2021, Vol. 38
2. 武汉工程大学化学与环境工程学院, 武汉 430205;
3. 枝江市环境监测站, 湖北 宜昌 443200
2. Wuhan Institute of Technology School of Chemistry and Environmental Engineering, Wuhan 430205, China;
3. Zhijiang Environmental Monitoring Station, Yichang 443200, China
气候变化及其不利影响已经成为人类共同关心的问题[1]，大多数学者的研究集中于温室气体来源、减排及碳固定。农田生态系统是人类活动最为频繁的系统，是主要的大气“源”与“汇”。定量分析区域农田生态系统的“源”与“汇”差异及特征是研究该区域温室减排与碳固定措施的前提。目前有关农田生态系统“源”与“汇”的研究比较丰富，主要的研究方向有农田生态系统的碳循环[2-3]、碳收支[4]、碳足迹[5-8]、碳结构[9]、碳平衡[10]、碳源/汇[11-12]等，具体为农田生态系统“源”与“汇”的时空特征分析[13-14]、结构特征分析、影响因素分析[15-16]等。在现有的农田生态系统“源”与“汇”研究[8-11]中，通常未考虑耕地土壤的碳固定作用，有关农作物与耕地土壤整体的农田生态系统“源”与“汇”的研究较少。对温室气体“源”与“汇”的定义也不统一，部分研究将温室气体“源”与“汇”定义为碳源与碳汇[13-14]，也有研究仅将含碳元素的温室气体“源”与“汇”定义为碳源与碳汇[15-16]。
农田生态系统主要温室气体包括CO2、CH4、N2O，主要排放源包括稻田CH4排放、农用地N2O排放、土壤呼吸带来的CO2排放等。土壤呼吸可以分为自养呼吸和异养呼吸，自养呼吸主要来自根呼吸，是根系通过呼吸作用把光合作用合成的碳水化合物氧化分解并释放出能量和CO2的过程[17]；土壤异养呼吸则是土壤微生物对有机碳的分解，包括土壤有机质分解时的微生物呼吸、凋落物呼吸及根际微生物呼吸[18]，是有机质进入土壤后，在土壤微生物分泌的胞外酶的作用下降解，然后在微生物体内发生代谢，最终彻底分解释放出CO2的过程[17]。根据IPCC（政府间气候变化专门委员会）第五次气候变化评估报告，农业温室气体排放仅包括稻田CH4排放、农用地N2O排放，不包括CO2排放。这是由于土壤呼吸带来的CO2排放过程复杂、影响因素众多，且与植物光合作用处于动态平衡。因此，本研究界定的农田生态系统温室气体仅包括稻田CH4排放和农用地N2O排放。
为避免概念混淆，采用《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）[19]的“源”与“汇”定义，即“源”指向大气排放温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程或活动；“汇”指从大气中清除温室气体、气溶胶或温室气体前体的任何过程、活动或机制，并考虑了农作物与耕地土壤的温室气体排放及碳固定变化特征。本研究在省域尺度上研究农田生态系统的“源”与“汇”，分析农田生态系统“源”与“汇”变化特征及其地区差异，可为区域温室气体减排和碳固定提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 农田生态系统源计算 1.1.1 温室气体排放计算本研究界定的农田生态系统温室气体排放仅包括稻田CH4排放和农用地N2O排放。根据《省级温室气体清单编制指南》[20]和IPCC（2014）[21]推荐计算方法，温室气体排放量（Cemissions，以CO2-eq计）计算公式如下：
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(1) |
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(3) |
式中：FCH4-i为不同水稻类型的CH4排放因子，kg· hm-2；Ai为对应该排放因子水稻的播种面积，hm2；EN2O-直、EN2O-间分别表示农用地直接、间接N2O排放。EN2O-直包括化肥氮N化肥（氮肥和复合肥中的氮）、粪肥氮N粪肥、秸秆还田氮N秸秆（地上秸秆还田氮和地下根氮）；F直接为N2O的直接排放因子；EN2O-间包括施肥土壤、粪便氮氧化物和氨挥发经过大气氮沉降而引起的N2O排放，以及土壤淋溶或径流损失进入水体而引起的N2O排放，具体相关排放因子及参数采用《省级温室气体清单编制指南》推荐值（表 1和表 2）；28和265分别为IPCC（2014）报告[21]推荐的CH4和N2O的全球变暖潜能值。
