秸秆还田固碳增汇效果研究进展

秸秆还田固碳增汇效果研究进展

作者：罗龙皂等

来源：《湖北农业科学》2013年第10期

摘要：秸秆还田是当今世界普遍重视的一项培肥地力的增产措施，同时也是重要的固碳措施。从中国农田土壤固碳潜力、秸秆还田对土壤有机碳含量及温室气体排放的影响、秸秆还田净减排能力等方面阐述了秸秆还田的固碳增汇效果，指出当前研究中存在的问题，并提出展望。目前对于秸秆还田的固碳增汇效果还存在一定的争议，今后的研究应以县域为单元，将秸秆还田对土壤碳库和温室气体总排放的影响有机结合起来，计算净减排能力。同时开展秸秆还田的温室效应及其影响因子研究，探讨如何减少秸秆还田的温室效应，从而提高秸秆还田的净减排效益。

关键词：秸秆还田；固碳潜力；温室气体；固碳增汇；有机碳

中图分类号：S153.6；X16 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）10-2238-04 全球变暖已是不争的事实，如何采取有效措施以减少温室气体排放是应对气候变暖的关键。目前，各国都在积极探寻有效的固碳减排途径，国际学术界在研究温带森林、湿地和极地生态系统对增加土壤碳汇作用的同时，越来越重视农业生态系统的固碳作用。中国《国家中长期科学和技术发展纲要（2006—2020年）》中将生物固碳技术列为环境领域的优先发展主题之一。生物固碳，尤其是农作物固碳技术将成为一种最具潜力、见效最快的减排措施。秸秆还田不仅是当前秸秆资源利用的一种主要方式，也是一种重要的固碳措施。近年来，许多学者对秸秆还田的固碳效果进行了广泛的研究，由于在研究手段、科研条件、地域等方面存在差异，得到的研究结果也不尽相同。本文从中国农田土壤固碳潜力、秸秆还田对土壤有机碳含量及温室气体排放的影响、秸秆还田净减排能力等方面阐述了秸秆还田的固碳增汇效果，对当前研究中存在的问题进行分析并提出展望，以期为他人的研究工作提供参考。 1 中国农田土壤固碳潜力

从土壤有机碳的储存和固定潜力来看，中国农田生态系统属于较脆弱的生态系统[1]。中国农业土壤有机碳库一直处于亏损状态，尤其是在20世纪50～80年代这段时间损失较多[2-4]。Metting等[5]利用DNDC模型对中国农业土壤碳库进行计算，发现中国农业土壤有机碳库以-73.8 TgC/a的速度在消减，而美国则以72.4 TgC/a的速度递增。从另一方面也说明中国碳库容量的增加潜力比其他国家更大。20世纪80年代中期以来，中国农业土壤有机碳含量总体上稳中有升，其中南方水稻土的碳汇效应非常显著[3]。中国秸秆还田比例若从15%提高到80%，农田碳储量将增加175 Tg/a[6]。此外，改善农业管理措施可使中国农田土壤固碳潜力增加119～226 Tg/a[7]。李忠佩[8]对20年间中国亚热带地区水稻土固碳量进行了计算，发现固碳量相当于（555.1±88.7）TgCO2；估算出亚热带水稻土未来的固碳潜力为（411.0±84.7）Tg CO2，可见水稻土的固碳潜力巨大。

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2 秸秆还田对土壤有机碳含量的影响 2.1 不同还田方式下土壤有机碳变化规律研究

目前，国内学者对秸秆直接覆盖还田、焚烧后还田、粉碎还田、高留茬还田等几种还田方式的固碳效果研究的比较多。结合不同的农业管理措施，每种还田方式的固碳效果不一致。曾研华等[9]研究了稻草烧灰还田、稻草不还田、稻草还田、稻草还田不施肥、稻草不还田不施肥、稻草烧灰还田不施肥6种方式下土壤碳库变化情况，一年两季的试验结果表明，稻草还田提高了土壤总有机碳的含量，但差异不显著，配施化肥明显增加了土壤活性有机碳含量，较之稻草烧灰还田与不还田，差异显著。而两季稻草还田后无肥区出现相反的趋势，不还田的较高，这可能跟土壤微生物与植株争肥不明显有关，以致土壤碳激发、养分分流较少。吴家梅等[10，11]对稻草覆盖免耕、高桩免耕和高桩翻耕3种还田方式对耕层土壤有机碳积累影响情况进行了研究，结果显示，3种方式下0～5 cm土层土壤有机碳质量分数显著高于对照，且高桩免耕方式最高，较无草翻耕提高了13.8%；5～10 cm土层中，高桩翻耕处理下土壤有机碳质量分数显著高于其他处理，增幅为1.39～1.66 g/kg；10～15 cm土层中，翻耕方式下土壤有机碳质量分数要显著高于其他方式；耕层土壤有机碳密度方面（0～15 cm），稻草翻耕方式要显著高于其他方式。免耕秸秆还田、翻耕秸秆还田和旋耕秸秆还田三者中，旋耕秸秆还田处理土壤有机碳含量和有机碳密度均为最高，翻耕次之，免耕最小[12，13]。 2.2 不同秸秆施用量下土壤有机碳变化规律研究

