保護性耕作對溫室氣體排放和經濟成本的影響

張國　逯非　王效科

摘要：保護性耕作的基本措施是秸稈還田和少免耕。本研究調查了山東省滕州和兗州保護性耕作的推廣現狀，估算了不同保耕形式對溫室氣體凈減排和經濟成本的影響。結果表明：秸稈還田和耕地方式關系密切，在增加玉米秸稈還田量時，農戶會選擇增加耕地次數和強度；在玉米秸稈全部焚燒和采取傳統耕地條件下，農田溫室氣體排放為318 kgC/（hm2·a），而在全部還田結合免耕條件下，可以吸收和固定1 459 kgCe/（hm2·a），表明此時的農田是溫室氣體的吸收匯，而且此時成本較全部還田+傳統耕地的成本下降了32%，為1 050 CNY/（hm2·a）。這些結果表明，全部還田+免耕是一項經濟且環境友好的保護性耕作方式。

關鍵詞：秸稈還田；免耕；固碳；凈排放；成本

中圖分類號：S345文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）05-0034-04

正確的農田管理措施能提高土壤質量和作物產量，改善環境，促進可持續發展。耕地為種子萌發、定植和生長提供合適的土壤環境條件，但是頻繁耕地會降低土壤質量[1]。隨著生活水平的提高，秸稈作為燃料的用量減少，而且運輸成本高等，這些因素使農戶選擇焚燒或廢棄秸稈，我國每年廢棄焚燒秸稈總量約2.15億噸[2]。焚燒將秸稈固定的碳重新釋放并產生N2O等氣體，危害生態環境和土壤質量[3]。

保護性耕作能減少對土壤的擾動，形式包括不翻耕、少耕、深松、覆蓋耕作、免耕等[4]。許多研究證明秸稈還田能增加土壤養分[5]、提高有機碳含量[6]和改善作物品質[7]。少免耕減少團聚體破壞，秸稈促進團聚體的形成，團聚體的增加能保護有機物不被分解[8]。保護性耕作減少耕作次數和強度，降低燃料的消耗和溫室氣體排放。

山東省是中國重要的農業生產基地之一，主要種植模式是小麥—玉米一年兩熟，目前保護性耕作已經推廣了6億公頃。由于滕州和兗州尚處于玉米秸稈還田和少免耕推廣階段，新舊技術同時存在，因此通過該調查可以研究保護性耕作技術對土壤固碳、溫室氣體排放和經濟成本的影響。

1材料與方法

1.1調查區域和調查方法

滕州市處于魯中南山區的西南麓延伸地帶，屬于黃淮平原，兗州市處于山東泰沂蒙山前沖積平原。兩地都屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，年均溫13.6℃，四季冷熱分明。年均降水量分別為733 mm和773.1mm，集中在夏秋季，雨熱同季，全年無霜期210～240天。兩地的土壤類型主要為褐土、潮土和砂姜黑土。

本研究采用的保護性耕作數據來自入戶問卷調查，調查時間為2011年10月。滕州和兗州隨機選取3個鄉鎮，每個鄉鎮隨機選取3個自然村，有效問卷總數32份，其中滕州15份，兗州17份。

本研究中半量還田指還田量50%～70%，全量還田指還田量≥90%，傳統耕地指1次翻耕+2次旋耕或2～3次旋耕，免耕指一次性完成播種行旋耕、施基肥、播種、起畦等作業[9]。

1.2計算方法

不同保護性耕作措施下的溫室氣體排放和減排，采用的方法和公式來自Lu等（2009， 2010）[6，10]。固碳速率考慮免耕的固碳效應、秸稈還田的固碳效應以及還田的替代氮肥的效應，因為氮肥生產導致溫室氣體排放，因此秸稈還田減少氮肥用量同時促進減排。溫室氣體排放考慮耕地的燃油消耗、秸稈焚燒不完全釋放產生CH4和N2O。

