農田生態系統碳源/碳匯綜述

朱燕茹 ，王 梁

（1.山東師范大學 地理與環境學院，山東濟南250000；2.臨沂大學資源環境學院，山東臨沂276000）

自工業革命以來，人類生產、生活方式發生了極大的轉變，大氣中的CO2，CH4，N2O等溫室氣體濃度明顯增加。在20世紀80年代后期之前，人們普遍認為，整個生態系統碳的循環轉化處于一個動態的平衡過程當中，即除土地利用方式變化會導致碳釋放或固定外，陸地生態系統并不會對大氣中二氧化碳的濃度造成影響。20世紀80年代后期之后，眾多學者研究發現，雖然陸地可能會截留一部分碳，但從全球范圍來看，陸地生態系統一直向大氣排放碳，使之處于碳失衡的狀態。據統計，全球總溫室效應的70%以上由人類活動所釋放的溫室氣體造成。因此，全球變暖已成為全球氣候變化研究中的主要焦點，成為國際界研究的熱點[1]。21世紀前，人們普遍認為：農田生態系統和森林生態系統相比，碳源或碳匯較弱，對全球碳循環的價值較小，因而對農田生態系統碳源/匯研究較少。但近年來的研究表明，在凈生態系統生產力上，農田生態系統有著與森林生態系統相當甚至更高的水平。

農田生態系統是構成陸地生態系統的三大系統之一，對大氣碳含量影響較大[2]，定量分析區域碳儲存量、排放量及其變化是碳循環研究的重要課題。國內外碳源/匯方面的研究主要是針對全球不同區域不同歷史時期碳變化量的綜合分析[3-4]。從研究區域看，研究區多為城市、工業及森林系統，研究范圍多為全球、全國及省級大城市，具體到地級市的研究相對較少，除此之外，研究區也相對比較集中，多為沿海地區、山東省、江蘇省、重慶等少數省市；從研究內容看，農田生態系統碳循環研究多集中于水稻田CH4[5]、土壤碳[6]等方面，且研究的時間尺度相對較短，多為10～15年；從研究方法看，在判斷某一系統所屬碳源/匯時主要方法有農作物產量的統計數據及農作物相關參數法[3]、微氣象學方法中的渦度相關技術（Eddy covariance，EC）以及將研究對象置于與外界隔絕的空間中的靜態箱-氣相色譜法。

1 農田生態系統中碳源與碳匯的相關研究

1.1 生態系統中碳的相關概念

聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）將“碳源”定義為向大氣中釋放產生溫室氣體、氣溶膠或其前體的過程、活動或機制，“碳匯”為清除大氣中溫室氣體、氣溶膠或其前體的活動、過程或機制[7-9]。通過碳源與碳匯的定義可以知道，二者是相對的概念，即碳源是指自然界中向大氣釋放碳的母體，碳匯是指自然界中碳的寄存體[10]。

眾多學者在描述生態系統碳源與碳匯時，運用到植被初級凈生產力（Net Primary Productivity，NPP）、生態系統凈交換量（Net Ecosystem Exchange，NEE）2個指標。其中，NPP是指單位時間、單位面積植物經過光合作用所固定的光合產物扣除植物自身的呼吸所消耗部分后的有機物數量，僅反映植被在不受外界環境的影響下，自身固碳能力的大小，是評價生態系統結構與功能協調性的重要指標。趙榮欽[4]運用逐月植被覆蓋指數（NDVI）通過建模研究了沿海地區農田生態系統碳的空間分布，分析出沿海地區NPP存在著明顯的區域差異，這種差異主要是由緯度地帶性因素引起的南北地區農作物覆蓋差異造成的，擬合分析NPP與種植面積和碳吸收之間的關系，發現他們之間相關性較強。NEE是整個生態系統獲得或失去的碳，在數值上為土壤異養呼吸作用（RH）減去初級凈生產力（NPP），數值可正可負。郝慶菊等[11]利用靜態暗箱-氣相色譜法觀測農田土壤的異養呼吸速率，并運用模型計算作物的NPP，從而估算農田生態系統的NEE，數值為正，說明此區域為碳源；數值為負，則為碳匯。NEE是衡量生態系統碳平衡狀況的重要指標，是生態系統群落總光合作用與群落總呼吸之間平衡的結果。

