農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中的碳中和與生態(tài)修復(fù)

周啟星，王琦，鄭澤其，劉維濤

（南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/南開(kāi)大學(xué)碳中和交叉科學(xué)中心，環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

近年來(lái)，氣候變化特別是全球變暖，已引起各方面廣泛關(guān)注。碳中和成為了全球組織最重要的舉措之一，世界各國(guó)不僅在節(jié)能減排和工業(yè)提效方面有相應(yīng)要求和政策，而且對(duì)農(nóng)業(yè)糧食清潔生產(chǎn)也提出了各種措施和法規(guī)。相關(guān)資料顯示，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不僅是重要的生態(tài)碳匯[1]，而且還是溫室氣體的重要來(lái)源。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)每年的CO2排放量為15 億t，占全球排放量的30%[2]；CH4的排放源主要是稻田和畜牧業(yè)，其排放占全球排放量的15%～30%[3]；氮肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O 排放的來(lái)源，施肥引起的N2O 排放約占全球土地排放的30%[4]。因此，減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，增強(qiáng)農(nóng)田土壤的固碳能力是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑。在這種意義上，農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中的碳中和與農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)就顯得極其重要。

1 “農(nóng)業(yè)生命共同體”理念的提出與發(fā)展

1.1 “生命共同體”理念的提出

當(dāng)前我國(guó)社會(huì)的主要矛盾已轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗣駥?duì)日益增長(zhǎng)的美好生活需求與不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾。然而，在人民群眾對(duì)美好生活的追求過(guò)程中，現(xiàn)實(shí)的自然環(huán)境狀況并不能達(dá)到實(shí)現(xiàn)廣大人民群眾實(shí)現(xiàn)美好生活的心愿。水資源枯竭、林草生境惡化、農(nóng)田污染和土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題暴露無(wú)遺，這些都給經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展以及人體健康埋下了隱患。因此，面對(duì)如此嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，習(xí)近平總書(shū)記在十八屆三中全會(huì)上指出，生態(tài)是統(tǒng)一的自然系統(tǒng)，是相互依存、緊密聯(lián)系的有機(jī)鏈條。山水林田湖草沙是一個(gè)生命共同體，人的命脈在田，田的命脈在水，水的命脈在山，山的命脈在土，土的命脈在林和草，這個(gè)生命共同體是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6]。2020 年習(xí)近平總書(shū)記主持召開(kāi)中共中央政治局會(huì)議，審議《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》時(shí)，指出要統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草沙綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理[7]。習(xí)近平總書(shū)記站在全國(guó)人民甚至全球人類發(fā)展的角度，提出了“山水林田湖草沙的生命共同體”的理念，該理念對(duì)于正確處理人與生態(tài)環(huán)境之間日益嚴(yán)峻的矛盾具有指導(dǎo)性的作用，對(duì)于自然資源的開(kāi)發(fā)保護(hù)與可持續(xù)利用以及農(nóng)業(yè)糧食清潔生產(chǎn)具有轉(zhuǎn)折性的意義[6，8]。

1.2 “農(nóng)業(yè)生命共同體”理念的科學(xué)內(nèi)涵

“山水林田湖草沙生命共同體”的理念源自生態(tài)文明理論、生態(tài)倫理學(xué)、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理論，旨在說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)的各要素之間是一個(gè)不可分割、有機(jī)聯(lián)系并且相互作用的整體[8-9]。山水林田湖草沙可視為人類賴以生存的自然資源的全部，這一理念不僅指出了“農(nóng)業(yè)生命共同體”系統(tǒng)治理的必要性，還體現(xiàn)了“人”在其中的關(guān)鍵主導(dǎo)作用[10]。