秸秆还田具有可观的固碳潜力[14]，土壤固碳量是否随着秸秆施用量的增加而增加呢？在免耕稻田中，随着秸秆施用量的增加，土壤有机碳含量和土壤固碳量也逐渐增加[15]。钟杭等[16]研究认为，稻麦秸秆连续2 年还田，全量还田与半量还田的土壤有机碳较对照均有提高，全量还田的提高量为7.09%，高于半量还田的5.87%。但也有研究表明，高量秸秆还田较中量秸秆还田在提高土壤有机碳含量方面并没有体现出优势，其中，高量秸秆还田土壤总有机碳含量为8.73 g/kg，中量秸秆还田为9.51 g/kg，低量秸秆还田为8.29 g/kg，对照为7.55 g/kg，各种活性有机碳含量趋势也是如此，这可能由于秸秆还田量过高，导致土壤C/N失衡，从而影响还田秸秆的腐解效果[17]。

3 秸秆还田对温室气体排放的影响

3.1 秸秆还田对土壤二氧化碳（CO2）排放的影响

CO2来源于土壤呼吸，主要包括植物活根呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸和含碳物质化学氧化作用几个过程。模拟研究表明[18]，有机物料还田量是决定耕层土壤CO2年排放通量大小的直接原因，90%秸秆还田可使土壤呼吸总量增加4.38%[19]。试验研究也表明[20，21]，随着秸秆还田量的增加，土壤CO2排放通量在增加。强学彩等[22]研究了玉米季和小麦季3种不同秸秆还田量下土壤CO2排放量，发现土壤CO2排放通量随着秸秆施用量增加而增加。李成芳等[15]的研究也表明，秸秆还田能增加土壤CO2排放量，且土壤CO2累积排放量

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随秸秆施用量的增加而增加。作物秸秆覆盖于土壤表面，不仅利于土壤有机碳的固定，还能从时间尺度上影响土壤CO2的释放特征[23]。这种影响主要表现为，不进行秸秆覆盖的土壤全年43%的CO2释放量集中在夏季，而进行秸秆覆盖处理的土壤在夏季的CO2排放量只占全年的26%。

3.2 秸秆还田对土壤甲烷（CH4）排放的影响

相对翻耕还田和旋耕还田来说，免耕还田更有助于降低CH4的排放速率，同时可推迟峰值排放时间[24]。冬季秸秆还田与不同土地管理方式相结合，对后续稻季CH4排放量有影响。在一定范围内，土壤CH4累积排放量随秸秆施用量的增加而减少[15]。研究表明，冬季稻田3种土地管理方式中（种麦、休闲和淹水），淹水与秸秆混施处理的CH4平均排放量最大，休闲与秸秆混施次之，种麦与秸秆混施最小[25]。秸秆还田在增加土壤有机碳的同时，也会导致甲烷增排，逯非等[14]运用试验数据和模型相结合的方法估算出中国秸秆还田后稻田甲烷排放量将从无秸秆还田的5.796 Tg/a增加到9.117 Tg/a。马二登等[26]研究了麦季稻秆不还田、稻秆表面覆盖、稻秆均匀混施和稻秆原位焚烧4种还田方式对后续稻季CH4排放的影响，结果表明，表面覆盖和均匀混施处理均能增加后续稻季CH4排放量，分别增加了75%和40%，而原位焚烧处理对后续稻季CH4排放量影响不显著。张岳芳等[27]研究了不同麦秸还田与土壤耕作处理下稻季CH4的排放情况，其中麦秸还田旋耕的CH4排放量要高于麦秸还田翻耕，且二者排放量均高于麦秸不还田翻耕和旋耕。

3.3 秸秆还田对土壤一氧化二氮（N2O）排放的影响

作物秸秆还田一方面通过刺激微生物活性以促进反硝化和N2O排放量，另一方面引发微生物的固持作用，降低有效氮浓度，抑制硝化和反硝化过程，降低N2O的排放[28]。张岳芳等[27]研究表明，麦秸还田翻耕和麦秸还田旋耕的N2O排放量均小于麦秸不还田翻耕和麦秸不还田旋耕。免耕还田能降低稻田N2O排放速率，排放速率平均值比翻耕还田和旋耕还田降低42.1%和16.7%[24]，N2O排放量将减少51.2%[29]。这是因为旋耕和翻耕对土壤搅动程度较大，促进了硝化与反硝化过程，从而导致N2O排放增加[30]。而李成芳等[15]的研究表明，秸秆还田能显著提高土壤N2O排放量，且土壤N2O累积排放量随秸秆施用量的增加而增加。邹国元等[31]也认为秸秆还田可能促进土壤N2O的排放。可见，秸秆还田对土壤N2O排放量的影响研究有待进一步深入。 4 秸秆还田净减排能力分析

