韓貴清：基于“雙碳”目標愿景下的土壤碳匯發展與黑土保護利用｜《產業轉型研究》專刊報道

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本文為清華大學互聯網產業研究院產業學者、國際農業教育科學院院士、聯合國糧食及農業組織國際黑土聯盟首任主席、英國皇家農業大學教授韓貴清發表于《產業轉型研究》?？?2021 年 第 9 期總第 325 期的文章，特此分享，以饗讀者。

基于“雙碳”目標愿景下的土壤碳匯發展與黑土保護利用

文/韓貴清

我國碳達峰、碳中和目標愿景的提出將對農業領域應對氣候變化與低碳發展帶來深遠影響。黑土土壤作為重要資源，其肥力退化直接影響農田生態系統和土地生產力，進而威脅我國糧食安全。

本文結合我國東北地區黑土農田特點，分析探討了耕作管理措施、秸稈還田、肥料施用等技術應用對黑土土壤固碳減排能力的影響，分析了黑土保護利用的重要性與固碳減排發展路徑，以期為農業領域節能減排與低碳發展提供理論支撐。

近年來，應對氣候變化已成為國際社會普遍關注的重大全球性問題。2014 年 ９ 月，國務院批復了《國家應對氣候變化規劃（2014-2020年）》，要求有效控制溫室氣體排放，將綠色發展、低碳發展，積極應對氣候變化上升為國家戰略；2020 年 9 月，習總書記代表中國宣布了“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和”的明確目標與承諾；中央經濟工作會議中，習總書記將“做好碳達峰、碳中和工作”列入到 2021 年八項重點任務。我國提出碳達峰、碳中和愿景目標，既是對世界經濟社會與生態環境可持續發展的貢獻與承諾，同時也充分體現了我國走低碳發展道路的決心與信心。

當前，農業生產造成的溫室氣體排放量已占全球排放總量的 19%-29%，甲烷、氧化亞氮等非二氧化碳溫室氣體排放貢獻率達 56% 左右，成為全球第二大溫室氣體來源。中國作為世界上重要的農業大國之一，農業生產對全球氣候變化的影響不可忽視。土壤作為人類賴以生存的重要資源和農業生產的重要物質基礎，土壤碳庫與溫室效應及氣候變化有著密切的聯系，是全球碳庫與碳循環的重要組成部分。土壤碳庫在農業耕種、施肥、灌溉等活動影響下，農業土壤中碳庫的質和量發生了極大變化，這種變化不僅影響了土壤肥力及作物產量，且對區域及全球環境帶來影響。面對人口增長與糧食安全的雙重壓力，我國農業碳排放份額將進一步提高，農業投入品的碳成本將持續提升。因此，農業發展急需增效減量、節能減排、節本增收，提升減排固碳的貢獻，大力發展土壤碳匯將成為一種最具潛力、見效最快的減排措施，這也是我國建設低碳經濟、控制氣候變暖的必然選擇。

本文將依托我國東北地區農業土壤特點，分析并定位黑土土壤固碳減排潛力與發展前景，結合土壤固碳技術，探索“雙碳”目標愿景下，保持黑土土壤碳匯功能、提高土壤有機碳水平與保障糧食安全協同發展新路徑，以期為農業領域節能減排與低碳發展提供理論支撐。

黑土土壤具有有機質含量高、土壤肥力好、物理結構優良等特點，全球有 19% 的農田由黑土構成，是自然條件下最肥沃、最稀缺、產量最高的土壤資源，被認為是“世界的糧倉”或“耕地中的大熊貓”，是保障糧食安全的壓艙石。黑土良好的土壤物理特性和充足的養分，使黑土在調節田間水供應、緩解洪澇和干旱以及確保水質方面具有顯著優勢，同時有助于豐富土壤生物多樣性，有效儲存糖、氨基酸和羧酸等成分。而作為富碳土壤，黑土的高有機碳(SOC)含量使其成為了溫室氣體匯和源的潛在來源，黑土表層 30cm 的平均有機碳含量高達 66.4 噸/公頃，但隨著黑土從自然系統轉換為集約化耕作系統后，土壤質量和土壤結構不斷退化，土壤侵蝕不斷加劇，近 100 年內土壤中有機碳損失了 20%-50%，大量碳被排放到大氣中。

