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木材作为一种具有高强重比/可再生的材料，在不同领域得到广泛应用。然而，由于人工林速生树材生物耐久性较弱，尺寸稳定性差，极大的限制了其使用范围[1]。在众多木材改性手段中，热处理作为环境友好型改性方法受到广泛关注。热处理木材是通过蒸汽、氮气等气体或导热油作为保护介质和传热介质，将木材加热至150~260 ℃并保持数小时所制得，木材中的半纤维素和无定型区部分纤维素发生热降解，木质素在热处理过程中发生交联反应，最终木材形成了新的纤维-木质素网络-交联结构[2-4]。热处理使木材化学成分和结构发生热降解和交联反应等造成处理材材色更深沉优雅，其尺寸稳定性得到有效提升，并且抗微生物能力有所提高。热处理木材以其环境友好特性、沉稳典雅的木材材色、优异的尺寸稳定性和耐久性等受到市场广泛青睐[5-8]，因此，热处理木制品被广泛用于家庭装潢、桑拿房、家具、室外用栅栏、建筑物的外墙板以及海港码头建材等[7-9]。1920年TIEMANN[10]通过高温干燥方式降低了木材的平衡含水率；1937年，STAMM等[11]利用多种气体加热木材以降低其干缩湿胀性，1945年进一步研究了热处理对木材尺寸稳定性的影响[1, 3]。近年来关于热处理对木材性能影响的研究较多，大多集中于不同热处理工艺对木材尺寸稳定性[2-5]、木材材色[12-13]、化学组分变化[14-15]或力学性能等的影响[16-18]，而探究热处理工艺与处理材质量损失率、结构构成、力学性能和漆膜附着力等的相关关系是优化热处理工艺和预测热处理材产品质量的重要途径和手段之一。本文详述了热处理对木材结晶性、化学组分、力学性能和漆膜性能等的影响，以期为今后热处理木材的材性预测和产品质量控制提供详尽的理论支持。
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20世纪末，木材热改性处理在多国实现了全面的工业化，热处理木材产品迅速进入市场并得到广泛关注。在1990年，芬兰技术研究中心实现了木材热处理的工业化，同时将其命名为Thermowood®工艺。该工艺采用蒸汽作为导热介质，处理温度为180~250 ℃[1-2]。Thermowood®按照热处理强度划分为Thermo-S和Thermo-D，其中Thermo-S热处理材用于有良好尺寸稳定性的场合，而Thermo-D热处理材用于需要良好耐久性的场合。芬兰技术研究中心还对不同树材分别制定了针叶材和阔叶材的Thermo-S和Thermo-D处理工艺。
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Plato Wood®热处理工艺由SHELL创建，主要利用水、蒸汽及空气作为导热介质[8-10]。其热处理工艺包括：①高温高压饱和蒸汽环境下将木材加热至150 ℃以上(具体温度需结合热处理树种、处理材用途等确定)保持4 h左右；②降温至常规干燥温度，直至木材含水率低于8%；③升温至150 ℃以上加热14 h左右；⑤冷却和调整过程保持2 d左右，调湿并释放处理材内部应力，同样该过程需要考虑树种和板材厚度等因素进行微调。
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法国的Retification®热处理工艺采用氮气作为保护和导热介质，其阔叶材的热处理技术发展较早。Retification®工艺一般要求初始木材平衡含水率在12%左右，在处理箱内通入氮气作为保护和导热介质(其中要求处理箱内氧气体积分数低于2%)，将木材加热至190 ℃以上，保持6 h左右并进行调温调湿过程[10]。
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德国将木材浸入充满工业用油或植物油的处理罐内，将木材加热至180 ℃以上保持数小时，该工艺被命名为德国油热处理工艺(Oil-heat Treatment)。在该热处理工艺之前要求进行恰当的木材预干燥处理。同时要求所选用传热油的沸点高于木材热处理温度。因导热油可快速均匀地加热木材，同时可将木材与空气隔绝保证处理材质量。油热处理过程所涉及的控制参数全部由计算机辅助远程控制，其中参数包括导热油消耗量、油温、内腔压力和处理时间等。基本上所有的树种均可进行油热处理，处理材主要应用于室内装饰、游乐场、景观结构以及其他室外场合等[2, 10-11]。
另外，近年来还形成了法国的波依斯佩杜尔(Le Bois Perdure®)工艺、丹麦的木材处理技术(Wood Treatment Technology, WTT®)和奥地利的哈勃霍尔茨(Huber Holz®)工艺等[4-5]。这些工艺主要的区别体现在不同的导热介质、加热温度及对木材初始含水率的要求有所不同。
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目前，已有大量热处理材干缩湿胀特性的研究。孙伟伦等[1]研究表明：热处理后木材的尺寸稳定性显著提高40.0%~63.9%。同时，在180~220 ℃范围内，随热处理温度的提高和处理时间的延长，尺寸稳定性逐渐增大，并且热处理温度对其影响更显著[2-4]。高温环境时木材中相邻纤维素链段-链段间的羟基脱水形成氢键架桥结合；同时，高温造成半纤维全部或部分发生裂解，其中的亲水基团被破坏，从而降低了木材的亲水性，最终使其尺寸稳定性提升[3]。NAVICKAS等[5]认为：高温环境下木材内部的生长和干燥应力得到释放，进一步改善和提高了木材的尺寸稳定性。
