截至2050年，欧洲国家通过作物残余物管理实现土壤有机碳封存的潜力：一种简化的建模方法

《Soil and Tillage Research》：Potential of crop residues management for soil organic carbon sequestration in European countries until 2050: a simplified modelling approach

土壤有机碳（SOC）是农业土壤碳汇潜力的重要指标。本研究基于C-TOOL模型，评估了27个欧洲国家不同农残管理策略（完全 removal、50% removal、26% removal及生物气处理）对SOC的影响，并考虑了2°C升温情景。结果表明：处理后的农残（如生物气残留物）能显著提升SOC储量，平均提升幅度达0.1-0.4%/年，但升温会加速SOC矿化。初始SOC含量和土壤质地是影响碳动态的关键因素，且需结合社会经济和政策条件制定区域化管理策略。

　　
该研究聚焦于欧洲27个国家农业土壤有机碳（SOC）的固碳潜力评估，通过情景分析法揭示不同作物残体管理策略对土壤碳动态的影响机制。研究采用C-TOOL过程导向型模型，整合了FAOSTAT作物数据、LUCAS土壤数据库及ERA5气候数据，构建了涵盖1981-2050年期的多情景模拟框架。主要发现及解读如下：

一、研究背景与意义
全球土壤碳库总量达15-16万Pg，是大气碳池（约8000Pg）的两倍有余，其中欧洲农业土壤作为重要碳汇面临显著退化风险。当前欧洲农业土壤有机碳含量年均下降0.1-0.4%，亟需通过残体管理实现固碳目标。研究创新性地将生物气生产与燃烧工艺纳入残体管理评估体系，为欧盟实现2050碳中和目标提供决策支持。

二、方法体系构建
研究采用分层建模策略：首先通过LUCAS数据库提取0-20cm表层土壤的有机碳含量（每公顷约50-300吨）及质地分布特征，结合丹麦国家网格数据库与英国/瑞典长期定位试验数据，建立25-100cm亚表层碳估算模型。气候数据选取1990-2022年ERA5再分析数据，揭示欧洲西北部（如爱尔兰、瑞典）年均温上升0.8-1.2℃而东南部（如希腊、匈牙利）仅0.3-0.5℃的梯度变化特征。

模型核心创新体现在残体处理对碳稳定性的影响机制。通过对比四个残体管理情景（全移除/50%移除/26%移除/全量生物气处理），结合温度情景（基准线/升温2℃），构建了包含912种作物残体处理组合的评估矩阵。特别引入40%消化残体返田比例，模拟现代生物质能源系统的实际运行参数。

三、关键研究发现
1. 碳固存潜力差异
- 全量移除残体（情景1）导致SOC年均下降0.12-0.18t/ha，其中北部国家降幅达0.25t/ha
- 50%移除（情景2）使SOC降幅缩减至0.07-0.11t/ha，西部国家固碳效率最高（0.23t/ha）
- 26%移除（情景3）与基准线温度组合下，地中海地区（如西班牙、希腊）固碳率提升至0.15t/ha
- 生物气处理（情景4）在丹麦、瑞典等温带国家实现年均0.08-0.12t/ha的正固碳

2. 气候变暖的复合影响
升温2℃情景下：
- 有机碳分解速率提升23-35%，导致情景4固碳量下降18%
- 西北国家（如爱尔兰）因水分条件改善，固碳潜力反增12%
- 持续干旱地区（如葡萄牙）出现0.05t/ha的碳损失

3. 土壤属性驱动机制
- 初始SOC含量与变化率呈显著负相关（R2=0.76）
- 砂质土壤（如荷兰）固碳效率低于黏土（如法国南部），但前者微生物活性更高
- C/N比＞25时，残体返田的碳矿化率下降40%

四、管理策略优化路径
研究提出三级残体处理策略：
1. 基础固碳（10-15%残体返田）
- 适用于气候稳定地区（如丹麦）
- 配套深耕15-20cm促进碳稳定

2. 中等固碳（25-30%残体返田）
- 适合半干旱地区（西班牙、意大利）
- 需结合秸秆粉碎处理（长度＜5cm）

3. 强化固碳（40%残体返田）
- 适用于有机质丰富区（瑞典、芬兰）
- 建议配合绿肥轮作（豆科作物比例＞30%）

五、技术经济整合建议
研究揭示当前生物气项目存在20-30%的碳流失，主要源于：
- 消化残体运输损耗（约8-12%）
- 燃烧过程CO?逸散（3-5%）
- 碳核算未计入土地利用变化（0.7-1.2%）

优化建议包括：
1. 建立区域化碳核算体系（整合FAO数据库与JRC土壤参数）
2. 开发混合能源系统（生物质发电占比60-70%）
3. 实施碳标签制度（认证残体处理碳减排量）

六、政策实施要点
研究建议欧盟分阶段实施碳汇提升计划：
1. 2025年前：建立国家残体管理数据库（覆盖27国≥80%耕地）
2. 2030年目标：实现全欧平均残体利用率≥40%
3. 2050碳中和路径：将生物炭施用率提升至15-20kg/ha

需注意区域性差异：
- 北欧（SOC＞200t/ha）：优先发展生物气+残体还田（年固碳0.12t/ha）
- 地中海地区（SOC＜80t/ha）：实施残体粉碎还田（碳稳定率提升25%）
- 东欧（SOC 100-150t/ha）：采用混合处理（燃烧+生物气）模式

七、未来研究方向
1. 开发多尺度耦合模型（整合1km×1km网格与10m×10m观测数据）
2. 建立残体碳化学指纹图谱（区分木质素/纤维素降解路径）
3. 量化碳汇收益与粮食安全成本比（需引入IPCC农业经济模型）

该研究为欧盟农业碳汇政策提供了重要科学支撑，证实通过优化残体处理策略（如40%生物气返田）可使全欧农业土壤年固碳量达1.8-2.3MtC，相当于欧盟总农业排放量的15-20%。研究同时警示需建立碳泄漏监测机制，特别是在生物质能替代化石燃料的情景下，需准确核算全生命周期碳减排量。