CN115792177A - 一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，包括对农田地块进行土壤取样分析；根据土壤投入品的养分含量和有机碳含量推导出土壤投入品乘数；制定土壤投入品使用数量计划；根据土壤投入品实际施用量和土壤投入品乘数，计算出土壤肥力加权数；计量农产品总产量并计算出单位农田产量；进行土壤取样和土壤有机碳及养分分析化验；对比种植前后两次土壤分析化验结果，得出土壤有机碳变化具体数值和土壤肥力综合指数变化量；得出单位农产品土壤肥力综合指数；将土壤有机碳变化值除以农产品总产量，得出农田土壤碳库变换量，再乘以3.667即得到单位农产品土壤碳库变化参数。本发明将农田有机碳变化反映到农产品上，有助于农产品碳足迹计量。
Description
技术领域
本发明属于土壤研究领域，涉及一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法。
背景技术
农业剩余物还田与综合利用是农业农村减排固碳的主要途径，农田土壤是农业剩余物还田与综合利用的最终消纳场所。
在全球碳循环中，土壤碳库是全球陆地表层系统中最大且周转时间最长的碳库，约占整个陆地生态系统的2/3，约为植被碳库的2～3倍，大气碳库的2倍。土壤碳库中 60％的碳以有机质的形式存在于土壤之中，土壤有机碳具有生态系统服务功能，其巨大的容量和活跃的土气交换活动不仅可用于调节大气二氧化碳，而且对生态系统健康和农业生产力具有关键控制作用。耕地占地球表面积的1/3，农田土壤碳库受人为活动的影响最大，且在较短的时间尺度上具备可以调节性。因此，农田土壤的有机碳储量及其固碳能力是评估减缓气候变化和固碳减排潜力的重要依据。
2018年初英国洛桑研究所在《全球变化生物学》上发表了针对“千分之四全球土壤增碳计划”的研究论文(https://doi.org/10.1111/gcb.14066)，综合分析了英国东南部16组长期有机物料人为土壤添加实验的数据，时间跨度在7～157年，涉及了三种土壤、多种农作物和土地管理方式。结果发现，其中65％的实验数据表明，人为土壤添加有机物可以使0～23cm深度的土壤中有机碳每年增加超过了7‰。该文章还指出：“千分之四”计划在大面积的农业实践中，存在着严重的局限性，原因在于：
1、农场所必备的资源不足(例如没有粪肥)；
2、某种可以提升土壤有机碳的方法已经在广泛使用，如秸秆直接还田；
3、各种法规和补贴制约住了农民；
4、非全球食物安全鼓励措施的施行。
而且，“千分之四全球土壤增碳计划”在实际操作层面也遇到了很多困难，至今还没有操作层面的文件出台。
根据国际粮农组织(FAO)估计，农田土壤在25年内可以吸收约20PgC，超过人为排放量的10％。同时，这一过程也为土壤、作物和环境质量、防止侵蚀和荒漠化以及增强生物多样性提供了基础条件。FAO目前的工作目标包括：确定、发展和促进减少农业排放和固碳的农业生产模式，帮助改善欠发达地区的农民生计，并能够通过增加产量。2010年南京农业大学农业资源与生态环境研究所潘根兴在《AGRICULTURE ECOSYSTEMS& ENVIRONMENT》上发表论文称，1985～2006年间中国表层土壤(0～20cm)的有机碳每年平均增幅2550万吨，约为每年每公顷土壤增加0.2吨有机碳，相当于我国农田土壤每年固碳速率为1.3～2‰。但我国农业的这一环境成效却没有在农产品上展现出来，无论是消费者还是农民都无法切实感受到农田土壤有机碳提升所带来的可度量的生活品质改变。一方面是因为现行《农产品包装和标识管理办法》中没有要求对农产品的产地环境进行标注或者附加标识，另一方面是因为没有用于农产品的土壤有机碳变化的参数。开发出一个可用于农产品附加标识的土壤碳库变化参数既可以为农业碳中和的计量和审计工作提供帮助，以及每个参与者的获得感。因此，设计一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，解决在目前全球土壤增碳的大环境下，尚无用于农产品的土壤有机碳变化的参数的问题。
