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1有機(jī)和常規(guī)生產(chǎn)中的溫室氣體排放比較

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,氣候、植被、土質(zhì)及農(nóng)田管理諸條件中任何一個(gè)因子的微小變化,都會(huì)改變CO2、N2O、CH4的產(chǎn)生和排放。相對(duì)于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止合成的化學(xué)品投入,一定程度上影響著溫室氣體的產(chǎn)生和排放。

1.1二氧化碳(CO2)排放

農(nóng)業(yè)源CO2的排放主要有兩個(gè)途徑:化石燃料燃燒引起的直接排放和能源間接消耗的排放(如化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)和運(yùn)輸)[57],其中合成化學(xué)氮肥的能耗造成的CO2間接排放達(dá)0.4~0.6Gt[89],相當(dāng)于全球農(nóng)業(yè)直接排放的10%。有機(jī)農(nóng)業(yè)的原則之一是減少不可再生資源的使用,相對(duì)于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)不使用合成的農(nóng)藥和化肥。研究表明,有機(jī)生產(chǎn)比集約化常規(guī)生產(chǎn)能夠明顯減少能源的消耗[67,1011]。不同地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品在有機(jī)和常規(guī)農(nóng)作間CO2的排放差異。由表1可知,冬小麥的有機(jī)種植比常規(guī)生產(chǎn)減少46%~57%的CO2排放量,而種植有機(jī)土豆則減少13%~33%的CO2排放量[1214]。其中,農(nóng)藥和化肥合成造成的CO2間接排放占據(jù)一定比例:例如,英國(guó)常規(guī)小麥生產(chǎn)中,化肥和農(nóng)藥占總能耗的比例分別為56%和11%[8];美國(guó)的常規(guī)小麥和玉米生產(chǎn)則是30%~40%和9%~11%[22];中國(guó)常規(guī)梨生產(chǎn)化肥占總能耗的29%~41%[20]。因此,從單位面積(每公頃)CO2排放量看,有機(jī)農(nóng)業(yè)CO2總排放量低于常規(guī)農(nóng)作,主要是與有機(jī)農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),例如,有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止高能耗的化學(xué)氮肥和農(nóng)藥的投入以及較少喂養(yǎng)高能耗的動(dòng)物飼料。然而,如果從另一角度——單位產(chǎn)量來(lái)比較有機(jī)和常規(guī)生產(chǎn)CO2排放的差異,不同農(nóng)作排放的研究結(jié)果則不盡相同。例如:種植1hm2有機(jī)土豆比生產(chǎn)常規(guī)土豆CO2排放量低,但生產(chǎn)1t有機(jī)土豆CO2排放量則比常規(guī)土豆高[1314];同樣有機(jī)牧場(chǎng)的養(yǎng)殖研究表明,生產(chǎn)1kg有機(jī)牛奶的平均CO2排放量比常規(guī)牛奶高[16];與常規(guī)梨生產(chǎn)相比,生產(chǎn)1t有機(jī)梨的CO2排放量在不同地區(qū)結(jié)果不同,有高有低[20]。不同農(nóng)作單位產(chǎn)量CO2排放量變化范圍從+81%到50%,主要影響因素是產(chǎn)量和機(jī)械耕作的強(qiáng)度[1221]。從耕作角度研究有機(jī)農(nóng)業(yè)CO2的排放,有研究人員提出一些地區(qū)的有機(jī)生產(chǎn)中,因禁止使用除草劑而大量使用機(jī)械除草,導(dǎo)致燃油消耗產(chǎn)生的CO2排放量增多。但大多數(shù)研究表明機(jī)械耕作的能耗通常少于合成化肥和農(nóng)藥的能耗[5,2324]?？傮w來(lái)說(shuō),相對(duì)于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)農(nóng)業(yè)通過(guò)減少投入品的使用,作物輪作,尤其是和大豆的輪作,提高了肥料使用效率,減少了蟲(chóng)害管理的農(nóng)業(yè)措施,從而直接(使用成本)和間接(化學(xué)生產(chǎn)和運(yùn)輸)地減少了使用化肥投入品的能源消耗[5,11,2526]。

