刘巽浩，徐文修，李增嘉，褚庆全，杨晓琳，陈 阜

(1． 中国农业大学，北京 100193:2． 新疆农业大学，乌鲁木齐 830052:3． 山东农业大学，泰安 271018)

(接上期)

3 集约农作制同样可减少CO2 净排放

应用改进的农田生态系统碳足迹方法论(上文)，对中国历年和当代的农田的碳流效率进行了分析研究。采用的研究方法简述如下:

(1)系统边界:表2 中的地域是全中国整体，系统边界是农田生态系统，作物以稻麦玉米等粮食作物为代表。表3 中的地域是新疆伊宁和山东滕州，边界是小麦、玉米农田生态系统。

(2)路径:采用有来有回的全环式碳流路径，包括固碳与耗碳两个方面。

(3)指标与参数:以能量法为骨干，并佐以IPCC、West、Lal、Gan 等指标与参数，力求完整、逻辑起点一致，符合当地实际情况，并强化了农田系统的间接的碳投入

(4)数据来源:大多数的全国农业数据以官方统计数字［46-48］为准，耕地数据参照有关文献［49-50］和作者实地考察进行修正，新疆伊犁和山东滕县数据由徐文修、李增嘉教授调查所得。个别数据因缺乏官方公示(如秸秆还田率等)，则根据一些典型资料以及作者50 年间的全国调查研究做出的经验性设定。

时间:全国性研究时间是新中国建国初为起点，每隔15 年选1 年，即1950、1965、1980、1995、2010 年。1950 年农业统计数据不正规，故以开始有正规统计数据的1952 年代之。两个县的资料代表当代(2012)先进水平。在1952 ～2012 这半个多世纪期间，中国农业的进展大致可分为3 个阶段，1949 ～1980年为以牛耕铁犁为代表的传统农作阶段，1980 ～2010 年为半机械化为代表的半现代化集约农作阶段，进入21 世纪后，中国部分地区开始向准现代化集约农业阶段过渡，伊宁滕州即属于这个范畴。研究不同历史阶段的农田碳流状况既有利于检验上述的改进足迹方法是否适当，更可以审视不同阶段农田系统碳足迹的动向和效率，为中国农业的发展战略提供依据。

在学习研究前人资料的基础之上，经过多方面反复地分析、实地考察、实证与论证，得出了初步研究结果。其中，全国农田生态系统碳流研究和伊宁泰安小麦玉米田碳流研究分别见表2 和表3，表4 是这两个案例的碳流效率归纳和比较，图3 和图4 则图示了全国农田碳流对温室气体的影响以及多年的全国农田碳流动态。从得出的初步结果看，一些结论颇出人意外，它或许对我国今后的农业可持续发展战略将有所启示。

表2 中国历年农田生态系统碳流 kgCO2e/hm2·年

4 分析与结论

4.1 一年生作物在生长过程中同样呈正碳平衡

众所周知，植物是固碳的，在生长过程中光合作用的固碳总是大于呼吸作用的释碳，因而在植物生长过程中碳汇大于碳源。舆论界也认为，多年生乔木形成的森林在生长过程中是净碳汇，有益于减少空气中的温室气体。问题是，人工栽培的1 年生作物是净碳汇还是净碳源?随着农田投入的增加，系统中加入了许多间接的碳排放(机械、化肥等)，于是舆论界往往偏爱多年生林木而视1 年生的作物为负碳平衡者。情况果真是这样的吗?

表3 (2012 年)伊宁与滕州小麦玉米田碳流 kgCO2/hm2·年

表2、表3、表4 和图3 可以看出，无论是全国历年估算还是两个当代案例，无论是低水平的传统农作还是较高水平的准现代集约农作，农田生态系统碳平衡都是固碳＞耗碳。全国历年每公顷农田系统减少温室气体排放量为2 186 ～10 967kgCO2e/hm2，伊宁滕州小麦玉米两熟农田系统减少温室气体排放量相应为3 232 ～8 107kgCO2e/hm2。全国历年总固碳/总耗碳之比长期维持在2．5 上下(图4)，伊宁滕州的小麦玉米两熟在1．3 ～1．4 左右;籽粒固碳/籽粒耗碳之比相应为1．3 ～1．55 与1．8 ～2．8 之间。每公斤粮食的耗碳系数全国历年为0．75 ～0．90，两个现代案例为0．4 ～0．65 之间。

