全球變化與土壤固碳潛力研究進(jìn)展

全球變化與土壤固碳潛力研究進(jìn)展

國際能源碳匯演變趨勢《京都宣言》于2005年2月16日正式舉行?！毒┒甲h定書》3.4款提出可以通過增加生態(tài)系統(tǒng)碳庫來補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放。在找到有效的工業(yè)CO2排放替代技術(shù)途徑之前,尋求能源碳排放在農(nóng)業(yè)中的重新收集與固定成為國際上共同努力的方向。地球系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化研究的一個重要任務(wù)就是闡明陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯演變及其對日益升高的大氣CO2的收集與固定能力以及未來演變趨勢。本文根據(jù)國際學(xué)術(shù)發(fā)展動態(tài),討論了我國農(nóng)業(yè)土壤碳循環(huán)與全球變化研究的若干基礎(chǔ)問題,提出了當(dāng)前急迫的研究需求,以期為推動我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化研究提供參考。一、國外的研究與研究動態(tài)土壤中含有有機(jī)碳和無機(jī)碳酸鹽兩種形態(tài)的碳,后者是生物不能直接利用的。全球土壤中無機(jī)碳酸鹽約有1000Pg,而土壤中儲存的有機(jī)碳(SOC)高達(dá)1500Pg,是大氣CO2總量的3倍、陸地生物碳量的約2.5倍。土壤碳通過呼吸產(chǎn)生的CO2排放是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子,與大氣CO2的交換快速。因此,土壤碳庫的穩(wěn)定、增長或釋放都與大氣碳庫的變化有重要的關(guān)系,土壤能否增加碳儲存是關(guān)乎陸地生態(tài)系統(tǒng)能否繼續(xù)發(fā)揮對大氣CO2吸收與固定的碳匯效應(yīng)的重要理論基礎(chǔ)。全球土壤覆蓋面積中農(nóng)業(yè)利用的面積約50億公頃,而耕地占14億公頃。耕地土壤直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn),并可受人為利用和管理措施的較快影響,其碳庫可以在5—10年的尺度上快速調(diào)節(jié)。因此,無論是在2003年美國發(fā)起召開的碳收集領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSequestrationLeadershipForum,2003)中,還是在IPCC2002年開始籌備并將于2005年正式發(fā)布的碳捕獲與收集評估報告(CCaptureandSequestrationAssessmentReport,IPCC2002)中,耕地土壤有機(jī)碳動態(tài)變化與碳固定潛力和趨勢的資料與估計都占有十分重要的份額。自《京都議定書》簽約以來,國際組織和各主要國家紛紛出臺國家間和政府的重大科技計劃項目,開展對耕地土壤固碳潛力及其實(shí)現(xiàn)途徑的分析研究,以作為制定CO2排放清單及提出減排配額的依據(jù)。歐盟在EurocarbonClusterProjects一攬子計劃中開展了對歐盟15國土壤固碳潛力的研究;美國和加拿大在21世紀(jì)初由農(nóng)墾部負(fù)責(zé)完成了全國農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫與固碳潛力的研究;德國通過國家科學(xué)基金會的優(yōu)先項目正進(jìn)行著全國農(nóng)業(yè)土壤固碳潛力及其機(jī)制的研究;法國由國家農(nóng)業(yè)科學(xué)院(INRA)完成了全國土壤普查基礎(chǔ)上的資料匯總與固碳潛力估計的研究;英國也已完成了農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳儲量及固碳潛力的評價工作;比利時由根特大學(xué)土壤管理系為主正在進(jìn)行國家尺度的研究。美國和歐洲還專門撥款研究耕地土壤固碳的技術(shù)經(jīng)濟(jì),專門分析了農(nóng)民在不同經(jīng)濟(jì)政策下的技術(shù)選擇對耕地土壤固碳規(guī)模的影響。