導   讀

      提高土壤碳庫儲量和減少農(nóng)田溫室氣體排放，是世界各國確保糧食安全和應對全球氣候變化的重要戰(zhàn)略。

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

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

但是，合理的土壤保護不僅有助于實現(xiàn)碳中和、積極應對氣候變化，還能夠保障糧食安全，達到固碳減排與農(nóng)業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)的雙贏目標。

      土壤碳庫的重要作用

      全球2米深土壤儲存的有機碳達到24000億噸，土壤碳庫的微小變化都可能對大氣二氧化碳濃度產(chǎn)生強烈影響。換句話說，土壤碳庫的微小增加都會產(chǎn)生巨大的碳匯效應。以“千分之四計劃：服務于糧食安全和氣候的土壤”為主題的國際倡議，早在2015年召開的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會中就被發(fā)起，這也彰顯了提升土壤碳庫儲量在應對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)報道，在最理想的情況下，全球農(nóng)田土壤每年可實現(xiàn)33億～68億噸的固碳潛力。考慮到當前我國農(nóng)田土壤碳含量偏低，土壤碳庫儲量的提升潛力是相當可觀的。例如，過去30年我國農(nóng)田土壤碳庫儲量總體呈現(xiàn)明顯增加趨勢，這主要得益于化學氮肥的大量施用與作物育種技術的成熟提升了農(nóng)作物產(chǎn)量，進而促進了根系分泌物以及作物秸稈還田過程中碳輸入量增加。不過，上述土壤碳庫儲量的增加大多依賴于氮肥的施用，未來通過農(nóng)業(yè)管理措施的合理優(yōu)化，我國農(nóng)田土壤的固碳潛力有望得到進一步提升。

      土壤固碳也就是增加土壤有機碳含量，這其實與土壤培肥目標是一致的。農(nóng)田土壤固碳可以通過諸多措施來實現(xiàn)，比如保護性耕作、構(gòu)建農(nóng)林復合系統(tǒng)、優(yōu)化間套種和輪作、加大有機物料還田的比例等。以水稻生產(chǎn)為例，中國是水稻總產(chǎn)量最高的國家，占全球總產(chǎn)量的31%。稻田是中國典型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，同時也具有較大的固碳潛力。目前，我國稻田土壤有機碳平均含量約為20克/千克，而其平均潛在碳儲存能力約為32克/千克，現(xiàn)階段只有不到10%的土壤達到了該值。這主要是由于傳統(tǒng)土壤培肥措施的固碳效率不太高，加上有機物料腐殖化系數(shù)相對較低，大部分的有機物料碳在短時間內(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，我們需要開發(fā)效率更高的突破性技術。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；另一方面，開發(fā)低成本的秸稈鈍化技術，穩(wěn)定并延長有機碳在土壤中的周轉(zhuǎn)時間，將植物光合產(chǎn)物碳更長時間地封存于土壤。此外，對于稻田生態(tài)系統(tǒng)來說是可以通過強化土壤中以及植株體內(nèi)的甲烷氧化來減少其排放。

      固碳減排與農(nóng)業(yè)發(fā)展可雙贏

      農(nóng)田土壤碳庫與土壤肥力緊密關聯(lián)，富含有機碳的肥沃農(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。

      過去的諸多研究發(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”的關系。例如，稻田的秸稈還田促進了土壤有機碳積累的同時，也大幅增加了甲烷排放。這種“此消彼長”的關系主要是由于農(nóng)田土壤碳庫儲量的變化與農(nóng)業(yè)管理措施是息息相關的，而農(nóng)業(yè)措施對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行綜合減排，而不是采用單一的固碳或減排措施?；谠谔貐^(qū)的實驗研究，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理措施相比較，通過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)濟收益提高23%，而且這些集合措施并不會影響水稻產(chǎn)量。由此可見，農(nóng)田土壤固碳減排與作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)是可以實現(xiàn)雙贏的。

