GSR公开课第35讲：碳中和土壤技术与气候变化应对
主讲人：朱春梧 研究员
（2023年9月4日）
朱春梧，中国科学院南京土壤研究所，研究员，博士生导师。科技部-“青年973”首席科学家（全球变化领域-结题优秀），国家青年拔尖人才，中科院“卢嘉锡青年人才”，中科院青年创新促进会成员（优秀会员）。江苏省重大科研设施-土壤碳中和与气候变化应对试验设施技术负责人，中国土壤学会-碳中和与全球变化工作组副主任，碳中和土壤技术研发中心主任，土壤利用与环境变化研究中心主任，土壤生物与生态研究部副部长，日本学术振兴会（JSPS）特别研究员，美国Smithsonian访问学者。研究领域为：全球变化下农田和湿地生态系统的响应与适应，及其区域和全球尺度模拟预测。
课程概要：
讲座内容主要涵盖两部分，第一部分，系统地汇报全球气候变化及其影响探究以及气候变化与碳排放的真相。第二部分，从中国土壤农业如何应对碳排放、农业固碳与减排的挑战与探索、中国农田碳趋势与减排挑战角度，讨论农田富碳减排。
课程内容：
一、全球气候变化
（一）全球气候变化及其影响探究
图1 全球变化主要驱动者-不断攀升的CO2
全球变化两个主要特征是大气CO2温度升高和全球暖化，全球暖化主要是CO2升高后的温室效应。科学家对太阳活动的研究表明，太阳活动不是全球温化的因素。而大气C13不断贫化，直接证明全球变化是人为驱动的，主要是化石燃料的大量燃烧导致C13进入大气中。
图2 大气CO2升高研究的起源
大气CO2升高研究的起源，最早可以追溯到1824年，Fonrier提出地球大气层具有隔热作用。1859年，Tyndall首次发现水和CO2对红外辐射有屏蔽作用，因此提出大气气体浓度改变将影响气候变化。1881-1890年，Langley发明了测热辐射仪，首次测定了大气对远红外辐射的吸收作用。1896年，Arrhenius首次推算出由人类活动产生的全球变化幅度，提出CO2升高会产生增温效应。1938年Callendar真正首次测定大气CO2浓度，他还初步证明了20世纪初CO2升高正在促使全球变暖，但由于测定技术缺乏可信度，没有受到重视。直到1956年，海洋科学家Revelle认为海洋吸收CO2能力有限，观测大气中CO2含量迫在眉睫。
Keeling博士在夏威夷和南极同时建立了两套观测系统观测大气CO2，通过红外分析、精准校对、排除区域CO2源干扰，首次精确测定大气CO2浓度及变化情况。该方法得到世界各地呼应，全世界科学家按照该方法测定各区CO2，从而得到全球大概的CO2平均值。历史上称为“Keeling 曲线”，为全球变化提供了最为关键的证据。
图3 Keeling 曲线
（二）气候变化与碳排放的真相
2021年，日本科学家真锅淑郎根据Keeling 曲线测定，当CO2翻倍，即基于工业革命前280 ppm翻倍到560 ppm时，全球将温升2℃。真锅淑郎的主要贡献是排除了氮气变化和水蒸气变化对全球温升的影响，当CO2翻倍时，温升2℃。我们目前一再强调1.5℃的温室气体增长值，是基于真锅淑郎模型的预测，比如2021年IPCC提出了SSP几个情景模式中最高的8.5。
图4 IPCC--SSP情景模式, 2021
2015年《巴黎协定》要求减少温室气体排放，本世纪末将全球温升控制在2℃内，并寻求控制在1.5℃以内。2019年IPCC提出全球温升如果不控制在1.5℃，气候变化的影响可能经历从量变到质变，造成严重后果。我个人认为1.5℃是基于工业革命前，从现在到过去100多年全球已经温升了约1.1℃，即已经用了三分之二的配额，所以1.5℃难度太大，基本不可能实现。
图5 IPCC全球升温1.5℃特别报告
