上海农业学报2011,27(4):129—132 Acta Agriculturae Shanghai 文章编号:1000—3924(201 1)04-129—04 农业低碳技术研究与应用进展 李双喜 。,郑宪清 ,袁大伟 ,张娟琴 ,吕卫光 ( 上海市农业科学院环境科学研究所; 上海市农业环境保护监测站,上海201403) 摘 要:从农牧生产系统固碳增汇减排技术、外源碳控制与减排技术、农牧业生产耦合模式与技术等方面介 绍了国内外农业低碳技术的研究与应用现状,并指出发展低碳农业是我国实现农业可持续发展的有效途径。 关键词:低碳农业;固碳减排技术;外源碳控制技术 中图分类号:S-01 文献标识码:A Research and application of low—carbon agricultural technology LI Shuang—xi ~,ZHENG Xian-qing ~,YUAN Da—wei’“,ZHANG Juan-qin “,LV Wei・guang ( Environmental Science Research Institute,Shanghai Academy of Agricultural Sciences; Shanghai Environmental Protection Monitoring Station of Agriculture,Shanghai 201403,China) Abstract:Research and application of low-carbon technologies in agriculture at home and abroad are described in terms of carbon--fixing and pollution・・reducing technologies in agriculture and animal husbandry,exogenous carbon controlling and cycling technologies,and patterns and technologies of coupling agriculture with animal husbandry,and it is considered that developing low—carbon agriculture is an effective channel to achieve sustainable agricultural development in our country. Key words:Low—carbon agriculture;Carbon-fixing and pollution-reducing technology;Exogenous carbon controI technology 近年来,全球气候持续变化,极端天气、自然灾害频繁发生,原因之一是由于人类活动导致大气中二 氧化碳浓度不断升高所引起的。观测表明:全球大气二氧化碳浓度已从工业化前的约280 t ̄g/L,增加到 了2005年的379 ̄tg/L左右,预计2050年全球大气中co:的浓度将达到440 ̄660 ̄tg/L[1]。研究发现,在 过去的两个世纪,全球耕地中土地利用变化引起的CO 释放量约占人类活动造成的碳释放量的50%,同 时由于土壤有机质矿化导致的农田有机碳损失达50 Pg(1 Pg=10 g)。土壤是地球陆地系统中最大的储 碳场所,其有机碳库、无机碳库,约是地球上生物量的3倍,是大气碳含量的2倍。全球农田耕地面积约为 17亿hm ,其碳贮量约为170 Pg,超过全球陆地碳贮量的10%_2 ]。低碳农业是指在农业生产、经营中排 放最少的温室气体,同时获得整个社会最大效益的农业绿色生产模式,农业土壤既是CO:的释放源又是 CO 的吸收库,目前世界各国都在积极发展低碳农业技术,以增强农业土壤的碳汇功能,减少农业生产中 的温室气体排放。本研究主要从农牧生产系统固碳增汇减排技术、外源性碳(农用化学品)控制与减排技 术、灌溉措施等方面阐述国内外的低碳农业技术研究与应用。 1农牧生产系统固碳增汇减排技术 1.1耕作制度 耕作能够影响土壤理化及生物学特性,提高土壤透气性和微生物活性,增加土壤中有效养分的含 收稿日期:2011—04—23初稿;2()11—10—30二改稿 基金项目:国家科技支撑计划后世博专项项目(2010BAK69B18);上海市科委崇明科技攻关专s ̄(10DZ1960100)资助 作者简介:李双喜(1986一),男,硕士,研究实习员,主要从事环境监测、设施土壤障碍研究与防治工作。