使用RothC模型，在埃塞俄比亚Abbay流域的不同再生农业实践和气候变化情景下，对耕地上的土壤有机碳（SOC）动态进行建模

《Environmental and Sustainability Indicators》：Modelling SOC dynamics on cropland under different regenerative agriculture practices and climate change scenario using RothC model in the Abbay basin of Ethiopia

本研究基于RothC模型，模拟了埃塞俄比亚阿巴伊盆地四种可持续土壤管理（BAU、SSM1-3）与两种气候情景下土壤有机碳（SOC）动态。结果显示，SSM3在当前气候下提升SOC最多，但气候变化显著降低收益，空间异质性明显。建议因地制宜推广低、中投入SSM，结合气候适应措施，并利用碳汇机制促进高投入SSM采纳。

　　气候变化依然是全球面临的重大挑战，亟需可持续的解决方案来减轻其影响。可持续土壤管理（SSM）通过再生农业方式，为提高土壤碳封存能力、改善土壤肥力和维持生态系统服务提供了可行的路径。然而，关于投资需求、碳封存率以及效益的空间分布仍存在疑问。本研究通过量化不同碳输入水平和气候情景下的土壤有机碳（SOC）封存潜力，分析了埃塞俄比亚阿拜盆地农田在2020年至2070年间的SOC变化。研究评估了四种土壤管理情景，包括常规情景（BAU）以及三种不同碳输入水平的SSM情景（SSM1为20%、SSM2为30%、SSM3为50%）。研究结果表明，在当前气候条件下，所有SSM情景均能提升SOC含量，但其增益在高排放情景下有所下降。SSM3在碳封存潜力上表现最佳，但由于作物残渣竞争、劳动力和粪肥供应等问题，其推广面临一定障碍。碳信用机制和气候融资可以促进SSM3的广泛采用，通过抵消成本并奖励碳封存成果。若缺乏此类激励措施，SSM1和SSM2则为小农户提供更为现实的切入点，但它们在未来条件下的额外效益相较于BAU有限。SOC的潜力具有空间异质性，强调了在不同输入水平之间寻求平衡的重要性，以实现可持续的土壤管理。

在埃塞俄比亚，农田的SOC损失程度较高，据估计，由于森林转化为管理农田，每年每公顷的碳损失约为0.77 Mg。这种损失主要由有机残渣的移除、分解速率的加快以及土壤侵蚀导致的表层土壤流失所引起。因此，推广能够增强SOC封存的可持续土地管理实践对于适应和缓解气候变化至关重要。此外，未来气候趋势，特别是温度升高和降水变化，引入了对SOC封存的不确定性。因此，评估土壤管理实践和气候变化对碳封存情景分析的影响具有重要意义。

理解SOC的空间和时间动态对于制定可持续土壤管理和应对气候变化的决策至关重要。基于过程的模型，如RothC、Century、DNDC和SOMM等，为捕捉SOC动态和进行情景分析提供了有价值的工具。其中，RothC因其相对简单的结构和数据的可获得性，过去二十年在不同气候区域被广泛使用，尤其适用于模拟土壤表层的SOC动态。本研究在埃塞俄比亚阿拜盆地的背景下，采用了基于R语言的RothC模型，以不同农田管理和未来气候情景为输入，评估SOC的封存潜力。

在埃塞俄比亚阿拜盆地，研究区域覆盖了大约1998万公顷的土地，其中农田占约38.12%（约760万公顷）。该区域的地形特征包括中心和东部的崎岖地形以及西部的平坦低地。年平均降雨量在低地约为1400毫米，而在高地则高达1800毫米，呈现出双雨季的模式。研究区域的土壤类型主要包括vertisols（37.0%）、nitosols（22.2%）、leptosols（18.7%）、luvisols（10.7%）和cambisols（9.9%）。这些土壤类型和气候条件为SOC动态提供了丰富的背景信息。

