利用农业土壤固定有机碳

文章编号：1008-181X (2000) 04-0311-05

利用农业土壤固定有机碳

——缓解全球变暖与提高土壤生产力

杨学明

（Greenhouse and Processing Crops Research Centre，Agriculture & Agri-Food Canada，Harrow，Ontario，Canada）

摘要：大气CO2浓度急剧升高与全球气候变暖是当今最令人关心的环境问题之一。农业具有作为大气CO2源和库的双重潜力。鉴于多年的少耕、免耕和合理轮作等农业管理措施已明显增加北美土壤有机碳含量，美国和加拿大两国土壤学家认为这里的土壤已从大气CO2的供体转变为固定大气CO2的库。美加两国将在今后20 a内增加土壤有机碳储量11亿t，这相当于两国在京都全球气候变化大会承诺到2008至2012年减少CO2排放量的15%。因此，北美土壤学家和有关部门正积极争取将土壤固碳纳入全球温室效应气体控制公约的国际谈判桌上。中国土壤固碳潜力较美加两国要大，采用少耕、免耕、作物桔杆还田及引进覆盖作物等农艺措施不仅将恢复中国退化中的土壤肥力，也将在未来的温室效应气体控制谈判中保护中国发展中的工业。

关键词：农业土壤；固定有机碳；温室效应；全球变暖；土壤生产力 中图分类号：X14 文献标识码：A

Carbon Sequestration in Farming Land Soils: an Approach to Buffer

the Global Warming and to Improve Soil Productivity

YANG Xue-ming

( Greenhouse and Processing Crops Research Centre, Agriculture & Agri-Food Canada, Harrow, Ontario, Canada )

Abstract: Global warming associated with arising of atmospheric CO2 is one the most challenging issues today. Agricultural soils behave either a source or a sink of the atmospheric CO2. Based upon the results of soil organic carbon increasing under conservation management, such as reduced- and no-till practice, rotation, and introducing cover crops in many long-term experimental in North America, soil scientists in USA and Canada believe that arable lands here have been changing from the source to the sink of atmospheric CO2. They further believe that carbon sequestrated in North America soils during next 20 years can reach 1.1 billion tons, accounting for 15% of total commission (in year 2008 ~ 2012) of both countries for CO2 emission reduction in the Kyoto Protocol. Hence, soil scientists and related governmental organizations are struggling to introduce the concept of carbon sequestration in soils to the negotiating table of global warming debate. The potential of soil sequestrating carbon is bigger in China than in North America. Management practices, such as conservation tillage, rotation, and cover cropping, widely adopted in North America would not only benefit our degrading soils, but also strengthen China's position in the future global warming negotiation. Key words: farming land soil; carbon sequestration; greenhouse effect; global warming; soil productivity

大气温室效应加剧引起的全球气候变化使得北美土壤科学家开始关注土壤固定有机碳对缓解温室效应的作用。在有160多个国家和地区签署的1992年巴西《稳定大气温室效应气体浓度》文件后，主要工业化国家在1997年京都全球气候变化大会上承诺将努力把2008至2012年CO2排放量在1990年的水平上降低5%。美国和加拿大两国分别同意将2010年CO2排放量较1990年降低7%和6%。很明显，要达到这一目标，CO2排放量必

基金项目：加拿大国家科学与工程研究基金项目（20914） 作者简介：杨学明（1957-），男，博士，研究员。 收稿日期：2000-09-28

须在现有的基础上降低20%到30%。工业自身减

低CO2排放是一个很复杂的问题，会影响国计民生。在这种情形下，自然科学工作者开始探讨增加、森林、海洋和湖泊贮存光合作用产物的途径和能力。北美土壤科学家提出农业土壤作为大气CO2（主要的温室效应气体）库的构想。在调查和分析两国土壤和农业现状后，他们提出只要农民持续采用他们称之的有利土壤固定CO2的农业措施，美加两国土壤将在今后20 a内贮存11亿t有机碳

