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亚热带生态所两项成果荣获湖南省科学技术奖
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文章来源：亚热带农业生态研究所&&&&发布时间：&&【字号：&&&&&&】
　　2月26日，湖南省委省政府召开湖南省科学技术奖励大会，对2015年度荣获湖南省科学技术奖的人员予以表彰。中国科学院亚热带农业生态研究所所长吴金水及研究员李丽立参加会议。该所吴金水牵头完成的“亚热带稻田土壤碳氮循环关键过程的微生物作用机理研究”成果荣获2015年度湖南省自然科学奖一等奖，李丽立牵头完成的“芽孢杆菌的选育与产品研制及在养殖业中的应用”成果获科技进步二等奖。　　“亚热带稻田土壤碳氮循环关键过程的微生物作用机理研究”成果针对亚热带水稻土的持续生产力与固碳和温室气体排放之间的内在关系与协调机制重大科学问题，以探讨稻田肥力提升与固碳减排科学原理与技术途径为目标，对稻田土壤碳氮循环关键微生物过程机理进行了系统的研究；首次发现稻田土壤微生物光合固碳功能；从景观单元尺度上证实了水稻土的固碳效应消除了“人为作和”的弊端；提出了水稻土有机碳矿化的“阻滞效应”新观点；阐明了水稻土氮素循环关键微生物作用过程机理。在Geochimica et Cosmochimica Acta、Soil Biology and Biochemistry和Applied and Environmental Microbiology等有重要影响的学术期刊上发表文章173篇，其中被SCI收录49篇。20篇主要论文累计影响因子55，他引369次。　　“芽孢杆菌的选育与产品研制及在养殖业中的应用”成果针对我国抗生素过量使用、畜禽氮营养素利用效率不高、饲料成本不断升高问题，通过常规选育、诱变选育和基因敲除选育相结合，筛选和培育出既抑菌、增强免疫以部分替代抗生素，又改善肠道微生物环境、促消化吸收，同时具有高产赖氨酸等特定功能的芽孢杆菌。并在此基础上，组装不同功能的芽孢杆菌组合，研发系列产品，进行较大规模示范推广。　　据悉，湖南省2015年度共评出自然科学奖39项、技术发明奖15项、科技进步奖164项、国际科学技术合作奖2项。&颁奖现场
（责任编辑：陈丹）农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨 　(2)
　　7.我国生物黑炭农业应用的前景
　　当前，我国工业能源温室气体排放量已经位居全球前列，我国承受着巨大的温室气体减排国际压力。近年来，我国政府积极参与了气候变化国际对话，承诺中国政府将与国际社会一起致力于减缓气候变化的行动。我国政府在气候变化国家行动方案中明确了将生态系统碳汇建设作为增强国家温室气体减排能力的主要途径。生物黑炭农业应用将在农业固碳减排中发挥重要作用。其一，我国土壤退化严重，分布广泛,施用生物黑炭可以改善土壤物理性质，提高水土保持能力，有利于防治生态退化和保障生态安全。其二，我国耕地质量总体欠佳，据最新估计，由于建设占地等因素，我国现有耕地中中低产耕地大约占3/4。农业部2004年资料表明，占面积65%的耕地的土壤w(有机质）&1.5%,应用生物黑炭可以显著提高土壤有机质含量，增大土壤有机碳库，这不但对于陆地固碳,而且对于耕地土壤培肥、提高农业生产力均具有重要意义。其三,我国具有丰富的生物质废弃物。我国农业每年产生各类农作物秸轩总量在7亿t左右，其中水稻、小麦、玉米等大宗农作物秸轩在5亿t左右，另外每年产生约21亿t养殖业废弃物。发展废弃物生物黑炭技术及其农业应用可以减少废弃物排放，促进循环农业和提高附加经济效益。