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表 2 农用地氧化亚氮排放因子推荐值（kg·kg-1）[20] Table 2 The emission factor of nitrous oxide from agricultural land (kg·kg-1)[20] |
单位种植面积下的温室气体排放强度（CFC，t· hm-2，以CO2-eq计）和单位产量下的温室气体排放强度（CFY，t·t-1，以CO2-eq计）[22]，表达式如下：
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(4) |
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(5) |
式中：A表示播种面积，hm-2；Y为农作物产量，t。
1.2 农田生态系统汇估算 1.2.1 农作物碳吸收农作物在整个生长发育周期内，通过光合作用吸收CO2并合成含碳有机物，其中部分有机物作为农作物的组织及器官而沉积下来；一部分含碳有机物通过呼吸作用及根分泌物的形式又再次释放到外界。通过植物干质量计算农作物在生长发育过程中吸收和固定的碳量，公式如下：
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(6) |
式中：i为第i种作物类型；CP为作物全生育期碳的吸收总量；Ci为第i种作物合成单位有机质（干质量）所吸收的碳；Qi为第i种作物经济产量；Wi为第i种作物收获部分的含水率；Hi为第i种作物的经济系数。各农作物经济系数和含水率系数见表 3。44/12为C与CO2的换算比。
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(7) |
式中：Nt为农田生态系统农作物净碳固定量；Cemissions为系统温室气体排放量。
1.2.2 农田土壤有机碳储量土壤样品采自耕层（0~20 cm），土壤有机质指标采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法进行检测分析。土壤有机碳含量由Bemmelen转换系数法[23]计算得出。农田系统土壤碳汇来源主要为农作物残骸、化肥与农家肥的投入，由于土壤碳汇是动态的，其内部运作机制极为复杂，而且短时间内不能形成稳定的碳汇，因此本研究采用2017年与2007年的检测数据，分析10年间的地区土壤碳固定水平，公式如下：
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(8) |
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(10) |
式中：SOCD为土壤有机碳（以C计）密度，kg∙m-2；i为不同地区或农作物类别；SOCC为土壤有机碳（以C计）含量，g∙kg-1；H为土层厚度，cm；BD为土壤容重，g∙cm-3；V为土壤中直径>2 mm的砾石所占的体积比例，%，由于抽样农田中的砾石量可忽略不计，因此V= 0。SOCS为土壤有机碳存储量，t；Ai为第i种耕地土壤面积，hm2；SOCDi为相对应耕地的有机碳密度均值，kg∙m-2；d（SOCS）是土壤有机碳蓄积量在n-1年的变化量[24]：正值表示固碳量；负值表示过去n-1年有机碳库的损失量；SOCS1和SOCSn分别表示基准年（2007年）和2017年的SOCS值。
1.3 数据来源农业活动水平数据，包括农作物产量、种植面积、化肥（农家肥）施用量等，来源于《湖北农村统计年鉴》[25]；土壤数据来源于2007年与2017年湖北全省5 727个耕地土壤监测数据。
