耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同：機(jī)制、潛力及技術(shù)路徑

陳 浮，張莞悅，華子宜，朱燕峰，馬 靜，朱新華

（1.河海大學(xué)公共管理學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.自然資源部長三角國土生態(tài)與土地利用野外科學(xué)觀測研究站，江蘇 常州 213200；3.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在維護(hù)糧食安全、緩減全球氣候變化等方面具有重要作用。有研究估算，全球農(nóng)田土壤保守每年固碳量可達(dá)33～68 Gt[1]。鑒于我國農(nóng)田土壤碳含量偏低，土壤碳庫提升潛力可能更大[2]。中國僅有全球7%的耕地面積，卻承載著世界22%的人口[3]，日益增長的糧食需求讓我國耕地系統(tǒng)不得不承受著持續(xù)高強度、集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脅迫，耕地系統(tǒng)面臨著地力消耗過快、生產(chǎn)力下降和生態(tài)環(huán)境本底持續(xù)惡化[4]。耕地系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤肥力和可持續(xù)性很大程度上取決于土壤有機(jī)碳。然而，集約化生產(chǎn)不但大量消耗土壤有機(jī)碳，化肥農(nóng)藥過度使用還引發(fā)嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問題，加劇農(nóng)田溫室氣體排放，掣肘耕地系統(tǒng)碳匯形成[5]。此外，受人類活動影響，農(nóng)田土壤碳庫亦表現(xiàn)出高度不確定性和失穩(wěn)。因此，如何協(xié)調(diào)耕地系統(tǒng)生產(chǎn)、污染和碳匯，扭轉(zhuǎn)當(dāng)下困局，實現(xiàn)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同，對國家糧食安全、耕地保護(hù)轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新及碳中和實現(xiàn)具有重大意義。

耕地系統(tǒng)既是碳排放源，也是重要的碳匯，其碳轉(zhuǎn)化是涉及土壤性質(zhì)、環(huán)境和人為因素的復(fù)雜過程[6]。國內(nèi)外學(xué)者已對耕地系統(tǒng)生產(chǎn)或固碳等領(lǐng)域展開深入研究。1981—2000年中國耕地系統(tǒng)碳平衡由碳源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R，糧食單產(chǎn)同步增加，但同期農(nóng)業(yè)面源污染也逐漸擴(kuò)大[7]。大量化肥的投入，促進(jìn)了糧食單產(chǎn)的穩(wěn)定和提高。同時調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤碳氮比，有利于耕地系統(tǒng)碳固存[8]。然而，1978—2020年中國化肥使用量增幅高達(dá)494.0%，而同期國內(nèi)糧食總產(chǎn)量僅增加120.0%[9]。外源無機(jī)肥使用在一定程度上增強了土壤碳固持能力，但也對耕地系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了極大的危害。（1）從溫室氣體排放來看，化肥施用后大約10%原地脫硝[10]，化肥過量使用必然加大N2o排放，抵消土壤固碳在緩解全球變暖中的作用。（2）從污染物排放來看，中國農(nóng)作物對化肥的直接利用率低下，一些地區(qū)氮素流失率高達(dá)70.0%[11]。大量流失的氮素直接進(jìn)入徑流或地下水，不但引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染或水體富營養(yǎng)化，還會影響農(nóng)作物的生長需求，導(dǎo)致增肥不增產(chǎn)。此外，氮、磷和農(nóng)藥等物質(zhì)還可能刺激微生物分解纖維素為主的殘茬作物，從而限制土壤有機(jī)碳封存，甚至激發(fā)土壤酸化來限制作物根系生長，對土壤—植物—生物呼吸和碳固持產(chǎn)生不利的影響[12]。（3）從碳固持效應(yīng)來看，化肥使用提高了作物產(chǎn)量，同時將一部分肥料以作物殘茬、根系和根際沉積等方式保存下來，直接介導(dǎo)土壤有機(jī)質(zhì)分解和礦化過程，從而間接影響土壤碳輸入與封存[13]。總體來看，耕地系統(tǒng)是一個多要素多功能相互作用、相互制衡的耦合體，生產(chǎn)、降污與固碳三個功能之間的聯(lián)系并不是簡單的單向線性關(guān)聯(lián)。因此，精準(zhǔn)理解多要素間的互作機(jī)制是最大程度挖掘耕地系統(tǒng)多效協(xié)同潛力的關(guān)鍵。然而，當(dāng)前從增產(chǎn)—降污—固碳視角研究耕地系統(tǒng)多效協(xié)同幾乎空白，更缺少必要的管理措施和匹配的技術(shù)體系支撐耕地系統(tǒng)同步實現(xiàn)增產(chǎn)—降污—固碳多效能潛力。

中國地域遼闊，耕地分布范圍廣，自然稟賦和經(jīng)濟(jì)社會空間異質(zhì)性大，不同區(qū)域耕地土壤類型、糧食單產(chǎn)、種植制度和肥料用量不一，導(dǎo)致耕地系統(tǒng)生產(chǎn)力—降污潛力—碳庫容量差異顯著。然而，這些差異產(chǎn)生的機(jī)制是什么？空間分布規(guī)律如何？是否有增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同的潛力？這些問題亟待科學(xué)解答。為此，本文從耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升的科學(xué)內(nèi)涵出發(fā)，深入探討三者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)與互作機(jī)制，科學(xué)制定多效協(xié)同提升框架，評估耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳協(xié)同潛力，并闡明耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升的關(guān)鍵技術(shù)路徑，為我國糧食安全、綠色農(nóng)業(yè)及耕地保護(hù)轉(zhuǎn)型與制度創(chuàng)新實施提供理念依據(jù)。

