韩贵清：基于“双碳”目标愿景下的土壤碳汇发展与黑土保护利用｜《产业转型研究》专刊报道

导 读

本文为清华大学互联网产业研究院产业学者、国际农业教育科学院院士、联合国粮食及农业组织国际黑土联盟首任主席、英国皇家农业大学教授韩贵清发表于《产业转型研究》专刊 2021 年 第 9 期总第 325 期的文章，特此分享，以飨读者。

基于“双碳”目标愿景下的土壤碳汇发展与黑土保护利用

文/韩贵清

我国碳达峰、碳中和目标愿景的提出将对农业领域应对气候变化与低碳发展带来深远影响。黑土土壤作为重要资源，其肥力退化直接影响农田生态系统和土地生产力，进而威胁我国粮食安全。

本文结合我国东北地区黑土农田特点，分析探讨了耕作管理措施、秸秆还田、肥料施用等技术应用对黑土土壤固碳减排能力的影响，分析了黑土保护利用的重要性与固碳减排发展路径，以期为农业领域节能减排与低碳发展提供理论支撑。

近年来，应对气候变化已成为国际社会普遍关注的重大全球性问题。2014 年 ９ 月，国务院批复了《国家应对气候变化规划（2014-2020年）》，要求有效控制温室气体排放，将绿色发展、低碳发展，积极应对气候变化上升为国家战略；2020 年 9 月，习总书记代表中国宣布了“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的明确目标与承诺；中央经济工作会议中，习总书记将“做好碳达峰、碳中和工作”列入到 2021 年八项重点任务。我国提出碳达峰、碳中和愿景目标，既是对世界经济社会与生态环境可持续发展的贡献与承诺，同时也充分体现了我国走低碳发展道路的决心与信心。

当前，农业生产造成的温室气体排放量已占全球排放总量的 19%-29%，甲烷、氧化亚氮等非二氧化碳温室气体排放贡献率达 56% 左右，成为全球第二大温室气体来源。中国作为世界上重要的农业大国之一，农业生产对全球气候变化的影响不可忽视。土壤作为人类赖以生存的重要资源和农业生产的重要物质基础，土壤碳库与温室效应及气候变化有着密切的联系，是全球碳库与碳循环的重要组成部分。土壤碳库在农业耕种、施肥、灌溉等活动影响下，农业土壤中碳库的质和量发生了极大变化，这种变化不仅影响了土壤肥力及作物产量，且对区域及全球环境带来影响。面对人口增长与粮食安全的双重压力，我国农业碳排放份额将进一步提高，农业投入品的碳成本将持续提升。因此，农业发展急需增效减量、节能减排、节本增收，提升减排固碳的贡献，大力发展土壤碳汇将成为一种最具潜力、见效最快的减排措施，这也是我国建设低碳经济、控制气候变暖的必然选择。

本文将依托我国东北地区农业土壤特点，分析并定位黑土土壤固碳减排潜力与发展前景，结合土壤固碳技术，探索“双碳”目标愿景下，保持黑土土壤碳汇功能、提高土壤有机碳水平与保障粮食安全协同发展新路径，以期为农业领域节能减排与低碳发展提供理论支撑。

黑土土壤具有有机质含量高、土壤肥力好、物理结构优良等特点，全球有 19% 的农田由黑土构成，是自然条件下最肥沃、最稀缺、产量最高的土壤资源，被认为是“世界的粮仓”或“耕地中的大熊猫”，是保障粮食安全的压舱石。黑土良好的土壤物理特性和充足的养分，使黑土在调节田间水供应、缓解洪涝和干旱以及确保水质方面具有显著优势，同时有助于丰富土壤生物多样性，有效储存糖、氨基酸和羧酸等成分。而作为富碳土壤，黑土的高有机碳(SOC)含量使其成为了温室气体汇和源的潜在来源，黑土表层 30cm 的平均有机碳含量高达 66.4 吨/公顷，但随着黑土从自然系统转换为集约化耕作系统后，土壤质量和土壤结构不断退化，土壤侵蚀不断加剧，近 100 年内土壤中有机碳损失了 20%-50%，大量碳被排放到大气中。

