陳松文等[80]研究表明，通過(guò)合理的農(nóng)業(yè)技術(shù)和優(yōu)化水稻種植模式，可以提高水稻生產(chǎn)的碳中和水平。對(duì)以水稻碳匯為主體的省份，采取間歇節(jié)水灌溉、秸稈還田、氮肥減施、免耕等稻田管理技術(shù)，促進(jìn)稻田減排、增匯、節(jié)能循環(huán)，提高水稻碳匯能力[81]。其中減排潛力最大的管理措施是減少化學(xué)氮肥施用和間歇淹水管理[82]。

2.2.4 耕作方式耕作方式也是影響溫室氣體排放的一個(gè)重要因素。沈吉成等[83]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在旱農(nóng)區(qū)免耕和秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施不僅可以改善土壤質(zhì)量，還可以減少土壤碳排放，增強(qiáng)農(nóng)田土壤的碳匯功能。根據(jù)土壤碳積累和農(nóng)田輸入碳排放的結(jié)合，傳統(tǒng)耕作轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo(hù)性耕作后，可以實(shí)現(xiàn)“碳源”向“碳匯”的轉(zhuǎn)變[84]。大量研究表明少耕、免耕和秸稈還田等保護(hù)性耕作措施能有效增加土壤有機(jī)碳含量，減少CO2排放[85-87]。杜勇利[88]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)玉米—大豆帶狀套作系統(tǒng)可有效減小土壤溫室氣體的排放強(qiáng)度。侯連濤[89]研究發(fā)現(xiàn)小麥旋耕和玉米免耕直播可以減少小麥—玉米輪作系統(tǒng)的總碳排放。小麥與玉米輪作能減少農(nóng)田土壤二氧化碳的總排放量，相對(duì)于傳統(tǒng)單作來(lái)說(shuō)下降了279～829 kg/hm2，下降幅度5.1%～16.0%[90]。

2.2.5 生產(chǎn)要素農(nóng)膜、農(nóng)藥、化肥以及農(nóng)用機(jī)械等生產(chǎn)要素的使用也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。其中，化肥的使用是中國(guó)種植業(yè)碳排放的主要來(lái)源[91-92]。有機(jī)肥的施用和管理的優(yōu)化可以增加農(nóng)田的碳輸入，提高有機(jī)碳的固存效率，改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤中有機(jī)碳的含量[93-94]。此外，施肥方式的不同也會(huì)影響土壤有機(jī)碳含量，可以采用增加作物產(chǎn)量的施肥方法來(lái)提高土壤有機(jī)碳含量[95-96]。根據(jù)土壤氮素礦化率確定不同的施肥量，合理使用有機(jī)肥，提高氮素利用效率，可有效減少高肥力土壤因過(guò)量施肥造成N2O排放高的現(xiàn)狀[67]。謝鈞宇[97]研究出有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施能顯著提高小麥和玉米的產(chǎn)量，包括有機(jī)碳的輸入、固碳率和固碳潛力的提高。沈亞文[98]研究表明，在玉米-大豆系統(tǒng)中，在提高保證農(nóng)田生產(chǎn)力的情況下，少施氮肥可顯著降低溫室氣體含量。在氮肥行業(yè)在整個(gè)生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2。因此，減少氮肥施用不僅可以減少N2O 的排放，同時(shí)還可以減少CO2的排放[99]。

通過(guò)地膜覆蓋可以增加土壤的固碳能力，增加土壤各土層CO2的濃度，降低各土層CH4的濃度[100-101]。馮浩等[102]發(fā)現(xiàn)覆膜處理后的小麥—玉米CO2和N2O排放總量較不覆膜處理分別增加了9.3%～33.9%和14.3%～47.1%，對(duì)CH4吸收差異不大。合理重復(fù)利用農(nóng)膜，研發(fā)可降解低農(nóng)膜，減少農(nóng)膜過(guò)度使用帶來(lái)的污染，推廣使用新能源農(nóng)機(jī)設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行節(jié)能改造以及推廣低碳減排技術(shù)等措施均能減少溫室氣體的排放[103-106]。

此外，在向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，農(nóng)業(yè)土地利用及其農(nóng)業(yè)土壤固碳在應(yīng)對(duì)氣候變化方面的重要性和對(duì)溫室效應(yīng)的減緩程度也是中國(guó)最應(yīng)該重視的[107]。韓冰等[108]通過(guò)其自建的經(jīng)驗(yàn)公式估算了不同管理措施下農(nóng)田土壤的固碳能力和潛力。分析了施用化肥、有機(jī)肥、秸稈還田和免少耕4 種典型耕作管理措施對(duì)農(nóng)田土壤碳增加的貢獻(xiàn)分別為40.51、23.89、35.83、1.17 Tg/a。改善農(nóng)業(yè)管理措施和恢復(fù)退化的農(nóng)田是封存有機(jī)碳的有效途徑之一，不僅可以抵消大氣中溫室氣體的排放，還可以提高土地生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[109-110]。

