土壤碳中和实现与气候变化应对

2023-04-12 16:37:04 点将科技系统集成部 96

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      提高土壤碳库储量和减少农田温室气体排放,是世界各国确保粮食安全和应对全球气候变化的重要战略。

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在中科院长岭草地农牧生态研究站,科研人员在搜集土壤样品

      近年来,全球气候变化不仅给人类社会生活带来深刻影响,也导致了全球大面积土壤发生退化。土壤退化不仅会造成土壤养分流失,还会导致作物品质和产量下降,严重威胁粮食安全。

但是,合理的土壤保护不仅有助于实现碳中和、积极应对气候变化,还能够保障粮食安全,达到固碳减排与农业发展相协调的双赢目标。

 

      土壤碳库的重要作用

      全球2米深土壤储存的有机碳达到24000亿吨,土壤碳库的微小变化都可能对大气二氧化碳浓度产生强烈影响。换句话说,土壤碳库的微小增加都会产生巨大的碳汇效应。以“千分之四计划:服务于粮食安全和气候的土壤”为主题的国际倡议,早在2015年召开的第21届联合国气候变化大会中就被发起,这也彰显了提升土壤碳库储量在应对气候变化中的重要地位。

      农业是重要的碳排放行业,农田土壤的固碳增汇潜力也是巨大的。据报道,在最理想的情况下,全球农田土壤每年可实现33亿~68亿吨的固碳潜力。考虑到当前我国农田土壤碳含量偏低,土壤碳库储量的提升潜力是相当可观的。例如,过去30年我国农田土壤碳库储量总体呈现明显增加趋势,这主要得益于化学氮肥的大量施用与作物育种技术的成熟提升了农作物产量,进而促进了根系分泌物以及作物秸秆还田过程中碳输入量增加。不过,上述土壤碳库储量的增加大多依赖于氮肥的施用,未来通过农业管理措施的合理优化,我国农田土壤的固碳潜力有望得到进一步提升。

      土壤固碳也就是增加土壤有机碳含量,这其实与土壤培肥目标是一致的。农田土壤固碳可以通过诸多措施来实现,比如保护性耕作、构建农林复合系统、优化间套种和轮作、加大有机物料还田的比例等。以水稻生产为例,中国是水稻总产量最高的国家,占全球总产量的31%。稻田是中国典型的农田生态系统,同时也具有较大的固碳潜力。目前,我国稻田土壤有机碳平均含量约为20克/千克,而其平均潜在碳储存能力约为32克/千克,现阶段只有不到10%的土壤达到了该值。这主要是由于传统土壤培肥措施的固碳效率不太高,加上有机物料腐殖化系数相对较低,大部分的有机物料碳在短时间内还是分解成二氧化碳回到了大气中。

      从农田土壤固碳角度而言,我们需要开发效率更高的突破性技术。目前可以从以下角度考虑,一是从种质资源的挖掘出发,选育丰产低碳品种,并集成配套栽培技术;另一方面,开发低成本的秸秆钝化技术,稳定并延长有机碳在土壤中的周转时间,将植物光合产物碳更长时间地封存于土壤。此外,对于稻田生态系统来说是可以通过强化土壤中以及植株体内的甲烷氧化来减少其排放。

 

      固碳减排与农业发展可双赢

      农田土壤碳库与土壤肥力紧密关联,富含有机碳的肥沃农田土壤能更好地支持作物的稳产和高产,也是保障粮食安全和农业发展的基础。

      过去的诸多研究发现,土壤固碳效果与温室气体减排之间可能存在着“此消彼长”的关系。例如,稻田的秸秆还田促进了土壤有机碳积累的同时,也大幅增加了甲烷排放。这种“此消彼长”的关系主要是由于农田土壤碳库储量的变化与农业管理措施是息息相关的,而农业措施对土壤温室气体排放的影响也是巨大的。

      因此,需要集合多种固碳减排措施进行综合减排,而不是采用单一的固碳或减排措施。基于在太湖地区的实验研究,与传统农业管理措施相比较,通过集成三种固碳减排措施——氮肥合理减量、秸秆好氧发酵后还田以及轮作制度优化,能够将该地区水稻·小麦轮作系统周年碳足迹显著减少26%,活性氮足迹减少29%,温室气体和活性氮排放所造成的总环境损失降低42%,农民净经济收益提高23%,而且这些集合措施并不会影响水稻产量。由此可见,农田土壤固碳减排与作物稳产丰产是可以实现双赢的。

