有機農業低碳發展趨勢

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1有機和常規生產中的溫室氣體排放比較

農業生態系統的溫室氣體產生是一個復雜的過程,氣候、植被、土質及農田管理諸條件中任何一個因子的微小變化,都會改變CO2、N2O、CH4的產生和排放。相對于常規農作,有機農業禁止合成的化學品投入,一定程度上影響著溫室氣體的產生和排放。

1.1二氧化碳(CO2)排放

農業源CO2的排放主要有兩個途徑:化石燃料燃燒引起的直接排放和能源間接消耗的排放(如化肥和農藥的生產和運輸)[57],其中合成化學氮肥的能耗造成的CO2間接排放達0.4~0.6Gt[89],相當于全球農業直接排放的10%。有機農業的原則之一是減少不可再生資源的使用,相對于常規農作,有機農業不使用合成的農藥和化肥。研究表明,有機生產比集約化常規生產能夠明顯減少能源的消耗[67,1011]。不同地區農產品在有機和常規農作間CO2的排放差異。由表1可知,冬小麥的有機種植比常規生產減少46%~57%的CO2排放量,而種植有機土豆則減少13%~33%的CO2排放量[1214]。其中,農藥和化肥合成造成的CO2間接排放占據一定比例:例如,英國常規小麥生產中,化肥和農藥占總能耗的比例分別為56%和11%[8];美國的常規小麥和玉米生產則是30%~40%和9%~11%[22];中國常規梨生產化肥占總能耗的29%~41%[20]。因此,從單位面積(每公頃)CO2排放量看,有機農業CO2總排放量低于常規農作,主要是與有機農業的標準有關,例如,有機農業禁止高能耗的化學氮肥和農藥的投入以及較少喂養高能耗的動物飼料。然而,如果從另一角度——單位產量來比較有機和常規生產CO2排放的差異,不同農作排放的研究結果則不盡相同。例如:種植1hm2有機土豆比生產常規土豆CO2排放量低,但生產1t有機土豆CO2排放量則比常規土豆高[1314];同樣有機牧場的養殖研究表明,生產1kg有機牛奶的平均CO2排放量比常規牛奶高[16];與常規梨生產相比,生產1t有機梨的CO2排放量在不同地區結果不同,有高有低[20]。不同農作單位產量CO2排放量變化范圍從+81%到50%,主要影響因素是產量和機械耕作的強度[1221]。從耕作角度研究有機農業CO2的排放,有研究人員提出一些地區的有機生產中,因禁止使用除草劑而大量使用機械除草,導致燃油消耗產生的CO2排放量增多。但大多數研究表明機械耕作的能耗通常少于合成化肥和農藥的能耗[5,2324]。總體來說,相對于常規農作,有機農業通過減少投入品的使用,作物輪作,尤其是和大豆的輪作,提高了肥料使用效率,減少了蟲害管理的農業措施,從而直接(使用成本)和間接(化學生產和運輸)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

農業源N2O的排放占全球人類活動排放的60%[2](N2O的溫室氣體當量值為CO2的298倍[2]),主要來自于化肥和有機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。有機農業禁止化肥的施用不僅能夠減少生產化肥的能耗,而且減少化肥使用過程中NOx排放。文獻報道在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排放的風險[27]。同樣,在中國,化肥投入和有機物質投入對農田直接NOx排放的貢獻份額分別為77.64%和15.57%[28]。按照目前每年生產化學氮肥的數量計算,排放N2O的總量是農業上人為溫室氣體排放的10%[9]。因此,有機農業在一定程度上能夠減少N2O的排放風險。基于單位面積計算N2O排放,有機農業比常規耕作低[2930],而Syvsalo等[31]指出有機牧場產生的N2O排放比常規耕作低,但沒有明顯差異。如果基于單位產量計算N2O的排放,兩種農作系統則相似[67,32],或有機農作略高,例如Lundstrm[16]研究了奶牛場的NOx排放量,發現生產單位產量(1kg)有機牛奶的NOx排放量略高于常規牛奶生產。與此同時,有研究表明生產管理措施能夠減少有機農業中N2O的排放率,如耕作方式、糞肥的使用、種植豆科作物(N來源)及牧場和草地管理等。Unwin等[33]認為,通過改進排水,減少耕作和機械除草(而不是除草劑的使用),有機耕作可以減少N2O的排放。也有研究表明一些因素會提高有機農業上N2O的排放[34],比如豆科作物的高比例種植,堆肥過程N2O的排放,高強度的耕作導致土壤氮的礦化和N2O的排放。

