吉林省梨樹縣高有機(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，并帶來增產(chǎn)效應(yīng)。”這是國際上普遍認(rèn)可的激勵農(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)動力。

“然而，在區(qū)域及全球尺度上，沒有任何與土壤有機(jī)碳影響作物產(chǎn)量相關(guān)的可靠、定量化的證據(jù)，來支撐這樣的共識。”中國農(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重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授范明生告訴《中國科學(xué)報》，實(shí)際上，半個多世紀(jì)以來，關(guān)于土壤有機(jī)碳的增產(chǎn)效應(yīng)一直存在爭議。

近日，《自然-地球科學(xué)》在線發(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)碳對作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)爭論，并揭示了土壤固碳對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)。

論文評審專家說，這是第一個關(guān)于土壤有機(jī)碳對全球作物產(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)對氣候變化提供新視角及理論指導(dǎo)。

沒有數(shù)據(jù)支撐的“共識”

土壤有機(jī)碳是全球陸地碳循環(huán)最大的碳庫，其小幅增加可顯著減少大氣中二氧化碳的含量。2015年聯(lián)合國氣候變化大會(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，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)碳對作物產(chǎn)量的因果效應(yīng)一直是國際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

“10年來，我們團(tuán)隊(duì)一直試圖回答一個問題——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。

他們聯(lián)合美國康奈爾大學(xué)教授、美國國家科學(xué)院院士Johannes Lehmann團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了全球唯一的包含66593個試驗(yàn)處理，覆蓋不同氣候、土壤條件與管理措施的13662個田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)集，突破了過去研究方法難以區(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、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生馬煜卿說，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，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)界長期以來把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。

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，這個概念能反映單位土壤有機(jī)碳變化對作物產(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土壤固碳可以實(shí)現(xiàn)的最大增產(chǎn)空間。

“從全球來看，理論上說，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%的糧食短缺問題。”范明生說。

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)合國政府間氣候變化專門委員會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2000萬噸的糧食產(chǎn)量，占全球糧食總產(chǎn)的0.7%。

范明生解釋說，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，如果期望通過土壤固碳來遏制氣候變化，需要找到激勵農(nóng)民采納農(nóng)田固碳技術(shù)的措施，而不是假設(shè)農(nóng)民通過獲得更好的產(chǎn)量收益為其采納固碳技術(shù)買單。

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群等。同時，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。

就我國而言，當(dāng)前技術(shù)的土壤固碳產(chǎn)能效應(yīng)約為530萬噸，其中玉米、小麥和水稻分別為190萬噸、160萬噸和180萬噸。我國約有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，他們測算，我國農(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1200萬噸、小麥1400萬噸和水稻500萬噸，總量約占我國糧食作物總產(chǎn)的5%，可滿足我國約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，這是下一步需要深入研究的問題。

相關(guān)論文信息：

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

《中國科學(xué)報》 (2023-12-07 第1版 要聞)