基于生態(tài)學(xué)原理，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可視為“山水林田湖草沙生命共同體”的基礎(chǔ)。也就是說(shuō)，農(nóng)業(yè)生命共同體中每一類要素的存在，直接依附于自然生態(tài)空間[10-11]。從空間構(gòu)型上看，自然生態(tài)空間可以看作是山、水、林、田、湖、草、沙等生態(tài)功能性用地和完整食物鏈以及非生態(tài)因子構(gòu)成的復(fù)合空間，在這中間不斷發(fā)生著能量的流動(dòng)與交互伴以物質(zhì)的循環(huán)與物種的迭代更替（圖1）[10，12]。田作為人的直接命脈，被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生命共同體的根本要素，它與山、水、林、湖、草、沙都具有緊密的依賴與制約關(guān)系。

圖1 人與自然構(gòu)成的生命共同體的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)Figure 1 Ecological basis of the life community composed of people and nature

田指的是耕種莊稼的土地，是農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)的主要載體，即農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)用地[13]。因此，保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展首先要確保耕地的數(shù)量和質(zhì)量。我國(guó)作為耕地大國(guó)，目前耕地面積12 172 萬(wàn)hm2，占國(guó)土面積的12.68%，其總量排名世界第四。耕地資源安全關(guān)乎14 億中國(guó)人民的糧食安全問(wèn)題，是民族生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，隨著耕地持續(xù)“非農(nóng)化”“非糧化”和粗放利用等原因造成的耕地侵蝕和荒漠化、污染和生態(tài)退化等問(wèn)題日益嚴(yán)重，守住耕地紅線，確保糧食安全變得尤為重要[14]。

山是地面上被平地所圍繞的具有較大絕對(duì)高度和相對(duì)高度而凸起的地貌區(qū)，其一般是因板塊碰撞或是火山作用而產(chǎn)生的，會(huì)因河流、氣候或是冰河作用而慢慢被侵蝕。田（耕地）是由山開(kāi)發(fā)而來(lái)，有山才會(huì)有田，田與山構(gòu)成相互制約的矛盾體。在我國(guó)，曾經(jīng)為了獲得最大面積的耕地來(lái)發(fā)展種植業(yè)，很多地區(qū)不惜采取劈山造田的方式，這導(dǎo)致了極大的生態(tài)安全隱患，甚至引發(fā)滑坡、泥石流和崩塌等生態(tài)災(zāi)害[15-16]。

水是包括人類在內(nèi)所有生命生存的重要資源，也是生物體最重要的組成部分。田的命脈在水，水主要分為水量和水質(zhì)，降水量影響地表水和地下水資源量，地表產(chǎn)水模數(shù)越高，植物生長(zhǎng)越旺盛，耕地（田）的肥力就越好[16]。水質(zhì)下降導(dǎo)致的水體污染常會(huì)進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)田污染，而農(nóng)田受到污染也會(huì)引起水體污染，使得水資源再生受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)[1]。

林是指以木本植物為主體的生物群落，體現(xiàn)了植物與環(huán)境（包括田）的相互作用關(guān)系。森林資源是地球上最重要的資源之一，被譽(yù)為地球之肺。而田與林的關(guān)系，具體體現(xiàn)為農(nóng)業(yè)與林業(yè)之間的關(guān)系。1999年，國(guó)家在四川、陜西和甘肅3 省率先開(kāi)展了退耕還林試點(diǎn)，由此揭開(kāi)了我國(guó)退耕還林的序幕。“退耕還林”政策，要求把生態(tài)承受力弱、不適宜耕種的坡耕地退耕，種上樹(shù)和草，主要安排在水土流失、土地沙化嚴(yán)重地區(qū)實(shí)施[17]。近年來(lái)，我國(guó)人口數(shù)量增加，消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，環(huán)境資源承載力趨緊，新冠肺炎疫情的暴發(fā)和國(guó)際社會(huì)的不穩(wěn)定，更加沖擊了糧食等大宗農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)。因此，國(guó)家開(kāi)始實(shí)行退林還田政策，重視保護(hù)基本農(nóng)田，并且通過(guò)建立大量的農(nóng)田防護(hù)林使得田與林融為一體，達(dá)到改善小氣候、顯著增產(chǎn)以及降低地下水位的效果[18]。

