2001—2010年中國農(nóng)作物可還田量的時空演變①

王軼虹，史學(xué)正，王美艷，趙永存

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

2001—2010年中國農(nóng)作物可還田量的時空演變①

王軼虹1,2，史學(xué)正1*，王美艷1，趙永存1

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

作物收獲后的地上秸稈和地下根系部分是農(nóng)田土壤有機質(zhì)的主要來源。準確估算農(nóng)作物收獲殘余物(CSRE)可歸還到農(nóng)田中的生物量可以幫助認識秸稈和根系在農(nóng)田土壤碳循環(huán)中的作用。本文采用2011—2012年全國實測水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花6種作物的生物量獲得的干燥系數(shù)(DC)、收獲指數(shù)(HI)和根冠比(R/S)，結(jié)合2001—2010年以縣為單位的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算了可歸還到農(nóng)田中的農(nóng)作物收獲殘余物生物量。2001—2010年中國農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE總量為3.5 Pg C。6種作物種，水稻產(chǎn)生的CSRE總量最多，為106.4 Tg C，玉米年均增加量最大，為C 6.5 Tg/a。2001—2010年，以縣級行政單元估算的單位面積 CSRE 值在0.01 ~ 9.32 t/(hm2·a) 之間變動，全國平均值為C 3.20 t/(hm2·a)。農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE空間分布不平衡，黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)和西南區(qū)的四川盆地CSRE可還田量較高。2001—2010年間，全國大部分地區(qū)農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE量呈增加趨勢，黃淮海區(qū)、長江中下游地區(qū)中北部、四川盆地和東北地區(qū)上升趨勢明顯，且CSRE年際波動較小。華南地區(qū)農(nóng)作物CSRE量減少趨勢明顯，但是年際波動較小。CSRE量波動較大的區(qū)域主要是西北地區(qū)。農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE量與氣溫和降水有相關(guān)關(guān)系，但是不顯著。

農(nóng)作物；收獲指數(shù)；根冠比；CSRE；空間變化；氣候因子

農(nóng)田土壤中有機碳的直接來源有農(nóng)作物收獲后地上秸稈、地下根系和根系生長過程中產(chǎn)生的分泌物、脫落的組織細胞(rhizodeposition)等，以及投入的有機肥料等。近30年來，中國農(nóng)田化肥投入量持續(xù)增加，有機肥料投入不足，因此農(nóng)作物收獲殘余物的還田對維持或增加農(nóng)田土壤有機碳的含量尤其重要。準確估算可歸還到農(nóng)田土壤中農(nóng)作物收獲殘余物的量，一方面有助于認識農(nóng)田土壤碳循環(huán)的變化機制，另一方面可以用于模擬氣候條件發(fā)生改變時農(nóng)田土壤有機碳的未來的變化方向[1]。

目前，估算農(nóng)田農(nóng)作物收獲殘余物量主要有兩種途徑，第一種是通過農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合收獲指數(shù)、根冠比、干燥系數(shù)等估算地上秸稈量和地下部分的生物量。另一種途徑是以遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型或農(nóng)作物模型(CASA模型，GLO-PEM 模型，CROP_C模型等)估算出農(nóng)田產(chǎn)生的凈初級生產(chǎn)力(NPP)總量或產(chǎn)量，然后根據(jù)收獲指數(shù)和根冠比轉(zhuǎn)換為作物的秸稈量和地下部分生物量。運用模型估算中國農(nóng)田產(chǎn)生的NPP得到了廣泛應(yīng)用[2–4]，但是由于在全國尺度上，很難從文獻或土地利用或土地覆被遙感圖像上準確獲取每一年的農(nóng)作物物候信息，從而導(dǎo)致難于計算出每一種作物的NPP量或產(chǎn)量，進而難于計算出每一種作物的地上秸稈量和地下根系生物量。運用農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合每種作物的收獲指數(shù)和根冠比可以相對準確地估算每一種作物的地上秸稈量和地下部分的生物量，但是統(tǒng)計數(shù)據(jù)尺度有國家的、省級的、地市級和縣級的。運用國家和省級的數(shù)據(jù)雖然可以估算每一種作物的地上秸稈量和地下部分的生物量，但是由于尺度較大，作圖時難于表現(xiàn)出 CSRE的空間分布的差異。

