二我国主要农作物生产系统碳效率基本稳定并提高

《一、简介》

一、简介

大气中温室气体浓度增加引起的全球气候变化威胁着人类生存和社会经济发展。 气候变化的主要原因是人类活动导致二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)等温室气体过量排放到大气中[1,2]。 为了解决这个问题,我们必须减少大气中温室气体的积累。 该方法可以从两个方面考虑。 一是减少碳源,即温室气体的排放; 另一种是增加碳汇,即增加对温室气体的反应,特别是二氧化碳的吸收[3]。 长期以来,森林一直被认为具有重要的碳汇功能,有助于吸收大气中的二氧化碳。 除了森林碳汇之外,地球上最大的农作物农作物也具有碳汇功能,在调节气候变化方面发挥着重要作用。 农作物的生产过程既是碳源又是碳汇。 碳源主要包括农作物生产过程中化肥、农药、电力、柴油等投入品生产过程中产生的碳排放、农田土壤呼吸产生的碳排放、农作物秸秆燃烧产生的碳排放等。 碳汇主要包括农作物本身的碳吸收、农田土壤的固碳以及秸秆还田的固碳效应。 净碳汇可以通过抵消农作物的碳汇和碳源来获得。 在当前全球温室效应加剧、环境持续恶化的背景下,农作物的碳汇功能具有显着的生态环境价值。 作为受人类影响最大的自然生态系统,农田生态系统因其固碳能力一直备受关注。 本项目根据我国不同农业地区的差异,将全国划分为东北、华北、西北、长江中下游、西南、华南六个区域。 各地区用于农作物生产的耕地投入量来源于《全国农产品成本效益汇编》以及试验和调查数据、文献资料等。化肥、农药、农药等农业投入品生产过程中的温室气体排放量。电力和柴油来源于中国生命周期数据库(CLCD)和Ecoinvent数据库。 使用Microsoft Excel 2010对数据进行统计分析。

《2.我国农田生态系统碳汇分析》

2.我国农田生态系统碳汇分析

“(一)我国农田生态系统呈现固碳效应”

(一)我国农田生态系统呈现固碳效应

我国各地区主要农作物农田生态系统主要表现出固碳效应,即净碳量为正(见表1)。 研究作物中,只有西北地区的棉花和西南地区的油菜为碳源,净碳量分别为–531.3 kgC·hm–2和–33.3 kgC·hm–2。 其他作物的净碳量差异很大。 分布在404.7~40 725.9 kgC·hm–2之间。 同一地区不同作物的净碳量差异较大,不同地区之间同一作物的净碳量也差异较大。 对于水稻来说,净碳值就是森林一直被认为具有明显的碳汇功能,可以帮助吸收大气中的二氧化碳。 除了森林碳汇之外,地球上最大的农作物农作物也具有碳汇功能,在调节气候变化方面发挥着重要作用。 农作物的生产过程既是碳源又是碳汇。 碳源主要包括农作物生产过程中化肥、农药、电力、柴油等投入品生产过程中产生的碳排放、农田土壤呼吸产生的碳排放、农作物秸秆燃烧产生的碳排放等。 碳汇主要包括农作物本身的碳吸收、农田土壤的固碳以及秸秆还田的固碳效应。 净碳汇可以通过抵消农作物的碳汇和碳源来获得。 在当前全球温室效应加剧、环境持续恶化的背景下,农作物的碳汇功能具有显着的生态环境价值。 作为受人类影响最大的自然生态系统,农田生态系统因其固碳能力一直备受关注。 本项目根据我国不同农业地区的差异,将全国划分为东北、华北、西北、长江中下游、西南、华南六个区域。 各地区用于农作物生产的耕地投入量来源于《全国农产品成本效益汇编》以及试验和调查数据、文献资料等。化肥、农药、农药等农业投入品生产过程中的温室气体排放量。电力和柴油来源于中国生命周期数据库(CLCD)和Ecoinvent数据库。 使用Microsoft Excel 2010对数据进行统计分析。

《2.我国农田生态系统碳汇分析》

2.我国农田生态系统碳汇分析

“(一)我国农田生态系统呈现固碳效应”