据森林学家方精云等2007 年的研究［51］，1950 ～2003 年的54 年期间，全国每公顷森林的平均年碳汇为0．74tCO2，54 年碳汇共26．7 亿tCO2，其中近23 年为1．55tCO2/hm2·年。相比之下，全国1952 ～2010的58 年间，每公顷农田在作物生长期间年碳汇6．16tCO2/hm2·年，58 年共碳汇464．5 亿tCO2，其中近30 年为8．63tCO2/hm2·年，比全国森林碳汇大许多倍。据中国官方公报，2006 年全国排放CO2共46 亿t，而1995 ～2010 年期间全国农田净固碳量约为每年13 亿t，相当于全国排放量的1/4，可见，农田作物生长期固碳对减少当年空气中的温室气体做出了重要贡献。

表4 全国历年及两地2012 年农田生态系统碳流分析

图3 全国历年农田系统碳流与GHG 变化

由此可见，不仅是多年生植物，一年生人工栽培的作物同样也是净固碳者。年年栽培的一年生作物的碳流进程与多年生的林木本质上是一致的。无论是一年生或多年生植物，无论是自然或人工栽培的作物，他们在生长过程中，碳平衡总是正的。当然，过熟林或森林自然大火导致碳平衡为负的可能性是存在的。因此，对待一年生和多年生植物应采取一视同仁的态度，厚此薄彼至少是不科学的。至于它们一旦老化或收获物移出农(林)田系统以后，其命运也是相似的，即被人类作为食物、饲料、燃料、工业原料、建材、家具、纸浆等资源而加以利用，最后迟早都将分解变为CO2而返还大气，从而由碳汇转化为碳源，只不过不同收获物的存留时间长短不同而已。殊不知今日热衷于营造森林减少当前温室气体排放，却为后代子孙埋下了增加CO2排放的隐患，人类欲将减少地球上温室气体的希望寄托在植物身上恐怕会落空的［1］。由上可见，既不能因收获物移出农(林)田系统而否定作物在农(林)田系统期间的固碳事实，也不宜将植物看作为大气温室气体的永恒的载体和唯一希望(碳汇)。

此外，如果加上全国稻田(2010 年占全国粮食播种面积的27%)排放的CH4，其结果是全国农田碳流仍然是正平衡。颜晓元得出世界稻田年排放2 550 万tCH4，中国约占国际估计的1/4［45］，约排放750 万tCH4，平均为251kgCH4/hm2，它为全国每公顷耕地平均增加1 423kgCO2e，那么2010 年每公顷耕地耗碳共计是6 110 +1 423 =7 533kgCO2e/hm2，这个数也不到每公顷耕地总固碳量(1．680 7kgCO2e/hm2)的一半。

值得注意的是，上述结果是在强化的改进碳足迹法基础上获得的，它比当前一般采用的方法增加了许多间接碳耗。即或如此，由于作物固碳超过耗碳，所以仍呈正碳平衡。

4.2 半个世纪的中国集约农作制维持了碳流的正平衡

中国人多地少，实行高产、高效、多熟、高投入与高产出的集约农作制实属必然。西方学术界认为，集约农作由于多消耗资源，因而是不可持续的。美籍华裔左天觉博士善意地几次向中国有关部门提出建议，不要实行高产优质高效的集约农业方针，因为集约农作消耗资源，是不可持续的。因而“低投入农业”“低熵农业”“自然农业”“低碳农业”等口号盛行一时［52］。