1 耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同的科學(xué)內(nèi)涵

健康的耕地系統(tǒng)能夠持續(xù)維持較高的生產(chǎn)能力，受外界干擾時能夠迅速從無序狀態(tài)恢復(fù)至有序狀態(tài)，并具備平穩(wěn)的系統(tǒng)運行能力。耕地系統(tǒng)健康可以用生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力三個維度加以衡量，本文研究的核心是糧食安全，側(cè)重于耕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和恢復(fù)力[14-16]。該視閾下耕地系統(tǒng)健康主要包括4個方面：（1）本體健康，自身具備強大的生產(chǎn)力和自凈能力，維持系統(tǒng)生產(chǎn)和自凈功能；（2）母體健康，作為農(nóng)作物生長載體，必須能夠支撐作物健康生長，并確保農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量安全；（3）受體健康，擁有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不受水、肥料、農(nóng)藥等外源物質(zhì)損害或污染的能力；（4）系統(tǒng)健康，耕地系統(tǒng)作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，與生態(tài)系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量交換過程中不對自然環(huán)境產(chǎn)生危害，并消化或分解自然系統(tǒng)殘余能量。然而，隨著城市化、工業(yè)化和耕地位移的影響，當(dāng)下我國耕地系統(tǒng)地力退化、土壤板結(jié)、環(huán)境污染等問題凸顯，耕地健康面臨著巨大挑戰(zhàn)。

耕地系統(tǒng)具備一般生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)、服務(wù)、抗逆等功能，受外界干擾時能維持正常運行并有向初始狀態(tài)逆溯的能力，即耕地系統(tǒng)彈性[15]。理論上，系統(tǒng)彈性由三大部分組成，包含抵抗力、恢復(fù)力和持續(xù)性。抵抗力指系統(tǒng)對影響因素的抵御能力，或指系統(tǒng)偏離于穩(wěn)定態(tài)的程度；恢復(fù)力指系統(tǒng)被某種程度干擾后進(jìn)行自我恢復(fù)的能力；持續(xù)性指系統(tǒng)維持某種狀態(tài)的時間長短。這三個要素決定了系統(tǒng)彈性的內(nèi)涵，一是彈性強度，即抵抗擾動能力和恢復(fù)常態(tài)能力的大小；二是彈性限度，即系統(tǒng)可承受變化的范圍大小。對耕地系統(tǒng)而言，彈性強度大小基本取決于耕地系統(tǒng)質(zhì)量狀況，如從我國東南至西北地區(qū)，受氣溫、土壤、降水等自然因素影響，農(nóng)作物生長適宜性逐漸降低，耕地系統(tǒng)彈性強度隨之下降；而彈性限度的大小則取決于土壤和農(nóng)作物的極限閾值，極限閾值越高，彈性限度就越大。從全國尺度來看，耕地系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因此，不同區(qū)域耕地系統(tǒng)適應(yīng)性不一，在滿足糧食安全前提下，不同地區(qū)耕地系統(tǒng)各類功能可按實際需求作適當(dāng)?shù)膮f(xié)同/權(quán)衡處理（圖1）。

圖1 耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—增匯多效協(xié)同的邏輯關(guān)聯(lián)Fig.1 The logical correlation of multi-effect synergy of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

我國耕地總體質(zhì)量不高，有機(jī)質(zhì)含量偏低，糧食增產(chǎn)的內(nèi)源驅(qū)動力不足[17]。除依托先進(jìn)的生物育種技術(shù)外，糧食增產(chǎn)離不開化肥和農(nóng)藥等物質(zhì)投入。然而，大量化肥農(nóng)藥投入換取的糧食產(chǎn)能是短視行為，不穩(wěn)定且難以持續(xù)。一旦耕地本體健康受到損害，母體健康極難幸免，生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)難以保證。眾所周知，土壤有機(jī)碳由有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)與礦物共存的物質(zhì)及有機(jī)物質(zhì)直接連接的有機(jī)質(zhì)共同組成[18]，承擔(dān)植物養(yǎng)分供應(yīng)、微生物生命維持等重要作用。實踐來說，高產(chǎn)農(nóng)作物會提供更多作物殘茬、根系及分泌物等有機(jī)物還田，擴(kuò)大碳庫容量，并正反饋于作物產(chǎn)量，但這種用養(yǎng)結(jié)合過程非常緩慢，有時20～30 a才見效[19]。此外，作物殘茬、凋落物等有機(jī)物降解形成有機(jī)碳高度依賴于土壤微生物，而化肥、農(nóng)藥過量使用對微生物毒性較大，導(dǎo)致微生物功能受損，耕地系統(tǒng)自然碳匯形成和有機(jī)碳礦化周轉(zhuǎn)時間可能更長，嚴(yán)重制約土壤肥力的提升[20]。總體來看，耕地有機(jī)碳含量是糧食高產(chǎn)穩(wěn)定的基礎(chǔ)肥力條件，化肥是改善耕地生產(chǎn)能力的必要環(huán)節(jié)。然而，長期的高強度化肥投入引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染，降低了耕地系統(tǒng)彈性強度，阻礙了增產(chǎn)—固碳—再增產(chǎn)的往復(fù)循環(huán)。綜上可以判定，耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳具有高度協(xié)同性和一致性，三者協(xié)同是耕地系統(tǒng)健康運行的關(guān)鍵所在。

