《Journal of Environmental Management》：Simulating climate change impacts on soil carbon storage in agroecosystems from Brazilian drylands
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土壤有机碳动态模拟与巴西旱地管理策略研究。使用DayCent模型预测2024-2100年巴西三个旱地区域（Betania do Piauí、Petrolina、Sobral）不同土地利用系统下SOC变化，比较原生植被、常规耕作及集成农林业（CLI/CLFI）系统。结果表明强化管理（施肥/免耕）使SOC增加36-46%，但未来气候变暖干旱加剧将导致SOC普遍流失，集成系统部分缓解损失。研究强调土壤保护、养分管理和集成系统的重要性。
卢卡斯·T·格雷斯丘克（Lucas T. Greschuk）| 斯蒂芬·奥格尔（Stephen Ogle）| 乔治·L·洛卡泰利（Jorge L. Locatelli）| 拉姆·B·古伦（Ram B. Gurung）| 布鲁娜·E·谢贝尔贝因（Bruna E. Schiebelbein）| 黛安娜·西格诺尔（Diana Signor）| 拉斐尔·G·托努奇（Rafael G. Tonucci）| 莱迪万·A·弗拉桑（Leidivan A. Fraz?o）| 莫里西奥·R·切鲁宾（Maurício R. Cherubin）
圣保罗大学卢伊斯·德凯罗斯农业学院，巴西圣保罗州皮拉西卡巴市
摘要
巴西的干旱地区日益受到气候变化的威胁，气候变化加剧了干旱程度并降低了农业生产力。在这种情况下，土壤有机碳（SOC）在维持农业生态系统的韧性方面发挥着关键作用。本研究使用DayCent生态系统模型，在当前和预测的气候情景（SSP2–4.5和SSP5–8.5）下，模拟了三个代表性干旱地区的长期SOC动态（2024–2100年）：皮奥伊州的贝塔尼亚（Betania do Piauí，PI）、佩特罗利纳（Petrolina，PE）和索布拉尔（Sobral，CE）。通过实地数据（包括SOC和氮素储量）对模型进行了校准和评估，涵盖了多种土地利用系统，如自然植被、传统农业系统和强化农业系统（例如施肥、免耕、作物-畜牧业综合系统CLI以及作物-畜牧业-林业综合系统CLFI）。R2值在0.97到0.73之间，而SOC和氮素的均方根误差（RMSE）值分别在2.09到0.55之间。结果表明，土地利用转变通常会导致SOC减少（比自然植被区减少5–20%），尤其是在发生火灾或采用低投入系统的情况下。然而，系统强化措施一致地增加了SOC储量——相对于CLI-耕作系统增加了36%到46%，特别是在免耕和施肥系统中。在未来的气候情景下，所有地区的SOC损失都有所预测，尤其是在沙质土壤中。尽管如此，与强化管理相结合的综合性农业系统（IASs），如CLI和CLFI，在2100年前部分缓解了这些损失。虽然采用强化管理措施提高了系统的韧性，但它们无法完全抵消日益加剧的干旱带来的不利影响。这些发现强调了需要采取有针对性的适应策略（如土壤保护、改进养分管理和采用IASs）来维持土壤碳含量，确保巴西干旱地区的长期可持续性。
引言
干旱地区是世界上最容易受到气候变化影响的生态系统之一（Huang等人，2017a）。这些环境包括干旱、半干旱和干燥亚湿润地带，其特征是水资源有限、土壤脆弱以及气候变异性高，这使得它们对变暖和降水模式的变化特别敏感（Huang等人，2016, 2017a；Koutroulis，2019）。最近的研究表明，全球变暖在干旱地区的进展速度比湿润地区更快，1920年至2013年间地表温度上升了20–40%（Huang等人，2016, 2017b）。未来预测显示，到本世纪末干旱地区将扩大7%，其中78%的增长将发生在发展中国家（Koutroulis，2019）。在巴西，干旱地区约占国土面积的118万平方公里（12%），这些地区拥有广阔的农业用地，且越来越频繁地遭受干旱和干旱程度的增加（Sudene，2021；Greschuk等人，2025；Tomasella等人，2025）。
农业和土地利用变化占巴西年温室气体（GHG）排放量的70%以上（Albuquerque等人，2020；Dias等人，2016）。其中大部分是由于将自然植被（NV）转化为农田或牧场造成的，特别是在卡廷加生物群落（Caatinga）等干旱地区，1985年至2022年间该地区的NV面积减少了约800万公顷（MapBiomas，2023）。农业扩张通常导致有机残留物输入减少和土壤有机碳（SOC）矿化增加，从而增加了大气中的碳含量（Bayer等人，2006；Six等人，2002；Signor和Cerri，2013）。在巴西半干旱地区，以一年生作物为主的传统农业系统导致了显著的SOC损失，在40年的土地利用变化中，SOC储量减少了26%（0–30厘米深度）（Medeiros等人，2020）。SOC的损失威胁到了土壤肥力、作物生产力以及其他重要的生态系统服务，这突显了采用能够维持或增加SOC储量的管理策略的必要性，这是应对气候变化的重要途径（IPCC等人，2022；Tariq等人，2024）。