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通过调整热处理的升温曲线以获得不同性能的处理材，实现产品性能的多样化。对浅色甚至惨白的木材进行热处理可有效改善其材色，从而提高其使用价值[6-7]。HUANG等[8]研究了短叶松Pinus banksiana、美洲杨Populus tremuloides木和桦木Betula papyrifera热处理所造成的颜色变化，结果表明：热处理后木材明度L*显著下降，即木材颜色变暗。黄蓝色品指数b*有所下降，即木材颜色轻微变黄。BEKHTA等[9]和吴再兴等[4]认为：热处理材材色加深的主要原因是热处理过程中木材内的水分向外迁移时部分水溶性抽提物酚类、黄酮类等化合物随水分迁移到木材表面，使木材褪去原有的色彩，最终造成材色的改变。木材中半纤维素、木质素的降解和氧化，以及低分子物质缩聚反应生成的有色物质也造成木材颜色变化。STAMM等[11]对热处理木材进行了紫外老化试验，结果表明：热处理后木材抵抗紫外老化能力略强于未处理材，但热处理材材色暴露在日光下并不稳定，随时间而逐渐褪色至灰白色。FAN等[12]认为：热处理后木材材色变化主要是由高温下抽提物的化学反应造成的。另外，SALCA等[13]认为：热处理后木材变色与高温过程新生成的醌类氧化物有关，醌类氧化物的增加使更多可见光被吸收，最终造成木材材色加深。
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INARI等[14]研究表明：热处理使木材纤维素、半纤维素和木质素均发生不同程度的热降解反应和结构变化，从而导致其机械强度降低。BORREGA等[15]认为：热处理木材力学性能的变化与质量损失率和保护介质的相对湿度有关，当质量损失率低于3%时，热处理材力学性能的略微提高与其平衡含水率较低有关。KUBOJIMA等[16]将云杉Picea asperata置于氮气和空气环境下加热至160 ℃，静态杨氏模量在热处理初期有所增加，随后减小；热处理木材脆性也有所增加；同时空气为保护介质下木材力学性能变化幅度更大。LEE等[17]将50、100、150和200 ℃热处理橡胶木Hevea brasiliensis颗粒制得刨花板，结果表明：对原料橡胶木颗粒的热处理能显著改善刨花板的尺寸稳定性，但对机械性能产生了一定的不利影响。JAMALIRAD等[18]研究了高温热处理材人工老化后木材的性能变化，结果表明：180 ℃热处理基本不会影响木材剪切和弯曲强度，而长期紫外线老化则会影响木材的剪切和弯曲强度。
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BHUIYAN等[19]研究了热处理云杉的结晶性能，结果表明：热处理有水分时木材组分发生部分降解，同时减弱了结晶区纤维素的内部应力，而木材内部应力在绝干热处理过程中受到的影响则较小。GUO等[20]利用原位micro-FTIR研究了热处理木材中吸附水的化学位点，结果表明：不同相对湿度水平下热处理材形成强、中和弱的氢键结合水。
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MOHAREB等[21]研究了热处理材化学组分变化，结果表明：随热处理材质量损失率的提高(5%~15%)，处理材综纤维素质量分数由57.8%降至48.8%，木质素的相对含量则由38.5%提高到44.9%，同时木材氧碳元素质量比(O/C)的降低表明热处理过程中发生了大量的脱水反应。热处理后木材中原有抽提物蒸发及裂解，同时处理材形成新的抽提物，包括无水糖、甘露聚糖、半乳糖、左旋葡萄糖和2个C5无水糖，其中木质素衍生物为丁香醛、丁香酸和辛醛[22]。OKON等[23]利用硅油对梧桐Firmiana platanifolia木进行热处理，研究表明：处理材化学组分变化主要是由于半纤维素和纤维素的降解。MENG等[24]利用X光电子能谱(XPS)和红外光谱(FTIR)对干热空气热处理竹进行研究，处理过程中氧气体积分数低于2.5%，结果表明：热处理竹材化学组分变化与木材相似。BRANDT等[25]对高温热解的木材细胞壁结构进行研究，透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观测结果显示：200 ℃处理时细胞壁半纤维素发生部分降解，225 ℃处理时细胞壁内部半纤维素完全发生降解，而250 ℃处理时包括纤维素在内木材组分出现大规模裂解。
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INARI等[26]将热处理后的松木和榉木Zelkova schneideriana木粉与吡啶中的不同羧基酸酐或者与二甲基甲酰胺中的苯基异氰酸酯反应，结果表明：热处理木粉反应后增重率明显小于未处理材，即热处理后木材反应活性有所降低，并将热处理后木粉反应活性的降低归因于木材综纤维素中游离羟基数量的减少，特别是半纤维素的热裂解。GARROTE等[27]对蓝桉Eucalyptus globulus进行了高温(145~190 ℃)水热处理，造成抽提物的析出、半纤维素的降解以及半纤维素和乙酰化低聚糖的脱乙酰化作用，同时建立起木聚糖降解和脱乙酰化作用的联系，木材降解生成的乙酸类物质进一步促进木质-纤维素物质的降解速度。BROSSE等[28]研究了热处理榉木木质素变化，结果表明：木质素化学结构在热处理过程中发生较大变化。通过核磁共振观测到木质素分子质量减小，酚羟基数量的增加和侧链碳原子(Cα、Cβ和Cγ)的减少均证明大规模α或β-芳基-醚键的断裂。丁涛等[29]利用拉曼光谱研究了热处理木材吸湿性，结果表明：木质素是改变木材吸湿性的重要因素之一，在细胞壁水平木质素含量的增加既加固了木材细胞壁，又对木材吸湿解吸起到阻碍作用。王喆等[30]对日本落叶松Larix kaempferi进行了真空-常压热处理，研究结果表明：热处理材木质素结构单元增加，同时其表面自由基也有所增加。
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顾炼百等[31]研究了热处理樟子松Pinus sylvestris var. mongolica的耐腐性，结果表明：热处理后生成的乙酸等酸类物质使木材pH值降低至4.0~4.5，同时半纤维素大量降解，最终造成樟子松由不耐腐提升为强耐腐。热处理后木材抵抗腐朽菌和软腐菌能力有所提高，部分处理材耐腐性基本可以和铬化砷酸铜(CCA)处理材相媲美[32]。对于天然耐腐性差(4~5级)的针叶树材(如欧洲云杉Picea abies、欧洲赤松Pinus sylvestris和海岸松 Pinus pinaster等)经过恰当的热处理后，其耐腐等级可显著提高[33-34]。但是，目前热处理木材仍不能有效防护白蚁Coptotermes formosanus等昆虫及海生钻孔动物的危害[35-37]。尚需进一步深入研究。
