耕地系统增产—降污—固碳多效协同：机制、潜力及技术路径

陈 浮，张莞悦，华子宜，朱燕峰，马 静，朱新华

（1.河海大学公共管理学院，江苏 南京 211100；2.自然资源部长三角国土生态与土地利用野外科学观测研究站，江苏 常州 213200；3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

农田生态系统在维护粮食安全、缓减全球气候变化等方面具有重要作用。有研究估算，全球农田土壤保守每年固碳量可达33～68 Gt[1]。鉴于我国农田土壤碳含量偏低，土壤碳库提升潜力可能更大[2]。中国仅有全球7%的耕地面积，却承载着世界22%的人口[3]，日益增长的粮食需求让我国耕地系统不得不承受着持续高强度、集约化农业生产胁迫，耕地系统面临着地力消耗过快、生产力下降和生态环境本底持续恶化[4]。耕地系统生产力、土壤肥力和可持续性很大程度上取决于土壤有机碳。然而，集约化生产不但大量消耗土壤有机碳，化肥农药过度使用还引发严重的农业面源污染问题，加剧农田温室气体排放，掣肘耕地系统碳汇形成[5]。此外，受人类活动影响，农田土壤碳库亦表现出高度不确定性和失稳。因此，如何协调耕地系统生产、污染和碳汇，扭转当下困局，实现增产—降污—固碳多效协同，对国家粮食安全、耕地保护转型和创新及碳中和实现具有重大意义。

耕地系统既是碳排放源，也是重要的碳汇，其碳转化是涉及土壤性质、环境和人为因素的复杂过程[6]。国内外学者已对耕地系统生产或固碳等领域展开深入研究。1981—2000年中国耕地系统碳平衡由碳源逐渐转变为碳汇，粮食单产同步增加，但同期农业面源污染也逐渐扩大[7]。大量化肥的投入，促进了粮食单产的稳定和提高。同时调节农田土壤碳氮比，有利于耕地系统碳固存[8]。然而，1978—2020年中国化肥使用量增幅高达494.0%，而同期国内粮食总产量仅增加120.0%[9]。外源无机肥使用在一定程度上增强了土壤碳固持能力，但也对耕地系统生态环境产生了极大的危害。（1）从温室气体排放来看，化肥施用后大约10%原地脱硝[10]，化肥过量使用必然加大N2o排放，抵消土壤固碳在缓解全球变暖中的作用。（2）从污染物排放来看，中国农作物对化肥的直接利用率低下，一些地区氮素流失率高达70.0%[11]。大量流失的氮素直接进入径流或地下水，不但引发农业面源污染或水体富营养化，还会影响农作物的生长需求，导致增肥不增产。此外，氮、磷和农药等物质还可能刺激微生物分解纤维素为主的残茬作物，从而限制土壤有机碳封存，甚至激发土壤酸化来限制作物根系生长，对土壤—植物—生物呼吸和碳固持产生不利的影响[12]。（3）从碳固持效应来看，化肥使用提高了作物产量，同时将一部分肥料以作物残茬、根系和根际沉积等方式保存下来，直接介导土壤有机质分解和矿化过程，从而间接影响土壤碳输入与封存[13]。总体来看，耕地系统是一个多要素多功能相互作用、相互制衡的耦合体，生产、降污与固碳三个功能之间的联系并不是简单的单向线性关联。因此，精准理解多要素间的互作机制是最大程度挖掘耕地系统多效协同潜力的关键。然而，当前从增产—降污—固碳视角研究耕地系统多效协同几乎空白，更缺少必要的管理措施和匹配的技术体系支撑耕地系统同步实现增产—降污—固碳多效能潜力。

中国地域辽阔，耕地分布范围广，自然禀赋和经济社会空间异质性大，不同区域耕地土壤类型、粮食单产、种植制度和肥料用量不一，导致耕地系统生产力—降污潜力—碳库容量差异显著。然而，这些差异产生的机制是什么？空间分布规律如何？是否有增产—降污—固碳多效协同的潜力？这些问题亟待科学解答。为此，本文从耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升的科学内涵出发，深入探讨三者之间的内在关联与互作机制，科学制定多效协同提升框架，评估耕地系统增产—降污—固碳协同潜力，并阐明耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升的关键技术路径，为我国粮食安全、绿色农业及耕地保护转型与制度创新实施提供理念依据。