經濟系數是經濟學產量與生物學產量間的比值。其中，經濟產量是單位面積土地上，所收獲作物可供食用或其他用途的作物籽粒或其他器官的干物質量；生物產量是所收獲作物的干物質總量。經濟系數因植物種類、品種、自然環境栽培措施等的不同而出現差異。估算碳吸收量時，無法直接獲取其生物產量，需借助經濟產量和經濟系數2個指標。

1.2 農田生態系統碳源與碳匯的研究現狀

陸地土壤有機碳儲存量約1 400～1 500 Pg，是地球表面最大的碳庫，大氣中碳儲量約為其1/2，土壤中碳儲量的變化直接影響到大氣中二氧化碳的濃度，其微小的變化就會造成大氣中二氧化碳濃度的波動[12]。張恒恒等[13]研究認為，農田生態系統凈碳匯呈現正值還是負值，很大程度上在于土壤有機碳的固定和溫室氣體釋放之間的平衡，相對農田土壤碳的研究，以整個農田生態系統為對象的碳收支研究較少。

在對土壤碳的研究中，姜勇等[14]研究指出，在中國約1×108hm2的耕地中，農業土壤年均生物碳截獲量相當于2×108hm2自然植被面積土壤碳截獲潛力，達10 Tg。由于土壤強大的碳儲存能力，涌現了大量影響土壤碳儲存能力以及增加土壤固碳潛力的研究。李英等[15]研究了黃淮海平原不同土地利用方式對土壤有機碳的影響，結果表明，農田土壤總碳約為14.37 g·kg-1，含量僅次于森林。李金全等[16]在整合有關中國農田耕層土壤有機碳文獻基礎上，總結出旱作區農作物種類對土壤有機碳的影響，并指出水田耕作區土壤有機碳含量（18.26±7.06）g·kg-1明顯高于旱作區 （11.63±5.65）g·kg-1；除此之外，在堿性土壤中，土壤有機碳含量與pH值呈明顯的負相關，而酸性土壤中，土壤有機碳含量與pH值無顯著相關性。在提高農田固碳潛力的分析中，Lal[17]，曹麗花等[18]，Lal[19]的研究指出，60%～70%的土壤碳庫損失量可通過合理的耕作措施及土地利用重新固定；相關研究表明，在綜合考慮經濟效益和生態效益前提下，最佳施肥方式為有機和化學肥料配合施用，化肥與有機肥配合施用可以顯著提高土壤有機碳含量，固碳率最高達到997 kg·hm-2·a-1。第21屆聯合國氣候變化大會上提出旨在將全球土壤有機物質增加0.4個百分點，指出在最佳管理的做法下，這一目標有望實現，甚至會更高。由此可見，農田生態系統具有極強的固碳能力，且不同利用方式、不同土壤類型、施肥方式等均會對土壤碳儲存能力產生影響。

進入21世紀，以農田生態系統為整體的碳源/匯研究逐漸增多，主要表現在對農田生態系統的碳吸收量及碳排放量進行估算，并分析其時空變化規律。趙榮欽等[2，20]主要針對農作物產量、農耕地面積及主要農業生產投入，分析了河南省及中國沿海地區碳源/匯的時空特征，評價該區域的碳匯潛力以及降低農田生態系統碳排放的途徑。張大東等[21]通過搭建農業系統碳源/匯的評估框架，從時間尺度上定量分析了浙江省碳源/匯的主要構成及其變化趨勢。王梁等[22-23]、張杰等[24]主要研究了山東全省以及濰坊、臨沂等市農田生態系統碳源/匯的時空分布規律，并探討形成這一現象的原因，運用農作物產量等統計數據估算出山東省農田生態系統具備較強的碳匯能力，且各市之間凈碳儲存量存在著明顯的差異。王靜等[25]分析了山西省農田生態系統碳源/匯的時空特征，指出山西省農田生態系統雖然擁有較強的碳儲存能力，但其碳排放增速也很明顯，并指出不同農作物單位面積碳吸收量呈現不同的變化趨勢，玉米和小麥的碳吸收能力較強。郝維維等[26-27]，田志會等[28-29]，冉錦成等[30]對新疆、河西綠洲等西北地區及北京的碳源/匯時空特征進行了分析。在分析農田生態系統碳源/匯的時空特征時，研究區域主要集中在以山東省為主的沿海地區、以新疆為主的西北地區以及山西、河南等華北地區，而對我國主要的糧食生產基地東北三江平原地區、長江中下游平原等地區碳源/匯時空變化特征的研究較少。