      優(yōu)化秸稈還田方式是農(nóng)田沃土增碳的關鍵措施，也是減少溫室氣體排放的重要策略。對于稻田來說，一方面可以通過秸稈炭化、秸稈快腐等處理方式，降低秸稈碳向甲烷的轉(zhuǎn)化，促進其向土壤碳的轉(zhuǎn)化；另一方面，針對性地集成節(jié)水和覆膜等好氧栽培技術、壟廂栽培技術等，結(jié)合氮肥合理運籌，在保障水稻產(chǎn)量的前提下使得有機物料在非淹水狀態(tài)下分解；此外，選育出適于我國水稻主產(chǎn)區(qū)的豐產(chǎn)低碳品種并研發(fā)配套栽培技術，進一步推動稻田固碳、減排和豐產(chǎn)的協(xié)調(diào)生產(chǎn)。對于旱地農(nóng)田來說，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儲量并減少溫室氣體排放。

      此外，采取合理的氮肥管理措施來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。通過施用高效氮肥協(xié)調(diào)作物生長氮素需求與土壤氮素供應的關系，結(jié)合氮肥施用的“4R技術”（合理的施肥量、正確的施肥時期、合適的氮肥類型以及恰當?shù)氖┓饰恢茫?，可以顯著提高氮肥利用效率和作物產(chǎn)量，同時減少土壤氧化亞氮排放。

      總體來講，優(yōu)化農(nóng)田水、碳、氮的管理，對于推動農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、保障我國糧食安全以及應對氣候變化都具有重要意義。

      應對氣候變化，中國在行動

      農(nóng)田土壤的增匯減排對緩解全球氣候變化具有重要意義。尤其是2030年前中國實現(xiàn)碳達峰后，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。

      中國農(nóng)田土壤由于長期耕作，碳損失較為嚴重，當前土壤碳儲量水平低于全球平均水平，比歐美發(fā)達國家和地區(qū)低至少1/3。正如前文提到的近30年來中國農(nóng)田土壤碳庫整體上呈現(xiàn)增加趨勢，據(jù)報道中國農(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。

      近年來中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部開展了一系列的高標準農(nóng)田建設規(guī)劃，在鞏固和提高糧食生產(chǎn)能力、保障國家糧食安全的同時，積極適應未來氣候變化，促進農(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。

      特別需要強調(diào)的是，黑土地作為中國耕地中的“大熊貓”，也是有機碳最為豐富的農(nóng)田土壤之一。但由于以往的不合理利用，其表土以及有機碳大量丟失的問題十分嚴重。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財政部共同啟動實施《東北黑土地保護性耕作行動計劃（2020-2025年）》，旨在加快東北黑土地的保護性耕作技術的推廣應用。同時，中國科學院積極開展和實施“黑土地保護與利用科技創(chuàng)新工程（黑土糧倉）”戰(zhàn)略性先導科技專項，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)推動黑土地農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。建設高標準農(nóng)田、改造中低產(chǎn)農(nóng)田，充分保護和利用黑土地，必然能顯著發(fā)揮農(nóng)田土壤的固碳潛力，增加土壤碳庫儲量。

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

      目前中國國內(nèi)開展了不少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)響應未來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，也會對作物的營養(yǎng)品質(zhì)產(chǎn)生影響。對水稻來說，大氣二氧化碳濃度升高不僅會影響碳水化合物和礦質(zhì)元素在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運，也會影響水稻根系的生長和構(gòu)型。

      此外，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所作物耕作與生態(tài)創(chuàng)新團隊和南京農(nóng)業(yè)大學通過聯(lián)合攻關，發(fā)現(xiàn)大氣二氧化碳濃度升高對甲烷排放的促進作用呈明顯下降趨勢，說明國際上遠遠高估了未來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氣候變化下將會得到進一步增強。

來源：2023年1月25日出版的《環(huán)球》雜志 第2期