1 耕地系统增产—降污—固碳多效协同的科学内涵

健康的耕地系统能够持续维持较高的生产能力，受外界干扰时能够迅速从无序状态恢复至有序状态，并具备平稳的系统运行能力。耕地系统健康可以用生产能力、维持能力和恢复能力三个维度加以衡量，本文研究的核心是粮食安全，侧重于耕地系统的稳定性、持续性和恢复力[14-16]。该视阈下耕地系统健康主要包括4个方面：（1）本体健康，自身具备强大的生产力和自净能力，维持系统生产和自净功能；（2）母体健康，作为农作物生长载体，必须能够支撑作物健康生长，并确保农产品品质和质量安全；（3）受体健康，拥有在农业生产过程中不受水、肥料、农药等外源物质损害或污染的能力；（4）系统健康，耕地系统作为生态系统的重要组分，与生态系统之间物质和能量交换过程中不对自然环境产生危害，并消化或分解自然系统残余能量。然而，随着城市化、工业化和耕地位移的影响，当下我国耕地系统地力退化、土壤板结、环境污染等问题凸显，耕地健康面临着巨大挑战。

耕地系统具备一般生态系统的生产、服务、抗逆等功能，受外界干扰时能维持正常运行并有向初始状态逆溯的能力，即耕地系统弹性[15]。理论上，系统弹性由三大部分组成，包含抵抗力、恢复力和持续性。抵抗力指系统对影响因素的抵御能力，或指系统偏离于稳定态的程度；恢复力指系统被某种程度干扰后进行自我恢复的能力；持续性指系统维持某种状态的时间长短。这三个要素决定了系统弹性的内涵，一是弹性强度，即抵抗扰动能力和恢复常态能力的大小；二是弹性限度，即系统可承受变化的范围大小。对耕地系统而言，弹性强度大小基本取决于耕地系统质量状况，如从我国东南至西北地区，受气温、土壤、降水等自然因素影响，农作物生长适宜性逐渐降低，耕地系统弹性强度随之下降；而弹性限度的大小则取决于土壤和农作物的极限阈值，极限阈值越高，弹性限度就越大。从全国尺度来看，耕地系统应当满足区域生态、经济和社会的协调统一。因此，不同区域耕地系统适应性不一，在满足粮食安全前提下，不同地区耕地系统各类功能可按实际需求作适当的协同/权衡处理（图1）。

图1 耕地系统增产—降污—增汇多效协同的逻辑关联Fig.1 The logical correlation of multi-effect synergy of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

我国耕地总体质量不高，有机质含量偏低，粮食增产的内源驱动力不足[17]。除依托先进的生物育种技术外，粮食增产离不开化肥和农药等物质投入。然而，大量化肥农药投入换取的粮食产能是短视行为，不稳定且难以持续。一旦耕地本体健康受到损害，母体健康极难幸免，生产的农产品品质难以保证。众所周知，土壤有机碳由有机物质、有机物质与矿物共存的物质及有机物质直接连接的有机质共同组成[18]，承担植物养分供应、微生物生命维持等重要作用。实践来说，高产农作物会提供更多作物残茬、根系及分泌物等有机物还田，扩大碳库容量，并正反馈于作物产量，但这种用养结合过程非常缓慢，有时20～30 a才见效[19]。此外，作物残茬、凋落物等有机物降解形成有机碳高度依赖于土壤微生物，而化肥、农药过量使用对微生物毒性较大，导致微生物功能受损，耕地系统自然碳汇形成和有机碳矿化周转时间可能更长，严重制约土壤肥力的提升[20]。总体来看，耕地有机碳含量是粮食高产稳定的基础肥力条件，化肥是改善耕地生产能力的必要环节。然而，长期的高强度化肥投入引发农业面源污染，降低了耕地系统弹性强度，阻碍了增产—固碳—再增产的往复循环。综上可以判定，耕地系统增产—降污—固碳具有高度协同性和一致性，三者协同是耕地系统健康运行的关键所在。