此外，我國耕地系統(tǒng)自然、經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)本底千差萬別，決定了適應(yīng)性和恢復(fù)力有顯著的空間差異。因此，耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同并不是強調(diào)“運動式”無限增長的“多效”，而是資源承載力理性范圍內(nèi)的“協(xié)同式”提升。多效協(xié)同的準(zhǔn)繩是增產(chǎn)優(yōu)先，并盡量達(dá)成其他功能的最大化以反哺糧食增產(chǎn)，實現(xiàn)耕地系統(tǒng)多要素多功能協(xié)調(diào)。目前，耕地系統(tǒng)的核心任務(wù)是滿足我國當(dāng)下及未來人口的食物需求，并積極推進(jìn)降污固碳，為碳中和目標(biāo)實現(xiàn)貢獻(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)智慧。然而，我國耕地系統(tǒng)或限于增產(chǎn)難，或困于固碳少，或迫于污染重，如何統(tǒng)籌、妥善處理好三者之間的平衡關(guān)系，推進(jìn)耕地系統(tǒng)高效、綠色和生態(tài)化運維，對未來糧食安全和生態(tài)安全具有重大意義。

2 耕地增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升機(jī)制

2.1 耕地系統(tǒng)碳匯形成的關(guān)鍵過程

不同于森林和草原，耕地系統(tǒng)受人為干預(yù)更加強烈。因此，具有更高的碳排放強度和凈生態(tài)碳匯潛力。耕地系統(tǒng)碳吸收過程主要包含農(nóng)作物光合作用和土壤碳固存[12,21]。農(nóng)作物根據(jù)自身生長需求分配光合碳，其中：一部分存儲在谷物中；另一部分存儲在秸稈中，被收割或作為有機(jī)碳底物還田；剩余部分貯存于根系及其他凋落物，經(jīng)腐熟分解為營養(yǎng)性有機(jī)碳，再被微生物利用轉(zhuǎn)化為惰性碳，并封存于土壤。人類活動在耕地系統(tǒng)凈碳匯形成過程中起關(guān)鍵作用，翻耕、灌溉和施肥等活動打破了固有的碳平衡，改變土壤環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，從而影響土壤有機(jī)碳的固定和分解[22]。先前研究表明，自然系統(tǒng)向農(nóng)田系統(tǒng)轉(zhuǎn)變造成熱帶和溫帶森林土壤有機(jī)碳分別下降75.0%和60.0%，帶來土壤質(zhì)量和生物生產(chǎn)力的下降，并進(jìn)一步威脅糧食安全和氣候變化[23]。

耕地系統(tǒng)凈生態(tài)碳匯潛力受土壤類型、氣候條件、種植作物及人為管理措施等多重因素影響。例如，我國東北地區(qū)黑土有機(jī)碳含量非常高，但近40 a不合理的開墾利用，再加干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)，黑土有機(jī)碳損失非常嚴(yán)重。特別是一些坡耕地中，缺少保護(hù)性耕作措施，集約化農(nóng)業(yè)引發(fā)大規(guī)模坡面侵蝕，致使黑土層變薄、有機(jī)碳含量下降超過80.0%[24-25]。又如，黃淮海平原氣候溫暖，雨熱同季，已成為我國旱改水型農(nóng)田整治重要區(qū)域。水稻根系發(fā)達(dá)，向土壤提供了更多的碳輸入，淹水過程也促進(jìn)了腐殖質(zhì)積累，碳儲存顯著增加[26]。值得注意的是，灌溉大大提高了雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤生產(chǎn)力和固碳能力，但一些地區(qū)降水不夠豐富，靠大規(guī)模開采地下水維持農(nóng)業(yè)灌溉，不但增大了區(qū)域蒸騰作用，引發(fā)地表高溫效應(yīng)，還可能導(dǎo)致土壤返堿，又負(fù)作用于糧食增產(chǎn)。從全國來看，土壤、作物和氣候之間的關(guān)系復(fù)雜，耕地系統(tǒng)碳匯提升既要從糧食增產(chǎn)主導(dǎo)功能去通盤把控，也要從區(qū)域適宜性去科學(xué)匹配。因此，精準(zhǔn)認(rèn)識耕地系統(tǒng)碳匯形成過程及限制性因素，有利于科學(xué)管理模式實施和技術(shù)合理化應(yīng)用，確保增產(chǎn)同步下碳匯持續(xù)穩(wěn)定增長（圖2）。

圖2 耕地系統(tǒng)碳匯形成關(guān)鍵過程及降污自凈機(jī)制Fig.2 The key process of carbon sink formation and the mechanism of pollution reduction and self-purification in cultivated land system

2.2 耕地系統(tǒng)綠色利用與降污自凈機(jī)制

耕地系統(tǒng)具有應(yīng)對外界干擾的抵抗性和適應(yīng)性能力，并維持系統(tǒng)循環(huán)和物質(zhì)代謝[27]。耕地系統(tǒng)主要污染物源于污水灌溉、化肥農(nóng)藥和大氣降塵，包含有機(jī)物、重金屬、抗生素和微塑料等。耕地系統(tǒng)自凈能力主要來自土壤消納作用和作物吸引降解，包含物理、化學(xué)和生物凈化等多種方式[28]。研究表明，高溫和大風(fēng)可能改變土壤溫度，從而促使某些易揮發(fā)污染物逸散[29]。土壤中非均質(zhì)土粒易形成孔隙，經(jīng)分散或團(tuán)聚將污染物包裹并降低生物毒性[30]。土壤顆粒還能夠吸附土壤溶質(zhì)中膠體顆粒，經(jīng)聚積和濃縮形成生物膜。此外，土壤中一些金屬離子，可與污染物發(fā)生中和、氧化、還原、水解等化學(xué)反應(yīng)，改變污染物化學(xué)性質(zhì)。如銅離子與堿性污染物生成難溶解的氫氧化銅，從而降低了生物毒性[31]。