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于家豪[38]研究了热处理木材紫外线(UV)固化涂料的漆膜性能，结果表明：热处理后UV涂料的渗透性降低，附着力有所下降。邓邵平等[39]利用聚氨酯和醇酸清漆对热处理木材进行涂饰处理，结果表明：涂饰后处理材光泽度和明度降低，同时色差有所增大。SAHA等[40]利用二氧化钛混合UV光稳定剂对热处理木材表面进行涂饰处理，结果表明：此方法可有效提升木材抗紫外能力。核磁共振研究表明：热处理造成木材半纤维素的脱乙酰化、木质素的脱甲氧基化和木质-纤维素结构的重新构建，同时还建立了解聚/降解温度与化学组分转变的关系[41]。
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热处理造成木材主要组分降解，同时裂解产物中的挥发性气体溢出最终造成木材质量减小。ESTEVES等[42]对海岸松和桉树材进行热处理，结果表明：松木与桉木的质量损失率与热处理温度和热处理时间均呈现正相关关系。
WANG等[43]对南方松Pinus spp. 进行150~225 ℃热处理，建立起热处理材质量损失率与抗弯弹性模量、抗弯强度之间的关系，同时还构建了处理材电阻抗特性、介电常数与其对应抗弯弹性模量、抗弯强度的关系，结果表明：拟合模型相关系数(R2)均大于0.95，实现了通过质量损失率预测热处理材材性的目的。
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BEKHTA等[9]对热处理云杉的色度与力学性能进行研究，建立了处理材不同湿度环境下抗弯强度与色差之间的良好线型相关关系，结果表明：处理材色度参数中的色差可用于预测处理材的力学强度。
ESTEVES等[44]建立了热处理海岸松和桉树的近红外光谱(NIR)模型，对其质量损失率交叉验证的协同系数达96%以上；对于处理材平衡含水率的协同系数达到78%以上；对其色度指数L，a*和b*的协同系数为66%以上。BRISCHKE等[45]对欧洲云杉、樟子松Pinus sylvestris和山毛榉Fagus sylvatica木粉进行热处理，建立了处理材色度指数L*、a*、b*与热处理强度的关系，并利用处理材材色对产品质量进行控制。
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CHAOUCH等[46]研究了氮气热处理木材在白腐菌Poria placenta作用下木材的质量损失率，以及热处理材主成分的变化，结果表明：热处理松木质量损失率由0增加到14.5%时，其处理材氧碳元素质量比由0.7降低至0.5。同时，松木热处理过程中的质量损失率由0增加到14.5%时，与腐朽过程的质量损失率则由25%降低至0%，即热处理后木材O/C可作为预测处理材耐久性和抗白腐性能的重要参数之一。
丁涛等[47]对白蜡木Fraxinus chinensis进行蒸汽热处理，结果表明：热处理后木材中的碳(C)和氧(O)元素比与处理材色差值有较高的相关度，同时处理材O/C随热处理温度提高而持续降低。ŠUŠTERŠIC等[48]对热处理松木边材进行X射线光电子能谱分析(XPS)，结果表明：热处理材O/C与其腐朽过程的质量损失率呈高度相关关系，即热处理材主元素可预测其抗腐朽能力。
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木材热处理是一种高温乏氧环境下的高效木材改性手段。热处理后木材的尺寸稳定性显著提升，木材沉稳优雅同时耐久性有所改善，但不恰当的热处理工艺也会造成木材开裂、脆性增加和力学性能损失严重等问题。当前，木材热处理研究应关注以下焦点问题。
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热处理造成木材物理性能显著变化，这与木材的微观构造变化息息相关。从细胞壁水平研究并探讨热处理材微观力学性能变化对宏观力学性能的影响，并建立与宏观力学强度损失的关系具有重要意义。
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高温热处理过程中木材组分发生复杂的热裂解和氧化反应，这对处理材性能均产生显著影响。为进一步优化和促进热处理工艺升级，降低热处理工艺的综合能耗，尝试对木材热处理过程中加入有利与木材热裂解的催化剂。这同时为木材热处理设备设计提供理论支持。
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在高温下，木材半纤维素降解产生乙酸等酸性物质，对处理材力学性能影响较大。对中性和碱性环境下的热处理木材进行研究，以期控制处理材机械性能的损失。另外，热处理材较好的热绝缘性和电绝缘性，仍需发掘其特殊的应用场合。
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对工业化生产的热处理木材，通过数学模型建立市场常用的热处理树种的化学成分(如碳氧比和碳含量等)，木材表面色度学指数与处理材性能的关系，侧重于热处理材主要目标性能的预测，包括：生物耐久性、环境学性质(视觉特性和润湿性)、尺寸稳定性和力学性能等。同时，根据热处理木材具体的使用场合和要求，使用恰当的处理工艺。根据预测模型为木材热处理建立不同的处理等级，以及高效合理地使用热处理木制品。
Research review of material prediction and quality control of heat-treated wood
