吉林省梨樹縣高有機碳高生產力黑土。任圖生供圖

“土壤固碳能改善土壤健康，并帶來增產效應。”這是國際上普遍認可的激勵農民采納固碳技術，從而實現遏制氣候變化目標的最關鍵驅動力。

“然而，在區域及全球尺度上，沒有任何與土壤有機碳影響作物產量相關的可靠、定量化的證據，來支撐這樣的共識。”中國農業大學資源與環境學院、養分資源高效利用全國重點實驗室教授范明生告訴《中國科學報》，實際上，半個多世紀以來，關于土壤有機碳的增產效應一直存在爭議。

近日，《自然-地球科學》在線發表了范明生課題組的研究論文，揭示了土壤有機碳對作物產量的因果效應。這項研究終結了土壤有機碳對作物產量的因果效應爭論，并揭示了土壤固碳對全球主要糧食作物增產的理論潛力與當前技術貢獻。

論文評審專家說，這是第一個關于土壤有機碳對全球作物產量影響的可靠的定量化研究，將為全球和區域土壤固碳與糧食安全，以及應對氣候變化提供新視角及理論指導。

沒有數據支撐的“共識”

土壤有機碳是全球陸地碳循環最大的碳庫，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，土壤有機碳是衡量土壤肥力的重要指標，土壤固碳也被認為是提升作物產能和保障糧食安全的重要措施。

范明生介紹，由于作物產量是多種生態因子與管理措施綜合作用的結果，而且土壤固碳與作物產能提升之間互為因果關系，因此，土壤有機碳對作物產量的因果效應一直是國際學術界的研究熱點和難點。

“10年來，我們團隊一直試圖回答一個問題——在區域及全球尺度上，土壤固碳的增產效應有多大?”范明生說。

他們聯合美國康奈爾大學教授、美國國家科學院院士Johannes Lehmann團隊，構建了全球唯一的包含66593個試驗處理，覆蓋不同氣候、土壤條件與管理措施的13662個田間試驗數據集，突破了過去研究方法難以區分土壤有機碳與氣候、土壤性質及管理措施等其他因素對產量的影響，以及土壤固碳與產能提升互為因果關系的局限，首次建立了土壤有機碳對作物產量的因果效應關系。

研究結果顯示，作物產量確實隨土壤有機碳的增加而增加，固碳增產效應相當于氮肥增產效應的1/5，而當土壤有機碳達到最優化水平后產量趨于平穩。

土壤固碳可讓全球增產1.2億噸

論文第一作者、中國農業大學博士研究生馬煜卿說，他們證實了土壤有機碳的增產作用存在最優閾值，即在特定氣候、土壤與作物條件下，當土壤有機碳含量達到一定閾值后，作物產量不再隨土壤有機碳增加而增加。不過，土壤有機碳的最優閾值并不是固定的，而是與氣候、土壤以及作物類型有關。例如，玉米的平均最優土壤有機碳含量水平為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。

“這改變了學術界長期以來把20克/千克作為土壤有機碳最優產量閾值的傳統認知。”范明生說。

那么，土壤有機碳達到最優閾值后，作物產量究竟能增加多少?

他們進一步提出土壤有機碳產量差理論模型。所謂土壤有機碳產量差，是指目前農田土壤有機碳與最優土壤有機碳閾值條件下的作物產量之差。

范明生解釋說，這個概念能反映單位土壤有機碳變化對作物產量的凈影響效應。

為了使估算更加精準，他們還構建了全球主要糧食作物10千米×10千米網格的土壤有機碳產量差空間分布圖。

馬煜卿介紹，全球尺度上，玉米的最大土壤有機碳產量差平均為每公頃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現的最大增產空間。

“從全球來看，理論上說，土壤固碳可增加1.2億噸作物產量，相當于全球三大糧食作物總產量的4.3%，有望解決全球86%的糧食短缺問題。”范明生說。

當前技術效應小于預期

他們的研究發現，當下，聯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模應用的農田固碳技術，如免耕、秸稈還田以及覆蓋作物等，除了在一些熱點地區有較高的固碳增產效應外，在全球尺度上僅能增加2000萬噸的糧食產量，占全球糧食總產的0.7%。

范明生解釋說，這些熱點地區是指土壤固碳增產效應明顯的前25%的地區。這些地區的土壤有機碳含量低或者作物產量低，也是糧食短缺比較嚴重的國家或地區。

而在其他大多數地區，當前技術的土壤固碳產能提升效應不足以激勵農民采納以固碳技術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，需要找到激勵農民采納農田固碳技術的措施，而不是假設農民通過獲得更好的產量收益為其采納固碳技術買單。

挖掘增產潛力需要新技術

范明生認為，挖掘土壤固碳的產能提升效應迫切需要開發促進農田高效固碳的新技術, 如應用生物炭、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，在全球或區域尺度上，優化分配可運輸的有機資源到土壤有機碳產量差大及糧食短缺程度高的國家或地區，這也是挖掘土壤固碳的產能提升效應的有效策略。

就我國而言，當前技術的土壤固碳產能效應約為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%的產區處于熱點區域。在這些地區，當前技術仍具有較高的固碳增產作用。

但是，他們測算，我國農田土壤固碳產能提升的理論潛力巨大，遠高于上述數值，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能讓上述潛力產能變為現實。”范明生說，這是下一步需要深入研究的問題。

相關論文信息：

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

《中國科學報》 (2023-12-07 第1版 要聞)