传统农业模式与农牧结合模式中温室气体排放的比较研究

传统农业模式与农牧结合模式中温室气体排放的比较研究

随着《coll-key协议》的签署，以及国际土地圈生物圈计划（igbp）的推广，以及政府间全球变化委员会（picc）的发表和国际合作的加强，温室气体排放的研究已成为世界变化研究的重点领域[1.5]。我国作为农业大国,在产量连创新高的同时,传统农业模式只片面追求高产而忽视生态问题,所造成的污染也日益严重。焚烧秸秆,弃置粪便等问题在农村普遍存在,这不仅浪费了宝贵的生物资源,还释放了大量的温室气体,严重制约了农业的可持续发展。因此,中国的温室气体减排不应该仅限于工业,更应该着眼于改变当前的农业生产模式,使其为减排做出更大贡献,走上可持续发展道路。在改良农业模式以达到减少温室气体的研究中,国内外均作出了一定的研究,但此类研究或限于单一领域,如对农牧业中单一温室气体的释放源进行治理以达到减排目的实验[16～18];或进行区域过于广大的综合性研究,如在以省市或以整片自然区域为实验对象的区域上构建模型以进行整体分析的实验[19～21];以小区域为实验对象进行新型耕作模式,并进行精确的生态与经济分析的实验十分稀少。针对此种现状,本实验着眼于小区域,以个体农户的生产中三种主要温室气体的释放状况为研究对象,分别核算出传统农业模式与本实验设计的农牧结合模式中温室气体的总排放量,并将其与经济分析挂钩,为推广该模式提供科学依据。一、实验概述1.1实验区域概述本实验区域在吉林省五棵树经济开发区进行,吉林省五棵树经济开发区是以农业、牧业为主要发展方向的综合开发区。该地区温度适宜,气候良好,属中温带半湿润温和气候区,四季分明,日照充足,有效积温2800℃。年均降雨量620mm,具备农作物和经济作物生长的良好气象条件。与此同时,该地区畜牧业资源丰富,有东北地区最大的肉牛交易市场,肉牛年存栏100万头左右,年出栏30万头以上,为肉牛屠宰加工业发展提供充足牛源。1.2实验设计试验分传统与农牧结合两个模式进行,两种模式均包含1公顷玉米农田与四头肉牛(选择饲养四头肉牛的理由是:1公顷秸秆掺加少量玉米面正好能够喂养4头肉牛至出栏)。实验为田间试验与牧场试验站相结合的模式。其中田间试验时间为2010年4月至2010年10月,试验区域选择为五棵树经济开发区生产大队队属农田中两块面积为1公顷的玉米田,选取在东北地区农牧业被广泛应用的先玉335品种玉米为种植品种。先玉335品种玉米来自敦煌种业先锋良种有限公司五棵树经销部,牧场试验中传统模式的实验时间为2010年4月至2010年10月,农牧结合模式试验时间为2010年4月至2011年1月,站点选择为五棵树经济开发区生产大队队属牧场,两种模式分别饲养4头西门塔尔牛作作为饲育品种,西门塔尔牛为8月龄牛犊,来自当地肉牛交易市场。两种模式的不同点是:传统农业模式中,完全按照现行农业生产的模式,玉米农田施用化肥,秋收后秸秆直接在农田燃烧;肉牛用购买的饲料喂养,粪便不做任何处理便直接废弃。农牧结合模式中,则将牛粪进行简单处理,烘干后将尿素包入心内压制成肥料块,将肥料块施入农田,搭配一垄双行种植模式(图1),从而达成增加透光通风能力又合理密植的目的。秋收后秸秆掺加玉米面作为食料饲养肉牛。1.3测定方法1.3.1玉米农田温室气体吸收量的测定在本实验中的NOX与CO2这两种气体在玉米的整个生命周期中会被吸收,这个吸收过程虽然反应形式明确,但因为无法长期连续测量,用常规方法无法随其进行精确的物质量的测量,生物产量推定法适用于此类状况,故本次试验中对于这两种气体吸收量根据玉米生物产量利用公式(1)进行测算。上式中:Cd为玉米全生命周期对温室气体的吸收量(kg),Cf为作物合成单位有机质干质量所吸收的温室气体量(kg),Dw为生物产量(kg),Yw为经济产量(kg),HI为经济系数(kg/kg)。(本实验中玉米经济系数HI=0.40,CO2吸收率Cf=1.63;NOX吸收率Cf=0.001188)本实验中玉米经济产量于2010年10月下旬秋收后获得。