周啟星，王琦，鄭澤其，劉維濤

（南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/南開大學(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)近平總書記主持召開中共中央政治局會(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 省率先開展了退耕還林試點(diǎn)，由此揭開了我國(guó)退耕還林的序幕?！巴烁€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：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。可見，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》（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。