保护地球的农业技术 | “自然聚焦-农业科学”增刊

原文作者：Bianca Nogrady

一代农民和科学家正在寻找在土壤中封存碳并提高农作物产量的方法。

科学家可以测量各种土壤的碳储存能力。来源：Patrice Latron/Eurelios/Look at Sciences/Science Photo Library

说到碳，人类面临两个紧迫的问题。首先，大气中的碳太多了。自工业时代开始以来，大气中二氧化碳浓度已从 280 ppm 增加到 2023 年的近 420 ppm，增加了约 50%（见 go.nature.com/2j4heej）。其中许多来自化石燃料的燃烧，但农业也是一个主要来源。每年，农业过程向大气中排放约 137 亿吨二氧化碳当量的温室气体，全球温室气体排放的四分之一以上来自粮食生产¹。

第二个碳问题是土壤中的碳含量不足。为满足不断增长的人口的需求而发展出的集约化耕作方式已经导致世界各地的土壤碳急剧减少。一项估计表明，自约 12000 年前农业出现以来，土壤表层 2 米内的碳损失约为 1330 亿吨，约占土壤有机碳总量的 8%。其中约三分之一的损失发生在 19 世纪工业革命之后（参考文献 2）。

这种不平衡意味着农业藏了张王牌：虽然农业目前是碳源，但也有可能成为碳汇，从而改变地球的气候变化轨迹（见“绿色视野”）。通过支持和增强吸收二氧化碳并将其转化为土壤碳的自然过程来补充土壤有机碳储量，这不仅是可能的，而且相对容易。

来源：FAOSTAT for 2021 and model projections for future years

最新的政府间气候变化专门委员会（IPCC）综合报告³将农业碳封存列为减少净排放的最大潜在贡献之一，每年能够减少约 35亿吨二氧化碳当量温室气体。这比整个欧盟 2022 年的排放量还要高——只有将现有能源供应转换为太阳能或风能，或减少对自然生态系统的破坏才能超过这个数字。挑战在于确保这一过程足够快、成本足够低，以便为到 2050 年实现全球净零碳排放做出重大贡献。

有助于增加土壤碳封存的农业技术并不一定很复杂。但随着《巴黎气候协定》规定的 2050 年实现净零碳排放的最后期限迫在眉睫，科学家们面临的压力在于需要找到最高效有用、最快速的可扩展土壤碳封存方法，以及这些方法如何帮助实现减缓气候变化和改善土壤健康的双重目标。

土壤有机碳是植物从大气中提取的二氧化碳的结果，植物将其融入自身结构特别是根系中，被用于滋养土壤中的其他生物。

“在土壤固碳还不是个气候变化问题之前，人们已经一直在提倡增加土壤中的有机物，以提高土壤肥力、提高保水能力和抗旱能力，并防止侵蚀。”英国阿伯丁大学土壤科学家、苏格兰爱丁堡气候变化中心科学主任Peter Smith说。“没人否认增加土壤有机物含量是好事。” Smith说。

好消息是，增加土壤碳含量不是什么高科技。大部分艰难工作已经让演化给完成了，植物通过光合作用从大气中提取二氧化碳，将其转化为碳水化合物和氧。植物将这些碳吸收到细胞和组织中，当植物的物质以枝叶花果的形式掉落，或被其他生物消耗，或植物死亡和分解时，这些碳最终融入土壤。

这一过程的最大障碍是人类，以及我们为了榨取土壤的短期产量而养成的坏习惯。其中之一就是耕地，尤其是通常用于将土壤准备用于种植的深耕。加拿大达尔豪斯大学的土壤科学家David Burton说：“一个世纪前，全球草原地区之所以如此肥沃，原因之一是当我们耕地时，有机物会降解，释放出大量养分，从而让农作物丰收。”这一过程会打碎土壤，包括作物和草的根系，导致二氧化碳释放到大气中。

