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    農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡法:誤區(qū)、改進與應用——兼析中國集約農(nóng)作碳效率 (續(xù))

    2014-03-17 06:28:52劉巽浩徐文修李增嘉褚慶全楊曉琳
    關鍵詞:集約足跡農(nóng)田

    劉巽浩,徐文修,李增嘉,褚慶全,楊曉琳,陳 阜

    (1. 中國農(nóng)業(yè)大學,北京 100193:2. 新疆農(nóng)業(yè)大學,烏魯木齊 830052:3. 山東農(nóng)業(yè)大學,泰安 271018)

    (接上期)

    3 集約農(nóng)作制同樣可減少CO2 凈排放

    應用改進的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳足跡方法論(上文),對中國歷年和當代的農(nóng)田的碳流效率進行了分析研究。采用的研究方法簡述如下:

    (1)系統(tǒng)邊界:表2 中的地域是全中國整體,系統(tǒng)邊界是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),作物以稻麥玉米等糧食作物為代表。表3 中的地域是新疆伊寧和山東滕州,邊界是小麥、玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

    (2)路徑:采用有來有回的全環(huán)式碳流路徑,包括固碳與耗碳兩個方面。

    (3)指標與參數(shù):以能量法為骨干,并佐以IPCC、West、Lal、Gan 等指標與參數(shù),力求完整、邏輯起點一致,符合當?shù)貙嶋H情況,并強化了農(nóng)田系統(tǒng)的間接的碳投入

    (4)數(shù)據(jù)來源:大多數(shù)的全國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)以官方統(tǒng)計數(shù)字[46-48]為準,耕地數(shù)據(jù)參照有關文獻[49-50]和作者實地考察進行修正,新疆伊犁和山東滕縣數(shù)據(jù)由徐文修、李增嘉教授調(diào)查所得。個別數(shù)據(jù)因缺乏官方公示(如秸稈還田率等),則根據(jù)一些典型資料以及作者50 年間的全國調(diào)查研究做出的經(jīng)驗性設定。

    時間:全國性研究時間是新中國建國初為起點,每隔15 年選1 年,即1950、1965、1980、1995、2010 年。1950 年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)不正規(guī),故以開始有正規(guī)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的1952 年代之。兩個縣的資料代表當代(2012)先進水平。在1952 ~2012 這半個多世紀期間,中國農(nóng)業(yè)的進展大致可分為3 個階段,1949 ~1980年為以牛耕鐵犁為代表的傳統(tǒng)農(nóng)作階段,1980 ~2010 年為半機械化為代表的半現(xiàn)代化集約農(nóng)作階段,進入21 世紀后,中國部分地區(qū)開始向準現(xiàn)代化集約農(nóng)業(yè)階段過渡,伊寧滕州即屬于這個范疇。研究不同歷史階段的農(nóng)田碳流狀況既有利于檢驗上述的改進足跡方法是否適當,更可以審視不同階段農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的動向和效率,為中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略提供依據(jù)。

    在學習研究前人資料的基礎之上,經(jīng)過多方面反復地分析、實地考察、實證與論證,得出了初步研究結(jié)果。其中,全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流研究和伊寧泰安小麥玉米田碳流研究分別見表2 和表3,表4 是這兩個案例的碳流效率歸納和比較,圖3 和圖4 則圖示了全國農(nóng)田碳流對溫室氣體的影響以及多年的全國農(nóng)田碳流動態(tài)。從得出的初步結(jié)果看,一些結(jié)論頗出人意外,它或許對我國今后的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略將有所啟示。

    表2 中國歷年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流 kgCO2e/hm2·年

    4 分析與結(jié)論

    4.1 一年生作物在生長過程中同樣呈正碳平衡

    眾所周知,植物是固碳的,在生長過程中光合作用的固碳總是大于呼吸作用的釋碳,因而在植物生長過程中碳匯大于碳源。輿論界也認為,多年生喬木形成的森林在生長過程中是凈碳匯,有益于減少空氣中的溫室氣體。問題是,人工栽培的1 年生作物是凈碳匯還是凈碳源?隨著農(nóng)田投入的增加,系統(tǒng)中加入了許多間接的碳排放(機械、化肥等),于是輿論界往往偏愛多年生林木而視1 年生的作物為負碳平衡者。情況果真是這樣的嗎?

