碳农业（Carbon Farming）：将碳作为作物培育的商品化路径及其生态系统服务潜力

《Journal of Soil and Water Conservation》：Commodifying carbon by cultivating it as a crop

　　

专业摘要翻译 农业土地利用及土地利用变化约占人为温室气体（GHG）排放的四分之一。相较于工业时代基线，全球平均气温已上升1.5°C。传统农业实践与农业生态系统被视为问题的一部分，因其不仅增加GHG排放、加剧气候变化，还危及农艺生产力及对人类和自然至关重要的其他生态系统服务（ESs）。 因此，通过将碳（C）作为作物培育来实现碳的商品化，并由此为土地管理者创造另一收入来源的理念正日益受到重视。这一方法通常被称为碳农业（CF），已成为应对上述全球性问题的创新策略。简言之，CF涉及将碳从大气转移至陆基碳汇，具有众多潜在效益。在许多生态区域内，一系列因地制宜的最佳管理实践（BMPs）能够为改善土壤健康、增加土壤总碳（TSC）储量、提升生物多样性等生态系统服务提供支付，从而整体提高盈利能力。TSC指土壤有机碳（SOC）与土壤无机碳（SIC）之和。一般而言，在亚湿润和湿润地区土壤中SOC含量高于SIC，而在半干旱和干旱气候土壤中SIC高于SOC。 本文阐述了CF的可能性与挑战，探讨了强化生态系统服务供给的机遇，并讨论了土地利用与土壤管理的双赢方案，这些方案既能减少农业生态系统的排放，又能增强陆基碳汇。

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一、研究背景与问题提出

农业土地利用及其变化贡献了约四分之一的人为温室气体（GHG）排放。自工业时代基线以来，全球气温已升高1.5°C。传统农业实践和农业生态系统不仅加剧了GHG排放与气候变化，还危及农艺生产力及人类和自然所依赖的关键生态系统服务（ESs）。在此背景下，将碳（C）作为作物培育以实现碳商品化、进而为土地管理者创造额外收入流的理念应运而生。这一方法即碳农业（CF），旨在将大气中的碳转移至陆基碳汇，具有多重潜在效益。然而，CF的实施面临技术、社会经济等多方面障碍，其可操作性和碳信用支付的可靠性亟待系统评估。因此，本文旨在阐述CF的可能性与挑战，探讨强化生态系统服务供给的机遇，并讨论土地利用与土壤管理的双赢策略。

二、研究内容与主要结论

研究人员系统梳理了基于土壤的碳农业实践路径及其对减缓气候变化和提升农业生产力的意义。研究指出，农业生态系统土壤因历史土地利用和管理不当（如加速侵蚀、养分耗竭、盐渍化等）已损失了 antecedent SOC 储量的25%至75%，部分土壤因氮肥滥用导致的酸化还损失了SIC储量。因此，利用土壤碳汇潜力是推进联合国2030议程多项可持续发展目标（SDGs）的可行选择，尤其是SDG 2（零饥饿）、SDG 13（气候行动）和SDG 15（陆地生物）。合理实施基于土壤的CF措施可在数十年乃至几代人的时间内恢复TSC储量，是实现农业增产与减缓人为气候变化的双赢方案。

三、关键技术与方法

研究人员主要采用了文献综述与案例归纳的方法，系统总结了全球不同生态区域内基于土壤的碳农业最佳管理实践（BMPs）。文中引用了来自巴西朗多尼亚州REDD项目、澳大利亚政府资助计划、美国私营支付结构评估以及中国生态系统服务整合框架等多个案例。研究方法涉及对保护性农业（CA）、再生农业（RA）、生态集约化等实践路径的原理分析，以及对自愿碳市场（VCMs）和生态系统服务支付两种碳信用支付机制的比较评估。此外，研究还探讨了利用公开土壤数据集（如gSSURGO）计算土壤碳信用的可行性，并分析了测量、监测与验证（MMV）体系的成本效益。

四、研究结果

基于土壤的碳农业（SOIL-BASED CARBON FARMING）：退化土壤已损失大量历史SOC储量，通过合理管理可恢复TSC储量，从而推进多项SDGs。

保护性农业（Conservation agriculture）：采用免耕或直接播种、秸秆还田覆盖、复杂轮作（含覆盖作物）、综合养分管理（INM）和综合病虫害管理（IPM）以及农林复合系统等因地制宜的CA措施，可保水保土、减少土壤扰动、维持农艺生产力并保持土壤健康与功能。

