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农业生态系统碳循环研究摘要：在人们对温室效应理解不断加深的同时，全球碳循环的研究也随着技术的进步不断深入。与人类生产生活关系最密切的是陆地生态系统碳循环研究，而农业生态系统碳循环研究是其中最为重要的一部分。经过国内外研究者的努力，已对农业生态系统碳源/汇效益、碳循环影响因素、模拟模型、碳通量及农业生态系统对全球变暖的响应等诸多研究内容取得极为重要的成果。但在一些问题上尚存在不小争议，对一些过程尚不能清楚认识，对一些因素尚不能准确联系。关键词：农业生态系统；碳循环；低碳农业；近百年来，全球变暖已成为不争事实，温度的上升对整个地球环境和人类生产生活产生了巨大的影响，产生了一系列严重的和不可逆转的后果：草原和荒漠面积增加，森林面积减少；热带扩展，副热带、暖热带和寒带缩小，寒温带略有增加；农业的种植决策、品种布局和品种改良、土地利用、农业投入和技术改进等受到影响；加剧了目前日趋紧张的水资源问题；改变了区域降水、蒸发分布状况；引发环境问题，增加了对人类及其生存环境的压力[1]。随着全球气候变化研究的不断深入，对全球气候变暖形成原因的理解也产生了一些分歧：一部分人认为人类改造自然的活动是全球气候变暖的主要原因；另一部分人认为全球气候变暖是气候周期性变化的结果，太阳活动和火山活动是变化的主要原因，而人类活动不是决定性原因。但不论全球气候变暖的主要原因是什么，人类活动对整个地球系统产生的巨大影响不容忽视，人类活动排放出以CO2为主的温室气体引起了全球碳循环的变化，而这一变化又进一步影响到全球气候的变化，产生不利于人类生存及发展的变化。碳循环研究在此种局势下显示出极为重要的意义。根据Falkowski研究结果表明，陆地生态系统蓄积了总量大约为2000Gt(1Gt=1×1015g)的碳[2]。尽管相较于岩石圈＞60000000Gt和海洋38400Gt的碳量，陆地生态系统蓄积的碳量十分微弱，但是人类主要的生产生活空间位于陆地上，人类的行为最直接的影响陆地生态系统，且产生的影响最大，使得这部分碳储量的变化体现出非同一般的可变性和极为显著的重要性。土壤碳库是温室气体重要的释放源，也是重要的吸收汇[3]。正因为人类活动的强烈影响，可以说全球碳循环中最大不确定性主要来自陆地生态系统。陆地生态系统碳循环过程可以解释为：植物通过光合作用将大气中的CO2吸收存于植物体内，形成有机化合物并固定起来，而后一部分有机物在植物的呼吸作用和土壤及枯枝落叶层中有机质腐烂过程中返回大气。这样的一个循环过程就形成了大气-陆地植被-土壤-大气整个陆地生态系统的碳循环[4]。在人类活动中，农业生产对陆地生态系统起了巨大的影响，农业生产不仅改变了原有的土地利用方式，改变了原有植被种类，甚至改变了土壤类型，并因这些改变对原有碳循环产生了极为重要的影响。1850-1990年期间，土地利用变化造成的CO2排放量约为124Gt，而其中贡献最大的是农业的扩张。在农业活动中，耕地所造成的总净通量约占68％，牧草占13％，迁移农业占4％。人类活动已经强烈改变了原有的全球碳循环模式[5]。1.农业生态系统碳源？碳汇？农业生态系统是碳汇还是碳源，这是首先需要回答的问题。农业生态既可以是碳汇，也可以是碳源。农业碳排放主要源于农业废弃物、肠道发酵、粪便管理、农业能源利用、稻田以及生物燃烧。而农业生态系统的碳主要固定在作物和土壤中。农田生态系统中，农田管理措施、土壤性质是影响土壤有机碳固定、转化及释放的主要因素，同时还受土地利用方式、植物品种、气候变化等多种因素影响[3]。不同的农业生态系统因自身特点呈现出不同的碳通量，同一农业系统因管理方式或利用方式不同，甚至可以由碳源（汇）转变为碳汇（源）。80年代以前，中国农业土壤有机碳总体上以释放为主，进入20世纪80年代中期以来，我国土壤有机碳总体上出现了稳定和增加的趋势。