8.2 耕 地 固 碳

　　8.2.1 耕地變黑捕獲巨量溫室氣體

　　聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC）第 4 次評(píng)估報(bào)告指出，以全球變暖為主要表現(xiàn)的全球氣候急劇變化及其與不斷增加的大氣溫室氣體的關(guān)系已經(jīng)被接受為無(wú)可爭(zhēng)議的事實(shí)，如何有效地減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放、增加碳匯以緩解氣候變化是擺在世界各國(guó)面前極為重要的任務(wù)（Intergovernmental Panel on Climate Change，2007）。在二氧化碳排放方面，我國(guó)已超過(guò)美國(guó)成為第一排放大國(guó)。為了減緩二氧化碳濃度升高引發(fā)的氣候變化及其影響，增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，各國(guó)科學(xué)家和政府都做出了很大的努力，尋求二氧化碳減排策略和途徑。當(dāng)前人們普遍采用的碳減排措施主要包括在技術(shù)上提高能源利用效率，減少碳“源”；人工造林等增加生物碳“匯”；促進(jìn)元素循環(huán)以“減源增匯”，并把大部分碳“埋葬”在地下。但在具體實(shí)踐上，前兩者需要花費(fèi)昂貴的代價(jià)，而后者，即在元素循環(huán)過(guò)程中增加土壤碳匯可能是一個(gè)前景看好的出路。

　　地球上的碳以海洋中最多，達(dá)34.5 萬(wàn)億噸；陸地（植物、動(dòng)物、濕地、土壤）次之，約 24 萬(wàn)億噸；大氣最少，約 0.7 萬(wàn)億噸。在人類劇烈活動(dòng)的陸地表面，土壤是地球重要的碳庫(kù)。全球土壤碳庫(kù)為1.4 萬(wàn)～2.2 萬(wàn)億噸，是大氣碳庫(kù)的 2～3倍。從理論上講，大氣中的碳全部埋在土壤里也能夠裝得下。耕地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，其地上植被通過(guò)光合作用能夠固定空氣中的二氧化碳，同時(shí)農(nóng)田土壤又儲(chǔ)存了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)約 10%的碳，是重要的陸地碳庫(kù)（陳麗 等，2016）。但是，土壤碳庫(kù)的作用是雙重的，完全取決于人類的土地利用方式，如果將高有機(jī)碳含量的森林與草原土壤開(kāi)墾為農(nóng)田，以及農(nóng)田耕作中僅施加化肥忽視有機(jī)肥，都會(huì)將土壤碳庫(kù)由“匯”變成“源”。相反，如果農(nóng)業(yè)措施得當(dāng)，使土壤有機(jī)碳維持在較高的含量水平，則農(nóng)業(yè)土壤可固定巨大的碳。目前人類挖出來(lái)的化石碳也是埋葬在地下的，只不過(guò)埋得更深。除采取生物措施外，解決碳的去向出路應(yīng)在地下，這個(gè)地下不是指各種礦坑，而是指地表土壤，包括成熟的森林、草原、沼澤、高寒草甸甚至農(nóng)田土壤在內(nèi)。

　　土壤碳庫(kù)主要儲(chǔ)存有機(jī)碳，它們來(lái)自動(dòng)植物、微生物殘?bào)w、排泄物、分泌物等，上述成分被分解后以土壤腐殖質(zhì)形式存在，相對(duì)穩(wěn)定。遺憾的是，世界上許多國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)由于僅用地而不養(yǎng)地，土壤有機(jī)質(zhì)下降嚴(yán)重。世界三大黑土區(qū)之一的我國(guó)黑土區(qū)，土壤退化就使其固定的碳向環(huán)境凈釋放。我國(guó)東北黑土地面積約為 1 850 萬(wàn)公頃，分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古（韓曉增和李娜，2018）。黑土地解決了我國(guó)超過(guò) 10%人口的吃飯問(wèn)題，然而其代價(jià)也是沉重的。中國(guó)科學(xué)院和黑龍江有關(guān)科研機(jī)構(gòu)研究數(shù)據(jù)表明，東北地區(qū)坡耕地黑土層厚度已從 60～70年前的 80～100 厘米減少到 20～30 厘米，土壤有機(jī)質(zhì)含量由 12%下降到 1%～2%，85%的黑土地處于養(yǎng)分虧缺狀態(tài)。黑龍江黑土層流失厚度每年達(dá)到 0.6～1 厘米；吉林 30 厘米以下薄層黑土面積已占黑土總面積的 42%。

