<span id="j9xlz"></span><noframes id="j9xlz"><form id="j9xlz"><th id="j9xlz"></th></form><address id="j9xlz"><address id="j9xlz"><th id="j9xlz"></th></address></address>
<em id="j9xlz"></em>

<em id="j9xlz"></em>

    當前位置:>> 首頁 > 經驗交流 > 專家觀點

    中國農田土壤固碳潛力與速率:認識、挑戰與研究建議|“土壤與可持續發展”專題

    更新時間:2021-06-30 11:02:40點擊次數:1056次字號:T|T

    導  讀


    土壤有機碳作為土壤肥力形成的基礎,不但影響土壤質量、功能和糧食產量,而且在全球氣候變化中扮演重要角色。在我國土壤資源同時面臨保障糧食安全、發揮生態系統服務功能和應對氣候變化等多重挑戰的背景下,準確把握中國農田土壤固碳潛力及速率,對于實現土壤資源合理利用和農業可持續發展具有重要意義。文章首先介紹了對中國農田土壤有機碳變化速率和土壤固碳潛力的基本認識以及研究中面臨的挑戰,而后從基礎研究、土壤信息平臺、方法體系及研究成果與國家農業管理決策支撐方面提出了研究建議。


    文/趙永存 徐勝祥 王美艷 史學正(中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室)

    來源:中國科學院院刊(2018年第2期)


    土壤是陸地生態系統的核心,是人類賴以生存的重要自然資源。土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)作為土壤肥力形成的基礎,不但影響土壤質量和功能,而且在全球氣候變化中扮演重要角色。SOC 是土壤肥力的決定性因素,其含量高低、質量好壞直接影響土壤肥力屬性,即土壤有效持水量、保肥能力、養分利用效率、土壤微生物數量和活性,進而顯著影響作物產量。同時,作為土壤碳庫的重要組成部分,SOC 通過土壤微生物分解釋放二氧化碳(CO2),而大氣中的 CO2 則通過光合作用被固定到植物體,植物根系、凋落物及人為歸還使得植物體中的部分碳再次歸還到土壤中。因此,SOC 具有一定的大氣 CO2 濃度調節功能。地球上 SOC 儲量巨大且較為活躍,因而其微小變化就可能對大氣 CO2 濃度產生重大影響,進而影響全球氣候變化。


    我國人多地少,耕地土壤質量總體不高,隨著工業化和城市化進程的高速發展,人地、人糧矛盾日益突出,土壤資源正同時面臨著保障糧食安全、發揮生態系統服務功能和應對氣候變化等多重挑戰。而農田作為受人為管理措施影響最為強烈的土壤利用方式,其 SOC 庫最為活躍。同時,農田 SOC 庫也是唯一可在較短時間尺度上通過合理利用而進行適度調節的碳庫。因此,準確把握農田 SOC 變化速率及固碳潛力對于實現我國土壤資源高效利用及農業可持續發展戰略,意義十分重大。


    1 我國農田土壤固碳潛力及速率的基本認識


    國家尺度農田SOC變化速率估算主要采用 Meta 分析、土壤調查數據差減和過程模型模擬3類方法。Meta分析采用已發表文獻中的 SOC 數據,計算 SOC 變化速率;調查數據差減法通過兩期土壤調查采樣的SOC實測數據直接差減計算變化速率;過程模型模擬則采用SOC周轉機理模型,在氣候、土壤、農業管理措施等因子驅動下,實現SOC變化速率估算。Meta分析和兩期調查數據差減,在SOC變化速率估算中沒有整合SOC周轉過程,主要用于估算“過去”的SOC變化速率,并不能獲得SOC動態的逐年“演變”規律,也難以預測“未來”的固碳潛力。過程模型則整合了SOC 周轉的機理過程,廣泛用于“未來”不同假定情景下的固碳潛力預估。此外,基于長期試驗數據建立SOC速率與管理措施的統計模型或獲取SOC飽和水平并外推至全國尺度也被用于估算農田土壤固碳潛力。


