农田土壤固碳潜力的影响因素及其调控（综述）

曹丽花 刘合满�┭疃�升

摘要：土壤碳循环是与全球气候变化密切相关的重要地球表层系统过程，是近年来国际地学和生态学界研究的热点领域。农田生态系统是受人为扰动影响最大的陆地生态系统，在碳循环中具有重要地位，是人为可调控的碳循环系统。增强农田土壤有机碳的固定能力不仅有助于减缓大气CO2浓度增加速率，而且对保障国家粮食安全具有重要意义。本文简要概述我国农田土壤的固碳潜力，着重分析影响我国农田土壤固碳潜力的因素，包括施肥、灌溉、耕作强度等，提出增强农田土壤固碳潜力的调控措施，如合理施肥、合理轮作、保护性耕作、生物质炭施用等方法，并在此基础上提出今后的研究方向。最后建议综合考虑农业生产管理对固碳潜力的影响，充分发挥农业土壤固碳效应。

关键词：农田土壤；固碳潜力；影响因素；调控措施

中图分类号： S153.6+1文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）10-0016-05

收稿日期：2015-08-19

基金项目：国家自然科学基金（编号：41161052、41461055）。

作者简介：曹丽花（1982—），女，河南濮阳人，硕士，副教授，研究方向为高原土壤碳循环。E-mail：clh-m@163.com。

[ZK）]

在全球气候变暖背景下，陆地生态系统碳循环对大气CO2浓度升高的贡献及调控措施受到广大研究者的广泛关注。土壤有机碳库是地球表层系统中最大且最具活动性的碳库之一，是全球碳循环的重要组成部分。据估算全球1 m深土壤有机碳储量约为1 500 Pg（1 Pg=1012 kg），约占整个陆地生态系统碳库的2/3，是大气碳库（750 Pg）的2倍[1]，因此土壤碳库较小的改变将导致大气CO2浓度很大的波动。农田生态系统是受人为扰动影响最大的陆地生态系统，大约储存了陆地土壤碳库的8%～10%[2]，且碳库具有周转速率快的特点，对维持全球碳平衡意义重大，因而成为国际地学和生态学界研究的热点。

农田生态系统不但是重要的陆地碳库，而且是重要的温室气体“源”和“汇”。据估计，农业源排放的CO2、CH4分别占人为温室气体排放量的21%～25%、57%，总体而言，农业对全球变暖的贡献为20%[3]。根据《京都议定书》，农田固碳是其认可的温室气体减排重要途径之一，且农田拥有巨大的固碳潜力。本文对农田土壤固碳潜力现状、影响因素及增加固碳潜力的措施进行阐述，旨在为科学合理管理农田土壤碳库、提升农田土壤固碳潜力提供科学依据。

1农田土壤固碳潜力

固碳潜力（soil carbon sequestration potential）是指土壤碳的饱和水平或土壤所容纳碳的最大能力[4]，是在一定管理水平、气候条件下的土壤所能稳定保持的碳总量。土壤碳固定可以改善土壤质量，减少农业对CO2排放的贡献[5]，是一种可行的固碳减排措施。土壤固碳潜力分为3种，第1种是生物潜力，是指在外源碳投入充足的前提下土壤可达到的最大固碳量，被认为是技术可达潜力[6]；第2种是物理化学潜力，是从土壤有机碳的稳定机制出发，表示有机碳与土壤颗粒稳定结合的最大固定量，物理化学潜力更为稳定，不易受外界扰动的影响；第3种是社会经济潜力，是在生物潜力的基础上考虑农民是否愿意实施可以增加土壤有机碳的农业管理措施，是实现的可达潜力，与社会因素和区域的经济发展有关[7]。

农田土壤固碳潜力是区域或国家尺度上，农业土壤的整体固碳能力[8]，它与人类活动、土壤特性、自然环境有关，被认为是最具温室气体减排潜力的系统[9]。目前主要有2种方法用于估算区域或全球的土壤固碳潜力，一种是基于长期定位试验的外推估算法，另外一种是基于情景假设的模型模拟法。中国农田土壤由于集约利用程度高、作物残体作为燃料和动物饲料利用而导致土壤有机碳含量相对于全球而言较低，因此我国农田土壤有较大的固碳潜力。