1.2氧化亞氮(N2O)排放

農(nóng)業(yè)源N2O的排放占全球人類活動(dòng)排放的60%[2](N2O的溫室氣體當(dāng)量值為CO2的298倍[2]),主要來(lái)自于化肥和有機(jī)氮肥的使用及豆科作物種植;排放量取決于肥料的種類以及肥料的處理和施用方式。有機(jī)農(nóng)業(yè)禁止化肥的施用不僅能夠減少生產(chǎn)化肥的能耗,而且減少化肥使用過(guò)程中NOx排放。文獻(xiàn)報(bào)道在1960~2000年期間,隨著化肥施用量的增多,全球作物氮的利用效率從80%降到30%,從而增加了NOx排放的風(fēng)險(xiǎn)[27]。同樣,在中國(guó),化肥投入和有機(jī)物質(zhì)投入對(duì)農(nóng)田直接NOx排放的貢獻(xiàn)份額分別為77.64%和15.57%[28]。按照目前每年生產(chǎn)化學(xué)氮肥的數(shù)量計(jì)算,排放N2O的總量是農(nóng)業(yè)上人為溫室氣體排放的10%[9]。因此,有機(jī)農(nóng)業(yè)在一定程度上能夠減少N2O的排放風(fēng)險(xiǎn)。基于單位面積計(jì)算N2O排放,有機(jī)農(nóng)業(yè)比常規(guī)耕作低[2930],而Syvsalo等[31]指出有機(jī)牧場(chǎng)產(chǎn)生的N2O排放比常規(guī)耕作低,但沒(méi)有明顯差異。如果基于單位產(chǎn)量計(jì)算N2O的排放,兩種農(nóng)作系統(tǒng)則相似[67,32],或有機(jī)農(nóng)作略高,例如Lundstrm[16]研究了奶牛場(chǎng)的NOx排放量,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)單位產(chǎn)量(1kg)有機(jī)牛奶的NOx排放量略高于常規(guī)牛奶生產(chǎn)。與此同時(shí),有研究表明生產(chǎn)管理措施能夠減少有機(jī)農(nóng)業(yè)中N2O的排放率,如耕作方式、糞肥的使用、種植豆科作物(N來(lái)源)及牧場(chǎng)和草地管理等。Unwin等[33]認(rèn)為,通過(guò)改進(jìn)排水,減少耕作和機(jī)械除草(而不是除草劑的使用),有機(jī)耕作可以減少N2O的排放。也有研究表明一些因素會(huì)提高有機(jī)農(nóng)業(yè)上N2O的排放[34],比如豆科作物的高比例種植,堆肥過(guò)程N(yùn)2O的排放,高強(qiáng)度的耕作導(dǎo)致土壤氮的礦化和N2O的排放。

1.3甲烷(CH4)排放

農(nóng)業(yè)源CH4的排放占全球人類活動(dòng)排放的50%[2](CH4的溫室氣體當(dāng)量值是CO2的25倍)[2],主要來(lái)自于牲畜養(yǎng)殖、水稻種植以及廢棄物分解(包括動(dòng)植物廢棄物和垃圾),其中將近80%的CH4排放來(lái)自牲畜腸道消化代謝,而20%來(lái)自排泄物,并且,液態(tài)排泄物釋放CH4的可能性比固體排泄物大。動(dòng)物糞肥的儲(chǔ)藏和處理以及飼料的種類均會(huì)影響農(nóng)業(yè)CH4的排放。研究表明:CH4排放的效果主要和堆肥的產(chǎn)生和使用有關(guān)系。如果有機(jī)系統(tǒng)的堆肥進(jìn)行發(fā)酵,經(jīng)常通風(fēng)能夠減少厭氧產(chǎn)生的CH4。此外,有機(jī)養(yǎng)殖通常在牧場(chǎng)和稻草房?jī)?nèi)進(jìn)行;而常規(guī)養(yǎng)殖通常使用糞池進(jìn)行糞肥處理,在這種厭氧環(huán)境下極易產(chǎn)生大量的CH4[24]。然而,相對(duì)于常規(guī)養(yǎng)殖的糧食喂養(yǎng),有機(jī)養(yǎng)殖的牲畜通常攝取低質(zhì)量的粗飼料,增加了CH4排放的可能,研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)養(yǎng)殖粗糧的高投入導(dǎo)致CH4的排放量增加8%~10%[7,16,35]。如果研究單位面積CH4的排放,重要的影響因素主要包括牲畜放養(yǎng)的密度、每頭牛喂養(yǎng)的周期、糞肥系統(tǒng)、反芻牲畜的比例等。Cobb等[29]、Unwin等[33]、Lampkin等[36]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)場(chǎng)單位面積的CH4排放比常規(guī)低。原因主要是有機(jī)養(yǎng)殖的牲畜密度通常比常規(guī)低,而喂養(yǎng)周期比較長(zhǎng),其中非產(chǎn)奶期的比例比常規(guī)喂養(yǎng)低,從而產(chǎn)生較少的CH4排放;但有機(jī)農(nóng)場(chǎng)反芻牲畜的比例為80%而常規(guī)則為60%,這一因素造成的CH4排放量增加與有機(jī)農(nóng)場(chǎng)的低密度養(yǎng)殖減少CH4排放可以相互抵消。而單位產(chǎn)量的CH4排放量,尤其是奶牛場(chǎng),有機(jī)和常規(guī)沒(méi)有明顯的區(qū)別[67,37];而Unwin等[33]和Piorr等[34]研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)農(nóng)場(chǎng)的產(chǎn)奶量比常規(guī)低20%,從而有機(jī)奶場(chǎng)單位牛奶的CH4排放比較高。土壤能夠氧化CH4，從而減少CH4排放而成為CH4庫(kù)。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)管理的土壤CH4自身調(diào)節(jié)的效率比常規(guī)管理的土壤高,施有機(jī)肥的土壤CH4氧化能力是施化肥土壤的兩倍[3839]。然而,由于缺乏CH4排放研究,有機(jī)農(nóng)業(yè)環(huán)境資源利用很少評(píng)估CH4的凈平衡及其他定量數(shù)據(jù)。專家根據(jù)文獻(xiàn)推導(dǎo)出以下結(jié)論:有機(jī)農(nóng)業(yè)中單位面積CH4的排放可能較少,而單位產(chǎn)量的CH4排放則比常規(guī)農(nóng)作高(僅限于牛奶生產(chǎn)研究)。