    我國農田SOC變化速率及固碳潛力估算中所采用的方法、農田面積、土層深度、土壤及管理措施數據來源及分辨率等均存在一定差異。但總體來看,目前對我國農田土壤固碳潛力及速率的認識基本形成了以下4點共識。


    1.1 近30年來中國農田表層SOC庫總體增加,發揮了碳匯功能


    早期基于特定年份農業管理措施數據及 DNDC 過程模型②的估算認為,中國農田土壤丟碳,隨著不同尺度SOC觀測及農田管理措施數據收集的日趨完善,Meta分析、兩期調查數據差減及過程模型等方法估算的結果均證明(表 1),近30年來中國農田表層 SOC 庫總體增加,發揮了碳匯功能。其中,農田20cm 深度的土壤年固碳量在9.6—25.5Tg之間,30cm 深度在11—36.5Tg之間。單位耕地面積的固碳速率,20cm 深度每年74—184kgC/ha,30 cm深度則為每年85—281kg C/ha。



    1.2 相對較低的初始SOC含量是中國農田土壤固碳的先決條件


    初始SOC含量是影響SOC變化的重要因素之一。初始SOC含量對 SOC變化的影響通常具有負基線效應,即初始SOC含量高的地區土壤容易丟碳,而初始SOC含量低的地區則容易實現固碳。與西方發達國家相比,中國農田土壤除東北地區外,20世紀80年代的初始SOC庫總體偏低,這不僅與我國農田土壤上千年的耕種和持續農業利用有關,也與鹽堿土開墾耕地(如華北平原)、土壤侵蝕(如黃土高原)等因素有關。


    基于第二次全國土壤普查數據估算的中國農田20世紀80年代初始 SOC庫(20cm深度)基本處于26.6—32.5tC/ha之間,遠低于美國農田的平均值43.7tC/ha和歐洲農田的平均值40.2tC/ha。中國農田相對較低的初始SOC含量,為利用化肥增加作物干物質產量從而提高土壤碳輸入、促進農田土壤固碳提供了先決條件。


    1.3 作物增產及秸稈還田大面積推廣在中國農田土壤碳匯形成中發揮了關鍵作用


    影響農田SOC變化的因素主要包括氣候、土壤理化性質等自然因子,以及農業管理措施等人為因子。氣候影響SOC的積累和分解過程,而土壤質地、pH值、通氣性和土壤結構等理化性質則是影響SOC庫容量的重要因素。施肥、耕作、秸稈管理等農業措施影響土壤碳輸入和輸出;同時,相對于溫度、降水、土壤黏粒含量等因子而言,施肥、耕作、秸稈管理等農業措施促進農田土壤固碳是現實途徑。因此,從這一點來看,中國近30年來農田土壤總體固碳必然與農業管理措施的變化歷程密切相關。


    從我國農田施肥和秸稈利用的階段性特點來看,20世紀80年代早期化學肥料投入非常有限,而農家肥使用較為普遍;作物秸稈則主要用于燃燒和飼料。隨后,農田化肥投入和糧食產量均快速增長,而農家肥投入逐年降低,但作物秸稈還田依然非常有限。90 年代后期,我國出現秸稈田間焚燒現象。1999年,原國家環保總局聯合農業部、財政部等部門下發《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》的通知,禁止田間焚燒秸稈,引導秸稈綜合利用。隨后,秸稈還田在全國大規模推廣。基于這些階段性特點,從農田土壤碳輸入變化角度來看,早期糧食產量的快速增長導致作物根系生物量增加從而顯著增加了土壤碳輸入;而隨后秸稈還田的大規模推廣則促進了作物地上生物量歸還到土壤中。


    中科院戰略性先導科技專項項目課題“中國農田土壤固碳潛力與速率研究”覆蓋全國農田的11470個點位的作物秸稈還田比例調查結果也表明(圖 1),2000年之前我國水稻、小麥和玉米三大作物的秸稈還田比例均不足25%;但截至2010年,還田比例則分別達到了36.4%、39.7%和23.5%,從而在中國農田土壤碳匯形成中發揮了巨大作用。


