8.2 耕 地 固 碳
8.2.1 耕地變黑捕獲巨量溫室氣體
聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC）第 4 次評估報告指出，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)被接受為無可爭議的事實，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，我國已超過美國成為第一排放大國。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。但在具體實踐上，前兩者需要花費昂貴的代價，而后者，即在元素循環(huán)過程中增加土壤碳匯可能是一個前景看好的出路。
地球上的碳以海洋中最多，達34.5 萬億噸；陸地（植物、動物、濕地、土壤）次之，約 24 萬億噸；大氣最少，約 0.7 萬億噸。在人類劇烈活動的陸地表面，土壤是地球重要的碳庫。全球土壤碳庫為1.4 萬～2.2 萬億噸，是大氣碳庫的 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，其地上植被通過光合作用能夠固定空氣中的二氧化碳，同時農(nóng)田土壤又儲存了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)約 10%的碳，是重要的陸地碳庫（陳麗 等，2016）。但是，土壤碳庫的作用是雙重的，完全取決于人類的土地利用方式，如果將高有機碳含量的森林與草原土壤開墾為農(nóng)田，以及農(nóng)田耕作中僅施加化肥忽視有機肥，都會將土壤碳庫由“匯”變成“源”。相反，如果農(nóng)業(yè)措施得當(dāng)，使土壤有機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。目前人類挖出來的化石碳也是埋葬在地下的，只不過埋得更深。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)。
土壤碳庫主要儲存有機碳，它們來自動植物、微生物殘體、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，相對穩(wěn)定。遺憾的是，世界上許多國家長期以來由于僅用地而不養(yǎng)地，土壤有機質(zhì)下降嚴重。世界三大黑土區(qū)之一的我國黑土區(qū)，土壤退化就使其固定的碳向環(huán)境凈釋放。我國東北黑土地面積約為 1 850 萬公頃，分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古（韓曉增和李娜，2018）。黑土地解決了我國超過 10%人口的吃飯問題，然而其代價也是沉重的。中國科學(xué)院和黑龍江有關(guān)科研機構(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%。
我國土壤總有機碳庫接近 90 拍克（1 拍克＝1015克），無機碳庫約為 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到 2 拍克，但農(nóng)業(yè)技術(shù)的實施能夠?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 年的時間來完成這個增長過程，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)測未來 50 年我國農(nóng)業(yè)土壤固碳減排潛力為 87 兆～393 兆克碳/年，相當(dāng)于抵消我國工業(yè)溫室氣體排放總量的 11%～52%，其中實施農(nóng)田管理措施（包括有機肥應(yīng)用、秸稈還田、保護性耕作）對土壤固碳的貢獻率為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，我國經(jīng)濟活動排放的凈二氧化碳約為70 億噸，2018年超過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題，勢必會加大國家的碳減排壓力。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)上也相對容易操作。
我國農(nóng)田土壤經(jīng)過數(shù)千年的耕作，土壤有機碳嚴重偏低，與同類型土壤相比，我國耕地土壤有機碳含量尚不及歐洲土壤的 1/2，因此可提升的潛力很大。從目前我國耕地有機質(zhì)含量來看，水田土壤大多為1%～3%，而旱地土壤有機質(zhì)含量小于 1%的就占31.2%。盡管樂觀地估計，我國 1980～2002 年 53%～59%的農(nóng)田土壤有機碳含量呈增長趨勢，30%～31%呈下降趨勢，10%基本持平，我國耕地有機碳貯量總體增加了 3.11 億～4.01 億噸，但我國土壤碳庫的潛力遠遠沒有發(fā)揮出來（黃耀和孫文娟，2006）。
增加耕地有機質(zhì)可顯著固定大氣中的碳，那么如何來實施呢？本團隊提出的思路是，在人類收獲糧食的同時，快速將秸稈收集、處理并儲藏起來，為食草動物儲備“糧食”；將動物糞便中的能量通過沼氣池提取出來供應(yīng)農(nóng)戶需要，減少農(nóng)戶與工業(yè)和城市爭奪化石能源；沼渣、沼液作為優(yōu)質(zhì)肥料還田，替代全國至少 1/2的化肥以減少溫室氣體排放；逐步增加土壤有機質(zhì)。
增加土壤有機碳含量，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)。大量試驗表明：每增加 0.1 個百分點的土壤有機質(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)，增加有機肥，開辟鄉(xiāng)村新能源，減少化肥使用并固碳；②通過市場消費將農(nóng)產(chǎn)品在價格上拉開，將我國耕地的 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，增加的價格靠市民的自覺消費，來為農(nóng)民增收和土壤固碳“買單”；③利用農(nóng)業(yè)有機棄廢物還田，并輔以免耕等保護性耕作技術(shù)，減輕土壤有機質(zhì)分解，促進土壤有機質(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、稻魚互作、禽糧互作型生態(tài)農(nóng)業(yè)；⑤在政策上鼓勵耕地固碳，全球碳貿(mào)易應(yīng)當(dāng)考慮農(nóng)田固碳貢獻。
8.2.2 耕地固碳潛力：弘毅生態(tài)農(nóng)場案例
2018 年，美國《科學(xué)》雜志報道了一項研究，佛蒙特大學(xué) Adair 等（2018）研究認為有機農(nóng)業(yè)會排放更多的溫室氣體。與該報道結(jié)論完全相反，本團隊幾年前的研究發(fā)現(xiàn)，有機農(nóng)田可將溫室氣體凈排放逆轉(zhuǎn)為凈固定（Liu et al.，2015）。它的機理在于，土壤有機碳提高，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，美國科學(xué)促進會旗下的 EurekAlert“News Release”欄目對本團隊的科研成果進行了采訪報道，報道的內(nèi)容如下。由溫室氣體升高引起的全球變暖已成為不爭的事實，如何有效地減少以二氧化碳為主的溫室氣體排放是各國需要關(guān)注的問題。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)場與養(yǎng)殖場作業(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)萬億噸碳被釋放到大氣中。有科學(xué)家預(yù)測，有機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）。燃燒秸稈和過量使用化肥導(dǎo)致大量生物質(zhì)能源浪費，進而削弱了農(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，本團隊在我國東部溫帶農(nóng)村設(shè)計了一個生態(tài)農(nóng)場，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，施用有機肥還增加了土壤肥力，進而提高了小麥和玉米產(chǎn)量。有機肥全部替代化肥后，農(nóng)田變?yōu)榈湫偷奶紟欤渴┯没兽r(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)對氣候變化提供了科學(xué)依據(jù)。
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