2有機(jī)農(nóng)作土壤固碳潛能分析

另一個(gè)減少溫室氣體排放的措施是提高土壤的固碳能力。實(shí)例研究表明有機(jī)農(nóng)業(yè)不僅能夠減排,而且通過(guò)施入有機(jī)投入品(生物質(zhì)和糞肥),采用保護(hù)地耕作(覆蓋耕作)、大豆輪作等農(nóng)業(yè)措施,提高土壤有機(jī)碳的含量[4,25,40]。不同地區(qū)的專家針對(duì)有機(jī)管理的農(nóng)田土壤固碳潛能開(kāi)展了研究,發(fā)現(xiàn)有機(jī)管理的土壤每年每公頃固碳量為0.2~0.4t(C),每年固定0.9~2.4Gt的CO2,相當(dāng)于全年農(nóng)業(yè)排放溫室氣體總量的15%~47%[4145];同樣,有機(jī)管理土壤的每年每公頃固碳量為300~600kg[10]。一系列有機(jī)和常規(guī)農(nóng)田土壤固碳比較研究也顯示,有機(jī)管理的土壤中有機(jī)質(zhì)含量比常規(guī)管理土壤的有機(jī)質(zhì)含量高[45],有機(jī)農(nóng)田的土壤固碳高于常規(guī)農(nóng)田。例如,Pimentel等[11]開(kāi)展了22年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有機(jī)管理的土壤有機(jī)碳含量提高15%~28%,而常規(guī)耕作則僅提高9%;美國(guó)中部35組有機(jī)和常規(guī)耕作的比較研究也發(fā)現(xiàn),有機(jī)管理措施下的土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)耕作高很多[46]。瑞士專家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期(21年)試驗(yàn)表明,有機(jī)管理系統(tǒng)土壤碳含量穩(wěn)定,而常規(guī)管理系統(tǒng)中碳含量減少15%;Clark等[47]8年長(zhǎng)期試驗(yàn)表明,有機(jī)低投入系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)農(nóng)作提高10%。同樣,在荷蘭,70年有機(jī)管理的農(nóng)場(chǎng)土壤有機(jī)碳含量明顯高于常規(guī)管理[4849]。

分析有機(jī)管理土壤有機(jī)碳含量比常規(guī)高的原因在于,有機(jī)農(nóng)田系統(tǒng)投入較多的動(dòng)植物殘?bào)w增加土壤的碳含量,或者減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的分解率,即碳投入率超過(guò)了分解率。研究表明相對(duì)于常規(guī)和免耕操作而言,有機(jī)農(nóng)戶通常施入較多的有機(jī)碳或者含有機(jī)碳的投入品,通過(guò)投入合適碳氮比的多種有機(jī)物質(zhì)創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)庫(kù)[50];同樣,USDA在馬里蘭進(jìn)行了長(zhǎng)期的有機(jī)生產(chǎn)和免耕常規(guī)生產(chǎn)比較研究,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期有機(jī)耕作的土壤明顯優(yōu)于常規(guī)免耕,原因在于使用糞肥和覆蓋作物能夠彌補(bǔ)耕作引起的碳損失[51]。Drinkwater等[52]在賓夕法尼亞州開(kāi)展有機(jī)和常規(guī)玉米大豆種植系統(tǒng)的比較試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與豆科植物的長(zhǎng)期輪作,不僅可減少土壤有機(jī)質(zhì)投入,降低土壤碳氮比,同時(shí)可提高土壤有機(jī)碳含量,改善土壤的物理性質(zhì)。同樣,有機(jī)農(nóng)作比常規(guī)農(nóng)作確實(shí)能增加15%~28%的有機(jī)碳。因此,動(dòng)物糞肥、有機(jī)物質(zhì)的多樣性以及碳氮比、腐爛率等因素都可能對(duì)這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生很重要的影響[45]。Rodale研究所的科學(xué)家們研究認(rèn)為,如果在所有可耕種的土地上開(kāi)展有機(jī)農(nóng)作,則能夠減少40%的CO2排放。