    1.4 中國農田SOC庫當前水平依然總體偏低,未來還有進一步增加的潛力


    “中國農田土壤固碳潛力與速率”課題基于2011年全國58個典型縣4060個點位的SOC及容重等實測數據,估算的我國農田表層20 cm深度SOC庫為32.34—33.47tC/ha,過程模型模擬的2010年全國農田平均SOC上限為36.0tC/ha,均還遠低于歐盟同期的平均值 46.8tC/ha。


    此外,全國95個水稻土長期施肥和秸稈還田試驗、102個旱地長期施肥試驗以及157個農田保護性耕作試驗的Meta分析也表明,氮、磷、鉀配施有機肥的固碳年速率可達0.37±0.04g/kg,而傳統耕作+秸稈還田、免耕以及免耕+秸稈還田也均能顯著提高我國農田的SOC含量,固碳年速率分別可達0.22g/kg、0.35g/kg和 0.52g/kg。


    因此,在當前中國農田SOC依然總體相對較低的條件下,通過優化農業管理措施,我國農田土壤固碳潛力仍然有進一步提升的空間。目前的長期試驗外推、過程模型預估等結果也表明,盡管中國農田土壤固碳潛力估算結果差異還較大,但可以確定的是SOC未來還有進一步增加的潛力。



    2 面臨的挑戰


    2.1 現有機理過程模型有待進一步改進


    相對于兩期調查數據差減及長期試驗數據直接外推等方法的諸多局限性,過程模型整合了影響SOC動態的更多機理,能夠反映氣候、土壤、耕作管理等的空間變異性對 SOC 動態的影響,并且易于與土壤數據庫、地理信息系統(GIS)、遙感等手段結合,因此已經成為大尺度 SOC 變化速率及固碳潛力研究的主流方法。


    多庫土壤碳周轉模型(如 RothC、Century 等)在揭示不同尺度 SOC 庫的變異性以及由于管理措施和土地利用變化而導致的土壤碳庫變化方面均被證明是有效的,但在 SOC 對氣候變化響應的適用性方面還有爭議,主要問題是離散分庫劃分中的難分解/惰性碳庫對溫度變化的響應是否像假定的那樣敏感性很小。同時,多庫土壤碳周轉模型中,微生物作物分解者的作用也被隱含在分解速率常數中,沒有明確表達。


    而目前新出現的微生物模型則直接把土壤碳周轉和微生物生物量及生理機能耦合,對于探討全球變暖和 SOC 間的反饋很有用。但是,該方法還存在震蕩效應及對碳輸入響應的不敏感性等問題。


    因此,對農田土壤來說,在模型方面如何能同時有效的反映管理措施及氣候變化對SOC的影響,還面臨巨大挑戰。


    2.2 土壤基礎數據分辨率低、更新慢、缺乏生物學指標


    中國土壤資源豐富多樣、空間分異明顯。同時,在農業高強度利用、工業化及城鎮化進程快速發展的背景下,土壤資源受人為活動影響強烈,土壤屬性的變異性極強。土壤基本屬性信息(SOC、容重、機械組成、pH值等)是固碳潛力估算模型的最基本驅動數據,同時SOC等直接觀測數據也是模型參數校正及估算結果驗證的關鍵。


    然而,在初始土壤條件信息方面,目前可用的最精細的國家尺度土壤數據也僅為基于20世紀80年代第二次全國土壤普查成果建立的1:1000000土壤數據庫。相較我國土壤的變異性而言,該數據的分辨率依然偏低。在模型參數校正及估算結果驗證方面,目前可用的主要是不同地區零散的土壤調查及SOC數字制圖數據。這些數據對我國典型農田區的空間覆蓋不夠完整,覆蓋的時段則更少。此外,土壤基礎信息的更新非常慢,或者說在國家尺度上基本沒有更新。同時,表征土壤生物屬性的微生物量、微生物多樣性等空間分布基礎信息極度缺乏,嚴重制約了國家尺度農田土壤固碳潛力研究。