降低农业生态系统碳足迹（Reducing the carbon footprint of agroecosystems）：CF实践的基本原则包括产生更多地上和地下生物量、将其以覆盖物形式回田以提供持续土壤覆盖、减少侵蚀和呼吸损失以及提高投入效率。农业碳足迹（CFP）计算需遵循三项原则：设定一致的CFP边界、纳入土壤碳排放与固存、开发精细化的农业投入排放因子。

再生农业（Regenerative agriculture）：RA以恢复土壤和环境同时生产安全营养食品为理念，聚焦土壤健康和碳固存以恢复土壤功能。有机农业是RA的一种实践形式，高效利用氮素有助于恢复土壤健康并提升SOC含量。然而，放牧管理虽可最大化利润，但未必总能最大化碳固存，需显著提高碳信用价格才能大规模改变土地管理方式。

从更少中产出更多（Producing more from less）：生态集约化的目标是在单位自然资源消耗下提高生产力。关键措施包括避免土地用途转换、避免洪水型水稻田、避免盲目耕作和施肥以及单一作物种植系统。通过增加退化土壤的SOC含量来管理土壤健康，对于实现“从更少中产出更多”至关重要。

One Health方法（The One Health approach）：One Health概念基于土壤是动态生命体和众多ESs来源的原则，强调土壤、植物、动物、人类、生态系统和环境健康的不可分割性。理解和管理微生物过程在改善土壤健康、增强生物多样性和提供医疗服务等ESs方面发挥关键作用。

碳信用测量（MEASUREMENT OF CARBON CREDITS）：土壤碳信用是为农民将大气CO₂封存于土壤（以CO_2eq计）提供货币收益的系统，适用于大中小型农场。然而，这些实践对碳固存的影响存在巨大的地理空间和时间变异性，需开发简单、经济、快速的测量、监测和验证体系。碳信用支付可通过自愿碳市场（VCMs）或生态系统服务支付实现。2025年土壤碳的社会价值估计为200美元 Mg^?1碳，即每信用额度（1 Mg CO_2eq）50美元。巴西REDD项目支付范围为每信用额度3至30美元，公众愿付价格为每信用额度1.13至19美元。

碳封存支付的障碍（BARRIERS TO PAYMENTS FOR CARBON SEQUESTRATION）：主要障碍包括获得碳信用额度的程序繁琐、负担沉重且不可预测；大规模碳信用生成需要严格的核算方法；不同生态区域的测量成本存在差异；现有土壤碳量化方法在科学严谨性上差异很大。Antle等人建议，按信用额度支付生产者的合同成本可低至信用额价值的3%。

土壤碳的社会价值（SOCIETAL VALUE OF SOIL CARBON）：土壤碳的社会价值可基于TSC提供的生态系统服务为政策制定者和交易者计算，反映了有限资源的稀缺性。可采用总经济价值方法将TSC衍生的ESs类型与经济价值组成部分联系起来，也可通过赋予TSC决策权重来评估社会价值。

土壤健康法案（SOIL HEALTH ACTS）：通过生态系统服务支付激励BMPs的实施需要县级、州级、国家级、区域级和全球级的土壤健康法案（SHAs）支持。SHAs对激励全球约5.5亿小农户、推进联合国SDGs以及利用VCM机会至关重要。SHAs应聚焦激励土地管理者采纳因地制宜的BMPs，但绝不能用于惩罚因个人、社区或生态原因未采纳BMPs的人。

五、讨论与结论

全球21世纪问题包括人为气候变化、粮食和营养不安全、水资源短缺、生物多样性减少、农村贫困以及2030年SDGs无法实现的风险。农业需要从问题的一部分转变为解决方案的一部分。CF作为将大气CO₂转移至陆基碳汇的工具应运而生，但仍面临阻碍BMPs采纳的诸多挑战。研究人员强调，需要建立标准化方法以在农场、州、流域或国家层面可靠评估土壤碳信用；必须开发系统、工具和协议，通过VCM或基于土壤碳社会价值（约200美元 Mg^?1）的ESs支付来奖励农民；碳信用测量成本和交易协议成本必须最小化（约为碳信用价值的3%）。碳信用可包含TSC固存与其他ESs（如水资源保护和生物多样性增加）的组合，需要健全的测量、监测和验证体系。研究结论指出，亟需制定和实施国家层面的SHAs，以激励和奖励农民固存碳并强化其他关键ESs，这些SHAs必须亲自然、亲农业、亲农民。