吉林省梨樹(shù)縣高有機(jī)碳高生產(chǎn)力黑土。任圖生供圖

“土壤固碳能改善土壤健康，并帶來(lái)增產(chǎn)效應(yīng)。”這是國(guó)際上普遍認(rèn)可的激勵(lì)農(nóng)民采納固碳技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)遏制氣候變化目標(biāo)的最關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

“然而，在區(qū)域及全球尺度上，沒(méi)有任何與土壤有機(jī)碳影響作物產(chǎn)量相關(guān)的可靠、定量化的證據(jù)，來(lái)支撐這樣的共識(shí)。”中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院、養(yǎng)分資源高效利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授范明生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，實(shí)際上，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，關(guān)于土壤有機(jī)碳的增產(chǎn)效應(yīng)一直存在爭(zhēng)議。

近日，《自然-地球科學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表了范明生課題組的研究論文，揭示了土壤有機(jī)碳對(duì)作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)。這項(xiàng)研究終結(jié)了土壤有機(jī)碳對(duì)作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)爭(zhēng)論，并揭示了土壤固碳對(duì)全球主要糧食作物增產(chǎn)的理論潛力與當(dāng)前技術(shù)貢獻(xiàn)。

論文評(píng)審專(zhuān)家說(shuō)，這是第一個(gè)關(guān)于土壤有機(jī)碳對(duì)全球作物產(chǎn)量影響的可靠的定量化研究，將為全球和區(qū)域土壤固碳與糧食安全，以及應(yīng)對(duì)氣候變化提供新視角及理論指導(dǎo)。

沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐的“共識(shí)”

土壤有機(jī)碳是全球陸地碳循環(huán)最大的碳庫(kù)，其小幅增加可顯著減少大氣中二氧化碳的含量。2015年聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)(COP21)正式將土壤固碳列為緩解氣候變化的有效措施之一。同時(shí)，土壤有機(jī)碳是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，土壤固碳也被認(rèn)為是提升作物產(chǎn)能和保障糧食安全的重要措施。

范明生介紹，由于作物產(chǎn)量是多種生態(tài)因子與管理措施綜合作用的結(jié)果，而且土壤固碳與作物產(chǎn)能提升之間互為因果關(guān)系，因此，土壤有機(jī)碳對(duì)作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

“10年來(lái)，我們團(tuán)隊(duì)一直試圖回答一個(gè)問(wèn)題——在區(qū)域及全球尺度上，土壤固碳的增產(chǎn)效應(yīng)有多大?”范明生說(shuō)。

他們聯(lián)合美國(guó)康奈爾大學(xué)教授、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士Johannes Lehmann團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了全球唯一的包含66593個(gè)試驗(yàn)處理，覆蓋不同氣候、土壤條件與管理措施的13662個(gè)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)集，突破了過(guò)去研究方法難以區(qū)分土壤有機(jī)碳與氣候、土壤性質(zhì)及管理措施等其他因素對(duì)產(chǎn)量的影響，以及土壤固碳與產(chǎn)能提升互為因果關(guān)系的局限，首次建立了土壤有機(jī)碳對(duì)作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)關(guān)系。

研究結(jié)果顯示，作物產(chǎn)量確實(shí)隨土壤有機(jī)碳的增加而增加，固碳增產(chǎn)效應(yīng)相當(dāng)于氮肥增產(chǎn)效應(yīng)的1/5，而當(dāng)土壤有機(jī)碳達(dá)到最優(yōu)化水平后產(chǎn)量趨于平穩(wěn)。

土壤固碳可讓全球增產(chǎn)1.2億噸

論文第一作者、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生馬煜卿說(shuō)，他們證實(shí)了土壤有機(jī)碳的增產(chǎn)作用存在最優(yōu)閾值，即在特定氣候、土壤與作物條件下，當(dāng)土壤有機(jī)碳含量達(dá)到一定閾值后，作物產(chǎn)量不再隨土壤有機(jī)碳增加而增加。不過(guò)，土壤有機(jī)碳的最優(yōu)閾值并不是固定的，而是與氣候、土壤以及作物類(lèi)型有關(guān)。例如，玉米的平均最優(yōu)土壤有機(jī)碳含量水平為43.2~43.9克/千克，而小麥為12.7~13.4克/千克、水稻為31.2~32.4克/千克。

“這改變了學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期以來(lái)把20克/千克作為土壤有機(jī)碳最優(yōu)產(chǎn)量閾值的傳統(tǒng)認(rèn)知。”范明生說(shuō)。

那么，土壤有機(jī)碳達(dá)到最優(yōu)閾值后，作物產(chǎn)量究竟能增加多少?