鑒于以上存在的問題，本研究利用獲得的以縣為單元的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合實測的中國水稻、小麥、玉米、大豆、油菜和棉花6種農(nóng)作物的收獲指數(shù)和根冠比，估算了中國農(nóng)田在2001—2010年產(chǎn)生的農(nóng)作物收獲殘余物量(CSRE)，并繪制了以縣為單位的CSRE空間分布圖，利用線性趨勢法分析了CSRE的時空演變特征，引入相關(guān)系數(shù)討論了以縣為單元的氣候因子對CSRE的影響。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2001—2010年中國縣級行政單位的農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量、年末耕地面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所。2001—2010年全國氣溫和降水數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma. gov.cn/)。

2011—2012年在全國采集了水稻、玉米、小麥、大豆、棉花、油菜 6種主要作物的生物量(共計 111個樣點)，計算了每種作物的收獲指數(shù) (HI)、根冠比(R/S) 和干燥系數(shù)(DC)的全國平均值(表1)[5]。

由于獲得的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，油料作物并沒有給出油菜、花生、芝麻等作物的比例，本研究在計算時，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的油料作物作為油菜處理。

含碳量和分泌物系數(shù)來源于文獻[1-6]。

表1 不同農(nóng)作物的收獲指數(shù)(HI)、根冠比(R/S)和干燥系數(shù)(DC)Table 1 Harvest indices (HI), root to shoot (R/S) and dry coefficient (DC) for crops

1.2 CSRE計算方法

本研究中將農(nóng)作物收獲殘余物(CSRE)分為地上秸稈生物量(CS)和地下生物量(CRS)分別計算，地下生物量包括收獲時采集的根系生物量(CR)和作物生長過程中的分泌物和脫落的組織(CE)。首先用每種作物的產(chǎn)量計算出每個縣每種作物的CSRE，相加得到每個縣6種農(nóng)作物的CSRE，每個縣的CSRE相加得到全國農(nóng)作物的CSRE。每個縣6種作物的CSRE相加后除以年末耕地面積得到這個縣單位面積的CSRE值，全國所有縣 CSRE相加除以年末耕地面積得到全國單位面積CSRE值。

計算公式如下：

式中：Yji，CSji，CREji和Aji分別表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)中第j個縣第i種作物的產(chǎn)量、地上秸稈生物量、地下生物量和年末耕地種植面積；n表示全國縣級行政單位的個數(shù)；DCi，HI和(R/S)i分別表示第i種作物的干燥系數(shù)、收獲指數(shù)和根冠比；CSRE表示單位面積農(nóng)田中產(chǎn)生的農(nóng)作物收獲殘余物。

1.3 CSRE 變化趨勢分析

每個縣 CSRE年際變化趨勢的分析方法采用一元線性回歸趨勢線法，回歸直線的斜率采用最小二乘法求得。

式中：n為每個縣級行政單元存在有效CSRE數(shù)據(jù)的年份個數(shù)，Y為縣級行政單元的CSRE數(shù)據(jù)，表示趨勢線的斜率，>0說明CSRE在n年間的變化趨勢是增加的，反之則是減少。

1.4 CSRE與氣候因子相關(guān)分析

基于每個縣級行政單元的 CSRE與氣候因子的相關(guān)系數(shù)計算公式為：

式中：變量i為年序號，n取值為1 ~ 10，為第i年第j個縣的CSRE數(shù)據(jù)，為第i年第j個縣的氣象因子數(shù)據(jù)，為第j個縣CSRE與氣候因子的相關(guān)系數(shù)。

采用的分析軟件有Excel 2007，SPSS13.0，圖件用Origin(8.0)，ArcMap(version 10.2)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 中國 CSRE 的時間變化特征

