Status of Carbon Sequestration and Emission Reduction, Influencing Factors and Emission Reduction Measures in Typical Agro-ecosystem in China

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0242

Abstract

Abstract:

Agro-ecosystem is not only one of the important contributors to greenhouse gases, but also plays an important role in carbon sequestration and emission reduction. Under the background of “CO₂ emission peak” and “carbon neutrality”, agro-ecosystem has great potential for carbon sequestration and emission reduction. In this paper, we mainly reviewed the sources, fixed pathways, and influencing factors of main greenhouse gases in China’s typical agro-ecological types. Meantime, the specific contents were discussed including the existing research results, emission reduction potential and existing problems of carbon sequestration and emission reduction in agro-ecosystem. New research directions and exploration approaches were summarized to promote the research in the field of carbon sequestration in the entire agroecological system. It provided an important theoretical reference for China to further carbon sequestration and emission reduction, sustainable development of agriculture, and the realization of the “double carbon” goal as soon as possible.

Key words: carbon sequestration and reduction, greenhouse gases, agro-ecosystem, carbon emission sources, soil carbon sequestration

WANG Jianwei, LI Dongxiao, WANG Hongguang, LI Haoran, WANG Qianyi, ZHANG Mingzhe, LI Ruiqi. Status of Carbon Sequestration and Emission Reduction, Influencing Factors and Emission Reduction Measures in Typical Agro-ecosystem in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2024, 40(6): 67-74.

References 115

[1]	UNEP United Nations Environment Programme. Emissions gap report 2020[C]. Nairobi(2020) https://www.unep.org/emissions-gap-report-2020.
[2]	王晓飞. 增密减氮对稻田温室气体排放及水稻产量的影响[D]. 南京: 南京农业大学, 2013.
[3]	周凤起. 发展环境友好能源保护环境和公众健康[J]. 冶金管理, 2004(12):41-44.
[4]	周广胜. 全球碳循环[M]. 北京: 北京气象出版社, 2003.
[5]	PAUSTIAN K, COLE C V, SAUERBECK D, et al. CO₂ mitigation by agriculture: an overview[J]. Climatic change, 1998, 40(1):135-162. doi: 10.1023/A:1005347017157 URL
[6]	ZHANG X, XU X, LIU Y, et al. Global warming potential and greenhouse gas intensity in rice agriculture, driven by high yields and nitrogen use efficiency[J]. Biogeosciences, 2016, 13(9):2701-2714. doi: 10.5194/bg-13-2701-2016 URL
[7]	谢永浩, 刘争. 中国省域种植业碳汇量、碳排放量的时空分异及公平性研究[J]. 世界农业, 2022(2):100-109.
[8]	IPCC. Climate Change 2013:The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[C]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.
[9]	YOUSEFI M, DAMGHANI A M, KHORAMIVAFA M. Comparison greenhouse gas (GHG) emissions and global warming potential (GWP) effect of energy use in different wheat agroecosystems in Iran[J]. Environmental science and pollution Research, 2016, 23(8).
[10]	雷晓峰, 陈章发. 转变农业生产方式适应与减缓气候变化影响——以南方水稻产区湖南省宁乡县为例[J]. 农业部管理干部学院学报, 2011(3):6-9.
[11]	COUˆTEAUX M M, BOTTNER P, BERG B. Litter decomposition, climate and liter quality[J]. Trends in ecology & evolution, 1995, 10(2):63-66. doi: 10.1016/S0169-5347(00)88978-8 URL
[12]	范紫月, 齐晓波, 曾麟岚, 等. 中国农业系统近40年温室气体排放核算[J]. 生态学报, 2022, 42(23):9470-9482.
[13]	尚杰, 杨果, 于法稳. 中国农业温室气体排放量测算及影响因素研究[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(3):354-364.
[14]	周炜, 张岳芳, 朱普平, 等. 种植制度对长江下游稻田温室气体排放的影响[J]. 江苏农业学报, 2017, 33(2):340-345.
[15]	ZHANG D, SHEN J, ZHANG F, et al. Carbon footprint of grain production in China[J]. Scientific reports, 2017, 7(1):4126. doi: 10.1038/s41598-017-04182-x pmid: 28663590
[16]	张文静. 稻田种养结合循环农业温室气体排放的调控与机制[J]. 山西化工, 2020, 40(6):222-223,227.
[17]	窦应瑛. 大连市农业活动领域温室气体排放清单估算及评价[J]. 绿色科技, 2022, 24(10):163-166,173.