中國黑土地面積 109 萬平方千米，約占全球黑土面積的五分之一，典型黑土耕地面積為 1853.33 萬公頃，主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古，該區域是我國最重要的商品糧基地，素有“黃金玉米帶”和“大豆之鄉”的美譽，玉米、大豆、水稻商品糧占國家商品糧總量的 1/3、糧食總產的 1/5。上世紀 60 年代，東北黑土農田表層土壤有機碳含量約為 51g/kg，是全國其他地區耕地土壤有機碳平均含量的 2.3 倍左右，受長期過度開發利用、氣候變化、水土流失、作物類型與耕作制度等多種因素的影響，東北黑土地出現了不同程度的退化，對土壤碳匯功能造成了影響。研究表明，長期施用化肥措施，僅在東北地區呈現有機碳降低的趨勢，減少量為 0.16tC/ha/a；在作物類型方面，黑土土壤長期采用玉米、大豆或小麥的單一種植系統下，0-90 厘米土層有機碳平均下降率分別為 0.91%、0.97%和0.48%；草地、森林或濕地生態系統開墾為耕地后，形成高土壤碳密度轉向低碳密度，土壤碳儲量下降約 59%，而長期旱田耕作，有機碳儲量一般為 3.1kg/m-2，明顯低于水田土壤有機碳儲量 4.1kg/m-2。

目前，東北黑土土壤碳匯密度約為 181.9tC/ha，是全國其他地區土壤平均碳匯密度的 2 倍，土壤碳匯約為 4Gt，占全國土壤碳匯的 5%。但與此同時，與上世紀 60 年代相比較，東北黑土土壤有機碳損失達 56% 左右，有機碳含量僅約 22g/kg，若土地利用方式、耕作措施、施肥水平和氣候條件不變的情況下，東北黑土碳儲量每年減少量預計約 6.48kgC/hm2，呈現明顯的碳源特征。因此，注重黑土資源，重新認識黑土碳匯機制，采取有效措施對黑土土壤加以保護，將對全球糧食安全、農業可持續性和生產力及氣候變化起到重要作用。

合理、可持續的土地利用和耕作管理具有良好的土壤碳匯效應。退耕還林、退耕還草、退耕還濕、荒漠化逆轉等形式都能夠增加土壤有機碳。當前，東北黑土固碳潛力約為 6.49kg/m2，土壤有機碳潛在固碳能力為 1.07kg/m2，如果將旱田耕作方式轉換成水田耕作，則可有效減少土壤碳損失，有機碳密度預計可增加 0.91kg/m2 左右。同時，增加免耕、少耕、覆蓋等保護性耕作措施，也可使土壤不穩定碳輸入增加，提高農田土壤固碳容量和效率，尤其是對 0-20cm 耕層土壤，可有效減少土壤侵蝕與有機質流失，提升土壤固碳量達 20%-50%。而保護性耕作是一項長期工作，通常農田土壤轉為少免耕保護性耕作，2-5 年內土壤有機碳含量變化相對較小，但 5-10 年將開始顯著提升，增長趨勢可持續 25-50 年，平均年固碳潛力可達到 0.5t/hm2。孫寶龍等針對東北玉米農田研究發現，長期少免耕措施可以顯著提高農田上層土壤（0-20cm）碳氮含量，通過土壤呼吸消耗的碳量僅占土壤積累碳量的 26%，明顯低于其他旋耕等方式處理的 40%-155%；王碧勝等采用連續多年田間定位實驗，進行傳統耕作、少耕、免耕 3 種措施對土壤有機碳和玉米產量等指標的實驗分析，結果表明，采用少耕及免耕措施可提升玉米產量、增加土壤水分、減少作物耗水量，0-20cm 土壤有機碳含量平均每年較傳統耕作可提高 11.2%和 3.4%，20-40cm 土層分別增加了 5.53和3.29g/kg，年有機碳儲量凈增加速率分別為 0.365 和 0.754t/hm2。