2001—2010年中國農(nóng)作物產(chǎn)生的CSRE總量為3.5 Pg C，其中地上秸稈部分為2.4 Pg C，地下根系為1.2 Pg C。對2001—2010年中國CSRE的量進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)研究時段內(nèi)CSRE年總量先增加后降低，總體具有增加趨勢(圖1)。10年間CSRE總量最低值出現(xiàn)在2003年，為C 278 Tg/a，這可能與氣象災(zāi)害有關(guān)，這一年中國南方地區(qū)降雨偏少，江南、華南為1961年以來降雨最少年份，夏季遭受罕見高溫襲擊，同時東北春季、南方夏秋季均出現(xiàn)大范圍干旱，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。2001—2010年，農(nóng)作物地上秸稈部分年均增加量(C 8.1 Tg/a)是地下根系部分年均增加量(C 3.9 Tg/a)的2倍，說明2001—2010年間地上部分可為農(nóng)田土壤提供的有機物質(zhì)越來越多。

圖1 2001—2010年CSRE總量的年際變化Fig. 1 Inter-annual variations for total CSRE in China

2001—2010年中國農(nóng)作物單位面積上產(chǎn)生的地上秸稈生物量均值為C 2.13 t/(hm2·a)，地下根系部分為C 1.07 t/(hm2·a)，如果認為每年有 25% 地上秸稈歸還到農(nóng)田中，2001—2010年，每年有含C 量 1.61 t/(hm2·a)的有機物質(zhì)歸還到農(nóng)田土壤中。如果將每年地上秸稈歸還比例提高到40%，每年有含C 量1.92 t/(hm2·a)的有機物質(zhì)歸還到農(nóng)田土壤中，增加了20%，如果將每年地上秸稈歸還比例提高到80%，全國每年有含C量2.77 t/(hm2·a)的有機物質(zhì)歸還到農(nóng)田土壤中，增加了73%。許多模型研究者認為提高農(nóng)田有機物質(zhì)的輸入量，尤其是增加地上秸稈部分的還田比例可增加農(nóng)田有機碳含量[7–10]，中國農(nóng)作物秸稈還田比例目前是20% ~ 40%[11–14]，如果提高農(nóng)作物秸稈還田比例，這有可能改變原有的土壤的碳循環(huán)平衡，增加農(nóng)田土壤有機碳的儲量。

2.2 不同作物類型的CSRE時間變化特征

2001—2010年，6種作物中，水稻產(chǎn)生的CSRE總量最多，為106.4 TgC，其次為玉米967 TgC，棉花產(chǎn)生的CSRE總量最少。2001—2010年不同農(nóng)作物的CSRE還田總量總體都具有增加趨勢(圖2A)，說明可輸入到農(nóng)田中的農(nóng)作物收獲殘余物總量在增加。其中玉米增加趨勢最明顯，年均增加量最大，為C 6.5 Tg/a。但從單位面積CSRE還田量看，只有玉米和棉花是增加趨勢(圖 2B)，其他作物都是減小趨勢，尤其是玉米增加趨勢顯著(P= 0.05)。從10年均值看，2001—2010年單位面積CSRE還田量仍然是增加的。

圖2 2001—2010年不同農(nóng)作物CSRE總量和單位面積CSRE量的年際變化Fig. 2 Inter-annual variations for total CSRE and CSRE values per area among different crops in China

2.3 CSRE的空間分布及變化趨勢

以縣級行政單元為單位估算了 2001—2010年 CSRE可還田量。結(jié)果表明，2001—2010年我國CSRE年均可還田量介于C 0.01 ~ 9.32 t/(hm2·a) 之間，平均值為C 3.20 t/(hm2·a)。全國有48% 的縣域年均CSRE還田量大于全國均值。中國年均CSRE可還田量呈現(xiàn)明顯空間分異(圖 3)，黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)和西南區(qū)的四川盆地CSRE可還田量較高，內(nèi)蒙古及沿線區(qū)和青藏區(qū)較低，CSRE較高的地區(qū)主要分布在重要的商品糧生產(chǎn)基地。

圖3 2001—2010年CSRE年均可還田量的空間分布 (C，t/hm2)Fig. 3 Spatial distribution of mean value for CSRE between 2001 and 2010 in China