1.3甲烷(CH4)排放

農業源CH4的排放占全球人類活動排放的50%[2](CH4的溫室氣體當量值是CO2的25倍)[2],主要來自于牲畜養殖、水稻種植以及廢棄物分解(包括動植物廢棄物和垃圾),其中將近80%的CH4排放來自牲畜腸道消化代謝,而20%來自排泄物,并且,液態排泄物釋放CH4的可能性比固體排泄物大。動物糞肥的儲藏和處理以及飼料的種類均會影響農業CH4的排放。研究表明:CH4排放的效果主要和堆肥的產生和使用有關系。如果有機系統的堆肥進行發酵,經常通風能夠減少厭氧產生的CH4。此外,有機養殖通常在牧場和稻草房內進行;而常規養殖通常使用糞池進行糞肥處理,在這種厭氧環境下極易產生大量的CH4[24]。然而,相對于常規養殖的糧食喂養,有機養殖的牲畜通常攝取低質量的粗飼料,增加了CH4排放的可能,研究發現有機養殖粗糧的高投入導致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的密度、每頭牛喂養的周期、糞肥系統、反芻牲畜的比例等。Cobb等[29]、Unwin等[33]、Lampkin等[36]研究發現有機農場單位面積的CH4排放比常規低。原因主要是有機養殖的牲畜密度通常比常規低,而喂養周期比較長,其中非產奶期的比例比常規喂養低,從而產生較少的CH4排放;但有機農場反芻牲畜的比例為80%而常規則為60%,這一因素造成的CH4排放量增加與有機農場的低密度養殖減少CH4排放可以相互抵消。而單位產量的CH4排放量,尤其是奶牛場,有機和常規沒有明顯的區別[67,37];而Unwin等[33]和Piorr等[34]研究發現有機農場的產奶量比常規低20%,從而有機奶場單位牛奶的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。有研究發現有機管理的土壤CH4自身調節的效率比常規管理的土壤高,施有機肥的土壤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,有機農業環境資源利用很少評估CH4的凈平衡及其他定量數據。專家根據文獻推導出以下結論:有機農業中單位面積CH4的排放可能較少,而單位產量的CH4排放則比常規農作高(僅限于牛奶生產研究)。

2有機農作土壤固碳潛能分析

另一個減少溫室氣體排放的措施是提高土壤的固碳能力。實例研究表明有機農業不僅能夠減排,而且通過施入有機投入品(生物質和糞肥),采用保護地耕作(覆蓋耕作)、大豆輪作等農業措施,提高土壤有機碳的含量[4,25,40]。不同地區的專家針對有機管理的農田土壤固碳潛能開展了研究,發現有機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,相當于全年農業排放溫室氣體總量的15%~47%[4145];同樣,有機管理土壤的每年每公頃固碳量為300~600kg[10]。一系列有機和常規農田土壤固碳比較研究也顯示,有機管理的土壤中有機質含量比常規管理土壤的有機質含量高[45],有機農田的土壤固碳高于常規農田。例如,Pimentel等[11]開展了22年的試驗發現,有機管理的土壤有機碳含量提高15%~28%,而常規耕作則僅提高9%;美國中部35組有機和常規耕作的比較研究也發現,有機管理措施下的土壤有機碳含量比常規耕作高很多[46]。瑞士專家經過長期(21年)試驗表明,有機管理系統土壤碳含量穩定,而常規管理系統中碳含量減少15%;Clark等[47]8年長期試驗表明,有機低投入系統的土壤有機碳含量比常規農作提高10%。同樣,在荷蘭,70年有機管理的農場土壤有機碳含量明顯高于常規管理[4849]。