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摘要: 木材热处理技术作为一种绿色、环境友好的木材物理改性方法，不仅能够提高木材尺寸稳定性和生物耐久性，同时能有效改善木材材色，因此被广泛应用于人工林速生材的功能性改良。讨论了基于热处理技术研究的部分代表性成果，总结了当前木材热处理的主要工艺，并对未来研究提出了展望。目前木材热处理的研究主要集中于：①高温热处理对木材尺寸稳定性、材色和结晶性等性能的影响机理；②高温环境对木材主要化学组分的含量及抽提物挥发和裂解过程的影响；③木质素中酚羟基和表面自由基数量变化和反应活性研究；④热处理对木材渗透性、漆膜附着力和耐久性等的影响。在此基础上，进一步分析了热处理前后木材特征性能(质量或表面色度指数)变化与热处理强度的相关关系。其中质量损失率、处理材色差及氧碳元素比等木材本身特征参数是预测处理材材性的重要参数。未来木材热处理研究应集中于细胞水平的微观力学性能变化与宏观力学性能的影响，降低木材热处理工艺能耗水平的催化剂开发。结合热处理木材主元素含量或比例、表面材色等特性快速高精度预测其生物耐久性、环境学特性和力学特性等。另一方面，根据使用环境和要求，利用预测模型确定热处理的主要工艺参数，为后续研究提供借鉴和参考。参48Abstract: As an environmental-friendly wood physical modification method, wood heat treatment can not only improve the dimensional stability and biological durability but also effectively improve wood color, and is widely used in the functional improvement of fast-growing wood. Some representative research achievements on heat treatment technology are discussed. The traditional processes of wood heat treatment are summarized, and the future research is prospected. The present research on wood heat treatment mainly focuses on the following aspects: (1) the influence mechanism of high temperature heat treatment on such properties as wood dimensional stability, color and crystallization; (2) effects of high temperature environment on the content of the main chemical components, the volatile evaporations and degradation process of wood extraction; (3) changes and reactivity of phenolic hydroxyl and surface free radicals in lignin; (4) effects of heat treatment on wood permeability, paint film adhesion and durability. On this basis, the correlation between changes of wood characteristics (mass or surface chromaticity index) before and after heat treatment and heat treatment intensity is further analyzed. The characteristic parameters of wood such as mass loss rate, color difference of treated wood and the ratio of oxygen to carbon elements are important parameters to predict the properties of heat-treated wood. The future research on wood heat treatment should focus on the relation of micromechanical properties at the cell level and the macro-mechanical properties, and the development of catalysts to reduce the energy consumption of wood heat treatment. The biological durability, environmental and mechanical properties of heat-treated wood can be predicted rapidly and accurately based on the content or proportion of the main elements, surface color and other characteristics. On the other hand, the main parameters of heat treatment process are determined by using the prediction model according to the application environment and requirements, which can provide reference for the follow-up study. [Ch, 48 ref.]