一方面，农业经济向多元化发展，高产高效和保护性农业技术得到推广应用；另一方面，全国范围的区域农业开发计划实施，使土壤得到保持和培肥，土壤有机碳得以积累[6]。2.农业生态系统碳循环影响因素2.1土地管理方式与常规耕作方式相比，免耕少耕措施对土壤有机碳库增加和微生物量碳变化有显著影响，已有众多研究表明免耕少耕可显著增加土壤有机碳含量。王小彬对旱地农田不同耕作系统进行对比研究，得出传统的耕作下，农业生产中包括耕作、施肥、农药、灌溉等投入可成为重要的温室气体排放“源”，直接或间接影响系统的能耗和土壤碳循环及有机质分解，在此过程中排放和释放CO2，旱地农田为碳源，而少耕和免耕的农田呈现为碳汇，且免耕农田碳汇效应大于少耕农田[7]。传统的耕作方式破坏土壤的团聚体结构，使土壤有机碳失去保护暴露出来；耕作中表层的土壤充分混合，干湿交替的频度和强度增加，土壤的通气性及孔性变好，土壤水分及其温度状况均得到一定改善，微生物活性提高，加速土壤有机碳的分解[8]。有研究者指出免耕是否有利于增加土壤中碳库量，依赖实施免耕措施的时间长短。对传统耕作的农田实行免耕，在刚开始实行阶段，不仅不会提高碳库量，甚至会引起土壤碳库量的降低，如果长期实施免耕措施，则会有利于增加土壤碳库[9]。在弃用地上种植一些四季常绿的植物，将产生额外的环境效益，再采用少免耕的农业措施，将大大提高弃用地对大气中CO2的固定[8]。Hollinger等研究了免耕条件下美国西部地区玉米和大豆轮作农业生态系统的碳平衡，结果表明，在田间尺度上，玉米和大豆均表现为碳汇，每年的净吸收量分别为C576g·m-2和C33g·m-2[10]。2.2化肥有机肥的使用化肥的使用能改变土壤有机碳含量。有研究认为长期施用农业化肥有利于土壤有机碳含量增加。尤其在有机质含量较低的土壤上，施用足量化肥对提高土壤有机碳含量具有极为显著作用，同时也认为化肥对土壤有机碳的影响有一定的限度。但也有研究认为，农作物施用化肥与农业土壤有机碳间存在显著的负相关[11]。只有化肥与有机肥配合施用才有利于土壤有机碳含量的增加[12]。2.3土地利用方式土地利用形式变化是除了石油燃烧之外引起大气CO2浓度升高最为重要的因素，其中主要是农业用地面积（耕地和牧场）的扩大和森林面积的减少。这一土地利用的变化不但会降低地上植被碳库，还会引起地下土壤碳库的下降。近年有研究认为林地或草地转变为耕地不但会引起土壤有机碳的下降，而且经过多年的种植后，土壤中的有机碳仍然不能回复到土地利用变化前的水平[11]。森林向牧场或农田转化是目前最主要的土地利用变化方式，这种改变会造成地表有机质的侵蚀，增加有机碳的损失。而生态系统的恢复、保护与管理实践可以储存、维持和增大土壤碳库[13]。研究者在北国、加拿大、中国等地区进行试验发现，不同地区、不同土壤类型以及不同开垦年限，开垦对土壤有机碳含量产生的影响不同，有机质含量下降变化幅度在10%-60%之间，使原有系统转化为碳源，或碳源效益加深[14]-[19]。3.农业生态系统碳循环研究方法及循环模拟。目前农业生态系统碳循环研究模型有十余种，较为成熟的有RothC，CENTURY，DNDC，CASA。这些模型以气象、土壤、土地利用和农田管理等为驱动条件，对土壤有机质的产生、分解和转化等过程进行数字模拟。RothC模型是在英国洛桑试验站长期试验的基础上建立的土壤有机碳周转模型。该模型将有机碳库分为易分解植物残体、难分解植物残体、微生物生物量、腐殖化有机质和惰性有机质。此模型仅与土壤过程有关，不含植物生长的子模型，不计算作物地上生物量归还到土壤中的有机碳数量。主要考虑的参数包括土壤温度、湿度、粘粒含量、植被覆盖、有机物料类型及有机碳投入量等。RothC模型结构简单，所需参数比较容易获得，通常可以较好模拟耕层土壤有机碳的动态[20]。CENTURY模型是评价农田生态系统土壤有机碳演变最为有效的工具之一，起初用于模拟草地生态系统的碳、氮、磷、硫等元素的长期演变过程，厚加以改进扩展到森林、稀树草原、农业等生态系统中。