我国主要农作物生产碳汇结构现状与优化途径

佘玮 ,  黄璜 ,  官春云 ,  陈阜 ,  陈光辉

中国工程科学 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (1) : 114 -122.

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中国工程科学 ›› 2016, Vol. 18 ›› Issue (1) : 114 -122. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2016.01.014

我国主要农作物生产碳汇结构现状与优化途径

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The Current Carbon Sink Structure of China’s Staple Crop Production and Its Optimization Approach

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摘要

大气中温室气体浓度的增加引起的全球气候变化成为威胁人类生存和发展的一大难题。农作物的碳汇功能对气候变化也起着重要的调节作用。农作物的生产过程既是碳源也是碳汇。本文收集整理分析了我国主要农作物农作系统的相关碳排放参数，估算了农田碳汇碳源效应及其动态变化特征，对作物生产系统的碳投入产出进行定量评价。为我国发展低碳农业规划、政策制定提供了依据，并提出了我国农田碳汇结构的优化途径。

Abstract

The global warming caused by heavy emissions of greenhouse gases has posed a great threat to the existence and development of mankind. The carbon sink function of crops has an important regulating effect on climate changes. Actually the production of crops can be seen as the carbon source as well as the carbon sink. In this article, the authors gather and analyze the relevant carbon emission parameters of the staple crop production system in China, estimate the carbon sink effect of farmland and its dynamic change feature and quantitatively evaluate the carbon input and output of these crop production systems. In this way, the paper provides a basis for making the low-carbon agriculture planning and policies and proposes the approach to optimizing the carbon sink structure of the farmland in China.

关键词

农作物 / 碳汇 / 碳排放 / 优化途径

Key words

crop / carbon sink / carbon emission / optimization ways

引用本文

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佘玮,黄璜,官春云,陈阜,陈光辉. 我国主要农作物生产碳汇结构现状与优化途径[J]. 中国工程科学, 2016, 18(1): 114-122 DOI:10.15302/J-SSCAE-2016.01.014

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一、前言

大气中温室气体浓度的增加引起的全球气候变 化，已经威胁着人类的生存与社会经济的发展。气 候变化的主要原因是由于人类活动向大气中排放过 量的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O） 等温室气体 [1,2]。要解决这一问题就必须减少温室 气体在大气中的积累，其途径可从两个方面考虑， 一是减少碳源，即温室气体的排放；二是要增加碳 汇，即增加对温室气体尤其是二氧化碳的吸收 [3]。森林一直被公认为具有明显的碳汇功能，能够帮助 吸收大气中的二氧化碳。除森林碳汇以外，在地球 上面积最大的农作物同样也具有碳汇功能，对气候 变化也起着重要的调节作用。 农作物的生产过程既是碳源也是碳汇。碳源主 要包括农作物生产过程中化肥、农药、电力、柴油 等投入物生产形成的碳排放，农田土壤呼吸碳排放 以及作物的秸秆焚烧碳排放。 碳汇主要包括作物自 身生长碳吸收、农田土壤固碳和秸秆还田的固碳效 应。农作物的碳汇和碳源相抵可得到净碳汇。在当 前全球温室效应加剧、环境不断恶化的背景下，农 作物的碳汇作用具备了显著的生态环境价值。农田 生态系统作为受人类影响最大的自然生态系统，其 固碳能力历来受到关注。 本项目根据我国不同农作区的差异，将全国划 分为东北、华北、西北、长江中下游、西南、华南 六大区域，各区域作物生产农田投入量来源于《全 国农产品成本收益汇编》、试验及调研数据、文献 等。化肥、农药、电力、柴油等农资生产过程中的 温室气体排放来源于中国生命周期数据库（CLCD） 和 Ecoinvent 数据库。采用 Microsoft Excel 2010 对 数据进行统计分析。