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Key words:
- wood science /
- heat treatment /
- dimensional stability /
- lightness /
- properties prediction /
- review
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全球气候变化是人类目前面临的最为严峻的挑战，威胁着人类的生存和发展。自工业化时期以来，由于人口大幅增加和经济快速增长，造成了大量人为温室气体排放，成为全球气候变暖的主要诱因。世界气象组织(WMO)最新数据显示，2020年大气二氧化碳(CO2)质量分数高达410 mg·kg−1，比工业革命前增长60%。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第6次评估报告指出：从未来20 a的平均气温变化来看，全球升温预计将达1.5 ℃。目前，应对气候变化已成为全球共识，减少温室气体排放是缓解全球气候变暖的有效途径[1]。在此背景下，中国政府在2020年第75届联合国大会上向世界承诺，力争于2030年前实现CO2排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。碳达峰碳中和(“双碳”)是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，碳达峰碳中和目标纳入中国生态文明建设整体布局，上升为国家战略。种植业是实现碳达峰碳中和目标的重要领域之一。与其他行业不同，种植业既是重要的温室气体排放源，又有着巨大的固碳增汇潜力，推进种植业领域减排增汇将在实现碳达峰碳中和目标进程中发挥举足轻重的作用[2−3]。本研究针对种植业碳达峰碳中和目标的实现途径进行梳理总结，并提出进一步的见解，从而为种植业助力国家实现碳达峰碳中和目标提供理论支撑和科学建议。
1. 种植业碳源、碳汇特征
种植业生态系统不仅是碳源同时也是碳汇。一方面，种植业生产活动会导致包括CO2、氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)在内的温室气体排放，这部分温室气体约占全球碳排放总量的25%[4−5]。另一方面，种植业中的农田、森林和草地等生态系统通过光合作用进行生物固碳，每年固碳量能抵消全球30%的人为碳排放量[6−7]。可见种植业减排增汇是应对全球气候变暖，实现碳达峰碳中和目标不可或缺的重要组成部分。
1.1 种植业是重要的温室气体排放源
种植业是非二氧化碳温室气体(N2O和CH4)的主要排放源，在100 a时间尺度上，N2O和CH4的全球增温潜势分别是CO2的298和34倍[8]。全球人为温室气体排放量在过去几十年显著增加，其中种植业N2O排放占全球人为N2O排放总量的60%以上[9]，种植业CH4排放贡献了全球人为CH4排放量的10%左右[10]。
N2O是硝化和反硝化作用的主要产物。硝化作用是指还原态氮[铵离子(NH4 +)、氨气(NH3)和有机氮(RNH2)]在微生物作用下变为氧化态氮[硝酸根(NO3 −)和亚硝酸根(NO2 −)]的过程。N2O是还原态氮在硝化微生物作用下被氧化为氧化态氮过程中产生的副产物。通常情况下，反硝化作用是指在厌氧条件下，NO3 −或NO2 −被硝化微生物还原为一氧化氮(NO)和N2O，然后进一步被还原为氮气(N2)的过程。反硝化过程是将自然界的活性氮转变为惰性氮的过程，因此反硝化过程对维持大气氮素平衡具有很重要的意义。农田土壤是最大的N2O排放源。过量施用氮肥造成土壤N2O排放增加，是导致大气N2O质量分数上升的主要因素。由于过量施用氮肥导致的土壤N2O排放量约为3.3 Tg·a−1，占全球人为N2O排放总量的65%[8]。同时，土壤N2O排放受土壤水分状况的影响，淹水稻田在中期烤田期会强烈刺激N2O的排放。近年来，随着全球水资源短缺以及节水灌溉措施的快速发展，节水灌溉稻田成为农业N2O新的排放源[11−12]。此外，农作物秸秆不完全焚烧也会产生N2O，但数量极少。
CH4主要在厌氧环境条件下产生，它的种植业排放源主要包括：一是长期处于淹水条件下的稻田，土壤中的产甲烷菌利用有机物料(如根系分泌物、动植物残体以及有机肥等)产生CH4，进而排放到大气中[13−14]。稻田CH4排放量受到土壤水肥管理措施以及土壤有机质的影响。在一定范围内，稻田淹水高度越大，土壤中有机质越多，CH4排放量越大。二是作物秸秆不完全焚烧也会产生CH4。
除了上述直接排放，种植业生产过程中还会有大量的间接碳排放。农作物种植过程中使用的农机、农药、化肥和农膜等农业投入品在制造过程中也会排放大量温室气体[15−16]。有研究报道：农用柴油、农药、化肥和农膜等农业生产资料引起的间接排放占中国农业温室气体排放总量的34%[17]。根据《中国农村统计年鉴》，1990年以来，中国农用柴油、农药、化肥和农膜等的投入量分别上升了115%、131%、137%和440%，由此导致农业间接温室气体排放量以年均2%的速度增长[18]。