基于R语言的RothC模型被用于模拟阿拜盆地在不同农田管理实践和未来气候情景下的SOC封存情况。模型通过整合空间显式的SOC数据，增强了灵活性，使得在给定流域内更精确地反映气候变异、地形和土地管理实践的影响。通过这一模型，研究团队能够更准确地预测不同情景下的SOC变化，从而制定更有针对性的干预措施，优化SOC封存潜力。同时，该方法还提供了关于未来气候变化对SOC动态影响的宝贵见解，填补了土壤碳建模中的关键知识空白。

本研究通过四个农田管理情景（BAU、SSM1、SSM2和SSM3）和两个气候情景（当前气候和未来气候）对SOC的封存潜力进行了分析。结果显示，在当前气候条件下，所有SSM情景均能提升SOC含量，但其增益在高排放情景下有所下降。SSM3在碳封存潜力上表现最佳，但由于作物残渣竞争、劳动力和粪肥供应等问题，其推广面临一定障碍。碳信用机制和气候融资可以促进SSM3的广泛采用，通过抵消成本并奖励碳封存成果。若缺乏此类激励措施，SSM1和SSM2则为小农户提供更为现实的切入点，但它们在未来条件下的额外效益相较于BAU有限。SOC的潜力具有空间异质性，强调了在不同输入水平之间寻求平衡的重要性，以实现可持续的土壤管理。

研究团队还分析了不同管理策略和气候情景对SOC封存的影响。模型结果表明，所有SSM情景在当前气候条件下均能显著提高SOC含量，其中SSM3的增益最大。然而，在未来气候情景下，这些增益有所减弱，尤其是在盆地东部的区域，SOC封存潜力可能为负。这种现象表明，气候变化可能抵消土壤管理实践带来的碳封存效益，特别是在温度升高和降水减少的区域。因此，需要开发具有气候适应性的农业实践，以缓解气候变化对SOC动态的负面影响。

本研究还强调了不同管理策略在不同区域的适应性和可行性。例如，SSM1（低输入）和SSM2（中等输入）对于小农户而言更为可行，而SSM3（高输入）则需要充足的生物量供应、合作社模式和劳动节约技术的支持。此外，研究还指出，尽管SSM3具有最高的SOC封存潜力，但在实际推广过程中需要考虑残渣竞争、劳动力需求和粪肥供应等现实问题。因此，结合碳融资和结果导向的激励机制，可以将SSM3从一项高成本的实践转变为农民的有利机会，从而推动大规模土壤恢复。

研究团队在方法部分详细描述了数据需求和工作流程。他们收集了包括SOC含量、土壤物理和化学参数、气候数据、植被数据、土地管理数据以及预测的气候变化数据。这些数据来源包括ISRIC SoilGrids250数据库、CHIRPS提供的降水数据、ENACTS提供的温度数据、CRU TS提供的潜在蒸散发数据，以及通过Landsat卫星图像分析获得的土地利用数据。通过这些数据，研究团队构建了模型，并进行了校准和验证，以确保模型的准确性和可靠性。

在模型开发过程中，研究团队考虑了不同土壤管理实践对SOC封存的潜在影响。他们选择了四个代表性情景，包括常规情景（BAU）和三种不同碳输入水平的SSM情景。这些情景分别对应20%、30%和50%的碳输入增加，旨在评估不同管理策略对SOC封存的效率。模型结果表明，所有SSM情景均能提高SOC含量，但其效果在不同区域和气候情景下存在显著差异。这表明，SOC封存的潜力具有高度的空间异质性，需要根据具体条件制定相应的管理策略。

本研究的结果对政策制定者、发展合作伙伴和农民具有重要的指导意义。研究团队建议，推广再生农业实践，如作物残渣保留和粪肥施用，可以显著提高SOC封存潜力。对于小农户而言，低输入和中等输入的SSM情景（SSM1和SSM2）更为可行，而高输入的SSM3则需要更完善的资源支持和激励机制。此外，研究还强调了开发气候适应性策略的重要性，如耐旱作物品种、改进的水资源管理和农业林业系统，以减轻气候变化对SOC动态的负面影响。