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素[1]。这一数量相当于两国承诺降低工业释放量的15%左右。因此，北美土壤科学家及有关部门正积极工作，争取将土壤固碳纳入全球温室效应气体控制公约的国际谈判桌上。如果成功，它将为工业和国计民生带来相当大的影响。另一方面，增加土壤有机碳含量也是提高土壤肥力、增加农业资源持续利用的主要途径之一。

做为发展中国家，中国不是京都全球气候变化大会上承诺控制CO2排放的国家。但面对波恩《联合国气候变化框架公约》第五次缔约方大会中只有少数发达国家表现出愿在本世纪末将温室效应气体排放量回复到1990年水平的诚意，多数发达国家的温室气体排放还在增加的现状[17]，加上中国国民经济的快速持续发展，能源的大量消费，中国必将被拉到全球控制温室效应气体排放的国际谈判桌上。在准备参加谈判时，土壤的固碳作用不能忽视。另外，面对中国人口持续增加、土地资源相对减少和退化的现状，借鉴北美的经验，探讨在中国增加土壤有机碳贮存的途径和潜力，也有着相当重要的实践意义和社会意义。长期的传统耕作使中国农业土壤有机质水平相当贫脊。如采用有利于固碳的农艺措施，中国土壤的固碳潜力较美加两国要大。本文旨在介绍北美土壤科学家对土壤固碳的认识及增加土壤有机碳含量的可能途径，然后扼要分析在中国进行类似研究的必要性和可行性。

1 土壤与温室效应气体“库”

京都全球气候变化大会认为“能减低大气中温室效应气体的过程或措施均为温室效应气体库”[7]。农业土壤一般被认为是大气温室效应气体提供者。大会要求所有与会方均应以1990年CO2释放量为基准，逐渐加以降低。美加两国的土壤科学家认为，新近采用的农业措施，特别是少耕和免耕已使美国和加拿大两国土壤由温室效应气体提供者变为贮存“库”。然而，京都大会认同的“库”仅包括“由于土地利用方式改变或由于造林、复林和伐林引起的有机体储存量的变化，且这些变化应在2008至2012年得以证实的”。大会对农业土壤作为温室效应气体“库”的要求不同与对森林的要求。建议有关方面首先调研农业土壤作为“库”的可行性和潜力，然后在第2阶段（2008至2012年）加以实施。但文件同时提出“假设增加农业土壤贮存有机碳的措施在1990年后已经实施，任何一方也可在第一阶段开始实施”。为此，从事这一领域研究工作的土壤科学家认为，为使土壤固碳得到国际公认，一要有可以信赖的增加土壤有机碳素储量的农业措

施，二要有大家接受的确定碳储存量变化的检测方法。1998年德国波恩会议要求气候变化多国委员会对土地利用方式及土地利用和森林变化可能对大气温室效益气体引起的变化提出一特殊报告。这一报告已于今年发表，但如何评价农业土壤作为大气CO2的“原”或“库”还没有定论[16]。

2 农业土壤中的有机碳

增加农业土壤有机碳含量是普遍接受的提高农业生产力的主要措施之一。土壤固定碳的主要过程包括：有机物质的腐殖化，形成有机无机复合体，有机质由表层向深层的机械迁移，植物根系的深层分布。致使土壤有机碳素降低的因素包括：土壤侵蚀，土壤结构破坏，有机质的矿化和氧化。人为因素会加速土壤有机碳的降低，如耕作，焚烧植物残体，湿地排水，不合理放牧，及消耗土壤自然肥力的投入低于产出的生产。土壤有机碳含量与土壤质量和农业生产力密切相关。合理的土壤管理措施可以增加土壤有机碳含量，进而提高土壤质量和增加生产力。

3 土壤有机碳的损失

在全球土壤碳库中，有机态碳约占1.5~2.0万亿t，无机态碳占0.8~1.0万亿t[4，13]。草原和森林植被下的自然土壤有机碳含量通常很高。将自然土壤转为农用和牧用后，土壤有机碳迅速下降。一般地讲，利用方式转变后自然土壤有机碳含量在40~50 a内将降低20%~50%[3，5]。低水平的农业生产，肥料施用不足，去除、燃烧植物残留物，以及缺少水土保持措施，是历史上土壤有机碳降低的主要原因。