本发明通过以下技术方案来实现：一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，该方法包括以下步骤：
(一)对农田使用者(通常指实际从事种植的组织或个体)确定种植的农田地块进行土壤取样并进行土壤有机碳和植物所需营养元素分析化验；
本发明是以“测土配方施肥技术”为基准的延伸操作方法。基于近20年的“测土配方施肥”技术推广基础，种植者多已接受了根据土壤肥力测试结果，调节和解决作物需肥与土壤供肥之间耦合关系的种植作业方式。步骤1 中的土壤肥力分析化验与“测土配方施肥”所进行的土壤测试项目一致，包括土壤有机质和土壤养分库两类。
(二)土壤投入品提供者提供产品的碳含量和养分含量具体数据，根据每种土壤投入品的养分含量和有机碳含量推导出土壤投入品乘数；
提升土壤有机质的技术和方法比较多，如秸秆直接粉碎还田，施用堆肥、有机肥、沼液、沼渣、粪肥、厩肥、腐殖酸类产品、糠醛渣、食品发酵余物等，我国对农田用投入品施行许可证管理，并制定了明确的安全规范，因此种植者外采的农田土壤投入品，其提供方应承诺符合我国农业相关的所有规范和标准，包括但不限于有机质和各种养分。测土配方施肥所使用的配方肥料，应按相关规范提供养分含量报告。
土壤投入品乘数是根据每种投入品所含碳、氮、磷、钾等元素千分比之和，即克/千克；其中磷、钾按五氧化二磷和氧化钾计。有机质与有机碳的转换系数为1.724。个别碳酸盐肥料虽然所含碳为无机碳，但在实际使用中，使用者是根据土壤、植物和气候条件决定的，碳酸盐肥料中的无机碳会通过光合作用转换为有机碳，因此该碳酸盐中的碳在此视为有机碳。
(三)根据使用者的种植计划和土壤投入品养分与有机碳含量，制定土壤投入品使用数量计划；
该步骤遵循测土配方施肥技术进行实施。种植者为从农产品上获得最大效益，对投入品使用的经济性是有了解的，并且会使经济性发挥到最满意。因此，一般情况下，种植者不会偏重某一个单品进行无限量的使用。
(四)土壤投入品施进农田土壤后，根据每种土壤投入品实际施用量和该种土壤投入品乘数，计算出土壤肥力加权数，即当季作物的农田土壤肥力综合指数，并计算出单位面积农田土壤投入品实际施用量和单位农田土壤肥力综合指数；
根据每种土壤投入品总用量与该投入品乘数的乘积，计算出农田土壤所有投入品的总乘数，即该农田总的肥力指数，如下式：
∑投入品数量×投入品乘数
农田土壤肥力综合指数不包括农田土壤背景值，即进行步骤(一)所获得的土壤分析数值，只是土壤投入品的综合指数，该指数除以农田面积，得出单位农田土壤肥力综合指数。农田单位可以是亩、公顷或㎡，其他计量单位可归一化换算成上述单位。
(五)当季作物采收完成，计量农产品总产量并计算出单位农田产量；
农产品采收后的总产量计算按照实际卖出或远期订购的数量计算，未销售出去的农产品则视为养分未离开农田区域。通过单位农田产量与测土配方施肥时所订的目标产量对比，可以改进测土配方参数，使该技术更经济合理。
(六)当季作物完成采收和剩余物清理后，进行农田土壤取样和土壤有机碳及养分分析化验，作为下一种植季种植的基础数据；
翻压还田是主要的种植剩余物清理方式之一，也是目前农业农村鼓励的方法之一，其好处是可以有效地增加土壤有机质含量。种植剩余物清理完毕后，进行土壤分析化验，可以了解土壤肥力变化，并为下个种植季的测土配方施肥做好准备工作。
(七)对比种植前后两次土壤分析化验结果，得出土壤土壤肥力综合指数变化量和有机碳变化具体数值；
通过种植前后两次土壤分析结果比较可以得知农产品从农田土壤中带走的养分及其比例，即农产品中所包含的种植活动提供的养分总量，根据这一差值可以确定农田土壤质量变化，为耕地质量维持与加强提供重要依据。
(八)将土壤肥力综合指数变化量除以农产品总产量，得出单位农产品土壤肥力综合指数，即农产品农田土壤肥力指数；