世界糧農(nóng)組織對耕地的固碳也十分重視,其對世界耕地土壤的有機(jī)碳儲存與各種利用措施情景下的固碳潛力與可行性進(jìn)行了綜合分析,其成果集中反映在WorldSoilReportNo.96。值得注意的是,自2002年以來,美國分別由國家科學(xué)基金會(NSF)和能源部牽頭在全國各大區(qū)設(shè)立了政府資助的土壤固碳研究中心,其主要任務(wù)是研究土壤特別是農(nóng)業(yè)土壤的固碳技術(shù)與效益。最近,意大利政府撥出600萬歐元研究促進(jìn)土壤固碳的實(shí)用技術(shù),這一項目由Napoli大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授、世界土壤學(xué)聯(lián)合會土壤化學(xué)委員會主席Piccolo博士領(lǐng)導(dǎo)的課題組承擔(dān)。上述國際動態(tài)充分反映了各國政府對土壤碳庫動態(tài)與固碳潛力的重視,這些研究實(shí)際上也體現(xiàn)了各國政府期望通過土壤固碳而爭取更多碳排放配額的要求。發(fā)達(dá)國家科學(xué)界十分關(guān)注人為利用管理下土壤固碳潛力的變化,配合土壤固碳機(jī)理及其影響因素的研究,分析與預(yù)測未來可能通過改變管理政策與農(nóng)業(yè)技術(shù)途徑而提高固碳能力成為研究的一大發(fā)展方向。自從Hassink(1996)發(fā)表了自然土壤中有機(jī)碳固定服從于土壤黏粒含量的研究報告后,土壤碳固定的微團(tuán)聚體保護(hù)機(jī)制研究在西方甚為活躍不同農(nóng)業(yè)管理措施對土壤固碳的影響主要是通過對土壤微團(tuán)聚體更新與轉(zhuǎn)化的改變,從而使有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制發(fā)生變化所致。因而,在微觀上,對不同條件下土壤固碳潛力與機(jī)制的微團(tuán)聚體的研究報道日益增多。另一方面,在宏觀上,對于不同因素對土壤固碳影響的綜合研究也開始活躍起來。2002年,美國橡樹嶺國家生態(tài)實(shí)驗(yàn)室的West和Post發(fā)表了對全球100多個國家的土壤肥料長期試驗(yàn)地土壤碳動態(tài)的分析報告,評價了全球通過合理輪作和耕作措施促進(jìn)土壤固碳的潛力;最近,美國Colorado大學(xué)國家資源生態(tài)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家發(fā)表了對全球不同氣候帶100多個土壤與農(nóng)業(yè)管理的長期試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究點(diǎn)的分析報告,評價了不同的農(nóng)業(yè)管理措施對土壤固碳的影響強(qiáng)度及其隨氣候條件的變化。同時,這個實(shí)驗(yàn)室還對美國每個主要作物帶在不同農(nóng)業(yè)管理措施下的土壤固碳容量與速率進(jìn)行了預(yù)測研究。這些研究反映了國際社會和科學(xué)界對農(nóng)業(yè)土壤固碳能力及其未來變化趨勢的關(guān)注,更代表了不同國家通過摸清其固碳家底來判斷其應(yīng)對國際溫室氣體減排的努力方向與對策選擇的需求。在《京都議定書》正式生效后,無論是對于目前已承擔(dān)義務(wù)的發(fā)達(dá)國家還是對于未來可能承擔(dān)義務(wù)的發(fā)展中國家,這種研究都十分必要。二、在全球變化的背景下，中國耕地和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和固碳：背景、壓力和挑戰(zhàn)1.保證高產(chǎn)400kg/畝耕地生產(chǎn)能力的可持續(xù)發(fā)展一直是我國農(nóng)業(yè)頭等重要的問題,得到我國政府一如既往的重視。我國糧食生產(chǎn)自1998年總產(chǎn)達(dá)到5400億公斤以來,總產(chǎn)和單產(chǎn)出現(xiàn)持續(xù)滑坡。水稻、小麥播種面積急劇下降,玉米、大豆單產(chǎn)變率增大?？偭繙p少、單產(chǎn)不穩(wěn)造成了國家和國際社會對我國未來16億人口糧食安全的嚴(yán)重?fù)?dān)憂(隋鵬飛.糧食生產(chǎn)發(fā)展與土肥工作.