　　可以期望，农业废弃物生物黑炭技术在农业上的应用，能大大提高陆地生态系统固碳减排能力。我国农作物秸轩约有1/4被露天焚烧，已成为我国温室气体释放的重要来源。如果采用合适的技术将其就地转化成为生物黑炭，可以避免约50Tg?a-1的秸轩温室气体排放量（以C计）；以产量10.5thm-2的稻田为例，若秸轩全部转化为生物黑炭以秸轩中w(C)=40%,C转化率20%计），每年可增加土壤有机碳0.84t?hm-2,我国全部稻田(2900万hm2)可增加土壤碳汇20Tg以上。按IPCC第4次评估报告中提出的农业土壤可以减排20%计算，我国农田固碳潜力约为60Tg,可见，生物黑炭回田增加的碳汇可占农田总固碳潜力的1/3。如果全部农田秸轩能通过生物黑炭还田7亿t，秸轩中w(C)=40%,生物黑炭转化率20%],则相当于增加碳汇56Tg。按照全球温室气体排放的组成，农业约占10%~12%,则2006年我国农业温室气体排放总量约0.16Pg,生物黑炭转化与农田施用增加的碳汇能够抵消30%以上的农业温室气体排放总量，这是农业领域最显著的潜在减排途径。另外,根据生物黑炭施用对农田带来的肥料利用率提高、减排等效应，生物黑炭农业应用还可能产生额外的农田温室气体减排效果。
　　从国际动态来看，生物黑炭的碳汇作用可望纳入CDM碳补偿机制，进而可能加入国际碳贸易中进行交易。当前美国的碳交易价格为25美元.t-1,欧盟市场为20欧元?t,如果按上述估算，生物黑炭转化还田若1hm2增加5美元碳补偿,1亿hm2农田的潜在土壤碳汇交易额将达5亿美元以上，这可能有助于我国农业和农民在未来应对气候变化中获得巨大的碳补偿效益，这对于我国农业发展和农民增收是极其有利的。因此，开发秸轩就地处理生物黑炭技术，可以在固碳减排、提高土壤肥力和作物生产力以及增加农民收入方面收到三蠃效果。
　　然而，我国农业技术推广的一些实际困难可能制约这一技术的推广进程。国外农场规模大，秸轩的收集和运输的集约化经营成本较低，秸轩处理率较高，而我国农田规模小，经营分散,秸轩收集和运输成本很大，严重限制了秸轩利用加工产品技术的产业化。若要实现秸轩生物黑炭的应用，首先要解决分散农田的秸轩生物黑炭就地处理还田问题。我国企业界研制的秸轩炭化机体积庞大（最小的占地3m2,体积8m3),反应慢，投入量在100kgh-1以下，且不可移动。美国生物黑炭工程研究中心已经开发出适合农场的移动式就地处理系统，其秸轩投入量可达50～1000kg&h－1，但限于系统装备占地面积仍然较大（10m2)、造价较高（约2~3万美元）22,30]等问题，难以在中国直接引进应用。因而，这些技术和装备还不能直接用于我国农田秸轩生物黑炭就地处理。
　　因此，建议国家重视生物黑炭的固碳减排和农业生产作用，将生物黑炭技术的研发和试验示范列入应对气候变化研究与发展的优先发展领域。我国迫切需要研究开发适用于我国小规模农田、适合以水稻为主的农作物秸轩的快速和高效的生物黑炭转化技术,解决作物秸轩就地处理的机具小型化和可移动性问题。同时，以美国为代表的发达国家开发的生物黑炭农业应用技术，主要是针对旱地种植的玉米、小麦等作物秸轩，我国需要试验研究针对稻-麦轮作、稻-油轮作田上的作物秸轩生物黑炭就地还田的养分配比、施用量和施用方式等问题，提出适合特定轮作体系的秸轩生物黑炭就地还田解决方案，从而配合生物黑炭就地处理机具形成1个生物黑炭农业应用的根本解决方案。
　　8.结语
　　就应对气候变化的固碳减排与农业发展问题而言，已经在世界上形成了生物黑炭农业应用的热潮，并成为各国政府和国际组织、非政府组织推动农业应对气候变化的主要领域，研究和推广机构不断涌现,科学研究资助计划不断推出，在社会经济和国际气候变化方面相关政策、经济和对话机制不断出台。欧美国家已经在生物黑炭农业应用上占据主导地位，我国一方面需要加强在这一领域的国际合作和交流，另一方面,迫切需要针对我国农业经营特色和农业废弃物资源现状,开展生物黑炭技术的试验和应用研究。建议在科技部和农业部应对气候变化相关领域计划中将生物黑炭技术列为优先发展方向，探索将生物黑炭农业应用作为农业、农村发展和应对气候变化的主要途径的技术、经济和政策体系，为我国争取更大的固碳减排空间和生物黑炭应对气候变化对话的更大话语权。
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fabiaoba-com11期王小彬等：中国农业土地利用管理对土壤固碳减；PercentageofCSpotentialf；利用现有田间试验调查结果，对4个农业区3种管理措；4讨论与建议；农业土壤固碳减排作为可以有效减缓温室效应的重要途；球化石燃料燃烧排放量，因此，在向低碳经济过渡中，；中国在国际上被视为温室气体排放大国，但目前中国的；2290中国农业科学44卷；21%和2.8%―
