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保护性耕作对中国北方温室气体排放
亚洲,太平洋地区保护性农业论坛
CA Forum 2007 (Luoyang) For Asia
& Pacific Region
沙尘暴和土地退化的影响
The Impacts of Conservation Tillage on Atmosphere
Warming, Dust Storm and Soil Deterioration in North China
高焕文教授GAO HUANWEN
中国农业大学CAU
农业部保护性耕作研究中心CCTR, MOA
引言Preface
◆全球变暖,大气污染和土地退化是对全人
类的挑战!
◆是农业机械化发展的巨大挑战和机遇!
Global Warming, Dust Storm and Soil Deterioration are
great challenge to human beings in the world!
They are also big challenge and opportunity to
Agricultural Mechanization Development !
保护性耕作生产效益好,而且资源环境效益突出;
建议政府列为环境保护的一项重要措施,给予政策
和资金支持;
中国政府已经把发展保护性耕作写入中央一号文件.
CT has not only good economy profit, but also great resource
& environment benefits.
It is suggested that government should take it as main
approach in environment protection, and support from policy
and funds.
Chinese Government has put "Development of Conservation
Tillage "into number one document of central government.
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一. 保护性耕作减少温室气体排放
CT depressGreenhouse Gases
温室气体是指使大气变暖的气体,主要包括CO2,CH4,N2O;
GHG mainly are CO2,CH4,N2O;
CO2,CH4和N2O对大气增温的贡献分别是60%,20%和6%;
但是单位N2O对大气环境的增温作用是CO2的290~310倍,是CH4
的10倍,对大气温室效应影响严重.
The potential of N2O emission warming atmosphere is greater 290～310
times than CO2 , 10 times than CH4.
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温室气体排放是全球气候变暖的主要原因
GHG emission is main factor in Atmosphere warming
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CO2相当部分来至旱地
Partial come from dry land
温室气体
从哪里来
CO2
N2O90%的N2O来自于农田
90% come from farm land
CH4
CH4 相当部分产生于水田
Partial come from rice paddy
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1.1 二氧化碳(CO2)
对全球气候变暖贡献率60% contribution rate
工业,交通运输
Industry,Transportation
CO2的来源
燃烧秸秆
Straw Burning
机器作业燃烧石油
Fuel
翻耕造成土壤C逸出
Escaped from soil
制造化肥,机械
Manufacture Fertilizer
& Machinery
农业生产
Farming
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保护性耕作对减少CO2的作用
The effects of CT on CO2 reduction
◆北方保护性耕作比传统耕作减少油耗25-33%,每公顷耕
地年均少排放84kg CO2.From fuel reduction
◆禁烧秸秆,降低油耗,不翻耕土地和减少制造农资,保
护性耕作可比传统耕作每公顷年减少排放501kg CO2.From
Stop straw burning, Reduce fuel consumption, reduce
escape from soil and reduce CO2emission from manufacture.
◆北方60%耕地实行保护性耕作,将减少CO2排放35Mt,
占每年全球CO2排放量的1/100.60% adoption of CT
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土壤有机质含量与大气中CO2含量密切相关
Soil Organic Matter related to CO2in Atmosphere
CO2
SOM
TT period
(1890)
SOM
Go down
SOM
constant
SOM
increase
CT adoption
(1990)
Farming
保护性耕作有机质含量增加
大气CO2含量下降
传统耕作有机质下降
大气CO2含量上升
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保护性耕作减少CO2排放,增加土壤贮碳的贡
献不亚于生产上的贡献,应该得到政府支持!
CT contribution on the reduction of CO2 is no less than
on the increasing of crop.
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2.2 减少N2O气体排放Reduce N2O emission
N2O气体多数是农田土壤中的氮素经过反硝化细菌或硝化细
菌作用而产生的.N2O emissions are produced from farmland
by denitrificationand nitrification process, through bacteria
activities.
产生的条件一是有氮素,二是在土壤中,三是合适的土壤水
分.The productive condition of N2O emission are N resources,
in the soil, suitable moisture.
中国N2O气体的来源:The resources of N2O emission in china
施用氮素化肥43%applied chemical N fertilizer
农田土壤自己产生27%base farmland"
施用有机肥23%applied organic manures
作物秸秆2%crop residue
其它来源6%other N resources
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氮肥的施用Chemical N fertilizer application
2004年中国生产了4519万吨化肥,其中氮肥
3304万吨,平均268 kg/hm2.China produced
45.19 Mt of C.F., among it N fertilizer 33.04Mt.
粗略估计化肥有效利用率只有30-35%.
A rough estimation is the fertilizer utilization efficiency
is only 30-35% in China.
减少N2O排放,首先要减少氮肥用量
Reduction of N2O emission, decrease the amount of N
fertilizer application should be put in high priority.
