李晨
“土壤固碳能改善土壤健康，并带来增产效应。” 这也是国际上普遍认可的激励农民采纳固碳技术、从而达到遏制气候变化目标的最关键驱动力。
“然而，在区域及全球尺度上，没有任何土壤有机碳影响作物产量的可靠的定量化证据支撑这样的共识。”中国农业大学资源与环境学院、养分资源高效利用全国重点实验室教授范明生告诉《中国科学报》，实际上，长达半个多世纪以来，关于土壤有机碳的增产效应一直存在争议。
我国黑龙江省建三江水稻田。受访者供图
近日，《自然—地球科学》（ Nature Geoscience ）在线发表了范明生课题组的研究论文，揭示了土壤有机碳对作物产量的因果效应。这项研究解决了土壤有机碳对作物产量的因果效应争论，并揭示了土壤固碳对全球主要粮食作物增产的理论潜力与当前技术贡献。
论文评审专家说，这是第一个关于土壤有机碳对全球作物产量影响的可靠的定量化研究，将对全球和区域土壤固碳与粮食安全，以及应对气候变化提供新视角及理论指导。
没有数据支撑的“共识”
土壤有机碳是全球陆地碳循环最大的碳库，其小幅度增加可以显著减少大气中二氧化碳的含量。2015年联合国气候变化大会(COP21)正式将土壤固碳列为缓解气候变化的有效措施之一；同时，土壤有机碳是衡量土壤肥力的重要指标，土壤固碳也被认为是实现作物产能提升和保障粮食安全的重要措施。
范明生介绍，由于作物产量是多种生态因子与管理措施综合作用的结果，而且土壤固碳与作物产能提升之间互为因果关系，因此，土壤有机碳对作物产量的因果效应一直是国际学术界的研究热点和难点。
我国华北地区小麦田块。受访者供图
“10年来，我们团队一直在试图回答一个问题：在区域及全球尺度上土壤固碳的增产效应有多大？”范明生说。
他们联合美国康奈尔大学教授、美国科学院院士Johannes Lehmann团队，构建了全球唯一的包含66593个处理，覆盖广泛气候、土壤条件与管理措施的13662个田间试验数据集，突破了过去研究方法难以区分土壤有机碳与其他因素（如气候、其他土壤性质及管理措施）对产量的影响，以及土壤固碳与产能提升互为因果关系的局限性，首次建立了土壤有机碳对作物产量的因果效应关系。
他们的研究结果显示，作物产量确实随土壤有机碳的增加而增加，固碳增产效应相当于氮肥增产效应的1/5，而当土壤有机碳达到最优化水平后产量趋于平稳。
土壤固碳可让全球增产1.2 亿吨产量
论文第一作者、中国农业大学博士研究生马煜卿说，他们证实了土壤有机碳的增产作用存在一个最优阈值，即在特定气候、土壤与作物条件下，当土壤有机碳含量达到一定阈值后，作物产量不再随土壤有机碳增加而增加。不过土壤有机碳的最优阈值并不是固定的，而是与气候、土壤以及作物类型有关。例如，玉米的平均最优土壤有机碳含量水平为43.2~43.9g/kg，而小麦为12.7~13.4g/kg，水稻为31.2~32.4g/kg。
“这改变了学术界长期以来把20g/kg作为土壤有机碳最优产量阈值的传统认识。”范明生说。
那么，土壤有机碳达到最优阈值后，作物产量究竟能增加多少？
他们进一步提出土壤有机碳产量差理论模型。所谓土壤有机碳产量差，是指目前农田土壤有机碳与最优土壤有机碳阈值条件下的作物产量之差。
范明生解释说，这个概念能反映单位土壤有机碳变化对作物产量的净影响效应。
为了更加精准估算，他们还构建了全球主要粮食作物10千米x10千米网格的土壤有机碳产量差空间分布图。
吉林省梨树县高有机碳高生产力黑土。任图生供图
马煜卿介绍，全球尺度上，玉米的最大土壤有机碳产量差平均为每公顷334~349千克，小麦为每公顷206~216千克，而水稻为每公顷174~180千克。这也意味着这些作物通过土壤固碳可以实现的最大增产空间。
“从全球来看，理论上讲土壤固碳可增产1.2 亿吨作物产量，相当于全球三大粮食作物生产的4.3%，有望解决全球86%的粮食短缺问题。”范明生说。
当前技术的固碳增产效应小于预期
他们的研究发现，当下，IPCC在指导全球温室气体排放清单核算中确定的可大规模应用的农田固碳技术，如免耕、秸秆还田以及覆盖作物等，除了在一些热点地区有较高固碳增产效应外，在全球尺度上仅能增加2000万吨的粮食产量，占全球粮食总产的0.7%。
范明生解释说，这些热点地区是指土壤固碳增产效应前25%的地区，这些地区的土壤有机碳含量低或者作物产量低，也是粮食短缺比较严重的国家或地区。
而在其他大多数地区，“当前技术的土壤固碳产能提升效应不足以作为激励农民采纳固碳技术缓解气候变化的全球性策略与政策。” 范明生说，如果期望通过土壤固碳来遏制气候变化，需要找到激励农民采纳农田固碳技术的措施，而不是假设农民通过获得更好的产量收益为自己采纳固碳技术买单。
挖掘土壤固碳的增产潜力需要新技术
范明生认为，挖掘土壤固碳的产能提升效应迫切需要开发促进农田高效固碳的新技术, 如生物炭应用，增加光合效率及增加地下部生物量生产的新品种培育，固碳土壤微生物类群改造等；同时，在全球或区域尺度上，优化分配可运输有机资源到土壤有机碳产量差大及解决粮食短缺程度大的国家或地区，也是挖掘土壤固碳的产能提升效应的有效策略。
就我国而言，当前技术的土壤固碳产能效应约为530万吨，其中玉米、小麦和水稻分别为190万吨、160万吨和180 万吨。我国约有30%的产区处于热点区域，在这些地区当前技术仍具有较高的固碳增产作用。
但是，他们测算，我国农田土壤固碳产能提升的理论潜力巨大，远高于上述数值，分别为玉米1200万吨、小麦1400万吨和水稻500万吨，总量约占我国粮食作物总产的5%，可满足我国约1.8亿人口的口粮需求。“ 但是，目前我们并不清楚什么技术能让上述潜力产能变为现实。” 范明生说，这是下一步需要深入研究的问题。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41561-023-01302-3
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