[JP2]由于对固碳潜力范畴的界定和评估方法不同，不同学者研究结果也不同[10-12]。潘根兴等研究表明，20世纪80年代中期以来中国农业土壤有机碳总体呈逐渐增高趋势，尤其是南方水稻土碳汇效应明显[10]；Lal估计中国农田土壤固碳潜力（以碳计）为119～226 Tg/年（1 Tg=109 kg）[11]；韩冰等估算了我国各省（市、自治区）0～30 cm层次农田土壤的固碳潜力，以西藏自治区最高（7.9 t/hm2），黑龙江省最低（-60.8 t/hm2），且呈从南向北逐渐递减趋势，水田比旱地有更大的固碳潜力[12]。

2影响农田土壤固碳潜力的因素

农田土壤固碳潜力主要与农田系统生物量固碳、植物生物体分解转化、土壤有机碳矿化碳分解3个主要碳过程有关，而这3个过程又主要受到土壤肥力条件与物质投入、植物光合效能、植物体分解速率、环境条件等因素有关（图1），故农田土壤固碳是一个复杂的综合体系。

2.1施肥

施肥对农田固碳潜力的影响主要体现在2个方面：（1）改善植物生长营养环境，增加生物量，从而增加土壤有机残体的输入，促进有机碳的积累；（2）通过影响土壤微生物种群、数量、活性等，对土壤呼吸碳排放产生影响。施用化肥在全球

[FK（W12][TPCLH11.tif][FK）]

农田土壤中的平均固碳速率为125 kg/（hm2·年），总固碳能力可达100 Tg/年[13]。同时肥料的施用可以降低土壤总呼吸的碳排放[14-15]从而起到减少农田碳排放和农业固碳作用。然而，化肥生产和施用并非一个单纯的固碳过程，根据农业碳足迹的估算方法，化肥的生产、运输、施用及在土壤中的转化过程导致温室气体泄漏成为影响施肥有效固碳潜力的重要限制因素。其中氮肥对农业碳排放足迹的影响最大，施用氮肥可以增加陆地生物圈对碳的净吸收，但同时又促进温室气体N2O从土壤中的排放，部分抵消了由于施肥产生的固碳效应。由施氮引起温室气体排放量是杀虫剂的9倍，是农业操作的11倍，占农业温室气体总排放量的30%[16]。另外，生产1 t的氮肥需排放1.74 t/碳，施用氮肥的温室气体泄漏将抵消184%～552%的土壤固碳效益[17]。中国农田施用化学氮肥已不具备有效固碳潜力，作为固碳措施不可行[18]。

2.2灌溉

土壤水分条件强烈地影响着植物生长发育和土壤碳排放。在灌溉条件下，一般土壤总呼吸碳排放量增加，但同时也促进植物细根生物量和微生物量碳的增加[19]，在干旱和半干旱区域，科学合理地灌溉促进植物生长发育，有利于对大气CO2的固定。土壤呼吸作用碳排放是影响土壤碳储量的重要因素，对气候变暖具有重要耦合效应，导致气候不可逆转地变化。灌溉可通过影响土壤的孔隙通道而对土壤呼吸产生短期影响，有研究表明，土壤水分对碳排放的影响主要有替代效应、阻滞效应和对微生物活动的刺激及生物量激增效应等[20]。而灌溉对土壤碳排放的这种效应均为以小时或天为时间尺度的较短时间的响应。在国家层面上，中国近几年推行了目的在于维护土壤生态功能、固碳减排的退耕还林/草、植被恢复等政策，但与此同时也造成地下水的大量消耗，呈现出水资源与固碳的对立矛盾。

2.3耕作强度

耕作被认为是土壤有机碳历史损失的首要原因[21]，主要通过破坏土壤结构，扰乱土壤有机碳原来的物理、化学或生物保护机制，使土壤有机碳更易受到氧化作用的影响，降低稳定性和含量，这种过程尤其表现在土壤团聚体上。耕作破坏了土壤团聚体的正常结构，使土壤团聚体更易被破坏，加速团聚体内有机物的分解。Dalal等研究表明，全球每年因耕作损失的有机碳达0.06%[22]。我国由于耕作导致表层土壤有机碳库损失达（14.8±15.1） t/hm2[23]。