對研究區(qū)2001—2010年年均CSRE可還田量逐縣進行趨勢分析 (圖4)，結(jié)果表明，全國年均CSRE可還田量變化趨勢線斜率為 0.03，說明 2001—2010年中國 CSRE 可還田量在逐年增加。由圖4可以看出，全國大部分地區(qū)CSRE可還田量變化趨勢在0.01 ~ 0.13之間；黃淮海區(qū)、長江中下游地區(qū)中北部、四川盆地和東北地區(qū)CSRE可還田量的變化明顯呈上升趨勢，部分地區(qū)上升趨勢在0.3以上；而華南大部分地區(qū)，華東的浙江、福建一帶則呈緩慢下降趨勢，部分地區(qū)下降趨勢小于 –1。

2001—2010年間，根據(jù)CSRE可還田量的變異系數(shù)分析了其年際波動情況(圖 5)。內(nèi)蒙古及長城沿線區(qū)、甘新區(qū)、黃土高原區(qū)和青藏區(qū)變異系數(shù)較大，最大值出現(xiàn)在青藏區(qū)；東部地區(qū)變異系數(shù)相對較小。對比圖3和圖5發(fā)現(xiàn)，CSRE可還田量高的地區(qū)變異系數(shù)較小，CSRE可還田量少的地區(qū)年際波動大，這可能是由于 CSRE可還田量高的地區(qū)大多位于水熱條件較好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，氣候條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完善，受自然或氣象災(zāi)害影響較小，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定。

2.4 CSRE對氣候因子的響應(yīng)分析

植被生長和氣候變化關(guān)系密切，許多研究認為陸地植被的凈初級生產(chǎn)力 (NPP) 受氣候因子的影響較大[15]。為了說明氣候因子對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，本研究亦分析了氣候因子對CSRE生物量的影響。

2001—2010年，全國年均氣溫和年均降水量都呈增加趨勢(圖6)，但增加趨勢不顯著。將2001—2010年均氣溫和降水量與CSRE年均值做 Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn) CSRE年均值和年均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系(r= 0.403)，與年均降水量呈負相關(guān)關(guān)系(r=–0.025)，但是都不顯著。進一步將有氣象站點的縣級行政單元的CSRE值與氣溫和降水量進行相關(guān)分析，并作相關(guān)系數(shù)分布圖(圖7)。經(jīng)統(tǒng)計在605個有氣象站點的縣級行政單元中，與溫度呈正相關(guān)的占48%，負相關(guān)的占52%，其中與溫度呈顯著正相關(guān)和顯著負相關(guān)(P< 0.05)的各占4%。在605個有氣象站點的縣級行政單元中，與降水呈正相關(guān)的占51%，負相關(guān)的占49%，其中與溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)的占 6%，和溫度呈顯著負相關(guān) (P<0.05)的僅占 2%。本研究結(jié)果與許多研究者用遙感研究方法得出的溫度和降水對中國陸地生態(tài)系統(tǒng)有很大影響[16–18]的研究結(jié)果不同。原因一方面可能是兩種不同的數(shù)據(jù)源的差異，另一方面可能是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類活動的影響較大，與森林和草地生態(tài)系統(tǒng)相比，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受耕作方式、種植制度和管理方式(如農(nóng)藥化肥的使用)的影響更大，降低了氣候環(huán)境因子對生物量變化的影響程度，所以未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。

圖4 2001—2010年CSRE可還田量變化趨勢Fig. 4 Trends of variation for CSRE during 2001–2010 in China

圖5 2001—2010年CSRE的年際波動Fig. 5 Annual variations for mean annual CSRE during 2001–2010 in China

圖6 2001—2010年中國年均降水量和年均氣溫的年際變化Fig. 6 Annual variations in mean annual precipitation and temperature during 2001–2010

3 結(jié)論與討論

2001—2010年中國農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE總量為3.5 Pg C，其中地上秸稈部分為2.4 Pg C，地下根系為1.2 Pg C，地上秸稈部分可為農(nóng)田土壤提供更多的有機物質(zhì)。但是目前中國地上秸稈部分還田比例較低，如果可以將地上秸稈部分的還田比例提高到80%，全國每年有含C量 2.77 t/(hm2·a) 的有機物質(zhì)歸還到農(nóng)田土壤中，這將有助于維持或增加目前中國農(nóng)田土壤中有機碳含量。6種作物中，水稻產(chǎn)生的CSRE總量最多，為106.4 Tg C。10年間，每種作物產(chǎn)生的CSRE總體呈增加趨勢，其中玉米年均增加量最大，為C 6.5 Tg/a。

