傳統(tǒng)農業(yè)模式與農牧結合模式中溫室氣體排放的比較研究

傳統(tǒng)農業(yè)模式與農牧結合模式中溫室氣體排放的比較研究

隨著《coll-key協(xié)議》的簽署，以及國際土地圈生物圈計劃（igbp）的推廣，以及政府間全球變化委員會（picc）的發(fā)表和國際合作的加強，溫室氣體排放的研究已成為世界變化研究的重點領域[1.5]。我國作為農業(yè)大國,在產量連創(chuàng)新高的同時,傳統(tǒng)農業(yè)模式只片面追求高產而忽視生態(tài)問題,所造成的污染也日益嚴重。焚燒秸稈,棄置糞便等問題在農村普遍存在,這不僅浪費了寶貴的生物資源,還釋放了大量的溫室氣體,嚴重制約了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此,中國的溫室氣體減排不應該僅限于工業(yè),更應該著眼于改變當前的農業(yè)生產模式,使其為減排做出更大貢獻,走上可持續(xù)發(fā)展道路。在改良農業(yè)模式以達到減少溫室氣體的研究中,國內外均作出了一定的研究,但此類研究或限于單一領域,如對農牧業(yè)中單一溫室氣體的釋放源進行治理以達到減排目的實驗[16～18];或進行區(qū)域過于廣大的綜合性研究,如在以省市或以整片自然區(qū)域為實驗對象的區(qū)域上構建模型以進行整體分析的實驗[19～21];以小區(qū)域為實驗對象進行新型耕作模式,并進行精確的生態(tài)與經(jīng)濟分析的實驗十分稀少。針對此種現(xiàn)狀,本實驗著眼于小區(qū)域,以個體農戶的生產中三種主要溫室氣體的釋放狀況為研究對象,分別核算出傳統(tǒng)農業(yè)模式與本實驗設計的農牧結合模式中溫室氣體的總排放量,并將其與經(jīng)濟分析掛鉤,為推廣該模式提供科學依據(jù)。一、實驗概述1.1實驗區(qū)域概述本實驗區(qū)域在吉林省五棵樹經(jīng)濟開發(fā)區(qū)進行,吉林省五棵樹經(jīng)濟開發(fā)區(qū)是以農業(yè)、牧業(yè)為主要發(fā)展方向的綜合開發(fā)區(qū)。該地區(qū)溫度適宜,氣候良好,屬中溫帶半濕潤溫和氣候區(qū),四季分明,日照充足,有效積溫2800℃。年均降雨量620mm,具備農作物和經(jīng)濟作物生長的良好氣象條件。與此同時,該地區(qū)畜牧業(yè)資源豐富,有東北地區(qū)最大的肉牛交易市場,肉牛年存欄100萬頭左右,年出欄30萬頭以上,為肉牛屠宰加工業(yè)發(fā)展提供充足牛源。1.2實驗設計試驗分傳統(tǒng)與農牧結合兩個模式進行,兩種模式均包含1公頃玉米農田與四頭肉牛(選擇飼養(yǎng)四頭肉牛的理由是:1公頃秸稈摻加少量玉米面正好能夠喂養(yǎng)4頭肉牛至出欄)。實驗為田間試驗與牧場試驗站相結合的模式。其中田間試驗時間為2010年4月至2010年10月,試驗區(qū)域選擇為五棵樹經(jīng)濟開發(fā)區(qū)生產大隊隊屬農田中兩塊面積為1公頃的玉米田,選取在東北地區(qū)農牧業(yè)被廣泛應用的先玉335品種玉米為種植品種。先玉335品種玉米來自敦煌種業(yè)先鋒良種有限公司五棵樹經(jīng)銷部,牧場試驗中傳統(tǒng)模式的實驗時間為2010年4月至2010年10月,農牧結合模式試驗時間為2010年4月至2011年1月,站點選擇為五棵樹經(jīng)濟開發(fā)區(qū)生產大隊隊屬牧場,兩種模式分別飼養(yǎng)4頭西門塔爾牛作作為飼育品種,西門塔爾牛為8月齡牛犢,來自當?shù)厝馀＝灰资袌?。