中国农田土壤有机碳固存潜力研究：气候-管理互作驱动下的2020-2060年预测

为解决全球气候变化背景下农田土壤碳库动态预测的难题，中国科学院团队通过过程模型RothC系统评估了中国122 Mha农田在2020-2060年的SOC（Soil Organic Carbon）固存潜力。研究发现维持37%秸秆还田率可使全国SOC储量增长25%（约1650 Tg C），其中南方贡献84%固存量，而东北地区潜力微弱。该研究为优化秸秆还田策略和实现"4 per 1000"倡议提供了关键数据支撑，发表于《Soil》期刊。

　　

在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，农田土壤有机碳（SOC）固存已成为兼具减缓气候变化和提升土壤肥力的关键自然气候解决方案（NCS）。作为世界农业大国，中国农田具有高度代表性的气候类型、土壤条件和耕作制度，但SOC固存潜力的空间变异性长期缺乏量化评估。特别是随着秸秆资源化利用途径多元化（如生物炭转化、沼气生产）和农村人口减少导致的有机肥供应下降，如何平衡经济收益与碳管理成为重大科学命题。

中国科学院团队在《Soil》发表的最新研究中，采用过程模型RothC 26.3版本，整合CMIP6气候情景（SSP126/SSP585）和中国高精度土地利用数据（CNLUCC），系统模拟了2020-206年间中国122.4 Mha农田的SOC动态。研究创新性地构建了包含12种秸秆还田梯度的管理场景，结合MRI-ESM2-0气候模型和ACEA作物模型预测的产量数据，量化了碳输入（C_input）与气候因子的交互效应。

关键技术方法包括：1）基于土壤RothC模型的空间显式模拟，使用SoilR软件包在R 4.4.2平台实现；2）整合0.5°×0.5°网格的土壤属性数据（GSDE数据集）和2020年SOC密度（SOC_D）基准；3）采用Spearman秩相关和偏相关分析解析环境因子与ΔSOC的关系；4）通过"4 per 1000"标准评估不同秸秆还田情景的达标潜力。

3.1. BAU情景下的SOC变化
维持2015-2020年平均37%秸秆还田率（BAU情景）时，全国SOC_D将从2020年50 Mg C ha^-1增至2060年63.5 Mg C ha^-1，年均固存速率达335-341 kg C ha^-1 yr^-1。时空格局显示：固存高峰出现在2021-2030年（450 Tg C），随后呈递减趋势；EC、SC、SW三大区域贡献全国84%固存量，而NE地区因初始SOC_D较高（58.6 Mg C ha^-1）且碳输入有限，年均固存率仅11.5-21.8 kg C ha^-1 yr^-1。

3.2. 秸秆管理的调控作用
梯度实验揭示秸秆还田率与SOC固存呈显著正相关（ρ=0.97）。当还田率≥30%时，SOC年变化率（SOC_r）可持续超过0.4% yr^-1，满足"4 per 1000"目标；100%还田情景下固存量可达4000 Tg C，是移除情景（400 Tg C）的10倍。值得注意的是，当前中国平均还田率已超50%，但NE地区因秸秆资源短缺（0.3 Mg C ha^-1 yr^-1）可能面临碳源风险。

3.3. SOC变化的驱动机制
偏相关分析显示：C_input与ΔSOC保持最强关联（控制变量后ρ=0.95）；温度（MAT）和降水（MAP）通过促进作物生长间接影响固存；初始SOC密度（C₀）呈现负反馈（ρ=-0.40），印证土壤碳饱和理论。粘土含量通过矿物-有机质结合机制提升固存效率。

这项研究首次量化了中国农田SOC固存对气候-管理互作的响应阈值，证实维持当前秸秆还田政策可实现27%的SOC储量增长。其科学价值在于：1）揭示了南方湿热区的高固存潜力与东北黑土区的饱和风险；2）明确了30%秸秆还田率是实现"4 per 1000"目标的临界值；3）为《巴黎协定》下中国农业减排路径提供了数据支撑。局限性在于未考虑SOC饱和非线性响应和西南地区土壤退化效应，未来需开发整合耕作措施的改进模型。该成果对全球农业国制定基于自然的碳中和方案具有重要借鉴意义。