CREST | 农艺管理措施对土壤碳固定的影响及仿真模型和遥感技术的监测

导 读

印度旁遮普农业大学Salwinder Singh Dhaliwal团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“农艺管理措施对土壤碳固定的影响及仿真模型和遥感技术的监测（Impact of agricultural management practices on soil carbon sequestration and its monitoring through simulation models and remote sensing techniques: A review; DOI: 10.1080/10643389.2020.1811590; Published online: 27 Aug 2020）” 的综述。适宜的农艺管理措施在控制土壤碳排放、减轻温室效应方面具有重要作用。农业用地是全球主要的土壤利用类型，制定合适的农艺措施可有效增强农业生态系统中的碳固定，如保护性耕种及农业残余物管理、残茬保留、地膜覆盖、有机农业、生物能植物的种植、生物炭的施用及综合养分管理等农艺措施不仅有利于土壤碳储存，而且可以改善土壤健康。而仿真模型和遥感是新兴科学技术，可用于预测和绘制土壤碳状态，有助于因地制宜地制定管理政策以减小土地退化的风险并维持环境可持续性。因此，为减缓气候变化，更好地实施土壤碳封存策略，本文综述了当前陆地碳状态，分析了不同农艺管理方式在碳固定中的作用，并确定了未来研究的重点。图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

引言

地球上的碳主要以三种形式存在：(1) 元素C（有机质不完全燃烧产物、地质源）；(2) 无机C（主要存在于碳酸盐矿物中，如CaCO₃、CaMg(CO₃)₂）；(3) 有机C（主要是植物、动物和微生物分解或部分分解的产物）。这些C形式广泛存在于生物圈、土壤圈、岩石圈、水圈和大气圈。其中，土壤中储存着地球上一大部分的碳，其C储存量是大气中的3倍，是生物圈的4.5倍，仅次于海洋，远高于植被和大气圈，对全球C循环有重要作用。因而，制定适宜的措施固定土壤中的C尤为重要，而适宜的农艺和土地管理措施不仅可有效减少CO₂、CH₄、N₂O等温室气体的排放，而且可改良土壤性质，提高肥力和生产力。

本综述的主要内容包括：(1) 在土壤中固碳的有效农业管理实践的最新进展；(2) 利用遥感和仿真模型监测土壤的C现状并预测未来的C储存状况；(3) 指出需要进一步研究的局限性和领域，以提高对缓解气候变化挑战的认识，并提供关于近期有希望克服这些挑战的策略。

土壤中高效固碳的农艺措施及其研究进展

耕作制度。耕作制度可通过增强土壤透气性和提高温度来减少土壤表面的有机碳，同时可促进土壤氧化、微生物活性及微生物对土壤的分解，从而影响土壤碳汇。研究发现，采用减少耕种或保护性耕种的方式不仅能减少碳的损失，而且可丰富土壤碳储存，最终减少温室气体的排放。如，在保护性耕作制度下，种植旱地作物时，每年每千克土壤中增加了0.21 g的碳，而在种植水稻时，其中的碳减少了0.51g。由于大颗粒的土壤团聚体对与小颗粒团聚体结合的有机碳具有物理保护作用，保护性耕作的种植模式下，丰富的大颗粒土壤团聚体可增强C比例。

农残管理和地膜覆盖。作物残茬的生物质不仅可增加土壤碳储存，而且会影响土壤温度、湿度和透气性，同时残茬对表层土壤的保护减缓了微生物的分解速度，因而增强土壤碳汇。而有机地膜（如草膜、秸秆、泥炭覆盖物）的应用可增加土壤有机碳含量，且其随着覆膜厚度的增加而增加。

化肥和有机肥的高效使用。适度施肥可增强土壤肥力水平和有机质含量，尽管一些无机肥可增加植物生物量，从而增强以作物残茬的形式进入土壤中的有机碳，但其存在增加温室气体排放和表层土壤养分淋失的局限性。而合理施用有机肥料可弥补这一缺陷，研究发现在植物种植中，有机肥料可比N、P、K等无机肥料固定更多的碳。

有机农业。多项研究发现，与传统农业相比，有机农业会给农田引入更多的外源碳。但传统农业和作物轮作、地膜覆盖等有机措施结合使用时，也能增加土壤C储存，因而难以与有机农业一较高下。此外，造成粮食减产也是有机农业的一个缺陷。因此，在有机农业的实施中，需要合理控制有机质的输入，以同时保证土壤碳固定和作物产量。

施用生物炭。生物炭是一种有机物在可控热解的情况下生产的多孔的、富碳的副产物，在土壤质量改良、碳固定和减少温室气体排放等方面有重要作用。生物炭可用作化学和生物稳定性的碳源，但需要考虑有机质来源、热解过程、加热温度和时间等因素的影响。