此外，我国耕地系统自然、经济、社会和生态本底千差万别，决定了适应性和恢复力有显著的空间差异。因此，耕地系统增产—降污—固碳多效协同并不是强调“运动式”无限增长的“多效”，而是资源承载力理性范围内的“协同式”提升。多效协同的准绳是增产优先，并尽量达成其他功能的最大化以反哺粮食增产，实现耕地系统多要素多功能协调。目前，耕地系统的核心任务是满足我国当下及未来人口的食物需求，并积极推进降污固碳，为碳中和目标实现贡献绿色农业智慧。然而，我国耕地系统或限于增产难，或困于固碳少，或迫于污染重，如何统筹、妥善处理好三者之间的平衡关系，推进耕地系统高效、绿色和生态化运维，对未来粮食安全和生态安全具有重大意义。

2 耕地增产—降污—固碳多效协同提升机制

2.1 耕地系统碳汇形成的关键过程

不同于森林和草原，耕地系统受人为干预更加强烈。因此，具有更高的碳排放强度和净生态碳汇潜力。耕地系统碳吸收过程主要包含农作物光合作用和土壤碳固存[12,21]。农作物根据自身生长需求分配光合碳，其中：一部分存储在谷物中；另一部分存储在秸秆中，被收割或作为有机碳底物还田；剩余部分贮存于根系及其他凋落物，经腐熟分解为营养性有机碳，再被微生物利用转化为惰性碳，并封存于土壤。人类活动在耕地系统净碳汇形成过程中起关键作用，翻耕、灌溉和施肥等活动打破了固有的碳平衡，改变土壤环境和微生物群落结构与功能，从而影响土壤有机碳的固定和分解[22]。先前研究表明，自然系统向农田系统转变造成热带和温带森林土壤有机碳分别下降75.0%和60.0%，带来土壤质量和生物生产力的下降，并进一步威胁粮食安全和气候变化[23]。

耕地系统净生态碳汇潜力受土壤类型、气候条件、种植作物及人为管理措施等多重因素影响。例如，我国东北地区黑土有机碳含量非常高，但近40 a不合理的开垦利用，再加干旱等自然灾害频发，黑土有机碳损失非常严重。特别是一些坡耕地中，缺少保护性耕作措施，集约化农业引发大规模坡面侵蚀，致使黑土层变薄、有机碳含量下降超过80.0%[24-25]。又如，黄淮海平原气候温暖，雨热同季，已成为我国旱改水型农田整治重要区域。水稻根系发达，向土壤提供了更多的碳输入，淹水过程也促进了腐殖质积累，碳储存显著增加[26]。值得注意的是，灌溉大大提高了雨养农业区土壤生产力和固碳能力，但一些地区降水不够丰富，靠大规模开采地下水维持农业灌溉，不但增大了区域蒸腾作用，引发地表高温效应，还可能导致土壤返碱，又负作用于粮食增产。从全国来看，土壤、作物和气候之间的关系复杂，耕地系统碳汇提升既要从粮食增产主导功能去通盘把控，也要从区域适宜性去科学匹配。因此，精准认识耕地系统碳汇形成过程及限制性因素，有利于科学管理模式实施和技术合理化应用，确保增产同步下碳汇持续稳定增长（图2）。

图2 耕地系统碳汇形成关键过程及降污自净机制Fig.2 The key process of carbon sink formation and the mechanism of pollution reduction and self-purification in cultivated land system

2.2 耕地系统绿色利用与降污自净机制

耕地系统具有应对外界干扰的抵抗性和适应性能力，并维持系统循环和物质代谢[27]。耕地系统主要污染物源于污水灌溉、化肥农药和大气降尘，包含有机物、重金属、抗生素和微塑料等。耕地系统自净能力主要来自土壤消纳作用和作物吸引降解，包含物理、化学和生物净化等多种方式[28]。研究表明，高温和大风可能改变土壤温度，从而促使某些易挥发污染物逸散[29]。土壤中非均质土粒易形成孔隙，经分散或团聚将污染物包裹并降低生物毒性[30]。土壤颗粒还能够吸附土壤溶质中胶体颗粒，经聚积和浓缩形成生物膜。此外，土壤中一些金属离子，可与污染物发生中和、氧化、还原、水解等化学反应，改变污染物化学性质。如铜离子与碱性污染物生成难溶解的氢氧化铜，从而降低了生物毒性[31]。

