8.2 耕 地 固 碳
8.2.1 耕地变黑捕获巨量温室气体
联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC）第 4 次评估报告指出，以全球变暖为主要表现的全球气候急剧变化及其与不断增加的大气温室气体的关系已经被接受为无可争议的事实，如何有效地减少以二氧化碳为主的温室气体排放、增加碳汇以缓解气候变化是摆在世界各国面前极为重要的任务（Intergovernmental Panel on Climate Change，2007）。在二氧化碳排放方面，我国已超过美国成为第一排放大国。为了减缓二氧化碳浓度升高引发的气候变化及其影响，增加陆地生态系统碳汇能力，各国科学家和政府都做出了很大的努力，寻求二氧化碳减排策略和途径。当前人们普遍采用的碳减排措施主要包括在技术上提高能源利用效率，减少碳“源”；人工造林等增加生物碳“汇”；促进元素循环以“减源增汇”，并把大部分碳“埋葬”在地下。但在具体实践上，前两者需要花费昂贵的代价，而后者，即在元素循环过程中增加土壤碳汇可能是一个前景看好的出路。
地球上的碳以海洋中最多，达34.5 万亿吨；陆地（植物、动物、湿地、土壤）次之，约 24 万亿吨；大气最少，约 0.7 万亿吨。在人类剧烈活动的陆地表面，土壤是地球重要的碳库。全球土壤碳库为1.4 万～2.2 万亿吨，是大气碳库的 2～3倍。从理论上讲，大气中的碳全部埋在土壤里也能够装得下。耕地作为陆地生态系统的组成部分，其地上植被通过光合作用能够固定空气中的二氧化碳，同时农田土壤又储存了全球陆地生态系统约 10%的碳，是重要的陆地碳库（陈丽 等，2016）。但是，土壤碳库的作用是双重的，完全取决于人类的土地利用方式，如果将高有机碳含量的森林与草原土壤开垦为农田，以及农田耕作中仅施加化肥忽视有机肥，都会将土壤碳库由“汇”变成“源”。相反，如果农业措施得当，使土壤有机碳维持在较高的含量水平，则农业土壤可固定巨大的碳。目前人类挖出来的化石碳也是埋葬在地下的，只不过埋得更深。除采取生物措施外，解决碳的去向出路应在地下，这个地下不是指各种矿坑，而是指地表土壤，包括成熟的森林、草原、沼泽、高寒草甸甚至农田土壤在内。
土壤碳库主要储存有机碳，它们来自动植物、微生物残体、排泄物、分泌物等，上述成分被分解后以土壤腐殖质形式存在，相对稳定。遗憾的是，世界上许多国家长期以来由于仅用地而不养地，土壤有机质下降严重。世界三大黑土区之一的我国黑土区，土壤退化就使其固定的碳向环境净释放。我国东北黑土地面积约为 1 850 万公顷，分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古（韩晓增和李娜，2018）。黑土地解决了我国超过 10%人口的吃饭问题，然而其代价也是沉重的。中国科学院和黑龙江有关科研机构研究数据表明，东北地区坡耕地黑土层厚度已从 60～70年前的 80～100 厘米减少到 20～30 厘米，土壤有机质含量由 12%下降到 1%～2%，85%的黑土地处于养分亏缺状态。黑龙江黑土层流失厚度每年达到 0.6～1 厘米；吉林 30 厘米以下薄层黑土面积已占黑土总面积的 42%。
我国土壤总有机碳库接近 90 拍克（1 拍克＝1015克），无机碳库约为 60 拍克，农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。农田土壤固碳的理论容量可以达到 2 拍克，但农业技术的实施能够实现的技术潜力可能仅为理论潜力的 1/3 左右（郑聚锋等，2011）。我国有约 18 亿亩农田，平均容重为 1.2 吨/立方米，若将土壤有机质含量提高 1%，相当于土壤从空气中净吸收了 306 亿吨二氧化碳。即使利用 30 年的时间来完成这个增长过程，每年也约有10 亿吨的二氧化碳被固定在土壤里。王小彬等（2011）在研究中预测未来 50 年我国农业土壤固碳减排潜力为 87 兆～393 兆克碳/年，相当于抵消我国工业温室气体排放总量的 11%～52%，其中实施农田管理措施（包括有机肥应用、秸秆还田、保护性耕作）对土壤固碳的贡献率为30%～36%（相当于抵消工业温室气体排放总量的 3.4%～19%）。2006 年，我国经济活动排放的净二氧化碳约为70 亿吨，2018年超过100 亿吨，占全球二氧化碳排放量的 30%。如果从源头解决二氧化碳的排放问题，势必会加大国家的碳减排压力。从上面的分析中可以看出，每年依靠土壤捕获碳的量是巨大的，且技术上也相对容易操作。