1.2 种植业具有巨大的碳汇潜力
种植业碳汇主要指农田土壤碳汇。土壤碳库是地球陆地生态系统中最大的碳库，其碳储量约为陆地植被碳库或大气碳库的2~4倍[19]。土壤具体是如何固碳的呢？土壤固定的碳最初都来源于大气。首先，植物通过光合作用将大气中CO2转化为有机物质，然后有机物质内的碳通过根系分泌物、死亡的根系以及枝叶凋落物进入土壤，并在土壤微生物的作用下，转化为土壤有机质储存于土壤中，形成土壤碳库。简单来说，土壤可以通过植物来吸收、转化、储存大气中的CO2。《第二次气候变化国家评估报告》指出：中国土壤碳库碳储量约为103 Pg。土壤碳库的微弱变化都有可能引起大气CO2浓度的巨大变化，从而影响全球气候变化。目前，中国农业发展水平较低，农田土壤固碳增汇潜力巨大。中国总耕地面积大约为1.3 亿hm2，土壤碳库尤其是主要农业区表层土壤有机碳质量分数较低。根据《2019年全国耕地质量等级情况公报》，全国耕地质量平均等级为4.76等，中低等级耕地占2/3以上，耕作层变浅、土壤退化以及耕地质量普遍较低是中国农业耕地的现状。全国耕地平均有机碳质量分数低于世界平均值30%以上，低于欧美等发达国家和地区50%以上[20]。美国著名土壤学家LAL[21]研究发现：美国土壤每年固碳潜力为7.5~20.8 Gg，中国农田土壤固碳潜力为22.0~37.0 Tg。在所有的碳中和负碳技术中，土壤固碳被公认为是成本最低、最具有潜力、最易实现和操作的，能有效冲抵能源、交通、工业等领域的碳排放。因此，只要技术合理，农田土壤固碳增汇潜力巨大，是实现中国碳达峰碳中和目标的重要支撑。
2. 种植业减排增汇途径
2.1 种植业减排途径与措施
2.1.1 农田土壤N2O减排
农田土壤N2O减排可采用减少氮肥施用、优化施肥模式、使用新型肥料(如全元生物有机肥、生物质炭基肥)和抑制剂(如缓控释肥、硝化抑制剂)、提高水肥耦合等措施，在增加作物产量的同时，有效减少N2O排放，提高氮肥利用效率，降低肥料投入成本，实现增产与减排协同。李玥等[22]指出：合理施氮是农田土壤N2O减排的关键，并提出“4R”的施肥理念，即正确的施肥量、正确的肥料类型与配比、正确的施肥时间和正确的施肥方法。尽管有机肥施用存在增加土壤N2O排放的风险[23]，但在合理施氮情况下利用有机肥部分替代化学氮肥既可以提高土壤肥力，改善土壤性状，又可以通过减少土壤氮底物有效性而降低农田土壤N2O排放[24−25]。生物质炭基肥是将生物质炭与氮磷钾肥按照特定比例混合后造粒包膜制成，可以替代普通化肥施用，同时增施了有机质。大田试验研究表明：生物质炭基肥替代化学肥料可有效减少农田N2O排放17%~64%[26]，部分试验结果还显示可减少稻田CH4排放[27−28]。硝化抑制剂可以通过降低硝化速率实现农田土壤N2O减排。目前市面上常见的硝化抑制剂有3,4-二甲基磷酸盐(DMPP)、双氰胺(DCD)和四氮本啶(nitrapyin)等。施用硝化抑制剂可降低38%的农田土壤N2O排放，但不同地区土壤和硝化抑制剂种类的减排效果存在显著差异[29]。研究表明：施用硝化抑制剂可分别降低旱作农田和稻田N2O排放46%和32%[30−31]。为了农田N2O减排，在考虑肥料施用的同时也要关注土壤水分状况，不同水分条件对土壤N2O排放影响较大。李金秋等[32]通过田间试验发现：施肥和水分管理均显著影响双季稻田N2O排放，常规灌溉和尿素施用增加稻田N2O排放，而常规灌溉管理和有机肥配施化肥模式，既能保证水稻产量，又能实现减氮和减排效果，是当地值得参考的水肥管理模式。因此，今后的农田N2O减排也要综合考虑多方面因素，制定和开展减排措施。
2.1.2 稻田CH4减排
稻田CH4减排可采用中期排水烤田、控制灌溉以及湿润灌溉等节水灌溉水分管理措施来实现[33−35]。节水灌溉在减少稻田CH4排放的同时，可能会刺激土壤N2O排放。作物秸秆还田和有机肥施用可减少土壤N2O排放，但外源有机物质的添加会加剧CH4排放。因此，只有将优化施肥模式与节水灌溉措施相结合，才有可能减少稻田综合温室气体排放。就水旱轮作农田生态系统而言，如水稻Oryza sativa-小麦Triticum aestivum轮作、水稻-油菜Brassica napus轮作，可采取在旱作生长季施用有机肥或秸秆还田，既可以提高土壤碳库储量，又可以避免有机物质的添加造成的稻田CH4排放[36]。有研究表明：施用CH4抑制剂、生物质炭或生物质炭基肥等新型肥料，可作为降低稻田CH4排放的有效手段，是种植业固碳减排协同技术的发展新方向[37−38]。同时，还可利用先进的作物遗传育种手段，选育推广高产、优质、低碳水稻品种，降低水稻单产CH4排放强度。
2.1.3 种植业间接碳排放减排
