全球變化與土壤固碳潛力研究進展

國際能源碳匯演變趨勢《京都宣言》于2005年2月16日正式舉行?！毒┒甲h定書》3.4款提出可以通過增加生態系統碳庫來補償經濟發展中的碳排放。在找到有效的工業CO2排放替代技術途徑之前,尋求能源碳排放在農業中的重新收集與固定成為國際上共同努力的方向。地球系統碳循環與全球變化研究的一個重要任務就是闡明陸地生態系統的碳匯演變及其對日益升高的大氣CO2的收集與固定能力以及未來演變趨勢。本文根據國際學術發展動態,討論了我國農業土壤碳循環與全球變化研究的若干基礎問題,提出了當前急迫的研究需求,以期為推動我國陸地生態系統碳循環與全球變化研究提供參考。一、國外的研究與研究動態土壤中含有有機碳和無機碳酸鹽兩種形態的碳,后者是生物不能直接利用的。全球土壤中無機碳酸鹽約有1000Pg,而土壤中儲存的有機碳(SOC)高達1500Pg,是大氣CO2總量的3倍、陸地生物碳量的約2.5倍。土壤碳通過呼吸產生的CO2排放是決定陸地生態系統碳平衡的主要因子,與大氣CO2的交換快速。因此,土壤碳庫的穩定、增長或釋放都與大氣碳庫的變化有重要的關系,土壤能否增加碳儲存是關乎陸地生態系統能否繼續發揮對大氣CO2吸收與固定的碳匯效應的重要理論基礎。全球土壤覆蓋面積中農業利用的面積約50億公頃,而耕地占14億公頃。耕地土壤直接影響著農業生產,并可受人為利用和管理措施的較快影響,其碳庫可以在5—10年的尺度上快速調節。因此,無論是在2003年美國發起召開的碳收集領導人論壇(CSequestrationLeadershipForum,2003)中,還是在IPCC2002年開始籌備并將于2005年正式發布的碳捕獲與收集評估報告(CCaptureandSequestrationAssessmentReport,IPCC2002)中,耕地土壤有機碳動態變化與碳固定潛力和趨勢的資料與估計都占有十分重要的份額。自《京都議定書》簽約以來,國際組織和各主要國家紛紛出臺國家間和政府的重大科技計劃項目,開展對耕地土壤固碳潛力及其實現途徑的分析研究,以作為制定CO2排放清單及提出減排配額的依據。歐盟在EurocarbonClusterProjects一攬子計劃中開展了對歐盟15國土壤固碳潛力的研究;美國和加拿大在21世紀初由農墾部負責完成了全國農業土壤有機碳庫與固碳潛力的研究;德國通過國家科學基金會的優先項目正進行著全國農業土壤固碳潛力及其機制的研究;法國由國家農業科學院(INRA)完成了全國土壤普查基礎上的資料匯總與固碳潛力估計的研究;英國也已完成了農業土壤有機碳儲量及固碳潛力的評價工作;比利時由根特大學土壤管理系為主正在進行國家尺度的研究。美國和歐洲還專門撥款研究耕地土壤固碳的技術經濟,專門分析了農民在不同經濟政策下的技術選擇對耕地土壤固碳規模的影響。世界糧農組織對耕地的固碳也十分重視,其對世界耕地土壤的有機碳儲存與各種利用措施情景下的固碳潛力與可行性進行了綜合分析,其成果集中反映在WorldSoilReportNo.96。值得注意的是,自2002年以來,美國分別由國家科學基金會(NSF)和能源部牽頭在全國各大區設立了政府資助的土壤固碳研究中心,其主要任務是研究土壤特別是農業土壤的固碳技術與效益。最近,意大利政府撥出600萬歐元研究促進土壤固碳的實用技術,這一項目由Napoli大學應用化學系教授、世界土壤學聯合會土壤化學委員會主席Piccolo博士領導的課題組承擔。上述國際動態充分反映了各國政府對土壤碳庫動態與固碳潛力的重視,這些研究實際上也體現了各國政府期望通過土壤固碳而爭取更多碳排放配額的要求。發達國家科學界十分關注人為利用管理下土壤固碳潛力的變化,配合土壤固碳機理及其影響因素的研究,分析與預測未來可能通過改變管理政策與農業技術途徑而提高固碳能力成為研究的一大發展方向。