中國土壤學(xué)會第10次全國會員代表大會暨學(xué)術(shù)討論會,2004年7月23日,沈陽)。因而,我國未來人口增長下的糧食安全已成為近幾年國際社會地緣政治與環(huán)境政治的嚴(yán)重關(guān)切點(diǎn)。2030年我國人口將達(dá)16億,如果按保守估計,人均糧食需求375kg,在糧食播種面積為1.03億公頃的前提下,我們需要保證單產(chǎn)400kg/畝。而如果要達(dá)到人均450kg的糧食,播種面積如果樂觀地保有1.1億公頃,則仍需達(dá)到單產(chǎn)450kg。因此,即使能保有相應(yīng)的播種面積,單產(chǎn)也必須提高35%—50%。這就是說,在相當(dāng)程度上需要提高耕地的基礎(chǔ)生產(chǎn)力。根據(jù)20世紀(jì)90年代布設(shè)于全國主要農(nóng)作區(qū)的土壤肥力與肥料效應(yīng)監(jiān)測網(wǎng)的地力變化資料(中國植物營養(yǎng)與肥料學(xué)會“全國土壤肥力演變規(guī)律與持續(xù)利用”學(xué)術(shù)討論會,2004年11月22—23日,北京),我國耕地地力發(fā)生著明顯的衰退,表現(xiàn)在化肥利用率不高、產(chǎn)量不穩(wěn)。而我國糧食生產(chǎn)中,地力貢獻(xiàn)率仍然占主要因素:在南方,地力在單產(chǎn)中占50%—60%;北方約占50%—65%。15年以上的長期試驗(yàn)表明,旱作物對地力的依賴還高于水稻。根據(jù)第二次土壤普查資料,可以發(fā)現(xiàn)各糧食主產(chǎn)區(qū)的平均單產(chǎn)水平與其土壤的平均有機(jī)碳含量密切相關(guān)。因此,地力的穩(wěn)定和提高對于我國耕地的糧食生產(chǎn)能力是至關(guān)重要的。多年來我國耕地糧食總體生產(chǎn)能力下降的主要原因,固然有我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中大規(guī)模、無序化占地所引起的耕地地力總體下降的因素。但在耕地總體生產(chǎn)能力下降的同時,導(dǎo)致當(dāng)前我國糧食單產(chǎn)滑坡的重大原因之一是現(xiàn)有耕地基礎(chǔ)地力的急劇消耗與衰退,其突出表現(xiàn)是肥料效益急劇下降,糧食生產(chǎn)的投入成本不斷升高。20世紀(jì)60年代,每公斤氮肥增產(chǎn)水稻15—20kg,小麥10—15kg,玉米20—30kg;80年代增產(chǎn)水稻9kg,小麥10kg,玉米13.4kg,肥料效益下降約30%—50%。90年代,在南方稻區(qū),每公斤氮肥僅增產(chǎn)5—8kg水稻、小麥。地力下降還表現(xiàn)在自然資源成本不斷飆升,當(dāng)前,生產(chǎn)1kg糧食要付出1.2方水、100克化肥和50kg(西南)—150kg(西北)土壤流失的高額成本。2.土壤有機(jī)碳的重新積累,造成了糧食生產(chǎn)的高速滑土壤有機(jī)碳是土壤肥力和基礎(chǔ)地力最重要的物質(zhì)基礎(chǔ),也是決定生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及其穩(wěn)定性的土壤關(guān)鍵組分。我國耕地地力演變的主要特征是土壤有機(jī)碳的貧乏與消耗。換句話說,我國耕地總體生產(chǎn)能力質(zhì)量下降的普遍原因還在于高度集約化、高投入農(nóng)業(yè)發(fā)展中以有機(jī)碳為中心的土壤地力的耗竭。如果說1950—1960年代的糧食生產(chǎn)飛躍是通過墾植、耕地面積擴(kuò)張、自然資源地力消耗所致,那么,1980初至1998年的糧食生產(chǎn)飛躍則是高肥料、高農(nóng)藥投入下刺激地力耗竭所致。自然資源的開發(fā),使耕地有機(jī)碳平均損失了13t/ha,總量損失了約2Pg,相當(dāng)于燃燒了200億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而東北和華北的損失占了一半以上。東北大糧倉的黑土開墾后有機(jī)質(zhì)快速消減,目前大部分僅為15—20g/kg,與南方土壤相近。東北糧食生產(chǎn)的持續(xù)滑坡,與土壤有機(jī)碳快速耗竭是分不開的。耕地土壤有機(jī)碳的損失導(dǎo)致耕地的有機(jī)地力與無機(jī)地力間的嚴(yán)重不平衡,這是我國耕地中普遍存在的除養(yǎng)分非均衡化外的一大資源環(huán)境問題。