      优化秸秆还田方式是农田沃土增碳的关键措施,也是减少温室气体排放的重要策略。对于稻田来说,一方面可以通过秸秆炭化、秸秆快腐等处理方式,降低秸秆碳向甲烷的转化,促进其向土壤碳的转化;另一方面,针对性地集成节水和覆膜等好氧栽培技术、垄厢栽培技术等,结合氮肥合理运筹,在保障水稻产量的前提下使得有机物料在非淹水状态下分解;此外,选育出适于我国水稻主产区的丰产低碳品种并研发配套栽培技术,进一步推动稻田固碳、减排和丰产的协调生产。对于旱地农田来说,采用秸秆还田(或者生物炭还田)结合氮肥优化管理措施能较大程度地增加土壤碳库储量并减少温室气体排放。

      此外,采取合理的氮肥管理措施来提高氮肥的利用率不仅是保障粮食安全的基石,还是缓解氧化亚氮高排放的重要途径。通过施用高效氮肥协调作物生长氮素需求与土壤氮素供应的关系,结合氮肥施用的“4R技术”(合理的施肥量、正确的施肥时期、合适的氮肥类型以及恰当的施肥位置),可以显著提高氮肥利用效率和作物产量,同时减少土壤氧化亚氮排放。

      总体来讲,优化农田水、碳、氮的管理,对于推动农业绿色可持续发展、保障我国粮食安全以及应对气候变化都具有重要意义。

 

      应对气候变化,中国在行动

      农田土壤的增汇减排对缓解全球气候变化具有重要意义。尤其是2030年前中国实现碳达峰后,化石能耗逐步减少,农田碳排放所占的比重将随之增大,其固碳减排的紧迫性和重要性将日益突出。

      中国农田土壤由于长期耕作,碳损失较为严重,当前土壤碳储量水平低于全球平均水平,比欧美发达国家和地区低至少1/3。正如前文提到的近30年来中国农田土壤碳库整体上呈现增加趋势,据报道中国农田土壤还可以再吸收73亿~108亿吨二氧化碳,固碳潜力是非常可观的。

      近年来中国农业农村部开展了一系列的高标准农田建设规划,在巩固和提高粮食生产能力、保障国家粮食安全的同时,积极适应未来气候变化,促进农业的可持续发展。此外,中低产田的改造工程也在“十四五”期间大规模推进。

      特别需要强调的是,黑土地作为中国耕地中的“大熊猫”,也是有机碳最为丰富的农田土壤之一。但由于以往的不合理利用,其表土以及有机碳大量丢失的问题十分严重。2020年农业农村部、财政部共同启动实施《东北黑土地保护性耕作行动计划(2020-2025年)》,旨在加快东北黑土地的保护性耕作技术的推广应用。同时,中国科学院积极开展和实施“黑土地保护与利用科技创新工程(黑土粮仓)”战略性先导科技专项,努力阻控黑土地土壤退化,提升黑土地产能和质量,持续推动黑土地农业的可持续发展。建设高标准农田、改造中低产农田,充分保护和利用黑土地,必然能显著发挥农田土壤的固碳潜力,增加土壤碳库储量。

      另一方面,在气候变化愈演愈烈的当下,二氧化碳的持续升高对作物光合速率、生长发育以及产量都有很大的影响,这也将会持续影响全球农作物的生长与农业生产。因此,不仅要加快推动土壤碳中和,还需要积极探索气候变化下未来农业发展的新道路。

      目前中国国内开展了不少农业生产响应未来气候变化情景的模拟研究。大气二氧化碳浓度升高,在提高农作物生物量和产量的同时,也会对作物的营养品质产生影响。对水稻来说,大气二氧化碳浓度升高不仅会影响碳水化合物和矿质元素在植株体内的转运,也会影响水稻根系的生长和构型。

      此外,中国农业科学院作物科学研究所作物耕作与生态创新团队和南京农业大学通过联合攻关,发现大气二氧化碳浓度升高对甲烷排放的促进作用呈明显下降趋势,说明国际上远远高估了未来气候背景下稻田甲烷的排放量,这意味着农田土壤的固碳减排潜力在未来气候变化下将会得到进一步增强。

 

来源:2023年1月25日出版的《环球》杂志 第2期