多年來，東北地區單一作物長期連作，是降低耕層土壤及各組分有機質含量的重要因素之一，采用作物輪作、間作將促進土壤有機碳的累積，降低粘粒復合體減少的趨勢，有利于有機碳分布向粉粒級和細粒級復合體中聚集，從而改善土壤物理性狀，提高土壤肥力。在西北及西南地區，范倩玉和夏梓泰等采用不同作物輪作模式進行實驗，結果表明，與單一作物連作相比，輪作模式可有效提高土壤大團聚集數量和穩定性，其中土壤有機碳主要被富集于土壤表層，且 20-40cm 土層各粒級團聚體的有機碳含量隨粒徑級數遞減其增幅最高可達 72%；王琦琪針對東北黑土區作物輪作模式，提出了遼寧（第一、二積溫帶）采用 2-3 年玉米+1年大豆，吉林（第三積溫帶）玉米大豆 1 年 1 輪，黑龍江部分地區（第四、五積溫帶）采用 2-3 年大豆 +1 年其他作物的方式，從而實現降成本、提產量、增收益、減少溫室氣體排放、提高土壤有機碳含量的目的；趙偉等在黑土區采用玉米+草木樨的間作模式，實驗表明糧草間作可有效提高土壤有機碳含量，增加土壤碳庫，相比于單一玉米作物種植，有機碳、水溶性碳、微生物量碳及顆粒態有機碳含量增加了 1.03-1.23 倍。

近年來，東北地區秸稈還田利用率已達到 60% 左右，秸稈還田杜絕了秸稈焚燒所造成的大氣污染問題，同時起到增肥增產作用，從時間尺度上影響土壤 CO2 的釋放特征，促進農田土壤總有機碳含量、顆粒有機碳、水溶性有機碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量的增加，更將具有可觀的固碳潛力。其中采用覆蓋免耕還田方式，土壤有機碳增幅預計可達 1.4-1.6g／kg，采用深翻還田或旋耕還田方式，除提升表層（0-20 cm）土壤有機碳含量，亞表層（20-40cm）土壤有機碳密度也將得到有效提升，有機碳含量增幅可達 70% 左右。

此外，適當的秸稈還田量與還田方式，也是穩定土壤性質和固碳等生態功能的關鍵之一。路文濤等研究發現，秸稈還田量過高，如果導致土壤 C／N 失衡，會一定程度上影響還田秸稈腐解與土壤有機碳提高效果，玉米秸稈還田量處理為 9000kg/hm2 左右時，土壤總有機碳及活性有機碳含量顯著提高，分別可提升 40.76% 和 45.45%，當還田量超過 13500kg/hm2 時總有機碳及活性有機碳含量提升僅為 12.41% 和 30.57%；李雙和朱雪峰等研究了玉米秸稈還田對不同地力黑土耕層土壤培肥效應與病害防治的影響，結果表明，秸稈中量（67%）還田提高了深層土壤碳化學穩定性，秸稈全量還田可在提高 0-40cm 土層微生物可利用碳底物的基礎上，維持土壤碳的化學穩定性，有利于土壤有機碳和腐殖質組分的積累和酶活性的提升，玉米莖腐病發病率及危害程度顯著降低，高地力區和低地力區有機碳含量分別提高了 9.87% 和 19.29%；中科院南京土壤所專家提出了秸稈“旱重水輕”還田技術，即在農田中的旱季—稻季輪作區域，在種植旱季作物時，進行秸稈還田，在種植稻季作物時，盡量減少秸稈還田或不還田，該技術能夠增加土壤對光合吸收碳的留存，又能減少土壤甲烷的排放，實現固碳減排和保障糧食安全的雙贏，綜合土壤固碳和稻田甲烷減排，預計每年可減少二氧化碳排放當量約 2.1 億噸。