2 農田生態系統碳收支的主要研究方法

2.1 農田生態系統碳收支直接觀測法

確定農田生態系統碳源/匯及其動態變化的直接觀測方法就是測定NEE，目前微氣象法中渦度相關法和靜態箱-氣相色譜法是測定NEE最常用的2種技術。

2.1.1 渦度相關法 通過感應器測定植被上方的三維風速、溫度、濕度和CO2濃度的脈動，根據雷諾原理，計算CO2的垂直通量。渦度相關法的優點在于其可連續、直接地測定NEE，對農田不會產生損害，是一種非破壞性的觀測方法，可以用來測定較大尺度的下墊面通量；但是渦度相關法原理復雜、靈敏度低、操作繁瑣，觀測時需要平坦的下墊面、大氣邊界層內湍流劇烈且湍流間歇期不宜過長，在觀測時受限于一些環境條件。因此，目前這種方法尚未得到大范圍的推廣使用。李俊等[31]利用渦度相關法對華北平原冬小麥/夏玉米輪作田的碳通量進行了連續2年的觀測，這種長時間、連續性的觀測方法既可以獲得研究區在不同生產季節NEE的變化情況，同時也可以觀測到NEE的晝夜變化，彌補了對休閑農田碳源/匯研究的缺乏。

2.1.2 靜態箱-氣相色譜法 將由化學性質穩定的材料制成的特殊箱子罩在所要測量的樣本地上，每隔一段時間抽取1次箱中的氣體，然后利用氣相色譜儀測定溫室氣體的濃度，并求出目標氣體濃度隨時間的變化率[32]。該方法容易受箱內外溫差以及箱內氣體均勻程度的限制，但具有原理簡單、操作簡單、移動方便、靈敏度高等優點，且箱式法不受夜間大氣層穩定、湍流減弱的影響，夜間觀測值相對渦度相關法更為精確[33]。馮浩等[34]、劉晶晶等[35]分別運用箱式法分析了覆膜方式及灌溉方式對關中平原農田生態系統凈碳匯的影響，其研究結論一致。郝慶菊等[11]利用該方法選取三江平原水田和旱田2種類型研究其NEE季節變化情況，結果表明，2種類型的農田生長季均表現為碳匯，非生長季則為碳源，定量表示了農田碳源與碳匯的時間變化規律。目前，這種方法廣泛應用于農田生態系統碳收支的研究中。

2.2 農田生態系統碳源/匯中的數學模型

除了運用觀測儀器直接觀測NEE，確定區域的碳源/匯量外，目前，依據多年農業生產投入與產出等統計數據，如化肥使用量、農作物播種面積、單位面積產量等建立適宜的數學模型估算該地區的碳吸收量及碳排放量，也是國內外學者研究農田生態系統碳源、碳匯最常用的方法之一。趙榮欽[2，4]，王梁[22-23]，趙杰[24]在探究不同區域農田生態系統碳源/匯在時空尺度的變化規律時均采用了這種方法。

在定量計算研究區域農田生態系統的碳源/匯時，通常將碳排放量的估算公式定義為造成碳排放的各種農業投入使用和生產過程中的碳排放量之和，不同類型的碳排放量則為其生產或使用中的使用量與相應的轉化系數的乘積，即：