2 结果与分析 2.1 农田生态系统温室气体排放特征 2.1.1 农作物生产温室气体排放特征2007—2017年湖北省农田生态系统温室气体排放量（以CO2-eq计）变化趋势可分为三个阶段：第一阶段为2007—2010年，处于较快增长阶段，排放量由2007年的2 243.50万t增长到2010年的2 600.14万t，年均增长率为5.05%；第二阶段为2011—2014年，处于缓慢增长阶段，排放量年均增长率为1.53%；第三阶段则为缓慢下降阶段（2015—2017年），温室气体排放量由2015年的2 594.78万t下降到2017年的2 480.34万t，年均增长率为-2.93%。2007—2017年，湖北省农田生态系统温室气体排放量最高值出现在2014年，总体变化趋势较为稳定（图 1a）。
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图 1 农田生态系统温室气体排放时间趋势与来源占比分布 Figure 1 Temporal trend and composition structure of greenhouse gas emissions in farmland ecosystem |
稻田甲烷排放和农用地氧化亚氮排放是农田生态系统温室气体排放的两大来源。根据图 1b，稻田甲烷排放量明显高于农用地氧化亚氮排放量，甲烷排放量年均占比约为61.08%。2007—2017年，湖北省农田生态系统稻田甲烷排放量年际波动量小，总体变化趋势较为稳定，农用地氧化亚氮排放量总体波动较大，说明农用地氧化亚氮排放量的变化是引起农田生态系统温室气体排放总量波动的主要原因。
2.1.2 农作物生产温室气体排放强度特征农田生态系统的温室气体排放强度总体波动值区间较小（图 2），2007—2017年，单位种植面积温室气体排放强度（CFC）为5.11~5.56 t·hm-2，波动差值为0.45 t·hm-2，年均CFC为5.47 t·hm-2。2013年以前，CFC基本维持在5.55 t·hm-2，2013年后，CFC总体呈下降趋势，并且下降趋势明显，单位播种面积所释放的温室气体逐渐减少。
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图 2 农田生态系统温室气体排放强度趋势 Figure 2 Trend of greenhouse gas emission intensity of farmland ecosystem |
2007—2017年单位粮食产量温室气体排放强度（CFY）波动区间为0.87~0.97 t·t-1，相对于CFC，CFY的波动极为不规律，这可能与粮食产量波动较大有关。CFY总体呈现分段式变化：2007—2010年为第一阶段，CFY呈下降趋势，仅在2010年出现轻微上升；第二阶段（2011—2015年）和第三阶段（2016—2017年）均呈递减趋势，并且每一新的阶段的初期CFY值都高于前一阶段的末期CFY值，出现CFY值回升现象。
2.1.3 农作物生产温室气体空间分布以2007、2012、2017年为时间节点，农田温室气体排放空间分布比较稳定，但不同地区存在明显的差异（图 3）。2007—2017年，襄阳市、荆州市、黄冈市是湖北省农田生态系统温室气体排放的主要贡献城市，湖北省中部的天门市、潜江市、仙桃市三市和山地林区的农田生态系统温室气体排放量偏低。CFC较高水平地区主要集中在湖北省东部及中部地区，CFC基本维持在6 t·hm-2以上。农田生态系统温室气体排放量较高地区的CFC明显低于温室气体排放量较低区域的CFC：襄阳市、黄冈市的农田温室气体排放量虽然较高，但单位播种面积和单位粮食产量所排放的温室气体量却很少；随州市温室气体排放量相对较低，年排放量处于75~150万t，但其CFC与CFY却较高；潜江市、鄂州市、天门市等地区的农田温室气体排放量较少，但相比温室气体排放量较大的地区（如黄冈市），其CFC与CFY偏高。
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图 3 农田生态系统温室气体排放特征空间分布 Figure 3 Spatial distribution of greenhouse gas emissions in farmland ecosystem |