    2.3 缺乏不確定性的定量評估,制約了應用效果


    由于土壤有機質形成機理和周轉過程認識、觀測數據誤差、時空分辨率及可獲取性等因素限制,農田 SOC變化速率及固碳潛力估算結果中必然包含一定的不確定性。這些不確定性會通過隨后的分析及應用過程加以傳遞,從而對土壤資源可持續管理決策產生重大影響。


    然而,目前土壤評估結果所提供的不確定性定量信息非常有限,綜合考慮模型結構、內部參數及外部驅動數據不確定性的評估更少。中國國家尺度農田土壤固碳潛力及速率估算的不確定性空間分布信息則基本沒有,在很大程度上制約了相關研究成果在國家農田土壤碳分區管理及指導土壤資源可持續利用中的實際應用效果。


    3 行動建議


    3.1 加強土壤有機質分解對溫度變化響應的敏感性等基礎研究


    目前,關于土壤有機質分解對溫度變化響應的敏感表性尚存很大爭議,這也是未來氣候變化條件下,土壤對大氣CO2正負反饋的綜合效應估算存在很大不確定性的主要原因之一。溫度直接影響有機質分解速率,同時,環境因子也對土壤有機質分解產生影響,而環境因子本身也受氣候變化影響。例如,氣候和管理措施影響團聚體的形成,而團聚體對土壤有機質具有物理保護作用;溫度影響有機質在礦物表面的吸附和解吸的化學過程;氣候驅動的水平衡決定了土壤水膜的厚度,而可溶性有機碳和胞外酶通過土壤水膜進行擴散等。


    因此,加強土壤有機質分解的溫度敏感性等基礎研究工作,對于改進現有SOC周轉過程模型、準確估算SOC變化速率和固碳潛力具有重要意義。


    3.2 強化數字土壤制圖研究,豐富土壤基礎數據,建立國家土壤信息服務平臺


    基于土壤空間變異先驗信息建立土壤采樣優化設計方案,整合遙感、近感、高光譜分析等技術,建立土壤基本屬性快速獲取方法,有效地降低土壤數據獲取成本。加強土壤空間變異驅動因子定量識別研究,建立高強度人為作用影響下平原區農田土壤屬性三維預測制圖方法,為固碳潛力估算提供精細的土壤驅動數據。


    建立土壤生物學指標的空間分布圖以提供更全面的驗證數據;建立歷史土壤圖的降尺度及空間和屬性數據融合新方法,實現土壤遺產數據的高效利用,為固碳潛力研究提供高分辨率的初始土壤條件信息;建立包含多元土壤信息庫、多服務模式的國家土壤信息服務平臺,有效整合農田長期試驗、土壤及農業管理措施區域調查等觀測數據,實現土壤基礎信息的有效共享,推進中國農田土壤固碳潛力研究。


    3.3 建立系統化的研究方法體系,強化研究成果對土壤資源管理決策的支持作用


    以土壤有機質形成機理和周轉過程研究為基礎,改進現有SOC過程模型,以數字土壤制圖獲取的 SOC、微生物量碳等多時段空間分布數據為依托,結合數據同化方法,實現模型內部參數校正以及固碳潛力估算結果的不確定性定量評估。整合模型結構改進、參數敏感性分析、參數校正、模型結構、參數及外部驅動數據的不確定性,建立系統化的中國農田土壤固碳速率及潛力研究方法體系。加強以SOC變化與相關政策關聯性為切入點的研究工作,強化中國農田土壤固碳與相關政策之間的反饋研究,為我國土壤資源可持續利用管理提供強大的戰略決策支撐。


    (編輯:admin)
    網站首頁  | 客服中心  | 廣告服務  | 幫助信息  | 聯系我們
    成年片黄色大片网站视频 - 视频 - 在线观看 - 影视资讯 -酷酷网