耕作等农业活动会向大气中释放二氧化碳。来源：Jonas Gratzer/LightRocket/Getty

耕作还会破坏土壤结构，增加风蚀或水蚀的风险，进而导致更多的二氧化碳释放。

因此，将碳保留在土壤中的一种方法是减少或消除耕作，即所谓的免耕或零耕农业。农民不再翻动大量土壤来播种或育苗，而是使用设备开辟一条狭窄的通道或一个洞，以便将种子或幼苗种植在其中。上一季作物的残留物（例如残茬、秸秆和茎秆）留在土壤中和地表上。这样做的目的是减少对土壤结构的扰动，使更多的土壤有机碳留在原地。

尽管免耕固碳前景光明，科研证据却参差不齐。研究表明，免耕农业的固碳量因气候和土壤类型而异。一项分析发现，免耕农业土壤碳含量的最大增幅发生在气候温暖潮湿的地区，气候寒冷干燥的地区增幅较小⁴。然而，耕作次数减少确实意味着燃料消耗减少——因为农民不必经常深耕——因此排放量也较低。例如，据估计，美国采用低耕农业每年可节省约 35 亿升柴油，足以抵消约 170 万辆汽车每年的二氧化碳排放量⁵。

增加土壤碳保留量的另一种方法是在主要作物旁边种植覆盖作物，而不是手动拔除或毒死出现的杂草。这可以完整保持根结构及其对土壤碳的贡献。一项对两家澳大利亚葡萄园的研究发现，与使用除草剂控制草生长的传统方法相比，让草在葡萄藤行间生长可使土壤有机碳在 5 年内增加近 23%⁶。这种做法在北美葡萄园中发展势头强劲，在欧洲葡萄园中也已得到广泛应用，在那里，苜蓿和大麦等覆盖作物已被证明可以提高土壤碳含量，同时减少杂草⁷。

人们也越来越关注通过一种称为“增强风化”的过程向农业土壤中添加无机碳或矿物碳的碳封存潜力。这包括向土壤中添加磨碎的硅酸盐岩石，例如玄武岩。岩石粉尘中的矿物质（主要是镁和钙）与大气中的二氧化碳发生化学反应形成碳酸盐，这些碳酸盐以固体形式留在土壤中或溶解并逐渐通过地下水排入海洋⁸。

2 月份发表的一项针对美国玉米带地区、为期四年的研究，发现在玉米和大豆田施用粉碎的玄武岩，每年每公顷可额外封存 10 吨二氧化碳，同时使农作物产量提高 12-16%（参考文献 9）。“这是世界上管理最密集的农业用地之一，因此如果这种方法在那里奏效，当即就有了可推广性。”这项研究的共同作者、英国谢菲尔德大学Leverhulme气候变化缓解中心主任、生物地球化学家David Beerling 说。

毁林是农业部门碳排放的另一个主要因素，尤其是在养牛方面¹⁰，人们砍伐森林，为动物开辟牧场。将树木融入农业系统的复合农林业是缓解这一问题的一种方法。在农作物和牧场之间种植树木和灌木不仅可以增加土壤和树木生物量的碳封存，还可以提供其他好处，包括防风和为牛提供遮荫。复合农林业在世界许多地方都很成熟，包括热带地区，那里的树木为咖啡豆等作物提供遮荫。

Smith表示，土壤碳封存虽然在理论上看起来很有前景，但它有一个极限。“如果我们把所有地质来源的碳都吸走，生物碳汇不足以吸收所有这些碳。”他说。同时，土壤碳封存有其极限——一块地可以封存的碳量是有限的。问题在于：这个极限是多少？

俄亥俄州立大学Lal碳中心主任、土壤科学家Rattan Lal表示，如果世界转向非化石燃料能源，就有可能实现长期的土壤碳预算正值，即农业吸收的碳多于其产生的碳。Lal说：“到 2100 年，土地的碳吸收能力约为 1500至 1600 亿吨碳，与树木的碳吸收能力相同。”这相当于每年约有 20 亿吨碳可被土壤封存。其他研究表明，这个数字可能高达每年 40 至 50 亿吨碳¹¹。鉴于目前全球排放量约为每年 350 亿吨，这个比例相当可观¹²。

即使按照较低的估计，如果能实现全部去除大气碳，Lal的研究表明，全球大气中的二氧化碳浓度可以降低约 157 ppm¹³，这将完全消除自工业革命开始以来排放的所有额外二氧化碳。“农业可能是解决方案的一部分。”他说。