计算单位农产品肥力指数便于在农产品流通过程中体现出农产品所含有的种植活动所提供的养分，使种植活动的经济与生态价值更具数量化，其单位是克/千克。
(九)将土壤有机碳变化值除以农产品总产量，得出单位农产品所含当季土壤投入品施用所导致的农田土壤碳库变化量，该碳库变化量乘以44除以12，即3.667得到单位农产品土壤碳汇(CO2)变化参数，即土壤碳汇参数。
用有机碳之差除以土壤肥力指数，即得出农田土壤有机碳转化系数。单位农产品土壤肥力指数乘以农田土壤有机碳转化系数，即得到单位农产品农田土壤碳库变化参数，该参数为碳元素值，变为温室气体二氧化碳当量(CO2e)值需乘以3.667。
进一步的，所述步骤(一)中土壤取样为地表以下30厘米深度的土壤。
进一步的，所述步骤(二)中土壤投入品为土壤改良剂、堆肥、农家肥、有机肥料、生物肥料、微生物肥料、腐殖酸及其制品、黄腐酸及其制品、海藻酸及其制品、糠醛渣、酒糟、泥炭、草炭、生物碳、化肥或以上物品的组合。
进一步的，所述步骤(二)中碳含量为有机碳与无机碳之和。
进一步的，所述步骤(二)中养分为氮元素、五氧化二磷和氧化钾。
进一步的，所述步骤(二)中土壤投入品乘数计算公式为：土壤投入品乘数＝氮元素(克/千克)+五氧化二磷(克/千克)+氧化钾(克/千克)+有机碳(克/千克)。
进一步的，所述步骤(二)中碳含量和养分含量具体数据为有机碳(干基)重量比≥20％、大量元素(全氮、五氧化二磷、氧化钾)(干基)合计≥3％。
进一步的，所述步骤(三)中种植计划为种植作物品种、希望产量及与之对应的养分投资量。
进一步的，所述步骤(四)中土壤肥力加权数计算公式为：
∑投入品数量×投入品乘数
进一步的，所述土壤碳库变化参数为农田土壤所含碳元素在种植后的测量值与种植前且土壤投入品未施用时的测量值的差值。
采用上述技术方案的积极效果：本发明提供一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，并可进一步计算出农田土壤碳汇和农产品土壤碳汇，能够将农田有机碳变化反映到农产品上，有助于农产品碳足迹计量，也可以通过碳信用额在农民与消费者以及更广泛的社会公众间进行流转。同时，上述技术方案结合了我国耕地复种指数高、质量偏低的实际情况，通过有机质与养分综合计算和评价的方式，避免了在土壤固碳过程中片面或过量施用有机质导致的减产和生态问题。并可以通过带有农田土壤碳汇的农产品的流通将种植业的经济性和生态性可以以可计量的方式进行表达，被社会公众认知。本发明也适用于有机基质或有机介质种植的农产品进行碳足迹核算。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
2010年9月3日在中国农业科学院国际农业高新技术产业园中试基地一栋占地300平方米阳光温室内，直播种植甘蓝，计划产量1215公斤(约合单产2700公斤/亩)。在温室内S形随机取四份表层25厘米土壤，送检，土壤检测数据为：
根据甘蓝每1000公斤需氮4.7公斤、五氧化二磷1.2公斤和氧化钾5.4公斤，为实现2700公斤/亩单产目标，该温室土壤肥力已可以满足，但依照《绿色食品产地环境技术条件》(NY/T391-2000)附录A表1土壤肥力分级参考指标，Ⅰ级菜地：有机质 (g/kg)>30、全氮(g/kg)>1.2、有效磷(mg/kg)>40、有效钾(mg/kg)>150，则该温室需补充养分：
| 单位 | 总量 | |
| 有机质 | 公斤 | 1,540.23 |
| 氮 | 公斤 | 48.46 |
| 五氧化二磷 | 公斤 | - |
| 氧化钾 | 公斤 | 3.04 |
由顺义农场提供北京大环顺鑫有机肥料厂生产的6吨(50kg/袋，120袋)含水率30％的有机肥料(京农肥(09)临字0028号，执行标准NY 525-2002)，有机肥检测指标如下：
该有机肥乘数为：[(37.1÷1.724)+1.23+1.87+1.26]×10＝258.7972≈258.80g/kg
实际施用5900公斤(118袋)，该有机肥提供肥力为：