    表3 (2012 年)伊寧與滕州小麥玉米田碳流 kgCO2/hm2·年

    表2、表3、表4 和圖3 可以看出,無論是全國歷年估算還是兩個當代案例,無論是低水平的傳統(tǒng)農(nóng)作還是較高水平的準現(xiàn)代集約農(nóng)作,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳平衡都是固碳>耗碳。全國歷年每公頃農(nóng)田系統(tǒng)減少溫室氣體排放量為2 186 ~10 967kgCO2e/hm2,伊寧滕州小麥玉米兩熟農(nóng)田系統(tǒng)減少溫室氣體排放量相應為3 232 ~8 107kgCO2e/hm2。全國歷年總固碳/總耗碳之比長期維持在2.5 上下(圖4),伊寧滕州的小麥玉米兩熟在1.3 ~1.4 左右;籽粒固碳/籽粒耗碳之比相應為1.3 ~1.55 與1.8 ~2.8 之間。每公斤糧食的耗碳系數(shù)全國歷年為0.75 ~0.90,兩個現(xiàn)代案例為0.4 ~0.65 之間。

    據(jù)森林學家方精云等2007 年的研究[51],1950 ~2003 年的54 年期間,全國每公頃森林的平均年碳匯為0.74tCO2,54 年碳匯共26.7 億tCO2,其中近23 年為1.55tCO2/hm2·年。相比之下,全國1952 ~2010的58 年間,每公頃農(nóng)田在作物生長期間年碳匯6.16tCO2/hm2·年,58 年共碳匯464.5 億tCO2,其中近30 年為8.63tCO2/hm2·年,比全國森林碳匯大許多倍。據(jù)中國官方公報,2006 年全國排放CO2共46 億t,而1995 ~2010 年期間全國農(nóng)田凈固碳量約為每年13 億t,相當于全國排放量的1/4,可見,農(nóng)田作物生長期固碳對減少當年空氣中的溫室氣體做出了重要貢獻。

    表4 全國歷年及兩地2012 年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳流分析

    圖3 全國歷年農(nóng)田系統(tǒng)碳流與GHG 變化

    由此可見,不僅是多年生植物,一年生人工栽培的作物同樣也是凈固碳者。年年栽培的一年生作物的碳流進程與多年生的林木本質(zhì)上是一致的。無論是一年生或多年生植物,無論是自然或人工栽培的作物,他們在生長過程中,碳平衡總是正的。當然,過熟林或森林自然大火導致碳平衡為負的可能性是存在的。因此,對待一年生和多年生植物應采取一視同仁的態(tài)度,厚此薄彼至少是不科學的。至于它們一旦老化或收獲物移出農(nóng)(林)田系統(tǒng)以后,其命運也是相似的,即被人類作為食物、飼料、燃料、工業(yè)原料、建材、家具、紙漿等資源而加以利用,最后遲早都將分解變?yōu)镃O2而返還大氣,從而由碳匯轉(zhuǎn)化為碳源,只不過不同收獲物的存留時間長短不同而已。殊不知今日熱衷于營造森林減少當前溫室氣體排放,卻為后代子孫埋下了增加CO2排放的隱患,人類欲將減少地球上溫室氣體的希望寄托在植物身上恐怕會落空的[1]。由上可見,既不能因收獲物移出農(nóng)(林)田系統(tǒng)而否定作物在農(nóng)(林)田系統(tǒng)期間的固碳事實,也不宜將植物看作為大氣溫室氣體的永恒的載體和唯一希望(碳匯)。

    此外,如果加上全國稻田(2010 年占全國糧食播種面積的27%)排放的CH4,其結(jié)果是全國農(nóng)田碳流仍然是正平衡。顏曉元得出世界稻田年排放2 550 萬tCH4,中國約占國際估計的1/4[45],約排放750 萬tCH4,平均為251kgCH4/hm2,它為全國每公頃耕地平均增加1 423kgCO2e,那么2010 年每公頃耕地耗碳共計是6 110 +1 423 =7 533kgCO2e/hm2,這個數(shù)也不到每公頃耕地總固碳量(1.680 7kgCO2e/hm2)的一半。

    值得注意的是,上述結(jié)果是在強化的改進碳足跡法基礎上獲得的,它比當前一般采用的方法增加了許多間接碳耗。即或如此,由于作物固碳超過耗碳,所以仍呈正碳平衡。

    4.2 半個世紀的中國集約農(nóng)作制維持了碳流的正平衡

    中國人多地少,實行高產(chǎn)、高效、多熟、高投入與高產(chǎn)出的集約農(nóng)作制實屬必然。西方學術界認為,集約農(nóng)作由于多消耗資源,因而是不可持續(xù)的。美籍華裔左天覺博士善意地幾次向中國有關部門提出建議,不要實行高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的集約農(nóng)業(yè)方針,因為集約農(nóng)作消耗資源,是不可持續(xù)的。因而“低投入農(nóng)業(yè)”“低熵農(nóng)業(yè)”“自然農(nóng)業(yè)”“低碳農(nóng)業(yè)”等口號盛行一時[52]。