针对种植业生产造成的间接碳排放，实施化石能源消耗减量措施，主要包括对种植业生产中机械设备进行更新改造，加快老旧农机报废更新力度，推广先进适用的低碳节能农机装备，推广新能源技术，优化农机装备结构，加快绿色、智能、复式、高效农机化技术装备普及应用，降低化石能源消耗和CO2排放[39−40]。以粮食和重要农产品生产所需农机为重点，推进节能减排。实施更为严格的农机排放标准，减少废气排放。因地制宜发展复式、高效农机装备和电动农机装备，培育壮大新型农机服务组织，提供高效便捷的农机作业服务，减少种子、化肥、农药、水资源用量，提升作业效率，降低能源消耗。加快侧深施肥、精准施药、节水灌溉、高性能免耕播种等机械装备推广应用，大力示范推广节种、节水、节能、节肥、节药的农机化技术。实施农机报废更新补贴政策，加大能耗高、排放高、损失大、安全性能低的老旧农机淘汰力度。
2.2 种植业固碳增汇途径与措施
2.2.1 有机肥施用和秸秆还田
一方面，施用有机肥可以促进作物根系发育，在微生物的作用下能固定更多的CO2，且土壤团聚体稳定性显著增强，可以减少土壤中碳的损失。另一方面，有机肥施用可以提高土壤有机质质量分数。土壤有机质既有易被微生物利用的不稳定态，又包括与土壤健康密切相关的稳定态的可以长期储存碳的腐殖质。有机肥的类型、用量、配施等都会影响土壤固碳效果[41]。研究表明：长期施用有机肥可显著提高双季稻田碳汇效应与经济效益，绿肥紫云英Astragalus sinicus与猪粪和秸秆配施，稻田生态系统碳汇效益与经济效益较单施绿肥紫云英优势更明显。有机肥和无机肥配施可以增加土壤有机碳的积累。有机农业生态系统土壤有机碳比常规生态系统高20%，在前15 a土壤碳存储速率最高。秸秆还田是通过秸秆粉碎抛撒、机械还田，配套应用调氮促腐技术，将碳保留在土壤中，增加土壤有机质，减少化肥施用量，具有减肥增产、固碳、降污多重效果[42]。
2.2.2 大力推广保护性耕作
保护性耕作是对农田采用少耕、免耕或地表微型改造，结合覆盖、轮作、农药病虫害防除等措施，确保耕地可持续利用的综合性土壤管理技术体系。保护性耕作可以减少对土壤的扰动，降低土壤侵蚀，促进蓄水保墒，提高表层土壤有机碳质量分数，增强土壤固碳增汇能力[43]。相比自然植被，农业种植导致土壤有机碳显著降低，农田表层土壤的有机碳储量较草地和林地土壤分别降低45%和52%，这是由于农业耕作显著加速了不稳定颗粒有机质的周转，减少了稳定有机碳组分的形成，从而导致土壤有机碳库储量明显下降[44]。另外，土壤翻耕会破坏土壤团聚体结构、加速有机质分解，风和水的侵蚀增强，导致暴露和侵蚀的土壤中的碳以温室气体的形式排放到大气中。犁耕的碳排放量是免耕的14倍，即使采用保护性耕作机具，碳损失量也达到免耕的4倍[45]。因此，从常规深耕转向少耕或免耕可改善土壤结构、减少碳排放，增加土壤有机碳储量。在秸秆还田的基础上，免耕可显著提高表层土壤有机碳质量分数。
2.2.3 种植业废弃物热解炭化还田
中国种植业废弃物资源化利用仍处于起步阶段，农作物秸秆资源化利用是种植业废弃物资源化工作的重大挑战。目前，中国种植业废弃物常见的利用方式主要包括农作物秸秆还田和好氧堆肥还田。这些利用方式虽然可以小幅度增加土壤碳库，但是其生产或应用环节同样会造成大量温室气体排放[46]。因此，种植业废弃物的利用应基于种植业增汇和减排双重考虑。与秸秆直接还田和好氧堆肥等方式相比，废弃物热解炭化既充分保留了废弃物中的有机质和各种养分，又实现废弃物的多元、清洁和安全利用。热解炭化的主要产物生物炭质是一种富含稳定有机质和矿质养分的多组分固体炭质，具有稳定、疏松多孔且环境友好的特点[47]。利用不同性质的种植业废弃物热解炭化，可充分挖掘其养分、炭质和结构的优势，创造清洁高效、安全卫生和功能丰富的炭基产品。种植业废弃物热解炭化后还田，可以将作物光合作用固定的碳返还并长期保存于土壤，补充土壤有机碳和养分的同时能有效改善土壤结构，平衡土壤酸碱度，提升土壤缓冲性和保肥蓄水能力，为土壤固碳增汇和种植业绿色发展提供了新路径[37]。2017年，秸秆炭化还田被列入国家十大秸秆处理模式之一。2020—2021年，秸秆炭化还田入围农业农村部重大引领性技术榜单。
3. 碳标签与碳交易
实现种植业碳中和不仅需要上述传统的技术创新途径，还需要依靠新兴的经济金融手段——碳标签与碳交易。在全球绿色低碳发展的环境和经济背景下，世界农业也已进入可持续发展的低碳农业经济时代，碳标签、碳足迹和碳交易这些新兴概念应运而生。碳足迹是产品在整个生命周期内的温室气体排放总量，一般用CO2当量形式表达[48]。将碳足迹展现于产品标签之上，即碳标签。碳标签既是碳足迹的延伸也是碳足迹的载体。碳标签的主要作用是呈现产品或服务对全球变化影响的信息，把产品或服务从生产到消耗整个生命周期过程中的碳足迹在产品标签上用量化的数值标示出来。消费者可通过产品碳标签了解产品整个生命周期中的碳排放信息，引导消费者选购更加低碳绿色的产品和服务，促使企业采用各种减排措施减少碳排放，从而促进低碳社会的发展[49]。碳标签制度将自下而上地推动中国碳减排工作由强制到自愿的转变。这一新工具的产生运作必然推动中国向低碳经济发展。产品碳足迹计算是农产品碳标签制度推行的关键，作为企业应适应国际规则，积极发展低碳经济；作为消费者应培养低碳意识，养成环境友好型消费习惯；作为政府应积极扶持，助力企业产品向低碳化和标签化发展。目前应结合国家碳中和战略目标，加快推进特色农产品碳标签制度进程，促进低碳种植业的发展，助推种植业碳中和。
