“土壤固碳能改善土壤健康，并帶來增產(chǎn)效應(yīng)。” 這也是國際上普遍認(rèn)可的激勵農(nóng)民采納固碳技術(shù)、從而達(dá)到遏制氣候變化目標(biāo)的最關(guān)鍵驅(qū)動力。

 

“然而，在區(qū)域及全球尺度上，沒有任何土壤有機(jī)碳影響作物產(chǎn)量的可靠的定量化證據(jù)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實驗室教授范明生告訴《中國科學(xué)報》，實際上，長達(dá)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)》（Nature Geoscience）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)。這項研究解決了土壤有機(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，將對全球和區(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，其小幅度增加可以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)為是實現(xiàn)作物產(chǎn)能提升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)界的研究熱點和難點。

 

“10年來，我們團(tuán)隊一直在試圖回答一個問題：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、美國科學(xué)院院士Johannes Lehmann團(tuán)隊，構(gòu)建了全球唯一的包含66593個處理，覆蓋廣泛氣候、土壤條件與管理措施的13662個田間試驗數(shù)據(jù)集，突破了過去研究方法難以區(qū)分土壤有機(jī)碳與其他因素（如氣候、其他土壤性質(zhì)及管理措施）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)系的局限性，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。

 

他們的研究結(jié)果顯示，作物產(chǎn)量確實隨土壤有機(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 億噸產(chǎn)量

 

論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生馬煜卿說，他們證實了土壤有機(jī)碳的增產(chǎn)作用存在一個最優(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43.2~43.9g/kg，而小麥為12.7~13.4g/kg，水稻為31.2~32.4g/kg。

 

“這改變了學(xué)術(shù)界長期以來把20g/kg作為土壤有機(jī)碳最優(yōu)產(chǎn)量閾值的傳統(tǒng)認(rèn)識。”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)。

 

為了更加精準(zhǔn)估算，他們還構(gòu)建了全球主要糧食作物10千米x10千米網(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。這也意味著這些作物通過土壤固碳可以實現(xiàn)的最大增產(chǎn)空間。

 

“從全球來看，理論上講土壤固碳可增產(chǎn)1.2 億噸作物產(chǎn)量，相當(dāng)于全球三大糧食作物生產(chǎn)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)的固碳增產(chǎn)效應(yīng)小于預(yù)期

 

他們的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下，IPCC在指導(dǎo)全球溫室氣體排放清單核算中確定的可大規(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，除了在一些熱點地區(qū)有較高固碳增產(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，這些熱點地區(qū)是指土壤固碳增產(chǎn)效應(yīng)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)不足以作為激勵農(nóng)民采納固碳技術(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)量收益為自己采納固碳技術(shù)買單。 

 

挖掘土壤固碳的增產(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), 如生物炭應(yīng)用，增加光合效率及增加地下部生物量生產(chǎn)的新品種培育，固碳土壤微生物類群改造等；同時，在全球或區(qū)域尺度上，優(yōu)化分配可運輸有機(jī)資源到土壤有機(jī)碳產(chǎn)量差大及解決糧食短缺程度大的國家或地區(qū)，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。” 范明生說，這是下一步需要深入研究的問題。