導(dǎo)   讀

      提高土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量和減少農(nóng)田溫室氣體排放，是世界各國(guó)確保糧食安全和應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要戰(zhàn)略。

在中科院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站，科研人員在搜集土壤樣品

      近年來(lái)，全球氣候變化不僅給人類社會(huì)生活帶來(lái)深刻影響，也導(dǎo)致了全球大面積土壤發(fā)生退化。土壤退化不僅會(huì)造成土壤養(yǎng)分流失，還會(huì)導(dǎo)致作物品質(zhì)和產(chǎn)量下降，嚴(yán)重威脅糧食安全。

但是，合理的土壤保護(hù)不僅有助于實(shí)現(xiàn)碳中和、積極應(yīng)對(duì)氣候變化，還能夠保障糧食安全，達(dá)到固碳減排與農(nóng)業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)的雙贏目標(biāo)。

      土壤碳庫(kù)的重要作用

      全球2米深土壤儲(chǔ)存的有機(jī)碳達(dá)到24000億噸，土壤碳庫(kù)的微小變化都可能對(duì)大氣二氧化碳濃度產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。換句話說(shuō)，土壤碳庫(kù)的微小增加都會(huì)產(chǎn)生巨大的碳匯效應(yīng)。以“千分之四計(jì)劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”為主題的國(guó)際倡議，早在2015年召開(kāi)的第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)中就被發(fā)起，這也彰顯了提升土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量在應(yīng)對(duì)氣候變化中的重要地位。

      農(nóng)業(yè)是重要的碳排放行業(yè)，農(nóng)田土壤的固碳增匯潛力也是巨大的。據(jù)報(bào)道，在最理想的情況下，全球農(nóng)田土壤每年可實(shí)現(xiàn)33億～68億噸的固碳潛力。考慮到當(dāng)前我國(guó)農(nóng)田土壤碳含量偏低，土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的提升潛力是相當(dāng)可觀的。例如，過(guò)去30年我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量總體呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，這主要得益于化學(xué)氮肥的大量施用與作物育種技術(shù)的成熟提升了農(nóng)作物產(chǎn)量，進(jìn)而促進(jìn)了根系分泌物以及作物秸稈還田過(guò)程中碳輸入量增加。不過(guò)，上述土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的增加大多依賴于氮肥的施用，未來(lái)通過(guò)農(nóng)業(yè)管理措施的合理優(yōu)化，我國(guó)農(nóng)田土壤的固碳潛力有望得到進(jìn)一步提升。

      土壤固碳也就是增加土壤有機(jī)碳含量，這其實(shí)與土壤培肥目標(biāo)是一致的。農(nóng)田土壤固碳可以通過(guò)諸多措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如保護(hù)性耕作、構(gòu)建農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)、優(yōu)化間套種和輪作、加大有機(jī)物料還田的比例等。以水稻生產(chǎn)為例，中國(guó)是水稻總產(chǎn)量最高的國(guó)家，占全球總產(chǎn)量的31%。稻田是中國(guó)典型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也具有較大的固碳潛力。目前，我國(guó)稻田土壤有機(jī)碳平均含量約為20克/千克，而其平均潛在碳儲(chǔ)存能力約為32克/千克，現(xiàn)階段只有不到10%的土壤達(dá)到了該值。這主要是由于傳統(tǒng)土壤培肥措施的固碳效率不太高，加上有機(jī)物料腐殖化系數(shù)相對(duì)較低，大部分的有機(jī)物料碳在短時(shí)間內(nèi)還是分解成二氧化碳回到了大氣中。

      從農(nóng)田土壤固碳角度而言，我們需要開(kāi)發(fā)效率更高的突破性技術(shù)。目前可以從以下角度考慮，一是從種質(zhì)資源的挖掘出發(fā)，選育豐產(chǎn)低碳品種，并集成配套栽培技術(shù)；另一方面，開(kāi)發(fā)低成本的秸稈鈍化技術(shù)，穩(wěn)定并延長(zhǎng)有機(jī)碳在土壤中的周轉(zhuǎn)時(shí)間，將植物光合產(chǎn)物碳更長(zhǎng)時(shí)間地封存于土壤。此外，對(duì)于稻田生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可以通過(guò)強(qiáng)化土壤中以及植株體內(nèi)的甲烷氧化來(lái)減少其排放。

      固碳減排與農(nóng)業(yè)發(fā)展可雙贏

      農(nóng)田土壤碳庫(kù)與土壤肥力緊密關(guān)聯(lián)，富含有機(jī)碳的肥沃農(nóng)田土壤能更好地支持作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，也是保障糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

      過(guò)去的諸多研究發(fā)現(xiàn)，土壤固碳效果與溫室氣體減排之間可能存在著“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。例如，稻田的秸稈還田促進(jìn)了土壤有機(jī)碳積累的同時(shí)，也大幅增加了甲烷排放。這種“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系主要是由于農(nóng)田土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量的變化與農(nóng)業(yè)管理措施是息息相關(guān)的，而農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤溫室氣體排放的影響也是巨大的。

      因此，需要集合多種固碳減排措施進(jìn)行綜合減排，而不是采用單一的固碳或減排措施。基于在太湖地區(qū)的實(shí)驗(yàn)研究，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理措施相比較，通過(guò)集成三種固碳減排措施——氮肥合理減量、秸稈好氧發(fā)酵后還田以及輪作制度優(yōu)化，能夠?qū)⒃摰貐^(qū)水稻·小麥輪作系統(tǒng)周年碳足跡顯著減少26%，活性氮足跡減少29%，溫室氣體和活性氮排放所造成的總環(huán)境損失降低42%，農(nóng)民凈經(jīng)濟(jì)收益提高23%，而且這些集合措施并不會(huì)影響水稻產(chǎn)量。由此可見(jiàn)，農(nóng)田土壤固碳減排與作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)是可以實(shí)現(xiàn)雙贏的。