CENTURY模型主要输入参数包括:月平均最高气温、月平均最低气温、月降雨量、作物木质素含量、作物氮磷硫等元素含量、土壤质地、大气及土壤的氮输入以及初始土壤碳、氮、磷、硫的含量。正确而有效地确定参数，从而使CENTURY模型运行有效，是整个模型应用过程中的关键。就农田生态系统而言，CENTURY模型需要以下本参数：作物参数、耕作方式参数、施肥参数、收获参数、有机肥参数和地点参数[21]。DNDC（反硝化-分解）模型是以模拟农业生态系统中碳氮循环为目的的生物地球化学模型。该模型由6个子模型构成，各描述了土壤有机质的产生、分解和转化过程，最后给出土壤有机碳各组分动态含量和CO2、CH4、N2、NO和N2O等温室气体通量。该模型由区域性输入数据库来支持，所输入数据主要分为两大部分，一部分直接与地理坐标有关，如地形、气候、植被类型、土壤类型；另一部分与地理坐标没有直接关系，如农作物生理特征、耕作制度、施肥和土壤理化性质等。该模型基本设计思路是在验证点位模型的基础上根据各区域农作制度不同特点来编制运行DNDC区域模型GIS数据库，并在数据库支持下运行模型[22]。CASA（Carnegie-Ames-StanfordApproach）模型是一种整合遥感参数和生理生态参数的一个陆地生态系统碳通量模型，该模型所需参数少，模拟值精度高，已广泛应用于大尺度陆地生态系统植被净初级生产力和碳通量的研究中。该模型是通过计算植被层吸收的入射光合有效辐射和植被将其转化为植物有机碳的效率得到植被净初级生产力。该模型中，植被净第一性生产力主要由植被吸收的光合有效辐射和光能转化率两个变量决定[23]。中国农业植被净初级生产力模型（Crop-C），是一个具有普适性的模型，它以稻麦作物净初级生产力模型为基本框架，其模拟对象为占我国农作物总播种面积2/3的水稻、小麦、玉米、棉花、油菜和大豆。此模型主要包括两大功能模块：光合作用和呼吸作用；土壤-作物系统氮素运移。光合作用和呼吸作用综合考虑了环境因子和氮素的影响，土壤-作物系统氮素运移包括了作物氮素吸收、土壤氮矿化和化肥氮释放。经模型分析得出，气候变暖将降低作物净初级生产力。该模型关键输入参数包括辐射、温度、降水、大气CO2浓度、土壤全氮含量和施氮量。关键参数的微小偏差会导致结果的明显差异，且主要输入参数响应的敏感性依次为温度＞光和有效辐射＞大气CO2浓度＞土壤全氮含量＞施氮量＞降水[24]。4.农业生态系统碳排放量及对全球变暖的响应研究者使用生物地球化学过程模型：反硝化-分解模型（DNDC）对中国2483个县的1.33百万平方公里农田进行CO2，CH4，N2O等温室气体排放量进行模拟计算，该方法在点位尺度上将气候、土壤、人为活动、辐射、温度、湿度、pH值、Eh和有关化合物的浓度梯度以及有关生物化学反应联系起来，从而对C，N和水分生物地球化学循环进行预测。该方法的主要误差来源于模拟单元气象-土壤条件的不均匀，而模拟中只能对同一单元进行同样的设定，从而产生一定的误差。结果表明中国农业生态系统的CO2净排放量约95百万吨C/年、CH4约9.2百万吨C/年、N2O约1.3百万吨N/年[25]。采用连续淹灌措施，全国水稻田排放8.6~16.0百万吨CH4/年；如果改为生长期晒田，全国水稻田排放量为3.5~11.6百万吨CH4/年[25]。有研究指出陆地生态系统在温暖时期多表现为碳源，而在冷凉时期多表现为碳汇，研究者指出随着温度升高，火灾和呼吸作用释放的CO2要远远高于植物的净初级生产量的增加[26]-[28]。在目前大气CO2浓度下C3植物光合作用没有达到饱和，CO2浓度增加能够提高光合作用水分利用效率，延长季节性干旱生态系统植被生长期，增加C3和C4植物净初级生产量[2],[29],[30]。温度升高和温室气体增加可提高光合效率和干物质积累，光合产物向根际输出量比例增大，从而将导致土壤有机碳输入量增加。众多研究表明CO2浓度升高，更多的C贮存于地下。大气CO2浓度升高也将影响土壤有机碳的分解过程。大气CO2浓度升高，植被的群落结构发生变化，植物地上部分生物量增加，使