提升农业土壤固碳增汇潜力

2021-09-14 00:15:18 来源:中国环境报

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  ◆席运官 陈秋会

  土壤碳汇是削减碳排放,实现碳中和,缓解全球气候变化的重要路径。在全球碳循环中,土壤碳库是森林和其他植被碳库的5倍,是大气碳库的3倍。土壤碳库中60%的碳以有机质的形式存在于土壤之中,巨大的土壤碳贮存量对大气CO2的水平产生重要的影响。

  耕地占地球表面积的1/3,农业土壤碳库受人为活动影响最大,且在较短的时间尺度上可以调节。因此,农业土壤的有机碳储量及其固碳能力是评估减缓气候变化和固碳减排潜力的重要依据。联合国粮农组织发布的《2016年粮食及农业状况》指出,全球约21%的温室气体来自农业排放,主要来自种植业如农田施肥、秸秆焚烧、水稻生产、有机肥和化肥生产等,以及畜牧业如牛等反刍动物的肠胃发酵。农业已成为目前各国应对、减缓和适应气候变化的重要领域之一。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)明确指出,农业近90%的减排份额可以通过土壤固碳减排实现。2015年联合国巴黎气候变化大会提出“千分之四”倡议,即将全球农业土壤的有机碳储量平均每年提高千分之四,20年内可扭转气候变化趋势。农业土壤固碳也是《京都议定书》认可的有效减排途径,拥有巨大的固碳潜力。

  农业土壤的有机碳还与土壤肥力和作物产量有密切关系。随着20世纪中期以来农业工业化的快速扩张,农药、化肥的大量施用,集约化生产、单一种植等单纯追求产量的常规农业措施导致农田土壤严重退化,板结、酸化、盐渍化、养分失衡、侵蚀等问题突出。全球33%的土壤已经出现严重退化,若不采取任何措施,预计到2050年退化土壤的比例将高达90%。全世界土壤侵蚀每年导致250亿吨-400亿吨表土流失。退化土壤生产力显著下降,不仅降低土壤吸收碳的能力,而且加速土壤碳库的消耗,造成大多数农田土壤30%-75%的有机碳损失。同时,退化土壤有机质含量低,土壤团聚体结构遭到破坏,在应对极端旱灾和涝灾等气候灾害时更为敏感,易发生风蚀和水蚀,土壤有机碳更易降解或流失。在退化的土地上,每公顷土壤有机碳增加1吨,小麦产量可增加20公斤-40公斤,玉米产量增加10公斤-20公斤。

  为了增加土壤有机碳储量,提升土壤肥力,减缓温室气体排放,笔者建议采取以下措施:

  提倡农田有机肥的施用。有机肥施用是增加土壤有机碳最有力的驱动因素,能显著增强土壤有机碳的储存能力。一方面,施用有机肥后作物根系会更发达,在微生物的作用下能固定更多空气中的碳,且土壤团聚体稳定性显著增强,可以减少碳的损失。另一方面,施用有机肥可以提高土壤有机质含量。土壤有机质既有易被微生物利用的不稳定态,又包括与土壤健康密切相关的稳定态腐殖质,腐殖质可以长期储存碳。有机肥的类型、用量、配施等都会影响土壤固碳效果。研究表明,长期施用有机肥可显著提高双季稻田碳汇效应与经济效益,绿肥紫云英与猪粪和秸秆配施,稻田生态系统碳汇效益与经济效益较单施绿肥紫云英优势明显。在堆肥过程中仅接种少量真菌就能促进土壤碳的大量储存,改善土壤健康。有机无机肥配施可以增加土壤有机碳的积累。有机农业生产系统土壤有机碳量比常规系统高18%-21%,在前15年时土壤碳存储速率最高。

  大力推广保护性耕作。相比自然植被,农田种植导致土壤有机碳含量显著降低51.7%-58.1%,农田土壤表层20厘米的有机碳储量较林地和草地分别降低51.6%和44.8%,这是由于农业耕作显著加速了不稳定颗粒有机质的周转,减少了稳定性有机碳组分的形成,从而导致土壤有机碳库明显下降。农田土壤翻耕破坏土壤团聚体结构、增加有机质分解,风和水的侵蚀增强,导致暴露和侵蚀的土壤中的碳作为温室气体排放。犁耕的CO2损失量是免耕的13.8倍,即使采用保护性耕作机具,CO2损失量也达到免耕的4.3倍。在过去的120年中,集约耕作造成30%-50%的碳流失。最小化土壤扰动、持续作物残茬覆盖是保护性农业的关键做法。因此,从常规深耕转向少耕或免耕可改善土壤结构、减少CO2排放,增加土壤有机碳。在秸秆还田的基础上,免耕会显著提高表层土壤有机碳含量。

  开展作物轮作与种植覆盖作物。单一种植方式的农业生产体系在抗病虫害、土壤肥力提升等方面表现较差,需要投入农药、化肥等化学品控制杂草、病虫害和提供肥力,导致土壤生物的消亡,土壤碳损失加剧。而作物轮作、多样化的种植结构不仅可使农田抗病虫害能力增强,土壤肥力提升、养分均衡,而且土壤生物多样性增加,有助于土壤固碳。有研究指出,土壤微生物在构建土壤碳库中具有重要作用,是土壤碳储存的关键因子,土壤中稳定态碳主要是死亡生物与矿物结合后经分解所产生的微生物碳被固定下来形成的,长期的碳储存与微生物碳的固定有关,其主要发生在粒径30微米-150微米的土壤孔隙,多样化种植下的根系更易产生这种孔隙。经济作物轮作和种植覆盖作物使土壤持续覆盖,可为细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。

  作者单位:生态环境部南京环境科学研究所

责任编辑:ERM523

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