他們進(jìn)一步提出土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差理論模型。所謂土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差，是指目前農(nóng)田土壤有機(jī)碳與最優(yōu)土壤有機(jī)碳閾值條件下的作物產(chǎn)量之差。

范明生解釋說(shuō)，這個(gè)概念能反映單位土壤有機(jī)碳變化對(duì)作物產(chǎn)量的凈影響效應(yīng)。

為了使估算更加精準(zhǔn)，他們還構(gòu)建了全球主要糧食作物10千米×10千米網(wǎng)格的土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差空間分布圖。

馬煜卿介紹，全球尺度上，玉米的最大土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差平均為每公頃334~349千克、小麥為每公頃206~216千克，而水稻為每公頃174~180千克。這意味著這些作物通過(guò)土壤固碳可以實(shí)現(xiàn)的最大增產(chǎn)空間。

“從全球來(lái)看，理論上說(shuō)，土壤固碳可增加1.2億噸作物產(chǎn)量，相當(dāng)于全球三大糧食作物總產(chǎn)量的4.3%，有望解決全球86%的糧食短缺問(wèn)題。”范明生說(shuō)。

當(dāng)前技術(shù)效應(yīng)小于預(yù)期

他們的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)在全球溫室氣體排放清單中確定的可大規(guī)模應(yīng)用的農(nóng)田固碳技術(shù)，如免耕、秸稈還田以及覆蓋作物等，除了在一些熱點(diǎn)地區(qū)有較高的固碳增產(chǎn)效應(yīng)外，在全球尺度上僅能增加2000萬(wàn)噸的糧食產(chǎn)量，占全球糧食總產(chǎn)的0.7%。

范明生解釋說(shuō)，這些熱點(diǎn)地區(qū)是指土壤固碳增產(chǎn)效應(yīng)明顯的前25%的地區(qū)。這些地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量低或者作物產(chǎn)量低，也是糧食短缺比較嚴(yán)重的國(guó)家或地區(qū)。

而在其他大多數(shù)地區(qū)，當(dāng)前技術(shù)的土壤固碳產(chǎn)能提升效應(yīng)不足以激勵(lì)農(nóng)民采納以固碳技術(shù)緩解氣候變化的全球性策略與政策。范明生說(shuō)，如果期望通過(guò)土壤固碳來(lái)遏制氣候變化，需要找到激勵(lì)農(nóng)民采納農(nóng)田固碳技術(shù)的措施，而不是假設(shè)農(nóng)民通過(guò)獲得更好的產(chǎn)量收益為其采納固碳技術(shù)買(mǎi)單。

挖掘增產(chǎn)潛力需要新技術(shù)

范明生認(rèn)為，挖掘土壤固碳的產(chǎn)能提升效應(yīng)迫切需要開(kāi)發(fā)促進(jìn)農(nóng)田高效固碳的新技術(shù), 如應(yīng)用生物炭、增加光合效率、培育地下部生物量增加的新品種，以及改造固碳土壤微生物類(lèi)群等。同時(shí)，在全球或區(qū)域尺度上，優(yōu)化分配可運(yùn)輸?shù)挠袡C(jī)資源到土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差大及糧食短缺程度高的國(guó)家或地區(qū)，這也是挖掘土壤固碳的產(chǎn)能提升效應(yīng)的有效策略。

就我國(guó)而言，當(dāng)前技術(shù)的土壤固碳產(chǎn)能效應(yīng)約為530萬(wàn)噸，其中玉米、小麥和水稻分別為190萬(wàn)噸、160萬(wàn)噸和180萬(wàn)噸。我國(guó)約有30%的產(chǎn)區(qū)處于熱點(diǎn)區(qū)域。在這些地區(qū)，當(dāng)前技術(shù)仍具有較高的固碳增產(chǎn)作用。

但是，他們測(cè)算，我國(guó)農(nóng)田土壤固碳產(chǎn)能提升的理論潛力巨大，遠(yuǎn)高于上述數(shù)值，分別為玉米1200萬(wàn)噸、小麥1400萬(wàn)噸和水稻500萬(wàn)噸，總量約占我國(guó)糧食作物總產(chǎn)的5%，可滿(mǎn)足我國(guó)約1.8億人口的口糧需求。“但是，目前我們并不清楚什么技術(shù)能讓上述潛力產(chǎn)能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”范明生說(shuō)，這是下一步需要深入研究的問(wèn)題。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41561-023-01302-3

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2023-12-07 第1版 要聞)