[18]	TIAN H Q, XU R T, CANADELL J G, et al. A comprehensive quantification of global nitrous oxide sources and sinks[J]. Nature, 2020, 586(7828):248-256. doi: 10.1038/s41586-020-2780-0
[19]	张星. 生物炭和秸秆还田对华北农田N₂O排放的影响及机理研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2016:20-21.
[20]	LIU T Q, LI S H, GUO L G, et al. Advantages of nitrogen fertilizer deep placement in greenhouse gas emissions and net ecosystem economic benefits from no-tillage paddy fields[J]. Journal of cleaner production, 2020, 263:121322. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.121322 URL
[21]	阮俊梅, 宋振伟, 王全辉, 等. 中国农田减缓气候变化的潜力与技术途径[J]. 中国农学通报, 2020, 36(5):98-102. doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190800585
[22]	赵成义. 陆地不同生态系统土壤呼吸及土壤碳循环研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2004.
[23]	朱燕茹. 山东省农田生态系统碳源碳汇时空格局演变[D]. 济南: 山东师范大学, 2019.
[24]	左红娟, 曹辉, 石彦召. 河南省小麦—玉米典型农田生态系统碳源/汇变化分析[J]. 农业科技通讯, 2017(7):63-65.
[25]	史磊刚, 陈阜, 孔凡磊, 等. 华北平原冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2011, 21(9):93-98.
[26]	王钰乔, 濮超, 赵鑫, 等. 中国小麦、玉米碳足迹历史动态及未来趋势[J]. 资源科学, 2018, 40(9):1800-1811. doi: 10.18402/resci.2018.09.10
[27]	肖广敏, 茹淑华, 侯利敏, 等. 河北省小麦玉米生产体系碳足迹分析[J]. 生态与农村环境学报, 2022, 38(11):1388-1395.
[28]	郭腾飞, 梁国庆, 周卫, 等. 施肥对稻田温室气体排放及土壤养分的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(2):337-345.
[29]	ZHU E, DENG J, WANG H, et al. Identify the optimization strategy of nitrogen fertilization level based on trade-off analysis between rice production and greenhouse gas emission[J]. Journal of cleaner production, 2019, 239:118060. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.118060 URL
[30]	SMARTT A D, BRYE K R, ROGERS C W, et al. Previous crop and cultivar effects on methane emissions from drill-seeded, delayed-flood rice grown on a clay soil[EB/OL]. Applied and environmental soil science, 2016, http://dx.doi.org/10.1155/2016/9542361.
[31]	秦晓波. 减缓华中典型双季稻田温室气体排放强度措施的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2011.
[32]	唐志伟, 张俊, 邓艾兴, 等. 我国稻田甲烷排放的时空特征与减排途径[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2022, 30(4):582-591.
[33]	赵荣钦, 黄爱民, 秦明周, 等. 中国农田生态系统碳增汇/减排技术研究进展[J]. 河南大学学报:自然科学版, 2004(1):60-65.
[34]	刘允芬. 农业生态系统碳循环研究[J]. 自然资源学报, 1995(1):1-8.
[35]	白福臣, 高鹏, 郑沃林. 粮食主产区农田生态系统碳足迹的时空演化与脱钩效应[J/OL]. 生态经济:1-22[2022-12-26]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/53.1193.F.20220824.0938.006.html.
[36]	罗文兵, 邓明君, 向国成. 我国棉花种植化肥施用的碳排放时空演变及减排潜力[J]. 经济地理, 2015, 35(9):149-156.
[37]	李娜, 陈建中, 李宇飞. 湿地温室气体气相色谱分析及采样-进样技术研究进展[J]. 分析测试技术与仪器, 2010, 16(4):213-217.
[38]	万运帆, 李玉娥, 林而达, 等. 静态箱法测定旱地农田温室气体时密闭时间的研究[J]. 中国农业气象, 2006(2):122-124.
[39]	吕凤莲, 杨学云, 赵冉, 等. 静态箱/气相色谱法监测农田温室气体排放研究[J]. 实验技术与管理, 2022, 39(9):15-24.
[40]	武开阔, 张丽莉, 宋玉超, 等. 稳定性氮肥配合秸秆还田对水稻产量及N₂O和CH₄排放的影响[J]. 应用生态学报, 2019, 30(4):1287-1294.
[41]	刘杏认, 张星, 张晴雯, 等. 施用生物炭和秸秆还田对华北农田CO₂、N₂O排放的影响[J]. 生态学报, 2017, 37(20):6700-6711.
[42]	王娜. 河南省低碳农业发展水平及其评价[J]. 中国农业资源与区划, 2018(2):123-127.