我国农田土壤经过数千年的耕作，土壤有机碳严重偏低，与同类型土壤相比，我国耕地土壤有机碳含量尚不及欧洲土壤的 1/2，因此可提升的潜力很大。从目前我国耕地有机质含量来看，水田土壤大多为1%～3%，而旱地土壤有机质含量小于 1%的就占31.2%。尽管乐观地估计，我国 1980～2002 年 53%～59%的农田土壤有机碳含量呈增长趋势，30%～31%呈下降趋势，10%基本持平，我国耕地有机碳贮量总体增加了 3.11 亿～4.01 亿吨，但我国土壤碳库的潜力远远没有发挥出来（黄耀和孙文娟，2006）。
增加耕地有机质可显著固定大气中的碳，那么如何来实施呢？本团队提出的思路是，在人类收获粮食的同时，快速将秸秆收集、处理并储藏起来，为食草动物储备“粮食”；将动物粪便中的能量通过沼气池提取出来供应农户需要，减少农户与工业和城市争夺化石能源；沼渣、沼液作为优质肥料还田，替代全国至少 1/2的化肥以减少温室气体排放；逐步增加土壤有机质。
增加土壤有机碳含量，将耕地变“黑”，不仅可以固碳减排，还可以改良土壤结构，增加土壤保水保肥能力，增强土壤抗蚀抗旱性能，提高作物产量，改善作物品质。大量试验表明：每增加 0.1 个百分点的土壤有机质就可释放 600～800 千克/公顷的粮食生产潜力。因此，培育土壤碳库是节约能源、减少污染、培肥土壤等可一举多得的措施。
为了实现上述耕地固碳目标，建议：①大力发展秸秆畜牧业，增加有机肥，开辟乡村新能源，减少化肥使用并固碳；②通过市场消费将农产品在价格上拉开，将我国耕地的 5%～10%培育成告别化肥、农药、添加剂、除草剂的永久固碳型有机农田，在这类土地上生产安全放心的粮食、肉、蛋、奶和蔬菜，增加的价格靠市民的自觉消费，来为农民增收和土壤固碳“买单”；③利用农业有机弃废物还田，并辅以免耕等保护性耕作技术，减轻土壤有机质分解，促进土壤有机质增加；④充分挖掘传统农业文化，大力发展稻鸭互作、稻鱼互作、禽粮互作型生态农业；⑤在政策上鼓励耕地固碳，全球碳贸易应当考虑农田固碳贡献。
8.2.2 耕地固碳潜力：弘毅生态农场案例
2018 年，美国《科学》杂志报道了一项研究，佛蒙特大学 Adair 等（2018）研究认为有机农业会排放更多的温室气体。与该报道结论完全相反，本团队几年前的研究发现，有机农田可将温室气体净排放逆转为净固定（Liu et al.，2015）。它的机理在于，土壤有机碳提高，不使用农药、化肥、地膜，从源头可以减少温室气体排放。2015 年4 月，美国科学促进会旗下的 EurekAlert“News Release”栏目对本团队的科研成果进行了采访报道，报道的内容如下。由温室气体升高引起的全球变暖已成为不争的事实，如何有效地减少以二氧化碳为主的温室气体排放是各国需要关注的问题。全球化学密集与能源密集、转基因作物、工业化食用农作物农场与养殖场作业产生的温室气体占全球排放量的35%，现代化农业造成农业土壤中原先封存的数万亿吨碳被释放到大气中。有科学家预测，有机耕地上捕获的二氧化碳足以抵消目前所有人为的二氧化碳排放，耕地固碳具有极其重要的功能和应用前景（EurekAlert，2015）。燃烧秸秆和过量使用化肥导致大量生物质能源浪费，进而削弱了农田生态系统固碳能力。为了保证农田生态系统的固碳潜力和粮食产量，本团队在我国东部温带农村设计了一个生态农场，将玉米秸秆粉碎后饲养肉牛，然后将牛粪腐熟后施入冬小麦-夏玉米轮作农田中。研究结果表明，用有机肥替代化肥可显著减少温带农田温室气体排放量。与此同时，施用有机肥还增加了土壤肥力，进而提高了小麦和玉米产量。有机肥全部替代化肥后，农田变为典型的碳库，而全部施用化肥农田则为典型碳源（唐海龙 等，2012；Liu et al.，2015）。这些发现为提高农业生态系统应对气候变化提供了科学依据。
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