我國耕地有機(jī)碳含量普遍很低,一般南方在0.8%—1.2%,華北在0.5%—0.8%,東北約在1%—1.5%,西北絕大多數(shù)在0.5%以下。而歐洲農(nóng)業(yè)土壤都在1.5%以上。我國耕地平均有機(jī)碳含量低于世界平均值30%以上,低于歐洲50%以上。我國糧食生產(chǎn)能力由1949年的1億噸左右提高到5.4億噸,付出了20多億噸耕地土壤有機(jī)碳的沉重代價,相當(dāng)于喪失了1000萬公頃中等地力表土。這種損失在東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)最為突出,表土碳庫損失了30%—50%。在高強(qiáng)度化肥投入,尤其是氮肥投入下,我國耕地有機(jī)碳仍存在耗減趨勢,特別是在中西部地區(qū)。3.我國農(nóng)業(yè)固碳發(fā)展面臨的環(huán)境問題根據(jù)預(yù)測,我國2025年的工業(yè)CO2排放量將達(dá)到2Pg,超過美國(1.84Pg)而成為全球第一號排放大國。我國已同意履行《京都議定書》規(guī)定的溫室氣體減排義務(wù),并正在考慮實(shí)施固碳工程。根據(jù)北京大學(xué)方精云教授最近的研究(方精云.中國陸地植被碳匯有多大?:整合遙感和地面觀測數(shù)據(jù).CNC-IGBP2004年會報告,2004年12月21—22日,北京),近20年來,我國森林和草地的植被固碳是0.45Pg,每年僅為0.02Pg,即2000萬噸CO2-C/yr,總量相當(dāng)于其總碳庫的10%左右。相反,耕地碳匯為0.19Pg,每年1000萬噸CO2-C,固碳總量相當(dāng)于農(nóng)業(yè)植被總碳庫的20%強(qiáng)(達(dá)到自然植被的2倍),而耕地面積不到森林和草地面積的1/4。在這種情況下,我國耕地土壤將受到穩(wěn)定生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)固碳的雙重壓力。然而,我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中耕層土壤碳庫已損失了約2Pg,我國耕地有機(jī)碳密度已低于世界平均水平的30%。農(nóng)業(yè)能否有效固碳,如何有效固碳是擺在我國政府面前的一個重大課題,這同時也構(gòu)成了國際社會對我國農(nóng)業(yè)環(huán)境安全的擔(dān)憂。但是,另一方面,我國糧食生產(chǎn)的根本是耕地生產(chǎn)力,后者的中心問題是地力,而地力的關(guān)鍵基礎(chǔ)是土壤有機(jī)碳。從這個角度,作為耕地資源貧困的國家和耕地土壤有機(jī)碳缺乏的國家,我們面臨的固碳壓力和挑戰(zhàn)實(shí)際上又為我們提供了全球變化下未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。隨著環(huán)境友好和固碳減排成為國際農(nóng)業(yè)今后走向,我國的農(nóng)業(yè)必須將地力建設(shè)與有效的固碳結(jié)合起來,走出一條穩(wěn)定生產(chǎn)力和固碳減排雙贏的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之路。在第236次香山科學(xué)會議(香山科學(xué)會議辦公室.“我國農(nóng)田土壤碳庫演變及發(fā)展趨勢”學(xué)術(shù)討論會簡報.2004年9月21—23日,北京)及“全國土壤肥力演變與持續(xù)利用”討論會上,我國農(nóng)業(yè)和土壤碳循環(huán)研究的科學(xué)家們一致認(rèn)為,我國的糧食安全問題是國家和國際社會都嚴(yán)重關(guān)注的問題,在保障糧食安全的同時,我國農(nóng)業(yè)還能不能固碳,這是關(guān)乎我國工業(yè)發(fā)展中應(yīng)對國際環(huán)境威脅論和全球變化國家義務(wù)的另一大問題。我國如果忽視農(nóng)業(yè)在我國溫室氣體減排中的作用,錯過固碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇,我國將在國際全球變化與溫室氣體控制的環(huán)境外交中陷于被動,將在很大程度上影響國家利益。