【主讲嘉宾】

程国明

▲生态系统碳汇（上）

▲生态系统碳汇（下）  

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变暖的地球

2020年9月，中国提出“3060”碳达峰、碳中和目标。自此，“碳达峰”和“碳中和”两词亦成为当下大众最耳熟能详的热点词汇之一。我们为什么要提出这样一个概念呢？这就要从不断变化的地球说起。

2002年1月31日，一个厚度达到200米的巨大冰雪体从南极西部分离出来。没人能想到，这个面积高达3000多平方千米的冰雪浮岛，竟然会在短短的35天后全部瓦解掉。与此同时，在2020年2月9日，人类在南极西摩岛上的气象站又观测到了一个极端的数据——20.75℃。这样的温度相当于什么呢？相当于3月份的上海、5月的北京，而这可是在南极！是多么不可思议的一个温度！

自1979年到2017年，南极冰盖每年的损失增加了至少6倍。根据联合国世界气象组织的数据，在过去的50年里，南极半岛的温度上升了近3℃。而在地球另一端的北极，同样出现了12万年来从没有过的事情：2008年，连接太平洋和大西洋的海冰消失了，而这意味着什么？意味着无数的动植物正面临着失去家园的生存危机。

对于人类而言，近年来北极持续的高温也引发了大家对气候变暖的担忧：消融的海冰会不会持续引发海平面上涨？将封存在冰层中的温室气体和远古病毒释放出来？……一面是鲜花开得漫山遍野的北极，另一面是人类社会也在遭遇着极端天气所带来的灾难：6月份的西伯利亚经历了热浪，美国的死亡谷国家公园达到了史上最高温度——54.4℃，数百人死于高温天气……越来越多的极端天气告诉我们，地球正在不断地变暖。

面对这样越来越极端的天气，迫不得已的世界各国也最终决定采取行动，分别于1992年、1997年提出了《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》，我国也在去年正式提出了“3060”碳达峰、碳中和目标，除通过节能减排外，还将通过国土空间的规划和用途的管控，有效地发挥森林、草原、湿地、海洋等这样一些生态系统作用，提升生态系统碳汇的增量。

一提到“碳汇”这个词，大家可能第一个想到的就是植树造林——增加森林碳汇，其实，跟森林碳汇一样，农田、草地及海洋等生态系统实际上也可以吸收二氧化碳，也能帮助人类达到增加碳汇的最终目的。目前，我国地表碳储量为363亿吨，每年固碳的速率为10~40亿吨。我国一年排放的二氧化碳总量大致为100亿吨，想要如期达标，生态系统碳汇是实现碳中和的重要途径之一。

▲中国陆地生态系统固碳速率（图源：丁仲礼，2021）

放之于世界，全球二氧化碳排放量约为400亿吨，其中14%来自土地利用，86%来自化石燃料。换而言之，如果我们能好好利用土地，就能帮助地球吸收更多的二氧化碳。

此前有科学家发现，全球陆地生态系统和海洋生态系统的年均固碳量分别为35亿吨和26亿吨，各自抵消了30%和23%的二氧化碳人为排放。在我国，陆地生态系统碳的储量为792亿吨，年均固碳量为2亿吨，可以抵消同期化石燃料碳排放的14%。然而随着未来全球温度的不断升高，陆地和海洋吸收二氧化碳能力也会逐渐减弱，因此，我们必须从现在开始，在地球温度升高较低情形下，充分利用生态系统碳汇。

▲五种二氧化碳排放情境下陆地和海洋吸收的二氧化碳比例（来源：IPCC，2021）

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农田碳汇

大家知道植树造林能吸收二氧化碳，但很少有人相信，农民把地种好其实也能帮助地球吸收大气中的二氧化碳。

众所周知，植物在光合作用时能吸收空气中的二氧化碳，把二氧化碳变成碳燃料。换而言之，植物的生长其实是靠碳来生长，而植物会把40%的碳输送到它们的根部，根部将这些碳再分给土壤中的微生物，当微生物分解后，它们又会分解成氮、磷等矿质营养，再次去供给植物。在这个过程中，微生物通过在土壤中生活，间接也会控制土壤中的水和空气的流动，就这样将二氧化碳“固定”在了土壤中。这就是土壤工作的原理，也是土壤固碳的原理。