土壤微生物是维持土壤系统和实现净化功能及其物质和能量转化的重要组分，其群落多样性、稳定性和恢复力对土壤污染物平衡起关键作用（图2）。耕地系统中微生物多样性、丰富度与净化功能呈显著正相关关系[32]。例如，大量厌氧、好氧和兼性菌群活跃于土壤、植物根际与叶表面，利用氧化还原反应促进养分供给与养分循环，实现消污自净功能[33]。一些农作物也吸收、富集或分解某些有机或重金属污染物。然而，耕地系统自净能力具有明显的阈值效应，当外界污染浓度低于阈值时，系统可通过吸附、络合、硝化和反硝化等实现污染物迁移转化[34]；一旦污染浓度超过阈值，自净功能将难以为继。耕地系统生态环境紊乱，土壤微生物结构异化、功能下降，继而影响有机碳转化与形成，降低碳库周转和容量，严重威胁耕地系统生产力、恢复力和稳定性[35]。因此，增产应以不破坏耕地系统健康为底线，逐步探索绿色高效低碳利用方式，创新耕地系统资源节约、空间集约、产出高效、科技先进和环境友好的技术路径。

2.3 耕地系统多效协同机制与适应性管理

多效协同的本质是利用耕地系统的自恢复能力，充分激活系统要素，促进耕地系统的正向演替并形成稳定的自维持状态。然而，耕地系统是一个高度与周围环境要素进行物质、能量和信息交换的复杂系统，具有复杂性、动态性和不确定性等特点[36]，并且每一个特定区域的单一耕地系统都会经历成长、保护、释放和重组4个不同阶段并依次循环[37]。通过物理、化学、生物和农艺管理措施，改变土壤结构和营养物输入，改善田间环境和微生物群落结构与功能，从而提升耕地系统的污染削纳能力和固碳潜力，加速生物化学循环和物质、养分积累，最终正向作用于耕地系统的粮食生产能力，并进一步利用作物留茬、植物吸收与修复等反馈反哺于耕地系统，形成一个完整的正向协同提升机制。但不同农业区耕地系统发展水平差异大，功能需求和提升潜力也存在较大差异。因此，亟待引入全新的管理理念——适应性管理，它强调基于生态系统的本底状态，制定与之相适应的管理措施，持续监测与评估管理生态系统以获得有益经验，并根据生态系统变化适时调整管理政策与实践措施[38]。因此，若要实现耕地产能持久提升，必须统筹增产—降污—固碳之间的协同关系，采用适应性管理手段从规划、实施、监管等方面不断增强耕地系统正反馈和自适应能力。