2.4土地利用方式

土地利用方式的转变已成为影响陆地生态系统碳储量和循环的一个重要因素，并广受关注。土地利用方式对土壤固碳潜力的影响机制主要在于土壤物理和化学属性的改变，影响植物生长发育及微生物生物活性等。有研究表明，土地利用方式强烈影响土壤微生物种群构成与活性，从而影响土壤有机碳的矿化分解[24]，同时农业生产管理扰动对土壤pH值、土壤颗粒属性等的长期影响也导致土壤固碳潜力的改变。

在不同空间尺度上研究得到土地利用方式的转变均引起土壤碳库数量和质量的改变。有研究表明，土地利用方式由草地、林地转变为农田后，耕作层土壤有机碳含量在40～50年内会减少30%～50%[25]。许信旺等通过监测966个农田样地发现稻田土壤有机碳库[（46.9±25.7） t/hm2]比旱地农田[（35.9±32.8） t/hm2]高[26]。稻田变成玉米田3～5年后，耕层土壤有机碳损失30%，这可能是由于玉米田在耕作下加快了有机碳的分解，失去了稻田生物物理保护机制[27]。

2.5土壤性质

土壤类型、土层深度、母质、pH值、质地、黏土矿物等均会影响农田土壤的固碳潜力。研究表明，红土固碳潜力最大（0～20 cm土层5.32 Tg C），黄土（铁铝始成土）固碳潜力最小；0～20 cm的表层土壤固碳潜力最高为4.47 Tg C，由千枚岩发育而成的土壤固碳潜力大，第4纪黏土发育而成的土壤固碳潜力小[28]。

土壤质地对土壤碳稳定性和固碳潜力的影响主要体现在对土壤生产力的影响和土壤颗粒组成下的土壤有机碳物理、化学[JP3]保护机制。对于农田来说，良好的土壤质地，可以为植物生长发育提供物质基础，从而有利于土壤生物物质的输入，便于提升土壤碳储量。土壤颗粒组成是影响土壤有机碳物理保护机制的重要因子，黏粒及土壤团聚体对有机碳具有物理保护作用，从而可以稳定土壤有机碳，减少碳损失。与细小土壤颗粒结合的土壤有机碳是土壤相对稳定态碳，并在土壤有机碳中占有较大的比例[29]，Lal指出粗质地土壤的有机碳更容易损失，有机碳与黏粒结合后其化学稳定性更强[30]。

2.6其他因素

气候、海拔、土壤侵蚀等因素也会影响土壤的固碳潜力。研究发现在免耕条件下，热带地区土壤有机碳较温带地区增加显著[31]；土壤固碳潜力随海拔增加而降低，海拔<300 m时0～20 cm土壤固碳潜力最大，为5.01 Tg C，当海[JP2]拔>800 m 时固碳潜力仅为0.25 Tg C[28]；土壤侵蚀将破坏土壤结构，降低土壤的结构稳定性，增加土壤有机碳损失的风险，我国每年由于土壤侵蚀导致15.9 Tg的土壤有机碳损失[32]。

3增加农田土壤固碳潜力的途径

Lal指出农田生态系统中的大部分土壤已使初始碳库损失了50%～70%的碳，损失量为30～60 t/hm2[30]；同时，Lal还指出土壤碳库损失量的60%～70%可以通过采用合理的耕作和管理措施重新固定[33]。研究表明，如果全球在农业上采用最佳的管理措施，土壤每年可固碳约0.4～0.8 Pg[34]。王小彬等指出，推行优化管理措施下（如增加秸秆还田、有机肥施用、少免耕技术等），未来50年中国农业土壤固碳减排潜力（以碳计）约为 87～393 Tg/年，其中实施农田管理措施（包括有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作）对土壤固碳的贡献率约为30%～36%[35]。据联合国粮农组织统计，耕地所释放出的温室气体超过全球人为温室气体排放总量的30%，相当于 15 Pg CO2，是全球温室气体排放的第二大重要来源。因此，加强农田管理，使土壤碳储量增加，对提高土壤生产力、维护大气碳平衡、净化空气具有重要意义。