土壤微生物是維持土壤系統(tǒng)和實現(xiàn)凈化功能及其物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的重要組分，其群落多樣性、穩(wěn)定性和恢復(fù)力對土壤污染物平衡起關(guān)鍵作用（圖2）。耕地系統(tǒng)中微生物多樣性、豐富度與凈化功能呈顯著正相關(guān)關(guān)系[32]。例如，大量厭氧、好氧和兼性菌群活躍于土壤、植物根際與葉表面，利用氧化還原反應(yīng)促進(jìn)養(yǎng)分供給與養(yǎng)分循環(huán)，實現(xiàn)消污自凈功能[33]。一些農(nóng)作物也吸收、富集或分解某些有機(jī)或重金屬污染物。然而，耕地系統(tǒng)自凈能力具有明顯的閾值效應(yīng)，當(dāng)外界污染濃度低于閾值時，系統(tǒng)可通過吸附、絡(luò)合、硝化和反硝化等實現(xiàn)污染物遷移轉(zhuǎn)化[34]；一旦污染濃度超過閾值，自凈功能將難以為繼。耕地系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境紊亂，土壤微生物結(jié)構(gòu)異化、功能下降，繼而影響有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與形成，降低碳庫周轉(zhuǎn)和容量，嚴(yán)重威脅耕地系統(tǒng)生產(chǎn)力、恢復(fù)力和穩(wěn)定性[35]。因此，增產(chǎn)應(yīng)以不破壞耕地系統(tǒng)健康為底線，逐步探索綠色高效低碳利用方式，創(chuàng)新耕地系統(tǒng)資源節(jié)約、空間集約、產(chǎn)出高效、科技先進(jìn)和環(huán)境友好的技術(shù)路徑。

2.3 耕地系統(tǒng)多效協(xié)同機(jī)制與適應(yīng)性管理

多效協(xié)同的本質(zhì)是利用耕地系統(tǒng)的自恢復(fù)能力，充分激活系統(tǒng)要素，促進(jìn)耕地系統(tǒng)的正向演替并形成穩(wěn)定的自維持狀態(tài)。然而，耕地系統(tǒng)是一個高度與周圍環(huán)境要素進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的復(fù)雜系統(tǒng)，具有復(fù)雜性、動態(tài)性和不確定性等特點[36]，并且每一個特定區(qū)域的單一耕地系統(tǒng)都會經(jīng)歷成長、保護(hù)、釋放和重組4個不同階段并依次循環(huán)[37]。通過物理、化學(xué)、生物和農(nóng)藝管理措施，改變土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)物輸入，改善田間環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)與功能，從而提升耕地系統(tǒng)的污染削納能力和固碳潛力，加速生物化學(xué)循環(huán)和物質(zhì)、養(yǎng)分積累，最終正向作用于耕地系統(tǒng)的糧食生產(chǎn)能力，并進(jìn)一步利用作物留茬、植物吸收與修復(fù)等反饋反哺于耕地系統(tǒng)，形成一個完整的正向協(xié)同提升機(jī)制。但不同農(nóng)業(yè)區(qū)耕地系統(tǒng)發(fā)展水平差異大，功能需求和提升潛力也存在較大差異。因此，亟待引入全新的管理理念——適應(yīng)性管理，它強調(diào)基于生態(tài)系統(tǒng)的本底狀態(tài)，制定與之相適應(yīng)的管理措施，持續(xù)監(jiān)測與評估管理生態(tài)系統(tǒng)以獲得有益經(jīng)驗，并根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)變化適時調(diào)整管理政策與實踐措施[38]。因此，若要實現(xiàn)耕地產(chǎn)能持久提升，必須統(tǒng)籌增產(chǎn)—降污—固碳之間的協(xié)同關(guān)系，采用適應(yīng)性管理手段從規(guī)劃、實施、監(jiān)管等方面不斷增強耕地系統(tǒng)正反饋和自適應(yīng)能力。