应对全球气候变化有两个步骤，近几年都在讨论的碳达峰碳中和只能减缓气候变化，但气候还在进一步恶化。这导致另外一个问题，即怎么适应未来，即使我们实现了碳中和，但温度已经升高，极端天气等一系列问题也增加了。从生态系统来讲，不确定性增加，自然系统主要靠自我适应，比如滨海湿地、湖泊等；农业系统靠绿色气候韧性农业来确保粮食安全、低碳发展。国家在继碳中和战略后，2022年提出《国家适应气候变化战略2035》，农业是重中之重。所以全球气候变化应对有两步，一是如何尽快实现碳中和，二是如何适应未来碳中和情景。
中国预期2020-2060年碳排放2965亿吨，2030-2060年碳排放约1860亿吨；中美欧日四大经济体需投资约85万亿美元；中国预期需投100-130万亿元。碳中和初创投资非常巨大，很难保证有效的资源投入和各方面力量投入。
二、农田富碳减排
（一）中国土壤农业如何应对碳排放
过去30年，中国和印度的变绿非常明显，中国主要是森林变绿，印度主要是农田变绿。很多结论发现，2010-2016年，中国陆地生态系统吸收同时期人为排放碳45%, 类似结论很多，但评估结果相差巨大。这种情况下，即使我们非常确定过去中国森林是巨大碳汇，但在未来情境下，森林发挥同等功能几乎是不可能的，因为中国没有合适的地方种树。谢振华提出中国再种600亿棵树来抵消中国的碳排放，从土壤角度来说，不可能在苦寒地带或者不适宜地带进行大规模种树，所以未来森林对碳汇的作用不及过去。
但农田领域有很大空间，农业富碳减排与人类可持续发展目标紧密关联，如保证高效高产：高土地生产率、劳动力生产率和自然生产率；低碳：减少农业和食物的碳排；健康营养：解决营养不良、三重负担；韧性：增强应对能力和冲击后恢复的能力；可持续：保护土地、水、生物多样性等；包容性：小农、农民工、妇女、青年和其他弱势群体必须从食物系统中受益。减碳、富碳的同时保证粮食安全，是联合国对农业系统提出的一个非常重要的目标。
中国农业实现低碳减排的焦点在于减少源自化肥和农业废弃物的温室气体排放和加强土壤的富碳能力。碳达峰后，从工业减排开始，后期CH4对温室气体整个结构的占比可能会越来越重要。未来在实现一定的工业减排后，农业甲烷的地位也会越来越重要。
图6 2000-2051年农业的固碳与减排
2014年联合国气候变化公约组织启动“千分之四土壤增碳”计划，可以抵消2014年全球化石燃烧等模式系统碳排放。“千分之四”构想基于“全球2米深土壤储存的有机碳达2.4万亿吨，而2014年全球能源的温室气体排放89亿吨碳（合326亿吨CO2），相当于前者千分之四。该理论实施难度大，并且无机碳在碳循环研究中较少，主要发生在荒漠和半荒漠区，全球土壤碳酸盐碳库为 780-930亿吨。目前我们能调控的土壤耕作层，占50%，深层土壤基本不可能调控，所以即使真能实现，也是千分之八。
图7 地下深层土壤碳含量分布
我们做了一个初步统计，中国两米深的碳库非常匮乏，一米深相对较强，有机碳库约900亿吨，无机碳库约600亿吨，中国未来40年，土壤碳库（有机碳和无机碳）增加54%，即可抵消所有排放。中国农田土壤有机碳库130亿吨，无机碳库90亿吨，约为欧美碳密度的70%，未来40年，土壤有机和无机碳库分别增加50%和30%，可固碳92亿吨，占我国总排放11.3%。如果我们在2060年能达到欧美现有的碳力度，农田富碳就可抵消中国约13%的碳排放，增加我国土壤富碳，将会极大提高中国碳排放权益。之所以强调土壤富碳农业排放，是因为农业是人为干扰的土壤，其他自然土壤干扰成本高，如西北无人区域很难进行干扰。
（二）农业固碳与减排的挑战与探索
