三峡库区农业发展现状及农田CH4和N2O排放

　　摘要：全球气候变暖的主要原因在于大气中的温室气体含量的急速增加。以低碳为特征的新发展模式成为目前减少温室气体排放、应对全球气候变暖的根本途径。农业生态系统作为最大的人工生态系统，成为温室气体的第二大来源。因此，农业活动与气候变暖关系密切。以三峡库区为例，在分析了库区农业发展面临的问题的基础上，初步估算了库区水田CH4及耕地（含水田和旱地）N2O温室气体的排放量。2008年库区水田CH4及农田N2O的排放量分别为5.5×104~6.5×104t、8500~10000t，提出推广免耕等保护性耕作法、改变传统种植模式，合理施肥、改进稻田生产管理技术、对稻田生产系统的时间和空间差异进行管理。

　　关键词：三峡库区；稻田；CH4和N2O排放；减排对策

　　全球气候变暖及其影响已经引起了各国政府的高度关注。2007年《应对气候变化方案》中明确指出的气候变化趋势与全球的总趋势基本一致。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第3、4次评估报告分别指出：近50年的全球气候变暖主要是人类活动大量排放CO2、CH4、N2O等温室气体造成的；农业是温室气体的第二大重要来源，排放量介于电热生产和汽车尾气之间[1]。农业生产对温室气体排放的贡献，已成为加速全球变暖不容忽视的因素之一[2]。因此，减少农业生产中CO2、CH4和N2O等温室气体的排放，对缓解全球气候变暖有重要作用。

　　1农业生态系统的温室气体排放

　　农业是非CO2温室气体的主要排放源。1994年温室气体清单报告了CO2、N2O和CH4三种温室气体的排放源和吸收汇，其中农业活动排放了92%的N2O和50%的CH4[7]。在农业生产的各个环节中，都存在一定的温室气体排放，如翻耕、播种、施肥、除草，农产品的收获、加工、储藏、包装等。土壤中的有机物质经微生物分解，以CO2的形式释放入大气；CH4可在长期淹水的农田中经发酵作用产生；全球1/2以上的N2O来自土壤的硝化和反硝化过程[8]。农业生产过程中化肥、农药、农膜、各种农业机械的使用，都会消费大量能源，间接地增加了温室气体的排放。畜牧业养殖中也会产生CH4、N2O等温室气体：我国反刍动物消化以及牲畜粪便的CH4排放量分别为（2.38~6.67）×106ta-1和（0.55~0.77）×106ta-1，还有约2.46×105ta-1的N2O来自动物粪便[9]。粮食是人类赖以生存的根本，而农田却是全球CH4和N2O的主要排放源之一[10]。全球人类活动产生的CH4排放为3.75×108t，其中稻田是CH4主要排放源，占总排放量的12%，每年达到6.0×107t左右[11]。据估计，每年人类活动向大气中排放的N2O-N为7.2×106ta-1，其中农业土壤排放的N2O-N约为3.3DOI:10.19336/j.cnki.trtb.2012.02.045×106ta-1，占人类活动排放总量的46%。此外，氮肥施用是造成农业N2O排放的直接原因，N2O排放量与氮肥施用量呈显著相关关系[12]。农业生产活动是一个温室气体排放源，但农业生态系统更是一个巨大的碳/氮库，改变土地利用方式，合理管理土地，不仅会减少温室气体的排放，还可显著提高农业生产率。因此，对农业生产活动中N2O和CH4的排放进行研究，分析其影响因素，为制定农田CH4和N2O减排对策提供参考及理论依据。

　　2三峡库区农业发展现状

　　三峡库区位于N29°~31°50′、E106°20′~110°30′，长江两岸分水岭范围，面积约7.9×104km2，是长江流域生态屏障的咽喉地带和水库水源安全的生态屏障。同时，又是17个最具全球保护意义的生物多样性区域之一，生态地位极其重要，但也是生态环境脆弱区之一。库区是重庆市最重要的农牧产品产区。2008年库区农业产值350.63亿元，粮食总产量6.39×106t；油料总产量2.13×105t；肉类总产量1.03×106t，分别占全市总产量的55.4%、80.3%和57.8%。农村居民人均纯收入4132元；耕地总面积为195588hm2，其中水田占44.3%，粮食作物播种面积351396hm2，经济作物播种面积126421hm2[13]。

　　3三峡库区农业生产过程中CH4和N2O排放量

　　3.1水田CH4排放量

　　农业生产活动中排放的温室气体主要有CH4、N2O。在全球温室效应中CO2占主导作用，但由于CH4和N2O的增温效应分别为相同摩尔下CO2的21倍和200倍[4]。因此，研究农业生产活动中CH4和N2O的排放意义重大。1994年温室气体清单报告中，农业生产过程中CO2的排放量很低没有报告。已有研究表明，亚热带红壤性稻田生态系统在休闲期（11月至次年4月）从大气中累积吸碳量（以CO2计）约4.03thm-2，表现为大气的汇[18]。故未就库区农业生产活动中CO2的排放量进行计算，仅就CH4和N2O的排放量进行了估算。由于当前没有库区稻田CH4、N2O排放的实地监测资料，故选取与库区经纬度、气候、土壤等相似区域的已有研究成果及适当考虑当前农业生产的特点（如大量使用化肥、农药、地膜等）的情况下进行估算。