研究团队在方法部分还详细描述了模型的初始化和验证过程。他们使用R语言构建的RothC模型对阿拜盆地的农田进行了模拟，考虑了不同碳输入水平和气候情景下的SOC变化。模型的初始化过程涉及对土壤有机碳（SOC）的测量，以及对土壤物理和化学参数、气候条件和植被数据的整合。通过这些数据，研究团队能够校准模型，并确保其在不同情景下的准确性。验证过程则利用了独立的SOC数据，以评估模型在不同区域和时间尺度上的表现。

在模型开发过程中，研究团队还考虑了气候变化对未来SOC封存的影响。他们采用了CMIP6模型预测的气候情景，包括SSP5-8.5排放情景下的温度和降水变化。这些预测数据被用于模拟未来气候条件下的SOC变化，以评估不同管理策略在不同气候情景下的效果。研究结果表明，未来气候条件可能会降低SOC封存的潜力，特别是在温度升高和降水减少的区域。因此，需要采取更具适应性的管理措施，以确保SOC的稳定和提升。

本研究还讨论了模型的局限性和不确定性。例如，RothC模型未明确考虑土壤侵蚀过程，而土壤侵蚀是阿拜盆地坡地农田SOC损失的重要驱动因素。此外，模型假设所有情景下的植物材料质量（DPM/RPM比例）保持不变，但实际上，诸如豆科作物集成（SSM2/SSM3）或粪肥添加等实践可能改变残渣化学成分，从而影响分解速率。这些因素可能会影响模型对SOC封存潜力的预测。尽管如此，RothC模型在埃塞俄比亚高原已被广泛验证，其简洁性使得在复杂模型（如DNDC）难以实现的高分辨率空间模拟成为可能。

研究团队还探讨了不同管理策略在不同区域的适应性和可行性。例如，SSM1和SSM2在小农户中更为可行，而SSM3则需要更完善的资源支持和激励机制。此外，研究还指出，尽管SSM3具有最高的SOC封存潜力，但在实际推广过程中需要考虑残渣竞争、劳动力需求和粪肥供应等现实问题。因此，结合碳融资和结果导向的激励机制，可以将SSM3从一项高成本的实践转变为农民的有利机会，从而推动大规模土壤恢复。

本研究的结论和建议为政策制定者、发展合作伙伴和农民提供了重要的参考。研究团队建议，推广再生农业实践，如作物残渣保留和粪肥施用，可以显著提高SOC封存潜力。同时，开发气候适应性策略，如耐旱作物品种、改进的水资源管理和农业林业系统，有助于缓解气候变化对SOC动态的负面影响。此外，研究还强调了制定针对不同区域的土壤管理计划的重要性，特别是在SOC封存潜力较低的东部地区，可能需要更加强烈的干预措施。

在政策和实践背景下，研究团队指出，SOC封存的潜力在不同区域存在显著差异，这需要针对具体条件制定相应的管理策略。例如，在SOC封存潜力较高的西部和西南部地区，可以优先推广高输入的SSM3实践，而在SOC封存潜力较低的东部地区，可能需要采取低输入和中等输入的SSM策略。此外，研究还强调了发展具有气候适应性的策略的重要性，以确保SOC的稳定和提升。这包括推广耐旱作物品种、改进水资源管理以及采用农业林业系统等措施。

最后，研究团队建议未来的研究应进一步整合社会经济驱动因素，建立长期监测机制，并扩大空间覆盖范围，以更好地指导国家和地区的土壤碳和气候缓解政策。这些措施将有助于推动可持续土地管理，增强气候适应能力，并在气候变化的背景下保障粮食安全。通过这些努力，埃塞俄比亚阿拜盆地的土壤管理实践可以为全球应对气候变化和提升土壤健康提供有价值的参考。