全球农田土壤有机碳变化速率与潜力研究

Agroecosystems have a critical role in the terrestrial carbon cycling process. Soil organic carbon (SOC) in cropland is of great importance for mitigating atmospheric carbon dioxide increases and for global food security. The amount of carbon stored in and emitted from the agroecosystem depends on the soil texture, climate, crop and historical and current management. Objectively estimate the changes in SOC stocks and sequestration potential of agroecosystem are important to develop measures to mitigate climate change, enhance soil fertility and crop productivity. Although researchers have made great efforts to investigate SOC dynamics and sequestration potential for various soils and on different scales, the issues on a global scale have been far from understanding as yet. By literature survey, meta-analysis and model simulation, this project will focus on 1) determining temporal and regional changes in SOC of global croplands over 1980-2010, 2) estimating cropland SOC sequestration potential and spatial characteristics worldwide; 3) quantifying uncertainties of the estimated SOC changes and sequestration potential. The objective of this project is to evaluate the spatiotemporal changes in global cropland SOC over the period 1980-2010, SOC sequestration potential and their spatial patterns due to various climate, soil, crop, and field managements, which will help to better understand the historical evolution of SOC and future carbon sink strength. This project will be a first attempt to study SOC on global scale based on a process model of Agro-C developed by native researchers, and to get better understanding by compiling of estimates of meta-anlaysis and two process-based models outputs to address SOC dynamics and sequestration potential of global croplands.

农田土壤有机碳变化受自然因素和人类活动的共同影响，客观估计其变化速率和固碳潜力不仅有助于制定减缓气候变化策略，而且对于提高土壤肥力、保障粮食安全具有重要意义。虽然不同学者已对区域尺度碳库变化或固碳潜力开展了卓有成效的研究，但迄今为止在全球尺度上的研究甚少。本项目拟基于全球长期定位试验数据的整合分析和两个土壤碳周转机理模型的模拟，开展如下研究：1）1980~2010年全球农田土壤有机碳变化速率及其区域特征；2）全球农田土壤固碳潜力及其区域特征；3）全球农田土壤固碳潜力估计的不确定性。研究目标是：初步阐明1980~2010年全球农田土壤有机碳变化速率、土壤固碳潜力及其空间特征。项目创新之处在于：运用我国自主建立的碳收支模型开展全球尺度模拟研究，并综合数据整合分析和模型方法估算全球农田土壤碳变化及固碳潜力。

农业生产为人类提供必要的物质基础，农业活动深刻地影响着陆地生态系统C循环。农田土壤有机碳（SOC）是土壤肥力的重要指标，研究农田SOC的变化，对于保障粮食安全、减缓气候变化和深入理解陆地生态系统碳循环具有重要意义。本项目基于全球长期定位试验数据的整合分析和两个土壤碳周转机理模型的模拟，评估了1980~2010年全球农田土壤有机碳变化速率及其区域特征；研究了全球农田土壤固碳潜力及其区域特征及估计结果的不确定性。研究结果显示：农田土壤固碳能力取决于气候因素、SOC初值、外源碳投入量和施肥持续年限等因素。与不施肥相比，非平衡施化肥，平衡施化肥，化肥+秸秆还田，化肥+有机肥处理下，0~20 cm的SOC含量分别增加0.9 g/kg、1.7 g/kg、2.0 g/kg和3.5 g/kg。四种措施下，固碳速率随着时间延长而降低。施有机肥和秸秆还田措施下，土壤固碳的持续时间分别为26 ~117年和28~73年，但是在不同气候区差异明显。总体而言，寒温带的固碳持续时间最长，为46~117年；热带的持续时间最短，为26~47年；暖温带的固碳持续时间为37~65年。碳投入量是SOC变化的重要驱动因子，有机肥的固碳效率一般高于秸秆还田。在中等肥力水平下，至少需要2 Mg /ha/yr的碳投入，才能够维持85%地区的SOC不降低。增施有机肥，提高秸秆还田率能够有效增加土壤固碳，对于SOC减少的区域，则能够有效减少碳丢失，从碳源转变为碳汇。模型模拟结果显示：1980~2009年，全球789 Mha禾谷类和油料类农田SOC总体呈增加趋势，但时空差异明显。0 ~30 cm土壤的SOC储量从41.3 PgC增加至41.8 PgC，30年共增加了457 TgC（246 ~ 668 TgC）。固碳速率从1980s初期的12.9 TgC/yr，增长到2000s后期的24.0 TgC/yr。基于三种未来气候变化情景（RCP 2.6，RCP 4.5，RCP 8.5）和三种碳投入情景（秸秆还田为2010年水平，60%还田，90%还田）的组合，对2010 ~ 2100年全球农田SOC变化进行了预估。结果表明，气候变化的影响远小于碳投入的影响。未来90年通过增加秸秆还田，全球农田土壤固碳潜力较大，固碳潜力为21.4（18.4 ~ 24.5）PgC。