　　我國(guó)土壤總有機(jī)碳庫(kù)接近 90 拍克（1 拍克＝1015克），無(wú)機(jī)碳庫(kù)約為 60 拍克，農(nóng)田土壤已有的固碳速率在 20 兆～25 兆克/年（1 兆克＝1012 克）的水平。農(nóng)田土壤固碳的理論容量可以達(dá)到 2 拍克，但農(nóng)業(yè)技術(shù)的實(shí)施能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)潛力可能僅為理論潛力的 1/3 左右（鄭聚鋒等，2011）。我國(guó)有約 18 億畝農(nóng)田，平均容重為 1.2 噸/立方米，若將土壤有機(jī)質(zhì)含量提高 1%，相當(dāng)于土壤從空氣中凈吸收了 306 億噸二氧化碳。即使利用 30 年的時(shí)間來(lái)完成這個(gè)增長(zhǎng)過(guò)程，每年也約有10 億噸的二氧化碳被固定在土壤里。王小彬等（2011）在研究中預(yù)測(cè)未來(lái) 50 年我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤固碳減排潛力為 87 兆～393 兆克碳/年，相當(dāng)于抵消我國(guó)工業(yè)溫室氣體排放總量的 11%～52%，其中實(shí)施農(nóng)田管理措施（包括有機(jī)肥應(yīng)用、秸稈還田、保護(hù)性耕作）對(duì)土壤固碳的貢獻(xiàn)率為30%～36%（相當(dāng)于抵消工業(yè)溫室氣體排放總量的 3.4%～19%）。2006 年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放的凈二氧化碳約為70 億噸，2018年超過(guò)100 億噸，占全球二氧化碳排放量的 30%。如果從源頭解決二氧化碳的排放問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)加大國(guó)家的碳減排壓力。從上面的分析中可以看出，每年依靠土壤捕獲碳的量是巨大的，且技術(shù)上也相對(duì)容易操作。

　　我國(guó)農(nóng)田土壤經(jīng)過(guò)數(shù)千年的耕作，土壤有機(jī)碳嚴(yán)重偏低，與同類型土壤相比，我國(guó)耕地土壤有機(jī)碳含量尚不及歐洲土壤的 1/2，因此可提升的潛力很大。從目前我國(guó)耕地有機(jī)質(zhì)含量來(lái)看，水田土壤大多為1%～3%，而旱地土壤有機(jī)質(zhì)含量小于 1%的就占31.2%。盡管樂(lè)觀地估計(jì)，我國(guó) 1980～2002 年 53%～59%的農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，30%～31%呈下降趨勢(shì)，10%基本持平，我國(guó)耕地有機(jī)碳貯量總體增加了 3.11 億～4.01 億噸，但我國(guó)土壤碳庫(kù)的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)（黃耀和孫文娟，2006）。

　　增加耕地有機(jī)質(zhì)可顯著固定大氣中的碳，那么如何來(lái)實(shí)施呢？本團(tuán)隊(duì)提出的思路是，在人類收獲糧食的同時(shí)，快速將秸稈收集、處理并儲(chǔ)藏起來(lái)，為食草動(dòng)物儲(chǔ)備“糧食”；將動(dòng)物糞便中的能量通過(guò)沼氣池提取出來(lái)供應(yīng)農(nóng)戶需要，減少農(nóng)戶與工業(yè)和城市爭(zhēng)奪化石能源；沼渣、沼液作為優(yōu)質(zhì)肥料還田，替代全國(guó)至少 1/2的化肥以減少溫室氣體排放；逐步增加土壤有機(jī)質(zhì)。