耕地系统多效协同适应性管理应遵循因地制宜、因时制宜和因情制宜的准则。（1）正确认识与界定管理对象。从耕地系统的核心任务出发，落实不同农业区多效协同提升适应性管理的内涵，依据不同农业区最迫切的需求，针对性保护特定功能农业空间。例如，中原地区粮食单产相对较高，但受灌溉条件限制，产能提升潜力不大[26]。该区域应重点关注污染防治和地下水漏斗问题，适度休耕、增加覆盖，提升土壤碳库；西南山区耕地撂荒严重，主要受田块破碎化影响，农业机械化水平低、种植业收益率差。该区域耕地亟需加强科技创新，优化农业结构，推广现代化大农业种养结合等有效方式改善撂荒状况；黄土高原丘陵沟壑区和长城沿线风蚀区气候干旱、土层浅薄、立地条件差。该区域需大力发展节水灌溉、实施整修梯田、培植防护树篱等田间工程措施，提升水土保持能力。（2）明晰具体管理提升目标。耕地系统增产、降污和增汇提升潜力评估是厘清多效协同提升与空间阈值的关键，根据耕地系统现状分析，结合过往实施的管理保护政策，制定有针对性和可操作性的提升方案。例如，东北黑土区粮食单产高、土壤肥沃，黑土有机碳持续下降主因是过度利用，恢复远跟不上消耗。2017年黑龙江省龙江县提出实施秸秆翻混、碎混和覆盖还田，有机肥深混培肥土壤和大豆参与的轮作及保护性耕作等措施（简称“龙江模式”）。截至2021年，黑土地保护利用“龙江模式”累计实施7 827万亩，占黑龙江全省黑土地面积的50.2%。示范区黑土有机质提高了3.6%，旱地土壤耕作层平均达到了30.7 cm，恢复至自然土壤中厚黑土层的水平[39]。因此，该区域重点是有机碳库的恢复和提升，每年应明确对多大面积的黑土地实施保护性耕作，并针对作物覆盖的最低数，有机肥输入比例，轮作、休耕或绿肥种植的最低数等制定计划。（3）突出主次，兼顾多元，实现可持续管理目标。例如，西北地区推广土壤质量精准管理，推动区域耕地保育，并提出“制定耕地轮作休耕规划，实现耕地质量的自然修复”、“加强耕地质量培育，控制耕地外来污染”、“实施科技创新驱动的耕地质量提升示范工程”和“促进生产生态平衡，完善耕地质量政策支持体系”等方针；广东省台山市通过“降—阻—控”方案，先投放碱性物料“降酸”，再通过增施有机肥等方式“阻酸”，以科学配方施用化肥等方式“控酸”，改善冲娄镇土壤环境，使年均亩产得到提高。因此，管理实施过程中，应加强对耕地系统生态反馈的监测，制定推广不同农业区耕地系统多效提升效果评价指标，持续监测评估提升成效。全面掌握耕地系统生产力、稳定性和恢复力变化及互馈过程与机制，健全完善统一的全国耕地系统生态信息网络，为科学问题诊断、管理缺陷识别等奠定坚实基础（图3）。

图3 耕地系统多效协同提升适应性管理Fig.3 Adaptive management of multi-effect synergistic enhancement in cultivated land system

3 耕地系统增产—降污—固碳多效协同评估框架及提升潜力

粮食安全是当今和未来中国可持续发展面临的一项重大挑战，持续增产是粮食安全的先决条件，降污固碳是粮食安全的物质基础，增产—降污—固碳多效协同提升是支撑“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要环节。中国耕地空间分布广，自然、经济、社会和农艺管理复杂，生产能力、环境本底和生态增益具有显著的地域分异性。因此，厘清耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升潜力，对未来科学优化生产、治理和管护具有重要意义。为此，本文构建了耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升潜力评估框架，包含4个步骤（图4）。

图4 耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升评估框架Fig.4 Assessment framework for multi-effect synergistic enhancement of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

（1）耕地可实现增产潜力预测。利用中国耕地粮食生产潜力与耕地质量级别粮食实际平均产量之间差值表征增产潜力，其中，中国耕地粮食生产潜力采用FAo和国际应用系统研究所研发的GAEZ生产力模型估算[40]，先根据气候数据估算小麦、玉米、水稻、大豆和甘薯5种作物气候适宜性，再利用适宜作物的逐级限制法计算耕地粮食生产潜力，气候、耕地等数据源于中国科学院资源与环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/Default.aspx）。最后依据增产潜力大小划分高、中、低三个等级。具体公式如下：

式（1）—式（2）中：Yt为粮食总生产潜力；Yr为雨养条件下的粮食生产潜力；Yi为灌溉条件下的粮食生产潜力；i为国家统计局统计的全国各县（市）灌溉面积与总耕地面积的比率；Yp为耕地增产潜力；Ys为不同耕地质量等级下粮食生产潜力，具体参见2015年公布的《中国耕地质量等级调查与评定》。

（2）耕地系统降污理想潜力预测。利用耕地消纳氮素潜力表征系统降污潜力，其中：农田氮肥总投入数据源于FAo和中国农业统计年鉴，将各作物氮肥使用量依作物类型空间化，流失系数采用雷俊华等人研究成果[41]，并假定耕地系统消纳流失氮素为系统降污理想潜力。所需生态数据源于国家生态科学数据中心（http://www.nesdc.org.cn/）。具体公式如下：