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减少农田风蚀Wind erosion
保护性耕作
减少N2O排放
CT reduce N2O
减少燃烧燃油Reduce Fuel
改善土壤结构Soil Structure
减少农田水蚀Water erosion
减少焚烧秸秆Burn Straw
直接效果
Immediate
提高土壤肥力Soil fertility
长期效果
Long time
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1)减少风蚀Reduce N loss by wind erosion
◆中国北方农田风蚀面积12~14 Mhm ,农田风蚀量每年
10~20t/hm2,风蚀物含全氮0.17%,每年风蚀损失全氮17~34
㎏/ hm2.
The wind eroded cropland is 12～14 Mhm2 in NC, average
erosion rate is 10～20 t/hm2/a,N content in wind collection is
0.17%, wind erosion loss full N 17-34 kg/hm2
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保护性耕作减少风蚀
保护性耕作减少风蚀60%,减少全氮损失10.2~20.4kg/hm2.
全氮转化为N2O气体的比例1.25%(PICC国际气候变化委员
会建仪值),我国每年减少N2O气体排放2001~6024t.
CT reduce wind erosion 60%, cut down N loss, take the transfer
rate 1.25% (PICC value), reduce 2001~6024t in China.
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2)减少水蚀Reduce N loss by water erosion
◆黄河流域水土流失面积10~13Mhm2,农田水蚀平均15t/hm2 ,
损失全氮50kg/hm2.
Water erosion area 10-13Mhm2 in Yellow River Basin, N loss 50kg/hm2
传统耕作保护性耕作
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保护性耕作减少水蚀
保护性耕作减少水蚀80%,减少全氮0.32~0.4Mt,乘
1.25%的转化率,可减少N2O排放7850~10200t,相当
全国N2O排放的2.2~2.8%.
CT reduce water erosion 80%, cut down N loss 0.32~0.4Mt,
equivalent to China N2O 2.2~2.8%.
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3)减少焚烧秸秆Avoid straw burning
产生
produce每年焚烧
150Mt秸秆
Annual
burning
0.0075MtN2O
0.379MtCH4
保护性耕作减少60Mt秸秆
燃烧,减少3000tN2O和
151.000t CH4气体排放
CT stop straw burning, cut
down N2Oand CH4emission
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4)减少燃烧燃油Reduce fuel consumption
3.2kgCO2
或
0.01kgN2O
燃烧1公斤柴油
1kg diesel fuel
设燃油产生的气体中70%为CO2,
30%为N2O,保护性耕作每年减
少5.15MtCO2和6900t N2O.
Assume CO2 70% ,N2O 30%
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保护性耕作直接减少N2O排放的效果
CT indirect but immediate reduce N2O emission
◆以上4方面直接减少温室气体排放作用将
使北方减少N2O气体排放19751~26124t ,
占全国N2O排放量5.5~7.5%
Above 4 aspects will directly reduce N2O emission
19751~26124t ,takes 5.5~7.5% of China totalN2O emission.
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保护性耕作改善土壤结构和肥力减少温室气体排放的长期
效应,水田需要10年后,旱地要20年后才能显现.短期内
排放可能减少也可能增加.
The significant reduction of N2O may show after adoption of
CT 10 years in humid area, 20 years in dry area.
采用保护性耕作后改
善土壤结构和肥力
保护性耕作减少N2O气体排放的长期效应
Long term effects of CT on N2O reduction
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Year 5 Year 10 Year 20
CO2
Humid 710 -780 -815
Dry 1123 137 -356
N2O
Humid 1114 330 -1238
Dry 398 268 8
CH4
Humid 13 -13 -13
Dry 13 -13 -13
Total
Humid 391 -463 -2066
Dry1508392-361
表1 保护性耕作实施不同时间对大气温暖的影响
单位: (kg ha-1y-1)
The effects of different CT years on Warming Potential
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2.3 CH4多产生于水田,保护性耕作的影响还不清楚
CH4 Mainly from paddy field, The effect of CT on CH4is uncertainty
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二. 保护性耕作减少沙尘暴
CT Depress Dust Storm
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2.1 北方沙尘天气频繁Many dust storms in NC
7.9 6.1 2.7 16.7 平均
554319117合计
755172006
661132005
1351192004
820102003
575172002
6115222001
1072192000
扬尘c沙尘暴b强沙尘暴a
沙尘天气Dust days
合计 年代
a: heavy, b: middle, c: light storm
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2006年春天北方出现12次沙尘暴, 是近7年来第二
个沙尘暴严重年份
North China had 12 times of dust storm in Spring of 2006
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全国有1500公里铁路,
3万公里公路和5万公里
灌渠遭受风沙破坏.