可见，能够靠微生物来封存空气中的二氧化碳，这是土壤独特的能力。当土壤越健康，它其中包含的微生物就越多，能封存的二氧化碳也更多，反之就会更少。

那么，被封在土里的二氧化碳会不会未来某一天再变成碳源？想要回答这个问题就要看两个影响因素：一是自然因素，二是人为因素。自然因素主要包含太阳的辐射、土壤的类型、年降水量、温度等条件，人为因素主要是指农民所施的农药化肥、温室大棚用的农膜、拖拉机等机械使用的柴油……其中人为因素是影响土地的碳源和碳汇能力的主要因素。

▲不同季节大气二氧化碳浓度模拟图（图源：NASA）

实践显示，化肥用得越多，土壤里的微生物被杀死的就越多，土壤固定二氧化碳的量就越少。与此同时，如果频繁使用农膜和农业机械的话，也会增大碳源的排放。也就是说，耕种越频繁，土壤越脆弱，农民越觉得要靠化肥农药……在这样的恶性循环中，土壤的固碳能力每况愈下，生了病的土壤将再也不能封存碳，会重新把它们释放出来。

那有没有什么方法能解决这个困局呢？有，比如说农田免耕或是用秸秆覆盖，这些方法都可以缓解土壤的危机。也就是说，越用接近、回归自然的方式来对待耕地，越能保护我们脚下的土地，就像保护黑土地需要“懒汉种地”一样——要给土壤以修养的时间。

▲秸秆覆盖（图源：专家供图）

大家都知道，东北的黑土地由于高强度的开发和利用，土壤流失和结构性损伤特别严重。为了帮助黑土地重获健康，我国科研人员创建了一套适合我国国情的玉米秸秆覆盖栽培技术，以玉米秸秆覆盖为核心，建立了秸秆的覆盖、免耕播种、施肥除草、防病及收获全程的机械化技术体系，解决了东北的黑土地玉米秸秆移除导致的土壤退化的关键问题。具体来说，秸秆覆盖还田这种自然方案能保持土壤的空隙度，使其孔径分布均匀、连续且稳定，从而可以将雨水和灌溉水更多地保持在有效的土壤内。加之秸秆覆盖能有效减少土壤的水分蒸发，相当于为土壤增加了40~50毫米的降水。   

研究发现，经过多年的秸秆覆盖还田，土壤的有机质明显增长，尤其是氮、磷、钾等养分都会不断增加，五年后土壤有机质的增幅就能达到约20%，化肥使用量也能有效减少20%。与传统耕作方式相比，因为给土地“盖了一层被子”，这种模式能让土壤的径流量平均减少60%，土壤流失减少80%左右，能明显地防止水土流失。

在东北地区的试验中，科研人员发现，采取“懒汉耕地”的方式后，耕层中的有机质可以实现1/kg的增长，土壤碳密度可以实现2.4吨/公顷的增幅，让东北耕地碳的储量实现0.4亿吨的增长，有效地助力我国的“双碳”目标。

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草地碳汇

除了耕地，草地其实也有碳汇的能力，草地的生态系统在全球的碳循环和减缓气候变化方面也发挥着重要的作用，而这一点经常被人们忽略。

事实上，全球草地占陆地生态系统碳总储量的2.7%~15.2%。我国草地面积占国土面积41.7%，其中，分布最大的青藏高原占我国草地面积的32%，其次是内蒙和宁夏的蒙宁草原，占到了30%。那么，我国草原在整个陆地生态系统中碳的储量占多少？32.1%。最大的是森林（38.9%）。

草地生态系统覆盖了地球40%的表面，这里边它所储存的碳大约为761×109吨，其中89.4%贮存在土壤里，另外10.6%储存在植被中。也就是说，土壤中储存的碳远远大于在生物中储存的碳，尽管不同类型草地植物土壤生态系统的总储量差别比较大，但有机碳在系统中的分布却相当稳定，而草地土壤的有机碳主要来源于植物的残根，在土中比较深、分解速率较小，因此，草地土壤的有机碳密度也要比森林土壤更高。