二、我国农田生态系统碳汇分析

（一）我国农田生态系统表现为固碳效应

我国各区域主要农作物的农田生态系统主要 表现为固碳效应，即净碳量为正值（见表 1）。在 研究的作物中，只有西北的棉花和西南的油菜 表 现 为 碳 源， 净 碳 量 分 别 为 –531.3 kgC·hm–2 和 –33.3 kgC·hm–2，其他作物的净碳量差异较大，分 布在 404.7~40 725.9 kgC·hm–2。同一区域内不同作 物的净碳量差异明显，同一作物在不同区域之间 净碳量差异也较大。以水稻而言，净碳量数值以森林一直被公认为具有明显的碳汇功能，能够帮助 吸收大气中的二氧化碳。除森林碳汇以外，在地球 上面积最大的农作物同样也具有碳汇功能，对气候 变化也起着重要的调节作用。 农作物的生产过程既是碳源也是碳汇。碳源主 要包括农作物生产过程中化肥、农药、电力、柴油 等投入物生产形成的碳排放，农田土壤呼吸碳排放 以及作物的秸秆焚烧碳排放。 碳汇主要包括作物自 身生长碳吸收、农田土壤固碳和秸秆还田的固碳效 应。农作物的碳汇和碳源相抵可得到净碳汇。在当 前全球温室效应加剧、环境不断恶化的背景下，农 作物的碳汇作用具备了显著的生态环境价值。农田 生态系统作为受人类影响最大的自然生态系统，其 固碳能力历来受到关注。 本项目根据我国不同农作区的差异，将全国划 分为东北、华北、西北、长江中下游、西南、华南 六大区域，各区域作物生产农田投入量来源于《全 国农产品成本收益汇编》、试验及调研数据、文献 等。化肥、农药、电力、柴油等农资生产过程中的 温室气体排放来源于中国生命周期数据库（CLCD） 和 Ecoinvent 数据库。采用 Microsoft Excel 2010 对 数据进行统计分析。

二、我国农田生态系统碳汇分析

（一）我国农田生态系统表现为固碳效应

我国各区域主要农作物的农田生态系统主要 表现为固碳效应，即净碳量为正值（见表 1）。在 研究的作物中，只有西北的棉花和西南的油菜 表 现 为 碳 源， 净 碳 量 分 别 为 –531.3 kgC·hm–2 和 –33.3 kgC·hm–2，其他作物的净碳量差异较大，分 布在 404.7~40 725.9 kgC·hm–2。同一区域内不同作 物的净碳量差异明显，同一作物在不同区域之间 净碳量差异也较大。以水稻而言，净碳量数值以长江中下游地区最大，为 3. 584 3×103 kgC·hm–2， 西南地区数值最小，为 1.571 7×103 kgC·hm–2。以小麦 而言，西北地区数值最大，达 3.222 7×103 kgC·hm–2， 而在长江中下游地区数值仅为6.043×102 kgC·hm–2。以 玉米而言，净碳量以西北地区数值最大，达 3.891 7× 103 kgC·hm–2，碳汇功能明显；而在西南地区数值仅 为 4.047 ×102 kgC·hm–2。

表 1 各区域农作物生产净碳量及其组分单位 (kgC·hm–2)

（二）我国主要农作物生产系统碳效率呈基本稳定 并提升的趋势

在我国农业从粗放到集约的超过半个世纪的历 史进程中，主要农作物生产碳效率基本大于 1，农 田生态系统动态的碳平衡始终处于正平衡状态（见 图 1）。1952—1980 年为以牛耕铁犁为代表的传统 农作阶段，1980—2010 年为以半机械化为代表的半 现代化集约农作阶段，进入 21 世纪后，我国部分 地区开始向准现代化农业阶段过渡，对这段时间我 国主要农作物生产碳效率分析可知：无论是低水平 的传统农作还是较高水平的准现代农作，农田生态 系统碳平衡都是作物生产固碳大于碳成本，农田生 态系统都表现为“固碳效应”。另外，纵观主要农 作物生产碳效率随时间的变化情况可以发现，随着 时间推移，作物生态碳效率变化并不太大，较为稳 定，同时有缓慢增长的趋势。

图 1 我国不同年份全国主要农作物生产的碳效率

三、我国各区域主要农作物碳结构分析

（一）各区域主要农作物生产的碳成本

表 2 为各区域主要农作物生产的碳成本。东 北地区水稻的灌溉量较大，造成其碳足迹远大 于玉米和大豆。水稻的单位面积碳足迹最高，为 1.860 68×103 kgC·hm–2， 远 高 于 玉 米（4.522 8× 102 kgC·hm–2） 和 大 豆（1.423 4 ×102 kgC·hm–2）。 单位产量的碳足迹也表现为单位面积碳足迹类似的 情况，以水稻最高，大豆最低。大豆的碳足迹最低 主要是由于其施肥量较小，以及其他农田投入品使 用量低造成的。