式（3）—式（4）中：Nt为中国农田氮素使用总量；No表示仅单一氮肥使用量；Nm表示氮混合肥使用量；Np为耕地系统理想降污潜力；δ表示氮肥流失系数。

（3）耕地系统增汇理论潜力预测。利用区域同一土壤类型有机碳最大值与耕地有机碳实际值之差表征系统增汇理论潜力，区域耕地同一土壤类型有机碳最大值和实际值采用有机质系数转换获取，数据源于国家青藏高原科学数据中心的“中国土壤有机质数据集”（https://data.tpdc.ac.cn/）。具体公式如下：

式（5）中：Ct为耕地系统理论固碳潜力；Cm表示农业二级区划下各区域耕地有机质最大值；Cf为耕地土壤实际土壤有机质含量；1.724为有机质转换为有机碳的系数。

（4）综合潜力区划。按增产优先、降污增碳不打破增产的基本准则，将不同地块增产、降污和增汇潜力栅格数据利用ArcGIS 10.6空间叠加分析功能进行空间正向优先排序[33]，形成高、中、低不同组合的综合潜力区。

多效协同是耕地系统扩大资源环境承载力的有效手段，对粮食安全和生态健康起决定性作用。图5显示我国耕地系统增产—降污—固碳潜力呈现复杂的空间格局及分异特征。（1）全国耕地系统增产潜力巨大，可实现增产潜力达1.40亿t/a；（2）全国耕地系统理想降污潜力为720.0万t/a；（3）全国耕地系统理论固碳潜力为1.49 亿t/a，其中：高、中增汇潜力区占96.6%，显示当下我国耕地系统有机碳含量偏低，封存潜力巨大。对全国不同地块增产—降污—固碳的潜力进行空间正向优先排序，最终形成27个小类的综合潜力区（图6）。

图6 耕地系统增产—降污—固碳潜力综合分区Fig.6 Comprehensive zoning of potential for production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

4 耕地增产—降污—固碳多效协同提升技术路径

2022年，自然资源部、农业农村部、国家发展改革委员会和生态环境部等联合印发农业绿色转型发展方案，要求各地将固碳增汇、污染防治和生态保护等理念融入耕地利用。然而，我国耕地系统增产—降污—固碳潜力呈现高度空间分异格局，各区域单一或协同提升重点不一。现有技术储备绝大部分仅从单一功能出发，难以满足增产—降污—固碳多效协同提升的需求。为此，本文提出耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升的技术路径（图7），具体的技术如下。

图7 耕地增产—降污—固碳多效协同提升关键技术Fig.7 The key technologies for multi-effect synergistic enhancement of production increase-pollution reduction-carbon sequestration in cultivated land system

4.1 生产障碍消减技术

消减产能提升障碍因子是增加粮食单产的前提和关键。当前，我国中低产田占耕地总面积70%，退化耕地超过了40%[42]。这是掣肘粮食安全的瓶颈，同时也是增产潜力所在。因此，产能提升应首先着眼于消减障碍因子、有序恢复地力。从图5（a）可知，我国低增产潜力区主要分布于南方丘陵山区、长江中下游丘陵区、晋陕甘黄土高原丘陵沟壑区和西南山区，增产潜力低与丘陵山区地形、土壤等自然因素密切相关。研究发现，我国坡耕地土壤流失高达1.5×109t/a，大量有机碳和养分流失，导致坡耕地肥力贫瘠[43]。为此，应采取适度降坡或等高耕作+复合树篱技术减少水土流失，有效截留土壤养分，增加水固持能力，初步恢复耕地系统耐用性。针对西北黄绵土、南方红壤土、西南紫色土和东北盐碱土等高盐、高酸、持水差等逆生境土壤，采用分子生物学技术增强作物抗逆性，同时筛选抗逆适生微生物重组、优化和驯化，形成植物—土壤—微生物互作调控手段。如XIA等[44]发现调控靶基因osCYP51G3的表达，可调解水稻生长发育及盐胁迫响应；LIAN等[45]证明水稻SST基因变异增加了植物盐胁迫适应性，同时调动、富集土壤中根瘤菌、硫单胞菌等协同抵抗盐胁迫；XU等[46]证明了甘油-3-磷酸摄取基因在大豆和高粱等作物中通过操控微生物群落特征变化，增加宿主抗旱能力。因此，耦合不同技术组合优势，激发土壤恢复力和作物抗逆性，削减产能提升障碍因子，持续增加耕地系统生产力和稳定性。

