中國科學院大氣物理研究所,|,GCB,全球酸性土壤中施用石灰性改良劑對減緩氣候變化和保障糧食安全的潜在效益

由於人類活動的加劇,近20年來土壤酸化的程度遠超過去幾百年的土壤酸化行程。現時,在全球範圍內,約50%的耕地土壤面積呈現為酸性(pH <6.5)。在各種人為活動影響因素中,過量氮肥的施用被認為是農業土壤酸化加速的主要誘因。據報導,20世紀80年代以來,過量化肥的施用導致了我國主要農田土壤顯著酸化,其pH值下降了0.13–0.80。土壤酸化會引起生物多樣性的降低、微生物群落結構的改變以及土壤中重金屬活性的升高,從而導致生態系統生產力的降低。囙此,土壤酸化已成為區域農業發展的主要限制因數。而石灰性資料由於富含鈣離子和鎂離子,已成為使用最為廣泛的酸性土壤改良劑。施用石灰性改良劑不僅能有效提高土壤pH,降低土壤中鋁離子的毒害作用,而且還能促進作物根系生長及其對土壤中養分的吸收利用。同時,施用石灰性改良劑還會通過改變土壤中微生物數量、酶活性及其結構以及碳、氮底物有效性,從而對土壤溫室氣體(GHG)(即二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)和甲烷(CH4))排放通量以及土壤有機碳(SOC)含量產生影響。儘管國內外學者對不同生態系統類型、管理措施及土壤性質等條件下,施用石灰性改良劑對生態系統生產力和土壤GHG排放的影響分別進行了大量研究。但在全球尺度上,酸性土壤中施用石灰性改良劑對作物產量、土壤GHG排放通量以及SOC含量變化的綜合影響效應,人們還知之甚少。

中國科學院大氣物理研究所碳氮迴圈研究團隊聯合德國卡爾斯魯厄理工學院氣象氣候與大氣環境研究所、中國科學院成都山地灾害與環境研究所、河南師範大學和河南大學等研究組織基於全球121篇文獻的1570組原位觀測數據,通過薈萃(Meta)分析方法對不同陸地生態系統(農田、草地和森林等)中施用石灰性改良劑所引起的土壤GHG排放通量、SOC含量以及生態系統生產力變化的影響進行了系統的定量分析。結果表明,施用石灰性改良劑顯著提高了36.3%的作物產量,同時顯著降低了21.3%的土壤N2O年排放量以及19.0%的稻田CH4年排放量。對於土壤碳而言,儘管施用石灰性改良劑促進了土壤CO2排放,但總的效應卻使土壤SOC含量新增了4.51% yr-1(圖1)。依據上述的影響效應,如果將來全球酸性農業土壤均能够週期性地施用石灰性資料進行改良的話,那麼全球土壤N2O排放量和稻田CH4排放量將分別减少0.60–0.67 Tg N2O-N yr-1和1.75–2.21 Tg CH4yr-1,而土壤SOC含量將新增65.7–110 Tg C yr-1。綜合統計分析ΔN2O +ΔCH4+ΔSOC,即在全球酸性農業土壤中施加石灰性改良劑將會使土壤的淨溫室氣體排放量减少633–749 Tg CO2-eq yr-1。然而,這一溫室氣體减少量所帶來的大部分效益可能會被石灰性改良劑在生產、運輸以及施用過程中釋放出的CO2量(約624–656 Tg CO2-eq yr-1)所抵消。再者,在酸性農業土壤中施用石灰性改良劑將會使全球作物產量至少新增6.64×108Mg,這一新增量足够養活約8.76億的人口(圖1)。總體而言,該研究成果證實了在酸性農業土壤中施用石灰性改良劑能够有效提高全球農業生產的可持續性,且進一步表明了在酸性土壤中施加石灰性改良劑對減緩氣候變化和保障糧食安全的潜在效益。

以上研究成果發表於國際學術期刊Global Change Biology上(博士研究生王燕為第一作者,姚志生研究員為本文通訊作者)。該研究得到國家自然科學基金專案(4197728241675144和41807327)和中國科學院基礎前沿科學研究計畫從0到1原始創新項目(ZDBS-LY-DQCOO7)共同資助。

文章連結:

Wang Y,Yao Z*,Zhan Y,Zheng X,Zhou M,Yan G,Wang L,Werner C,Butterbach-Bahl K. 2021.Potential benefits of liming to acid soils on climate change mitigation and food security.Global Change Biology,https://doi.org/10.1111/gcb.15607.

圖1.施用石灰性改良劑對作物產量、土壤氧化亞氮(N2O)和甲烷(CH4)年排放通量和排放强度(即組織作物產量的土壤N2O和CH4年排放量)以及土壤有機碳(SOC)平均年含量與土壤呼吸(CO2)的影響效應及其內在過程機理;同時,若將來全球酸性農業土壤中均施用石灰性改良劑後所引起的作物產量、土壤溫室氣體(GHG)排放通量以及SOC含量的新增/减少程度。

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