式中，Et為整個農田生態系統農作物全生育期碳排放的總量，Ed為在農業生產中第i種農業生產投入的碳排放量，Ai表示第i種投入所對應的碳排放系數（一般碳排放系數的確定主要依據IPCC的規定來選取）。

總結眾多學者對碳排放的估算，常有5種主要的碳排放途徑，分別為：農田化肥的生產使用、灌溉使用、農業機械生產使用、農藥的生產和使用、農膜的生產和使用。

估算農田生態系統碳吸收量時主要以農作物全生育期的相關指標為依據。根據農作物的產量、碳吸收率以及經濟系數對碳吸收量進行估算。農田生態系統碳吸收量為各類農作物全生育期碳吸收量之和，即：

式中，Ct為整個農田生態系統全生育期碳吸收總量；i為農作物的種類；Cd為第i類農作物全生育期對碳的吸收量；Cf表示第i類農作物的碳吸收率；Dw為第i類農作物的生物產量；Yw為第i類農作物的經濟產量；Hi為第i類經濟作物的經濟系數；農作物碳吸收率Cf和經濟系數Hi主要是借鑒學者的研究經驗[2，4，16，19]，數據如表1所示。

表1 中國主要農作物的經濟系數和碳吸收率

3 影響農田生態系統中碳源與碳匯動態的主要因素

影響農田生態系統碳源與碳匯變化的主要因素包括自然因素和人為管理措施2大方面。其中，自然因素包含太陽輻射、土壤類型、年降水量、年均溫、風速、飽和水汽壓等，自然條件的不同造成農作物種植結構、種植類型產生差異；人為管理措施包含灌溉、施肥、耕地面積、機械使用情況等，這些因素均會直接或間接地對農田生態系統中碳源與碳匯的時空變化產生影響。

3.1 自然環境因素對農田碳的影響

目前，土壤溫度、水分、pH值等是影響農田生態系統碳變化的重要因素。劉晶晶等[35]在分析不同灌溉對關中平原農田生態系統凈碳匯的影響時指出，隨著灌溉量的變化，土壤的水分含量發生變化，土壤呼吸與灌溉量呈正相關，當灌溉量過大達到某一臨界值時，CO2年際排放量將會降低，180 mm的灌溉水量更有利于該區域農田生態系統的節水及固碳減排。趙榮欽[2]比較了我國沿海地區10省區碳源/匯的差異，研究結果表明，由于自然環境的限制我國南北方的NPP存在著顯著的差異，由于不同農作物生長的溫度不同，其光合速率也不同，碳吸收率也存在著差異。Kucea等[36]通過長期定位觀測發現，土壤CO2的釋放量與土壤溫度之間呈現出指數相關關系。

式中，y表示土壤CO2的釋放，a，b為樣品采集處的常數，T表示時間。該模型較好地模擬了土壤CO2的排放與土壤溫度之間的關系。王軼虹等[37]在分析我國農田生態系統NPP的時空分布時指出，全國范圍內22%的像元農田NPP與降水有顯著關系，7%的像元農田NPP與氣溫有關，雖然氣候因素對農田NPP有影響，但受其影響較小。眾多研究結果表明，雖然氣溫、降水、太陽輻射等自然因素會對農田生態系統NPP產生影響，但整個農田生態系統碳源/匯主要影響因素仍是人為管理措施。