Dust storm damage
飞机不能正常飞行
被破坏的列车
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2.2农田扬尘
农田扬沙分三部分:沙粒(直径大于20μm ),尘粒(直径
20μm 以下),粉尘(直径小于10μm)又称PM10.
The dust from farm land has 3
parts: Sand particle ( diameter
large than 20 μm),
Dust particle (diameter less
than 20 μm)
Fine dust (diameter less than 10
μm) called PM10.
不同地表的土壤颗粒含量
地表类型
颗粒含量百分数% ,Diameter mm)
>22~11~0.50.5~0.250.25~0.10.1~0.05
0.05~0.0
2<0.02
传统耕作0.641.5912.646.1913.634.4716.2214.65
保护性耕
作1.253.4315.768.4213.2629.5214.7713.59
草地2.262.0216.6610.0415.6234.7112.626.37
沙地1.249.2619.9742.2818.318.320.380.24
直径 退化草地6% > 沙地1%. 沙尘暴的尘源主要
来至农田,而不是沙地(沙漠).
Fine particle mainly from crop land & grass land, but not desert.
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中农集沙仪田间采集中农集沙仪田间采集
扬尘扬尘
Wind erosion particle
collectors.
用用55米高秆集沙仪进米高秆集沙仪进
行农田扬尘监测行农田扬尘监测
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中国农业大学用PM10粒采集仪,在北京进行了
不同地表的PM10流量试验.
Testing PM10flow in Beijing
风洞
PM10
颗粒采集仪
集沙仪
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试验结果低茬地,粉碎秸秆覆盖地,直立秸秆地PM10
发生量比翻耕地减少41.%,69%,和77%
PM10测定结果gPM10 amount
地表毛重纸重PM10量
翻耕地(mold
plough)
2.652.43860.2114
低茬short
stubble mulch)
2.56332.43860.1247
全秸秆(full
straw cover)
2.50372.43860.0651
多秸秆+直立
straw plus
stubble
2.48622.43860.0476
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北京农田全部翻耕,每年产生84万吨PM10,北京1200
万市人均70kg.It would be 0.84Mt of PM10, when total crop
land plowed in Beijing .
推广保护性耕作,PM10可以减到19万吨.
While adoption of CT, PM10could be reduced to 0.19Mt
大量秸秆覆盖地表可以
有效防止扬尘
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三,保护土地资源Protect Resource of Soil
北方大部分耕地呈退化趋势,土壤有机质和营养元素
不断减少,结构变差.侵蚀是退化的主要原因.
风蚀导致耕地粗粝化
Soil deterioration by
wind erosion
水蚀导致耕地退化
Soil deterioration by
water erosion
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土地退化 Soil Deterioration
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我国每年土壤侵蚀量50亿吨,33亿吨来至耕
地,相当于耕地被刮走2.5mm.
Soil erosion 3.3Bt/a from farm land in China.
水蚀冲走肥沃表土
风蚀吹走细粒表土
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3.1 农田土壤风蚀Wind erosion
主要在西北和东北部分地区.测定结果,风蚀量在每年10～
80t/hm 之间,农田集中在每年10-20t/hm
Wind erosion in Cropland is 10-20t/hm annually.
中国农业大学研制
的移动式风蚀风洞
Wind tunnel made by
CAU
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北方干旱,半干旱地区土壤风蚀测定
Wind erosion measure
序
号
地区气候土质风蚀量
t/hm2.y
测定方法测定
时间
1北京延庆半湿润偏旱壤土11.28插钎法2005
2山西右玉半湿润偏旱黄土13.7插钎法1990
3山东夏津半湿润偏旱沙壤土21插钎法1992
4陕西神木半湿润偏旱黄土18.9模型法1998
5河北丰宁半湿润偏旱风沙土96.2插钎法2002
6内蒙古奈曼半干旱风沙土80插钎法1993
7内蒙古奈曼半干旱沙质土21.6陷阱诱捕法2002
8青海共和半干旱农田/草地7.5-43铯-137标记2000
9青海格尔木干旱沙丘地84.2铯-137标记2001
10新疆库尔勒干旱农田/草地31-60铯-137标记1998
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农田表土与土壤风蚀物的营养物质含量测定
Nutrition measuring in surface soil and wind collection
测定地点
与时间
土壤有
机质
全氮全磷全钾测定
方法
表土(5cm) 1.30.0960.0141.83
风蚀物3.0160.1670.0381.99
富集率2.321.742.701.09
表土(5cm) 1.380.1030.0161.82
风蚀物3.010.1790.0381.96
富集率2.181.742.381.08
移动式风
洞
内蒙古
正蓝旗
2003
田间沙尘
采集仪
河北丰宁
2002
每年每公顷刮走300kg 有机质,耕层有机质含量下降0.01%
Eroded out 300kg/hm2/a, make SOM reduce 0.01%
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保护性耕作比传统减少风蚀60% 河北张北测定
CT reduce 60% of wind erosion
不同耕作处理的风蚀量测定
0
2
4
6
8
10
12
14
16
传统耕作免耕+耙+覆盖免耕+覆盖免耕无覆盖
风蚀量(g)
0.10m H
0.25m H
0.6m H
1.0m H
1.5m H
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黄河流域是水蚀最严重地区之一, 每年入海泥沙16亿
吨,平均水蚀15 t/hm 以上.坡耕地水蚀特别严重,
150坡耕地水蚀量是50的5倍.