3.1保护性耕作

保护性耕作通过减少对土壤的扰动，增加地表覆盖度，提高土壤耕层有机碳含量，减少了碳排放。许多科学家认为保护性耕作具有碳汇效应，有利于实现农田土壤由“碳源”向“碳汇”的转变。Lal估计，若全球耕地实行保护性耕作，土壤有机碳含量预计到2020年可以增加到1.5～4.9 Pg[36]。但保护性耕作增加的土壤有机碳主要集中在土壤表层几厘米深度，它是否可以增加深土层有机碳含量在国际上观点不一致[37]。刘阳等认为保护性耕作对表层土壤具有固碳效应，在0～10 cm土层范围内土壤有机碳含量较传统耕作提高近1倍，但对深层土壤有机碳含量影响不大，甚至有降低的趋势[38]。王成己等通过对长期保护性耕作下中国农田土壤有机碳变化特征的试验数据进行整合分析得出，农田表土有机碳含量总体呈上升趋势，且水田比旱地更利于土壤碳积累[39]。同时，保护性耕作措施也可以节约能源消耗，用保护性耕作可以节省能源消耗（以碳计）23.8 kg/（hm2·年）[40]。

秸秆还田是保护性耕作的主要措施之一，我国秸秆资源居世界之首，我国每年的农业秸秆产生量约为7亿t，估计高达50%的秸秆被焚烧[41]。生物质燃烧已成为全球重要的大气痕量成分排放源，据估算全球每年生物质燃烧排放量达 8.7 Pg CO2，约占总CO2排放量的40%[42]。大量研究表明，秸秆还田可以提高土壤有机碳含量，增强土壤固氮潜力。邓祥征等提出，实施秸秆还田能够有效促进农田土壤有机碳贮量的增加，且增汇效应具有显著的空间分异特征[43]。此外秸秆还田对各粒级团聚体中有机碳均有不同程度的提升作用[44]，杨晶等通过7年的保护性耕作试验发现，秸秆覆盖+免耕有利于提高轮作系统中土壤有机碳含量并改善碳库质量[45]。稻草还田可以提高土壤总有机碳、活性有机碳和矿化碳含量及碳素有效率[46]。韩冰等也认为中国农田通过秸秆还田措施可使土壤固碳潜力达到42.23 Tg/年，因此秸秆还田是农田固碳最有潜力的一个措施[47]。对土壤固碳而言，秸秆还田是避免我国大气CO2浓度快速增加的有效措施，且有机碳的增加效应与平衡施肥有关，在均衡施用氮、磷、钾条件下秸秆还田可以更有效提升土壤有机碳含量[48]。

[JP3]免耕可以减少对土壤的扰动，从而降低土壤有机质的矿化分解。在全球尺度上，免耕能实现（0.57±0.14） t/（hm2·年）的固碳速率[49]。韩冰等在对全国典型农业长期定位实验站数据分析基础上，预测通过推广免耕可以实现3.58 Tg/年的固碳量[47]。Yan等利用CEVSA（carbon exchange between vegetation，soil，and atmosphere）模型研究得出在免耕和秸秆还田普及率为50%的条件下我国农田土壤固碳潜力将达到 32.5 Tg/年[50]。

3.2合理施肥

施肥是农田管理措施中的一项重要措施，能够增加土壤中氮、磷、钾和其他元素的含量，满足作物生长的需求。通过17年的长期定位试验研究表明，相对于不施肥，化肥使稻田有机碳增加5.8%，秸秆还田配施化肥稻田有机碳增加 16.5%，化肥配施猪厩肥使稻田有机碳增加17.9%[51]。增施有机肥（稻草、猪粪）利于表层土壤固碳[52]，韩冰等提出我国农田土壤施用有机肥后的土壤固碳潜力为41.38 Tg/年[47]。

目前，综合考虑经济效益和生态效益前提下，最佳施肥方式为有机和化学肥料配合施用，化肥与有机肥配施可以显著提高土壤有机碳含量，固碳率最高达到997 kg/（hm2·年）[53]。相关研究表明，有机-无机肥配施可显著增加土壤表层碳库，降低土壤呼吸碳排放量[54]，有机-无机肥配施下土壤碳汇量较纯施化肥提高了50%左右[55]。在对我国不同区域29个长期试验农田土壤分析发现，在平衡施肥和有机-无机肥配施下农田表土有机碳含量每年增加0.05～0.29 Pg，估计在良好施肥下过去20年农田表土有机碳固定量为 0.2～1.6 Pg[56]。