湖，即四面都有陸地包圍的水域。湖一旦形成，就受到外部自然因素和內(nèi)部各種過(guò)程的持續(xù)作用而不斷演變。湖泊具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、記錄區(qū)域環(huán)境變化、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡和繁衍生物多樣性的特殊功能[19]。人類生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的水許多來(lái)自湖泊，湖水灌溉農(nóng)田，農(nóng)田可向湖中排水、泄洪。國(guó)家從圍湖造田到退耕還湖，也是不同時(shí)期處理田與湖關(guān)系的“杰作”。

草是高等植物中栽培植物以外的草本植物的統(tǒng)稱，包括草原和草地。作為覆蓋國(guó)土面積最大的植物，草覆蓋著40%的國(guó)土面積。在我國(guó)農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)過(guò)程中，引草入田、田草相融等方式可起到改良土壤、防風(fēng)固沙、減少水土流失、減少化肥施用、增加生物量產(chǎn)出等作用，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要作用[20]。

沙是指細(xì)小的石粒，是由巖石風(fēng)化后經(jīng)雨水沖刷或由巖石軋制而成的[1]，其粒徑為0.074～2.000 mm。沙子具有建房鋪路、過(guò)濾、制造玻璃和硅片集成電路、各種拋光等用途。沙田通過(guò)圍堤將灘涂圈起來(lái)形成水洲沙淤之田，使得田與沙融為一體。沙漠變良田，是人類對(duì)良田的貢獻(xiàn)，解決了沙與田之間的矛盾。

1.3 “農(nóng)業(yè)生命共同體”理念的研究進(jìn)展

自2013 年習(xí)近平總書(shū)記提出“山水林田湖草沙生命共同體”的理念以來(lái)，該理念逐漸成為國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。其研究重點(diǎn)主要可以分為理論剖析、生態(tài)修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新或工程實(shí)施以及量化分析3個(gè)方面。

在理論剖析方面，例如：劉秦民[21]從生態(tài)哲學(xué)角度將人類生命共同體理解為自然內(nèi)部各要素，人與自然的關(guān)系由原本強(qiáng)制斗爭(zhēng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸舜斯泊龠M(jìn)、同發(fā)展的狀態(tài)；成金華等[22]從自然資源和生態(tài)系統(tǒng)方面提出運(yùn)用系統(tǒng)的方法做好山水林田湖草沙自然資源和生態(tài)環(huán)境的調(diào)查、評(píng)價(jià)和規(guī)劃等工作。

在生態(tài)修復(fù)方面，例如：吳鋼等[23]提出由生態(tài)保護(hù)、修復(fù)與恢復(fù)技術(shù)、生態(tài)建設(shè)技術(shù)、生態(tài)功能提升技術(shù)、生態(tài)服務(wù)優(yōu)化技術(shù)與監(jiān)督管理技術(shù)，組成山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)應(yīng)用技術(shù)體系。謝三桃等[24]從巢湖流域生態(tài)格局、質(zhì)量和服務(wù)功能及脅迫因素等方面識(shí)別與診斷現(xiàn)狀問(wèn)題，探索出一套山水林田湖草一體化保護(hù)修復(fù)的巢湖模式和城湖相依共生的合肥方案。周啟星等[25-27]經(jīng)過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)期系統(tǒng)篩選，并經(jīng)過(guò)小區(qū)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地驗(yàn)證，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)龍葵、紫茉莉和鳳仙花等是超積累或修復(fù)花卉以及碳中和植物，建立篩選污染物低吸收/低積累作物品種的方法[28]，進(jìn)而將修復(fù)花卉/碳中和植物與低積累作物種植有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了大面積低濃度污染農(nóng)田的修復(fù)；他們還將植物吸收和人工捕獲相結(jié)合，首次提出利用具有混合氧化價(jià)態(tài)面的Cu2O 納米立方體高效異相光催化還原CO2的方法[29]。

