农田生态系统是重要的碳源

农田生态系统的碳排放是全球碳排放的重要来源之一，约占总排放量的30%^[6]，贡献了全球范围内约14%的人为温室气体排放量和58%的非人为CO₂排放^[7]。中国自然资源部公布的数据显示，2014年全国温室气体净排放总量为111.86亿吨CO₂eq，其中农业排放占比为7.4%。2018年中国农业总碳排放量为8.7亿吨，种植业碳排放总量为7 850.39万吨，其中化肥、农膜、农药、农用柴油、灌溉、翻耕引致的种植业碳排放量分别占种植业碳排放总量的66.83%、16.68%、10.38%、3.69%、1.76%、0.66%（图1）^[8]。可见，排放量前三位的化肥、农膜和农药投入导致的碳排放约占总碳排放量的94%，而施用化肥导致的碳排放量更高达总碳排放量的2/3。因此，采取有效的农艺和农技手段，减少化肥、农膜和农药的使用是农田生态系统减少碳排放的有效手段。

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2018年中国种植业碳排放分布

2015年《到2020年化肥使用量零增长行动方案》指出，中国农作物亩均化肥用量21.9 kg，远高于世界平均水平（8 kg/亩，1亩≈667 m²），是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍^[9]。2016年，中国各省农药平均施用强度为10.4 kg·hm^-2，比国际警戒线（7 kg·hm^-2）高出48.6%^[10]（图2）。可见，与发达国家的发展经验相比，中国在农业生产中仍有巨大的减排空间。虽然已有的研究结果表明中国碳排放增速已明显放缓^[11]，但中国的农业仍然处于高消耗、高排放的发展阶段。为此，中国政府于2015年提出“一控两减三基本”的要求，旨在保障作物产量和品质的情况下，通过提高“一控两减”技术水平，结合优化农作物生产结构和种植布局，从而不断地降低碳排放量。

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中国与世界其他国家化肥和农药的施用情况（数据来源于联合国粮农组织数据库）

农田生态系统是重要的碳汇

农业在提供农产品和工业原料的同时，还发挥着供应生态产品的重要功能^[12]。因此，农业生态系统也是重要的碳汇。农田系统作为碳汇，主要包括农田土壤的碳汇和农作物碳汇两部分。土壤固碳量是输入土壤的有机物与其通过分解释放的温室气体的差值；农作物碳汇是用农作物整个生命周期内光合作用所吸收的CO₂减去农作物呼吸作用所释放的CO₂来表示，即折算农作物干重来表示农作物光合作用所固定的碳量^[13]。陆地生态系统碳储量80%以上存储于土壤中，而农田表层土壤有机碳储量约占陆地土壤碳储量的10%，有着巨大的碳储存潜力^[14]，通常农田生态系统的碳源/汇为（0.043±0.010）Pg C/年^[15]。

近年来，以农田生态系统为整体的碳源/汇研究逐渐增多，主要包括对碳吸收量及碳排放量的平衡关系进行估算，并分析其时空变化规律、影响因素等。刘巽浩等^[16]对1950年以来的全国农田系统碳流进行分析指出，农田生态系统碳平衡都是固碳>耗碳，具有净固碳作用。近年来，很多省份针对各自的农业特征进行了农田生态系统的碳汇评价。作为中部产粮大省的河南，农田系统2017年碳吸强度为5.26 t·hm^-2，碳排放强度为0.873 6 t·hm^-2，其农田生态系统处于碳生态盈余的状态，且碳足迹较低，碳足迹效益较高^[17]。田志会等^[18]对2005—2014年京津冀农田生态系统的碳汇、碳源、碳足迹的年际研究表明，碳足迹平均为161.2万hm²/年，呈现出逐年减少趋势，处于碳生态盈余状态。郝小雨^[19]对北方农业大省的黑龙江农田系统研究发现，该省碳汇能力较强，碳吸收量明显高于碳排放量，两者比例为19.4∶1，其农田生态系统处于良好的碳生态盈余状态，具有较好的生态屏障作用。可见，农田生态系统会释放大量碳，但同时也因土壤碳汇和农作物碳汇等贮存了大量碳，总体上在碳中和方面发挥了十分积极的作用。正确评价农田生态系统碳汇强度，制订合理的减排策略对提高农田生态系统的碳中和能力具有重要意义。