3.3生物质炭的利用

生物质炭是农作物秸秆等生物质在限氧条件下经低温（350～450 ℃）热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。生物质炭不仅具有相当大的固碳潜力，还可以减少甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放量[57]，成为提升土壤肥力和结构质量的一种新兴技术手段。潘根兴等研究表明，如果采用合适的技术将秸秆就地转为生物质炭，我国农田可以避免50 Tg/年的秸秆温室气体排放量（以碳计），仅水稻田土壤碳汇每年可以增加20 Tg以上，占农田总固碳潜力的1/3[58]。Woolf等运用生命周期评估的方法学分析可知，不同利用程度下全球秸秆转化为生物质炭每年可以减少1.0～1.8 Pg CO2当量的温室气体排放，其中50%来自避免秸秆燃烧释放，30%来自能源替代排放，另外20%是避免堆肥中CH4、N2O的排放[59]。到2100年，人类活动排放的CO2量的1/4将可以通过处理废弃有机质得到的生物质炭进行封存，这可能使大气中CO2浓度降低 40 mg/L[60]。

3.4合理轮作

轮作是保持和提高农业生态系统可持续发展的重要措施，能提高土壤固碳效率，在全球尺度上，合理轮作平均可固碳（0.20±0.12） t/（hm2·年）[49]。Huggins等发现，在轮作体系中加入多年生草本植物或豆科植物有利于土壤有机碳的固存[61]。Gregorich等通过35年的试验表明，玉米与豆科作物轮作下土壤碳含量比玉米单作高20 t/hm2[62]。

3.5合理灌溉

在全球气候变化背景下作物产量将呈降低趋势（到2050年将降低9%），而通过科学的水分管理则可以提升19%作物产量，同时对大气CO2平衡起重要作用[63]。一般而言，在降水较少的干旱和半干旱区，灌溉可以提高土壤有机碳含量的11%～35%[64]，这可能与灌溉条件下较多的碳输入及较高水分条件下限制土壤微生物活性有关[65]，但在气候湿润区的研究结果则不一致。有研究表明，灌溉降低了土壤有机碳含量[66]，或对土壤碳储量基本无影响或影响不大[67]。

然而，对于淡水资源极度缺乏的中国来说，农业生产中过度依赖和开发地下水资源，不仅消耗大量地下水资源，而且在机械抽取地下水时产生了大量的碳泄漏。因而对于我国农业区来说，如何科学合理利用有限水资源，提高农业生产能力，减少碳排放则需要深入研究和探讨不同气候区域尺度上的科学合理灌溉制度和对固碳效应的影响机制。

4结论与展望

根据世界能源委员会的结论，我国对全球CO2排放量的贡献率为13.5%，属于仅次于美国的世界第2大CO2排放国。如果按照当前的经济发展趋势，我国CO2产生量将会上升，到2020年可能会超过美国[68]。因此，我国是一个人口众多的发展中国家，对利用固碳减排来减缓全球变暖具有不可推卸的责任，在未来的气候谈判战略中，应从不同类型陆地生态系统碳属性及不同管理条件背景下固碳潜力出发，强调固碳的重要性，这不仅对我国农业的可持续发展具有重要意义，而且对全球气候变化也具有至关重要的作用。

近年来，在国际上兴起的生物炭化技术被认为是减少以及控制秸秆露天燃烧、促进农业生态系统物质循环、减少陆地温室气体排放、提升土壤碳库的迫切需要。潘根兴等提出生物质炭是一种真正称得上绿色生产、清洁生产和固碳减排的多赢技术，是在未来农业固碳减排和应对气候变化方面具有国际竞争力的高端技术，对固碳减排也起到至关重要的作用[58]。但是，由于其生产原料来源不同、热解温度不同，导致其性质也不尽相同，因此在农田土壤中应用生物质炭时其施用量也有待进一步探索。农田生态系统固碳过程是一个非常复杂的过程，与气候、土壤、管理措施和地形等因子均有密切关系，结合目前相关研究内容的热点，需要从农业碳足迹、相关固碳机理方面综合深入研究，为进一步提升农田生态系统固碳速率和固碳量提供科学依据。

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