在中国全面推广秸秆还田的情况下，土壤固碳潜力为42.23 TgC/a，由秸秆还田导致的N2O排放量为6.46 TgCe/a，秸秆还田过程中农业机械燃料额外消耗导致的温室气体排放量为1.33 TgCe/a，由此可以算出净减排潜力为34.44 TgCe/a，表现为温室气体汇[32]。在欧盟每年秸秆还田量为1.33×108 t的情况下，土壤固碳潜力为6.5 TgC/a，N2O对比焚烧增加量为0～1.2 TgCe/a，得出净减排潜力为5.3～6.5 TgCe/a，也表现为温室气体汇[33]。King等[34]的研究也表明，英格兰农业土壤添加秸秆后净减排潜力达到471～700 kgCe/（hm2·a），对温室气体

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减排具有重要意义。而Li等[35]运用DNDC模型对河北旱地秸秆还田的净减排效益进行了估算，结果表明，在土壤固碳潜力为830 kgC/（hm2·a）的情况下，N2O直接排放量为894 kgCe/（hm2·a），故净减排潜力为-64 kgCe/（hm2·a），表现为温室气体源。可见，目前有关秸秆还田的净减排能力还存在争议。 5 问题与展望

秸秆还田是当今世界普遍重视的一项培肥地力的增产措施，在杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染的同时还有增肥增产作用。此外，秸秆还田还是重要的固碳措施之一。目前有关秸秆还田固碳效果方面的研究也很多，但是对秸秆还田净减排能力方面的研究还不够。秸秆还田对土壤有机碳的提升效果已经得到学术界的普遍认可，然而由此产生的温室气体排放问题亦不容忽视。这些温室气体包括土壤直接排放部分和进行秸秆还田管理所消耗能源带来的排放部分。目前，对秸秆还田的净减排能力研究主要借助模型进行估算，估算结果和实际情况存在差距。不同研究结果之间有存在争议的情况，我们可以从研究手段、地点等方面来看待这些争议。中国国土面积广大，各地气候和地貌呈现多样性特点，再加上农村实行联产承包责任制，导致各地农业生产和管理方式千差万别。这也给从国家尺度或省级尺度上来研究秸秆还田的固碳增汇效果带来了很多难题，造成诸多不确定性。今后应加强以下几方面的研究。

1）以县为单位，开展县域秸秆还田固碳增汇效果研究，农业部门和环保部门联手，利用各自资源优势，开展合作研究。

2）系统深入研究各种秸秆还田方式的固碳增汇效果，要将秸秆还田对土壤碳库和温室气体总排放影响有机结合起来，计算净减排能力，从而对其进行评价筛选。

3）开展秸秆还田的温室效应及其影响因子研究，探讨如何减少秸秆还田的温室效应，从而提高秸秆还田的净减排效益。 参考文献：

[1] SMITH P， MARTINO D， CAI Z， et al. Policy and technological constraints to implementation of greenhouse gas mitigation options in agriculture[J]. Agriculture， Ecosystem & Environment，2007，118（1-4）：6-28.

[2] LAL R. Offsetting China’s CO2 emissions by soil carbon sequestration[J]. Climate Change，2004，65（3）：263-275.

[3] 潘根兴，李恋卿，张旭辉，等. 中国土壤有机碳库量与农业土壤碳固定动态的若干问题[J]. 地球科学进展，2003，18（4）：609-618.

[4] 潘根兴，周 萍，李恋卿，等. 固碳土壤学的核心科学问题与研究进展[J].土壤学报，2007，44（2）：327-337.

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[5] METTING F B， SMITH J L， AMTHOR J S， et al. Science needs and new technology for increasing soil carbon sequestration[J]. Climate Change，2001，51（1）：11-34.

[6] 潘根兴，赵其国.我国农田土壤碳库演变研究：全球变化和国家粮食安全[J].地球科学进展，2005，20（4）：384-393.

[7] 汪 婧，蔡立群，张仁陟，等. 耕作措施对温带半干旱地区土壤温室气体（CO2、CH4、N2O）通量的影响[J].中国生态农业学报，2011，19（6）：1295-1300.

[8] 李忠佩.低丘红壤有机碳库的密度及变异[J].土壤，2004，36（3）：292-297.

[9] 曾研华，吴建富，潘晓华，等. 不同稻草还田方式下土壤碳库管理指数的研究[J]. 中国农学通报，2011，27（30）：77-81.