王小彬等：中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的影响 2289
Percentage of CSpotential for each practice in the total industrial greenhouse gas emissions
利用现有田间试验调查结果，对4个农业区3种管理措施下（如施氮肥、秸秆还田和免耕措施）农田土壤固碳潜力预测，分别约为12.1、34.4和4.6 TgC?a-1（可抵消1990年中国化石燃料燃烧的CO2排放量的5.3%），其中秸秆还田的固碳潜力为最大，如能确保有更多的激励政策的制定和执行，中国耕地土壤固碳将会提高2倍。Yan等[50]应用遥感和基于生态系统过程的耦合模型对中国农业土壤固碳潜力评估得出，50%―100%的秸秆还田和50%―100%的农田实施免耕下，土壤固碳潜力分别可达23―57 TgC?a-1和22―43 TgC?a-1。韩冰等[51]在搜集和整理全国典型农业长期定位实验站数据的基础上，对4种管理措施（如施用化肥、秸秆还田、施用有机肥和免耕措施）改善条件下农田土壤固碳潜力预测，分别可达到94.9、42.2、41.4和3.58 TgC?a-1，合计为182.1 TgC?a-1（相当于目前中国能耗碳排放量的24%），认为增施化肥的固碳潜力为最大。然而，逯非等[52]研究指出，在实施农田土壤固碳措施（包括施用氮肥、免耕和保护性耕作、灌溉、秸秆还田、施用禽畜粪便以及污灌等）提高土壤固碳潜力时，有可能影响农业中化石燃料消耗和其它农业投入的CO2排放和非CO2温室气体排放，这些土壤碳库以外的温室气体排放变化可能抵消部分甚至全部土壤固碳效果。Schlesinger[53]也就中国耕地施用化肥对土壤固碳的影响分析指出，中国目前或潜在的来自化肥生产和应用过程中的温室气体排放量（CO2和N2O）均已经超过了期望的化肥施用的土壤固碳潜力（12.1 TgC?a-1）。中国耕地增施氮肥的增碳效益可能会被化肥生产和应用过程中温室气体排放量增加所抵消。张福锁等[54]分析指出, 化肥产业的温室气体排放量巨大，而中国化肥的能源消耗已占到整个农业能源投入的60%―70%，过剩的化肥生产与施用是中国农业丧失碳汇而成为碳源的主要原因。然而，科学施肥至少有10%―30%的减排潜力，减排量大约达14―55 Mt CO2。
讨论与建议
农业土壤固碳减排作为可以有效减缓温室效应的重要途径受到国内外高度关注， Scherr等[55]在“通过粮食生产和土地利用缓解气候变化”报告中强调了农业和土地利用在应对气候变化中的重要地位。资料表明，农业和土地利用二者对温室气体排放的贡献约占1/3，改变土地管理和粮食生产方式可以抵消25%的全
球化石燃料燃烧排放量，因此，在向低碳经济过渡中，任何全球气候变化减排战略，如果不减少来自农业、林业和其它土地利用导致的排放量都是注定要失败的。IPCC在《土地利用、土地利用变化和森林》特别报告编写提纲中列出了可增强农业碳汇的有关活动，如可耕地的保护和转换、草地保护和改良、林地管理、湿地保护、退化土地恢复、保护区、农林业、城镇植被、清洁生物能、农产品和林产品生产等方面[56]。Scherr等[55]指出，通过农业土地利用减缓和吸收温室气体可能在于以下方面：（1）增加土壤碳。通过少耕、减少氮肥用量和防止水土流失最大限度地提高土壤碳吸收能力。（2）种植多年生植物。在粮食、能源和牲畜饲料生产中，可通过种植多年生乔木、灌木、棕榈树和种草提高根枝的固碳能力。（3）气候友好型畜牧业生产。土地利用和农业产生的排放量的一半是源于牲畜业。可通过轮牧和优化饲养减少甲烷排放。（4）恢复退化的流域和牧场。将退化土地恢复和保护重要流域可减少排放量，同时也减少农村贫困。解决气候变化问题的根本措施也就是减少人为温室气体排放或增加对大气中温室气体的吸收。中国目前已成为世界温室气体排放大国，中国在向低碳经济转型中，同样不能忽视农业土地利用及其农业土壤固碳减排对缓解气候变化的贡献。