在量化分析方面，例如：游琴[30]通過(guò)建立華鎣山區(qū)山水林田湖草生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，定量化摸清了華鎣山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的本底基礎(chǔ)；張中秋等[31]為實(shí)現(xiàn)對(duì)山水林田湖草生命共同體各要素間的相互作用、綜合發(fā)展水平及其耦合協(xié)調(diào)情況的綜合管理目標(biāo)，構(gòu)建了基于4C指數(shù)和PSR模型的評(píng)價(jià)體系。

2 農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中的碳中和問(wèn)題及轉(zhuǎn)型

2.1 農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中的碳排放

雙碳目標(biāo)的提出，要求各行各業(yè)都不能置身事外，需要科學(xué)地制定相關(guān)行動(dòng)方案。作為碳排放的主要貢獻(xiàn)者，農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)在保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給的同時(shí)，要充分發(fā)揮其固碳減排的潛力，助力國(guó)家“雙碳目標(biāo)”的盡早實(shí)現(xiàn)。

不難發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展帶來(lái)了溫室氣體的過(guò)度排放（圖2）和面源污染日益嚴(yán)重等問(wèn)題[32]。根據(jù)2018 年國(guó)家溫室氣體清單通報(bào)數(shù)據(jù)，我國(guó)農(nóng)業(yè)碳排放量為8.02 億t CO2當(dāng)量，占中國(guó)碳排放總量的6.85%，其中CH4和N2O 等非CO2排放總占比為85.67%。較高的溫室氣體排放量與農(nóng)業(yè)糧食大幅度增產(chǎn)分不開(kāi)：一方面糧食增產(chǎn)需要提升單產(chǎn)，這往往需要投入更多的化肥等農(nóng)用化學(xué)品，尤其是氮肥[33]。我國(guó)作為全球氮肥消耗量最大的國(guó)家之一，2002 年我國(guó)氮肥施用量達(dá)2 157.3 萬(wàn)t，為世界平均水平的3倍，而這些氮肥在施入農(nóng)田之后，約有20%因反硝化和氮揮發(fā)導(dǎo)致氮以氣態(tài)形式逸失，從而導(dǎo)致農(nóng)田中N2O 排放量不斷增加[34]。另一方面，糧食增產(chǎn)需要擴(kuò)大耕地面積，這將會(huì)帶來(lái)負(fù)向的碳匯機(jī)制。耕地面積的擴(kuò)增，意味著更多的自然林地、草地和濕地被開(kāi)墾，這不僅會(huì)引發(fā)土壤退化，惡化糧食作物和其他綠色植被的生長(zhǎng)環(huán)境，顯著降低糧食作物的固碳能力，而且土地性質(zhì)的調(diào)整，會(huì)增加區(qū)域內(nèi)的土地競(jìng)爭(zhēng)程度，從而導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)含量驟降，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量降低[33-35]。

圖2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放示意圖Figure 2 Schematic diagram of greenhouse gas emissions from farmland ecosystems

2.2 基于碳中和的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型

農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中面臨的挑戰(zhàn)是在滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求的同時(shí)，大幅減少溫室氣體的排放，特別是使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)成為生態(tài)碳匯。因此，要求農(nóng)業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型[36]。目前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需從以下3 個(gè)方面完成轉(zhuǎn)型以滿足碳中和的要求。

2.2.1 石化農(nóng)業(yè)向零化石農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型

現(xiàn)代石化農(nóng)業(yè)是以廉價(jià)石油為基礎(chǔ)的高度工業(yè)化的農(nóng)業(yè)的總稱，是一種重度依賴石油礦產(chǎn)資源、大量投入農(nóng)藥化肥的方式[37]。其雖然具有省時(shí)省力、高產(chǎn)高效的特點(diǎn)，但由于不考慮碳中和，對(duì)土壤和生態(tài)環(huán)境極不友好，因此會(huì)造成耕地質(zhì)量嚴(yán)重下降。我國(guó)的農(nóng)膜殘留率約有40%，大量殘留的農(nóng)膜難以降解致使其在15～20 cm 的土層形成不易透水、透氣的難耕作層，這不僅影響土壤通透性，而且會(huì)造成土壤多樣性嚴(yán)重減少，不利于生態(tài)環(huán)境的有機(jī)平衡[37]。因此，在碳中和的框架下，石化農(nóng)業(yè)向零化石農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，即向生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨。