分析有機管理土壤有機碳含量比常規高的原因在于,有機農田系統投入較多的動植物殘體增加土壤的碳含量,或者減緩土壤有機碳的分解率,即碳投入率超過了分解率。研究表明相對于常規和免耕操作而言,有機農戶通常施入較多的有機碳或者含有機碳的投入品,通過投入合適碳氮比的多種有機物質創造一個相對穩定的有機物質庫[50];同樣,USDA在馬里蘭進行了長期的有機生產和免耕常規生產比較研究,發現長期有機耕作的土壤明顯優于常規免耕,原因在于使用糞肥和覆蓋作物能夠彌補耕作引起的碳損失[51]。Drinkwater等[52]在賓夕法尼亞州開展有機和常規玉米大豆種植系統的比較試驗,發現與豆科植物的長期輪作,不僅可減少土壤有機質投入,降低土壤碳氮比,同時可提高土壤有機碳含量,改善土壤的物理性質。同樣,有機農作比常規農作確實能增加15%~28%的有機碳。因此,動物糞肥、有機物質的多樣性以及碳氮比、腐爛率等因素都可能對這個過程產生很重要的影響[45]。Rodale研究所的科學家們研究認為,如果在所有可耕種的土地上開展有機農作,則能夠減少40%的CO2排放。

盡管目前的研究證實有機管理在土壤固碳方面存在很高潛力。然而,測量一定時期內碳存儲具有一定的復雜性和不確定性,例如地區多樣性,測量不確定性,過程不確定性,實際的突發性,以及減少滲漏和儲存碳的適當定價等[53];同時,從長期看,通過土壤固碳減少大氣溫室氣體是有限的,不可能無限制地提高土壤有機質的水平,到一定程度會達到一個平衡,視土壤和氣候條件以及管理措施而定[54]。例如,Foereid等[42]對有機管理的土壤固碳進行了模擬,發現第1個50年的土壤有機碳含量增長很快(每年碳增長率為10~40g•m2),之后趨于平穩,100年后幾乎達到飽和狀態。盡管上述研究表明土壤固碳的潛能不是無限制的,但一定程度趨于平穩并達到飽和。也有研究表明,有機碳長久穩定的狀態取決于土壤管理以及避免碳減少的措施,例如李玉娥等[55]研究發現退耕還草后土壤CO2排放通量明顯減少;通過改進的管理措施,全球農業土壤的固碳能力能夠達到21~51Gt碳,相當于2~3年大氣的溫室氣體排放(參照2004年的排放量)[40]。因此,從長期看,相對于常規農作,有機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勢和潛力。

3結論與展望

綜上所述,有機農業在減排方面符合IPCC的標準(IPCC,InternationalPanelonClimateChange,聯合國政府間氣候變化工作小組),不使用合成的農藥和化肥,存儲較多的碳,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生的CH4。盡管全球不同地區的生產環境不同,管理措施各異,減排的總量很難進行定性和定量分析,但如果所有的農田系統都轉換為有機生產,則由減少化肥生產和施用減少的排放量大約是農業溫室氣體排放量的20%,其中10%N2O的排放,10%低能耗的需求。再加上農田和牧場土壤固定的碳,能夠減少目前每年農業溫室氣體排放的40%~72%。目前,發達國家已經開展大量的有機農業減排固碳的研究,并已經有長期的試驗數據支撐,研究成果也已在實際生產減排中開始付諸于實際,得到政府和民眾的支持。然而,發展中國家(包括中國)目前依舊缺少有機農業溫室氣體減排和土壤固碳的相關研究,能夠為實際減排管理提供科技支撐或數據量化衡量的研究成果更是少之又少。盡管中國有機管理的土地面積已經在全世界名列第二,但政府和公眾將更多的焦點則是放在有機食品的安全、品質和經濟效益上,關于有機農業環境效益方面的系統研究尚未引起足夠的重視,相關的研究報道則很少,僅見Liu[56]對有機農產品生產鏈的環境評估做了案例研究;而有機農業環境效益方面的政策支持則更少。因此,在中國特定的氣候、土壤和耕種方式下實施有機農業,禁止合成的化肥和農藥投入,對有機農業減排和土壤固碳開展系統研究,掌握有機農業生產體系中溫室氣體的排放和固碳機理,一方面有利于推廣優化農業生態系統的農業措施,緩解溫室效應,改善土壤質量,提高農業生產力和整個環境質量;另一方面也有助于提升我國在未來全球變暖談判中的地位和權威性,為節能減排政策的制定和措施的實施提供科學依據。