(一)我国农田生态系统呈现固碳效应

我国各地区主要农作物农田生态系统主要表现出固碳效应,即净碳量为正(见表1)。 研究作物中,只有西北地区的棉花和西南地区的油菜为碳源,净碳量分别为–531.3 kgC·hm–2和–33.3 kgC·hm–2。 其他作物的净碳量差异很大。 分布在404.7~40 725.9 kgC·hm–2之间。 同一地区不同作物的净碳量差异较大,不同地区之间同一作物的净碳量也差异较大。 水稻净碳值以长江中下游地区最大,为3.584 3×103 kgC·hm–2,西南地区最小,为1.571 7×103 kgC·hm– 2. 小麦方面,西北地区价值最大,达到3.222 7×103 kgC·hm–2,而长江中下游地区仅为6.043×102 kgC·hm–2。 玉米净碳量以西北地区最大,达到3.891 7×103 kgC·hm–2,具有明显的碳汇功能; 而西南地区仅为4.047×102 kgC·hm–2。

“表格1”

表1 各地区农作物生产净碳量及其组成单位(kgC·hm–2)

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“(二)我国主要农作物生产系统碳效率基本稳定并提高”

(二)我国主要农作物生产系统碳效率基本稳定并提高。

在我国农业从粗放型向集约型发展半个多世纪的历史进程中,主要农作物生产的碳效率基本大于1,农田生态系统的动态碳平衡始终处于正平衡状态(见图 1)。 1952年至1980年是以牛、铁犁为代表的传统农耕阶段,1980年至2010年是以半机械化为代表的半现代集约化农耕阶段。 进入21世纪后,我国部分地区开始迈向准现代农业阶段。 转型期间,对这一时期我国主要农作物生产的碳效率分析表明:无论是低水平的传统农业,还是较高水平的准现代农业,农田生态系统的碳平衡是农田生态系统的碳汇农作物产量大于碳成本。 农田生态系统均表现出“固碳效应”。 另外,观察主要农作物生产碳效率随时间的变化可以发现,农作物的生态碳效率随时间变化不大,相对稳定,有缓慢增长的趋势。

“图1”

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图1 不同年份我国主要农作物生产碳效率

《3.我国各地区主要农作物碳结构分析》

3、我国各地区主要农作物碳结构分析

《(一)各地区主要农作物生产碳成本》

(1)各地区主要农作物生产的碳成本

表2显示了各地区主要农作物生产的碳成本。 东北地区水稻灌溉量较大,导致其碳足迹远大于玉米、大豆。 水稻单位面积碳足迹最高,为1.860 68×103 kgC·hm–2,远高于玉米(4.522 8×102 kgC·hm–2)和大豆(1.423 4 ×102 kgC·hm–2) 。 单位产量的碳足迹也显示出相似的单位面积碳足迹,其中水稻最高,大豆最低。 大豆的碳足迹最低,主要是因为其施肥需求较小且其他农田投入使用量较低。

“表2”

表2 各地区主要农作物生产碳成本

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华北地区玉米产量碳足迹和面积碳足迹均低于小麦,分别为0.252 kgC·hm–2–2和1 446 kgC·hm–2–2。 主要原因是玉米产量水平较高,所需灌溉量较少。 小麦的碳足迹相对较高,因为灌溉需要更多电力。

由于地膜的使用,西北地区玉米和棉花的面积碳足迹较高,分别为1.431 64 × 103 kgC·hm–2和2.122 99 × 103 kgC·hm–2。 小麦的面积碳足迹最低,为8.165×103 kgC·hm–2,而棉花由于农药施用量大,其碳足迹水平远高于其他作物。 农作物产量碳足迹与面积碳足迹相似,其中棉花(1.28 kgC·hm–2)最大,小麦(0.159 kgC·hm–2)最小。

由于农业投入水平较高,西南地区水稻和玉米的面积碳足迹较高,均在1.5×103 kgC·hm–2以上。 油菜面积碳足迹(1.002 09×103 kgC·hm–2)处于中等水平,但产量碳足迹(0.543 kgC·hm–2)高于其他作物,主要原因是其产量较低。

华南地区甘蔗面积碳足迹较高,为3.841 54×103 kgC·hm–2,大于水稻的8.888 2×102 kgC·hm–2。 但由于其产量水平远高于水稻,其生产的碳足迹较低,仅为水稻的三分之一左右。

长江中下游地区玉米面积(1.040 5× 103 kgC·hm–2)的碳足迹高于其他三种作物,油菜生产的碳足迹(0.210 kgC·hm–2) 2)高于其他三种作物。 与其他地区相比,水稻的碳足迹相对较低,表明该地区水稻灌溉等投入水平并不高。

“(2)农作物碳足迹的组成部分”

(2) 农作物碳足迹的组成

如图2所示,西北地区农作物碳足迹普遍较高,主要是由于地膜的使用造成的。 华北地区农作物生产的碳足迹主要是电力,这与华北平原的灌溉方式有关。 其他地区农作物生产的碳足迹主要是化肥的施用。

“图2”

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图2 各地区农作物生产碳足迹构成对比

“(三)我国各地区主要粮食作物生态系统净生产力”