自從Hassink(1996)發表了自然土壤中有機碳固定服從于土壤黏粒含量的研究報告后,土壤碳固定的微團聚體保護機制研究在西方甚為活躍不同農業管理措施對土壤固碳的影響主要是通過對土壤微團聚體更新與轉化的改變,從而使有機碳的保護機制發生變化所致。因而,在微觀上,對不同條件下土壤固碳潛力與機制的微團聚體的研究報道日益增多。另一方面,在宏觀上,對于不同因素對土壤固碳影響的綜合研究也開始活躍起來。2002年,美國橡樹嶺國家生態實驗室的West和Post發表了對全球100多個國家的土壤肥料長期試驗地土壤碳動態的分析報告,評價了全球通過合理輪作和耕作措施促進土壤固碳的潛力;最近,美國Colorado大學國家資源生態實驗室科學家發表了對全球不同氣候帶100多個土壤與農業管理的長期試驗和實驗研究點的分析報告,評價了不同的農業管理措施對土壤固碳的影響強度及其隨氣候條件的變化。同時,這個實驗室還對美國每個主要作物帶在不同農業管理措施下的土壤固碳容量與速率進行了預測研究。這些研究反映了國際社會和科學界對農業土壤固碳能力及其未來變化趨勢的關注,更代表了不同國家通過摸清其固碳家底來判斷其應對國際溫室氣體減排的努力方向與對策選擇的需求。在《京都議定書》正式生效后,無論是對于目前已承擔義務的發達國家還是對于未來可能承擔義務的發展中國家,這種研究都十分必要。二、在全球變化的背景下，中國耕地和農業生產和固碳：背景、壓力和挑戰1.保證高產400kg/畝耕地生產能力的可持續發展一直是我國農業頭等重要的問題,得到我國政府一如既往的重視。我國糧食生產自1998年總產達到5400億公斤以來,總產和單產出現持續滑坡。水稻、小麥播種面積急劇下降,玉米、大豆單產變率增大。總量減少、單產不穩造成了國家和國際社會對我國未來16億人口糧食安全的嚴重擔憂(隋鵬飛.糧食生產發展與土肥工作.中國土壤學會第10次全國會員代表大會暨學術討論會,2004年7月23日,沈陽)。因而,我國未來人口增長下的糧食安全已成為近幾年國際社會地緣政治與環境政治的嚴重關切點。2030年我國人口將達16億,如果按保守估計,人均糧食需求375kg,在糧食播種面積為1.03億公頃的前提下,我們需要保證單產400kg/畝。而如果要達到人均450kg的糧食,播種面積如果樂觀地保有1.1億公頃,則仍需達到單產450kg。因此,即使能保有相應的播種面積,單產也必須提高35%—50%。這就是說,在相當程度上需要提高耕地的基礎生產力。根據20世紀90年代布設于全國主要農作區的土壤肥力與肥料效應監測網的地力變化資料(中國植物營養與肥料學會“全國土壤肥力演變規律與持續利用”學術討論會,2004年11月22—23日,北京),我國耕地地力發生著明顯的衰退,表現在化肥利用率不高、產量不穩。而我國糧食生產中,地力貢獻率仍然占主要因素:在南方,地力在單產中占50%—60%;北方約占50%—65%。15年以上的長期試驗表明,旱作物對地力的依賴還高于水稻。根據第二次土壤普查資料,可以發現各糧食主產區的平均單產水平與其土壤的平均有機碳含量密切相關。因此,地力的穩定和提高對于我國耕地的糧食生產能力是至關重要的。多年來我國耕地糧食總體生產能力下降的主要原因,固然有我國經濟發展中大規模、無序化占地所引起的耕地地力總體下降的因素。但在耕地總體生產能力下降的同時,導致當前我國糧食單產滑坡的重大原因之一是現有耕地基礎地力的急劇消耗與衰退,其突出表現是肥料效益急劇下降,糧食生產的投入成本不斷升高。20世紀60年代,每公斤氮肥增產水稻15—20kg,小麥10—15kg,玉米20—30kg;80年代增產水稻9kg,小麥10kg,玉米13.4kg,肥料效益下降約30%—50%。90年代,在南方稻區,每公斤氮肥僅增產5—8kg水稻、小麥。地力下降還表現在自然資源成本不斷飆升,當前,生產1kg糧食要付出1.2方水、100克化肥和50kg(西南)—150kg(西北)土壤流失的高額成本。2.