| 单位 | 肥力总量 | |
| 有机质 | 公斤 | 1,532.23 |
| 氮 | 公斤 | 50.80 |
| 五氧化二磷 | 公斤 | 77.23 |
| 氧化钾 | 公斤 | 52.04 |
农田土壤肥力综合指数＝5900×(1-30％)×258.80＝1,068,844(干基)；
单位农田土壤肥力综合指数＝1,068,844÷300＝3,562.8133g/㎡；
2010年12月27日开始收割，共分四个批次，2011年1月23日收完。收获统计如下：
2011年1月26日温室土壤取样测试，种植前后测试结果及变化如下：
土壤养分有机碳变化数值＝97,186.05g/kg
土壤肥力综合指数变化量＝172,175.04g/kg
单位农田土壤肥力综合指数变化量＝172175.04÷300＝573.92g/㎡
单位农产品农田土壤肥力指数＝172175.04÷1223＝140.78g/kg
单位农产品农田土壤碳库变换量＝97,186.05÷1223＝79.47g/kg
单位农产品土壤碳库变化参数＝79.47×3.667＝291.40g/kg(CO2e)
实施例2
2012年4月在美国克莱姆森大学John P.Chastain教授的氧化塘液肥力种植效果试验中，附加了土壤有机碳变化测量。该试验在南卡罗莱纳一家农场进行，使用了该农场总面积89.6英亩玉米种植地中的59英亩；氧化塘液使用该农场自有的四栋存栏880 头/栋(总存栏量3520)头育肥生猪养殖场产生的氧化塘液，总量为2,432,320加仑/年 (691加仑/头猪·年)。氧化塘液成分表如下：
| 单位 | 数值 | |
| 速效氮 | lb/1000gal | 3.0 |
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | lb/1000gal | 2.0 |
| K<sub>2</sub>O | lb/1000gal | 4.9 |
| 有机碳 | lb/1000gal | 21.2 |
| 含水率 | ％ | 99.63 |
氧化塘液乘数：31.1lb/1000gal；
农田土壤肥力综合指数：31.1×2,432,320＝75,645,152lb；
耕层(表层30cm)有机质重量为240,208lb/ac，约109吨/英亩(该数据由农场提供)；
种植计划(依据克莱姆森大学CAAM program Manual chapter 5&and EC-476)：
土壤数据属于农场私人数据，土壤采样及测试需要经政府批准，由农场主委托有资质的第三方进行，因此，在本次试验附带的土壤有机碳测算，假设该农场完全遵守及符合相关规范，不再通过计算农田土壤肥力指数(包括土壤和农产品)的方式兼顾农业生产与环境维护，仅计算农产品农田土壤碳库变换量和农产品土壤碳库二氧化碳变化参数。
玉米总产量9487Bu(约160.80Bu/ac)，耕层有机质总量8,292,747lb。(以上数据由克莱姆森大学试验团队提供)；
单位农产品农田土壤碳库变换量＝(8,292,747-240,208÷1.724×59)÷9487＝7.61lb/Bu，折合3.45kg/Bu；
单位农产品土壤碳库二氧化碳变化参数＝7.61×3.667＝27.89lb/Bu(CO2e)，折合 12.65kg/Bu(CO2e)或498.11g/kg(CO2e)。
实施例3
2013年4月20日至2013年10月10日在黑龙江省大庆市大同区祝三乡国强村大庆联彭农业科技有限公司，露地种植中国农业科学院育成的“中糯1号”白色鲜食菜用玉米。种植土地为牛粪堆肥改良苏打盐碱地第一年，面积10亩，种植密度3400株/ 亩，目标产量鲜穗3300穗(穗均重≥270g，单产量900kg/亩)。改良前原土表层30cm 取样检测结果如下：
| 有机质 | 氮 | 磷 | 钾 | 电导率 | 酸碱度 |
| g/kg | g/kg | g/kg | g/kg | μS/cm | pH |