(三)我国各地区主要粮食作物生态系统净生产力

如图3所示,水稻生态系统净生产力各地区差异不显着,其中东北地区表现最好,为5.174×103 kgC·hm–2,其次是长江中下游地区,其中水稻生产生态系统的净生产力为4.327×103 kgC·hm–2,表明这两个地区的水稻种植对作物生产具有较强的固碳能力。 玉米生产的生态系统净生产力差异较大,西北地区最高可达5.560×103 kgC·hm–2,西南地区仅为1.768×103 kgC·hm–2。 小麦生态系统净生产力在不同地区也表现出明显的变化,西北地区最高,为4.271×103 kgC·hm-2,而长江中下游地区仅为1.136×103 kgC ·嗯–2。 从全国平均水平来看,三大粮食作物的生态系统净生产力差异不大,分别是玉米>水稻>小麦。

“图3”

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图3 各地区主要粮食作物生态系统净生产力

《4.我国粮食主产区作物系统碳汇功能典型实证研究》

4、我国粮食主产区作物系统碳汇功能典型实证研究

《(1)华北平原粮食作物生产碳汇结构与功能评价》

(1)华北平原粮食作物生产碳汇结构与功能评价

1. 粮食作物生产系统碳足迹的规模和构成

近32年华北平原粮食作物生产系统碳足迹规模及变化趋势如图4所示。总体来看,粮食作物生产系统碳足迹呈现增加趋势,从2.926 8×102增加1978年kgC·hm–2增加到2009年的4.679 9×102 kgC·hm–2,年均增长率为7.02 kgC·hm–2。 嗯–2·a –1。 根据碳足迹随季节的变化特征,粮食作物生产系统的碳足迹变化可分为四个时期:第一稳定期(1978-1984年,简称“S1”)、快速生长期( 1984-1997年,简称“S2”)、第二稳定期(1997-2002年,简称“S3”)和缓慢增长期(2002-2009年,简称“S4”)。 四个时期的碳足迹如表3所示。第一个稳定时期粮食作物生产系统的碳足迹在290 kgC·hm–2附近波动; 快速生长时期,粮食作物生产系统碳足迹从2.870 2×102 kgC·hm–2增加到4.238 2×102 kgC·hm–2,年均增长率为12.69 kgC·hm –2·a –1,12年内几乎翻了一番; 在第二个稳定期,碳足迹基本停滞在4.25×102 kgC·hm–2; 2003年以后,碳足迹处于缓慢增长期,粮食作物生产系统碳足迹从4.233 1×102 kgC·hm–2增加到4.679 9×102 kgC·hm–2,年均碳足迹生长速率为5.85 kgC·hm–2·a –1,生长速率仅为快速生长期的1/2左右。 1978—2009年粮食作物生产系统碳足迹构成如表3所示。总体来看,粮食作物生产系统碳足迹为367.81 kgC·hm–2,其中化肥、灌溉、机械、劳动力、种子和农药分别为129.02 kgC·hm–2·a –1 和105.23 kgC·。 hm–2·a –1、39.69 kgC·hm–2·a –1、36.66 kgC·hm–2·a –1、49.41 kgC·hm–2·a –1 和 7.80 kgC·hm–2·a – 1、化肥占比最大,约占总量的1/3,灌溉约占总量的1/3。 化肥和灌溉占总量的63.69%; 机械、劳动力和种子所占的碳足迹合计比例差异并不显着,约占10%; 农药所占比例最小,不到3%。

“图4”

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图4 1978-2009年粮食作物生产系统碳足迹变化趋势

“表3”

表3 不同时期粮食作物生产系统碳足迹规模及构成

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2. 粮食作物生产系统固碳的历史动态

从图5可以看出,总体上,近30年来粮食作物生产系统固碳量呈增加趋势,从1978年的1.778 91×103 kgC·hm–2增加到4.609 02 ×103 kgC·hm–2,2009年增加一倍多,年平均固碳量增加91.42 kgC·hm–2·a –1。 1978—2009年华北平原粮食作物生产体系中,经济产量、秸秆和根系固碳量分别为(1251.71±332.76)kgC·hm–2、(1394.58±378.28)kgC·hm–2和(582.29) ±166.16) 分别。 )kgC·hm–2,分别占粮食作物生产系统固碳量的38.77%、43.19%和18.04%。 秸秆的经济产量与固碳没有显着差异,但均显着高于根系固碳。 3.粮食作物生产系统碳生态效率的动态变化。 如图6所示,1978—2009年粮食作物生产系统的碳生态效率为(8.67±1.15)kgC·kg–1·CE。 根据粮食生产系统碳生态效率的变化趋势,粮食作物生产系统碳生态效率可分为三个时期,第一生长期(1978-1985年)、稳定期(1985-2000年) )和第二期。 成长期(2000-2009)。 第一生育期粮食作物生产系统碳生态效率为(7.19±1.39)kgC·kg–1·CE,年均增长率为0.51 kgC·kg–1·CE; 稳定期碳生态效率为(9.07±0.32)kgC·kg–1·CE; 第二生育期粮食生产系统碳生态效率为(9.27±0.58)kgC·kg–1·CE,年均增长率为0.19 kgC·kg–1 CE。 粮食生产系统碳生态效率在稳定期和第二生育期没有显着差异,均显着高于第一生育期。