土壤有機碳的重新積累,造成了糧食生產的高速滑土壤有機碳是土壤肥力和基礎地力最重要的物質基礎,也是決定生態系統生產力及其穩定性的土壤關鍵組分。我國耕地地力演變的主要特征是土壤有機碳的貧乏與消耗。換句話說,我國耕地總體生產能力質量下降的普遍原因還在于高度集約化、高投入農業發展中以有機碳為中心的土壤地力的耗竭。如果說1950—1960年代的糧食生產飛躍是通過墾植、耕地面積擴張、自然資源地力消耗所致,那么,1980初至1998年的糧食生產飛躍則是高肥料、高農藥投入下刺激地力耗竭所致。自然資源的開發,使耕地有機碳平均損失了13t/ha,總量損失了約2Pg,相當于燃燒了200億噸標準煤。而東北和華北的損失占了一半以上。東北大糧倉的黑土開墾后有機質快速消減,目前大部分僅為15—20g/kg,與南方土壤相近。東北糧食生產的持續滑坡,與土壤有機碳快速耗竭是分不開的。耕地土壤有機碳的損失導致耕地的有機地力與無機地力間的嚴重不平衡,這是我國耕地中普遍存在的除養分非均衡化外的一大資源環境問題。我國耕地有機碳含量普遍很低,一般南方在0.8%—1.2%,華北在0.5%—0.8%,東北約在1%—1.5%,西北絕大多數在0.5%以下。而歐洲農業土壤都在1.5%以上。我國耕地平均有機碳含量低于世界平均值30%以上,低于歐洲50%以上。我國糧食生產能力由1949年的1億噸左右提高到5.4億噸,付出了20多億噸耕地土壤有機碳的沉重代價,相當于喪失了1000萬公頃中等地力表土。這種損失在東北地區、華北地區、西北地區最為突出,表土碳庫損失了30%—50%。在高強度化肥投入,尤其是氮肥投入下,我國耕地有機碳仍存在耗減趨勢,特別是在中西部地區。3.我國農業固碳發展面臨的環境問題根據預測,我國2025年的工業CO2排放量將達到2Pg,超過美國(1.84Pg)而成為全球第一號排放大國。我國已同意履行《京都議定書》規定的溫室氣體減排義務,并正在考慮實施固碳工程。根據北京大學方精云教授最近的研究(方精云.中國陸地植被碳匯有多大?:整合遙感和地面觀測數據.CNC-IGBP2004年會報告,2004年12月21—22日,北京),近20年來,我國森林和草地的植被固碳是0.45Pg,每年僅為0.02Pg,即2000萬噸CO2-C/yr,總量相當于其總碳庫的10%左右。相反,耕地碳匯為0.19Pg,每年1000萬噸CO2-C,固碳總量相當于農業植被總碳庫的20%強(達到自然植被的2倍),而耕地面積不到森林和草地面積的1/4。在這種情況下,我國耕地土壤將受到穩定生產和實現固碳的雙重壓力。然而,我國農業發展中耕層土壤碳庫已損失了約2Pg,我國耕地有機碳密度已低于世界平均水平的30%。農業能否有效固碳,如何有效固碳是擺在我國政府面前的一個重大課題,這同時也構成了國際社會對我國農業環境安全的擔憂。但是,另一方面,我國糧食生產的根本是耕地生產力,后者的中心問題是地力,而地力的關鍵基礎是土壤有機碳。從這個角度,作為耕地資源貧困的國家和耕地土壤有機碳缺乏的國家,我們面臨的固碳壓力和挑戰實際上又為我們提供了全球變化下未來農業發展的新機遇。隨著環境友好和固碳減排成為國際農業今后走向,我國的農業必須將地力建設與有效的固碳結合起來,走出一條穩定生產力和固碳減排雙贏的農業可持續發展之路。在第236次香山科學會議(香山科學會議辦公室.“我國農田土壤碳庫演變及發展趨勢”學術討論會簡報.2004年9月21—23日,北京)及“全國土壤肥力演變與持續利用”討論會上,我國農業和土壤碳循環研究的科學家們一致認為,我國的糧食安全問題是國家和國際社會都嚴重關注的問題,在保障糧食安全的同時,我國農業還能不能固碳,這是關乎我國工業發展中應對國際環境威脅論和全球變化國家義務的另一大問題。我國如果忽視農業在我國溫室氣體減排中的作用,錯過固碳農業的發展機遇,我國將在國際全球變化與溫室氣體控制的環境外交中陷于被動,將在很大程度上影響國家利益?？