洞庭湖地区长期施肥条件下双季稻田生态系统净碳汇效应及收益评估

摘要：以农业部望城红壤水稻土生态环境重点野外观测试验站的长期定位肥力效应试验稻田为研究对象，利用历年作物产量、凋落物固碳和农田CO2排放等观测资料及生态系统的物质和管理投入等调查资料，估算了年碳汇平衡和经济收益，以及不同施肥处理的固碳速率、潜力及表土碳密度。结果表明，不同施肥处理下年碳汇量介于0.82~4.70 t C·hm-2·a-1，增施有机肥（猪粪、稻草）的
处理NPK+RS、NK+PM 和NP+RS 的碳汇量分别是相应的仅施化肥处理NPK、NK 和NP 的1.1、1.7 和1.4 倍。不同处理生态系统物质投入的碳成本介于0.03~0.65 t C·hm-2·a-1，人工管理的碳成本介于1.42~1.48 t C·hm-2·a-1，年经济收益介于1.17×103~8.71×103CNY·hm-2·a-1，有机肥配施的经济效益是单施化肥的1.1~1.6 倍。不同施肥处理固碳速率介于25.83~51.98 kg·hm-2·a-1，不同施肥处理表土碳密度介于29.21~43.24 t·hm-2，增施有机肥能够提高土壤固碳速率和表土碳密度。与单施化肥相比，有机无机配施处理的生态系统生产力较高，也表现出较高的碳汇效应和经济收益，是促进土壤固碳减排的一项重要措施。

    随着联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告正式提交，以全球变暖为主要表现的全球气候急剧变化及其与不断增加的大气温室气体的关系已经被接受为无可争议的事实，切实减少温室气体排放、增加碳汇成为缓解气候变化的首要任务[1]。大气CO2 浓度升高可能引起的全球气候变化已受到世界各国的普遍重视。人类正在努力寻找各种能够减缓大气CO2 浓度升高的技术措施。在本世纪前20~30 年这一稳定大气CO2 浓度的关键时期内，作为《京都议定书》认可的固碳方法之一，农田土壤固碳在一系列固碳减排措施中将处于重要地位[2]。近年来，农田土壤碳固定的研究已经成为国际全球变化研究的一个重要热点。研究表明，通过改进和优化耕作措施，如采用保护性耕作措施、扩大水田种植面积、增加秸秆还田、增加有机肥施用和采用轮作等，可以减少农田土壤的CO2 净排放，稳定甚至增加土壤有机碳贮量[3]。据Lal 等[4]研究，全球耕地总固碳
潜力为0.75~1.0 Pg·a-1，IPCC 第四次评估报告剔除全球农业固碳1 600~4 300 M t CO2 eq·a-1，其中90%来自土壤固碳[5]。韩冰等[3]指出提高化肥施用量、秸秆还田量、有机肥施用量和推广免耕，可以将我国农田土壤的总固碳量提高到182.1 Tg·a-1。可见，中国农田土壤可以作为一种非常重要的固碳措施，应纳入全球CO2 减排措施中去。
    Pan[6]认为，我国农田土壤具有显著的固碳减排潜力，其中稻作农业的土壤固碳潜力十分突出。据报道，近20 年来我国南方稻田生态系统土壤有机碳含量普遍呈升高趋势，表现为重要的碳“汇”[7]。郑聚峰等[8]研究表明不同施肥措施下土壤固碳以及土壤温室气体排放的差异，但还不清楚稻田生态系统的净碳汇效应及不同施肥下的差异。目前，国内外对农田生态系统碳排放和固定等方面研究较多，而对碳循环和土壤碳汇效应的研究报道还较少。全面考虑农田生态系统的整体固碳减排效应，研究土壤碳的固定、积累与周转及其对气候变化的反馈机制，对于正确评估土壤碳固定在温室气体减排中的作用，加强农业碳汇相关技术体系的研究构建具有重要意义。本文以农业部望城水稻土生态环境重点野外观测实验站为研究对象，利用文献和调查资料，估算了不同施肥下的表土碳密度及固碳潜力，同时对稻田生态系统涉及的各个环节碳流量进行定量估算，分析不同施肥管理措施下净固碳效率和经济效益，为气候变化友好型稻作农业技术提供参考。