4.2 农艺管理革新技术

化肥农药是维持粮食高产稳定的重要手段。然而，长期大量使用化肥农药打破了耕地系统物质循环和养分平衡。有研究表明，持续施用40～50 a化学氮肥严重破坏土壤碳平衡，土壤碳库和固持能力下降，从而导致作物减产[47]。因此，集约化石油农业模式变革势在必行。（1）研发高效低残留化肥农药，实现减量化使用，从源头上防控污染风险。例如，严艳鸽等[48]发现葡聚糖改性磷肥显著提高小麦产量和土壤速效磷含量，促进小麦对磷素吸收利用，减少磷素固定和流失；（2）革新农艺管理，提高全要素利用率。SUN等[49]证实，在垄沟下运用控释尿素和地膜覆盖可以大幅提高土豆产量，并减少碳足迹。LI等[50]研究发现利用塘洼等小水体可提高水稻灌溉自给率28.0%，并减少2.0%～13.0%的干旱产量损失。在干旱缺水及土壤容重大的区域，深耕能够显著地提高耕地系统土壤有机碳含量[51]；（3）科学实施轮作和休耕，休养治理一体化。河北地下水漏斗区通过轮作倒茬和季节性休耕实现单产提高10.0%[52]，压减地下水超采8.6亿m3[53]；（4）充分利用现代科学技术，实现全域全覆盖监管。农业污染具有分散性、不确定性和滞后性等特点，无人机航拍和遥感技术可以满足监管要求的大尺度、动态性和连续性。同时，建立耕地系统末端监测体系，精准识别作物和耕地健康，实现及时发现与快速应对，总体上形成时空俱备的技术和适配管理模式，达成耕地系统增产降污固碳多效协同潜力。

4.3 环境材料交互微生物强化技术

培肥土壤是提高生产力的重要途径，土壤微生物很大程度上影响着土壤养分循环和代谢，决定了土壤中碳的净流动，控制着碳输入和处理速率以及稳定性。但要操纵土壤微生物组去实现特定的功能（如加速碳固存）并非易事。然而，微生物对环境变化极为敏感，土壤环境变化会极大地改变微生物群落结构和功能。因此，为微生物提供适合的“庇护所”，可以引导某一类功能微生物更好地发挥其强大功能。研究表明，环境友好材料在提高土壤质量和降解污染等方面潜力巨大。SoNG等[54]证明生物炭参与农药的根际消散，降低作物对农药的吸收；TAN等[55]也证实生物炭对重金属、磷、氮以及新兴污染物有高吸附能力。此外，堆肥可以减少养分损失，提高作物产量，并可作为化学肥料的绿色替代品。因此，运用适当的环境友好材料作为土壤改良剂，为微生物生长发育提供良好的“庇护所”。但值得注意的是，微生物固碳或增产策略必须遵循如下步骤：（1）使用先验知识，识别、筛选可促进土壤碳固存或增产的微生物群或性状；（2）扩增功能微生物。可以通过增强与作物菌根共生，或通过基因编辑直接操纵土壤微生物群落特定功能性状表达等手段来实现；（3）验证微生物组在实际环境中的效率。操纵微生物助力耕地系统持续碳封存或增产，应协调其空间异质性，尤其是不断变化的全球气候背景下，土壤微生物的适应性和稳定性是耕地系统持续增产增汇的核心动力。

5 结论与讨论

5.1 主要结论

耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升是实现“藏粮于地、藏粮于技”战略的重要途径，对国家粮食安全和生态文明建设意义重大。从耕地系统增产—降污—固碳的科学内涵出发，阐述三者间相互依存关系和协同提升机制，系统评估协同提升的潜力。结果表明：（1）耕地系统增产、降污和增汇具有高度的一致性和协同性，其多效协同可保障耕地系统的自主粮食增产与固碳稳定，并确保耕地系统健康和永续利用；（2）耕地系统碳汇形成的关键过程包括：化合转化、作物残茬转化、根系/凋落物转化和微生物转化，并受土壤类型、气候条件、种植作物和其他人为管理措施等因素的影响；（3）全国耕地增产、降污、增汇潜力分别为1.40亿t/a、720.0万t/a和1.49 亿t/a。综合高潜力区域主要分布在黄淮海平原区；（4）耕地增产—降污—固碳多效协同提升技术路径包括生产障碍消减技术、农艺管理革新技术和环境材料交互微生物强化技术，促进耕地增产—降污—固碳多效协同潜力。