不同施肥措施對土壤有機碳含量變化的影響不同。總體來看，我國大部分地區農田土壤施用化肥、有機肥或配肥等方式均可以提升土壤有機碳含量，但由于黑土土壤養分含量相對較高，吸收有機碳的空間有限，施用化肥，或施單一氮、磷、鉀肥有降低土壤有機碳含量的風險。近年來，隨著東北黑土土壤有機質含量的下降，其碳匯潛力也相對較大，預計施有機肥和配肥每年可增加土壤有機碳含量潛力約 0.60tC/ha。林赤輝等發現，相比單施化肥土壤有機碳儲量的 91.3t/hm2，采用化肥有機肥配施處理或單施有機肥，可以有效增加土壤有機碳儲量分別達 100.6t/hm2 和 104.2t/hm2，土壤碳匯每年盈余分別為 655.4kgC/hm2 和 100.3kgC/hm2，而單施化肥處理，每年碳虧損量高達 2244.8kgC/hm2；齊中凱等研究發現，與不施肥處理相比較，長期堆肥還田，可以顯著提高土壤有機碳含量 33%-63%，尤其是高量堆肥平均每年可使土壤有機碳密度增加率達 1.17tC/hm2，是化肥處理的 11.7 倍。

此外，增加外源性有機物輸入的方式和降低農田土壤有機碳分解速率的方式可以影響土壤固碳量。近年來，添加生物質炭還田施肥模式應用逐漸增多，生物炭施用將有效提升黑土土壤空隙度、電導率以及持水量，同時降低土壤容重，提高土壤有機碳、堿解氮、有效磷、有效鉀的含量。高尚志等研究了不同施量生物炭對土壤團聚體及其密度組分中有機碳含量的影響，結果表明，與常規空白對照處理相比，施用生物炭可提高土壤有機碳含量 16.5%-32.4%，大型大團聚體及閉蓄態微團聚體質量比例分別增加 29.43%-53.3% 和 24.00%-35.86%，游離微團聚體和未團聚的粉/黏粒等組分中的礦物結合態一氧化碳也顯著提高，根據實驗結果確定了施用 6t/ 公頃生物炭效果最好，可實現土壤質量提升與固碳減排效果；史登林等用等氮量生物炭替代化肥，通過設置不同替代比例，研究了生物炭對稻田土壤有機碳活性組分和礦化的影響，結果表明，有機碳含量增加與生物炭施用量呈正比，氮肥減施 20% 條件下，可有效提高土壤中有機碳、礦化量、易氧化有機碳含量和水稻產量，增強了土壤固碳能力；董林林等研究了生物炭配施糞污對土壤有機碳和水稻作物產量的作用影響，結果表明，外源性炭投入量與土壤有機碳含量之間顯著相關，提高了氮素的收獲指數，其中 6g/kg 生物質炭配施 5% 糞污或 30g/kg 生物質炭配施不同用量糞污效果最好。

隨著全球氣候變暖問題的加劇，如何減少二氧化碳的排放是實現“雙碳”目標的關鍵。東北黑土是寶貴的資源，土壤碳匯密度較高，發展潛力巨大，關系國家糧食安全與農業領域節能減排重要任務。因此，保護黑土，發展碳匯技術，進而實現碳捕獲和碳儲存，助力黑土資源可持續利用，是實施“藏糧于地、藏糧于技”戰略的迫切需要，是鞏固提升糧食產能、端穩中國飯碗的重要基礎。

首先，以低碳發展為目標導向，統籌劃定永久基本農田，嚴守耕地保護紅線，減少盲目開墾與耕地過度利用，從而減少碳源增加。努力調整生產結構，優化生產模式，轉變傳統生產方式，應用土壤固碳技術，加強保護性耕作、秸稈還田、有機肥和生物炭利用等固碳措施，增強生態系統和土壤固碳容量和效率。

此外，注重化肥、農藥減量施用技術、節水灌溉技術、生態溝渠、減排新材料應用等減排技術，配合作物品種更換、作物播期調整、農田基礎設施改善、智能化裝備與生態種養模式等智慧農業適應技術，從而構建高產、高效、彈性、可持續農業生產系統，實現生產能力提升、減少環境污染與農民增收的協同發展。

最后，開展不同條件下的土壤碳匯機制研究和監測、評估等技術攻關，包括土壤增匯的理論基礎，土壤碳匯轉化的影響因素、作用機理、過程機制及固碳效應，重點加強土地利用生命周期過程的土壤碳排放和碳匯核算及其效率變化的機制研究，培育土壤碳匯評估、認證、監測體系與機構建立，進而為土壤碳匯市場交易、碳稅征收、生態補償機制的構建實施提供支撐。

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編輯｜段文秀

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