[43]	周自翔, 李晶, 冯雪铭. 基于GIS的关中-天水经济区土地生态系统固碳释氧价值评价[J]. 生态学报, 2013, 33(9):2907-2918.
[44]	杜睿, 王庚辰, 吕达仁, 等. 静态箱法原位观测草原CO₂通量的探讨[J]. 生态学报, 2002(12):2167-2174.
[45]	LIANG N, NAKADAI T, HIRANO T, et al. In situ comparison of four approaches to estimating soil CO₂ efflux in a northern larch (Larix kaempferi Sarg.) forest[J]. Agricultural and forest meteorology, 2004, 123(1-2):97-117. doi: 10.1016/j.agrformet.2003.10.002 URL
[46]	WANG W J, ZU Y G, WANG H M, et al. Effect of collar insertion on soil respiration in a larch forest measured with a LI-6400 soil CO₂ flux system[J]. Journal of forest research, 2005, 10(1):57-60. doi: 10.1007/s10310-004-0102-2 URL
[47]	潘冬荣, 孙斌. 温室气体及常用研究方法[J]. 甘肃科技, 2017, 33(7):54-56.
[48]	林茂. 土壤温室气体通量测定方法的比较和评价[J]. 湖南农业科学, 2012(9):44-46,50.
[49]	耿绍波, 饶良懿, 鲁绍伟, 等. 国内应用LI-8100开路式土壤碳通量测量系统测量土壤呼吸研究进展[J]. 内蒙古农业大学学报:自然科学版, 2010, 31(3):309-316.
[50]	赵广东, 王兵, 杨晶, 等. LI-8100开路式土壤碳通量测量系统及其应用[J]. 气象科技, 2005(4):363-366.
[51]	张振超, 王金牛, 孙建, 等. 土壤温室气体测定方法研究进展[J]. 应用与环境生物学报, 2019, 25(5):1228-1243.
[52]	耿绍波, 鲁绍伟, 饶良懿, 等. 基于涡度相关技术测算地表碳通量研究进展[J]. 世界林业研究, 2010, 23(3):24-28.
[53]	李思恩, 康绍忠, 朱治林, 等. 应用涡度相关技术监测地表蒸发蒸腾量的研究进展[J]. 中国农业科学, 2008(9):2720-2726.
[54]	钟川. 稻田不同种植模式对土壤肥力、细菌多样性及温室气体排放的影响[D]. 南昌: 江西农业大学, 2019.
[55]	WEST T O, MARLAND G. A synthesis of carbon sequestration, carbon emissions, and net carbon flux in agriculture: comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture, ecosystems & environment, 2002, 91(1-3):217-232. doi: 10.1016/S0167-8809(01)00233-X URL
[56]	JOHNSON J M F, FRANZLUEBBERS A J, WEYERS S L, et al. Agricultural opportunities to mitigate greenhouse gas emissions[J]. Environmental pollution, 2007, 150(1):107-124. pmid: 17706849
[57]	周胜, 宋祥甫, 颜晓元. 水稻低碳生产研究进展[J]. 中国水稻科学, 2013, 27(2):213-222.
[58]	BENNETZEN E H, SMITH P, PORTER J R. Decoupling of greenhouse gas emissions from global agricultural production:1970-2050[J]. Global change biology, 2016, 22(2):763-781. doi: 10.1111/gcb.2016.22.issue-2 URL
[59]	WANG X H. Changes in CO₂ emissions induced by agricultural inputs in China over 1991-2014[J]. Sustainability, 2016, 8(5):414- 426. doi: 10.3390/su8050414 URL
[60]	SMITH P, MARTINO D, CAI Z, et al. Greenhouse gas mitigation in agriculture[J]. Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences, 2008, 363(1492):789-813. doi: 10.1098/rstb.2007.2184 URL
[61]	周伟. 中国典型农田土壤有机碳降解温度敏感性及影响因素分析[D]. 北京: 中国农业科学院, 2020.
[62]	潘根兴, 陆海飞, 李恋卿, 等. 土壤碳固定与生物活性:面向可持续土壤管理的新前沿[J]. 地球科学进展, 2015, 30(8):940-951. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2015.08.0940
[63]	程功, 刘廷玺, 李东方, 等. 生物炭和秸秆还田对干旱区玉米农田土壤温室气体通量的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(7):1004-1014.