碳交易以可持续发展为核心，以配额交易及核证自愿减排量(CCER)交易为主要内容，充分利用市场经济对绿色发展所发挥的重要作用，不同类型企业根据自身碳排放情况对规定的碳排放配额进行配置，或用于自身发展需要，或用于市场交易，最终形成宏观和微观相结合的有重点、多层次碳排放交易格局。现阶段，中国碳交易机制具有全国交易系统与试点地区交易所相结合、行业要求与排量要求相结合、排放配额与自愿减排量相结合等特点。中国碳交易市场已有长足发展，但目前种植业碳交易特别是农田土壤碳汇交易尚处于起步阶段。在实现种植业碳中和战略目标的过程中，碳交易是不可或缺的一部分。应积极推动形成政府主导、社会参与、市场化运作的种植业碳交易体系，在保障国家粮食安全与重要农产品有效供给的同时，降低碳排放、增加碳汇，并使农民在碳排放交易中的得到更多红利，最终形成与资源环境承载力相匹配，与生产生活生态相协调的种植业低碳发展新格局。
4. 政策建议
实施种植业碳达峰碳中和要以全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化为引领，以绿色低碳科技创新为支撑，以降低温室气体排放强度、提高农田土壤固碳增汇能力、实施农业废弃物资源化利用为抓手，全面提升农业综合生产能力，建立完善监测评估体系，完善政策保障机制，加快形成资源节约型和环境友好型的农业产业结构、生产方式和空间格局。
第一，追求种植业碳达峰碳中和战略目标必须以保障粮食安全为前提。中国是人口大国，粮食安全具有重大意义，所以必须充分认识到种植业减排增汇必须以保障国家粮食安全和重要农产品有效供给为前提，科学确定减排增汇途径，合理设定碳排放峰值。种植业领域的特殊性要求不能舍弃粮食产量去偏面追求种植业减排增汇。在稳步推进田间减排的同时，要努力挖掘种植业生产过程中节能减排的潜力，大力推广先进环保节能新农具，通过提高种植业生产环节的智能化、精准化水平，降低农业投入品的使用量，从而降低能源消耗。
第二，重点围绕农作物秸秆资源化利用，加快推进种植业废弃物热解炭化还田。全球气候变化背景下中国种植业面临耕地质量与农产品安全的巨大挑战，数十亿吨的种植业废弃物处置与资源化利用任务艰巨。在应对气候变化挑战时，应充分挖掘种植业废弃物资源，政府提供技术和资金扶持，发展以热解炭化为基础的生物质技术与产业，满足国家绿色可持续农业发展与种植业减排增汇需求。未来需要积极开发创新热解炭化装备、炭基肥料、炭基材料等技术方法，推动炭基集成技术与产业模式的大规模推广，提高种植业生产者的参与积极性，不断释放种植业助力碳中和的潜力。
第三，加快技术创新，加强创新能力保障。在国家碳达峰碳中和的战略目标背景下，需要更大力度的技术创新。支持部分基础条件好、特色鲜明的综合性高校和行业高校，先行建设一批碳达峰碳中和领域新学院、新学科和新专业，鼓励自然科学与社会科学的交叉融合研究，培养碳达峰碳中和战略复合型人才。推动高校参与或组建碳达峰碳中和相关的国家重点实验室和国家技术创新中心，引导高等学校建设一批高水平国家科研平台。鼓励高校实施碳中和交叉学科人才培养专项计划，大力支持跨学院、跨学科组建科研和人才培养团队，以大团队、大项目支撑高质量本科生和研究生多层次培养。鼓励高校加强碳达峰碳中和领域高素质师资队伍建设。加大碳达峰碳中和领域课程、教材等教学资源建设力度。同时出台针对农业碳达峰碳中和的法律法规，制定相应的技术标准，组织和建立研究机构和研究平台，投入资金和科研力量，加快技术创新，研发颠覆性技术，探索区域化的整体解决方案。
第四，充分发挥政策驱动作用，加快建设种植业碳交易市场，充分挖掘种植业减排增汇的经济价值，着力提升市场内生动力。目前，种植业碳金融市场建设缓慢，与工业行业日趋成熟的碳排放核算方法相比，低碳种植业领域仍缺乏具有权威性、一致性、可操作性的碳排放核算方法。通过构建完善种植业碳标签评估标准和种植业碳排放核算方法，强化种植业碳补贴等方式，加强对种植业碳减排的政策引导，推动数字科技在金融支持种植业碳减排领域中的创新应用。在推进种植业碳交易市场扩大的过程中，政府应做好统一碳市场的顶层设计，以防止不良竞争，保证政策的可执行性及有效性；构建种植业低碳发展政策体系，制定低碳种植业发展的正负面清单，探索种植业生态产品价值实现机制，优化、创设包括法律法规、规范标准、生态补偿、监测预警、财政税收、金融信贷等多种类型政策工具，为中国种植业低碳发展提供长效规制、约束与激励。
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