5.2 讨论与启示

耕地系统向绿色高效健康利用转型是中国式现代化的主要任务之一。当前我国耕地利用与质量状况呈现高度空间差异，识别耕地系统增产—降污—固碳多效协同的“卡脖子”问题，对耕地系统运行与健康尤为重要。从本文的研究结果来看，耕地系统增产、降污和固碳功能高度统一。增产既离不开固碳提供的基础营养环境，又要控制面源污染以维持系统安全运行。尽管极少有研究提及耕地系统增产—降污—固碳三效协同的概念，但有不少研究证实了耕地增产、降污与固碳两两之间的重要关联。例如，SUN等[49]证明了控制尿素对马铃薯增产具有正效应。ZHANG等[8]揭示优化氮肥可减少温室气体排放，并使土壤有机碳含量提高89.8%。LAL[18]研究结果显示，农田土壤每增加1 t土壤有机碳可使小麦单产增加20～40 kg/hm2，玉米单产增加10～20 kg/hm2，豇豆单产增加0.5～1.0 kg/hm2。从而验证了本文中增产—降污—固碳多效协同对耕地系统功能发挥的巨大作用。我国耕地系统增产、降污和固碳潜力巨大，每年可达1.40亿t、720.0万t和1.49 亿t。这一结果分别与YAN等[25]、LI等[56]、SUN等[57]相关研究的估算结果基本一致。

此外，本文强调耕地系统增产—降污—固碳多效协同提升的目标导向，将增产、降污和固碳等按照不同潜力高、中、低三个等级匹配，最终形成27小类综合潜力区。研究显示，增产高潜力区仅占2.2%，呈点状分布，主要分布在长江中下游地区、黄土高原区和黄淮海平原区，极少数分布于北方干旱和半干旱区。中等增产潜力区占42.9%，呈大范围面状分布。中等增产潜力与中等增汇潜力分布几乎一致，这侧面验证了土壤肥力在提高粮食产量中的重要作用。低增产潜力区占54.9%，主要分布于降污潜力低且增汇潜力中等区域。因此，在无污染胁迫情况下，将土壤有机碳水平提高，并辅以绿色环保肥料，能够有效地提升低潜力区粮食单产。降污高潜力区占15.0%，主要分布于我国粮食主产区，且与中等增产、增汇潜力分布一致。鉴于污染对增产和固碳有不利影响，治理高降污潜力区不仅能大幅提高粮食主产区单产和品质，还可以实现土壤碳汇稳步提升。降污中等潜力区主要分布于四川盆地、中原地区和长江中下游地区，占23.3%，区域气候条件适宜，利于粮食作物种植。高、中增汇潜力区占比高达96.6%，从侧面验证了我国耕地系统土壤有机碳含量普遍偏低，封存潜力巨大。耕地系统增产—降污—固碳多效协同潜力区域分异明显，但潜力巨大，未来应科学细化、精准提升多效协同潜力，促进绿色高效健康利用，实现耕地保护转型和技术创新。

耕地系统永续利用的前提是系统功能健康，增产—降污—固碳相互促进、相互制约。三大功能不仅受资源环境本底限制，更受政策、田间管理等人为因素主导。为切实促进多效协同提升，应从工程、技术、管理三方面着手：（1）建设高标准农田，夯实耕地产能本底。增产是多效协同的基础，高标准农田建设是落实增产必不可少的手段；（2）推动技术创新，提升耕地系统功能。探索新型肥料替代品，推广保护性耕作、秸秆还田，微生物菌剂施用等，恢复和改善耕地产能、土壤养分和污染削纳能力；（3）完善耕地生态补偿制度，加大污染惩戒与轮作休耕补贴力度，调动农户的保护积极性和自发性，全面提升耕地系统增产—降污—固碳协同潜力。