据统计，农业利用使土壤损失的有机碳在410亿~500亿t之间[2]。这一估计可作为通过改革农艺措施提高土壤有机碳含量潜力的参考标准。假设科学的管理措施可以补偿损失的50%，在今后50~100 a内农业土壤可以固碳200亿~300亿 t。这相当于以1990年为准，未来50 a世界由燃烧原油而释放CO2量的7%~10%。北美土壤碳占全球碳库22%，其1 m深土层贮存有机碳2670亿t。其中，美国本土占520亿t，阿拉斯加135亿t，加拿大1900亿t，另有110亿t在墨西哥[15]。美国有耕地1.7亿hm2，占国土面积19%。据估计，农用已使美国农田土壤有机碳损失50亿t之多[9]；加拿大有耕地4500亿hm2，农用损失约10亿t。如果以已损失的有机碳为可恢复的上限，通过采用适当措施，美加两国可增加固定有机碳的绝对量为50亿~60亿t。如果他们所提出的有助于提高土壤

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有机碳含量的农业措施得以有效实施，50亿~60亿t可增加的固定有机碳的潜力中有相当部分可在今后20~30 a间实现[1]。

4 北美农用土壤有机碳的变化

农业土壤有机碳损失的大部分发生在垦用后的头10 a内。之后，由于土壤有机碳水平降低及逐渐完善的农艺措施，损失率逐渐降低。目前，大部分美国和加拿大农田土壤有机碳水平处于相对平衡阶段。农业土壤既不是大气CO2的主要提供者，也非大气CO2有决定意义的储存库。例如，计算机模拟结果显示1990年加拿大农田土壤有机碳损失率为40 kg/(hm2a)，且这一损失率在逐渐减低[8, 14]。类似的研究表明美国中部地区土壤已由释放CO2转变为固定CO2阶段。这些结果加上大量的其它研究成果使美加两国土壤学家相信完全可以使土壤有机碳转化过程引向逐渐恢复土壤有机碳含量的方向[12]。

4.1 增加土壤有机碳的方法

土壤有机碳含量的变化取决于有机碳输入和输出的平衡。所以，为增加土壤有机碳水平，农业管理措施必须从增加植物残留量和降低土壤有机碳的矿化过程两方面入手。前者与生物产量和残留物比重直接相关。后者则受多种因素制约，例如，土壤水、热、气条件，有机质组成及其在土体中分布状况，土壤结构体状况及水土流失，都影响土壤有机碳储量。某些景观部位由于水土流失而失去有机碳，而其它景观部位却由于接受沉积而富集有机碳。从这种意义上讲，水土流失导致的土壤有机碳变化对平衡大气CO2作用不大。在北美，植物桔杆还田已实施多年。所以，土壤科学家致力与寻求其它能增加土壤储存有机碳的有效途径。表1列举了部分适用于不同土地利用方式的增加土壤有机碳的措施和途径。

4.2 美加两国农业土壤贮碳潜力

尽管已有证据表明这里的部分农业土壤已开始转为大气CO2的贮存库，但这个库的潜在贮存量却是一个未知数。土壤有机碳不会无限地增加下去。根据生态平衡原则，土壤有机碳与环境的平衡是难于突破的[11]。所以，有机碳潜在增加量的最大值是现有水平与未来平衡值之差。一个简单的方法是估计采用表1所列管理措施可能对土壤有机碳带来的变化。然而，新的管理措施只能部份恢复前期的损失，不可能恢复到农用前的自然状态。原因是：1）农业生态系统旨在最大程度地从土壤中输出（收获）碳，归还的量通常少于自然系统归还的量；2）

表1 有利增加土壤有机碳的管理

土地类型 管理措施 可行性 C相对增加量 农田 少耕或免耕 高 中 冬季覆盖作物 高 低 改善作物营养，提高产量

高 低 减少夏季休闲 中 中 轮作中包括牧草 中 中 改良品种 高 中 有机培肥 中 中 灌溉

低 高 休闲地 种植多年生草本植物 低 高 水土保持措施 高 高 转为林用 低 高 草地 改良放牧方式 中 中 施用肥料 高 中 应用改良草种

中 中

灌溉 低 中 退化地(严重水土重建自然植被 中 高 流失、盐硷化、矿采用特种作物 中 高 业和城市开发破施用肥料 高 中 坏地、工业污染、应用有机物料 中 高 过渡放牧等) 排水洗盐