Water erosion is 15 t/hm in average in Yellow river basin.
3.2 农田土壤水蚀Water erosion
水蚀引起的土壤流失
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保护性耕作比传统翻耕减少水蚀80%
CT reduce water erosion 80%
保护性耕作与传统耕作的土壤水蚀对比
土壤流蚀量(单位)测试地区
单位
土壤坡
度传统耕作保护性耕
作
减少
率%
山西寿阳
中国农业大学
5度7.34
(t/hm2)
1.45
(t/hm2)
80大田径流区,
翻斗仪
1998-
1999
河南洛阳
洛阳农科院
0度0.525
(t/hm2)
0.123
(t/hm2)
76土槽,模拟
降雨
2000-
2001
5度0.454
(g/s)
0.048
(g/s)
88
10度3.3271.15465
15度6.0463.54341
人工修坡,
模拟降雨
1999山西隰县
山西农业大学
测试方法时间
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耕地是宝贵的资源.1996年
我国耕地面积1.3亿公顷,
2007年下降到1.2公顷.加快
推广保护性耕作势在必行.
Speed up CT to protect crop
land
一年两熟区保护性耕作
减少土壤侵蚀
一年一熟区保护性耕作
减少土壤侵蚀
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四,农业机械化的新挑战和新机遇
农业机械化的传统挑战:Old challenge to Ag. Mech.
提高农业劳动生产率Raise labor productivity
增加单位面积产量Increase soil productivity
降低作业成本Reduce operation cost
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新挑战New Challenge
气候变暖Atmosphere warm
土地退化Soil degradation
石油枯竭Petrol exhaust
人口膨胀population explode
全世界面临
的四大挑战
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新机遇New Opportunity
农业机械化的新机遇是:
加快实施保护性耕作工程Speed up CT
----温室气体排放,土地退化
实施机械化精确施肥工程Fertilizer
precise (sit specific) application
-----温室气体排放,水质污染
实施机械化秸秆禁烧工程
------温室气体排放,大气烟尘污染
实施机械化农业废弃物处理工程
------温室气体排放,土地退化
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中国保护性耕作展望
2010年北方保护性耕作发展到400万公顷;
2016年(未来10年)发展到1300万公顷(北方耕地
20%左右);
全国耕地60%实现保护性耕作(7000万公顷),
预计需要20年以上.
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4.2 实施机械化精确(定位)施肥工程
Fertilizer precise (sit specific) application
目前化肥大多撒在地表
Currently fertilizer spread
on the ground
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农业部正推行"测土施肥"项目
MOA project"application based soil measurement"
施多少肥的问题解
决了,需要解决如
何施的问题.
Need to solve how
to apply
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精确施肥,减少施肥量不仅降低成本,减少资源
消耗,而且降低N2O排放,减少水质污染.
Reduce apply amount of N fertilizer, cut down N2O
emission
机械化精确施肥是一项新的系统工程.涉及各种播种施肥
机械,地表撒施机械,中耕施肥机,厩肥施用肥机的改革.
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4.3 实施机械化秸秆禁烧工程
Stop straw burning project
2007.6.13,农业部发出紧急通知,要求各地做好秸秆综
合利用,禁止秸秆焚烧.需要系统规划实施.
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秸秆覆盖还田
Stalk mulch
秸秆打捆外运
Straw baling
秸秆翻埋还田Straw incorporation
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4.4 实施机械化农业废弃物处理工程
包括农,林,牧,副业废弃物处理
用废弃物生产有机肥料,
用废弃物生产沼气,发电,
减少环境污染,减少温室气体排放和减缓土地退化
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1,保护性耕作既有良好的经济效益,又有突出的资源环境效益,
应该加大示范推广力度,尽快形成规模,使之在节约资源和保护
环境中发挥作用.
Extension of CT should be enhanced due to great benefits of
resource & environment.
2,鉴于保护性耕作在保护生态环境中的重大作用,属于公益性项
目,建议国家把保护性耕作列入生态环境建设项目,以免耕覆盖
的面积为建设目标,由国家立项,政府和社会多方面投入.
Extension of CT should be a public profit project, by government
making plan and governmental, citizen & farmer inputs together.
结论与建议
Conclusion & Suggestion