3个界面的碳平衡分析草业系统的3个界面是碳固定或排放的活跃区域和通道界面A过程形成草地,它是草类植物与非生物环境之间碳交换的区域。其碳平衡(Carbonbalance of IHS,CBIHS,CBIA)主要是光合作用、牧草碳氮吸收、大气碳氮尘降、生物固氮等碳输入。包括牧草和土壤GHG排放,GHG主要是CO2 , CH、和H2O较少。一般,CBIA > 0,该界面是碳汇过程;但是,退化草地的碳等物质及其所含能量入不敷出界面B过程形成草畜系统,它是草地与家畜相互作用的区域。该界面的碳平衡(Carbon balance ofIGL,CBIGL,CBIB),主要是家畜肠道发酵、排泄物的挥发和分解,GHG以CH、和H2O为主。主要是凋落物和家畜排泄物返还到草地,毛、皮、骨骼的碳保存。一般,家畜采食的牧草超过20 % ,甚至50%作为排泄物返还草地,其中一部分挥发、淋溶,或分解中损失,故 CRIB < 0或CRIB,界面B是碳源。
界面C过程进化完整地草地农业生态系统,它的碳平衡(Carbon balance of IGLSE , CBIGLSS , CBIC )CBIC = C;,包括草地管理、畜群管理,以及草畜产品加工和贮运、旅游和狩猎等过程的碳排放。主要是固定在草畜产品的碳,以及草业系统管理、保护和恢复所增加的碳。其碳平衡较为复杂:管理得当,CBIC >0;管理不当,碳排放加速,CBIC<0草业系统的碳平衡是3个界面碳平衡的和,CBGAE = CBIA+CBIB+CBIC,可以据此有针对性地加强某一界面的碳管理。仍以祁连山马鹿牧场和塔斯玛尼亚奶牛牧场为例两个牧场系统的CBGAE>0,均为碳汇。
草业系统的碳排放主要发生在前植物生产层或界面C,碳汇主要在植物生产层或界面A,在两个牧场中均超过90 %。因此,碳汇管理应减少前植物和后生物生产层的碳排放,增加植物和动物生产层的碳汇;或是增加界面A和B的碳汇,减少界面C的碳排放。
1 草地农业生态系统碳平衡分析的输入/输出法,草业系统某一生产层或界面的碳平衡可以根据四个部分确定。
输入(Carbon input,CI),从草业系统外部输入的化肥、机械、种子、畜力、厩肥等物质,光合作用吸收、同化COZ,微生物活动固定的CHQ和N,尘降和水土保持积累碳氮。排放(Carbon emission , CE ),人类、家畜消费草畜产品,包括食物、能源、畜力、日用品、厩肥等,在一定时间内还原为GHG。固定部分(Carbon fixation , CF,牧草、家畜、排泄物等,在一定时间内以可贮存的形态存在于草业系统内。输出(Carbon output , C 0 ),输出的草畜产品、种子、畜力、厩肥等。
草业系统的碳平衡为CBGAE = CI+CF-CE-CO。如果CBGAE>0,即CI+CF>CE+CO,草业系统为碳汇,反之为碳源。某一生产层或某一界面的碳平衡同理计算,它们的初始碳量与碳平衡之和为当前碳量祁连山和塔斯玛尼亚两个草业系统的动物生产层均为碳源,与生产层法和界面法的分析结果相同。
2 3种碳平衡计算方法的比较
3种草业系统碳平衡分析方法各有侧重;4个生产层的方法关注能量与物质流动规律,对应着相应的生产环节;界面的方法强调关键生态过程,简明地体现了碳平衡的作用机制;碳输入/输出法侧重碳相对于生态系统的运动,忽略碳产生的环节和机制。口前碳平衡分析常用方法还有生活史分析(Life cycleanalysis)和元分析(Meta-analysis)前者对碳流程自上而下梳理,与生产层法和界面法有相似之处,但是它忽略生产环节或系统组分之间的联系和相互作用;后者对已有文献的实测指标再一次的统计分析相对定量地、概括地反映大时空尺度的碳动态,但是对碳平衡的机理难以作具体的、有针对性的明晰。
草业系统碳汇,既有光合作用、碳尘降等自然过程,也有施厩肥等人工碳。当前的碳平衡分析方法难以区别碳的这两种来源,也难以定量输出碳的来源,不利于提高碳的管理效率,是今后研究需要改进的方面。
3 影响碳平衡分析的因素
(1)大气碳氮尘降
每年有36亿碳尘降,近10亿不知去向80%返还到土壤或水体,对湿润地区生态系统碳平衡有重要影响。文中案例分析未考虑碳氮尘降,其生态效应却是当前研究热点之一,短期内氮尘降提高植物生产力,增加土壤微生物对有机质的分解,直接影响植物碳库和土壤碳库几长期则降低土壤微生物量。
(2)草地碳氮淋溶
草业系统的可溶性碳氮会淋溶到地下水系统碳氮淋溶的影响因素主要是降水、灌溉和土地利用方式。天然草地因主要位于干旱和极端干旱地区,只存在微弱的淋溶过程[SA几因而保持大量无机碳,其碳量超过土壤有机碳。草地灌溉量越多,土壤无机碳的淋溶量越大。放牧会增强土壤的淋溶作用,一方面因为放牧降低植被盖度,加快土表枯落物分解,减少了降水截留几另一方面放牧促进植物地上部分产物向根系分配运输,加快土壤有机质分解,促进分解产物向下部转移和聚集[591。此外,土壤中空气分压和土壤溶液的PH值也控制土壤无机碳浓度和通量,影响草业系统的碳平衡。
(3)家畜排泄物的GHG排放
集约化草业系统中家畜排泄物的GHG排放不容忽视。IPCC的GHG排放口录中,家畜粪便的CH4排放是重要指标。放牧家畜的排泄物多返还草地,少部分归牧后存留于畜圈,这部分碳发酵后施肥到耕地中;排泄物的GHG排放多发生于存储、堆沤过程,进入土壤的碳还影响土壤微生物呼吸和碳储量。但是,放牧家畜或者厩肥有多少排泄物碳返还到土壤、多少成为土壤碳,尚不清楚。
(4)后生物生产层的碳足迹
国际碳足迹核算多用在能源行业,尚没有草业系统通用的碳足迹计算标准,而且后生物生产层的碳足迹仍是研究空白,用生命周期评价法(Life cycle assessment, LCA)可对其各个组分梳理,明确其耗能排放数据。我国天然草地面积大,栽培草地方兴未艾,草畜产品加工是草业发展的关键,却与增碳减排相矛盾,草业系统发展后生物生产层以提高系统整体碳排放的经济效率是兼顾生态与生产的重要途径,实施清洁发展机制(Clean Development Mechanism, CDM)对于草地农业生态系统后生物生产层的健康发展有借鉴意义。