低

低

由于水土流失、沙化、盐硷化及其它土壤退化过程造成的土壤肥力退化不可能全面恢复；3）虽然新的耕作措施可以减少对土壤的搅动，但不可能完全相同于自然状态。即使是免耕也要播种和施肥。当然，化肥、农肥、灌溉可部分弥补上述因素造成的损失。

在计算采用表1所列措施后土壤有机碳含量变化时，美加土壤科学家假定新措施可最大恢复前期损失的50%[1，9]。如果表1措施均得以实施，美加土壤科学家相信两国土壤可增加固碳30亿t。当然，社会、经济和其它因素将影响这一目标的实现。另外，他们亦认为实现这一目标需要1个世纪或更长的时间。由于更换管理措施引起的土壤有机碳变化多发生在前20 a[12]，他们认为今后20 a内美加两国农业土壤有机碳的最大可能增加量为17亿t（表2）[1]。这一估计是在表1措施均得以实施的基础上做出的。然而，措施的未来实施率却是个未知数。根据过去10 a免耕、少耕和其它新措施的实施趋势，美加土壤科学家相信未来20 a内两国土壤碳增加量可达11亿t[1]。

1990年美加两国的CO2释放量为14.76亿t[9]。11亿t C的固定量相当于今后20 a释放量（以1990为基准）的3%~4%。然而，这一数量在美加两国在京都大会上承诺降低CO2排放量中却占有相当的比重。如果到2008~2012年可实现计划固碳量的70%，相当于同期每年固碳0.6亿t。为实现2010

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年CO2的年释放量降至1990年标准，美加两国每年要减少CO2释放4亿t。所以，美加土壤科学家乐观地相信有效的农业措施可实现两国京都大会承诺降低CO2释放量的15%[1]。 4.3 估计CO2态碳固定的技术方法 4.3.1 直接测定

鉴于土壤有机质组成复杂、含量区域变异大，因而要规范样品采集、处理及测定。美加两国有关土壤有机碳变化的数据大多来自长期定位试验，结果有很强的统计学意义。 4.3.2 数学模拟

反映土壤有机碳动态变化的理论和经验数学模型应用已相当普遍。与直接测定相比，数学模型可在有限数据基础上揭示大范围土壤有机质现状及变化。由于特定模型都是在特定条件下制定的，所以在新条件下应用其它（已成功的）模型也要有相当多校正工作要做。建立模型可以发挥土地利用、土壤资源、气象资料和地理信息系统的优势。理论模型和经验模型相结合以研究土壤有机碳动态在美加和欧洲已经开始。

5 中国状况

1995年中国CO2释放量约为6亿t/a，估计到2015年释放量将增至20亿t/a[6]。因而中国将成为世界CO2释放第一大国。据此可信，不远的将来中国必将参与到全球控制CO2释放的谈判中去。中国是世界第一人口大国，维持和提高土壤生产力以保证众多人口的粮食需要是中国的重大问题。所以，无论从缓解大气温室效应看，还是从持续农业生产力看，研究和摸清中国土壤有机碳的固定潜力都是十分必要的。

根据最新资料，中国有耕地1.3亿hm2，占中国土地面积的12.5%[19]。由于中国人口众多，农业历史悠久，绝大部分平原和山间盆地土壤耕作已久。由于历史和自然灾害等影响以及利用改造过程中缺乏因地制宜和科学规划，导致了滥垦滥伐和滥牧。土壤资源受到严重破坏，致使总耕地中约有1/3为低产土壤。其它2/3的中高产土壤也由于长年缺少培肥措施而使自然肥力严重损耗[20]。

