保护性耕作对温室气体排放和经济成本的影响

摘要：保护性耕作的基本措施是秸秆还田和少免耕。本研究调查了山东省滕州和兖州保护性耕作的推广现状，估算了不同保耕形式对温室气体净减排和经济成本的影响。结果表明：秸秆还田和耕地方式关系密切，在增加玉米秸秆还田量时，农户会选择增加耕地次数和强度；在玉米秸秆全部焚烧和采取传统耕地条件下，农田温室气体排放为318 kgC/（hm2・a），而在全部还田结合免耕条件下，可以吸收和固定1 459 kgCe/（hm2・a），表明此时的农田是温室气体的吸收汇，而且此时成本较全部还田+传统耕地的成本下降了32%，为1 050 CNY/（hm2・a）。这些结果表明，全部还田+免耕是一项经济且环境友好的保护性耕作方式。

关键词：秸秆还田；免耕；固碳；净排放；成本

中图分类号：S345文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）05-0034-04

正确的农田管理措施能提高土壤质量和作物产量，改善环境，促进可持续发展。耕地为种子萌发、定植和生长提供合适的土壤环境条件，但是频繁耕地会降低土壤质量[1]。随着生活水平的提高，秸秆作为燃料的用量减少，而且运输成本高等，这些因素使农户选择焚烧或废弃秸秆，我国每年废弃焚烧秸秆总量约2.15亿吨[2]。焚烧将秸秆固定的碳重新释放并产生N2O等气体，危害生态环境和土壤质量[3]。

保护性耕作能减少对土壤的扰动，形式包括不翻耕、少耕、深松、覆盖耕作、免耕等[4]。许多研究证明秸秆还田能增加土壤养分[5]、提高有机碳含量[6]和改善作物品质[7]。少免耕减少团聚体破坏，秸秆促进团聚体的形成，团聚体的增加能保护有机物不被分解[8]。保护性耕作减少耕作次数和强度，降低燃料的消耗和温室气体排放。

山东省是中国重要的农业生产基地之一，主要种植模式是小麦―玉米一年两熟，目前保护性耕作已经推广了6亿公顷。由于滕州和兖州尚处于玉米秸秆还田和少免耕推广阶段，新旧技术同时存在，因此通过该调查可以研究保护性耕作技术对土壤固碳、温室气体排放和经济成本的影响。

1材料与方法

1.1调查区域和调查方法

滕州市处于鲁中南山区的西南麓延伸地带，属于黄淮平原，兖州市处于山东泰沂蒙山前冲积平原。两地都属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，年均温13.6℃，四季冷热分明。年均降水量分别为733 mm和773.1mm，集中在夏秋季，雨热同季，全年无霜期210～240天。两地的土壤类型主要为褐土、潮土和砂姜黑土。

本研究采用的保护性耕作数据来自入户问卷调查，调查时间为2011年10月。滕州和兖州随机选取3个乡镇，每个乡镇随机选取3个自然村，有效问卷总数32份，其中滕州15份，兖州17份。

本研究中半量还田指还田量50%～70%，全量还田指还田量≥90%，传统耕地指1次翻耕+2次旋耕或2～3次旋耕，免耕指一次性完成播种行旋耕、施基肥、播种、起畦等作业[9]。

1.2计算方法

不同保护性耕作措施下的温室气体排放和减排，采用的方法和公式来自Lu等（2009， 2010）[6，10]。固碳速率考虑免耕的固碳效应、秸秆还田的固碳效应以及还田的替代氮肥的效应，因为氮肥生产导致温室气体排放，因此秸秆还田减少氮肥用量同时促进减排。温室气体排放考虑耕地的燃油消耗、秸秆焚烧不完全释放产生CH4和N2O。

1.2.1固碳速率①免耕条件下的固碳速率：SCSRNT=157 kgC/（hm2・a），其它耕作方式设定为零。

②秸秆还田的固碳速率：根据公式（1）计算：SCSRs=0.0406∑（PiriRi）+181.9（1）

式中SCSRs：秸秆还田的固碳速率，单位kgC/（hm2・a）；P：作物产量，单位kg/（hm2・a），i代表小麦或玉米（下同）；系数r：草谷比，小麦1.366，玉米2[11]；R：作物秸秆还田比例。

③秸秆还田的氮肥替代减排效应：

MNS=∑（ePiriRiFNiDMFi）（2）

式中MNS：氮肥替代减排效应，kgCe/（hm2・a）；e为氮肥生产的排放系数，为1.748 kgCe/（hm2・a）[13]；P、r、R和i代表意义与公式（1）相同；FN：秸秆的干物质含氮量，小麦为0.65%，玉米0.92%；DMF：干物质含量，小麦为0.85，玉米0.78。

根据公式（3）计算土壤总固碳速率SCSR，单位为kgCe/（hm2・a）：

SCSR=SCSRNT+SCSRs+MNS （3）

1.2.2温室气体排放本研究将玉米秸秆分为还田和焚烧两种用途。由于旱地吸收和氧化CH4[13]，而且秸秆干物质的含N量不到1%[10]，因此本研究不考虑还田对CH4和N2O产生的影响。

①耕地温室气体排放：根据Lu等（2010）[10]，每次翻耕或旋耕消耗燃油所产生的温室气体排放为15.57 kgCe/（hm2・a），根据耕地次数计算温室气体排放ED[kgCe/（hm2・a）]。

②秸秆焚烧温室气体排放：本研究根据公式（4）计算100年为尺度的全球增温趋势，将秸秆不完全焚烧产生的CH4和N2O折算为CO2-C当量并求和：

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

式中EB：玉米秸秆焚烧的温室气体排放，单位为kgCe/（hm2・a）；FC、FN：玉米秸秆的干物质含碳量和含氮量，分别为44.4%和0.92%；P、r、R和DMF代表意义与公式（1）、（2）相同。