E-mail:Ly6083583@yahoo tom.ca *通讯作者 130 李双喜,等:农业低碳技术研究与应用进展 量L4 ],能够明显加快土壤有机质周转速率,降低其含量,进而降低土壤固定的碳含量,不利于土壤碳的积 累 一 。 保护性耕作是可持续农业的一部分,它是许多技术的组装配套,如作物残茬覆盖、保持土壤湿度、维 护和改良土壤质量等,其中免耕被认为是保护性耕作的最有效技术。免耕的类型主要包括三种:带耕、直 接播种、垄作。大量研究表明 ,免耕操作可以较大幅度地提高土壤有机质含量,土壤有机质含量的提 高可以促进土壤团聚体的形成并保持其稳定性,降低压实或其他物理损害的风险,以及改善持水能力等。 1.2农业废弃物资源化利用技术 农业废弃物也称为农业垃圾,是指农业生产和农村居民生活中不可避免的非产品产出,具有数量大、 品种多、形态各异、可储存再生利用、污染环境等特性,按其成份主要包括植物纤维性废弃物(主要包括农 作物秸秆谷壳、果壳及甘蔗渣等农产品加工废弃物)和畜禽粪便两大类。近年来,国内外农业废弃物的资 源化利用技术和相关研究有了较大的发展。 1.2.1 植物纤维性废弃物资源化利用技术 1.2.1.1废弃物肥料化技术 农业废弃物肥料化利用是一种非常传统的利用方式,具有改良土壤结构,增强耕地保水保肥能力的 功能,是建设循环农业、保持土壤养分平衡、实现农业可持续发展的重要措施 。废弃物间接肥料化利用 主要包括堆沤腐解(堆肥)、烧灰、过腹、菇渣、沼渣、或生产有机生物复合肥等方式 。 1.2.1.2饲料化利用技术 植物纤维性废弃物主要指秸秆类物质,秸秆中的木质素与糖结合在一起使得瘤胃中的微生物及酶很 难分解,并且蛋白质含量低及其他必要营养缺乏,导致直接饲喂不能被动物高效吸收利用 引。通过机械 加工、辐射、蒸汽等物理处理,NaOH、氨化、Ca(OH) .尿素、氧化等化学处理,青贮、发酵、酶解等生物学处 理措施,可使秸秆中的纤维素、木质素细胞壁膨胀疏松,便于牲畜消化吸收。秸秆饲料主要是秸秆青贮、 秸秆氨化盐化、秸秆机械加工和发展全混合日粮。 除了以上两种主要的废弃物处理技术外,植物纤维性废弃物资源化利用技术还包括秸秆气化技术、 生物质能发电、固化和炭化技术、制备复合材料技术、制取化学品技术、秸秆栽培食用菌技术等。 1.2.2畜禽粪便资源化利用技术 1.2.2.1肥料化技术 畜禽粪便中含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质,是农业可持续发展的宝贵资源。畜禽 粪便堆肥技术:利用微生物在一定温度、湿度、pH的条件下,使畜禽粪便和秸秆等农业有机废物发生生物 化学降解,形成一种类似腐殖质土壤的物质,用作肥料和改良土壤。生物有机肥制备技术:在畜禽粪便及 其他有机物料中添加生物菌剂,经生物发酵处理,有益微生物扩繁,从而达到畜禽粪便彻底脱臭、腐熟、杀 虫、灭菌的无害化、商品化处理目的。 1.2.2.2饲料化技术 国外畜禽粪饲料化早已商品化,我国畜禽粪便饲料化也已开展多年。动物性废弃物饲料化主要指畜 禽粪便中含有未消化的粗蛋白、消化蛋白、粗纤维、粗脂肪和矿物质等,经过热喷、发酵、干燥等方法加工 处理后掺入饲料中饲喂利用_1 ,该技术需要特别注意灭菌彻底消除饲料安全隐患。饲料化采取的方法 主要包括:直接利用法、干燥法、分解法、青贮法以及需氧发酵法。试验表明:利用米曲霉和白地霉接人鲜 鸡粪与麸皮等混合料中进行固态发酵,猪日增重比单喂配合饲料增加10.83%I1 。 1.2.2.3能源化技术 以畜禽粪便、秸秆等农业废物为原料,主要采用厌氧发酵实现农业废弃物的能源化利用。厌氧发酵 分为制沼气和微生物制氢技术;厌氧发酵制沼气技术是指农业废弃物经多种微生物厌氧降解成高品位的 清洁燃料——沼气(甲烷含量50%~70%)及副产品沼液和沼渣的过程。研究表明I1 ,农作物秸秆、蔬 菜瓜果的废弃物和畜禽粪便都是制沼气的好原料,并且混合废弃物共处理比单独处理时生物气的产量有 显著提高m]。微生物制氢技术是指利用异养型的厌氧菌或固氮菌分解小分子的有机物制氢的过程,具有 微生物比产氢速率高、不受光照时间限制、可利用的有机物范围广、工艺简单等优点,是农业废弃物利用 非常具有潜力的方向_2 。 2外源碳控制与减排技术 农用化学品的生产使用以及农业生产过程中的(施肥、灌溉等)农业操作是外源碳进入农业领域的主 上 海 农 业 学 报 131 要途径。农用化学肥料和农药的生产、包装以及施用过程所消耗的能源在全部农业能源和化石燃料消耗 量中占有很大一部分比例,同时合成农用化学品的使用带来大量的温室气体排放。中国的肥料养分利用 率较低,据统计中国每年生产、施用的氮肥量(以纯氮计)约为2 000万t,其肥料的当季利用率只有 30%~50%;磷肥约为10%~20%;钾肥约为35%~50%,造成了大量的资源浪费[ “ 。 