目前，我们所里做了大量这方面工作，比如有机碳和无机碳固定。过去十几年强调的秸秆还田，现在争议非常大，还田后碳又释放出来，只有不到3%留在土壤。而秸秆还在稻田里，碳变成了甲烷后，对稻田不利，因为1吨甲烷，相当于28吨CO2，从稻田角度看，不划算。从碳平衡角度看，可以采取水肥管理，如有机肥、高碳基肥、生物功能肥等；通过作物轮作，如覆膜、水稻旱作等，降低温室气体排放，但是水稻旱作会影响产量，所以很多研究处于理论阶段，难以推广。
生物炭功能有自身含碳高，且稳定性高；促进植物生长，提高碳利用效率，具有固碳效应；减少化肥投入，从而降低因化肥生产和施用造成的温室效应；抑制温室气体排放。从碳平衡角度，生物炭在农业固碳领域应用成功，可以把秸秆固化后培肥，增加土壤肥力，改善土壤性质，同时稳定碳库存，生物炭的添加能够将土壤有机碳含量提高45.8%。
2020年有篇关于全球硅酸盐施肥后固碳量多少的报道，2021年Nature文章算出后，国内很多团队跟进硅酸盐在各自生态环境和各自土壤类型中的固碳能力，如沈阳生态所的初步研究，还未出结果。硅酸盐种类多，分解速度不同，要保证无毒释放的同时有较快的分化能力，还有在未来温度升高情形下，如何加快分化，都在初步研究中。
另外我们也在期待新技术，分子生物学、纳米材料等领域科学家正在做如何加快碳转化成为碳水化合物方面工作，处于突破阶段。我们个人判断未来生物催化和化学催化等新材料在加快固碳方面是新方向。
（三）中国农田碳趋势与减排挑战
过去30年，已经做了大量农田碳趋势研究。全国范围内，除东北碳的相对密度在下降，其他地区基本都在增加，我国农田土壤有机碳含量总体呈增加趋势，显著增加了4.34 Mg C ha-1。
图8 近30年我国农田土壤有机碳含量
全球各行业温室气体排放比例为15%以上，我国各行业温室气体排放比例为10%以上，我国减排空间较大，但该数据目前没有统一，争议较大。
图9 各行业温室气体排放比例
我国针对水稻、小麦、玉米三大主粮碳排放，估算出农药化肥生产占37%，能源消耗占11%，CH4排放占38%，N2O排放占14%。我国整个主粮生产区排放空间，南方较高。
图10 中国三大主粮作物温室气体排放
我国甲烷占全球30%左右，稻田排放量高，意味着未来减排空间也大。
图11 中国稻田甲烷排放
温室气体减排体系技术理论可以构建，从秸秆管理、覆膜栽培、水分调控、栽培措施相对应轮作休耕、种植制度、生物工程、腐化技术，从减排角度推荐使用量、高效氮肥调控减排效果和稻田CH4减排综合解决方案等方面发表了大量文章。但农田系统减排推进效果不好，农民很少使用。
图12 温室气体减排技术体系
技术方面有冬水田减排，“覆膜栽培”，可以节水、增温、减氮、省工、控草。通过覆膜栽培、抑制剂施用等措施，实现冬水田GHG大幅度减排。
在我们的研究中，认为农业本身有实现碳中和的潜力。通过土壤固碳，生物炭还田 （66%秸秆碳化还田）；能源生产CO2；稻田CH4减排，水分管理，秸秆碳化、覆膜栽培；优化施肥，氮肥减量-15%（N2O 和 CO2 减排），基本可以实现碳中和，只有广东、福建、湖南有少量排放。
图13 各省农业减排比例
今年我们所研究员参与合作的Xia et al., Nat. Food, 2023（封面论文）中，构建了“生物炭还田+氮肥优化管理+能源捕获替代 （IPEG-CH4-N）”的新模式，明确了我国粮食生产实现碳中和的路径。为我国农业碳中和的实现提供了新思路和新路径，但在实施过程中存在传统减排措施存在此消彼长效应、减排措施缺乏有效集成、碳中和实现路径不明的困难。且难在农田板块小，只有几千亩农田的农民参与意愿低。让农民实施各种技术方案，不仅不能增加成本，还要增加收益。除非国家大规模政策干预或者补贴，否则实施困难。在未来情景下，可以发展低碳高附加值农产品，提高农业竞争力（类似有机食品），如低碳牛肉，低碳水果、低碳稻米等。
课程总结：桑春晖