兩種模式的不同點是:傳統(tǒng)農業(yè)模式中,完全按照現(xiàn)行農業(yè)生產的模式,玉米農田施用化肥,秋收后秸稈直接在農田燃燒;肉牛用購買的飼料喂養(yǎng),糞便不做任何處理便直接廢棄。農牧結合模式中,則將牛糞進行簡單處理,烘干后將尿素包入心內壓制成肥料塊,將肥料塊施入農田,搭配一壟雙行種植模式(圖1),從而達成增加透光通風能力又合理密植的目的。秋收后秸稈摻加玉米面作為食料飼養(yǎng)肉牛。1.3測定方法1.3.1玉米農田溫室氣體吸收量的測定在本實驗中的NOX與CO2這兩種氣體在玉米的整個生命周期中會被吸收,這個吸收過程雖然反應形式明確,但因為無法長期連續(xù)測量,用常規(guī)方法無法隨其進行精確的物質量的測量,生物產量推定法適用于此類狀況,故本次試驗中對于這兩種氣體吸收量根據(jù)玉米生物產量利用公式(1)進行測算。上式中:Cd為玉米全生命周期對溫室氣體的吸收量(kg),Cf為作物合成單位有機質干質量所吸收的溫室氣體量(kg),Dw為生物產量(kg),Yw為經(jīng)濟產量(kg),HI為經(jīng)濟系數(shù)(kg/kg)。(本實驗中玉米經(jīng)濟系數(shù)HI=0.40,CO2吸收率Cf=1.63;NOX吸收率Cf=0.001188)本實驗中玉米經(jīng)濟產量于2010年10月下旬秋收后獲得。1.3.2秸稈焚燒及肥料糞便的溫室氣體釋放的測定本實驗中測量秸稈焚燒以及肥料糞便在不同處理下溫室氣體的排放量的方法為氣相色譜儀測量法,氣體經(jīng)由采樣箱采樣,采樣箱示意圖如下:實驗采樣分三部分進行,其中秸稈焚燒釋放溫室氣體的測量為單次實驗,實驗時間為2010年10月下旬,秋收完畢后焚燒單位質量(1kg)的秸稈,利用風扇將其完全燃燒釋放的全部氣體吸入采樣袋中。而肥料塊與糞便的溫室氣體釋放量測定則為長時間連續(xù)實驗,實驗時間為2010年4月至2010年11月,在此時間之后,當?shù)貧夂蜣D為冬季,兩種模式均幾乎無溫室氣體釋放。實驗期間,在采樣箱中模擬肥料塊埋入田間和糞便棄置的條件,每隔一定時間測量箱里的溫室氣體濃度一次,然后根據(jù)箱內氣體濃度隨時間的變化計算其排放速率。本試驗觀測方法為:試驗開始前先取空氣作為對照,然后開始采集箱內的氣體,并存放在0.5L的密閉氣袋內,采樣時間在早上9:00～10:00之間。試驗開始后的前10d每天采樣1次,以后每2d采樣1次。對氣樣采集完畢后,利用HP6890型氣相色譜儀測量氣樣內溫室氣體的濃度。CO2經(jīng)過轉化爐轉化后由氫火焰離子化檢測器檢測,CH4直接由FID檢測,NOX由電子捕獲檢測器檢測。計算兩次采集氣體的濃度差,由公式(2)計算牛糞溫室氣體的排放速率:上式中:F為被測氣體排放速率(mg·kg-1·h-1);ρ為被測氣體標準狀態(tài)下的密度;V為取樣箱頂部空間的體積(m3);dC/dt為采樣箱內被測氣體的濃度變化率;T為采樣過程中采樣箱內的平均溫度(℃);m為被測物質的質量(kg)。(本實驗中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排放率測定食用不同食料的肉牛CH4排放率主要應用SF6示蹤法,在試驗前將已知滲透速率的SF6滲透管放置到試驗動物的瘤胃中,SF6在試驗動物的呼吸和換氣過程中隨CH4氣體一起排出,將這種混合著SF6和CH4的氣體收集后,即可由公式計算出肉牛食用不同食料的CH4排放率。本實驗中該項數(shù)據(jù)的測量時間分別為2010年4月至2010年10月和2010年4月至2011年1月。首先對兩組4頭試驗牛分別進行10～15d的預飼期過渡,此后每隔一個月進行一次采樣,每次采樣試驗時連續(xù)收集5d的氣樣。