[64]	ZHANG Z N, CHEN G F, SUN H F, et al. Straw biochar hastens organic matter degradation and produces nutrient-rich compost[J]. Bioresource technology, 2016, 200:876-883. doi: 10.1016/j.biortech.2015.11.016 pmid: 26600456
[65]	马艳芹, 钱晨晨, 孙丹平, 等. 施氮水平对稻田土壤温室气体排放的影响[J]. 农业工程学报, 2016, 32(S2):128-134.
[66]	黄耀, 孙文娟. 近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势[J]. 科学通报, 2006(7):750-763.
[67]	逯非, 王效科, 韩冰, 等. 稻田秸秆还田:土壤固碳与甲烷增排[J]. 应用生态学报, 2010, 21(1):99-108.
[68]	李长生, 肖向明, FROLKING S, 等. 中国农田的温室气体排放[J]. 第四纪研究, 2003(5):493-503.
[69]	万小楠, 赵珂悦, 吴雄伟, 等. 秸秆还田对冬小麦-夏玉米农田土壤固碳、氧化亚氮排放和全球增温潜势的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(1):569-576.
[70]	郭军成, 王明国, 周洋, 等. 持续秸秆还田对土壤理化性状及玉米产量的影响[J]. 农业科学研究, 2020, 41(1):1-6.
[71]	LU F, WANG X, HAN B, et al. Soil carbon sequestrations by nitrogen fertilizer application, straw return and no-tillage in China's cropland[J]. Global change biology, 2009, 15(2):281-305. doi: 10.1111/gcb.2009.15.issue-2 URL
[72]	POWLSON D S, RICHE A B, COLEMAN K, et al. Carbon sequestration in European soils through straw incorporation: limitations and alternatives[J]. Waste management (New York, N. Y.), 2008, 28(4).
[73]	刘志伟, 朱孟涛, 郭文杰, 等. 秸秆直接还田与炭化还田下土壤有机碳稳定性和温室气体排放潜力的对比研究[J]. 土壤通报, 2017, 48(6):1371-1378.
[74]	胡乃娟, 史航, 朱利群. 不同麦秸还田方式对周年稻麦轮作农田碳足迹的影响[J]. 长江流域资源与环境, 2018, 27(12):2775-2783.
[75]	吴洁. 不同秸秆还田方式与秸秆生物炭施用对农田温室气体排放和土壤固碳的影响[D]. 南京: 南京农业大学, 2014.
[76]	程琨. 农田减缓气候变化潜力的统计计量与模型模拟[D]. 南京: 南京农业大学, 2013:71-88.
[77]	蔡祖聪, 徐华, 卢维盛, 等. 冬季水分管理方式对稻田CH₄排放量的影响[J]. 应用生态学报, 1998(2):171-175.
[78]	张玉铭, 胡春胜, 张佳宝, 等. 农田土壤主要温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)的源/汇强度及其温室效应研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2011, 19(4):966-975.
[79]	刘悦. 水稻生态系统植物岩固碳研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018.
[80]	陈松文, 刘天奇, 曹凑贵, 等. 水稻生产碳中和现状及低碳稻作技术策略[J]. 华中农业大学学报, 2021, 40(3):3-12.
[81]	王雅楠, 张琪琳, 陈伟. 基于碳汇功能的省域农业碳排放及减排潜力研究—以中国三种主要粮食作物为例[J]. 重庆社会科学, 2022(5):58-75.
[82]	李锐, 杨恒山, 邰继承. 灌溉方式对农田温室气体排放影响研究进展[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学版), 2020, 35(5):402-407.
[83]	沈吉成, 赵彩霞, 刘瑞娟, 等. 耕作措施对旱农区农田土壤质量与碳排放的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2022(1):122-130.
[84]	韩宾, 孔凡磊, 张海林, 等. 耕作方式转变对小麦/玉米两熟农田土壤固碳能力的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(1):91-98.
[85]	胡立峰, 李洪文, 高焕文. 保护性耕作对温室效应的影响[J]. 农业工程学报, 2009, 25(5):308-312.
[86]	唐晓红, 邵景安, 高明, 等. 保护性耕作对紫色水稻土团聚体组成和有机碳储量的影响[J]. 应用生态学报, 2007(5):1029-1034.
[87]	祁剑英, 马守田, 刘冰洋, 等. 保护性耕作对土壤有机碳稳定化影响的研究进展[J]. 中国农业大学学报, 2020, 25(1):1-9.
[88]	杜勇利. 玉米—大豆单套作系统土壤温室气体排放规律研究[D]. 成都: 四川农业大学, 2018.
[89]	侯连涛. 多重视角下小麦-玉米轮作体系碳排放研究[D]. 长春: 吉林大学, 2022.
