半干旱区减少休闲轮作对土壤碳储能的全球潜力及气候减缓意义

《Global Change Biology》：Global Potential to Increase Soil Carbon Storage by Reducing Rotational Fallow in Semiarid Regions

本文综述了通过减少半干旱地区休闲轮作来强化耕作制度对土壤有机碳（SOC）储量的积极影响。研究基于全球实验数据，量化了消除休闲期带来的SOC增益（平均3.2 Mg C ha?1），并分析了土壤质地、气候因子及实施年限对固碳速率的影响。结果表明确保休闲减少可作为《巴黎协定》国家自主贡献的有效措施，全球推广20年有望实现0.54 Gt C的碳汇潜力。

　　

摘要

集约化耕作系统通过减少休闲轮作（bare-fallow）可提升作物生产力并增加土壤有机碳（SOC）储量。本研究整合全球实验数据，发现消除休闲后SOC储量平均增加3.2 (±0.3) Mg C ha^?1；进一步以单位休闲减少年限计算，SOC增益达443 (±34) kg C ha^?1yr^?1。土壤质地显著影响固碳效果，细质、中质和粗质土壤的SOC年增益分别为552 (±85)、406 (±38)和430 (±92) kg C ha^?1。固碳速率随实施时间延长而下降，<10年、11–20年和>21年对应的增益依次为615 (±74)、433 (±45)和360 (±60) kg C ha^?1。研究表明，减少休闲可作为《巴黎协定》框架下的关键气候减缓措施，加拿大1990–202年间通过减少休闲累计实现66.3 Mt C的SOC增益，全球推广20年有望贡献0.54 Gt C的碳汇。

1 引言

土壤有机碳（SOC）全球储量约1500 Gt，是大气CO₂碳库的两倍，其在全球碳循环中的作用至关重要。尽管关于“4‰年增率”可行性存在争议，但农业土壤作为自然气候解决方案（NCS）的潜力已被广泛认可。半干旱地区传统夏季休闲（summer fallow）虽可保存土壤水分，却因缺乏作物残体输入和频繁耕作加剧SOC分解。保护性耕作（如免耕）与休闲减少相结合，可协同提升土壤水分利用效率与碳汇能力。本研究旨在量化耕作制度强化对SOC储量的影响，并分析土壤质地、气候因子及时间动态的调控作用。

2 材料与方法

通过Web of Science和Scopus数据库检索“休闲+土壤有机碳”相关文献，筛选出长期定位试验（≥4年）、明确休闲频率对比的数据，最终纳入27篇加拿大文献（97组对比）、26篇美国文献（73组对比）及14篇其他国家文献（18组对比）。SOC储量变化（ΔSOC）计算为连续耕作系统与含休闲系统的差值，并推导单位休闲减少年限的固碳速率（SOCRATE_EYFR）。采用SAS软件进行配对T检验和混合模型分析，显著性水平设定为95%置信区间无重叠。

3 结果

消除休闲后，SOC净变化范围为-6.9至34.8 Mg C ha^?1，均值3.2 (±0.3) Mg C ha^?1。按单位休闲减少年限计算，固碳速率均值为440 (±30) kg C ha^?1yr^?1。细质土壤SOC增益最高（4.5 Mg C ha^?1），粗质与中质土壤均为2.8 Mg C ha^?1。干旱指数（P/PET）分析显示，半干旱与半湿润区固碳潜力最大（3.7 Mg C ha^?1）。土壤类型中，黑钙土（Black Chernozem）增益达6.7 Mg C ha^?1，显著高于褐钙土与暗褐钙土。时间动态上，固碳速率随实施年限延长而下降，<10年时高达615 kg C ha^?1yr^?1，>20年时降至340 kg C ha^?1yr^?1。

4 讨论

本研究首次基于休闲减少年限量化固碳速率，结果优于覆盖作物（cover crops）的320 kg C ha^?1yr^?1。土壤质地与气候是关键调控因子：细质土壤因物理保护作用固碳潜力更高，而半湿润区作物生产力提升进一步驱动碳增益。固碳速率随时间下降符合土壤碳库饱和理论，但与免耕措施相比，休闲减少的速率衰减较缓，主因是作物残体输入直接驱动SOC积累。加拿大案例表明，免耕与休闲减少协同推广可显著扩大碳汇效益，1990–2020年间休闲面积从8 Mha降至0.1 Mha，同期免耕面积增至21 Mha，累计实现66.3 Mt C的SOC增益。全球尺度上，2020年休闲面积达176 Mha，若以加拿大速率（3.3% yr^?1）逐步消除休闲，20年内可贡献0.54 Gt C的碳汇。

5 结论

减少休闲轮作是提升农业土壤碳汇的有效措施，其效益受土壤类型、质地、气候及实施年限调控。该措施可整合于《巴黎协定》国家自主贡献，兼具气候减缓与粮食安全协同效益。未来需加强全球多区域实证研究，并关注与氮素管理等措施的协同优化。