所謂生態(tài)農(nóng)業(yè)，是按照生態(tài)學(xué)原理，在碳中和框架下，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與管理手段以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的有效經(jīng)驗(yàn)建立起來(lái)的，能獲得較高的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益的現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)。例如，蘇丹的可再生農(nóng)業(yè)項(xiàng)目已經(jīng)在撒哈拉北部州試運(yùn)行了29 個(gè)太陽(yáng)能泵農(nóng)場(chǎng)以替換曾依賴的柴油驅(qū)動(dòng)的水泵，預(yù)計(jì)在太陽(yáng)能泵的20 a壽命中將在消除約80萬(wàn)t的CO2排放的同時(shí)節(jié)約大量柴油，這為生態(tài)農(nóng)業(yè)能更好地滿足碳中和的需求提供了強(qiáng)有力的支持。

2.2.2 單施無(wú)機(jī)肥向無(wú)機(jī)-有機(jī)肥料科學(xué)配施的轉(zhuǎn)型

施用化肥是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要途經(jīng)之一，化肥可以通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)等來(lái)影響微生物群落結(jié)構(gòu)。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，常見(jiàn)的施肥方式有單施無(wú)機(jī)肥、單施有機(jī)肥和無(wú)機(jī)-有機(jī)肥科學(xué)配施[38]。為了提高產(chǎn)量，施用無(wú)機(jī)肥是最簡(jiǎn)單高效的方法。然而，長(zhǎng)期單施無(wú)機(jī)肥會(huì)通過(guò)徑流和淋溶增加地下水中的磷和氮，從而導(dǎo)致地下水富營(yíng)養(yǎng)化和土壤酸化，而且會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤肥力下降和溫室氣體的排放[39]。作為無(wú)機(jī)肥的替代品，有機(jī)肥具有良好的生態(tài)保護(hù)效果。特別是，使用有機(jī)肥減少了許多負(fù)外部性，其中包括能夠抑制或阻止溫室氣體的排放。研究表明，有機(jī)肥中大量的碳水化合物可以為微生物的生長(zhǎng)提供充足的碳源，從而顯著增加土壤微生物的生物量，改善細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[39]。

為了更好地響應(yīng)碳中和的要求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中更多地需要無(wú)機(jī)-有機(jī)肥的科學(xué)配施。目前已有不少研究表明，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥的科學(xué)配施能夠減少農(nóng)田溫室氣體的排放。例如：翟振等[40]利用DNDC 模型進(jìn)行凈溫室效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)-無(wú)機(jī)肥配施同單施化肥處理相比，能減少溫室效應(yīng)33.5%；魏甲彬等[41]添加生物炭到土壤，成功抑制了土壤中CH4的排放?？梢?jiàn)，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥料的共同作用可以在保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的同時(shí)，達(dá)到減排固碳的協(xié)同效果。

2.2.3 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智能農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、GPS、大數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等現(xiàn)代技術(shù)被運(yùn)用到農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中。這些技術(shù)的加入，將農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)特別是水果和蔬菜的產(chǎn)量提升到一個(gè)全新的水平；同時(shí)，智能農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的普及，使得數(shù)字解決方案還具有改善農(nóng)業(yè)碳排放的潛力[42]。例如：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以充分發(fā)揮信息同步監(jiān)控與傳輸功能，將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中各種信息有效地整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理[43]，包括能精準(zhǔn)地使用肥料和殺蟲(chóng)劑，灌溉土壤并檢測(cè)土壤中的碳含量等；農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)”的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)集生產(chǎn)技術(shù)支持、蟲(chóng)害識(shí)別、在線產(chǎn)品交易、信息服務(wù)等多功能于一體的現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用模式[44]。

3 基于碳中和的農(nóng)田污染生態(tài)修復(fù)