农田生态系统农作物的碳吸收随时间变化波动幅度较大（图 4a），2007—2013年，农作物碳吸收呈波动增长趋势，但自2013年后，农作物碳吸收量总体呈下降趋势。农田生态系统农作物碳吸收量最高值出现在2013年，为12 834.94万t。2013年以后，农作物碳吸收量出现负增长，最低负增长率出现在2016年，为-7.63%，这与当年粮食产量较低有关。农作物的碳吸收量与农作物种植类别相关，不同的农作物碳吸收量差异较大（图 4b）。碳吸收量较高的4种作物分别为水稻、小麦、油菜籽、玉米，分别占农田生态系统碳吸收总量的44.01%、14.11%、10.66%、9.24%。其中水稻、玉米和蔬菜的碳吸收量随时间表现出比较为明显的增长趋势，农作物碳吸收总量受水稻等碳吸收量占比较高的农作物的影响。
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图 4 农作物碳吸收变化趋势 Figure 4 Variations of crop carbon absorption |
由图 5可知，2007—2017年湖北省单位面积的农作物碳吸收量（碳吸收强度）年均约为28.57 t·hm-2，整体呈现递增趋势。除十堰市、宜昌市、咸宁市、恩施自治州、神农架林区外，其他地区的碳吸收强度均高于湖北省均值。同地区不同时间节点的农作物碳吸收强度波动较大，其中鄂州市波动最为明显。不同农作物碳吸收强度随时间波动较大（图 6），水稻碳吸收强度最高，从2007年的22.51 t·hm-2上升至2017年的24.18 t·hm-2，增幅为7.42%。其次为玉米，玉米碳吸收强度随时间呈下降趋势，2017年的碳吸收强度为16.86 t·hm-2，比2007年下降了18.04%。
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图 5 不同地区单位种植面积农作物碳吸收情况 Figure 5 Carbon absorption of crops per unit area in different regions |
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图 6 不同农作物单位种植面积碳吸收情况 Figure 6 Carbon absorption per unit area of different crops |
2007、2017年的湖北省土壤有机碳储量见表 4，2017年土壤有机质均值为24.21 g·kg-1，高于2007年土壤有机质均值，有机质数据的变异系数均较低；耕地SOCD的变化不明显，从2007年的3.40 kg∙m-2到2017年的3.57 kg ∙ m-2，增量仅为0.17 kg ∙ m-2（以C计）。农田土壤有机碳储量由2007年的130.59 Tg增长到2017年的144.11 Tg，耕地有机碳储量总体呈现增长趋势，但升幅较小。
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表 4 农田土壤碳储量 Table 4 Carbon reserves of farmland soil |
目前在农田生态系统碳源/汇的研究中，农作物的碳吸收量通常远高于农田温室气体排放量，农田生态系统表现为较强的碳汇功能[26]。这与本研究结果一致：湖北省农田生态系统中的农作物碳吸收量远高于温室气体排放量，并且年均碳吸收量是温室气体排放量的4.7倍；耕地土壤有机碳储量从130.59 Tg（2007年）增加到144.11 Tg（2017年），增长了13.52 Tg。湖北省农田生态系统总体呈现“汇”的状态。
根据本研究结果，湖北省农田生态系统温室气体排放量总体波动较小，近几年（2014—2017年）出现缓慢下降趋势，农田土壤碳储量总体升幅较小。两者对农田生态系统“汇”特征变化影响较小，农田温室气体排放量不会增强农田生态系统由“汇”向“源”转变趋势。然而，农作物碳吸收总量年际波动较大，并且固碳并不稳定。农作物固碳的主要部位是作物的茎叶，农作物秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，这些秸秆组成成分经过微生物水解及好氧厌氧发酵后会再次产生二氧化碳排放到大气中[27]。因此在一定周期下，农作物吸收的碳并不能持久稳定，农作物秸秆分解和燃烧会削弱并改变农作物碳吸收的状态，进而改变农田生态系统整体“汇”的状态。缓解全球气候变暖问题是一个长期的过程，农作物固碳稳定性比多年生林木低很多。农作物秸秆残骸和所生产的农业产品最终都会通过燃烧、沤肥、生物肠道消化及微生物分解等方式将固定的碳又释放到大气中[28]，农作物碳吸收在很大程度上会转变为碳排放。因此农作物碳固定量是影响农田生态系统“汇”特征变化的重要因素。