1.3.2秸秆焚烧及肥料粪便的温室气体释放的测定本实验中测量秸秆焚烧以及肥料粪便在不同处理下温室气体的排放量的方法为气相色谱仪测量法,气体经由采样箱采样,采样箱示意图如下:实验采样分三部分进行,其中秸秆焚烧释放温室气体的测量为单次实验,实验时间为2010年10月下旬,秋收完毕后焚烧单位质量(1kg)的秸秆,利用风扇将其完全燃烧释放的全部气体吸入采样袋中。而肥料块与粪便的温室气体释放量测定则为长时间连续实验,实验时间为2010年4月至2010年11月,在此时间之后,当地气候转为冬季,两种模式均几乎无温室气体释放。实验期间,在采样箱中模拟肥料块埋入田间和粪便弃置的条件,每隔一定时间测量箱里的温室气体浓度一次,然后根据箱内气体浓度随时间的变化计算其排放速率。本试验观测方法为:试验开始前先取空气作为对照,然后开始采集箱内的气体,并存放在0.5L的密闭气袋内,采样时间在早上9:00～10:00之间。试验开始后的前10d每天采样1次,以后每2d采样1次。对气样采集完毕后,利用HP6890型气相色谱仪测量气样内温室气体的浓度。CO2经过转化炉转化后由氢火焰离子化检测器检测,CH4直接由FID检测,NOX由电子捕获检测器检测。计算两次采集气体的浓度差,由公式(2)计算牛粪温室气体的排放速率:上式中:F为被测气体排放速率(mg·kg-1·h-1);ρ为被测气体标准状态下的密度;V为取样箱顶部空间的体积(m3);dC/dt为采样箱内被测气体的浓度变化率;T为采样过程中采样箱内的平均温度(℃);m为被测物质的质量(kg)。(本实验中CO2密度取1.977kg·m-3,CH4密度取0.717kg·m-3,NOX密度取1.978kg·m-3)1.3.3肉牛食用不同食料的CH4排放率测定食用不同食料的肉牛CH4排放率主要应用SF6示踪法,在试验前将已知渗透速率的SF6渗透管放置到试验动物的瘤胃中,SF6在试验动物的呼吸和换气过程中随CH4气体一起排出,将这种混合着SF6和CH4的气体收集后,即可由公式计算出肉牛食用不同食料的CH4排放率。本实验中该项数据的测量时间分别为2010年4月至2010年10月和2010年4月至2011年1月。首先对两组4头试验牛分别进行10～15d的预饲期过渡,此后每隔一个月进行一次采样,每次采样试验时连续收集5d的气样。根据肉牛每天24h内产气量的变化规律及其与喂料时间之间的关系,即肉牛在喂料后的产气量显著增加,2～3h后达到一个峰值,下一次喂料前达到最低水平。确定每天在上午8:00喂牛前收集气样,每次采集2袋气样作为平行样品,带回实验室进行气样成分的分析。收集试验动物呼出的气体样品,根据SF6示踪法的原理,测定气样中的CH4和SF6浓度,利用公式(3)即可计算CH4的排放量。上式中:RCH4为肉牛甲烷排放速率(L·d-1);RSF6为采样气体中SF6的释放速率(mg·d-1);6.518为SF6的密度(kg·m-3),[CH4]为采样气体中CH4的浓度(10-6V/V);[SF6]为采样气体中SF6的浓度(10-12VV)。2.两种模式比较2.1两种模式对温室气体释放的影响通过对两种模式中玉米的生长发育;农田施用不同肥料;秋收后焚烧秸秆;肉牛反刍;弃置粪便腐解这五项与温室气体密切相关的生产活动中相关数据进行采集后得到表1、表2、表3:通过表2和表3可以看出,农业生长发育中的固碳能力十分强大,每公顷玉米田在一个生命周期中可以固定的CO2在50000kg以上,而固定气态氮素能力相对薄弱,仅为20kg左右。传统农业模式在秋收后将秸秆焚烧,不仅将生命周期中通过光和作用吸收的CO2半数以上重新释放回大气,还将大量从土壤中吸收的离子态氮元素以NOX的形式释放[9～11];而农牧结合模式中将原本被焚烧的秸秆作为食料喂养肉牛,与传统农业模式相比,秸秆搭配少量玉米面作为饲料有着精粗比低,出栏较慢且喂养麻烦的缺点[12～13],这导致肉牛反刍释放的温室气体超过传统农业模式里食用商业饲料的肉牛,但前者的释放量仍远低于直接将秸秆焚烧所释放的温室气体量;传统农业模式中将粪便直接弃置的做法与农牧结合模式中将粪便与尿素混施还田的做法相比,后者的温室气体释放总量是前者的一半左右,Sommer等研究的牧场废弃物施肥试验也得到相似的结果,而仅施用化肥的传统农业模式,则几乎不存在释放温室气体的情况。