3.1 農(nóng)業(yè)生命共同體缺失導(dǎo)致農(nóng)田污染

所謂農(nóng)業(yè)生命共同體缺失，就是把山水林田湖草沙割裂開(kāi)來(lái)，形不成生命共同體（圖3）。例如，過(guò)度劈山造田、圍湖造田或毀草造田，表面上看是農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)發(fā)展了，其實(shí)不然。隨著農(nóng)田規(guī)模擴(kuò)大和農(nóng)業(yè)集約化進(jìn)一步發(fā)展，農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)種類（主要是農(nóng)藥、化肥和農(nóng)膜等）和數(shù)量不斷增加，農(nóng)田土壤污染日益嚴(yán)重。土壤中逐漸增加的這些農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)，若長(zhǎng)期滯留并積累在土壤中，并超過(guò)土壤自凈能力，就會(huì)造成農(nóng)田土壤污染，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[45]。嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)污染也會(huì)使土壤失去生產(chǎn)能力及農(nóng)用價(jià)值，降低生物生態(tài)固碳能力。

圖3 農(nóng)業(yè)生命共同體缺失導(dǎo)致農(nóng)田污染及其后果Figure 3 Farmland contamination resulted from the absence of the life community for agriculture and its consequences

除了農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的污染外，導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量下降的重金屬主要有Cd、Pb、Hg、Cr 以及準(zhǔn)金屬As、Cu、Zn等生物毒性顯著的元素。在重金屬污染嚴(yán)重的地區(qū)生長(zhǎng)的植物或作物，通常表現(xiàn)出代謝途徑改變、生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)量降低和重金屬積累等問(wèn)題[46]。持久性有機(jī)污染物（如PCBs、PAHs 以及石油烴等）帶來(lái)的農(nóng)田有機(jī)污染[45]，近年來(lái)呈現(xiàn)新的特點(diǎn)，其主要來(lái)源是廢物焚燒、鋼鐵生產(chǎn)、水泥制造、石油開(kāi)采、染料制造、瀝青工業(yè)、橡膠輪胎制造以及車輛的尾氣排放等。由于有機(jī)污染物具有較高的疏水性和較低的水溶性，其可被強(qiáng)烈吸附在土壤顆粒上得以不斷積累。因此，土壤生態(tài)系統(tǒng)成為有機(jī)污染物的匯。

抗生素及其抗性基因[47]、微塑料[48]以及納米顆粒[49]等新污染物的農(nóng)田污染，近年來(lái)也成“燎原之勢(shì)”?？股乜赏ㄟ^(guò)制藥工廠、醫(yī)院、居民區(qū)和養(yǎng)殖場(chǎng)產(chǎn)生的污水和固體廢棄物等多種途徑進(jìn)入環(huán)境系統(tǒng)，其中農(nóng)田土壤是其在環(huán)境中重要的匯。進(jìn)入到土壤中的抗生素，會(huì)和土壤組分及其中的微生物發(fā)生吸附和降解等反應(yīng)，不僅可以轉(zhuǎn)化為抗性基因，甚至?xí)晦r(nóng)作物吸收并進(jìn)一步富集。資料顯示，我國(guó)每年有20 萬(wàn)～30 萬(wàn)t 不能降解的殘膜遺留在農(nóng)田中，高濃度微塑料的存在，會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)的完整性，改變土壤團(tuán)聚體、粒徑結(jié)構(gòu)和孔隙度等，進(jìn)而導(dǎo)致土壤板結(jié)、土壤透氣性下降以及蓄水能力降低，影響農(nóng)作物對(duì)水肥的吸收，并在不同程度上抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，造成農(nóng)作物減產(chǎn)。碳納米管、納米銀、納米二氧化鈦及其他金屬的納米顆粒已被用于緩釋或控釋肥和殺蟲(chóng)劑，并更有針對(duì)性地投放于農(nóng)田中，這些納米顆粒相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品，盡管劑量低但對(duì)農(nóng)田土壤和作物的危害或更為高效。