生物能作物。生物能作物（植物）是指那些有高的能源潜力，特别是种在边际土地上用于生物能源生产的高生物量植物。这类作物或发育有较深的根系，通过根系生物质积累更多环境中稳定态的C；或植株体内较高的C:N会降低微生物活性，并减缓有机质矿化和分解的过程，最终实现良好的固碳能力，并减少温室气体的排放。

种植制度和土地利用类型的变化。同一土地种植不同作物对土壤固碳能力的影响不同，如水稻栽培时的淹水厌氧环境会减缓有机质的氧化过程，降低表层土壤中有机碳的损失（图2）。研究发现，不同土地利用类型中，土壤碳含量从高到低的顺序为天然森林>种植业>果园>荒地。

激发效应与土壤固碳。土壤中施加有机修复剂会改变土壤有机碳的分解速率，这个过程即为土壤激发。外源有机物种类、土壤物理和微生物性质等因素会影响土壤激发效应，从而影响土壤碳稳定性。

其他可持续性的农艺措施。除以上提到的农艺措施外，病虫害治理、高效灌溉法等农艺措施也对土壤碳汇有重要影响。

图2 全球表层土壤（0~30cm）中SOC的年增长率

利用遥感技术和仿真模型监测并预测土壤碳汇情况

在改变土地使用和管理措施后，可用仿真模型对土壤有机碳进行数值计算和模拟，基于经验和过程的模型可用于对土壤中的碳进行定量（图3a），而光学遥感可绘制不同空间和时间范围内的有机碳分布图（图3b和c）。这些新兴技术可增强决策者对土壤有机碳现状及动态变化的理解，为制定农艺措施和土地管理策略方面优化土壤碳输入和输出提供依据。

图3 （a）保护性耕种下变性土SOC变化的模拟趋势；（b）土壤pH和SOC之间的空间关系；（c）全球表层土壤（0~0.3m）的碳储量图

未来研究的主要方向

(1) 对当前和未来土壤碳状态进行绘图和评估应因地制宜，分区实行；

(2) 需开展大范围的田间实验和仿真模拟，以更好理解某区域的碳储存量并制定适宜的碳汇管理措施；

(3) 与土壤总碳相比，应更重视土壤中的相对稳定的碳形式；

(4) 应对土壤碳汇进行长期监测，以评估农艺措施和不同土地利用类型对土壤固碳的影响；

(5) 对不同农艺措施下的土壤有机碳固定速率进行标准化，以获得更好的固碳效果，实现土地可持续性利用；

(6) 开展新型农艺管理措施的研究工作，如生物炭的应用、生物能植物的培育等，以改善土壤碳组成，复垦退化土地；

(7) 需进一步理解碳固定和微生物活性间的复杂关系；

(8) 在制定适宜政策时，应评估不同农艺措施下土壤固碳的成本，包括土地规划及其经济效益。

总结与展望

土壤固碳是一种双赢策略，因为它能在不损坏食品安全的情况下，减少大气中的温室气体。高效的农业管理措施在减少温室气体排放、增加土壤有机碳含量、改善土壤健康及维持土壤可持续性等方面可发挥重要作用，最终实现土壤碳固定。在适宜的管理策略下，全球可耕土地可固定的碳高达0.90~1.85 拍克/年 (0.56~1.15吨/公顷/年)，占了“千分之四全球土壤增碳计划” 提出目标的26~53%。尽管农艺措施的改良在固碳方面的优势明显，但也有一些局限性需要考虑，尤其是在发展中国家，如保护性农业前期的高投资、知识的匮乏、农民和推广人员的灵活性和创造性不足等。在制定和执行增强土壤碳汇的管理制度之前，需使用遥感技术和仿真模型对当前土壤碳状态进行详细监测，并有效预测未来发展情况。

作者简介

第一作者简介：

Agniva Mandal，博士，印度Bidhan Chandra KrishiViswavidyalaya（BCKV）大学农业化学与土壤科学系研究人员，主要从事土壤农业化学方面的研究，已发表学术论文十余篇。

通讯作者简介：

Salwinder Singh Dhaliwal，印度旁遮普农业大学土壤科学系教授、首席土壤化学家。研究方向为土壤肥力与土壤化学，主要研究兴趣：1）土壤和水污染；2）农田、蔬菜和水果作物的营养状况监测；3）地下水、污水和河水的重金属和砷化学。担任印度农业研究委员会（ICAR）全印度协调研究项目“土壤-植物-动物-人类连续体中的微量营养素和次生植物营养素及污染元素”负责人，该项目的主要任务是临界限值、营养素索引与划分、微量与次生及污染元素、植物修复、生物强化、营养素循环与转化。

|供稿：尹带霞

|编排：曾镜羽

点击下方蓝字阅读原文

环境科技评论CREST

回溯展望·美丽世界

公众号投稿、合作：[e-mail] 

往期推荐