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提升農業土壤固碳增匯潛力

2021-09-13 16:16來源: 中國環境報編輯:雪兒

  土壤碳匯是削減碳排放,實現碳中和,緩解全球氣候變化的重要路徑。在全球碳循環中,土壤碳庫是森林和其他植被碳庫的5倍,是大氣碳庫的3倍。土壤碳庫中60%的碳以有機質的形式存在于土壤之中,巨大的土壤碳貯存量對大氣CO2的水平產生重要的影響。

  耕地占地球表面積的1/3,農業土壤碳庫受人為活動影響最大,且在較短的時間尺度上可以調節。因此,農業土壤的有機碳儲量及其固碳能力是評估減緩氣候變化和固碳減排潛力的重要依據。聯合國糧農組織發布的《2016年糧食及農業狀況》指出,全球約21%的溫室氣體來自農業排放,主要來自種植業如農田施肥、秸稈焚燒、水稻生產、有機肥和化肥生產等,以及畜牧業如牛等反芻動物的腸胃發酵。農業已成為目前各國應對、減緩和適應氣候變化的重要領域之一。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)明確指出,農業近90%的減排份額可以通過土壤固碳減排實現。2015年聯合國巴黎氣候變化大會提出千分之四倡議,即將全球農業土壤的有機碳儲量平均每年提高千分之四,20年內可扭轉氣候變化趨勢。農業土壤固碳也是《京都議定書》認可的有效減排途徑,擁有巨大的固碳潛力。

  農業土壤的有機碳還與土壤肥力和作物產量有密切關系。隨著20世紀中期以來農業工業化的快速擴張,農藥、化肥的大量施用,集約化生產、單一種植等單純追求產量的常規農業措施導致農田土壤嚴重退化,板結、酸化、鹽漬化、養分失衡、侵蝕等問題突出。全球33%的土壤已經出現嚴重退化,若不采取任何措施,預計到2050年退化土壤的比例將高達90%。全世界土壤侵蝕每年導致250億噸-400億噸表土流失。退化土壤生產力顯著下降,不僅降低土壤吸收碳的能力,而且加速土壤碳庫的消耗,造成大多數農田土壤30%-75%的有機碳損失。同時,退化土壤有機質含量低,土壤團聚體結構遭到破壞,在應對極端旱災和澇災等氣候災害時更為敏感,易發生風蝕和水蝕,土壤有機碳更易降解或流失。在退化的土地上,每公頃土壤有機碳增加1噸,小麥產量可增加20公斤-40公斤,玉米產量增加10公斤-20公斤。

  為了增加土壤有機碳儲量,提升土壤肥力,減緩溫室氣體排放,筆者建議采取以下措施:

  提倡農田有機肥的施用。有機肥施用是增加土壤有機碳最有力的驅動因素,能顯著增強土壤有機碳的儲存能力。一方面,施用有機肥后作物根系會更發達,在微生物的作用下能固定更多空氣中的碳,且土壤團聚體穩定性顯著增強,可以減少碳的損失。另一方面,施用有機肥可以提高土壤有機質含量。土壤有機質既有易被微生物利用的不穩定態,又包括與土壤健康密切相關的穩定態腐殖質,腐殖質可以長期儲存碳。有機肥的類型、用量、配施等都會影響土壤固碳效果。研究表明,長期施用有機肥可顯著提高雙季稻田碳匯效應與經濟效益,綠肥紫云英與豬糞和秸稈配施,稻田生態系統碳匯效益與經濟效益較單施綠肥紫云英優勢明顯。在堆肥過程中僅接種少量真菌就能促進土壤碳的大量儲存,改善土壤健康。有機無機肥配施可以增加土壤有機碳的積累。有機農業生產系統土壤有機碳量比常規系統高18%-21%,在前15年時土壤碳存儲速率最高。

  大力推廣保護性耕作。相比自然植被,農田種植導致土壤有機碳含量顯著降低51.7%-58.1%,農田土壤表層20厘米的有機碳儲量較林地和草地分別降低51.6%44.8%,這是由于農業耕作顯著加速了不穩定顆粒有機質的周轉,減少了穩定性有機碳組分的形成,從而導致土壤有機碳庫明顯下降。農田土壤翻耕破壞土壤團聚體結構、增加有機質分解,風和水的侵蝕增強,導致暴露和侵蝕的土壤中的碳作為溫室氣體排放。犁耕的CO2損失量是免耕的13.8倍,即使采用保護性耕作機具,CO2損失量也達到免耕的4.3倍。在過去的120年中,集約耕作造成30%-50%的碳流失。最小化土壤擾動、持續作物殘茬覆蓋是保護性農業的關鍵做法。因此,從常規深耕轉向少耕或免耕可改善土壤結構、減少CO2排放,增加土壤有機碳。在秸稈還田的基礎上,免耕會顯著提高表層土壤有機碳含量。

  開展作物輪作與種植覆蓋作物。單一種植方式的農業生產體系在抗病蟲害、土壤肥力提升等方面表現較差,需要投入農藥、化肥等化學品控制雜草、病蟲害和提供肥力,導致土壤生物的消亡,土壤碳損失加劇。而作物輪作、多樣化的種植結構不僅可使農田抗病蟲害能力增強,土壤肥力提升、養分均衡,而且土壤生物多樣性增加,有助于土壤固碳。有研究指出,土壤微生物在構建土壤碳庫中具有重要作用,是土壤碳儲存的關鍵因子,土壤中穩定態碳主要是死亡生物與礦物結合后經分解所產生的微生物碳被固定下來形成的,長期的碳儲存與微生物碳的固定有關,其主要發生在粒徑30微米-150微米的土壤孔隙,多樣化種植下的根系更易產生這種孔隙。經濟作物輪作和種植覆蓋作物使土壤持續覆蓋,可為細菌和真菌提供可利用能量和宿主根系,增加土壤微生物量和土壤碳。

  作者:生態環境部南京環境科學研究所  席運官 陳秋會

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