圖7 2001—2010年中國年均CSRE與年均溫度、降水量的相關(guān)系數(shù)分布Fig. 7 Correlation coefficient between annual CSRE with mean annual precipitation and temperature during 2001–2010 in China

2001—2010年，以縣級行政單元估算的單位面積CSRE平均值在C 0.01 ~ 9.32 t/ (hm2·a)之間變動，全國平均值為C 3.20 t/ (hm2·a)。農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE空間分布不平衡，黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)和西南區(qū)的四川盆地CSRE可還田量較高，內(nèi)蒙古及沿線區(qū)和青藏區(qū)較低，還田量較高的區(qū)域主要位于重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。全國大部分地區(qū)農(nóng)田產(chǎn)生的CSRE量呈增加趨勢，黃淮海區(qū)、長江中下游地區(qū)中北部、四川盆地和東北地區(qū)上升趨勢明顯，且CSRE年際波動較小。華南地區(qū)農(nóng)作物CSRE量減少趨勢明顯，但是年際波動較小。CSRE量波動較大的區(qū)域主要是西北地區(qū)。

農(nóng)田產(chǎn)生的 CSRE量與氣溫和降水有相關(guān)關(guān)系，但是不顯著，這與草地和森林生態(tài)系統(tǒng)有很大差別，主要是人類活動對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響大于氣候環(huán)境。

致謝：本研究中全國作物生物量樣品由中國科學(xué)院南京土壤研究所、沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、西北水土保持研究所、亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所、地理科學(xué)與資源研究所、東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所、西南大學(xué)、新疆地理研究所、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心等單位共同采集。感謝張旭東研究員、韓曉增研究員、歐陽竹研究員、胡春勝研究員、張甘霖研究員、黃標研究員、趙世偉研究員、趙成義研究員、吳金水研究員、肖和艾副研究員、謝德體教授、朱波研究員以及他們的研究團隊提供了生物量樣品。

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Spatial-temporal Patterns of Crop Residues in China During 2001—2010

WANG Yihong1,2, SHI Xuezheng1*, WANG Meiyan1, ZHAO Yongcun1
(1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture(Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences),Nanjing210008,China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049,China)

In agricultural soils, the plant-derived input of carbon(C) from above- and belowground harvest residues and rhizodeposition (CSRE) is major source of soil organic matter. Thus, precise estimations of the harvest residues is important to monitor the supply of SOC in agricultural soils and model its future development under a changing climate. In this study, a new data bank of dry coefficient (DC), harvest index (HI), and root to shoot ratio (R/S) for rice, wheat, corn grain, soybean, cotton, and oilseed crops based on field samples collected across China from 2011 to 2012 was used. Combined with the information of county-level crop yield reported as national agricultural statistics, the amount of CSRE produced in 2001–2010 was estimated, and its spatial distribution was analyzed. The results showed that total 3.5 Pg C was produced in 2001–2010 in China’s cropland, mainly distributed in the Huanghuaihai region, the middle-lower reaches of Yangtze river and Sichuan basin of China. The mean county-level CSRE density was C 3.20 t/(hm2·a), ranging from C 0.01 to 9.32 t/(hm2·a). For the change of CSRE during 2001–2010, most counties had an ascending tendency. The Huanghuaihai region, north and middle part of the middle-lower reaches of Yangtze river, Northeast China and Sichuan basin showed obvious ascending tendencies with small annual fluctuation. The south of China showed an obvious descending tendency but also with the small annual fluctuation. The climate factors such as mean annual temperature and precipitation had no significant correlation with CSRE in China. The agroecosystem was greatly affected by human activities such as the cultivation method, cropping system and chemical fertilizer input.

Crop; Harvest index; Root to shoot ratio; CSRE; Spatial variability; Climatic factors

S141.9

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.018

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA05050509)和國家自然科學(xué)基金項目(41401240)資助。

* 通訊作者(xzshi@issas.ac.cn)

王軼虹(1984—)，女，河北高邑人，博士研究生，主要從事農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究。E-mail：yhwang@issas.ac.cn