表 2 各区域主要农作物生产的碳成本

华北地区玉米的产量碳足迹和面积碳足迹都 要 低 于 小 麦， 即 0.252 kgC·hm–2<0.476 kgC·hm–2， 1 446 kgC·hm–2<2 248 kgC·hm–2，主要原因为玉米的 产量水平较高，而需要的灌溉量较少。小麦碳足迹 比较高，是由于其灌溉需要的电力较多。

由于地膜的使用，西北地区玉米和棉花的面 积碳足迹均较高，分别为 1.431 64 ×103 kgC·hm–2 和 2.122 99×103 kgC·hm–2，小麦的面积碳足迹最 低， 为 8.165 ×103 kgC·hm–2，而棉花由于农药 施用量较大，其碳足迹水平远高于其他作物。作 物产量碳足迹与面积碳足迹情况类似，仍以棉花 （1.28 kgC·hm–2）最大，小麦（0.159 kgC·hm–2）最小。

由于农资投入水平较高，西南地区水稻和玉米的面积碳足迹较高，均在 1.5 ×103 kgC·hm–2 以上。 油菜的面积碳足迹（1.002 09×103 kgC·hm–2）处于 中等水平，而产量碳足迹（0.543 kgC·hm–2）却高 于其他作物，主要由其单产过低引起的。

华南地区甘蔗的面积碳足迹较高，为 3.841 54× 103 kgC·hm–2，大于水稻的 8.888 2×102 kgC·hm–2。 但由于其单产水平远远高于水稻，致使其产量碳足 迹较低，只有水稻产量碳足迹的三分之一左右。

长江中下游地区玉米面积碳足迹（1.040 5× 103 kgC·hm–2）高于其他三种作物，油菜产量碳足 迹（0.210 kgC·hm–2）高于其他三种作物。与其他 地区相比，水稻表现出了相对较低的碳足迹，说明 该地区水稻灌溉等投入量水平并不高。

（二）作物碳足迹的构成因素

如图 2 所示，西北地区的作物碳足迹普遍较高， 主要是由地膜的使用引起的。构成华北地区作物生产 的碳足迹主要为电力，这与华北平原的灌溉方式有 关，其他地区的作物生产的碳足迹主要是化肥的施用。

图 2 各地区作物产量碳足迹构成比较

（三）我国各区域主要粮食作物生态系统净生产力

如图 3 所示，水稻生态系统净生产力在各区域变 异不明显，在东北地区表现最好为 5.174 ×103 kgC· hm–2，其次是长江中下游地区，水稻生产生态系统 净生产力为 4.327×103 kgC·hm–2，说明这两个地 区种植水稻具有较强的作物生产固碳能力。玉米 生产的生态系统净生产力变化较大，在西北地区 最大达到 5.560×103 kgC·hm–2，而在西南地区只 有 1.768×103 kgC·hm–2。小麦生态系统净生产力同样表现出了不同区域的明显变化，在西北地区最高 为 4.271×103 kgC·hm–2，而在长江中下游地区只有 1.136×103 kgC·hm–2。从全国平均水平来看，三种 主要粮食作物的生态系统净生产力差别不大，表现 为玉米 > 水稻 > 小麦。