根據(jù)肉牛每天24h內產氣量的變化規(guī)律及其與喂料時間之間的關系,即肉牛在喂料后的產氣量顯著增加,2～3h后達到一個峰值,下一次喂料前達到最低水平。確定每天在上午8:00喂牛前收集氣樣,每次采集2袋氣樣作為平行樣品,帶回實驗室進行氣樣成分的分析。收集試驗動物呼出的氣體樣品,根據(jù)SF6示蹤法的原理,測定氣樣中的CH4和SF6濃度,利用公式(3)即可計算CH4的排放量。上式中:RCH4為肉牛甲烷排放速率(L·d-1);RSF6為采樣氣體中SF6的釋放速率(mg·d-1);6.518為SF6的密度(kg·m-3),[CH4]為采樣氣體中CH4的濃度(10-6V/V);[SF6]為采樣氣體中SF6的濃度(10-12VV)。2.兩種模式比較2.1兩種模式對溫室氣體釋放的影響通過對兩種模式中玉米的生長發(fā)育;農田施用不同肥料;秋收后焚燒秸稈;肉牛反芻;棄置糞便腐解這五項與溫室氣體密切相關的生產活動中相關數(shù)據(jù)進行采集后得到表1、表2、表3:通過表2和表3可以看出,農業(yè)生長發(fā)育中的固碳能力十分強大,每公頃玉米田在一個生命周期中可以固定的CO2在50000kg以上,而固定氣態(tài)氮素能力相對薄弱,僅為20kg左右。傳統(tǒng)農業(yè)模式在秋收后將秸稈焚燒,不僅將生命周期中通過光和作用吸收的CO2半數(shù)以上重新釋放回大氣,還將大量從土壤中吸收的離子態(tài)氮元素以NOX的形式釋放[9～11];而農牧結合模式中將原本被焚燒的秸稈作為食料喂養(yǎng)肉牛,與傳統(tǒng)農業(yè)模式相比,秸稈搭配少量玉米面作為飼料有著精粗比低,出欄較慢且喂養(yǎng)麻煩的缺點[12～13],這導致肉牛反芻釋放的溫室氣體超過傳統(tǒng)農業(yè)模式里食用商業(yè)飼料的肉牛,但前者的釋放量仍遠低于直接將秸稈焚燒所釋放的溫室氣體量;傳統(tǒng)農業(yè)模式中將糞便直接棄置的做法與農牧結合模式中將糞便與尿素混施還田的做法相比,后者的溫室氣體釋放總量是前者的一半左右,Sommer等研究的牧場廢棄物施肥試驗也得到相似的結果,而僅施用化肥的傳統(tǒng)農業(yè)模式,則幾乎不存在釋放溫室氣體的情況。2.2兩種模式釋放溫室氣體釋放當量匯總將兩種模式下溫室氣體的釋放量進行匯總后,根據(jù)CH4和NOX在100年尺度上相對CO2的增溫潛勢(GWP)將CH4和NOX的排放量轉化為CO2排放量,得出CH4和NOX排放量的CO2當量(CO2e),進而得出如下兩種模式的溫室氣體排放當量表(表4)。將三種氣體的排放量轉換為CO2當量后,傳統(tǒng)模式的總釋放量為正值(即釋放量大于吸收量),而農牧結合模式的總釋放量則為負值(即釋放量小于吸收量)。由此可以看出,傳統(tǒng)農業(yè)模式是建立在對環(huán)境的不斷破壞上的,而農牧結合模式則是在增產的同時又達到了減排的目的,是一條行之有效的可持續(xù)發(fā)展道路,是值得大力推廣的。2.3兩種模式相關經(jīng)濟數(shù)據(jù)匯總將兩種模式中農戶投入產出與國家治理溫室氣體標準費用進行匯總后得到如下兩表(表5、表6):通過上面兩表可以看出,農戶使用農牧結合模式進行生產對比使用傳統(tǒng)農業(yè)模式進行生產,前者年純收入要高出后者約2.5萬元,而在國家治理溫室氣體方面,農牧結合模式比照傳統(tǒng)模式,為國家多創(chuàng)造了約3萬元的價值,可以說,農牧結合模式實現(xiàn)了國家與農戶的雙贏。