中国黑土地面积 109 万平方千米，约占全球黑土面积的五分之一，典型黑土耕地面积为 1853.33 万公顷，主要分布在黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古，该区域是我国最重要的商品粮基地，素有“黄金玉米带”和“大豆之乡”的美誉，玉米、大豆、水稻商品粮占国家商品粮总量的 1/3、粮食总产的 1/5。上世纪 60 年代，东北黑土农田表层土壤有机碳含量约为 51g/kg，是全国其他地区耕地土壤有机碳平均含量的 2.3 倍左右，受长期过度开发利用、气候变化、水土流失、作物类型与耕作制度等多种因素的影响，东北黑土地出现了不同程度的退化，对土壤碳汇功能造成了影响。研究表明，长期施用化肥措施，仅在东北地区呈现有机碳降低的趋势，减少量为 0.16tC/ha/a；在作物类型方面，黑土土壤长期采用玉米、大豆或小麦的单一种植系统下，0-90 厘米土层有机碳平均下降率分别为 0.91%、0.97%和0.48%；草地、森林或湿地生态系统开垦为耕地后，形成高土壤碳密度转向低碳密度，土壤碳储量下降约 59%，而长期旱田耕作，有机碳储量一般为 3.1kg/m-2，明显低于水田土壤有机碳储量 4.1kg/m-2。

目前，东北黑土土壤碳汇密度约为 181.9tC/ha，是全国其他地区土壤平均碳汇密度的 2 倍，土壤碳汇约为 4Gt，占全国土壤碳汇的 5%。但与此同时，与上世纪 60 年代相比较，东北黑土土壤有机碳损失达 56% 左右，有机碳含量仅约 22g/kg，若土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下，东北黑土碳储量每年减少量预计约 6.48kgC/hm2，呈现明显的碳源特征。因此，注重黑土资源，重新认识黑土碳汇机制，采取有效措施对黑土土壤加以保护，将对全球粮食安全、农业可持续性和生产力及气候变化起到重要作用。

合理、可持续的土地利用和耕作管理具有良好的土壤碳汇效应。退耕还林、退耕还草、退耕还湿、荒漠化逆转等形式都能够增加土壤有机碳。当前，东北黑土固碳潜力约为 6.49kg/m2，土壤有机碳潜在固碳能力为 1.07kg/m2，如果将旱田耕作方式转换成水田耕作，则可有效减少土壤碳损失，有机碳密度预计可增加 0.91kg/m2 左右。同时，增加免耕、少耕、覆盖等保护性耕作措施，也可使土壤不稳定碳输入增加，提高农田土壤固碳容量和效率，尤其是对 0-20cm 耕层土壤，可有效减少土壤侵蚀与有机质流失，提升土壤固碳量达 20%-50%。而保护性耕作是一项长期工作，通常农田土壤转为少免耕保护性耕作，2-5 年内土壤有机碳含量变化相对较小，但 5-10 年将开始显著提升，增长趋势可持续 25-50 年，平均年固碳潜力可达到 0.5t/hm2。孙宝龙等针对东北玉米农田研究发现，长期少免耕措施可以显著提高农田上层土壤（0-20cm）碳氮含量，通过土壤呼吸消耗的碳量仅占土壤积累碳量的 26%，明显低于其他旋耕等方式处理的 40%-155%；王碧胜等采用连续多年田间定位实验，进行传统耕作、少耕、免耕 3 种措施对土壤有机碳和玉米产量等指标的实验分析，结果表明，采用少耕及免耕措施可提升玉米产量、增加土壤水分、减少作物耗水量，0-20cm 土壤有机碳含量平均每年较传统耕作可提高 11.2%和 3.4%，20-40cm 土层分别增加了 5.53和3.29g/kg，年有机碳储量净增加速率分别为 0.365 和 0.754t/hm2。