“图5”

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图5 1978年至2009年粮食作物生产系统碳汇

“图6”

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图6 1978年至2009年粮食作物生产系统的碳效率

“(2)长江中下游双季稻生产体系碳汇结构与功能评价”

(2)长江中下游双季稻生产体系碳汇结构与功能评价

1 双季稻生产体系碳足迹的数量规模和构成变化

2004—2012年长江中下游双季稻生产体系碳足迹的数值规模及构成如表4所示。年均碳足迹呈上升趋势,从2004年的1.839 26×103 kgC·hm–2增加到2012年的2.200 08×103 kgC·hm–2,年均碳足迹增加25.9 kgC·hm–2·a –1,其中近十年化肥、种子、农药、农膜、灌溉和机械的平均碳足迹 值为968.0 kgC·hm–2·a –1、9.9 kgC·hm–2·a –1、 218.6 kgC·hm–2·a –1、35.1 kgC·hm–2·a –1、818.4 kgC·hm–2·a –1 和 22.2 kgC·hm–2·a –1。 化肥在碳足迹中占比最大,约占总量的45%,灌溉约占总量的40%。 这两个值约占总碳足迹的85%,其次是农药,占10.5%。 其中,机械、农膜和种子占总碳足迹的比例最小,总计不到4%。 2. 2004-2012年双季稻生产系统固碳规模和构成动态变化 长江中下游双季稻生产系统固碳规模和构成总体而言,双季稻生产系统固碳规模及构成如表5所示,固碳年际变化不明显,年均固碳在1.06×104 kgC·hm左右波动–2. 农作物生产系统中的碳汇包括谷物、秸秆和根系中的碳汇。 其中,粮食和秸秆固碳占比较大,均占40%以上。 粮食固碳呈现缓慢上升趋势。 年均增量为14.9 kgC·hm–2·a –1,其中双季稻根部固碳量相对最少,约占15.3%。

“表4”

表4 2004—2012年长江中下游双季稻生产体系碳足迹构成(kgC·hm–2)

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“表5”

表5 2004—2012年长江中下游双季稻生产体系固碳构成(kgC·hm–2)

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3 长江中下游地区双季稻生产体系碳效率动态变化

从图7可以看出,2004—2012年长江中下游双季稻生产体系碳生态效率持续大于1,表明双季稻固定碳量——种植水稻产量大于碳输入量,农田生态系统表现为碳汇。 随着年限的增加,双季稻作物碳生态效率呈下降趋势,由2004年的5.8 kgC·kg–1 C下降到2012年的5.0 kgC·kg–1 C,年均下降0.09 kgC· kg–1 C.·a –1,下降趋势不明显,碳汇功能保持相对稳定。

《图7》

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图7 1978-2009年粮食作物生产系统碳生态效率

《5.我国农田碳汇结构评价与优化途径》

5.我国农田碳汇结构评价及优化途径

1. 提高农耕系统碳汇功能的技术方向

一是选用优良品种。 研究表明,超级稻不仅可以提高产量,还有助于减少稻田的甲烷排放。 二是种植业调整。 研究表明,增加密度和减少氮不仅可以稳定生产,还可以减少温室气体排放。 致密化是指扩大和缩小植物; 减氮是指控前促后。 三是土壤碳化。 研究表明,有机肥显着增加碳化,但常规秸秆还田、免耕、大豆轮作等没有显着的碳化效果。

2.各地区农作物生产减排需要因地制宜。

通过分析我国各地区主要农作物生产碳成本构成,提出各地区农作物生产节能减排的重点。

东北。 水稻生产的碳足迹明显高于其他两种作物。 该地区应在优化生产技术的基础上,重点采取高效灌溉措施,减少化肥、农膜、提高效率、减少灌溉用电等,减少水稻生产的碳足迹。 脚印。