科學(xué)家們強(qiáng)烈呼吁,一個以地力建設(shè)為中心,以穩(wěn)產(chǎn)固碳為雙重目標(biāo)的固碳農(nóng)業(yè)時代已經(jīng)到來,我國必須抓住這一機(jī)遇,迫切需要將糧食安全與農(nóng)業(yè)統(tǒng)籌考慮,認(rèn)真研究糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展與土壤增碳,以地力建設(shè)帶動糧食的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn),同時為工業(yè)發(fā)展提供固碳空間。三、我國耕地穩(wěn)定固碳的科學(xué)研究：特殊問題和創(chuàng)新需求1.耕地土壤有機(jī)碳循環(huán)與固碳的技術(shù)改變國外農(nóng)田土壤碳循環(huán)研究主要是以旱地與保護(hù)性農(nóng)業(yè)為對象發(fā)展起來的,關(guān)于土壤固碳潛力與途徑的理論研究結(jié)果不適用于我國農(nóng)業(yè)實(shí)情。我國所處的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)背景條件的特殊性,決定了我國耕地的農(nóng)業(yè)利用與土壤碳循環(huán)的特殊性,而這種特殊性對耕地土壤固碳潛力及其過程的影響是國際陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中沒有解決而又只能由我國自己來解決的重大科學(xué)理論問題。(1)我國耕地資源短缺背景下的集約化利用與高強(qiáng)度投入對土壤碳循環(huán)的影響與固碳潛力。我國現(xiàn)有耕地1.2億公頃,人均耕地已接近0.8畝的警戒線。我國的耕地中,水田占1/5,旱地中80%是靠天田。我國一直在維持增長中人口的糧食需求,以滿足高產(chǎn)為目標(biāo)的集約化利用和高強(qiáng)度投入是我國農(nóng)業(yè)的最基本特征。我國耕地中有機(jī)碳循環(huán)與養(yǎng)分循環(huán)與發(fā)達(dá)國家以維持高效生產(chǎn)力和合理經(jīng)濟(jì)回報為出發(fā)點(diǎn)的,以免耕、休閑、輪作和農(nóng)林牧復(fù)合等保護(hù)性利用為主的農(nóng)田有很大的差異。(2)以細(xì)碎化為特征的土地分散經(jīng)營機(jī)制和以農(nóng)戶為主體的農(nóng)民自由管理行為對土壤碳循環(huán)的影響。我國自上世紀(jì)80年代初以來,普遍實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包制,土地經(jīng)營規(guī)模普遍較小。在東南沿海省份,家庭占有耕地平均在0.3公頃以下,因此出現(xiàn)耕地承包單元眾多,面積小而分散,這尤其在丘陵山區(qū)更為突出。分散經(jīng)營一方面造成耕地細(xì)碎化,導(dǎo)致包括有機(jī)質(zhì)含量在內(nèi)的耕地屬性的巨大農(nóng)田空間變異性(張琪.近20年來水稻土有機(jī)碳變化———縣級和村級尺度的研究.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004),使我國耕地土壤有機(jī)碳庫估計的不確定性問題相比發(fā)達(dá)國家更為突出;另一方面,一定范圍內(nèi)的土地流轉(zhuǎn),如轉(zhuǎn)包、租賃,影響農(nóng)民的耕地培育投入與最佳的農(nóng)田管理技術(shù)選擇,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)行為上嚴(yán)重限制了土壤固碳措施的推廣及其效益的發(fā)揮。因此,土地經(jīng)營體制下的農(nóng)田土壤碳循環(huán)過程的空間變異與耕地土壤固碳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益將在全國存在巨大的區(qū)域分異,并在總體上影響耕地土壤固碳潛力的評估與實(shí)現(xiàn)。(3)在脆弱生態(tài)環(huán)境和低碳庫背景下耕地土壤碳循環(huán)與固碳過程的特點(diǎn)。我國糧食主產(chǎn)區(qū)分布于東部的東北平原、黃淮海平原區(qū)、長江中下游平原、江南紅黃壤丘陵區(qū)和西部的黃土高原丘陵區(qū)、云貴桂巖溶山地區(qū)與寧夏、內(nèi)蒙沿黃河地區(qū)。