[10] 吴家梅，纪雄辉，彭 华，等. 稻草还田方式下对双季稻田耕层土壤有机碳积累的影响[J]. 生态环境学报，2010，19（10）：2360-2365.

[11] 吴家梅，纪雄辉，彭 华，等. 南方双季稻田稻草还田的碳汇效应[J].应用生态学报，2011，22（12）：3196-3202.

[12] 陈尚洪，刘定辉，朱钟麟，等. 四川盆地秸秆还田免耕对土壤养分及碳库的影响[J]. 中国水土保持，2008，6（增刊）：54-56.

[13] 段华平，牛永志，李凤博，等. 耕作方式和秸秆还田对直播稻产量及稻田土壤碳固定的影响[J].江苏农业学报，2009，25（3）：706-708.

[14] 逯 非，王效科，韩 冰，等. 稻田秸秆还田：土壤固碳与甲烷增排[J]. 应用生态学报，2010，21（1）：99-108.

[15] 李成芳，寇志奎，张枝盛，等.秸秆还田对免耕稻田温室气体排放及土壤有机碳固定的影响[J].农业环境科学学报，2011， 30（11）：2362-2367.

[16] 钟 杭，朱海平，黄锦法.稻麦等秸秆全量还田对作物产量和土壤的影响[J].浙江农业学报，2002，14（6）：344-347.

[17] 路文涛，贾志宽，张 鹏，等. 秸秆还田对宁南旱作农田土壤活性有机碳及酶活性的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（3）：522-528.

[18] 雷宏军，李保国，白由路，等. 集约农作条件下土壤有机碳动态模拟及其在黄淮海平原区的应用[J].中国农业科学，2005，38（5）：956-964.

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[19] 李长生，肖向明，FROLKING S，等.中国农田的温室气体排放[J].第四纪研究，2003，23（5）：493-503.

[20] 张庆忠，吴文良，王明新，等.秸秆还田和施氮对农田土壤呼吸的影响[J].生态学报，2005，25（11）：2883-2887.

[21] 叶文培，王凯荣，JOHNSON S E，等.添加玉米和水稻秸秆对淹水土壤pH、二氧化碳及交换态铵的影响[J].应用生态学报，2008，19（2）：345-350.

[22] 强学彩，袁红莉，高旺盛.秸秆还田量对土壤CO2释放和土壤微生物量的影响[J].应用生态学报，2004，15（3）：469-472.

[23] JACINTHE P A.， LAL R， KIMBLE J M. Carbon budget and seasonal carbon dioxide emission from a central Ohio Luvisol as influenced by wheat residue amendment[J]. Soil & Tillage Research，2002，67（2）：147-157.

[24] 肖小平，伍芬琳，黄风球，等.不同稻草还田方式对稻田温室气体排放影响研究[J].农业现代化研究，2007，28（5）：629-632.

[25] 张广斌，马二登，张晓艳，等. 冬季秸秆还田和土地管理对水稻生长期CH4排放的影响[J]. 农业环境科学学报，2009，28（12）：2501-2505.

[26] 马二登，马 静，徐 华，等.麦季稻秆还田方式对后续稻季CH4排放的影响[J].生态环境学报，2010，19（3）：729-732.

[27] 张岳芳，郑建初，陈留根，等. 麦秸还田与土壤耕作对稻季CH4和N2O排放的影响[J].生态环境学报，2009，18（6）：2334-2338.

[28] 谢立勇，叶丹丹，张 贺，等. 旱地土壤温室气体排放影响因子及减排增汇措施分析[J].中国农业气象，2011，32（4）：481-487.

[29] 李天杰.土壤环境学[M].北京：高等教育出版社，1995.

[30] 封 克，殷士学. 影响氧化亚氮形成与排放的土壤因素[J]. 土壤学进展，1995，23（6）：35-40.

[31] 邹国元，张福锁，陈新平，等. 秸秆还田对旱地土壤反硝化的影响[J]. 中国农业科技导报，2001，3（6）：47-50.

[32] 陈泮勤，王效科，王礼茂，等. 中国陆地生态系统碳收支与增汇对策[M]. 北京：科学出版社，2008.

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[33] SMITH P， GOULDING K W， SMITH K A， et al. Enhancing the carbon sink in European agricultural soils： Including trace gas fluxes in estimates of carbon mitigation potential[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2001，60（1-3）：237-252.

[34] KING J A， BRADLEY R I， HARRISON R， et al. Carbon sequestration and saving potential associated with changes to the management of agricultural soils in England[J]. Soil Use and Management，2004，20（4）：394-402.

[35] LI C， FROLKING S， BUTTERBACH-BAHL K. Carbon sequestration in arable soils is likely to increase nitrous oxide emissions，offsetting reductions in climate radiative forcing[J]. Climate Change，2005，72（3）：321-338.