    圖4 全國歷年農(nóng)田系統(tǒng)碳效率

    頗出意料之外的是,從表2、表3、表4 和圖4 可以看出,在中國農(nóng)業(yè)從粗放到集約的半個世紀多的歷史進程中,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)的碳平衡始終處于正平衡狀態(tài)。從1952 ~2010 年半個多世紀過程中,中國的農(nóng)業(yè)集約度大幅度提高,機、電、油、化肥、農(nóng)藥等投入迅速增加,無機耗碳由每公頃17kgCO2到2 644kgCO2,增加了55 倍,每公頃總耗碳由1 555kgCO2到6 110kgCO2,增加了3 倍,但是,由于總固碳由3 741kgCO2到1 6807kgCO2,增加了3.5 倍(表2),因而總固碳/總耗碳之比并未隨著集約化程度提高而下降,各年分別為2.41、2.38、2.84、2.88、2.66,中后期還稍有上升(圖4、表4)。即或是處于集約農(nóng)業(yè)頂峰的伊寧和滕州小麥玉米兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),其固碳/耗碳比仍處于>1 ~2 的正平衡狀態(tài)(表4)。2009 年,斯坦福大學Burney 等通過歷史分析得出“農(nóng)業(yè)集約化減輕溫室氣體”的結(jié)論[40],有異曲同工之處??梢?,與一般輿論相反,選擇正確方式與技術體系的集約農(nóng)業(yè)也可能是可持續(xù)的,化學合成品也有改善溫室氣體平衡的可能性。

    4.3 合理施肥也有減少溫室氣體的可能性

    一些環(huán)保主義者認為,化學合成物總是環(huán)境的破壞者,當前有些農(nóng)田碳足跡研究也認為化合物耗碳是農(nóng)田系統(tǒng)作物耗碳的主體,約占總耗碳量的60% ~70%左右,因此農(nóng)田化合物成了環(huán)境破壞的罪魁禍首。事實究竟如何?

    表4 顯示,中國農(nóng)田系統(tǒng)平均化合物耗碳/總耗碳比從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麥玉米田才達到60% ~70%水平。

    進一步的問題是,農(nóng)田化合物是不是空氣中溫室氣體負平衡之源?從表2、表3 和表4 可以看出,從1952 ~2010 年全國化合物耗碳量,由每公頃6kgCO2到1 559kgCO2,增加了160 倍,化合物耗碳/總耗碳之比由0.004 到0.25,增加了60 多倍(表2),說明了隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度的提高,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)化合物間接排放的溫室氣體越來越多,問題似乎越來越嚴重。為此,一些學著主張采用禁用化肥農(nóng)藥的“生態(tài)農(nóng)業(yè)”“有機農(nóng)業(yè)”“自然農(nóng)業(yè)”等模式。

    出人意料的是,進一步通過全國農(nóng)田系統(tǒng)碳足跡的研究得出,隨著農(nóng)業(yè)投入中有機/無機比的減少以及化合物/總碳耗比的增加,無論是總固碳/總耗碳比,還是籽粒固碳/籽粒耗碳比、或者每公斤糧食的總耗碳都呈正平衡(表4)。

    此外,隨著N 肥的迅速增加,土壤釋放的N2O -N 也隨之增加。從1952 ~2010 年,每公頃排出的N2O- N 形成的CO2當量由2kgCO2e 增加到391kgCO2e (表2),伊寧滕州小麥玉米則高達465 ~894kgCO2e (表3)。即便如此,由于增加的化合物促進了作物的光合作用固碳,因而每千克糧食的耗碳始終維持在0.9 ~0.8 之間(表4),兩個2012 案例相應為0.6 ~0.4 之間(表4)。

    可見,通過全環(huán)式碳足跡路徑的分析得出,適度投入農(nóng)田的化合物有助于減少CO2的 凈排放。原因是農(nóng)田通過應用化合物促進了作物光合作用與固碳效率,增加了凈初級生產(chǎn)率(NPP),從而使固碳超過耗碳,因而表現(xiàn)為對空氣中溫室氣體的正平衡。

    最后,需要強調(diào)的是,與農(nóng)學法、錢流法、能量法等相似,用碳流法研究農(nóng)業(yè)只是眾多農(nóng)業(yè)研究方法中的一個,它研究的是農(nóng)業(yè)的一個側(cè)面而不是全部,提倡“低碳”指的是單位產(chǎn)品的耗碳量減少,而不是指耗碳總量的降低。研究農(nóng)田(農(nóng)業(yè))生態(tài)系統(tǒng)的碳流可為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考,但不能因此就完全決定農(nóng)業(yè)的整個發(fā)展戰(zhàn)略。盡管中國集約農(nóng)業(yè)的碳流效率并未出現(xiàn)人們擔心的負平衡局面,但集約農(nóng)業(yè)的碳效率與當?shù)氐淖匀?、社會、生產(chǎn)經(jīng)濟條件、技術水平、政策等密切相關,并不一定是越集約越呈碳正平衡。盡管在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中適度投入化學品有助于碳平衡,但不能因此而忽略化學品可能產(chǎn)生的其他污染環(huán)境負效應。當前,力爭集約持續(xù)發(fā)展的中國農(nóng)業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn),糧食安全、自然資源緊缺、規(guī)模過小、農(nóng)業(yè)效益過低,城鄉(xiāng)差距過大,這些問題不是一個碳效率所能解決的。

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