3 存在問(wèn)題

土地可持續(xù)管理和化肥利用率低是中國(guó)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排面臨的兩大挑戰(zhàn)[111]。目前中國(guó)農(nóng)業(yè)土地利用管理對(duì)土壤固碳減排潛力的估算和評(píng)價(jià)仍存在較大的不確定性，農(nóng)業(yè)土地利用管理措施下的土壤碳估算值存在較大差異[112]。土地資源規(guī)劃不合理，導(dǎo)致土地質(zhì)量差，退化嚴(yán)重。此外，中國(guó)的化肥利用效率低于世界水平，化肥利用效率低，化肥用量大是當(dāng)前農(nóng)業(yè)種植普遍存在的問(wèn)題[113]。目前農(nóng)田管理處于非常重要的固碳時(shí)期，解決農(nóng)田碳庫(kù)重建和加快農(nóng)田溫室氣體減排是中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)2 個(gè)重要固碳減排方向途徑。在經(jīng)濟(jì)方面，HE 等[114]通過(guò)構(gòu)建估算農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量的框架的方式，總結(jié)發(fā)現(xiàn)發(fā)達(dá)地區(qū)的減排成本更容易受到技術(shù)進(jìn)步和政府環(huán)境治理的影響，以種植為主的地區(qū)減排成本受產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)影響。而欠發(fā)達(dá)地區(qū)減排成本主要受經(jīng)濟(jì)水平影響。在能源方面，中國(guó)面臨嚴(yán)峻的能源供應(yīng)及環(huán)境危機(jī)，化石能源的使用會(huì)帶來(lái)一系列的環(huán)境污染，需要發(fā)展光能源減排、沼氣減排等新能源，減少化石能源帶來(lái)的高碳排放，以及相關(guān)減排措施有待進(jìn)一步完善。在宣傳方面，農(nóng)民對(duì)低碳農(nóng)業(yè)的相關(guān)知識(shí)了解較少，環(huán)保減排意識(shí)薄弱，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中仍采用傳統(tǒng)高碳種植方式。政府應(yīng)該加大宣傳力度，對(duì)于低碳農(nóng)業(yè)的宣傳更要到農(nóng)民群眾中去。在科研方面，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力雖然研究范圍相對(duì)較廣，但研究不夠深入，在一些問(wèn)題上存在爭(zhēng)議。同時(shí)，對(duì)不同地區(qū)差異的研究略顯不足，不同地區(qū)之間缺乏可比性。需要針對(duì)不同地區(qū)不同作物進(jìn)行具體的固碳分析，了解存在的問(wèn)題。

4 展望

實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排，要因地制宜地科學(xué)培育和管理土壤，努力實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的增產(chǎn)、增匯、減排[115]。隨著土壤固碳的能力愈加明顯，今后應(yīng)更加重視農(nóng)田土壤固碳的各種有效減排措施的綜合應(yīng)用，加大對(duì)農(nóng)田土壤固碳潛力的研究，為農(nóng)業(yè)固碳減排做出貢獻(xiàn)。對(duì)于小麥—玉米輪作系統(tǒng)應(yīng)該改善耕作方式，推廣少耕、免耕技術(shù)，減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用，用科學(xué)的施肥灌溉方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的施肥灌溉方式。稻田生態(tài)系統(tǒng)要優(yōu)化水分管理、肥料配方和施肥技術(shù)，培育低排放高產(chǎn)量的水稻品種，開(kāi)發(fā)低成本硝化抑制劑來(lái)降低N2O的排放量。此外，還能通過(guò)擴(kuò)大秸稈還田比例，提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率，完善生化生產(chǎn)要素應(yīng)用技術(shù)等途徑，來(lái)進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)固碳減排潛力。

隨著國(guó)際大環(huán)境對(duì)氣候變化的廣泛關(guān)注以及中國(guó)一系列碳排放政策的制定，人們對(duì)于低碳生活生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)不斷加深。基于區(qū)域農(nóng)業(yè)碳排放的實(shí)際情況以及生態(tài)系統(tǒng)碳排放特點(diǎn)，中央和地方政府應(yīng)構(gòu)建區(qū)域農(nóng)業(yè)碳減排合作機(jī)制，加強(qiáng)區(qū)域合作，制定符合排放現(xiàn)狀的減排方案，推進(jìn)農(nóng)業(yè)低碳科技創(chuàng)新，加大低碳農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)和推廣的投入，鼓勵(lì)研發(fā)碳捕獲等關(guān)鍵技術(shù)。從而發(fā)掘農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的固碳減排潛力，推動(dòng)碳經(jīng)濟(jì)向低排放和高能效轉(zhuǎn)型。