3結語與討論對比農牧結合模式與傳統(tǒng)模式在農戶投入產出與國家治理溫室氣體費用上的差異,我們可以了解到,減排溫室氣體的最直接有效方式就是將以往單獨經(jīng)營的農業(yè)與牧業(yè)發(fā)展為循環(huán)農業(yè),建立農牧結合模式。農牧結合模式建立了農業(yè)與畜牧業(yè)之間相互協(xié)調的關系、穩(wěn)定了生態(tài)系統(tǒng),促進了農牧業(yè)生產的持續(xù)發(fā)展。本實驗中構建的是一種在結構上合理、功能上健全高效的農業(yè)生態(tài)模式,這種模式在促進農業(yè)持續(xù)發(fā)展與繁榮社會經(jīng)濟上的貢獻是不可估量的。由實驗數(shù)據(jù)我們可以看出,該模式有著如下的優(yōu)點:1、使用了搭配有機肥的科學種植模式,使得玉米農田既增大了通風通光度又完成了合理的密植,這使得在不施用傳統(tǒng)化肥的同時,農田產量不僅沒有下降,反而有大約2%的提升。2、將秋收后的秸稈與牲畜日常排泄糞便這兩種在以往會被焚燒和廢棄的物質加入到循環(huán)體系中,使得農戶在飼料與化肥上的投入大大降低,最終年收入增加約2.5萬元。3、可持續(xù)發(fā)展道路戶的收入,也使得在治理溫室氣體方面,單位農戶最終將為國家增加3萬元的治理收益。由此可以看出,農牧結合模式通過科學的方式,完成了減少溫室氣體排放與降低農業(yè)生產成本的雙重目的,從而為農戶和國家的雙贏奠定了良好基礎,這種模式對目前大環(huán)境下的減排需要,可持續(xù)發(fā)展道路有著重要意義,是值得大力推廣的。因此,吉林省應將減排溫室氣體工作的重點放在農業(yè)與牧業(yè)的結合上,這樣做不僅符合本省的實際情況,而且與工業(yè)領域的減排工作相比,成本將會降低很多。當然,在肯定優(yōu)點的同時,我們也要正確對待這一模式在實際推廣中存在的一些需要解決的問題:1、此種耕作模式在春耕和秋收時對農用機械依賴較大,而該時段農用機械普遍使用緊張,經(jīng)常出現(xiàn)花高價卻雇傭不到的狀況,并且因為工作量較傳統(tǒng)模式有所上升,耗時較長,前后總計會額外占用農民約20天的時間。2、對于農戶而言,購買牛犢是一筆不小的費用,并且這種投資會因為市場行情以及疫病問題伴隨著一定風險,因此農戶可能無力進行此類投資或不敢進行此類投資。3、食用秸稈的肉牛出欄時間較長,雖然肉質較好,但當?shù)責o權威機構對其進行評測,導致其只能與食用飼料迅速育成的肉牛以同樣價格出售。4、發(fā)展秸稈養(yǎng)豬為農民服務的機制牛糞加尿素混施的方式能否確實替代化肥心存疑慮,擔心會減少收成。針對這幾項缺點,政府在推行農牧結合模式時可以采取如下幾項政策:1、搞好當?shù)佚堫^企業(yè)與飼養(yǎng)戶的利益對接,對使用秸稈養(yǎng)殖肉牛的農戶,發(fā)展“訂單”農業(yè),實行“合同肉”,先提供牛犢并根據(jù)市場行情訂立收購價格,待肉牛出欄后再從售出價格中扣去牛犢價格。密切各利益群體之間的各種關系,形成“風險共擔、利益共享”的利益共同體,依靠龍頭企業(yè)帶動廣大群眾發(fā)展秸稈養(yǎng)畜。2、充分發(fā)揮合作社等合作經(jīng)濟組織的作用,有條件的地區(qū)在春耕秋收時由當?shù)卣块T組織農用機械幫助農戶進行規(guī)?；僮?無條件的地區(qū)則由政府出資組織部分村民進行集體勞動,并按照當?shù)毓凸ば匠杲o予薪水,為種養(yǎng)戶搞好產前、產中和產后服務,協(xié)調利益關系,形成利益共同體,互利互惠,形成合力,從而避免因為該模式的額外勞作占用農民工外出打工時間而降低農民的積極性。3、建立示范點,以縣區(qū)為單位,成立服務隊、協(xié)會或