1.2.1固碳速率①免耕條件下的固碳速率：SCSRNT=157 kgC/（hm2·a），其它耕作方式設定為零。

②秸稈還田的固碳速率：根據公式（1）計算：SCSRs=0.0406∑（PiriRi）+181.9（1）

式中SCSRs：秸稈還田的固碳速率，單位kgC/（hm2·a）；P：作物產量，單位kg/（hm2·a），i代表小麥或玉米（下同）；系數r：草谷比，小麥1.366，玉米2[11]；R：作物秸稈還田比例。

③秸稈還田的氮肥替代減排效應：

MNS=∑（ePiriRiFNiDMFi）（2）

式中MNS：氮肥替代減排效應，kgCe/（hm2·a）；e為氮肥生產的排放系數，為1.748 kgCe/（hm2·a）[13]；P、r、R和i代表意義與公式（1）相同；FN：秸稈的干物質含氮量，小麥為0.65%，玉米0.92%；DMF：干物質含量，小麥為0.85，玉米0.78。

根據公式（3）計算土壤總固碳速率SCSR，單位為kgCe/（hm2·a）：

SCSR=SCSRNT+SCSRs+MNS （3）

1.2.2溫室氣體排放本研究將玉米秸稈分為還田和焚燒兩種用途。由于旱地吸收和氧化CH4[13]，而且秸稈干物質的含N量不到1%[10]，因此本研究不考慮還田對CH4和N2O產生的影響。

①耕地溫室氣體排放：根據Lu等（2010）[10]，每次翻耕或旋耕消耗燃油所產生的溫室氣體排放為15.57 kgCe/（hm2·a），根據耕地次數計算溫室氣體排放ED[kgCe/（hm2·a）]。

②秸稈焚燒溫室氣體排放：本研究根據公式（4）計算100年為尺度的全球增溫趨勢，將秸稈不完全焚燒產生的CH4和N2O折算為CO2-C當量并求和：

EB=（0.005FC×16112×25+0.007FN×44128×298）×Pr（1-R）×DMF（4）

式中EB：玉米秸稈焚燒的溫室氣體排放，單位為kgCe/（hm2·a）；FC、FN：玉米秸稈的干物質含碳量和含氮量，分別為44.4%和0.92%；P、r、R和DMF代表意義與公式（1）、（2）相同。

耕地和秸稈焚燒發生的總碳泄漏通過公式（5）計算：

EM=ED+EB（5）

保護性耕作產生的溫室氣體凈排放通過公式（6）進行計算：endprint

NMR=SCSR-EM（6）

式中NMR、SCSR、EM分別指凈減排、土壤總固碳速率、溫室氣體排放，單位均為kgCe/（hm2·a）。

1.2.3經濟成本本研究中的經濟成本指保護性耕作措施下小麥耕種成本，單位為CNY/（hm2·a）。由于玉米秸稈還田導致耕地次數增加，因此成本也增加，但采取免耕播種的方式，一次性完成播種行旋耕、施基肥、播種、起畦等作業，耕種成本下降。

2結果與分析

2.1保護性耕作現狀

通過調查發現，滕州和兗州的小麥秸稈全部還田，玉米秸稈在兗州的所有調查農戶中全量還田，滕州67%農戶進行還田，而且還田量不同（表1）。與不還田農戶相比，還田農戶的耕地次數增加，以便把粉碎秸稈徹底翻到土壤里面。由于技術推廣，兗州有24%農戶采用免耕措施。

2.2凈減排效應

保護性耕作措施中，秸稈還田和免耕都能促進土壤固碳（圖1）。滕州只還田小麥秸稈的方式，固碳速率達到503 kgC/（hm2·a）；還田量增加導致固碳速率增大，當玉米秸稈全量還田，固碳速率增加了100%。由于產量差異不大，因此在不同地區或不同耕地方式下，秸稈全量還田下的固碳速率沒有差異。兗州少量農戶采取免耕的方式，固碳速率增加了157 kgC/（hm2·a）。秸稈還田的氮肥替代減排作用的變化趨勢與固碳效應相同，在只有小麥秸稈還田條件下，替代減排效應為76 kgCe/（hm2·a），當玉米秸稈也全量還田時，替代減排效應大約為240 kgCe/（hm2·a）。