除了長江中下游平原外,其它地區(qū)都是不同程度的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)。如上所述,目前我國大部分地區(qū)的耕地土壤有機(jī)碳平均水平都較低,有機(jī)碳含量較高的東北平原是全球變化敏感地區(qū),有機(jī)碳趨向于不穩(wěn)定,碳匯作用正在加速喪失。在這種情況下,土壤中有機(jī)碳的含量狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未達(dá)到粘粒保護(hù)的飽和狀態(tài),也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到土壤微團(tuán)聚體的物理保護(hù)容量極限,這與歐美國家生態(tài)保護(hù)良好條件下土壤有機(jī)碳含量已趨向于土壤有機(jī)碳飽和容量的情況迥異。在有機(jī)碳含量低而不穩(wěn)定的背景下,土壤碳循環(huán)的基本特點(diǎn)是什么?耕地固碳的自然趨勢是什么?固碳的速率和時限又有何特征?這些問題都將是我國耕地土壤碳循環(huán)的特殊問題。2.我國農(nóng)業(yè)和區(qū)域尺度土壤固碳潛力的估計與分析在土壤固碳與穩(wěn)定生產(chǎn)力的雙重壓力下,我國耕地土壤碳庫家底有多大,其演變趨勢如何,固碳潛力可達(dá)到什么規(guī)模及技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性如何?耕地土壤固碳能不能同時穩(wěn)定耕地地力與生產(chǎn)力?采用什么樣的耕地固碳戰(zhàn)略和技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)CO2減排與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的雙贏?這些重大問題如果都不清楚,將嚴(yán)重影響對我國溫室氣體減排能力的評估,進(jìn)而不利于我國環(huán)境外交談判,并限制了我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)規(guī)劃。我們認(rèn)為,當(dāng)前急迫需要研究闡明的主要問題及研究內(nèi)容包括:(1)耕地土壤碳庫及其演變態(tài)勢研究———?dú)W美各國關(guān)于耕地土壤碳庫及其演變的研究開展較早,歐盟和美國、加拿大已經(jīng)完成了農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳庫的國家尺度估算,作為溫室氣體減排清單制定的主要依據(jù)。并且通過以工業(yè)革命以來與最近20—50年農(nóng)業(yè)發(fā)展以來兩個時間尺度,和全球與區(qū)域或國家尺度的大空間尺度的資料對比,利用模型研究了大尺度農(nóng)業(yè)土壤碳庫演變與全球變化的關(guān)系,提出全球耕地土壤自工業(yè)革命以來損失78±12PgC,美國損失了4±1PgC;并認(rèn)為,耕作引起的土壤侵蝕是土壤有機(jī)碳庫損失的主要途徑。國外對我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫變化十分注意,提出我國農(nóng)業(yè)利用下土壤以有機(jī)碳庫損失趨勢為主,20世紀(jì)70年代以來每年損失70Tg,而美國卻每年增加70Tg。這種判斷嚴(yán)重影響到我國農(nóng)業(yè)對全球變化影響的估價。我國至今還沒有一個公認(rèn)的全國土壤碳庫估計值,而農(nóng)業(yè)土壤碳庫估計至今尚是空白。目前已基于第二次土壤普查(1979—1982)資料,對耕作土壤相對于自然土壤的全剖面和表土的碳庫損失形成了初步的國家尺度的估計。趙其國等較早對南方紅壤地區(qū)土壤有機(jī)碳庫及不同利用下的變化作了比較分析,揭示了不同的土壤利用可能對區(qū)域尺度的土壤碳庫演變產(chǎn)生明顯影響。但目前還存在的主要問題是:(1)由于缺乏點(diǎn)面間的空間聯(lián)系研究,難以評價國家或區(qū)域尺度的碳庫及其演變;(2)研究中普遍采用國外已有的土壤有機(jī)碳模型,不符合中國的農(nóng)業(yè)利用現(xiàn)狀,估計值存在嚴(yán)重的不確定性;(3)沒有明確的時間尺度,尚難評價我國不同時期農(nóng)業(yè)發(fā)展中土壤碳庫及其演變的特點(diǎn)與全球變化效應(yīng)。