多年来，东北地区单一作物长期连作，是降低耕层土壤及各组分有机质含量的重要因素之一，采用作物轮作、间作将促进土壤有机碳的累积，降低粘粒复合体减少的趋势，有利于有机碳分布向粉粒级和细粒级复合体中聚集，从而改善土壤物理性状，提高土壤肥力。在西北及西南地区，范倩玉和夏梓泰等采用不同作物轮作模式进行实验，结果表明，与单一作物连作相比，轮作模式可有效提高土壤大团聚集数量和稳定性，其中土壤有机碳主要被富集于土壤表层，且 20-40cm 土层各粒级团聚体的有机碳含量随粒径级数递减其增幅最高可达 72%；王琦琪针对东北黑土区作物轮作模式，提出了辽宁（第一、二积温带）采用 2-3 年玉米+1年大豆，吉林（第三积温带）玉米大豆 1 年 1 轮，黑龙江部分地区（第四、五积温带）采用 2-3 年大豆 +1 年其他作物的方式，从而实现降成本、提产量、增收益、减少温室气体排放、提高土壤有机碳含量的目的；赵伟等在黑土区采用玉米+草木樨的间作模式，实验表明粮草间作可有效提高土壤有机碳含量，增加土壤碳库，相比于单一玉米作物种植，有机碳、水溶性碳、微生物量碳及颗粒态有机碳含量增加了 1.03-1.23 倍。

近年来，东北地区秸秆还田利用率已达到 60% 左右，秸秆还田杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染问题，同时起到增肥增产作用，从时间尺度上影响土壤 CO2 的释放特征，促进农田土壤总有机碳含量、颗粒有机碳、水溶性有机碳、胡敏酸碳和胡敏素碳含量的增加，更将具有可观的固碳潜力。其中采用覆盖免耕还田方式，土壤有机碳增幅预计可达 1.4-1.6g／kg，采用深翻还田或旋耕还田方式，除提升表层（0-20 cm）土壤有机碳含量，亚表层（20-40cm）土壤有机碳密度也将得到有效提升，有机碳含量增幅可达 70% 左右。

此外，适当的秸秆还田量与还田方式，也是稳定土壤性质和固碳等生态功能的关键之一。路文涛等研究发现，秸秆还田量过高，如果导致土壤 C／N 失衡，会一定程度上影响还田秸秆腐解与土壤有机碳提高效果，玉米秸秆还田量处理为 9000kg/hm2 左右时，土壤总有机碳及活性有机碳含量显著提高，分别可提升 40.76% 和 45.45%，当还田量超过 13500kg/hm2 时总有机碳及活性有机碳含量提升仅为 12.41% 和 30.57%；李双和朱雪峰等研究了玉米秸秆还田对不同地力黑土耕层土壤培肥效应与病害防治的影响，结果表明，秸秆中量（67%）还田提高了深层土壤碳化学稳定性，秸秆全量还田可在提高 0-40cm 土层微生物可利用碳底物的基础上，维持土壤碳的化学稳定性，有利于土壤有机碳和腐殖质组分的积累和酶活性的提升，玉米茎腐病发病率及危害程度显著降低，高地力区和低地力区有机碳含量分别提高了 9.87% 和 19.29%；中科院南京土壤所专家提出了秸秆“旱重水轻”还田技术，即在农田中的旱季—稻季轮作区域，在种植旱季作物时，进行秸秆还田，在种植稻季作物时，尽量减少秸秆还田或不还田，该技术能够增加土壤对光合吸收碳的留存，又能减少土壤甲烷的排放，实现固碳减排和保障粮食安全的双赢，综合土壤固碳和稻田甲烷减排，预计每年可减少二氧化碳排放当量约 2.1 亿吨。

不同施肥措施对土壤有机碳含量变化的影响不同。总体来看，我国大部分地区农田土壤施用化肥、有机肥或配肥等方式均可以提升土壤有机碳含量，但由于黑土土壤养分含量相对较高，吸收有机碳的空间有限，施用化肥，或施单一氮、磷、钾肥有降低土壤有机碳含量的风险。近年来，随着东北黑土土壤有机质含量的下降，其碳汇潜力也相对较大，预计施有机肥和配肥每年可增加土壤有机碳含量潜力约 0.60tC/ha。林赤辉等发现，相比单施化肥土壤有机碳储量的 91.3t/hm2，采用化肥有机肥配施处理或单施有机肥，可以有效增加土壤有机碳储量分别达 100.6t/hm2 和 104.2t/hm2，土壤碳汇每年盈余分别为 655.4kgC/hm2 和 100.3kgC/hm2，而单施化肥处理，每年碳亏损量高达 2244.8kgC/hm2；齐中凯等研究发现，与不施肥处理相比较，长期堆肥还田，可以显著提高土壤有机碳含量 33%-63%，尤其是高量堆肥平均每年可使土壤有机碳密度增加率达 1.17tC/hm2，是化肥处理的 11.7 倍。