图 3 各地区主要粮食作物生态系统净生产力

四、我国粮食主产区作物系统碳汇功能典型 实证研究

（一）华北平原粮食作物生产的碳汇结构与功能评价

1. 粮食作物生产系统碳足迹大小及构成

华北平原粮食作物生产系统近 32 年的碳足迹 大小和变化趋势见图 4。总体上，粮食作物生产系 统的碳足迹呈增加趋势，从 1978 年的 2.926 8× 102 kgC·hm–2增加到2009年的4.679 9×102 kgC·hm–2， 年均增长率为 7.02 kgC·hm–2·a –1。 依据碳足迹在年季间的变化特征，粮食作物 生产系统的碳足迹变化可分为 4 个时期：第一稳 定期（1978—1984 年，简写为“S1”）、快速增长 期（1984—1997 年，简写为“S2”）、第二稳定期 （1997—2002，简写为“S3”）和缓慢增长期（2002— 2009，简写为“S4”）。4 个时期的碳足迹大小见 表 3，第一个稳定期的粮食作物生产系统碳足迹在 290 kgC·hm–2 上 下 波 动； 快 速 增 长 期 间， 粮 食 作物生产系统的碳足迹从 2.870 2 ×102 kgC·hm–2 增加到 4.238 2×102 kgC·hm–2，年均增长率为 12.69 kgC·hm–2·a –1，12 年间增加了近 1 倍；第二 个稳定期碳足迹基本停滞在 4.25×102 kgC·hm–2 ； 2003 年后碳足迹处于缓慢增长期，粮食作物生产系统的碳足迹从 4.233 1×102 kgC·hm–2 增加到 4.679 9×102 kgC·hm–2，年均增长 5.85 kgC·hm–2·a –1， 增速仅约为快速增长期的 1/2。 1978—2009 年粮食作物生产系统碳足迹构成情况见表 3。总体上，粮食作物生产系统碳足迹的大 小 为 367.81 kgC·hm–2， 其 中 化 肥、 灌 溉、 机 械、 人工、种子和农药的碳足迹分别为129.02 kgC·hm–2·a –1、 105.23 kgC·hm–2·a –1、39.69 kgC·hm–2·a –1、36.66 kgC· hm–2·a –1、49.41 kgC·hm–2·a –1 和 7.80 kgC·hm–2·a –1， 化肥所占的比重最大，约占总量的 1/3，灌溉约占 总量的近 1/3，化肥和灌溉两项占总量的 63.69 %； 机械、人工和种子所占碳足迹总量比重差异不显著， 均约占 10 %；农药所占比重最少，不足 3 %。

图 4 1978—2009 年粮食作物生产系统碳足迹的变化趋势

表 3 粮食作物生产系统不同时期碳足迹大小及构成

2. 粮食作物生产系统固碳量历史动态

由图 5 可知，总体上近 30 年粮食作物生产系 统的固碳量呈增长趋势，从 1978 年的 1.778 91× 103 kgC·hm–2增加到2009年的4.609 02×103 kgC·hm–2， 增加 1 倍多，年平均固碳量增加了 91.42 kgC·hm–2·a –1。 1978—2009 年华北平原粮食作物生产系统中，经 济产量、秸秆和根的固碳量分别为（1251.71±332.76）kgC·hm–2、（1394.58±378.28）kgC·hm–2 和（582.29±166.16）kgC·hm–2，分别占粮食作物 生产系统固碳量的 38.77 %、43.19 % 和 18.04 %， 经济产量和秸秆的固碳量差异不显著，但均显著高 于根的固碳量。 3. 粮食作物生产系统碳生态效率动态变化 由图 6 可知，1978—2009 年粮食作物生产系统 碳的生态效率为（8.67±1.15）kgC·kg–1·CE。依据 粮食生产系统碳的生态效率的变化趋势，可以将粮 食作物生产系统碳的生态效率分为 3 个时期，第一增 长期（1978—1985 年）、稳定期（1985—2000 年）和 第二增长期（2000—2009 年）。第一增长期粮食作物 生产系统碳的生态效率为（7.19±1.39）kgC·kg–1·CE， 平均年增长率为 0.51 kgC·kg–1·CE；稳定期碳的生态 效率为（9.07±0.32） kgC·kg–1·CE；第二增长期粮食生 产系统碳的生态效率为（9.27±0.58） kgC·kg–1·CE，平均年增长率为 0.19 kgC·kg–1 CE。稳定期和第二 增长期粮食生产系统碳的生态效率差异不显著，均 显著高于第一增长期。