耕地和秸秆焚烧发生的总碳泄漏通过公式（5）计算：

EM=ED+EB（5）

保护性耕作产生的温室气体净排放通过公式（6）进行计算：

NMR=SCSR-EM（6）

式中NMR、SCSR、EM分别指净减排、土壤总固碳速率、温室气体排放，单位均为kgCe/（hm2・a）。

1.2.3经济成本本研究中的经济成本指保护性耕作措施下小麦耕种成本，单位为CNY/（hm2・a）。由于玉米秸秆还田导致耕地次数增加，因此成本也增加，但采取免耕播种的方式，一次性完成播种行旋耕、施基肥、播种、起畦等作业，耕种成本下降。

2结果与分析

2.1保护性耕作现状

通过调查发现，滕州和兖州的小麦秸秆全部还田，玉米秸秆在兖州的所有调查农户中全量还田，滕州67%农户进行还田，而且还田量不同（表1）。与不还田农户相比，还田农户的耕地次数增加，以便把粉碎秸秆彻底翻到土壤里面。由于技术推广，兖州有24%农户采用免耕措施。

2.2净减排效应

保护性耕作措施中，秸秆还田和免耕都能促进土壤固碳（图1）。滕州只还田小麦秸秆的方式，固碳速率达到503 kgC/（hm2・a）；还田量增加导致固碳速率增大，当玉米秸秆全量还田，固碳速率增加了100%。由于产量差异不大，因此在不同地区或不同耕地方式下，秸秆全量还田下的固碳速率没有差异。兖州少量农户采取免耕的方式，固碳速率增加了157 kgC/（hm2・a）。秸秆还田的氮肥替代减排作用的变化趋势与固碳效应相同，在只有小麦秸秆还田条件下，替代减排效应为76 kgCe/（hm2・a），当玉米秸秆也全量还田时，替代减排效应大约为240 kgCe/（hm2・a）。

温室气体排放主要来自于秸秆焚烧和耕地燃油消耗（图1）。玉米秸秆全部焚烧的情况下，温室气体排放约866 kgCe/（hm2・a），随着还田量的增加和焚烧减少，温室气体排放减少。秸秆还田导致耕地次数增加，每增加一次耕地，排放量大约增加15.57 kgCe/（hm2・a）。由于传统耕地一般为2～3次，因此排放范围一般是30～45 kgCe/（hm2・a）。免耕则减少了这部分温室气体排放。

在小麦秸秆全还田、玉米秸秆全部焚烧情况下，温室气体排放量为318 kgCe/（hm2・a）。当玉米秸秆一半还田一半焚烧时，土壤由源变为汇，固定温室气体622 kgCe/（hm2・a）。当玉米秸秆全量还田，吸收固定的温室气体净减排比半量还田增加了1倍。当全量还田结合免耕措施可以吸收温室气体1 459 kgCe/（hm2・a）。

传耕不还：传统耕地+秸秆不还田；传耕半还：传统耕地+秸秆半量还田；传统全还：传统耕地+秸秆全量还田；免耕全还：免耕+秸秆全量还田；此处还田指玉米秸秆还田情况，小麦秸秆在所有农户全量还田。下图同。

2.3经济成本

保护性耕作措施中不同耕地方式导致耕地成本发生变化。随着秸秆还田量的增加，耕地次数增加，成本也上升（图2）。在传统耕地条件下，玉米秸秆不还田时，小麦耕种成本为1 110 CNY/（hm2・a）。滕州半量还田和全量还田时的成本分别增加8%和34%。兖州农户采取免耕全还措施时，与当地采取传耕全还的农户相比，成本下降了32%，为1 050 CNY/（hm2・a）。

3结论与讨论

滕州和兖州的保护性耕作主要模式是小麦秸秆还田免耕直播玉米（100%），次之是玉米秸秆还田耕地播种小麦（72%），采用玉米秸秆还田免耕播种小麦的农户最少（13%），这与汤秋香等

图2滕州和兖州不同保护性耕作措施下的耕种成本

（2008）[14]对华北平原的调查结果一致。保护性耕作要求秸秆还田并减少对土壤扰动，然而调查发现为了减少秸秆还田对播种质量和种子萌芽的影响，农户增加耕地次数和强度，这表明只有保证作物产量才能促进少免耕的推广[15]。

保护性耕作的目标在于减少作业次数，提高养分含量和节约经济成本[18]。本研究两地区秸秆还田促进耕地次数和强度的增加，这导致耕地成本增大，违背了保护性耕作的原则。因此在保证产量的基础上，可以激励农户采取秸秆还田结合少免耕的保护性耕作模式[19]。

合适的保护性耕作能促进土壤固碳，减少温室气体排放[16]。秸秆还田能直接提高土壤有机碳和养分的含量[5]，秸秆含有氮素可替代化学氮肥，这样就减少了氮肥生产的温室气体排放[11]。免耕一方面通过减少土壤扰动和微生物的分解，发挥固碳作用[1]，另一方面减少了燃料的消耗，意味着减少了燃油的温室气体的排放[17]。

本研究表明，在玉米秸秆全部焚烧和进行传统耕地条件下，农田表现是温室气体的排放源。而在全量还田结合免耕条件下，农田可以吸收固定温室气体1 459 kgCe/（hm2・a），而且成本降低了32%，因此全量还田和免耕相互结合的保护性耕作模式是一项经济且环境友好的管理措施。

致谢：本研究在调查期间，得到了山东农业大学农学院马尚宇博士的热情帮助，特此致谢。

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