茖W家們強烈呼吁,一個以地力建設為中心,以穩產固碳為雙重目標的固碳農業時代已經到來,我國必須抓住這一機遇,迫切需要將糧食安全與農業統籌考慮,認真研究糧食生產的穩定發展與土壤增碳,以地力建設帶動糧食的高產和穩產,同時為工業發展提供固碳空間。三、我國耕地穩定固碳的科學研究：特殊問題和創新需求1.耕地土壤有機碳循環與固碳的技術改變國外農田土壤碳循環研究主要是以旱地與保護性農業為對象發展起來的,關于土壤固碳潛力與途徑的理論研究結果不適用于我國農業實情。我國所處的自然環境和社會經濟背景條件的特殊性,決定了我國耕地的農業利用與土壤碳循環的特殊性,而這種特殊性對耕地土壤固碳潛力及其過程的影響是國際陸地生態系統碳循環研究中沒有解決而又只能由我國自己來解決的重大科學理論問題。(1)我國耕地資源短缺背景下的集約化利用與高強度投入對土壤碳循環的影響與固碳潛力。我國現有耕地1.2億公頃,人均耕地已接近0.8畝的警戒線。我國的耕地中,水田占1/5,旱地中80%是靠天田。我國一直在維持增長中人口的糧食需求,以滿足高產為目標的集約化利用和高強度投入是我國農業的最基本特征。我國耕地中有機碳循環與養分循環與發達國家以維持高效生產力和合理經濟回報為出發點的,以免耕、休閑、輪作和農林牧復合等保護性利用為主的農田有很大的差異。(2)以細碎化為特征的土地分散經營機制和以農戶為主體的農民自由管理行為對土壤碳循環的影響。我國自上世紀80年代初以來,普遍實行家庭聯產承包制,土地經營規模普遍較小。在東南沿海省份,家庭占有耕地平均在0.3公頃以下,因此出現耕地承包單元眾多,面積小而分散,這尤其在丘陵山區更為突出。分散經營一方面造成耕地細碎化,導致包括有機質含量在內的耕地屬性的巨大農田空間變異性(張琪.近20年來水稻土有機碳變化———縣級和村級尺度的研究.南京農業大學碩士學位論文,2004),使我國耕地土壤有機碳庫估計的不確定性問題相比發達國家更為突出;另一方面,一定范圍內的土地流轉,如轉包、租賃,影響農民的耕地培育投入與最佳的農田管理技術選擇,從技術經濟行為上嚴重限制了土壤固碳措施的推廣及其效益的發揮。因此,土地經營體制下的農田土壤碳循環過程的空間變異與耕地土壤固碳的技術經濟效益將在全國存在巨大的區域分異,并在總體上影響耕地土壤固碳潛力的評估與實現。(3)在脆弱生態環境和低碳庫背景下耕地土壤碳循環與固碳過程的特點。我國糧食主產區分布于東部的東北平原、黃淮海平原區、長江中下游平原、江南紅黃壤丘陵區和西部的黃土高原丘陵區、云貴桂巖溶山地區與寧夏、內蒙沿黃河地區。除了長江中下游平原外,其它地區都是不同程度的生態環境脆弱地區。如上所述,目前我國大部分地區的耕地土壤有機碳平均水平都較低,有機碳含量較高的東北平原是全球變化敏感地區,有機碳趨向于不穩定,碳匯作用正在加速喪失。在這種情況下,土壤中有機碳的含量狀況遠遠還未達到粘粒保護的飽和狀態,也遠遠未達到土壤微團聚體的物理保護容量極限,這與歐美國家生態保護良好條件下土壤有機碳含量已趨向于土壤有機碳飽和容量的情況迥異。在有機碳含量低而不穩定的背景下,土壤碳循環的基本特點是什么?耕地固碳的自然趨勢是什么?固碳的速率和時限又有何特征?這些問題都將是我國耕地土壤碳循環的特殊問題。2.我國農業和區域尺度土壤固碳潛力的估計與分析在土壤固碳與穩定生產力的雙重壓力下,我國耕地土壤碳庫家底有多大,其演變趨勢如何,固碳潛力可達到什么規模及技術與經濟可行性如何?耕地土壤固碳能不能同時穩定耕地地力與生產力?采用什么樣的耕地固碳戰略和技術途徑實現CO2減排與農業生產持續發展的雙贏?這些重大問題如果都不清楚,將嚴重影響對我國溫室氣體減排能力的評估,進而不利于我國環境外交談判,并限制了我國農業持續發展的長遠規劃。我們認為,當前急迫需要研究闡明的主要問題及研究內容包括:(1)耕地土壤碳庫及其演變態勢研究———歐美各國關于耕地土壤碳庫及其演變的研究開展較早,歐盟和美國、加拿大已經完成了農業土壤有機碳庫的國家尺度估算,作為溫室氣體減排清單制定的主要依據。