耕地系統(tǒng)多效協(xié)同適應(yīng)性管理應(yīng)遵循因地制宜、因時制宜和因情制宜的準(zhǔn)則。（1）正確認(rèn)識與界定管理對象。從耕地系統(tǒng)的核心任務(wù)出發(fā)，落實不同農(nóng)業(yè)區(qū)多效協(xié)同提升適應(yīng)性管理的內(nèi)涵，依據(jù)不同農(nóng)業(yè)區(qū)最迫切的需求，針對性保護(hù)特定功能農(nóng)業(yè)空間。例如，中原地區(qū)糧食單產(chǎn)相對較高，但受灌溉條件限制，產(chǎn)能提升潛力不大[26]。該區(qū)域應(yīng)重點關(guān)注污染防治和地下水漏斗問題，適度休耕、增加覆蓋，提升土壤碳庫；西南山區(qū)耕地撂荒嚴(yán)重，主要受田塊破碎化影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低、種植業(yè)收益率差。該區(qū)域耕地亟需加強科技創(chuàng)新，優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，推廣現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)種養(yǎng)結(jié)合等有效方式改善撂荒狀況；黃土高原丘陵溝壑區(qū)和長城沿線風(fēng)蝕區(qū)氣候干旱、土層淺薄、立地條件差。該區(qū)域需大力發(fā)展節(jié)水灌溉、實施整修梯田、培植防護(hù)樹籬等田間工程措施，提升水土保持能力。（2）明晰具體管理提升目標(biāo)。耕地系統(tǒng)增產(chǎn)、降污和增匯提升潛力評估是厘清多效協(xié)同提升與空間閾值的關(guān)鍵，根據(jù)耕地系統(tǒng)現(xiàn)狀分析，結(jié)合過往實施的管理保護(hù)政策，制定有針對性和可操作性的提升方案。例如，東北黑土區(qū)糧食單產(chǎn)高、土壤肥沃，黑土有機(jī)碳持續(xù)下降主因是過度利用，恢復(fù)遠(yuǎn)跟不上消耗。2017年黑龍江省龍江縣提出實施秸稈翻混、碎混和覆蓋還田，有機(jī)肥深混培肥土壤和大豆參與的輪作及保護(hù)性耕作等措施（簡稱“龍江模式”）。截至2021年，黑土地保護(hù)利用“龍江模式”累計實施7 827萬畝，占黑龍江全省黑土地面積的50.2%。示范區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)提高了3.6%，旱地土壤耕作層平均達(dá)到了30.7 cm，恢復(fù)至自然土壤中厚黑土層的水平[39]。因此，該區(qū)域重點是有機(jī)碳庫的恢復(fù)和提升，每年應(yīng)明確對多大面積的黑土地實施保護(hù)性耕作，并針對作物覆蓋的最低數(shù)，有機(jī)肥輸入比例，輪作、休耕或綠肥種植的最低數(shù)等制定計劃。（3）突出主次，兼顧多元，實現(xiàn)可持續(xù)管理目標(biāo)。例如，西北地區(qū)推廣土壤質(zhì)量精準(zhǔn)管理，推動區(qū)域耕地保育，并提出“制定耕地輪作休耕規(guī)劃，實現(xiàn)耕地質(zhì)量的自然修復(fù)”、“加強耕地質(zhì)量培育，控制耕地外來污染”、“實施科技創(chuàng)新驅(qū)動的耕地質(zhì)量提升示范工程”和“促進(jìn)生產(chǎn)生態(tài)平衡，完善耕地質(zhì)量政策支持體系”等方針；廣東省臺山市通過“降—阻—控”方案，先投放堿性物料“降酸”，再通過增施有機(jī)肥等方式“阻酸”，以科學(xué)配方施用化肥等方式“控酸”，改善沖婁鎮(zhèn)土壤環(huán)境，使年均畝產(chǎn)得到提高。因此，管理實施過程中，應(yīng)加強對耕地系統(tǒng)生態(tài)反饋的監(jiān)測，制定推廣不同農(nóng)業(yè)區(qū)耕地系統(tǒng)多效提升效果評價指標(biāo)，持續(xù)監(jiān)測評估提升成效。全面掌握耕地系統(tǒng)生產(chǎn)力、穩(wěn)定性和恢復(fù)力變化及互饋過程與機(jī)制，健全完善統(tǒng)一的全國耕地系統(tǒng)生態(tài)信息網(wǎng)絡(luò)，為科學(xué)問題診斷、管理缺陷識別等奠定堅實基礎(chǔ)（圖3）。

圖3 耕地系統(tǒng)多效協(xié)同提升適應(yīng)性管理Fig.3 Adaptive management of multi-effect synergistic enhancement in cultivated land system

3 耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同評估框架及提升潛力

糧食安全是當(dāng)今和未來中國可持續(xù)發(fā)展面臨的一項重大挑戰(zhàn)，持續(xù)增產(chǎn)是糧食安全的先決條件，降污固碳是糧食安全的物質(zhì)基礎(chǔ)，增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升是支撐“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。中國耕地空間分布廣，自然、經(jīng)濟(jì)、社會和農(nóng)藝管理復(fù)雜，生產(chǎn)能力、環(huán)境本底和生態(tài)增益具有顯著的地域分異性。因此，厘清耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升潛力，對未來科學(xué)優(yōu)化生產(chǎn)、治理和管護(hù)具有重要意義。為此，本文構(gòu)建了耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升潛力評估框架，包含4個步驟（圖4）。

圖4 耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升評估框架Fig.4 Assessment framework for multi-effect synergistic enhancement of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

（1）耕地可實現(xiàn)增產(chǎn)潛力預(yù)測。利用中國耕地糧食生產(chǎn)潛力與耕地質(zhì)量級別糧食實際平均產(chǎn)量之間差值表征增產(chǎn)潛力，其中，中國耕地糧食生產(chǎn)潛力采用FAo和國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所研發(fā)的GAEZ生產(chǎn)力模型估算[40]，先根據(jù)氣候數(shù)據(jù)估算小麥、玉米、水稻、大豆和甘薯5種作物氣候適宜性，再利用適宜作物的逐級限制法計算耕地糧食生產(chǎn)潛力，氣候、耕地等數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn/Default.aspx）。最后依據(jù)增產(chǎn)潛力大小劃分高、中、低三個等級。具體公式如下：

式（1）—式（2）中：Yt為糧食總生產(chǎn)潛力；Yr為雨養(yǎng)條件下的糧食生產(chǎn)潛力；Yi為灌溉條件下的糧食生產(chǎn)潛力；i為國家統(tǒng)計局統(tǒng)計的全國各縣（市）灌溉面積與總耕地面積的比率；Yp為耕地增產(chǎn)潛力；Ys為不同耕地質(zhì)量等級下糧食生產(chǎn)潛力，具體參見2015年公布的《中國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定》。

（2）耕地系統(tǒng)降污理想潛力預(yù)測。利用耕地消納氮素潛力表征系統(tǒng)降污潛力，其中：農(nóng)田氮肥總投入數(shù)據(jù)源于FAo和中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒，將各作物氮肥使用量依作物類型空間化，流失系數(shù)采用雷俊華等人研究成果[41]，并假定耕地系統(tǒng)消納流失氮素為系統(tǒng)降污理想潛力。所需生態(tài)數(shù)據(jù)源于國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nesdc.org.cn/）。具體公式如下：