      優(yōu)化秸稈還田方式是農(nóng)田沃土增碳的關(guān)鍵措施，也是減少溫室氣體排放的重要策略。對(duì)于稻田來(lái)說(shuō)，一方面可以通過(guò)秸稈炭化、秸稈快腐等處理方式，降低秸稈碳向甲烷的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)其向土壤碳的轉(zhuǎn)化；另一方面，針對(duì)性地集成節(jié)水和覆膜等好氧栽培技術(shù)、壟廂栽培技術(shù)等，結(jié)合氮肥合理運(yùn)籌，在保障水稻產(chǎn)量的前提下使得有機(jī)物料在非淹水狀態(tài)下分解；此外，選育出適于我國(guó)水稻主產(chǎn)區(qū)的豐產(chǎn)低碳品種并研發(fā)配套栽培技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)稻田固碳、減排和豐產(chǎn)的協(xié)調(diào)生產(chǎn)。對(duì)于旱地農(nóng)田來(lái)說(shuō)，采用秸稈還田（或者生物炭還田）結(jié)合氮肥優(yōu)化管理措施能較大程度地增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量并減少溫室氣體排放。

      此外，采取合理的氮肥管理措施來(lái)提高氮肥的利用率不僅是保障糧食安全的基石，還是緩解氧化亞氮高排放的重要途徑。通過(guò)施用高效氮肥協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)氮素需求與土壤氮素供應(yīng)的關(guān)系，結(jié)合氮肥施用的“4R技術(shù)”（合理的施肥量、正確的施肥時(shí)期、合適的氮肥類型以及恰當(dāng)?shù)氖┓饰恢茫梢燥@著提高氮肥利用效率和作物產(chǎn)量，同時(shí)減少土壤氧化亞氮排放。

      總體來(lái)講，優(yōu)化農(nóng)田水、碳、氮的管理，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、保障我國(guó)糧食安全以及應(yīng)對(duì)氣候變化都具有重要意義。

      應(yīng)對(duì)氣候變化，中國(guó)在行動(dòng)

      農(nóng)田土壤的增匯減排對(duì)緩解全球氣候變化具有重要意義。尤其是2030年前中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰后，化石能耗逐步減少，農(nóng)田碳排放所占的比重將隨之增大，其固碳減排的緊迫性和重要性將日益突出。

      中國(guó)農(nóng)田土壤由于長(zhǎng)期耕作，碳損失較為嚴(yán)重，當(dāng)前土壤碳儲(chǔ)量水平低于全球平均水平，比歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)低至少1/3。正如前文提到的近30年來(lái)中國(guó)農(nóng)田土壤碳庫(kù)整體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，據(jù)報(bào)道中國(guó)農(nóng)田土壤還可以再吸收73億～108億噸二氧化碳，固碳潛力是非常可觀的。

      近年來(lái)中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部開(kāi)展了一系列的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃，在鞏固和提高糧食生產(chǎn)能力、保障國(guó)家糧食安全的同時(shí)，積極適應(yīng)未來(lái)氣候變化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。此外，中低產(chǎn)田的改造工程也在“十四五”期間大規(guī)模推進(jìn)。

      特別需要強(qiáng)調(diào)的是，黑土地作為中國(guó)耕地中的“大熊貓”，也是有機(jī)碳最為豐富的農(nóng)田土壤之一。但由于以往的不合理利用，其表土以及有機(jī)碳大量丟失的問(wèn)題十分嚴(yán)重。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財(cái)政部共同啟動(dòng)實(shí)施《東北黑土地保護(hù)性耕作行動(dòng)計(jì)劃（2020-2025年）》，旨在加快東北黑土地的保護(hù)性耕作技術(shù)的推廣應(yīng)用。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院積極開(kāi)展和實(shí)施“黑土地保護(hù)與利用科技創(chuàng)新工程（黑土糧倉(cāng)）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，努力阻控黑土地土壤退化，提升黑土地產(chǎn)能和質(zhì)量，持續(xù)推動(dòng)黑土地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、改造中低產(chǎn)農(nóng)田，充分保護(hù)和利用黑土地，必然能顯著發(fā)揮農(nóng)田土壤的固碳潛力，增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量。

      另一方面，在氣候變化愈演愈烈的當(dāng)下，二氧化碳的持續(xù)升高對(duì)作物光合速率、生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量都有很大的影響，這也將會(huì)持續(xù)影響全球農(nóng)作物的生長(zhǎng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，不僅要加快推動(dòng)土壤碳中和，還需要積極探索氣候變化下未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新道路。

      目前中國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了不少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)響應(yīng)未來(lái)氣候變化情景的模擬研究。大氣二氧化碳濃度升高，在提高農(nóng)作物生物量和產(chǎn)量的同時(shí)，也會(huì)對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生影響。對(duì)水稻來(lái)說(shuō)，大氣二氧化碳濃度升高不僅會(huì)影響碳水化合物和礦質(zhì)元素在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，也會(huì)影響水稻根系的生長(zhǎng)和構(gòu)型。

      此外，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物耕作與生態(tài)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)現(xiàn)大氣二氧化碳濃度升高對(duì)甲烷排放的促進(jìn)作用呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明國(guó)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高估了未來(lái)氣候背景下稻田甲烷的排放量，這意味著農(nóng)田土壤的固碳減排潛力在未來(lái)氣候變化下將會(huì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

來(lái)源：2023年1月25日出版的《環(huán)球》雜志 第2期