测土配方施肥技术在碳中和中的作用

中药材生产中，通常选择秸秆还田、堆肥还田、饲料过腹还田等措施将碳转化为土壤有机质而长期储存^[21]。筛选高固碳作物品种、科学的轮作措施^[22]及免耕^[23]等技术手段均能增加农田土壤的碳汇。通过施用有机肥并结合测土配方施肥满足作物养分需求，可以减少化学肥料的投入并增加土壤碳的固定。三七是中药材大品种，在地面积常年达50万亩。由于其经济价值极高，为追求利益最大化，种植户尚未摆脱奢侈施肥的种植习惯，也很少重视氮钾肥平衡施用，三七种植中氮肥（N）习惯施用量为225~450 kg·hm^-2，钾肥（K₂O）习惯用量为225~450 kg·hm^-2[24-25]。崔秀明研究团队发现与氮钾肥习惯施肥（N-K₂O 1∶1，二年生300 kg·hm^-2，三年生450 kg·hm^-2）相比，减少氮肥用量（二年生150 kg·hm^-2和三年生225 kg·hm^-2）并维持钾肥用量（N-K₂O 1∶2）可以使三七根腐病发病率降低19%，存苗率增加11%，地上部和地下部产量分别增加3%、8%，皂苷量增加3%，该团队制定了《三七平衡施肥技术规程》云南省地方标准^[26-27]，在三七种植过程中实现减施氮肥10 kg/亩，仅氮肥一项可实现每年减施5 000 t。国内外学者研究施肥对农田土壤CO₂排放研究表明，施用氮肥比不施肥会显著提高土壤CO₂的排放。如YAO P等^[28]研究表明施用氮肥会造成玉米种植土壤CO₂释放量增加，王艳群等^[29]研究表明与习惯施肥相比，每亩减少氮肥施用4 kg，会使小麦季CO₂平均排放通量显著降低8.3%。

间套作技术在碳中和中的作用

通过间套作的方式降低病虫害的发生，减少农药的使用和残留；通过林下生态种植的方式，由天然林提供遮荫替代薄膜遮阳网、由伴生植物建立抗病环境、由林下土壤提供养分、通过减少翻耕降低水土流失等方式综合实现低碳产出和高碳储存。YU L等^[30]研究发现甘蔗/大豆条带间作比单做具有更大的碳封存潜力和净碳平衡。ZHANG X等^[31]研究表明小麦和玉米间作系统也可以增加土壤碳汇。周涛团队^[32]研究了黄柏与草本药用植物芍药的间套作生态种植模式。这种模式的优势是根据不同药材生长时对阳光需求的密度差异和周期性，将喜阳与喜阴、木本与草本、短期与长期的药材进行间套作立体栽培，在不投入任何农用物资的情况下，使作物充分吸收养分，使有限的土地资源得到充分利用，并在中药材种植区增加了物种的生态多样性，维持栽培地的生境平衡和稳定。黄柏与芍药间套作之后，每亩可增加种植芍药500株，第三年每亩可收益8 000元/年左右。更为重要的是，芍药在种植期间每年可以获得44.4 kg/亩的干物质量，在获得经济效益的同时实现了农作物碳汇。这种种植模式下，黄柏作为乔木原本就具有较强的固碳能力，加之套种芍药进一步提高了林药生态系统的固碳能力，而且由于具有持续的经济收益，使得这种种植模式能够持续发展。此外，芍药花期长，种植区内可形成景观，开展旅游休闲活动有利于生态环境的可持续、多维度发展。

拟境栽培技术在碳中和中的作用

通过在荒漠化、石漠化和沙漠化地区进行道地药材对粮食作物的替代种植，减少频繁收获对土壤的扰动，适应性强的道地乔木、灌木和草本类药材提高植被覆盖的同时减少了对水肥的需求。霍山石斛的设施栽培模式是采用最多的一种种植模式，主要是指大棚覆盖栽培设施，包含可人为调控的石斛栽培装置，如离地苗床、铺设基质的支撑面、遮阳网、供水、控温与供电系统等，需要投入大量的生产物资。而拟境栽培完全模拟其野生状态的生长环境，选取具有适宜的温度、湿度、光照条件及水傍山崖石边，将石斛幼苗移栽至山崖石缝中任其自然生长，投入成本低、用工少、无需喷水和通风、无病虫害。韩邦兴团队^[33]通过比较设施栽培和拟境栽培的霍山石斛发现，拟境栽培霍山石斛投入产出比为1∶7.4，设施栽培为1∶3.7，从经济效益角度看，拟境栽培霍山石斛种植投入产出比最低。拟境栽培因不占用土地和良田、种植后不需投入其他农用物资，其以零碳排放成本完成了中药材生产，在生态效益上是其他种植模式无法比拟的。