此外，增加外源性有机物输入的方式和降低农田土壤有机碳分解速率的方式可以影响土壤固碳量。近年来，添加生物质炭还田施肥模式应用逐渐增多，生物炭施用将有效提升黑土土壤空隙度、电导率以及持水量，同时降低土壤容重，提高土壤有机碳、碱解氮、有效磷、有效钾的含量。高尚志等研究了不同施量生物炭对土壤团聚体及其密度组分中有机碳含量的影响，结果表明，与常规空白对照处理相比，施用生物炭可提高土壤有机碳含量 16.5%-32.4%，大型大团聚体及闭蓄态微团聚体质量比例分别增加 29.43%-53.3% 和 24.00%-35.86%，游离微团聚体和未团聚的粉/黏粒等组分中的矿物结合态一氧化碳也显著提高，根据实验结果确定了施用 6t/ 公顷生物炭效果最好，可实现土壤质量提升与固碳减排效果；史登林等用等氮量生物炭替代化肥，通过设置不同替代比例，研究了生物炭对稻田土壤有机碳活性组分和矿化的影响，结果表明，有机碳含量增加与生物炭施用量呈正比，氮肥减施 20% 条件下，可有效提高土壤中有机碳、矿化量、易氧化有机碳含量和水稻产量，增强了土壤固碳能力；董林林等研究了生物炭配施粪污对土壤有机碳和水稻作物产量的作用影响，结果表明，外源性炭投入量与土壤有机碳含量之间显著相关，提高了氮素的收获指数，其中 6g/kg 生物质炭配施 5% 粪污或 30g/kg 生物质炭配施不同用量粪污效果最好。

随着全球气候变暖问题的加剧，如何减少二氧化碳的排放是实现“双碳”目标的关键。东北黑土是宝贵的资源，土壤碳汇密度较高，发展潜力巨大，关系国家粮食安全与农业领域节能减排重要任务。因此，保护黑土，发展碳汇技术，进而实现碳捕获和碳储存，助力黑土资源可持续利用，是实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的迫切需要，是巩固提升粮食产能、端稳中国饭碗的重要基础。

首先，以低碳发展为目标导向，统筹划定永久基本农田，严守耕地保护红线，减少盲目开垦与耕地过度利用，从而减少碳源增加。努力调整生产结构，优化生产模式，转变传统生产方式，应用土壤固碳技术，加强保护性耕作、秸秆还田、有机肥和生物炭利用等固碳措施，增强生态系统和土壤固碳容量和效率。

此外，注重化肥、农药减量施用技术、节水灌溉技术、生态沟渠、减排新材料应用等减排技术，配合作物品种更换、作物播期调整、农田基础设施改善、智能化装备与生态种养模式等智慧农业适应技术，从而构建高产、高效、弹性、可持续农业生产系统，实现生产能力提升、减少环境污染与农民增收的协同发展。

最后，开展不同条件下的土壤碳汇机制研究和监测、评估等技术攻关，包括土壤增汇的理论基础，土壤碳汇转化的影响因素、作用机理、过程机制及固碳效应，重点加强土地利用生命周期过程的土壤碳排放和碳汇核算及其效率变化的机制研究，培育土壤碳汇评估、认证、监测体系与机构建立，进而为土壤碳汇市场交易、碳税征收、生态补偿机制的构建实施提供支撑。

订购须知：

各位读者如有购买《产业转型研究》专刊第三期需要，可联系以下老师：

朱栩葶老师：

联系电话：010-83021220

邮箱地址：zhuxt6@sem.tsinghua.edu.cn

编辑｜段文秀

审核、责编｜杨帆