式（3）—式（4）中：Nt為中國農(nóng)田氮素使用總量；No表示僅單一氮肥使用量；Nm表示氮混合肥使用量；Np為耕地系統(tǒng)理想降污潛力；δ表示氮肥流失系數(shù)。

（3）耕地系統(tǒng)增匯理論潛力預(yù)測。利用區(qū)域同一土壤類型有機(jī)碳最大值與耕地有機(jī)碳實際值之差表征系統(tǒng)增匯理論潛力，區(qū)域耕地同一土壤類型有機(jī)碳最大值和實際值采用有機(jī)質(zhì)系數(shù)轉(zhuǎn)換獲取，數(shù)據(jù)源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“中國土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)集”（https://data.tpdc.ac.cn/）。具體公式如下：

式（5）中：Ct為耕地系統(tǒng)理論固碳潛力；Cm表示農(nóng)業(yè)二級區(qū)劃下各區(qū)域耕地有機(jī)質(zhì)最大值；Cf為耕地土壤實際土壤有機(jī)質(zhì)含量；1.724為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換為有機(jī)碳的系數(shù)。

（4）綜合潛力區(qū)劃。按增產(chǎn)優(yōu)先、降污增碳不打破增產(chǎn)的基本準(zhǔn)則，將不同地塊增產(chǎn)、降污和增匯潛力柵格數(shù)據(jù)利用ArcGIS 10.6空間疊加分析功能進(jìn)行空間正向優(yōu)先排序[33]，形成高、中、低不同組合的綜合潛力區(qū)。

多效協(xié)同是耕地系統(tǒng)擴(kuò)大資源環(huán)境承載力的有效手段，對糧食安全和生態(tài)健康起決定性作用。圖5顯示我國耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳潛力呈現(xiàn)復(fù)雜的空間格局及分異特征。（1）全國耕地系統(tǒng)增產(chǎn)潛力巨大，可實現(xiàn)增產(chǎn)潛力達(dá)1.40億t/a；（2）全國耕地系統(tǒng)理想降污潛力為720.0萬t/a；（3）全國耕地系統(tǒng)理論固碳潛力為1.49 億t/a，其中：高、中增匯潛力區(qū)占96.6%，顯示當(dāng)下我國耕地系統(tǒng)有機(jī)碳含量偏低，封存潛力巨大。對全國不同地塊增產(chǎn)—降污—固碳的潛力進(jìn)行空間正向優(yōu)先排序，最終形成27個小類的綜合潛力區(qū)（圖6）。

圖6 耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳潛力綜合分區(qū)Fig.6 Comprehensive zoning of potential for production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

4 耕地增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升技術(shù)路徑

2022年，自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展改革委員會和生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合印發(fā)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展方案，要求各地將固碳增匯、污染防治和生態(tài)保護(hù)等理念融入耕地利用。然而，我國耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳潛力呈現(xiàn)高度空間分異格局，各區(qū)域單一或協(xié)同提升重點不一。現(xiàn)有技術(shù)儲備絕大部分僅從單一功能出發(fā)，難以滿足增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升的需求。為此，本文提出耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升的技術(shù)路徑（圖7），具體的技術(shù)如下。

圖7 耕地增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升關(guān)鍵技術(shù)Fig.7 The key technologies for multi-effect synergistic enhancement of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

4.1 生產(chǎn)障礙消減技術(shù)

消減產(chǎn)能提升障礙因子是增加糧食單產(chǎn)的前提和關(guān)鍵。當(dāng)前，我國中低產(chǎn)田占耕地總面積70%，退化耕地超過了40%[42]。這是掣肘糧食安全的瓶頸，同時也是增產(chǎn)潛力所在。因此，產(chǎn)能提升應(yīng)首先著眼于消減障礙因子、有序恢復(fù)地力。從圖5（a）可知，我國低增產(chǎn)潛力區(qū)主要分布于南方丘陵山區(qū)、長江中下游丘陵區(qū)、晉陜甘黃土高原丘陵溝壑區(qū)和西南山區(qū)，增產(chǎn)潛力低與丘陵山區(qū)地形、土壤等自然因素密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，我國坡耕地土壤流失高達(dá)1.5×109t/a，大量有機(jī)碳和養(yǎng)分流失，導(dǎo)致坡耕地肥力貧瘠[43]。為此，應(yīng)采取適度降坡或等高耕作+復(fù)合樹籬技術(shù)減少水土流失，有效截留土壤養(yǎng)分，增加水固持能力，初步恢復(fù)耕地系統(tǒng)耐用性。針對西北黃綿土、南方紅壤土、西南紫色土和東北鹽堿土等高鹽、高酸、持水差等逆生境土壤，采用分子生物學(xué)技術(shù)增強作物抗逆性，同時篩選抗逆適生微生物重組、優(yōu)化和馴化，形成植物—土壤—微生物互作調(diào)控手段。如XIA等[44]發(fā)現(xiàn)調(diào)控靶基因osCYP51G3的表達(dá)，可調(diào)解水稻生長發(fā)育及鹽脅迫響應(yīng)；LIAN等[45]證明水稻SST基因變異增加了植物鹽脅迫適應(yīng)性，同時調(diào)動、富集土壤中根瘤菌、硫單胞菌等協(xié)同抵抗鹽脅迫；XU等[46]證明了甘油-3-磷酸攝取基因在大豆和高粱等作物中通過操控微生物群落特征變化，增加宿主抗旱能力。因此，耦合不同技術(shù)組合優(yōu)勢，激發(fā)土壤恢復(fù)力和作物抗逆性，削減產(chǎn)能提升障礙因子，持續(xù)增加耕地系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。