　　3.2农田N2O排放量

　　2008年库区耕地面积为195588hm2，粮食作物播种面积351396hm2，耕地中水田、旱地分别为86617hm2、108971hm2，比重分别为44.3%、55.7%[13]。重庆农业生态系统是川渝地区N2O的主要排放源之一。2000~2004年重庆地区农业生态系统N2O的平均排放量为13860ta-1，其中农田生态系统直接排放量约8300ta-1[22]。农业土壤施用氮肥造成N2O的直接排放的估算方法（kgN2O-N/kgN输入）为：N2ODirect=F×β，式中F为氮肥使用量（施N量），为氮肥施用量的标准排放因子。IPCC在《温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》中，根据挥发调整后的氮肥施用量的标准排放系数为1.25%。2008年三峡库区共施用化肥（折纯量）1.41×105t，其中氮肥1.01×105t；使用农药（折纯量）532.1t，其中有机氮105.3t。据此计算，2008年库区农业直接施用氮肥及农药（有机氮类农药）造成的N2O直接排放量为1993.85t，其相当于3.9×105tCO2的增温效应。其中，不包括农业施用氮肥过程中N2O的间接排放（如化肥通过NH3和NOx气体的挥发及地表的再沉淀淋溶等）。此外，李长生等[8]通过DNDC模型（一个生物地球化学过程模型），对1990年四川省（当时重庆辖属四川省）11.5×106hm2农田的N2O排放量进行估算，其排放量（折为纯N）中值为8.2×104ta-1，平均每公顷农田每年N的排放量为0.0071t。根据四川省每公顷农田年平均排放量计算，2008年三峡库区农田N2O的年排放量（折为纯N）为1388.675t。综合考虑到李长生等研究结果的时效差及当前农业生产中大量施用农药，化肥等因素，使三峡库区农田氮的排放量应远高于1388.675ta-1。刘惠等[21]的研究表明，华南地区冬闲残茬稻田N2O的排放通量为（21.26±19.31）μgm-2h-1，按此排放通量计算，三峡库区冬闲稻田N2O的排放量为7.3~151.81t（按水田面积86617hm2，冬闲180d计算）。综合以上各研究结果，2008年三峡库区耕地的N2O排放量估计约为8500~10000t。

　　4农业生产过程中CH4和N2O减排对策

　　4.1推广免耕等保护性耕作法

　　对44种不同类型土壤的含碳量进行概算后发现，我国土壤的含碳量约为1.86×1011t（土壤平均深度0.88m），是植被碳库容量的30倍[9]。稻田免耕降低了CH4的排放，将更多的碳储积于农田土壤中。稻田土壤在免耕条件下，更多的毛孔连通在一起，更好的有利于甲烷氧化菌繁殖的生态位存在，使得免耕稻田对CH4吸收强于常规翻耕稻田[23]。Shao等[24]在西南地区的研究表明，采取保护性耕作后，CH4排放量明显降低。耕作土壤有着很大的固碳、固氮潜力，通过转变土地利用方式，改变传统犁翻方式，采用免耕法保存土壤中的碳、氮含量并增加土壤生物质，有利于土壤对碳、氮的固定。此外，免耕减少了农业机械的使用，直接减少了化石燃料的消费；同时，免耕使土壤有机物含量增加，减少化肥的施用，间接减少了CH4和N2O的排放。因此，免耕等保护性耕作法可以保存土壤中的碳、氮，减少农业生产中能源的消费，降低农业生产中温室气体的排放。

　　4.2改变传统种植模式，合理施肥

　　水稻种植是农业生产中最主要的CH4排放源。已有研究表明，水旱轮作稻田CH4排放通量比常规冬水田低54.1%~65.1%，冬水田采用强化栽培方式既可提高产量又可减少CH4排放[19]。根据作物不同生长期不同的需水情况，对稻田进行水旱轮作，适度排水放干，推广强化栽培体系，复种/品种多样化等措施，可有效减少CH4排放。节水栽培比正常灌溉条件下CH4排放量大幅度减少[25]，直接施用化肥提高了CH4排放[23]，施用无机氮肥能明显促进土壤N2O排放。因为氮肥进入土壤后可以增加土壤氮素含量，为硝化反硝化过程提供NO3-和NH4+[26]。因此，可以通过施用控释肥，降低土壤中NO3-和NH4+的含量，使用硝化抑制剂、脲酶抑制剂来抑制土壤中NO3-还原酶活性，减缓硝化反硝化速率。此外，推广测土配方施肥示范。对江苏稻麦两熟区的研究表明，精确施肥技术使每公顷平均纯氮用量比习惯施肥减少52.5kg，节约肥料支出225元以上；在减排方面，可以直接减少30%以上N2O的排放[5]。

　　结语

　　三峡库区作为三峡水库的生态屏障，其生态地位极其重要。三峡水库区蓄水后，下垫面特性发生重大改变，将影响库区的水分蒸发、空气湿度等，甚至进一步影响库区的气候演变。库区农业生产过程中排放的CH4及N2O等温室气体的增温效应与水库的影响效应综合叠加，将对库区区域气候演变产生一定的影响。因此，进一步探求库区农业生产过程中温室气体的排放量及减排措施，对预测及应对三峡水库蓄水后对区域气候演变的影响具有重要意义。

　　参考文献：

　　[1]赵其国,钱海燕.低碳经济与农业发展思考[J].生态环境学报,2009,18(5):1609-1614.

　　[2]李明峰,董云社,耿元波,等.农业生产的温室气体排放研究进展[J].山东农业大学学报(自然科学版),2003,34(2):311-314.

　　[3]秦晓波,李玉娥,刘克樱,等.不同施肥处理稻田甲烷和氧化亚氮排放特征[J].农业工程学报,2006,22(7):143-148.

　　[4]胡立峰,李琳,陈阜.不同耕作制度对南方稻田甲烷排放的影响[J].生态环境,2006,15(6):1216-1219.

　　张军以1,2，苏维词2,3*