3.2 污染農(nóng)田的生態(tài)修復(fù)助力碳中和

在《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（國(guó)發(fā)（2016）31 號(hào)）以及《關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù) 堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見(jiàn)》（中發(fā)（2018）17 號(hào)）等眾多政策以及碳中和背景下，我國(guó)推進(jìn)了生態(tài)修復(fù)工作的步伐，但固碳增匯的各類舉措有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.2.1 植物-作物聯(lián)合修復(fù)

在污染較輕或中度污染農(nóng)田實(shí)施植物-作物聯(lián)合修復(fù)，是指在利用低吸收作物排異功能的同時(shí)，通過(guò)并發(fā)揮超積累或修復(fù)植物的生物富集作用，將土壤污染物富集到植物體內(nèi)或利用修復(fù)植物有效降解土壤有機(jī)污染物。在此過(guò)程中，通過(guò)強(qiáng)化植物光合作用以及卡爾文循環(huán)實(shí)現(xiàn)將大氣CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物或蛋白質(zhì)/氨基酸，進(jìn)而使其成為自然界碳中和的主力軍。研究發(fā)現(xiàn)，球果蔊菜是重金屬中度污染農(nóng)田植物修復(fù)很好的選擇[50]。使用這些超/高積累植物對(duì)中度污染的土壤進(jìn)行非侵入性修復(fù)，相比其他昂貴且具有破壞性的方法更具有吸引力，且有利于生態(tài)修復(fù)的碳中和體系的構(gòu)建。

實(shí)踐證明，采用以植物-作物聯(lián)合修復(fù)為核心改善土壤質(zhì)量和植被覆蓋率，提高土壤和植被生態(tài)固碳能力，可以實(shí)現(xiàn)耕地質(zhì)量和碳固定量的雙提升。

3.2.2 植物-微生物協(xié)同修復(fù)

利用超積累或修復(fù)植物與細(xì)菌聯(lián)合治理的方法具有成本低、效益高等優(yōu)勢(shì)，受到人們廣泛關(guān)注。植物修復(fù)的效率可以在植物促生菌（PGPB）的幫助下得到提高，這種細(xì)菌可以將土壤中的金屬轉(zhuǎn)化為生物可利用的形態(tài)。PGPB通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸、鐵載體和生物表面活性進(jìn)行生物甲基化、氧化還原、溶磷固氮和鐵螯合等過(guò)程，從而進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，這些過(guò)程改善了植物生長(zhǎng)，增加了植物生物量，同時(shí)增強(qiáng)了植物修復(fù)功能（表1）。

表1 植物-微生物協(xié)同修復(fù)污染土壤案例Table 1 Cases of plant-microbe collaborative remediation for contaminated soils

磷是僅次于氮的限制植物生長(zhǎng)的元素，微生物分泌的生物有機(jī)酸（如葡萄糖酸、2-酮葡萄糖酸、乳酸和乙酸等）可溶解土壤中的無(wú)機(jī)磷酸鹽，同時(shí)土壤pH值的降低增加了污染物的溶解度。因此，溶磷微生物被認(rèn)為可以促進(jìn)污染土壤的植物修復(fù)。在鐵限制的情況下，微生物會(huì)產(chǎn)生鐵載體，鐵載體可以和重金屬等污染物形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。Karimzadeh 等[60]論證了微生物產(chǎn)生的鐵載體去鐵胺-B（DFO-B）可使植物Cd 積累升高37%，同時(shí)使地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)增加27%。Whiting等[61]發(fā)現(xiàn)，微生物通過(guò)在植物根際分泌鐵載體增加了遏藍(lán)菜對(duì)Zn的富集。部分微生物可以改變植物根部元素的形態(tài)和有效性，研究表明[62-63]，微生物由于寄生在植物根系，因此可增加植物根系表面面積，促進(jìn)宿主植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素（氮、磷、鉀）的吸收，增強(qiáng)植物在重金屬脅迫下的適應(yīng)能力，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，強(qiáng)化植物修復(fù)并提升土壤固碳能力。

