8.2 耕 地 固 碳
8.2.1 耕地變黑捕獲巨量溫室氣體
聯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系已經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（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的氣候變化及其影響，增加陸地生態系統碳匯能力，各國科學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。當前人們普遍采用的碳減排措施主要包括在技術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。耕地作為陸地生態系統的組成部分，其地上植被通過光合作用能夠固定空氣中的二氧化碳，同時農田土壤又儲存了全球陸地生態系統約 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田，以及農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，如果農業措施得當，使土壤有機碳維持在較高的含量水平，則農業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、高寒草甸甚至農田土壤在內。
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形式存在，相對穩定。遺憾的是，世界上許多國家長期以來由于僅用地而不養地，土壤有機質下降嚴重。世界三大黑土區之一的我國黑土區，土壤退化就使其固定的碳向環境凈釋放。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。中國科學院和黑龍江有關科研機構研究數據表明，東北地區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，土壤有機質含量由 12%下降到 1%～2%，85%的黑土地處于養分虧缺狀態。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。農田土壤固碳的理論容量可以達到 2 拍克，但農業技術的實施能夠實現的技術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 億畝農田，平均容重為 1.2 噸/立方米，若將土壤有機質含量提高 1%，相當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）在研究中預測未來 50 年我國農業土壤固碳減排潛力為 87 兆～393 兆克碳/年，相當于抵消我國工業溫室氣體排放總量的 11%～52%，其中實施農田管理措施（包括有機肥應用、秸稈還田、保護性耕作）對土壤固碳的貢獻率為30%～36%（相當于抵消工業溫室氣體排放總量的 3.4%～19%）。2006 年，我國經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，且技術上也相對容易操作。
我國農田土壤經過數千年的耕作，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含量來看，水田土壤大多為1%～3%，而旱地土壤有機質含量小于 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揮出來（黃耀和孫文娟，2006）。
增加耕地有機質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農戶需要，減少農戶與工業和城市爭奪化石能源；沼渣、沼液作為優質肥料還田，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。
增加土壤有機碳含量，將耕地變“黑”，不僅可以固碳減排，還可以改良土壤結構，增加土壤保水保肥能力，增強土壤抗蝕抗旱性能，提高作物產量，改善作物品質。大量試驗表明：每增加 0.1 個百分點的土壤有機質就可釋放 600～800 千克/公頃的糧食生產潛力。因此，培育土壤碳庫是節約能源、減少污染、培肥土壤等可一舉多得的措施。
為了實現上述耕地固碳目標，建議：①大力發展秸稈畜牧業，增加有機肥，開辟鄉村新能源，減少化肥使用并固碳；②通過市場消費將農產品在價格上拉開，將我國耕地的 5%～10%培育成告別化肥、農藥、添加劑、除草劑的永久固碳型有機農田，在這類土地上生產安全放心的糧食、肉、蛋、奶和蔬菜，增加的價格靠市民的自覺消費，來為農民增收和土壤固碳“買單”；③利用農業有機棄廢物還田，并輔以免耕等保護性耕作技術，減輕土壤有機質分解，促進土壤有機質增加；④充分挖掘傳統農業文化，大力發展稻鴨互作、稻魚互作、禽糧互作型生態農業；⑤在政策上鼓勵耕地固碳，全球碳貿易應當考慮農田固碳貢獻。
8.2.2 耕地固碳潛力：弘毅生態農場案例
2018 年，美國《科學》雜志報道了一項研究，佛蒙特大學 Adair 等（2018）研究認為有機農業會排放更多的溫室氣體。與該報道結論完全相反，本團隊幾年前的研究發現，有機農田可將溫室氣體凈排放逆轉為凈固定（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注的問題。全球化學密集與能源密集、轉基因作物、工業化食用農作物農場與養殖場作業產生的溫室氣體占全球排放量的35%，現代化農業造成農業土壤中原先封存的數萬億噸碳被釋放到大氣中。有科學家預測，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用前景（EurekAlert，2015）。燃燒秸稈和過量使用化肥導致大量生物質能源浪費，進而削弱了農田生態系統固碳能力。為了保證農田生態系統的固碳潛力和糧食產量，本團隊在我國東部溫帶農村設計了一個生態農場，將玉米秸稈粉碎后飼養肉牛，然后將牛糞腐熟后施入冬小麥-夏玉米輪作農田中。研究結果表明，用有機肥替代化肥可顯著減少溫帶農田溫室氣體排放量。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量。有機肥全部替代化肥后，農田變為典型的碳庫，而全部施用化肥農田則為典型碳源（唐海龍 等，2012；Liu et al.，2015）。這些發現為提高農業生態系統應對氣候變化提供了科學依據。
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