图4 全国历年农田系统碳效率

颇出意料之外的是，从表2、表3、表4 和图4 可以看出，在中国农业从粗放到集约的半个世纪多的历史进程中，农田生态系统动态的碳平衡始终处于正平衡状态。从1952 ～2010 年半个多世纪过程中，中国的农业集约度大幅度提高，机、电、油、化肥、农药等投入迅速增加，无机耗碳由每公顷17kgCO2到2 644kgCO2，增加了55 倍，每公顷总耗碳由1 555kgCO2到6 110kgCO2，增加了3 倍，但是，由于总固碳由3 741kgCO2到1 6807kgCO2，增加了3．5 倍(表2)，因而总固碳/总耗碳之比并未随着集约化程度提高而下降，各年分别为2．41、2．38、2．84、2．88、2．66，中后期还稍有上升(图4、表4)。即或是处于集约农业顶峰的伊宁和滕州小麦玉米两熟农田生态系统，其固碳/耗碳比仍处于＞1 ～2 的正平衡状态(表4)。2009 年，斯坦福大学Burney 等通过历史分析得出“农业集约化减轻温室气体”的结论［40］，有异曲同工之处。可见，与一般舆论相反，选择正确方式与技术体系的集约农业也可能是可持续的，化学合成品也有改善温室气体平衡的可能性。

4.3 合理施肥也有减少温室气体的可能性

一些环保主义者认为，化学合成物总是环境的破坏者，当前有些农田碳足迹研究也认为化合物耗碳是农田系统作物耗碳的主体，约占总耗碳量的60% ～70%左右，因此农田化合物成了环境破坏的罪魁祸首。事实究竟如何?

表4 显示，中国农田系统平均化合物耗碳/总耗碳比从1952 ～1965 年的0．4% ～0．7%到1995 ～2010年的25%，并非都是60% ～70%，只有特殊的滕州高水平小麦玉米田才达到60% ～70%水平。

进一步的问题是，农田化合物是不是空气中温室气体负平衡之源?从表2、表3 和表4 可以看出，从1952 ～2010 年全国化合物耗碳量，由每公顷6kgCO2到1 559kgCO2，增加了160 倍，化合物耗碳/总耗碳之比由0．004 到0．25，增加了60 多倍(表2)，说明了随着农业现代化程度的提高，农田生态系统化合物间接排放的温室气体越来越多，问题似乎越来越严重。为此，一些学着主张采用禁用化肥农药的“生态农业”“有机农业”“自然农业”等模式。

出人意料的是，进一步通过全国农田系统碳足迹的研究得出，随着农业投入中有机/无机比的减少以及化合物/总碳耗比的增加，无论是总固碳/总耗碳比，还是籽粒固碳/籽粒耗碳比、或者每公斤粮食的总耗碳都呈正平衡(表4)。

此外，随着N 肥的迅速增加，土壤释放的N2O -N 也随之增加。从1952 ～2010 年，每公顷排出的N2O- N 形成的CO2当量由2kgCO2e 增加到391kgCO2e (表2)，伊宁滕州小麦玉米则高达465 ～894kgCO2e (表3)。即便如此，由于增加的化合物促进了作物的光合作用固碳，因而每千克粮食的耗碳始终维持在0．9 ～0．8 之间(表4)，两个2012 案例相应为0．6 ～0．4 之间(表4)。

可见，通过全环式碳足迹路径的分析得出，适度投入农田的化合物有助于减少CO2的 净排放。原因是农田通过应用化合物促进了作物光合作用与固碳效率，增加了净初级生产率(NPP)，从而使固碳超过耗碳，因而表现为对空气中温室气体的正平衡。

最后，需要强调的是，与农学法、钱流法、能量法等相似，用碳流法研究农业只是众多农业研究方法中的一个，它研究的是农业的一个侧面而不是全部，提倡“低碳”指的是单位产品的耗碳量减少，而不是指耗碳总量的降低。研究农田(农业)生态系统的碳流可为农业发展提供参考，但不能因此就完全决定农业的整个发展战略。尽管中国集约农业的碳流效率并未出现人们担心的负平衡局面，但集约农业的碳效率与当地的自然、社会、生产经济条件、技术水平、政策等密切相关，并不一定是越集约越呈碳正平衡。尽管在农业生态系统中适度投入化学品有助于碳平衡，但不能因此而忽略化学品可能产生的其他污染环境负效应。当前，力争集约持续发展的中国农业面临巨大的挑战，粮食安全、自然资源紧缺、规模过小、农业效益过低，城乡差距过大，这些问题不是一个碳效率所能解决的。

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