农作物碳吸收量受诸多因素的影响，农作物产量越高，其碳吸收量也越高[29]。除农作物产量外，农作物的种植类型对作物碳吸收也具有较大影响。由于不同种类农作物或同种作物不同品种的光合作用速率、自身理化性质具有差异，它们的碳吸收能力也有所不同。朱燕茹[30]定量分析了不同种类作物对碳吸收的影响，通过对作物播种面积与相应作物碳吸收量进行回归分析，发现作物播种面积与碳吸收量具有线性关系，并且多种粮食作物碳吸收量与播种面积呈正相关，但不同作物每增加一单位播种面积，其作物碳吸收量变化都不同。然而，不同农作物的播种面积并不能等同于不同农作物种类，该研究使用不同农作物的播种面积这一指标来分析农作物种类对碳吸收的影响，具有一定的局限性。本研究通过对农作物碳吸收特征的分析，发现粮食作物的碳吸收总量远高于经济作物、油料作物，其中水稻碳吸收量最高，这是由于水稻种植面积远高于其他作物并且水稻是人们主要的粮食来源。排除面积干扰，通过对比不同农作物的碳吸收强度，发现不同种类农作物的碳吸收能力有较大差异。水稻的碳吸收强度最高，年均约为23.28 t· hm-2，其次是玉米（18.70 t · hm-2）和棉花（15.58 t · hm-2）。同样作为粮食作物种植，水稻碳吸收强度是玉米的1.24倍、小麦的1.49倍；而油料作物中，芝麻的碳吸收强度较高，年均约为14.61 t·hm-2，是花生的1.26倍、油菜籽的1.17倍。在保证经济社会需求的前提下，合理地规划农作物种植种类，增加碳吸收强度较高的农作物的种植面积，在一定程度上可以提高农作物碳吸收总量，达到农田生态系统增汇的目的。
3.2 农田生态系统固碳减排途径分析湖北省农田生态系统温室气体排放量整体年际波动较小，自2014年起，呈现较明显的下降趋势。湖北省温室气体排放量整体波动较小，但其不同地区温室气体排放量差异明显。由于在地理气候、社会经济等方面存在一定差异，不同地区温室气体排放也具有地区特征，因此不同的地区应当根据其区域特点采取不同的固碳减排措施。
温室气体排放量低但排放强度高的地区应当优化产业结构，通过调整农作物种植规模、种植种类对产业结构进行合理的调整，对耕地面积进行合理规划，提高单位耕地面积农作物产量。
温室气体排放量高但排放强度低的地区应着重提高固碳量。不同农作物的碳吸收能力不同，可通过适当调整不同品种的农作物种植规模，提高农作物总体碳吸收量。有研究表明土壤呼吸强度会因为高强度的农业生产活动而出现明显的增强趋势，并且较高的土壤呼吸强度会加快土壤有机质的分解，释放所固定的碳[16]。因此建议耕地不宜过度频繁地进行农业生产活动，应合理规划种植时间及强度。土壤碳封存主要由植物碳输入驱动，因此可以通过增加农作物产量和采用农作物混合种植方式提高土壤碳储量，例如油菜籽与燕麦混合种植，能够有效地固定有机碳[31]。不同植物碳的输入量与其在土壤中分解量和残留比例之间存在差异，HALLAM等[32]的研究表明玉米和大豆秸秆在土壤中的残留量与其输入量呈正相关，输入量越多，土壤中的残留比例越高[32]。因此选择合适的作物秸秆还田来增加土壤碳输入能够极大地提高农田土壤的碳固定水平。
温室气体排放量和排放强度均较高的地区更应采取措施减少温室气体的排放量。农田生态系统温室气体主要为稻田甲烷和农用地氧化亚氮。2007— 2017年农用地氧化亚氮排放量的波动较大，可调控性较高，因而可以通过加强化肥施用量监控、合理减少化肥使用量来以及施用长效缓释氮肥的方法来减少氧化亚氮的排放。本研究发现稻田甲烷排放占农田生态系统温室气体排放的比例较高，在降低稻田甲烷排放量方面，水稻田间歇灌溉所排放的甲烷比淹灌少59%，比常规灌溉少46%[33]。因此可以通过推广间歇灌溉来减少稻田甲烷排放。水稻的品种不同，在种植后所排放的甲烷量也会有所不同，通常有1.5~3.5倍的差别[34]。因此也可以通过选育和种植新的水稻品种来达到减少甲烷排放的目的。
4 结论（1）湖北省农田生态系统温室气体排放量整体呈缓慢下降趋势，农田碳储量升幅较小。
（2）湖北省农田生态系统整体呈现“汇”的状态，农作物碳吸收量对农田生态系统源/汇特征变化具有较大影响。
（3）适当增加水稻、玉米、芝麻等碳吸收强度较高的农作物种植面积、减少秸秆燃烧量，有利于维持农田生态系统“汇”特征。
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