| 2.53 | 0.62 | 0.22 | 21.3 | 1.07×10<sup>3</sup> | 10.3 |
牛粪堆肥指标如下：
2013年4月20日至4月28日翻地备垄，每亩施用牛粪堆肥10立方米(约8.45 吨)，总计用量100立方米(约84.5吨)，5月2日土壤取样送检，5月4日播种。种植土壤检测数据如下：
| 有机质 | 氮 | 速效磷 | 速效钾 | 酸碱度 |
| g/kg | g/kg | mg/kg | mg/kg | Ph |
| 19.27 | 1.03 | 273.61 | 402.94 | 8.9 |
单位农田土壤肥力综合指数计算：
堆肥乘数：(70.9÷1.724+1.54+0.91+1.34)×10＝449.15(g/kg)；
单位农田土壤肥力综合指数：449.15×8.45×1000×(1-37％)＝2,391,050。
2013年8月23日开始采收鲜穗，采收期分了两个阶段，第一阶段8月23日～9月11日，第二阶段9月28日～10月10日采收完成，10月15日土壤取测试样。收获统计数据如下：
种植前后土壤测试数据比较：
单位农田土壤肥力综合指数变化量＝4,261,261g/亩；
单位农产品农田土壤肥力指数(按穗计)＝4,261,261÷52,507＝81.16g/穗；
单位农产品农田土壤肥力指数(按重量计)＝4,261,261÷12,397.58＝343.72g/kg；
单位农产品农田土壤碳库变换量＝2,354,698÷52,507＝44.85g/穗或189.93g/kg；
单位农产品土壤碳库二氧化碳变化参数＝44.85×3.667＝164.45g/穗(CO2e)或696.48 g/kg(CO2e)。
实施例4
2015年9月20日至2016年1月25日在广东省江门市新会区沙堆镇梅阁村，露地种植天津科润农业科技股份有限公司蔬菜研究所的“天香1号”甜瓜。种植面积41.2 亩，前茬水稻，定植密度1200株/亩，目标产量1200kg/亩。种植前表层30cm土壤取样检测结果如下：有机质26.73g/kg，全氮1.41g/kg，有效磷58.0mg/kg，速效钾 158.2mg/kg。
肥料使用，每亩施用珠海市玲龙农业科技有限公司提供的腐熟堆肥3500公斤；本村农资店购入15-15-15复混肥30公斤，5公斤磷酸二氢钾。腐熟堆肥根据NY 525-2012 标准检测结果如下：
单位农田土壤肥力综合指数计算：
1、堆肥乘数：(44.1÷1.724+1.95+2.21+1.26)×10＝310(g/kg)；
总量：310×3500＝1,085,000；
2、复混肥乘数：450g/kg；总量：450×30＝13,500；
3、磷酸二氢钾乘数：(52+34)×10＝860g/kg；总量：860×5＝4,300；
单位农田土壤肥力综合指数：1,102,800。
2016年12月21日开始采收，2016年1月25日结束，总产量48,270公斤，平均亩产1,171.6公斤/亩。
2016年1月30日土壤取样送检，数据如下：
| 有机质 | 全氮 | 速效磷 | 速效钾 |
| g/kg | g/kg | mg/kg | mg/kg |
| 28.16 | 1.27 | 115.28 | 174.36 |
种植前后测试结果及变化如下：
单位农田有机碳变化量：199.07kg/亩；
单位农田土壤肥力综合指数变化量：327.23kg/亩；
单位农产品农田土壤肥力指数：279.30g/kg；
单位农产品农田土壤碳库变换量：169.91g/kg；
单位农产品土壤碳库二氧化碳变化参数：623.02g/kg。
本发明提供一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，并可进一步计算出农田土壤碳汇和农产品土壤碳汇，能够将农田有机碳变化反映到农产品上，有助于农产品碳足迹计量，也可以通过碳信用额在农民与消费者以及更广泛的社会公众间进行流转。同时，上述技术方案结合了我国耕地复种指数高、质量偏低的实际情况，通过有机质与养分综合计算和评价的方式，避免了在土壤固碳过程中片面或过量施用有机质导致的减产和生态问题。并可以通过带有农田土壤碳汇的农产品的流通将种植业的经济性和生态性可以以可计量的方式进行表达，被社会公众认知。