图 5 1978—2009 年粮食作物生产系统的固碳量

图 6 1978—2009 年粮食作物生产系统碳效率

（二）长江中下游双季稻作物生产系统的碳汇结构 与功能评价

1. 双季稻作物生产系统碳足迹数值大小及构成 变化

2004—2012 年长江中下游地区双季稻生产系统碳 足迹数值大小及构成情况见表 4，双季稻作物生产系 统碳足迹呈增长趋势，从 2004 年的 1.839 26×103 kgC· hm–2 增加到 2012 年的 2.200 08×103 kgC·hm–2，年平 均碳足迹增加了 25.9 kgC·hm–2·a –1，其中化肥、种子、 农药、农膜、灌溉和机械近十年碳足迹平均值分别 为 968.0 kgC·hm–2·a –1、9.9 kgC·hm–2·a –1、218.6 kgC· hm–2·a –1、35.1 kgC·hm–2·a –1、818.4 kgC·hm–2·a –1 和 22.2 kgC·hm–2·a –1。碳足迹构成中化肥所占的比重最 大，约占总量的 45 %，灌溉约占总量的 40 %，两 者数值占总碳足迹的 85 % 左右，其次是农药，所 占比例为 10.5 %，机械、农膜和种子所占碳足迹总 量的比重最少，合计不足 4 %。 2. 双季稻作物生产系统固碳量大小及构成动态 变化 2004—2012 年长江中下游地区双季稻生产系统 固碳量大小及构成情况见表 5，总体上看，双季稻作物生产系统固碳量年际间变化不明显，年均固碳量在 1.06×104 kgC·hm–2 上下波动。作物生产系统固碳量由 籽粒、秸秆和根的固碳量组成，其中以籽粒和秸秆的 固碳量所占比例较多，均占到约 40 % 以上，籽粒固碳 量呈缓慢上升趋势，年均增加量为 14.9 kgC·hm–2·a –1， 双季稻根系固碳量相对最少，占到 15.3 % 左右。

表 4 2004—2012 年长江中下游地区双季稻生产系统碳足迹构成 (kgC·hm–2)

表 5 2004—2012 年长江中下游地区双季稻生产系统固碳量构成 (kgC·hm–2)

3. 长江中下游地区双季稻作物生产系统碳效率 动态变化

由图 7 可知，2004—2012 年长江中下游地区双 季稻作物生产系统碳生态效率持续大于 1，表明双季 稻作物生产固定碳量大于投入碳量，农田生态系统 表现为碳汇。随着年份增加，双季稻作物碳生态效 率呈下降趋势，由 2004 年的 5.8 kgC·kg–1 C 下降到 2012年的5.0 kgC·kg–1 C，年均下降0.09 kgC·kg–1 C·a –1，下降趋势并不明显，碳汇功能保持较为稳定。

图 7 1978—2009 年粮食作物生产系统碳的生态效率

五、我国农田碳汇结构评价与优化途径

1. 农作系统碳汇功能提升的技术方向

一是选择优良品种，研究表明超级稻不仅增 产而且利于稻田 CH4 的减排。二是耕作栽培的调 整，研究表明增密减氮不仅稳产而且可使温室气体 减排。增密指的是扩行缩株；减氮指的是控前促 后。三是土壤增碳，研究表明有机肥增碳明显，但 常规的秸秆还田、免耕、大豆轮作的增碳效果不 显著。

2. 各区域作物生产减排需要因地制宜

通过对我国各区域主要作物生产的碳成本的构 成分析，针对性地提出各区域作物生产节能减排的 重点。

东北。水稻生产碳足迹明显高于其他两种作物， 该区域应当在优化生产技术减少化肥和农膜的基础 上重点研究采取高效的灌溉措施，提高效率减少灌 溉等的耗电量，降低水稻生产的碳足迹。

华北。小麦、玉米系统生产的碳足迹主要可以 通过提高灌溉效率和肥料利用效率来实现区域作物 生产的碳成本的减少。

西北。该地区减排的重点应在减少农膜、化肥 以及农药的使用量，提高效率，降低该区域棉花、 玉米、马铃薯生产的碳足迹，尤其棉花通过优化农 膜的使用而减少碳足迹的潜力明显。

西南。各主要作物的生产碳足迹差别不明显， 且都主要为化肥投入贡献，该区域应当重点提高肥 料的利用率减少作物生产的碳足迹，降低碳成本。

华南。该区域减排重点应在研究如何减少作物 生产的化肥投入量，降低甘蔗，水稻生产的碳足迹 以降低区域作物生产的碳成本。

长江中下游。本区域通过减少肥料和农药投入 而实现减排的潜力较大，应当重点提高其利用效率 减少实物使用量。

六、提高我国作物固碳减排能力的建议

（一）提高区域固碳减排能力

1. 发挥宏观布局与调控的作用

应对气候变化，调整我国作物优势产业区（带）， 将耗水作物南移，高效水分利用作物北移、西移； 在满足国家进口粮油产品需求的前提下，鼓励进口 高碳产品、高水足迹产品、低废弃物产品。