4.2 農(nóng)藝管理革新技術(shù)

化肥農(nóng)藥是維持糧食高產(chǎn)穩(wěn)定的重要手段。然而，長期大量使用化肥農(nóng)藥打破了耕地系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡。有研究表明，持續(xù)施用40～50 a化學(xué)氮肥嚴(yán)重破壞土壤碳平衡，土壤碳庫和固持能力下降，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)[47]。因此，集約化石油農(nóng)業(yè)模式變革勢在必行。（1）研發(fā)高效低殘留化肥農(nóng)藥，實現(xiàn)減量化使用，從源頭上防控污染風(fēng)險。例如，嚴(yán)艷鴿等[48]發(fā)現(xiàn)葡聚糖改性磷肥顯著提高小麥產(chǎn)量和土壤速效磷含量，促進(jìn)小麥對磷素吸收利用，減少磷素固定和流失；（2）革新農(nóng)藝管理，提高全要素利用率。SUN等[49]證實，在壟溝下運用控釋尿素和地膜覆蓋可以大幅提高土豆產(chǎn)量，并減少碳足跡。LI等[50]研究發(fā)現(xiàn)利用塘洼等小水體可提高水稻灌溉自給率28.0%，并減少2.0%～13.0%的干旱產(chǎn)量損失。在干旱缺水及土壤容重大的區(qū)域，深耕能夠顯著地提高耕地系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量[51]；（3）科學(xué)實施輪作和休耕，休養(yǎng)治理一體化。河北地下水漏斗區(qū)通過輪作倒茬和季節(jié)性休耕實現(xiàn)單產(chǎn)提高10.0%[52]，壓減地下水超采8.6億m3[53]；（4）充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)全域全覆蓋監(jiān)管。農(nóng)業(yè)污染具有分散性、不確定性和滯后性等特點，無人機(jī)航拍和遙感技術(shù)可以滿足監(jiān)管要求的大尺度、動態(tài)性和連續(xù)性。同時，建立耕地系統(tǒng)末端監(jiān)測體系，精準(zhǔn)識別作物和耕地健康，實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)與快速應(yīng)對，總體上形成時空俱備的技術(shù)和適配管理模式，達(dá)成耕地系統(tǒng)增產(chǎn)降污固碳多效協(xié)同潛力。

4.3 環(huán)境材料交互微生物強化技術(shù)

培肥土壤是提高生產(chǎn)力的重要途徑，土壤微生物很大程度上影響著土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝，決定了土壤中碳的凈流動，控制著碳輸入和處理速率以及穩(wěn)定性。但要操縱土壤微生物組去實現(xiàn)特定的功能（如加速碳固存）并非易事。然而，微生物對環(huán)境變化極為敏感，土壤環(huán)境變化會極大地改變微生物群落結(jié)構(gòu)和功能。因此，為微生物提供適合的“庇護(hù)所”，可以引導(dǎo)某一類功能微生物更好地發(fā)揮其強大功能。研究表明，環(huán)境友好材料在提高土壤質(zhì)量和降解污染等方面潛力巨大。SoNG等[54]證明生物炭參與農(nóng)藥的根際消散，降低作物對農(nóng)藥的吸收；TAN等[55]也證實生物炭對重金屬、磷、氮以及新興污染物有高吸附能力。此外，堆肥可以減少養(yǎng)分損失，提高作物產(chǎn)量，并可作為化學(xué)肥料的綠色替代品。因此，運用適當(dāng)?shù)沫h(huán)境友好材料作為土壤改良劑，為微生物生長發(fā)育提供良好的“庇護(hù)所”。但值得注意的是，微生物固碳或增產(chǎn)策略必須遵循如下步驟：（1）使用先驗知識，識別、篩選可促進(jìn)土壤碳固存或增產(chǎn)的微生物群或性狀；（2）擴(kuò)增功能微生物。可以通過增強與作物菌根共生，或通過基因編輯直接操縱土壤微生物群落特定功能性狀表達(dá)等手段來實現(xiàn)；（3）驗證微生物組在實際環(huán)境中的效率。操縱微生物助力耕地系統(tǒng)持續(xù)碳封存或增產(chǎn)，應(yīng)協(xié)調(diào)其空間異質(zhì)性，尤其是不斷變化的全球氣候背景下，土壤微生物的適應(yīng)性和穩(wěn)定性是耕地系統(tǒng)持續(xù)增產(chǎn)增匯的核心動力。

5 結(jié)論與討論

5.1 主要結(jié)論

耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升是實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的重要途徑，對國家糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)意義重大。從耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳的科學(xué)內(nèi)涵出發(fā)，闡述三者間相互依存關(guān)系和協(xié)同提升機(jī)制，系統(tǒng)評估協(xié)同提升的潛力。結(jié)果表明：（1）耕地系統(tǒng)增產(chǎn)、降污和增匯具有高度的一致性和協(xié)同性，其多效協(xié)同可保障耕地系統(tǒng)的自主糧食增產(chǎn)與固碳穩(wěn)定，并確保耕地系統(tǒng)健康和永續(xù)利用；（2）耕地系統(tǒng)碳匯形成的關(guān)鍵過程包括：化合轉(zhuǎn)化、作物殘茬轉(zhuǎn)化、根系/凋落物轉(zhuǎn)化和微生物轉(zhuǎn)化，并受土壤類型、氣候條件、種植作物和其他人為管理措施等因素的影響；（3）全國耕地增產(chǎn)、降污、增匯潛力分別為1.40億t/a、720.0萬t/a和1.49 億t/a。綜合高潛力區(qū)域主要分布在黃淮海平原區(qū)；（4）耕地增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升技術(shù)路徑包括生產(chǎn)障礙消減技術(shù)、農(nóng)藝管理革新技術(shù)和環(huán)境材料交互微生物強化技術(shù)，促進(jìn)耕地增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同潛力。