這對于認(rèn)識我國農(nóng)業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)的區(qū)域性和不同的農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐對全球變化的影響及探討對于全球變化的適應(yīng)性機(jī)制嚴(yán)重不足。(2)耕地土壤固碳潛力研究———?dú)W美等國家和國際組織紛紛已經(jīng)或正在評估作出國家或全球農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力(全球0.9±0.3Pg/a,歐盟15國90—120TgC/a,美國202TgC/a)。IPCC第三工作組目前正在作全球溫室氣體減排潛力的第四次評估報告(WG3,AR4,IPCC,2004)。研究全球和區(qū)域尺度耕地土壤固碳潛力最主要的途徑是在典型土壤碳庫損失研究的基礎(chǔ)上,采用模型統(tǒng)計方法作出估計。對于耕地土壤固碳潛力與速率的估計,目前的研究主要是根據(jù)長期試驗(yàn)資料分析不同農(nóng)業(yè)措施(輪作、施肥和耕作)下有機(jī)碳庫的變化。這些研究以發(fā)達(dá)國家的旱地保護(hù)性耕作中的土壤有機(jī)碳增加的趨勢為主要出發(fā)點(diǎn),根據(jù)歐洲、美國等發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)運(yùn)行機(jī)制,考慮到農(nóng)民的利益驅(qū)動,對不同措施和不同經(jīng)濟(jì)杠桿下土壤固碳的潛力進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價,提出現(xiàn)有農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策下土壤固碳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)潛力僅為自然固碳潛力的20%—40%。而美國俄亥俄州立大學(xué)土壤固碳研究中心主任R.Lal(2002)則是根據(jù)我國農(nóng)業(yè)土壤碳庫損失的資料判斷提出我國50年內(nèi)土壤固碳潛力為11Pg,平均每年固碳潛力是224Tg,其中最大的潛力是退化土壤恢復(fù),其次才是農(nóng)業(yè)耕作管理下的土壤固碳。這一估計是否符合我國的實(shí)際情況,我們尚無自己對于耕地土壤固碳潛力的研究予以反應(yīng)。迄今為止,關(guān)于我國農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)土壤碳匯與固碳潛力的國家資料尚為空白。我國一方面要滿足糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展,另一方面耕地處于農(nóng)戶分散經(jīng)營管理下,迫切需要認(rèn)識我國耕地土壤固碳的自然潛力及其現(xiàn)行管理與經(jīng)營下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。(3)土壤固碳與耕地生產(chǎn)力關(guān)系的研究———上已述及,土壤有機(jī)質(zhì)是耕地土壤質(zhì)量或者基礎(chǔ)地力的代表,而旱地農(nóng)業(yè)對基礎(chǔ)地力的依賴要甚于水田。對于我國較普遍的水旱輪作耕地體系來說,土壤有機(jī)質(zhì)水平與地力的關(guān)系與國外的旱地有何差異,這是一個急待明確的問題。土壤有機(jī)碳增加(固碳)對于提高基礎(chǔ)地力的作用,過去主要從土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)育,有機(jī)碳礦化中養(yǎng)分的供應(yīng)以及良好的保水保肥性等不同側(cè)面研究。以往土壤固碳研究中對于土壤碳庫的生物有效性、特別是有機(jī)碳的活潑性與農(nóng)業(yè)管理措施的關(guān)系較為充分,但這種碳庫的積累與碳庫的動態(tài)變化與耕地的基礎(chǔ)生產(chǎn)力間的聯(lián)系機(jī)制及其本質(zhì)的認(rèn)識十分粗淺。近年來,有越來越多的研究提出了土壤有機(jī)