[90]	殷文, 史倩倩, 郭瑶, 等. 秸秆还田、一膜两年用及间作对农田碳排放的短期效应[J]. 中国生态农业学报, 2016, 24(6):716-724.
[91]	陈炜, 殷田园, 李红兵. 1997-2015年中国种植业碳排放时空特征及与农业发展的关系[J]. 干旱区资源与环境, 2019, 33(2):37-44.
[92]	王才军, 孙德亮, 张凤太. 基于农业投入的重庆农业碳排放时序特征及减排措施研究[J]. 水土保持研究, 2012, 19(5):206-209.
[93]	WANG L M, HUANG D F, LIN X J, et al. Effect of fertilizer managements on soil quality and productivity in tea farms[J]. Indian horticulture journal, 2017, 7(1):15-23.
[94]	毛霞丽, 陆扣萍, 何丽芝, 等. 长期施肥对浙江稻田土壤团聚体及其有机碳分布的影响[J]. 土壤学报, 2015, 52(4):828-838.
[95]	LAL R. Food security in a changing climate[J]. Ecohydrology & hydro-biology, 2013, 13(1):8-21.
[96]	刘学彤, 郑春莲, 曹薇, 等. 长期定位施肥对土壤有机质、不同形态氮含量及作物产量的影响[J]. 作物杂志, 2021(4):130-135.
[97]	谢钧宇. 冬小麦/夏玉米体系长期施肥塿土固碳潜力及机制研究[D]. 咸阳: 西北农林科技大学, 2017.
[98]	沈亚文. 玉米‖大豆模式温室气体排放规律及影响因素研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2018.
[99]	汤勇华. 中国农田化学氮肥施用和生产中温室气体(N₂O、CO₂)减排潜力估算[D]. 南京: 南京农业大学, 2010.
[100]	雷利国. 地膜覆盖对菜地CO₂和CH₄排放的影响研究[D]. 重庆: 西南大学, 2016:29-33.
[101]	殷涛. 地膜覆盖对旱作春玉米田碳平衡影响的研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2019:44-55.
[102]	冯浩, 刘晶晶, 张阿凤, 等. 覆膜方式对小麦-玉米轮作农田生态系统净碳汇的影响[J]. 农业机械学报, 2017, 48(4):180-189.
[103]	张扬, 李涵, 赵正豪. 中国粮食作物种植变化对省际农业碳排放量的影响研究[EB/OL]. 中国农业资源与区划:1-12[2023-01-20]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3513.S.20220831.1438.012.html.
[104]	李仅凤. 中国粮食主产区碳排放核算实证研究[J]. 农村.农业.农民(B版), 2022(8):44-46.
[105]	张晓萱, 秦耀辰, 吴乐英, 等. 农业温室气体排放研究进展[J]. 河南大学学报(自然科学版), 2019, 49(6):649-662,713.
[106]	ZHANG J T, TIAN H Q, SHI H, et al. Increased greenhouse gas emissions intensity of major croplands in China: implications for food security and climate change mitigation[J]. Global change biology, 2020, 26(11):6116-6133. doi: 10.1111/gcb.v26.11 URL
[107]	SARA J S, SAJAL S. Mitigating Climate Change Through Food and Land Use[M].2009-06-01.
[108]	韩冰, 王效科, 逯非, 等. 中国农田土壤生态系统固碳现状和潜力[J]. 生态学报, 2008, 28(2).
[109]	田慎重, 王瑜, 宁堂原, 等. 转变耕作方式对长期旋免耕农田土壤有机碳库的影响[J]. 农业工程学报, 2016, 32(17):98-105.
[110]	李甜甜, 季宏兵, 孙媛媛, 等. 我国土壤有机碳储量及影响因素研究进展[J]. 首都师范大学学报(自然科学版), 2007(1):93-97.
[111]	周晓雪. 农产品贸易开放对中国农业碳排放绩效的影响研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2020.
[112]	方精云, 郭兆迪. 寻找失去的陆地碳汇[J]. 自然杂志, 2007(1):1-6.
[113]	杨青林, 桑利民, 孙吉茹, 等. 我国肥料利用现状及提高化肥利用率的方法[J]. 山西农业科学, 2011, 39(7):690-692.
[114]	HE Y Q, ZHU S Y, ZHANG Y, et al. Calculation, elasticity and regional differences of agricultural greenhouse gas shadow prices[J]. Science of the total environment, 2021, 790:148061. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.148061 URL
[115]	舒晓晓, 刘智杰. 浅析农田温室气体排放的影响因素[J]. 中国农学通报, 2019, 35(35):100-103. doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18100032