2.2两种模式释放温室气体释放当量汇总将两种模式下温室气体的释放量进行汇总后,根据CH4和NOX在100年尺度上相对CO2的增温潜势(GWP)将CH4和NOX的排放量转化为CO2排放量,得出CH4和NOX排放量的CO2当量(CO2e),进而得出如下两种模式的温室气体排放当量表(表4)。将三种气体的排放量转换为CO2当量后,传统模式的总释放量为正值(即释放量大于吸收量),而农牧结合模式的总释放量则为负值(即释放量小于吸收量)。由此可以看出,传统农业模式是建立在对环境的不断破坏上的,而农牧结合模式则是在增产的同时又达到了减排的目的,是一条行之有效的可持续发展道路,是值得大力推广的。2.3两种模式相关经济数据汇总将两种模式中农户投入产出与国家治理温室气体标准费用进行汇总后得到如下两表(表5、表6):通过上面两表可以看出,农户使用农牧结合模式进行生产对比使用传统农业模式进行生产,前者年纯收入要高出后者约2.5万元,而在国家治理温室气体方面,农牧结合模式比照传统模式,为国家多创造了约3万元的价值,可以说,农牧结合模式实现了国家与农户的双赢。3结语与讨论对比农牧结合模式与传统模式在农户投入产出与国家治理温室气体费用上的差异,我们可以了解到,减排温室气体的最直接有效方式就是将以往单独经营的农业与牧业发展为循环农业,建立农牧结合模式。农牧结合模式建立了农业与畜牧业之间相互协调的关系、稳定了生态系统,促进了农牧业生产的持续发展。本实验中构建的是一种在结构上合理、功能上健全高效的农业生态模式,这种模式在促进农业持续发展与繁荣社会经济上的贡献是不可估量的。由实验数据我们可以看出,该模式有着如下的优点:1、使用了搭配有机肥的科学种植模式,使得玉米农田既增大了通风通光度又完成了合理的密植,这使得在不施用传统化肥的同时,农田产量不仅没有下降,反而有大约2%的提升。2、将秋收后的秸秆与牲畜日常排泄粪便这两种在以往会被焚烧和废弃的物质加入到循环体系中,使得农户在饲料与化肥上的投入大大降低,最终年收入增加约2.5万元。3、可持续发展道路户的收入,也使得在治理温室气体方面,单位农户最终将为国家增加3万元的治理收益。由此可以看出,农牧结合模式通过科学的方式,完成了减少温室气体排放与降低农业生产成本的双重目的,从而为农户和国家的双赢奠定了良好基础,这种模式对目前大环境下的减排需要,可持续发展道路有着重要意义,是值得大力推广的。因此,吉林省应将减排温室气体工作的重点放在农业与牧业的结合上,这样做不仅符合本省的实际情况,而且与工业领域的减排工作相比,成本将会降低很多。当然,在肯定优点的同时,我们也要正确对待这一模式在实际推广中存在的一些需要解决的问题:1、此种耕作模式在春耕和秋收时对农用机械依赖较大,而该时段农用机械普遍使用紧张,经常出现花高价却雇佣不到的状况,并且因为工作量较传统模式有所上升,耗时较长,前后总计会额外占用农民约20天的时间。2、对于农户而言,购买牛犊是一笔不小的费用,并且这种投资会因为市场行情以及疫病问题伴随着一定风险,因此农户可能无力进行此类投资或不敢进行此类投资。3、食用秸秆的肉牛出栏时间较长,虽然肉质较好,但当地无权威机构对其进行评测,导致其只能与食用饲料迅速育成的肉牛以同样价格出售。4、发展秸秆养猪为农民服务的机制牛粪加尿素混施的方式能否确实替代化肥心存疑虑,担心会减少收成。针对这几项缺点,政府在推行农牧结合模式时可以采取如下几项政策:1、搞好当地龙头企业与饲养户的利益对接,对使用秸秆养殖肉牛的农户,发展“订单”农业,实行“合同肉”,先提供牛犊并根据市场行情订立收购价格,待肉牛出栏后再从售出价格中扣去牛犊价格。密切各利益群体之间的各种关系,形成“风险共担、利益共享”的利益共同体,依靠龙头企业带动广大群众发展秸秆养畜。2、充分发挥合作社等合作经济组织的作用,有条件的地区在春耕秋收时由当地政府部门组织农用机械帮助农户进行规模化操作,无条件的地区则由政府出资组织部分村民进行集体劳动,并按照当地雇工薪酬给予薪水,为种养户搞好产前、产中和产后服务,协调利益关系,形成利益共同体,互利互惠,形成合力,从而避免因为该模式的额外劳作占用农民工外出打工时间而降低农民的积极性。3、建立示范点,以县区为单位,成立服务队、协会或