土壤碳的科学、政策和实践|研究

导  读

基于土壤来减轻气候变化和恢复土壤肥力的计划都依赖于重建土壤有机碳。而有关土壤在缓解气候变化中可能发挥的作用的争议正在破坏恢复土壤以改善农业和环境的行动。

原文：Bradford, M.A., Carey, C.J., Atwood, L. et al. Soil carbon science for policy and practice. Nat Sustain 2, 1070–1072 (2019) doi:10.1038/s41893-019-0431-y

翻译：赵珊（大自然保护协会志愿者）

李颖（大自然保护协会中国农业总监）

我们认为，对于可持续土地管理需要重建土壤有机碳（以下简称“土壤碳”）毋庸置疑。 长期的高集约化耕作和过度放牧导致农业土壤中的土壤碳储藏量持续减少。采用覆盖作物和林草复合种植方式可以保护和重建土壤碳。 考虑到土壤碳对土壤的抗侵蚀性、通气性、水分供应和养分供应的积极影响，土壤恢复的好处包括提高土壤肥力、减少化肥投入和灌溉用量以及增强对诸如干旱等气候变化压力的抵御能力。 因此，重建土壤碳是实施许多土壤健康计划的基础。

同时，对于将重建土壤碳作为减缓气候变化倡议的一部分，其可取性和合理性在科学界还存在分歧。 解决气候变化的紧迫性将这些分歧推向了公众社会，在公众社会里这些分歧被描述为具有强烈的对抗性，实际上，关于土壤作为缓解策略的观点在学术文献中显得截然相反。 我们认为对农业土壤在减缓气候变化中所发挥的作用的争论正在削弱科学可信度，即通过重建土壤碳来保护和恢复这些土壤。（图1）

这里，我们总结了重建土壤碳的科学研究，突出该领域里的不确定性，并提出如何向前发展以增强对土壤健康计划在科学可信度的信心。

土壤科学的共识

土壤科学中也有相应共识，即支持保护和重建土壤碳（图1）。 不管是边缘土地还是最肥沃的土地，所有土壤都容易遭受土壤碳损失和肥力下降的影响。 在农业景观中，无论农田、牧场，还是人工林，由于侵蚀和分解而造成的土壤碳损失通常超过了植物对土壤碳形成的贡献速度。 在全球范围内，与这些土地利用相关的损失是巨大的，平均估计133 Pg碳在2米深度处的损失量相当于约63 ppm大气CO2。 损失在空间上因土地使用的类型和持续时间以及生物物理条件（例如土壤质地、矿物学、植物种类和气候）而异。 采用保护性农业和农林复合型等可持续农业再生措施，可以最大程度地减少土壤干扰和最大程度地增加根系总量来保护土壤碳并弥补可观的损失。

新土壤需要十年到几百年的时间才能形成，实际上土壤是不可再生的； 然而，可以通过重建剩余表土中的有机碳量来恢复肥力。 可以重建碳的速率和总量取决于土壤的生物物理条件，这意味着对土壤碳的管理因地而异，并且很难在任何一个地点非常肯定地预测结果。 但是，对生物物理控制的理解足够深刻，就可以为土壤碳的最大含量和累积速率设定现实的界限，并指导实现这些目标的适当行动。 但是，累积速率的界限确实没有得到很好的限制：下界通常被认为高于零（也就是说，有可能产生碳），而土壤科学家通常会同意上限也可以不切实际地很高。

这些界限很难缩小，因为在管理时间（例如<5年）和田间空间尺度上检测土壤碳的变化在逻辑上具有挑战性。 这是因为土壤中约一半的有机碳相对不受管理的影响，这意味着总量变化非常缓慢。此外，由于影响土壤碳含量的生物物理条件（例如土壤水分）在田间明显不同，因此碳存储量存在明显的局部差异。 因此，即使在看似均质的田地中，也需要高空间密度的土壤观测值，才能从本地“噪声”中检测出对土壤碳的管理效应的增量“信号”。 考虑到获取高密度观测值的时间和费用，目前大多数土壤采样都太局限，无法可靠地量化田间土壤管理效果。

即使面临测量和验证方面的挑战，大多数土壤科学家仍支持重建土壤碳是土壤健康计划的基础。也就是说，重建土壤碳将有助于减少土壤侵蚀，提高产量稳定性。土壤碳与所需土壤特性（例如，宏观团聚）之间已被研究论述过的关系证明了这些期望。此外，新兴的全球数据集支持以下观点：增加农田中的土壤碳将增加单产。这些空间关系是否足以代表重建土壤碳的长期结果尚待解决。另外，如果没有适当的氮肥管理，更多的土壤碳会增加农业土壤中温室气体的排放，例如一氧化二氮。同样，免耕等土壤健康措施的影响是复杂的：虽然可以减少与沉积物结合的磷对水的污染，但溶解性活性磷的损失却可能增加。因此，尽管就需要重建土壤碳达成了共识，但需要量化收益和潜在的不良结果，来明确获得最大净收益的土壤碳目标。