　　增加土壤有機(jī)碳含量，將耕地變“黑”，不僅可以固碳減排，還可以改良土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤保水保肥能力，增強(qiáng)土壤抗蝕抗旱性能，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)。大量試驗(yàn)表明：每增加 0.1 個(gè)百分點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)就可釋放 600～800 千克/公頃的糧食生產(chǎn)潛力。因此，培育土壤碳庫(kù)是節(jié)約能源、減少污染、培肥土壤等可一舉多得的措施。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述耕地固碳目標(biāo)，建議：①大力發(fā)展秸稈畜牧業(yè)，增加有機(jī)肥，開(kāi)辟鄉(xiāng)村新能源，減少化肥使用并固碳；②通過(guò)市場(chǎng)消費(fèi)將農(nóng)產(chǎn)品在價(jià)格上拉開(kāi)，將我國(guó)耕地的 5%～10%培育成告別化肥、農(nóng)藥、添加劑、除草劑的永久固碳型有機(jī)農(nóng)田，在這類土地上生產(chǎn)安全放心的糧食、肉、蛋、奶和蔬菜，增加的價(jià)格靠市民的自覺(jué)消費(fèi)，來(lái)為農(nóng)民增收和土壤固碳“買(mǎi)單”；③利用農(nóng)業(yè)有機(jī)棄廢物還田，并輔以免耕等保護(hù)性耕作技術(shù)，減輕土壤有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)增加；④充分挖掘傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化，大力發(fā)展稻鴨互作、稻魚(yú)互作、禽糧互作型生態(tài)農(nóng)業(yè)；⑤在政策上鼓勵(lì)耕地固碳，全球碳貿(mào)易應(yīng)當(dāng)考慮農(nóng)田固碳貢獻(xiàn)。

　　8.2.2 耕地固碳潛力：弘毅生態(tài)農(nóng)場(chǎng)案例

　　2018 年，美國(guó)《科學(xué)》雜志報(bào)道了一項(xiàng)研究，佛蒙特大學(xué) Adair 等（2018）研究認(rèn)為有機(jī)農(nóng)業(yè)會(huì)排放更多的溫室氣體。與該報(bào)道結(jié)論完全相反，本團(tuán)隊(duì)幾年前的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)農(nóng)田可將溫室氣體凈排放逆轉(zhuǎn)為凈固定（Liu et al.，2015）。它的機(jī)理在于，土壤有機(jī)碳提高，不使用農(nóng)藥、化肥、地膜，從源頭可以減少溫室氣體排放。2015 年4 月，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)旗下的 EurekAlert“News Release”欄目對(duì)本團(tuán)隊(duì)的科研成果進(jìn)行了采訪報(bào)道，報(bào)道的內(nèi)容如下。由溫室氣體升高引起的全球變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，如何有效地減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放是各國(guó)需要關(guān)注的問(wèn)題。全球化學(xué)密集與能源密集、轉(zhuǎn)基因作物、工業(yè)化食用農(nóng)作物農(nóng)場(chǎng)與養(yǎng)殖場(chǎng)作業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體占全球排放量的35%，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)造成農(nóng)業(yè)土壤中原先封存的數(shù)萬(wàn)億噸碳被釋放到大氣中。有科學(xué)家預(yù)測(cè)，有機(jī)耕地上捕獲的二氧化碳足以抵消目前所有人為的二氧化碳排放，耕地固碳具有極其重要的功能和應(yīng)用前景（EurekAlert，2015）。燃燒秸稈和過(guò)量使用化肥導(dǎo)致大量生物質(zhì)能源浪費(fèi)，進(jìn)而削弱了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。為了保證農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力和糧食產(chǎn)量，本團(tuán)隊(duì)在我國(guó)東部溫帶農(nóng)村設(shè)計(jì)了一個(gè)生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，將玉米秸稈粉碎后飼養(yǎng)肉牛，然后將牛糞腐熟后施入冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田中。研究結(jié)果表明，用有機(jī)肥替代化肥可顯著減少溫帶農(nóng)田溫室氣體排放量。與此同時(shí)，施用有機(jī)肥還增加了土壤肥力，進(jìn)而提高了小麥和玉米產(chǎn)量。有機(jī)肥全部替代化肥后，農(nóng)田變?yōu)榈湫偷奶紟?kù)，而全部施用化肥農(nóng)田則為典型碳源（唐海龍 等，2012；Liu et al.，2015）。這些發(fā)現(xiàn)為提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化提供了科學(xué)依據(jù)。

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