谈到草地的碳汇，就不得不提到围封和放牧。所谓围封，是指在草地边缘围一些铁丝网和树枝，通过防止牲畜进入草场，进而减轻草地因过度放牧而严重退化的情况。

2013年，科学家们在科尔沁草地，选取了围封恢复中的退化沙质草地和围栏以外的放牧作为样地进行了观测，观测期是一个完整的植物生长季。他们发现，在对碳的净固定能力上，围封17年的沙质草地＞围封22年的沙质草地＞放牧的沙质草地。在植物生长季内，围封的沙质草地总体表现出了碳汇的功能，放牧的时候表现出了碳源的功能。也就是说，围封草地的确能够促进大气二氧化碳的固定，使沙质草地生态系统成为碳汇。相反，放牧则会使沙质草地的生态系统成为碳源。

然而值得注意的是，尽管生长季内围封22年的沙质草地碳固时间＞围封17年的沙质草地，但对于沙质草地的围封恢复也不是越久越好，因为围封17年的草地碳汇能力＞围封22年的沙质草地。因此，对于草地进行围封管理，也需要有一个合理的、科学的时间尺度的把握。

除了草地，草甸的作用也非常重要。相比草地，草甸多位于水分比较适宜或者含水量比较大的地方，像我国青藏高原东部等地都有草甸。科学家通过研究发现，草甸非常有潜力成为固定空气中的二氧化碳的巨大碳汇——在白天，草甸生态系统具有强大的碳汇功能，而到了晚上则会成为弱碳源。此外，由于不同季节草甸的含水率也会发生很大变化，它们对碳的循环也会起到不同的促进作用。

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海洋碳汇

森林和土壤可以固碳，海洋也可以。比方说，海洋中生活的动物本身就可以固碳：用自己的身体储存碳，把碳变成粪便沉入深海。一些像海带的海洋植物也可以储存碳。其他的脊椎动物像鱼、海鸟和海洋哺乳动物，也能帮助捕获大气中的碳。

以鲸为例，它们的寿命能超过200年，长时间地储存大量的碳是没问题的，因而我们就把这种生物体中的碳称为生物量碳。当鲸死亡以后，它们的尸体会沉入海底与世隔绝数百万年，而这部分生物量的碳也会被永久性地困在海底，成为“死碳”。

我们将海洋的碳汇能力称为“蓝碳”，将陆地的碳汇称为“绿碳”。那么，绿碳和蓝碳相比有什么差距？从时间来看，蓝碳的封存时间比较长，可以达到上千年的时间尺度，而陆地上只有几十年；其次，蓝碳的捕获效率高：海岸的面积仅占全球海床面积的0.2%，但它却贡献了海洋沉积物碳总量的50%；第三个，蓝碳还具有巨大的生态环境效益。

为了帮助海洋增加碳汇，近年来，国际上提出了包括“微型生物泵”（MCP储碳机制）在内的一些概念，但最为重要的是，陆地和海洋其实是相互影响的，不能说我们只搞海洋研究——况且海洋碳汇的研究本身就很复杂，它需要通过陆海统筹的方案来进行解决。举例来说，科学地统筹入海，科学地施肥，进而减少向近海的营养输入，缓解富营养化进程……这些科学的陆海统筹措施，都能为生态增汇提供低成本、高效益的路径。

▲海洋碳汇生态工程案例示意图（图源：焦念志 2021）

此外，我们还要谈一谈红树林固碳。红树林是海岸带的一种植物群落，它的生态系统一般包括红树林、滩涂和基围鱼塘三部分，一般由藻类、红树植物和半红树植物等构成。

红树林不仅能够吸收二氧化碳，调节气候，抵御海啸和台风，因为根系发达，它们还可以帮助净化海水水质，发挥陆地森林难以企及的强大固碳功能。相对陆地森林，红树林的固碳能力要高出2~10倍，可以说是固碳界的翘楚，因而红树林生态系统也有“海岸卫士” “蓝碳明星” “天然物种库”等美称。

（本文视频来源第722期首都科学讲堂）

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