《中国生态六讲》连载之二十
有机农田的固碳功能
蒋高明
本文载《中国生态六讲》，中国科学技术出版社，北京，2016
由温室气体升高引起的全球变暖已成为不争的事实，世界各国都认为有效地减少以CO2为主的温室气体排放是减缓全球变暖的重要手段。如何减少？我们先来看一下温室气体是如何产生的。全球与农业有关的化工与能源企业、转基因作物、工业化农场与养殖场产生了全球的35%的温室气体，主要由工业化农业驱动的森林砍伐产生了另外的20%，合计为55%。现代化农业造成农业土壤中原先封存的碳的25%-70%（数万亿吨）释放到大气中。
在CO2排放方面，中国是仅次于美国的世界第二大排放国，并将很快取代美国成为第一大排放国。当前人们普遍采用的减排措施是，在技术上提高能源利用效率，减少碳“源”；人工造林等增加生物碳“汇”；促进元素循环以“减汇增源”，并把大部分碳“埋葬”在地下。但在具体实践上，前两者代价昂贵，而且见效慢，也不能从根本上改变温室效应的全球趋势，而后者，即在元素循环过程中增加土壤碳汇则是个好出路。
但是当前，我国农村普遍燃烧秸秆和过量使用化肥，导致了大量生物质能源的浪费, 还削弱了农业生态系统的固碳作用。为了测量农田生态系统的固碳能力以及相关粮食产量, 我们实验了将玉米秸秆粉碎后饲养肉牛, 然后将牛粪腐熟后施入冬小麦-夏玉米轮作农田中，并设计了4种不同的有机肥和无机肥配施比例: 100%有机肥、100%化肥、75%有机肥+25%化肥以及50%有机肥+50%化肥。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC) 2006年的方法, 计算了温室气体排放量。结果表明,用有机肥替代化肥可显著减少温带农田温室气体排放量，其固碳能力达8.8吨/公顷/年。与此同时, 施用有机肥还增加了土壤肥力, 进而提高了小麦和玉米产量。有机肥全部替代化肥后, 农田变为典型的碳库; 而全部施用化肥, 农田则为典型的碳排放源。
地球上的碳以海洋中最多，达34.5万亿吨；陆地(植物、动物、湿地、土壤)次之，约24万亿吨，大气中最少，约0.7万亿吨。在人类剧烈活动的陆地表面上，土壤是地球重要的碳库。全球土壤碳库为1.4-2.2万亿吨，是大气碳库的2-3倍。理论上讲，大气中的碳全部埋在土壤里也没问题。但是，土壤碳库的作用是双重的，这完全取决于人类对土地的利用方式，如将高有机碳含量的森林与草原土壤开垦为农田，以及在农田耕作中仅施加化肥忽视有机肥，这都会将土壤碳库由“汇”变成“源”。相反，如果改为生态农业生产方式，就可以使土壤有机碳维持在较高的水平。除生物措施外，解决碳的去向问题，出路也应在地下，这个地下不是各种矿坑，而是地表土壤，包括成熟的森林、草原、沼泽、高寒草甸，甚至农田土壤。
土壤碳库主要储存有机碳，它们来自动植物、微生物残体、排泄物、分泌物等，上述成分分解后以土壤腐殖质形式存在，相对稳定。遗憾的是，世界上许多国家长期以来由于只用地不养地，土壤有机质下降严重。世界三大黑土区之一的中国黑土区，土壤的退化使其固定的碳向环境净释放。中国黑土地总面积3523万公顷，分布在黑龙江、吉林、辽宁省和内蒙古自治区境内。黑土地解决了中国10%以上人口的吃饭问题，然而其代价也是沉重的。中国科学院和黑龙江省有关科研机构研究数据表明，东北地区坡耕地黑土层厚度已从60-70年前的80-100厘米减少到现在的20-30厘米，土壤有机质含量由12％下降到1%-2%，85%的黑土地处于养分亏缺状态。黑龙江省黑土层流失厚度每年达到0.6-1厘米，吉林省30厘米以下薄层黑土面积已占黑土总面积的42%。
中国有18亿亩耕地，平均容重1.2吨/立方米，若将土壤有机质含量提高1%的话，就相当于从空气中净吸收306亿吨CO2。即使我们利用30年的时间来完成这个增长过程，每年也约有10亿吨的CO2被固定在土壤里中。目前中国经济活动排放的净CO2约为70亿吨，至2015年将超过100亿吨。从上面的分析可以看出，依靠土壤捕获碳的排放，前景是广阔的，且技术上也相对容易操作。
中国农田土壤经过数千年的耕作，有机碳严重偏低，与同类型土壤进行对比，我国耕地土壤有机碳含量尚不及欧洲的一半，因此可提升的潜力很大。从目前中国耕地有机质含量来看，水田土壤大多在%1-3%，而旱地土壤中有31.2%小于1%。尽管有人乐观地估计，中国近20年来，有53%-59%农田的土壤有机碳含量呈增长趋势, 30%-31%呈下降趋势, 10%基本持平，中国耕地有机碳贮量总体增加了3.11亿-4.01亿吨，但我们依然认为中国土壤碳库的潜力远远没有发挥。
那么通过什么方法让土壤固定大气中的碳呢？我们提出的思路是，在人类收获粮食的同时，快速将秸秆收集、处理并储藏起来，为食草动物储备“粮食”；将动物粪便中的能量通过沼气池，提取出来供应农民的生活需要，减少农民与工业和城市争夺化石能源的量；沼渣、沼液中作为优质肥料还田，替代全国至少一半的化肥以减少温室气体排放。这些措施都可以逐步增加土壤有机质。
要增加土壤有机碳含量，将耕地变“黑”，而不是像现在这样覆盖农膜让耕地变“白”，这种方式不仅可以固碳减排，还可改良土壤结构，增加土壤保水保肥能力，增强土壤抗蚀抗旱性能，提高作物产量，改善作物品质。大量试验表明：每增加0.1个百分点的土壤有机质含量就可释放600-800公斤/公顷的粮食生产潜力。因此，培育土壤碳库可以节约能源，减少污染，培肥土壤，一举多得。
只有改变当前大农药大化肥式的农业生产模式，才能实现耕地固碳的目的。我们建议：一要大力发展秸秆畜牧业，增加有机肥，开辟乡村新能源，减少化肥使用并固碳；二要通过市场消费将农产品在价格上拉开，将中国耕地的5%-10%培育成告别化肥、农药、添加剂、除草剂的永久固碳型有机农业，在这类土地上生产安全放心的粮食、肉、蛋、奶和蔬菜，增加的价格靠城市市民的自觉消费，来为农民增收和土壤固碳“买单”；三是利用农业有机弃废物还田，并辅以免耕等保护性耕作技术，减轻土壤有机质分解，促进土壤有机质增加；四是利用充分挖掘传统农业文化，大力发展“稻鸭互作”“稻鱼互作”“禽粮互作”型生态农业；五是在政策上鼓励耕地固碳，全球碳贸易应当考虑农田固碳贡献。