總之，基于植物和微生物的生態(tài)修復(fù)主要是利用植物和微生物自身的生長(zhǎng)吸收或者間接強(qiáng)化污染物的去除，同時(shí)將CO2固定，增強(qiáng)土壤的生態(tài)固碳能力，實(shí)現(xiàn)土壤治理與碳中和。

3.2.3 多位一體生態(tài)修復(fù)

在基于生物電化學(xué)系統(tǒng)的新型污染土壤生態(tài)修復(fù)技術(shù)得以成功研發(fā)[64]的基礎(chǔ)上，對(duì)植物-微生物修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化[65]，進(jìn)一步提升了修復(fù)效果。也就是說(shuō)，通過(guò)降解微生物、產(chǎn)電微生物和根際微生物（修復(fù)植物）多位一體的協(xié)同作用，極大提升了污染土壤的修復(fù)效率。通過(guò)植物-微生物-電化學(xué)修復(fù)系統(tǒng)的構(gòu)建（圖4），特別是采用納米磁鐵礦構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)-Fe+電勢(shì)調(diào)控系統(tǒng)，其中的電極電勢(shì)可以誘導(dǎo)功能菌群富集并調(diào)控植物根際參與石油烴等有機(jī)污染物的降解，磁鐵礦可以提高土壤的傳質(zhì)能力，實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境長(zhǎng)距離電子轉(zhuǎn)移，加速石油烴等有機(jī)污染物的降解過(guò)程，電極與磁鐵礦構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化了種間電子傳遞、異化鐵還原和長(zhǎng)距離電子傳遞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了C、N、Fe元素的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。尤其是，“多位一體”微生物電化學(xué)技術(shù)為土壤厭氧環(huán)境有機(jī)污染物去除和凈化提供了碳減排修復(fù)策略。

圖4 植物-微生物-電化學(xué)修復(fù)系統(tǒng)的構(gòu)建Figure 4 Construction of a plant-microorganism-electrochemical remediation system

人工添加的降解細(xì)菌往往難以抵抗高濃度污染脅迫、復(fù)雜的環(huán)境條件（如極端pH 和高鹽）和來(lái)自本土微生物群落的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致添加的降解細(xì)菌豐度迅速下降，有機(jī)污染物降解效率低。固定化技術(shù)可為降解細(xì)菌提供更舒適的庇護(hù)所，從而解決這些問(wèn)題[66]。至今，對(duì)包括生物炭、聚乙烯醇、海藻酸鈉、有機(jī)黏土和殼聚糖/藻酸鹽等固定化材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其均具有提高有機(jī)污染物去除效率的功效。根系分泌物如草酸和檸檬酸可以解吸土壤中的PAHs 等，因此植物與微生物協(xié)同修復(fù)的電化學(xué)強(qiáng)化在有機(jī)污染土壤的修復(fù)中具有較大潛力[67]。

4 展望

碳中和是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展和符合人類社會(huì)發(fā)展需求的大趨勢(shì)，生態(tài)修復(fù)則是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑，我國(guó)的生態(tài)修復(fù)固碳增匯仍面臨困難與挑戰(zhàn)。

（1）目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于生態(tài)修復(fù)固碳核算所選取的研究方法仍具有分歧，建立一套公認(rèn)的估算體系亟待解決，最大限度地提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的碳匯，同時(shí)也需要全面的碳核算。

（2）植物-微生物修復(fù)容易受環(huán)境條件（如氣候、介質(zhì)成分和理化性質(zhì)等）影響，可進(jìn)一步探索生物電化學(xué)強(qiáng)化與新型綠色材料相結(jié)合的作用效果及固碳成效，盡可能選用碳中和生物或固碳能力較強(qiáng)的植物與微生物，構(gòu)建碳中和生物生態(tài)體系。

（3）在提高生態(tài)固碳能力的同時(shí)，強(qiáng)化統(tǒng)籌“山、水、林、田、湖、草、沙”人類生命共同體單元，全方位拓展固碳渠道，因地制宜貫徹好農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用。