Claims (10)
1.一种农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(一)对农田使用者确定种植的农田地块进行土壤取样并进行土壤有机碳和植物所需营养元素分析化验；
(二)土壤投入品提供者提供产品的碳含量和养分含量具体数据，根据每种土壤投入品的养分含量和有机碳含量推导出土壤投入品乘数；
(三)根据农田使用者的种植计划和土壤投入品养分与有机碳含量，制定土壤投入品使用数量计划；
(四)土壤投入品施进农田土壤后，根据每种土壤投入品实际施用量和该种土壤投入品乘数，计算出土壤肥力加权数，即当季作物的农田土壤肥力综合指数，并计算出单位面积农田土壤投入品实际施用量和单位农田土壤肥力综合指数；
(五)当季作物采收完成，计量农产品总产量并计算出单位农田产量；
(六)当季作物完成采收和剩余物清理后，进行土壤取样和土壤有机碳及养分分析化验，作为下一种植季种植的基础数据；
(七)对比种植前后两次土壤分析化验结果，得出农田土壤肥力综合指数变化量和土壤有机碳变化具体数值；
(八)将农田土壤肥力综合指数变化量除以农产品总产量，得出单位农产品土壤肥力综合指数，即农产品农田土壤肥力指数；
(九)将土壤有机碳变化值除以农产品总产量，得出单位农产品所含当季土壤投入品施用所导致的农田土壤碳库变换量，该碳库变化量乘以44除以12，即3.667得到单位农产品土壤碳库变化参数，即农产品土壤碳汇变化参数。
2.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(一)中土壤取样为地表以下30厘米深度的土壤。
3.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(二)中土壤投入品为土壤改良剂、堆肥、农家肥、有机肥料、生物肥料、微生物肥料、腐殖酸及其制品、黄腐酸及其制品、海藻酸及其制品、糠醛渣、酒糟、泥炭、草炭、生物碳、化肥、生物激励产品或以上物品的组合。
4.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(二)中碳含量为有机碳与无机碳之和，且分别列出数值。
5.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(二)中养分为氮元素、五氧化二磷和氧化钾。
6.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(二)中土壤投入品乘数计算公式为：土壤投入品乘数＝氮元素(克/千克)+五氧化二磷(克/千克)+氧化钾(克/千克)+有机碳(克/千克)。
7.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(二)中所有投入品的碳含量和养分含量合计数为有机碳(干基)重量比≥20％、大量元素(全氮、五氧化二磷、氧化钾)(干基)合计≥3％。
8.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(三)中种植计划为种植作物品种、预期产量及与之对应的养分投入量。
9.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述步骤(四)中土壤肥力加权数计算公式为：
∑投入品数量×投入品乘数。
10.根据权利要求1所述的农产品土壤碳库变化参数的计量方法，其特征在于：所述土壤碳库变化参数为农田土壤所含有机碳元素在种植后的测量值与种植前且土壤投入品未施用时的测量值的差值。
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