然而，土壤科学界对于土壤碳封存是否能成为气候变化补救措施的一部分存在分歧，土壤科学家、澳大利亚悉尼大学悉尼农业研究所所长Alex McBratney说。即使在今天，仍有一些人认为这太难了，因为测量是一项极大的挑战。

即使在很短的距离下，土壤碳含量的地域差异也很大。因此，在某一时间点获得相当准确的测量结果意味着需要采集大量样本，而这可能会增加很多经济成本。土壤碳也会根据天气条件和其他因素自然波动。而且，土壤碳含量随时间的变化相对于土壤中的总碳含量也可能很小，这使得记录显著变化变得更加困难。

土壤碳含量变化也很慢。“我们根据经验认为，大概需要五年左右的尺度才能显示出可以在这种自然变化的背景下检测到的差异。” McBratney说。再加上土壤碳本身的变化，要证明额外的土壤碳已被封存尤其是以经济有效的方式封存，就变得很困难。

尽管土壤碳封存存在不确定性，但它在减排方面是一个热门话题。各国政府已热情高涨（甚至贸然）开始利用买卖农业碳信用额度的可能性。这些信用额度是通过减少碳排放获得的，可用于抵消来自其他来源或部门的碳排放——鉴于它改善土壤健康的额外好处，是一个双赢的局面。

在澳大利亚政府于 2011 年出台《低碳农业倡议法》后不久，西澳大利亚大学珀斯分校的农业与资源经济学家Marit Kragt就开始对土壤碳封存产生了兴趣。她担心这项政策的制定在许多方面几乎没有科学或经济数据，例如土壤碳封存的最佳做法是什么，气候有何影响，农民的成本几何，以及土壤碳封存是否真的会增加土壤碳总量。

这种成本效益分析对于克服变革的社会文化障碍至关重要。Kragt说，对农业改革实践存在阻力，尤其是来自科学家或政策制定者建议的农业改革实践。“社会文化变革实际上在任何社会中都非常重要，但经常被遗忘。”她说。“一群人倡导某件事，但他们又不是农业社区的成员或值得信赖的同行，就会遭到抵触。”

然而，Kragt表示，大多数采用积极固碳农业技术的农民并不是为了获得碳信用。“我认为，大多数采用碳农业实践的人这样做是因为他们想重建环境。”她说。许多农民也担心气候变化，因为他们看得到这对他们生计的影响。“他们看到森林大火、干旱和极端高温影响了他们的收成，所以他们知道需要做出一些改变。”

Bianca Nogrady是一位驻澳大利亚悉尼的自由撰稿人。

1. Poore, J. & Nemecek, T. Science 360, 987-992 (2018).

2. Sanderman, J., Hengl, T. & Fiske, G. J. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114, 9575–9580 (2017).

3. Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2023: Synthesis Report (IPCC, 2023).

4. Ogle, S. M. et al. Sci. Rep. 9, 11665 (2019).

5. Natural Resources Conservation Service. Reduction in Annual Fuel Use from Conservation Tillage (US Department of Agriculture, 2022).

6. Marks, J. N. J., Lines, T. E. P., Penfold, C. & Cavagnaro, T. R. Sci. Total Environ. 831, 154800 (2022).

7. Abad, J., Hermoso de Mendoza, I., Marín, D., Orcaray, L. & Gonzaga Santesteban, L. OENO One 55, 295–312 (2021).

8. Vienne, A. et al. Front. Clim. 4, 869456 (2022).

9. Beerling, D. J. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 12, e2319436121 (2024).

10. Cederberg, C., Persson, U. M., Neovius, K., Molander, S. & Clift, R. Environ. Sci. Technol.45, 1773–1779 (2011).

11. Paustian, K., Larson, E., Kent, J., Marx, E. & Swan, A. Front. Clim. 1, 8 (2019).

12. Liu, Z., Deng, Z., Davis, S. J. & Ciais, P. Nature Rev. Earth Environ. 5, 253–254 (2024).

13. Lal, R. Soil Sci. Plant Nutrition 66, 1–9 (2020).

原文以Farming techniques that protect the tlanet为标题发布在2024年6月20日出版的《自然》增刊“自然聚焦-农业科学“上。

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Nature | doi:10.1038/d41586-024-02036-x