并且通過以工業革命以來與最近20—50年農業發展以來兩個時間尺度,和全球與區域或國家尺度的大空間尺度的資料對比,利用模型研究了大尺度農業土壤碳庫演變與全球變化的關系,提出全球耕地土壤自工業革命以來損失78±12PgC,美國損失了4±1PgC;并認為,耕作引起的土壤侵蝕是土壤有機碳庫損失的主要途徑。國外對我國農業土壤碳庫變化十分注意,提出我國農業利用下土壤以有機碳庫損失趨勢為主,20世紀70年代以來每年損失70Tg,而美國卻每年增加70Tg。這種判斷嚴重影響到我國農業對全球變化影響的估價。我國至今還沒有一個公認的全國土壤碳庫估計值,而農業土壤碳庫估計至今尚是空白。目前已基于第二次土壤普查(1979—1982)資料,對耕作土壤相對于自然土壤的全剖面和表土的碳庫損失形成了初步的國家尺度的估計。趙其國等較早對南方紅壤地區土壤有機碳庫及不同利用下的變化作了比較分析,揭示了不同的土壤利用可能對區域尺度的土壤碳庫演變產生明顯影響。但目前還存在的主要問題是:(1)由于缺乏點面間的空間聯系研究,難以評價國家或區域尺度的碳庫及其演變;(2)研究中普遍采用國外已有的土壤有機碳模型,不符合中國的農業利用現狀,估計值存在嚴重的不確定性;(3)沒有明確的時間尺度,尚難評價我國不同時期農業發展中土壤碳庫及其演變的特點與全球變化效應。這對于認識我國農業發展、農業的區域性和不同的農業管理實踐對全球變化的影響及探討對于全球變化的適應性機制嚴重不足。(2)耕地土壤固碳潛力研究———歐美等國家和國際組織紛紛已經或正在評估作出國家或全球農業土壤的固碳潛力(全球0.9±0.3Pg/a,歐盟15國90—120TgC/a,美國202TgC/a)。IPCC第三工作組目前正在作全球溫室氣體減排潛力的第四次評估報告(WG3,AR4,IPCC,2004)。研究全球和區域尺度耕地土壤固碳潛力最主要的途徑是在典型土壤碳庫損失研究的基礎上,采用模型統計方法作出估計。對于耕地土壤固碳潛力與速率的估計,目前的研究主要是根據長期試驗資料分析不同農業措施(輪作、施肥和耕作)下有機碳庫的變化。這些研究以發達國家的旱地保護性耕作中的土壤有機碳增加的趨勢為主要出發點,根據歐洲、美國等發達國家的農業運行機制,考慮到農民的利益驅動,對不同措施和不同經濟杠桿下土壤固碳的潛力進行了技術經濟評價,提出現有農業補貼政策下土壤固碳的技術經濟潛力僅為自然固碳潛力的20%—40%。而美國俄亥俄州立大學土壤固碳研究中心主任R.Lal(2002)則是根據我國農業土壤碳庫損失的資料判斷提出我國50年內土壤固碳潛力為11Pg,平均每年固碳潛力是224Tg,其中最大的潛力是退化土壤恢復,其次才是農業耕作管理下的土壤固碳。這一估計是否符合我國的實際情況,我們尚無自己對于耕地土壤固碳潛力的研究予以反應。迄今為止,關于我國農業及農業土壤碳匯與固碳潛力的國家資料尚為空白。我國一方面要滿足糧食生產的穩定和持續發展,另一方面耕地處于農戶分散經營管理下,迫切需要認識我國耕地土壤固碳的自然潛力及其現行管理與經營下的技術經濟可行性。(3)土壤固碳與耕地生產力關系的研究———上已述及,土壤有機質是耕地土壤質量或者基礎地力的代表,而旱地農業對基礎地力的依賴要甚于水田。對于我國較普遍的水旱輪作耕地體系來說,土壤有機質水平與地力的關系與國外的旱地有何差異,這是一個急待明確的問題。土壤有機碳增加(固碳)對于提高基礎地力的作用,過去主要從土壤結構的發育,有機碳礦化中養分的供應以及良好的保水保肥性等不同側面研究。以往土壤固碳研究中對于土壤碳庫的生物有效性、特別是有機碳的活潑性與農業管理措施的關系較為充分,但這種碳庫的積累與碳庫的動態變化與耕地的基礎生產力間的聯系機制及其本質的認識十分粗淺。近年來,有越來越多的研究提出了土壤有機