2.1肥料施用控制技术 2.1.1 测土配方施肥技术 土壤有机碳是土壤质量和功能的核心,化肥大量施用会打破有机碳固定和矿化平衡。测土配方施肥 通过以化学分析测定土壤中养分的分量,并在其他理论的基础上,对土壤肥力进行解释说明与评价,从而 提出施肥建议。目前,国际上的测土施肥进入了新的发展阶段,测土施肥正逐渐向养分资源综合管理方 向发展。美国、欧洲各国相继开展了精准农业的研究与实践_2 。我国从20世纪80年代开始使用RS和 GIS,并开展了水稻、小麦、棉花、玉米等主要农作物耕作栽培和畜禽生产管理的农业专家系统的应用研 究 。 。 2.1.2缓控释肥技术 缓控释肥是指通过各种调控机制使其养分最初缓慢释放,延长作物对其有效养分吸收利用的有效 期,使其养分按照设定的释放率和释放期缓慢或控制释放的肥料。Fu Jianrong等_25]研究表明,早稻控释 肥料利用率比尿素高出13.6%~86.4%,晚稻则高出100%~164.1%。缓释或控释氮肥的应用可以使氮 元素在作物整个生长季中发挥作用,这将减少氮元素的流失和反硝化,从而降低土壤中温室气体N o的 排放。Cheng等[2 对白菜进行的大田试验研究表明:在施氮量分别为200、250 kg/hm 时,控释肥处理的 N o排放量比普通尿素减少31.6%~40.5%,NO排放量减少78.8%~82.6%,N:O+No排放总量占 总施氮量均为0.2%。 2.2农药控制技术 欧美等发达国家对农药的生产和使用都有严格的规范,将农药进行分类(包括通用类农药和限制类 农药),并实施农药使用许可证制度。20世纪80年代以来,欧洲研究人员开始在温室大棚内农药施用上 推广冷雾技术(Ultra Low Volume ULV),该技术能够大幅度减少农药、水和能源的使用。此外,国外的 研究人员还加大了害虫的农药抗药性研究,以便提出新农药的使用原则和抗性治理的方法,最终达到尽 可能少施用农药同时还能防治害虫的目的。国内外研究人员还进行了农药施用器具、农药雾滴漂移控制 技术方面的研究[2 ,这些举措直接或间接减少了农业中外源碳的输入。 2.3节能节水灌溉技术 农业生产中,农田灌溉过程中消耗大量的能量,其中用于灌溉的机械要消耗一定量的化石燃料,会向 大气中排放大量的温室气体(如CO:、No 等)。国外发达国家在节水灌溉上已经较为先进,以色列所有 的灌溉农田都采用了喷灌和滴灌现代灌溉技术和自动控制技术;地下灌溉技术在美国得到了广泛应用。 近年来,我国各地大力发展节水型农业,采取科学的工程措施,积极发展砼防渗渠道和管道输水,成功地 减少和避免了水的渗漏与蒸发;改造落后的机电排灌设施。此外,农作物喷灌、微喷灌、滴溉等技术的大 力推广,较大限度地提高了水资源的利用率。 3农牧业生产耦合模式 农业循环经济是科学地安排不同生物质在系统内部的循环、利用或再利用,最大限度地利用农业环 境条件,以尽可能少的投入得到更多更好的产品。它包含种植业、林业、渔业、畜牧业、食用菌业等通过废 物交换、循环利用,更多地回收废物和产品,并以环境可接受的方式处置残余的废弃物,实际生产中按一 定比例组成的种植、养殖、加工相结合。高效立体种养是典型的区域产业循环模式,主要包括:稻田养鱼 (虾)模式、鸭稻共作模式、鱼.猪.草综合养鱼模式、稻.鱼.蟹综合养殖种植模式、池塘鱼鸭混养模式、蔬菜立 体种植、粮菜立体种植等模式。 4小结与展望 低碳农业最明显的标志就是“三低”,即:低能耗、低污染、低排放。低碳农业还是节约型农业、效益型 农业以及安全型农业,在发展低碳农业的过程中,要尽可能节约各种资源的消耗,尽可能减少人力、物力、 财力的投入;以最少的物质投入,获取全社会最大的产出收益;同时采取多种措施,将农业产前、产中、产 132 李双喜,等:农业低碳技术研究与应用进展 后全过程中可能对社会带来的不良影响降到最低限度。 现代农业生产过程中,能源的消耗和利用主要集中在耕作、施肥和灌溉三个方面,低碳农业技术是实 现低碳农业的保障。我国的农业生产有很大一部分还属于高碳农业的范畴,农业生产过程中对资源、能 源的消耗和浪费还比较严重。据估算,如果将我国的1.2亿hm 耕地的耕作层土壤有机质含量提高1%, 则相当于土壤固定了27亿t有机碳,这对我国在国际上的碳贸易有着极其重要的意义。因此,无论从何 种角度考虑,大力发展低碳农业及其相关技术是未来世界农业发展的趋势。 参 考 文 献 [1]Lagreid M,Bockman OC,Kaarstad O.Agriculture,Fertilizer and Environment[M].Norsk Hydro ASA Porsgrunn,Norway CABI publishing,1999:122—157,174—180. 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