2. 加强抗逆研究与成果应用

加强抗逆种质资源，特别是抗旱种质资源的挖 掘，培育抗旱高产品种、推广抗旱品种；加强抗旱 栽培技术研究并加大推广力度，包括节水、保水、 蓄水技术，以增加作物种植面积、提高作物单产， 实现固碳减排。

（二）提高碳生产效益

1. 技术推广和政策扶持并重，稳定南方双季稻 种植面积，开发利用南方冬闲田

要推进冬闲田开发的产供销、农工贸一体化体 系，构建支持以发展冬季农业为导向的专业合作组 织，提高社会化服务水平和订单农业，切实保障冬 季农业增效和农民增收。建议切实增加南方冬闲田 开发利用的科技研发和技术推广投入，加强农业基 础设施建设和土地流转，实施冬闲田开发利用专项 补贴和政策性保险制度，促进作物面积，特别是多 熟制面积的增加，增强碳汇的功能、提高碳生产的 效率。

2. 推进水稻–小麦、小麦–玉米、水稻–油菜等 主体种植模式的全程机械化进程

有效推进农业主产区水稻–小麦、水稻–油菜、 小麦–玉米等主体种植模式的全程机械化生产，完 善农田全程机械化周年高产技术集成、作物秸秆还 田配套耕作机械及种植方式、栽培耕作技术等，是 现阶段我国耕作制度发展迫切需要解决的问题。建 议加大相关技术研发和示范推广力度，在粮食、油 料主产区快速推动作物生产全程机械化进程，促进 主体种植模式的发展，提高碳汇功能。

3. 建立联合攻关机制，实现主体种植制度的节 本高效

结合国家优势农产品区域布局及商品粮基地建 设，建立联合攻关队伍，研究制定相应的技术规程 和技术补贴政策，将多熟高产高效、秸秆还田与地 力提升、旱作节水与养分管理等集成配套，探索建 立适合不同类型区域的资源低耗高效耕作制度，增 加生物产量，提高碳汇功能。

4. 重视南方水网密集地区的环境保护型耕作制 度建设

在农业面源污染严重的水网密布农区，要在确 保高产高效前提下进行作物周年优化配置，进行农田有害生物综合防治、有毒物质阻控和消减综合控 制、农田流失性养分减排，构建环境友好的标准化 种植模式与技术规范，建立基于生态补偿机制的新 型环保型耕作制度。

（三）提高产后碳利用的效率

1. 启动实施国家秸秆成型燃料产业示范工程

选择秸秆资源能源化利用基础条件较好、市场 需求量大的地区，建设一批秸秆成型燃料产业开发 示范点，培育一批秸秆成型燃料龙头企业，支持关 键技术和设备升级研发与示范应用。

2. 采取财政补贴措施引导农户使用秸秆成型 燃料

将秸秆成型燃料设备、配套炉具和使用成型燃 料的农户纳入财政转移支付补贴的范围，引导和鼓 励农民使用节能炉具和成型燃料，扩大农村生物质 能源的消费需求。

3. 适当降低秸秆成型燃料企业补贴的政策门槛

调减秸秆能源化利用补贴企业的注册资金和秸 秆量的消耗量标准，使大、中、小秸秆成型燃料企 业都能够纳入财政的补贴范围，引导更多的社会资 金投入到秸秆成型燃料产业，快速壮大这一新型产 业的发展。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2007: Synthesis Report [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.
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董红敏, 李玉娥, 陶秀萍. 中国农业源温室气体排放与减排技术对策[J]. 农业工程学报, 2008, 24(10): 269–273.
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李颖, 葛颜祥, 刘爱华, 基于粮食作物碳汇功能的农业生态补偿机制研究[J]. 农业经济问题, 2014, 35(10): 33–40.

基金资助

中国工程院咨询项目“我国主要农作物生产碳汇结构现状与优化途径”（2014-XY-33）()

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