一般认为，较垦殖前相比，黑土开垦10 a的土壤有机质含量减少1/3，50 a减少2/3。现已处在缓慢下降的类平衡状态。吉林数据也证明了高肥力的自然土壤开垦后有机碳快速下降，降至不足原水平的50%后逐渐稳定下来。值得注意的是，中国玉米带的主要土壤黑土有机碳含量一般均低于北美玉米带类似土壤（软土）的有机碳水平。桔杆和根槎不能还田是这一差异的主要原因（在中国除槎是一项普遍的农作措施，称为精耕细作）。然而，这一差异也为我们培肥土壤和增加有机碳含量提供了较北美更大的空间。采用合理的耕作及管理措施会使土壤有机碳在耕层富集[21]。在中国热带和亚热带地区，农业土壤已经是大气CO2贮存库。随着粮食产量的提高和管理措施的完善，贮存潜力将继续增加。在中国北方，尤其是东北，作物桔杆根槎基本不能还田，耕作土壤有机碳水平不足耕作前有机碳水平的50%[18]。所以，仅逐渐实行根槎桔杆还田这一项措施，就将使中国农田土壤有机碳含量显著提高。加之，逐步实行适合中国国情的其它有助于土壤固碳的措施，中国土壤固碳的潜力非常大。假设综合措施在30 a内可使土壤有机质提高30%~40%，全国仅耕地一项就可增加固碳近10亿

表2 今后20 a美加两国土壤碳量增加潜势估算

农田 冷干气候 湿润气候 休闲地 草地(旧) 草地(新) 水土保持 林地 草地 集约管理 粗放管理 退化地 侵蚀 盐硷化 破坏地

37.0 0.0 0.5 0.5 -- -- 4.3 15.1 1.5 2.2 0.1

美国

33.9 60.1 12.8 8.7 2.8 1.0 51.0 162.0

28.6 20.0 0.6

面积/106 hm2

加拿大

0.2 0.4 0.6 0.8 0.8 0.4 0.2 0.0 0.5 0.1 1.0 碳增加量 /thm-2a-1

14.2 24.0 8.0 7.4 2.2 0.4 11.1 0.0 15.1 2.2 0.7 85.0 年均增加量 /106 ta-1

284.0 481.0

160.0 147.0 45.0 8.0 221.0 0.0 301.0 44.0 14.0 1705.0 20 a增加量

106 t

合计

假设采用最有利于固碳的农业管理措施，如表1所列

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t，相当于美加两国之和。加上荒地和草原的潜力，中国农业土壤固定有机碳以缓解大气中CO2浓度的潜力远大于北美。

在中国，土壤有机碳储量与大气温室效应的关系已开始受到土壤学者的关注[10，22]。不足的是，研究仅着眼于不同生态系统下土壤有机碳储量的调查和统计的理论方法上。资源调查固然重要，研究农业管理可能导致土壤有机碳储量增加则更为重要。因为后者既是有助于探索提高土壤肥力和持续农业生产力的有效途径，又可为即将到来的控制温室效应气体排放的全球谈判提供数据，以此保护中国发展中的工业。

6 结语

在中国，经济发展、人民生活条件的逐渐改善必将使作为燃材的植物桔杆归还土壤成为常规的农业措施。耕作和轮作方式也必然随之发生变化。这必将提高中国土壤资源的自然肥力，提高农业对自然灾害的抵抗和缓冲能力。由于中国缺乏少耕和免耕方面的经验，加上中国农业地理条件复杂多样，建议可从如下方面开始探讨。

以农业自然地理条件分区建立基点，研究作物残体还田措施及对土壤肥力、作物生产的影响；开发适合当地自然、社会和经济条件的农业机具；为区域推广提供示范，为下面两项提供基础资料。 建立理论和经验模型，探讨农艺措施变化后对中国土壤资源及农业生产的中长期影响，为中国国民经济规划及人口、粮食提供依据。

评估采用新农艺措施后中国土壤由温室效应气体CO2的提供者转为CO2固定库的潜力，为中国参加未来全球温室效应气体控制谈判及保护发展中的工业提供应有的保障。

总之，研究农业措施变革对中国土壤固定有机碳的影响是一举两得之事，即有其重要的实践意义，也有着相应的政治意义。 参考文献：

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