溫室氣體排放主要來自于秸稈焚燒和耕地燃油消耗（圖1）。玉米秸稈全部焚燒的情況下，溫室氣體排放約866 kgCe/（hm2·a），隨著還田量的增加和焚燒減少，溫室氣體排放減少。秸稈還田導致耕地次數增加，每增加一次耕地，排放量大約增加15.57 kgCe/（hm2·a）。由于傳統耕地一般為2～3次，因此排放范圍一般是30～45 kgCe/（hm2·a）。免耕則減少了這部分溫室氣體排放。

在小麥秸稈全還田、玉米秸稈全部焚燒情況下，溫室氣體排放量為318 kgCe/（hm2·a）。當玉米秸稈一半還田一半焚燒時，土壤由源變為匯，固定溫室氣體622 kgCe/（hm2·a）。當玉米秸稈全量還田，吸收固定的溫室氣體凈減排比半量還田增加了1倍。當全量還田結合免耕措施可以吸收溫室氣體1 459 kgCe/（hm2·a）。

傳耕不還：傳統耕地+秸稈不還田；傳耕半還：傳統耕地+秸稈半量還田；傳統全還：傳統耕地+秸稈全量還田；免耕全還：免耕+秸稈全量還田；此處還田指玉米秸稈還田情況，小麥秸稈在所有農戶全量還田。下圖同。

2.3經濟成本

保護性耕作措施中不同耕地方式導致耕地成本發生變化。隨著秸稈還田量的增加，耕地次數增加，成本也上升（圖2）。在傳統耕地條件下，玉米秸稈不還田時，小麥耕種成本為1 110 CNY/（hm2·a）。滕州半量還田和全量還田時的成本分別增加8%和34%。兗州農戶采取免耕全還措施時，與當地采取傳耕全還的農戶相比，成本下降了32%，為1 050 CNY/（hm2·a）。

3結論與討論

滕州和兗州的保護性耕作主要模式是小麥秸稈還田免耕直播玉米（100%），次之是玉米秸稈還田耕地播種小麥（72%），采用玉米秸稈還田免耕播種小麥的農戶最少（13%），這與湯秋香等

圖2滕州和兗州不同保護性耕作措施下的耕種成本

（2008）[14]對華北平原的調查結果一致。保護性耕作要求秸稈還田并減少對土壤擾動，然而調查發現為了減少秸稈還田對播種質量和種子萌芽的影響，農戶增加耕地次數和強度，這表明只有保證作物產量才能促進少免耕的推廣[15]。

保護性耕作的目標在于減少作業次數，提高養分含量和節約經濟成本[18]。本研究兩地區秸稈還田促進耕地次數和強度的增加，這導致耕地成本增大，違背了保護性耕作的原則。因此在保證產量的基礎上，可以激勵農戶采取秸稈還田結合少免耕的保護性耕作模式[19]。

合適的保護性耕作能促進土壤固碳，減少溫室氣體排放[16]。秸稈還田能直接提高土壤有機碳和養分的含量[5]，秸稈含有氮素可替代化學氮肥，這樣就減少了氮肥生產的溫室氣體排放[11]。免耕一方面通過減少土壤擾動和微生物的分解，發揮固碳作用[1]，另一方面減少了燃料的消耗，意味著減少了燃油的溫室氣體的排放[17]。

本研究表明，在玉米秸稈全部焚燒和進行傳統耕地條件下，農田表現是溫室氣體的排放源。而在全量還田結合免耕條件下，農田可以吸收固定溫室氣體1 459 kgCe/（hm2·a），而且成本降低了32%，因此全量還田和免耕相互結合的保護性耕作模式是一項經濟且環境友好的管理措施。

致謝：本研究在調查期間，得到了山東農業大學農學院馬尚宇博士的熱情幫助，特此致謝。

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