5.2 討論與啟示

耕地系統(tǒng)向綠色高效健康利用轉(zhuǎn)型是中國式現(xiàn)代化的主要任務(wù)之一。當(dāng)前我國耕地利用與質(zhì)量狀況呈現(xiàn)高度空間差異，識別耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同的“卡脖子”問題，對耕地系統(tǒng)運行與健康尤為重要。從本文的研究結(jié)果來看，耕地系統(tǒng)增產(chǎn)、降污和固碳功能高度統(tǒng)一。增產(chǎn)既離不開固碳提供的基礎(chǔ)營養(yǎng)環(huán)境，又要控制面源污染以維持系統(tǒng)安全運行。盡管極少有研究提及耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳三效協(xié)同的概念，但有不少研究證實了耕地增產(chǎn)、降污與固碳兩兩之間的重要關(guān)聯(lián)。例如，SUN等[49]證明了控制尿素對馬鈴薯增產(chǎn)具有正效應(yīng)。ZHANG等[8]揭示優(yōu)化氮肥可減少溫室氣體排放，并使土壤有機(jī)碳含量提高89.8%。LAL[18]研究結(jié)果顯示，農(nóng)田土壤每增加1 t土壤有機(jī)碳可使小麥單產(chǎn)增加20～40 kg/hm2，玉米單產(chǎn)增加10～20 kg/hm2，豇豆單產(chǎn)增加0.5～1.0 kg/hm2。從而驗證了本文中增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同對耕地系統(tǒng)功能發(fā)揮的巨大作用。我國耕地系統(tǒng)增產(chǎn)、降污和固碳潛力巨大，每年可達(dá)1.40億t、720.0萬t和1.49 億t。這一結(jié)果分別與YAN等[25]、LI等[56]、SUN等[57]相關(guān)研究的估算結(jié)果基本一致。

此外，本文強調(diào)耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同提升的目標(biāo)導(dǎo)向，將增產(chǎn)、降污和固碳等按照不同潛力高、中、低三個等級匹配，最終形成27小類綜合潛力區(qū)。研究顯示，增產(chǎn)高潛力區(qū)僅占2.2%，呈點狀分布，主要分布在長江中下游地區(qū)、黃土高原區(qū)和黃淮海平原區(qū)，極少數(shù)分布于北方干旱和半干旱區(qū)。中等增產(chǎn)潛力區(qū)占42.9%，呈大范圍面狀分布。中等增產(chǎn)潛力與中等增匯潛力分布幾乎一致，這側(cè)面驗證了土壤肥力在提高糧食產(chǎn)量中的重要作用。低增產(chǎn)潛力區(qū)占54.9%，主要分布于降污潛力低且增匯潛力中等區(qū)域。因此，在無污染脅迫情況下，將土壤有機(jī)碳水平提高，并輔以綠色環(huán)保肥料，能夠有效地提升低潛力區(qū)糧食單產(chǎn)。降污高潛力區(qū)占15.0%，主要分布于我國糧食主產(chǎn)區(qū)，且與中等增產(chǎn)、增匯潛力分布一致。鑒于污染對增產(chǎn)和固碳有不利影響，治理高降污潛力區(qū)不僅能大幅提高糧食主產(chǎn)區(qū)單產(chǎn)和品質(zhì)，還可以實現(xiàn)土壤碳匯穩(wěn)步提升。降污中等潛力區(qū)主要分布于四川盆地、中原地區(qū)和長江中下游地區(qū)，占23.3%，區(qū)域氣候條件適宜，利于糧食作物種植。高、中增匯潛力區(qū)占比高達(dá)96.6%，從側(cè)面驗證了我國耕地系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量普遍偏低，封存潛力巨大。耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳多效協(xié)同潛力區(qū)域分異明顯，但潛力巨大，未來應(yīng)科學(xué)細(xì)化、精準(zhǔn)提升多效協(xié)同潛力，促進(jìn)綠色高效健康利用，實現(xiàn)耕地保護(hù)轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新。

耕地系統(tǒng)永續(xù)利用的前提是系統(tǒng)功能健康，增產(chǎn)—降污—固碳相互促進(jìn)、相互制約。三大功能不僅受資源環(huán)境本底限制，更受政策、田間管理等人為因素主導(dǎo)。為切實促進(jìn)多效協(xié)同提升，應(yīng)從工程、技術(shù)、管理三方面著手：（1）建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，夯實耕地產(chǎn)能本底。增產(chǎn)是多效協(xié)同的基礎(chǔ)，高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)是落實增產(chǎn)必不可少的手段；（2）推動技術(shù)創(chuàng)新，提升耕地系統(tǒng)功能。探索新型肥料替代品，推廣保護(hù)性耕作、秸稈還田，微生物菌劑施用等，恢復(fù)和改善耕地產(chǎn)能、土壤養(yǎng)分和污染削納能力；（3）完善耕地生態(tài)補償制度，加大污染懲戒與輪作休耕補貼力度，調(diào)動農(nóng)戶的保護(hù)積極性和自發(fā)性，全面提升耕地系統(tǒng)增產(chǎn)—降污—固碳協(xié)同潛力。