土壤科学中的不确定性

量化土壤碳变化的挑战在于缺乏针对管理效果的大规模可验证观察。 这些挑战加在一起使得很难判断土壤碳变化的合理下限或上限是否有可能调低或调高。 这种不确定性加剧了关于是否能够以有意义的缓解气候变化的速度重建和保持足够的土壤碳。 在公共领域，这种不确定性与土壤健康计划的合理性混为一谈，因为它们同样依赖于重建土壤碳。

值得注意的是，有关将土壤作为气候解决方案的许多争论已从基础土壤科学的专业知识扩展到政策和人类行为科学。 例如，担心由于过于关注土壤碳会分散能源和交通部门减排动力。 然而这些论点不适用于以恢复土壤肥力的土壤健康计划为核心的目标。减缓气候变化和土壤健康计划的成功可能都需要在农业种植中进行广泛实践，以大规模重建土壤碳，这需要专业知识和政策创新。 因此，关于广泛采用新做法的不确定性并不挑战土壤科学作为恢复土壤肥力和重建土壤碳举措的基础的可信度。

但是，土壤科学的理论进步确实将不确定性引入了对土壤碳如何响应不断变化条件的预测。 特别是，可以直接观察土壤碳的化学、形态和位置的技术正在推翻长期以来的概念，即对微生物分解植物碳输入和土壤中化学反应形成大分子的生物化学抗性是主要的土壤碳存在机制。 取而代之的是，新的范式表明，相对简单的分子（否则容易被微生物消耗）由于其物理位置和化学物质对矿物表面的吸引力而保留在土壤中。新的见解在新范式的刺激下迅速产生，这意味着对于实践如何转化持久性土壤碳的积累有了更丰富的科学解释。 

这种基于土壤模型上的研究正在蓬勃发展。 然而，农业系统中超过40年的土壤生物地球化学模型历史主要基于长期存在的生物化学抗性范例。 随着新的建模工作（通常采用新的数据方法论）代表了有关土壤碳积累的新思路，对于预测土壤碳在综合管理和环境变化下的准确性将会显著增强。 此外，假设广泛采用高分辨率现场测量技术，则随着数据积累而做出基准预测并完善参数设置，不确定性将大大降低。 鉴于这些建模和测量工作尚处于萌芽阶段，因此在短期内确定重建土壤碳的一年到十年目标速率的生物物理可行性仍然具有很大挑战性。

坚定信息继续向前

尽管存在不确定性，但重要的是要传达一个可靠的科学基础，即通过重建土壤碳来恢复农业土壤肥力（图1）。 关于是否应将土壤碳纳入气候减缓行动组合的分歧越来越使这一信息模糊不清。 将减缓气候变化和土壤健康的论点混为一谈也就不足为奇了，因为许多倡议（例如“加利福尼亚州的健康土壤”和“千分之四”）都具有碳固存和土壤恢复的目标。 这些目标的融合源于它们相互依赖于重建土壤碳。 但是，不管人们认为土壤碳对缓解气候变化的潜在作用有何立场，我们认为在农业土壤中重建土壤碳应被视为一个最优先的目标，并得到土壤科学界的大力支持（图1）。

与针对其他自然资源（例如森林）的恢复计划一样，尽管存在未解决的科学问题，仍可以采取行动。例如，土壤模型或数据尚不足以可靠地预测在广泛范围内重建土壤碳的农业和环境净收益。但是，土壤科学可以提供技术知识，以建立对碳积累率的合理期望（即使上限和下限之间的差异很大），并预估不确定性和验证土壤碳的变化。通过开发价格低廉、准确、原位实时的土壤碳测量技术工具，可以减少大规模样品运输和远程实验检测等挑战。提高对当前和即将到来的土壤科学知识和能力的认识，应有助于科学家、政策制定者和从业人员在有关土壤碳的辩论中不断前进，从而确保不间断的信息流支持土壤健康计划（图1）。

此外，还必须将土壤科学定位为通过重建有机碳来制定有效行动恢复农业土壤健康所需的众多领域之一。具体而言，恢复土壤碳的管理措施需要通过与其他目标一致的再生农业管理协调应用。例如，如果采取措施重建土壤碳的农户延迟获得经济回报，则必须采取创新的激励措施。然而，激励手段不是万灵药，仅关注土壤碳不可能与政治、经济、社会环境保持一致。通过认识到对人类和环境福祉的多重且有时是相互竞争等不同需求的大环境，土壤科学才可以更有意义地指导有效的政策和行动，以保护和恢复农业用地的土壤肥力。

图1：重建土壤碳的知识路径

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