3.2 人為管理措施對農田碳的影響

農田生態系統是受人類影響和調控的復雜復合系統，相比自然環境因素對農田生態系統碳源/匯的影響，人為管理措施對農田生態系統碳源/匯的影響更大。已有研究表明，在不同的管理措施下農田生態系統會呈現出不同的碳收支。馮浩等[34]研究指出，覆膜處理小麥—玉米輪作農田，其CO2和NO2排放總量較不覆膜處理分別增加了9.3%～33.9%和14.3%～47.1%。林秀群和葛穎[38]分析西南地區農田生態系統在2004—2013年碳排放的時空差異時指出，2004—2013年碳排放總量增幅達34%，最主要的原因在于隨著科技水平的不斷提高，傳統的手工勞動逐漸被農業機械化所取代，機械化、現代化程度日益提高，使得農田投入增加。郝維維[27]分析指出，伊犁河谷農田生態系統碳源/匯影響因素中化肥與柴油在碳排放中占主導作用。相關研究表明，由于各地農業的發展水平不同，所處的環境不同，其固碳水平也不盡相同。楊蕊菲[39]通過SPSS軟件分析南昌市農田生態系統農田播種面積、機械總動力等各類因素與碳排放量的相關性，得出碳排放量與播種面積的相關系數為1.0，與機械總動力、化肥用量及地膜用量的相關系數均在0.7以上。新疆地處中國干旱氣候區，水分短缺是當地碳循環的主要限制性因素。牛海生等[40]通過比較滴灌和漫灌2種不同的灌溉措施下土壤呼吸CO2排放大小發現，雖然在冬小麥農田生態系統中2種不同的灌溉方式均表現出固碳，滴灌方式比漫灌方式多固碳1 139.9 kg·km-1；滴灌更有利于農田生態系統的固碳。然而，不論哪種形式的灌溉方式，灌溉耗電都是農田碳排放的第一大來源。在眾多的研究中發現，隨著現代化與工業化的發展，機械動力逐漸代替了人工動力，化肥的大量使用，雖然大大提高了生產效率，但隨之而增加的碳排放量加大也是農田生態系統的主要碳源。

4 農田生態系統中碳源與碳匯研究存在的問題與展望

雖然國內外許多學者在農田生態系統碳源/匯方面的研究已經取得了重大的進展，得到了眾多重要的成果，但是由于農田系統中人類活動的影響及不同區域自然、社會環境的差異，目前對全國范圍內農田系統中碳源/匯的普遍規律、調控機制及更深層次的影響因素研究仍有所欠缺。對農田生態系統中的碳凈含量的分析中僅考慮個別片面的因素，對于全面評價在各種因素綜合作用下農田系統中碳凈含量的研究較少。除此之外，農田生態系統的研究中對于碳吸收及碳排放量的測定值精確度不夠高。一方面由于其核算指標不夠完整，在考慮農業機械、化肥等因素對碳排放的影響時，只考慮到在使用過程中對碳排放造成的影響，而未計算化肥生產、機械制造等前期活動以及土地翻耕、作物含水量等對農業碳排放的影響；另一方面，則是對農田生態系統的邊界模糊不清，研究區域應給予統一的限定邊界，眾多學者在碳排放量的計算中沒有考慮從事農業的人口電力消耗而造成的碳排放量增加，而部分學者將這一因素列入到農田生態系統中，造成研究數據的不一致性。這些因素的不確定性均會加大數據計算的不準確性。

鑒于農田生態系統碳源/匯的中存在的問題，應加大對以下幾個方面的研究。

首先，要提高數據計算的準確性。在確定不同農業投入的碳轉化率時，應針對不同土壤質地、不同氣候、不同耕作條件等因地制宜調整轉化系數；同時要全面、綜合分析各種影響因素的作用；在使用相關的技術手段、方法模型時，要考慮不同研究方法的優缺點，合理選擇適宜的研究。

其次，要加大對高新技術的使用及研究。技術的發展與學科的發展相輔相成、相互促進。運用高新技術研究既可以提高研究數據的精確性，同時也可以促使研究朝著更深、更尖的方向發展，使得對農田生態系統的研究不只是局限于農作物全生育期的數據，從而為農業的合理發展、全球生態環境的保護提供更加科學的依據。

最后，要加大人為管理措施對農田生態系統碳源/匯的影響研究，在充分運用現代科技提高農田經濟效益的同時，合理確定不同區域、不同作物類型的生產方式的灌溉量、施肥量及機械化使用方式，加強農田生態系統的固碳能力，將經濟效益與生態環境效益相結合，真正做到可持續發展。