华北地区。 小麦和玉米系统生产的碳足迹主要可以通过提高灌溉效率和化肥利用效率来降低区域作物生产的碳成本来实现。

西北。 该地区减排的重点应是减少农膜、化肥和农药的使用,提高效率,减少该地区棉花、玉米、马铃薯生产的碳足迹。 特别是,通过优化农用薄膜的使用,棉花在减少碳足迹方面具有明显的潜力。 。

西南。 各主要作物生产碳足迹无明显差异,均主要贡献于化肥投入。 该地区应重点提高化肥利用率,减少农作物生产的碳足迹,降低碳成本。

华南地区。 该地区减排重点应研究如何减少农作物生产中化肥的投入,减少甘蔗和水稻生产的碳足迹,以降低区域农作物生产的碳成本。

长江中下游地区。 该地区通过减少化肥农药投入实现减排的潜力巨大,应重点提高其利用效率,减少实物使用。

《六、提高我国农作物固碳减排能力的建议》

六、提高我国农作物固碳减排能力的建议

“(一)提升区域碳汇减排能力”

(一)提升区域碳汇减排能力

一、充分发挥宏观布局和调控作用

应对气候变化,调整我国优势农作物产业区(带),耗水作物南移,节水作物北移、西移; 在满足国家进口粮油产品需求的前提下,鼓励进口高碳产品、高水足迹产品、低废弃物产品。

2.加强抗逆研究和成果应用

加强抗逆种质资源特别是抗旱种质资源发掘,培育抗旱高产品种,推广抗旱品种; 加强节水、节水、蓄水等抗旱栽培技术的研究和推广,增加农作物种植面积,提高农作物产量,实现固碳减排。

《(二)提高碳生产效率》

(二)提高碳生产效率

1.技术推广与政策支持并重,稳定南方双季稻种植面积,开发利用南方冬季休耕田。

要推进冬季闲置田开发产供销农工贸一体化体系,建设支持冬季农业发展的专业合作组织,提高社会服务水平和秩序农业,有效促进冬季闲置农田发展。确保冬季农业增效,增加农民收入。 建议切实加大南方冬季休耕地开发利用的科研开发和技术推广投入,加强农业基础设施建设和土地流转,落实冬季休耕地开发利用专项补贴和政策保险制度休耕田,促进农作物面积特别是复种面积增加。 、增强碳汇功能,提高碳生产效率。

2.推进稻麦、麦玉米、稻油菜等主要种植模式全程机械化进程。

切实推进农业主产区稻麦、稻油菜、麦玉米等主要种植模式全流程机械化生产,提高农田全流程机械化年高产技术集成水平,配套农作物秸秆还田的农机具和种植方法、栽培耕作技术等,是现阶段我国农耕制度发展急需解决的问题。 建议加大相关技术研发、示范推广力度,快速推进粮油主产区农作物生产全过程机械化,推动主要种植模式发展,改善碳汇功能。

3、建立联合攻关机制,实现主栽体系节本高效

结合国家优势农产品区域布局和商品粮基地建设,成立联合攻关团队,研究制定相应技术法规和技术补贴政策,整合多熟高产高效、秸秆还田等回报与土壤肥力改良、旱作节水与养分管理等,探索建立适合不同类型地区的低资源消耗、高效率耕作体系,增加生物产量,完善碳汇功能。

4、注重南方水网密集地区环境友好型耕作体系建设。

在水网密集、农业面源污染严重的农业地区,要在保证高产高效的前提下,优化全年农作物配置,开展农田病虫害综合防治、有毒有害物质综合防治。物质预防和减量,减少农田养分流失,构建环境友好型标准化种植模式和技术规范,建立基于生态补偿机制的新型环境友好型耕作制度。

“(三)提高产后碳利用效率”

(三)提高产后碳利用效率

1、启动国家秸秆成型燃料产业示范工程

选择秸秆资源能源利用基础条件好、市场需求大的地区,建设一批秸秆颗粒燃料产业发展示范点,培育一批秸秆颗粒燃料龙头企业,支持升级改造、科研攻关。关键技术和装备的开发、示范应用。

2、采取财政补贴措施引导农民使用秸秆颗粒燃料

将秸秆颗粒燃料设备、配套炉灶和使用颗粒燃料的农户纳入财政转移支付补贴范围,引导和鼓励农民使用节能炉灶和颗粒燃料,扩大农村生物质能源消费需求。

三、适当降低秸秆颗粒燃料企业补贴政策门槛

降低秸秆能源利用补贴企业注册资本和秸秆消耗标准,将大中小型秸秆颗粒燃料企业纳入财政补贴范围,引导更多社会资金投资秸秆颗粒燃料产业。 迅速扩大这一新兴产业的发展。