盡管目前的研究證實(shí)有機(jī)管理在土壤固碳方面存在很高潛力。然而,測(cè)量一定時(shí)期內(nèi)碳存儲(chǔ)具有一定的復(fù)雜性和不確定性,例如地區(qū)多樣性,測(cè)量不確定性,過(guò)程不確定性,實(shí)際的突發(fā)性,以及減少滲漏和儲(chǔ)存碳的適當(dāng)定價(jià)等[53];同時(shí),從長(zhǎng)期看,通過(guò)土壤固碳減少大氣溫室氣體是有限的,不可能無(wú)限制地提高土壤有機(jī)質(zhì)的水平,到一定程度會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡,視土壤和氣候條件以及管理措施而定[54]。例如,Foereid等[42]對(duì)有機(jī)管理的土壤固碳進(jìn)行了模擬,發(fā)現(xiàn)第1個(gè)50年的土壤有機(jī)碳含量增長(zhǎng)很快(每年碳增長(zhǎng)率為10~40g•m2),之后趨于平穩(wěn),100年后幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。盡管上述研究表明土壤固碳的潛能不是無(wú)限制的,但一定程度趨于平穩(wěn)并達(dá)到飽和。也有研究表明,有機(jī)碳長(zhǎng)久穩(wěn)定的狀態(tài)取決于土壤管理以及避免碳減少的措施,例如李玉娥等[55]研究發(fā)現(xiàn)退耕還草后土壤CO2排放通量明顯減少;通過(guò)改進(jìn)的管理措施,全球農(nóng)業(yè)土壤的固碳能力能夠達(dá)到21~51Gt碳,相當(dāng)于2~3年大氣的溫室氣體排放(參照2004年的排放量)[40]。因此,從長(zhǎng)期看,相對(duì)于常規(guī)農(nóng)作,有機(jī)管理方式在減少能源消耗和提高土壤固碳能力方面有一定的優(yōu)勢(shì)和潛力。

3結(jié)論與展望

綜上所述,有機(jī)農(nóng)業(yè)在減排方面符合IPCC的標(biāo)準(zhǔn)(IPCC,InternationalPanelonClimateChange,聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化工作小組),不使用合成的農(nóng)藥和化肥,存儲(chǔ)較多的碳,減少溫室氣體的排放,消除非生物源的N2O排放,減少糞肥厭氧消化產(chǎn)生的CH4。盡管全球不同地區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境不同,管理措施各異,減排的總量很難進(jìn)行定性和定量分析,但如果所有的農(nóng)田系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換為有機(jī)生產(chǎn),則由減少化肥生產(chǎn)和施用減少的排放量大約是農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量的20%,其中10%N2O的排放,10%低能耗的需求。再加上農(nóng)田和牧場(chǎng)土壤固定的碳,能夠減少目前每年農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的40%~72%。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)展大量的有機(jī)農(nóng)業(yè)減排固碳的研究,并已經(jīng)有長(zhǎng)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐,研究成果也已在實(shí)際生產(chǎn)減排中開(kāi)始付諸于實(shí)際,得到政府和民眾的支持。然而,發(fā)展中國(guó)家(包括中國(guó))目前依舊缺少有機(jī)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排和土壤固碳的相關(guān)研究,能夠?yàn)閷?shí)際減排管理提供科技支撐或數(shù)據(jù)量化衡量的研究成果更是少之又少。盡管中國(guó)有機(jī)管理的土地面積已經(jīng)在全世界名列第二,但政府和公眾將更多的焦點(diǎn)則是放在有機(jī)食品的安全、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益上,關(guān)于有機(jī)農(nóng)業(yè)環(huán)境效益方面的系統(tǒng)研究尚未引起足夠的重視,相關(guān)的研究報(bào)道則很少,僅見(jiàn)Liu[56]對(duì)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的環(huán)境評(píng)估做了案例研究;而有機(jī)農(nóng)業(yè)環(huán)境效益方面的政策支持則更少。因此,在中國(guó)特定的氣候、土壤和耕種方式下實(shí)施有機(jī)農(nóng)業(yè),禁止合成的化肥和農(nóng)藥投入,對(duì)有機(jī)農(nóng)業(yè)減排和土壤固碳開(kāi)展系統(tǒng)研究,掌握有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中溫室氣體的排放和固碳機(jī)理,一方面有利于推廣優(yōu)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)措施,緩解溫室效應(yīng),改善土壤質(zhì)量,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和整個(gè)環(huán)境質(zhì)量;另一方面也有助于提升我國(guó)在未來(lái)全球變暖談判中的地位和權(quán)威性,為節(jié)能減排政策的制定和措施的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。