中国在国际上被视为温室气体排放大国，但目前中国的气候变化应对研究项目尚未包含农业科学和农业经济学专题[57]。在全球温室气体排放总量中，农业排放占13.5%，与交通排放比重（13.1%）大致相当，然而，国际上对农业的关注度远远小于对工业和交通温室气体排放问题的关注。尽管在农田、草地与森林几种土地利用方式中，森林生态系统碳汇功能最强[58]，如据Piao等资料估算[33]，林地植被碳汇约占植被碳汇总量的70%，而农地土壤固碳份额约占土壤碳汇总量的35%，林地土壤碳汇份额约为5%。中国作为农业大国，农业土壤通过改善耕地管理、加强侵蚀控制和退化土地恢复等可以发挥土壤碳增汇效应，为全球温室气体减排作出贡献。然而，中国农业土壤的增碳减排潜力并未给予足够的重视。基于中国农业土地利用管理下的土壤碳汇潜力估算，尤其是推行优化管理措施下，未来50年中国农业土壤固碳减排潜力约为87―393 TgC?a-1，相当抵消中国工业温室气体排放总量的11%―52%。其中有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作措施下的土壤固碳份额分别为6%―11%、15%―
21%和2.8%―11%，农田管理措施固碳份额总计约占30%―36%（相当抵消工业温室气体排放3.4%―19%）；侵蚀管理/退化土壤恢复/荒漠化治理等措施下的土壤固碳份额约占64%―70%（相当抵消工业温室气体排放8%―33%）。显然，目前中国农地土壤碳汇能力及其潜力对中国土壤固碳减排的贡献同样应当给予更多的重视。此外，许多研究已经表明，通过改善反刍动物的营养成分；稻田合理灌溉等，可减少CH4排放；通过提高氮肥利用率；推广施用长效肥和控释肥等，可减少农田N2O排放；通过推广秸秆还田、平衡施肥和少（免）耕等，以及通过侵蚀管理和退化土壤恢复，可减少CO2排放。尤其当采取综合管理措施下，土壤固碳潜力明显高于单项措施的效果[46]。然而，在农业土地利用和管理措施技术的选择上，还需要权衡不同措施在固碳减排中的正负效应，如土壤碳库以外的温室气体排放变化可能对净固碳减排效应的影响。例如免耕的节能和增碳效应也可能由于土壤反硝化作用加强导致土壤N2O排放通量增加而抵消（据Rochette[59]研究，这通常发生在土壤通气条件不畅时），因而免耕也会导致土壤碳收益的负平衡。此外，当有机物料加入到土壤中时，土壤呼吸速率会增大[60]，如山西寿阳旱地玉米不同耕作和养分管理模式下土壤呼吸通量为：少耕＞免耕＞传统耕作；秸秆还田＞牛粪＞化肥＞CK[61]。东北黑土长期施肥下耕地土壤呼吸通量观测也有类似结果[62]：有机肥＞NPK化肥＞CK。对化肥来说，中国化肥生产和应用过程中温室气体排放（CO2和N2O）增加可能抵消增施氮肥的增碳效益，对于固碳减排作用也会有所“折扣”[52-53]。因此，中国作为化肥生产和使用大国，化肥生产和应用过程中产生的温室气体对碳平衡的负效应给予重视，进一步通过化肥减施和改善肥料利用效率来提高农业土壤固碳减排净效应。
目前，关于中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的估算和评价仍存在很大的不确定性，农业土地利用管理措施下的土壤碳估算值之间都有很大差异，这种差异可能主要是来自于生态系统的复杂性和不同研究者所用研究方法和手段的局限性[63]；是由于不同估算方法之间的差异以及估算中的各种不确定性造成的[64]；观测资料缺乏可比性；研究资料的时间与空间或分析方法的不同；影响生态系统呼吸作用因素考虑的不足；模型的不完善等[65]。方精云等 [66]认为，中国土壤碳汇的测定数据仍然极少, 成为中国碳汇估算中最不确定的部分。今后的研究需要在重视加强不
同管理措施下土壤碳汇时空变化过程（包括地上和地下部分碳循环过程）数据积累的基础上，结合运用土壤碳循环过程模型模拟手段，通过不同区域田间试验和调查、模型参数获取和校正、模型方法的完善和验证，以提高模拟预测精度，从而降低土壤碳汇潜力估算的不确定性因素。
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　中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的 影响[J]. 中国农业科学,4-2293. [15] 潘根兴,李恋卿,郑聚锋,张旭辉,周萍. 土壤碳循环研究及中国稻田土壤... 　中国农业土地利用管理对土壤固碳减排潜力的影响 64……液中膜 MBR 工艺在中水处理中的工程应用 65……浸入式膜生物反应器中水回用工程应用 66……微污染水源水...}