为应对这一挑战，综合性农业系统（IASs），包括作物-畜牧业（CLI）和作物-畜牧业-林业（CLFI）系统，作为一种有前景的管理策略出现，可以在保持干旱地区生产力的同时增加SOC的积累（Almeida等人，2021；Freitas等人，2022；Tonucci等人，2023）。IASs是可持续的生产系统，它们在同一区域内结合了畜牧业、林业和农业活动（木质、草本、作物和饲料层）（Greschuk等人，2025）。这些系统可以增加有机物质的输入，促进养分循环，并改善土壤结构和微生物活动。田间研究表明，IASs对土壤微生物生物量、SOC和氮素积累有积极影响（Maia等人，2022；Soares等人，2019）。然而，尽管有越来越多的观测数据支持，但对于这些系统在巴西干旱地区长期气候变化情景下的表现仍知之甚少。具体来说，目前尚不清楚通过施肥、免耕或良好管理的放牧系统是否能够抵消预测的SOC损失，甚至在未来的变暖和干旱条件下促进SOC的增加。
解决这一知识空白需要能够模拟不同土地利用和气候条件下长期土壤碳和氮动态的工具。虽然传统的田间测量可以提供SOC状态的快照，但它们在捕捉时间趋势和气候相互作用方面存在局限性。基于过程的生态系统模型提供了一种实用的替代方法，用于探索未来情景并评估农业实践的可持续性（Paustian等人，2016）。其中，DayCent生态系统模型是模拟农业生态系统中SOC、氮（N）和硫（S）动态的最稳健工具之一（Del Grosso等人，2002；Parton等人，1998）。DayCent以每日时间步长运行，考虑了气候、土壤、植被和管理之间的相互作用，并已在热带和半干旱环境中成功应用（Abdalla等人，2010；Damian等人，2021；Locatelli等人，2025；Santos等人，2023）。
之前的研究使用Century模型（Parton等人，1987）评估了巴西干旱地区的SOC动态（Althoff等人，2018；Araújo Neto等人，2021；Primo等人，2023）。只有Araújo Neto等人（2021）和Primo等人（2023）使用Century模型进行了长期SOC模拟，但两者都没有整合未来的气候预测。这一空白阻碍了为巴西干旱地区制定明智的气候智能策略的发展。将DayCent应用于评估该地区的SOC动态是新颖的，并为缓解和适应气候变化提供了宝贵的见解。在这项研究中，我们使用DayCent模型模拟了巴西三个代表性干旱地区（皮奥伊州的贝塔尼亚（Betania do Piauí，PI）、佩特罗利纳（Petrolina，PE）和索布拉尔（Sobral，CE）不同强化水平下的农业系统中的SOC和氮动态（2024–2100年）。这些地区涵盖了多种土壤气候条件和管理系统，包括自然植被、传统农田和牧场，以及采用施肥、免耕和综合CLI及CLFI实践的强化系统。
该模型使用SOC和氮素储量（0–30厘米深度）数据、气候记录以及详细的管理实践信息进行了校准和验证。然后，我们使用共享的社会经济路径（SSP2–4.5和SSP5–8.5）情景评估了这些不同管理策略的长期影响，以评估SOC储量对变暖和干旱趋势的响应。这项研究的总体目标是确定能够在气候变化面前维持或增加SOC储量的土地管理策略。我们假设：（i）强化管理系统，特别是结合施肥和免耕的系统，在当前气候条件下比传统管理措施更能增加SOC储存；（ii）在未来的气候情景下，特别是在粗质地土壤中，SOC损失会增加；（iii）综合性系统（CLI和CLFI）将表现出更大的韧性，部分缓解气候变化引起的损失。
研究区域和农业管理描述
本研究在巴西干旱地区的三个实验性农业区域进行（图1）。第一个研究地点位于伯南布哥州（Pernambuco）西部的佩特罗利纳（Petrolina）（09°03′ S, 40°19′ W；海拔：389米）。根据美国土壤分类法（Soil Survey Staff，2014），该地区的土壤被归类为Ultisol。佩特罗利纳（1991–2020年）的平均气温和年降水量分别为26.9°C和440.9毫米，降雨主要集中在11月至
模型性能
在0–30厘米深度的土壤层中，不同土地利用系统和地点的测量和模拟SOC及氮素储量存在差异（表1；图4）。在佩特罗利纳，所有评估的管理系统中模拟的SOC储量都略有低估，而氮素储量则普遍被高估。在贝塔尼亚 do Piauí，粘土土壤中测量和模拟SOC储量之间的绝对差异最大（Δ = 4.81 Mg C ha?1）。对于氮素储量，间作系统显示出最大的差异
模型性能
DayCent模型在再现巴西干旱地区各种农业生态系统中的观测SOC和氮素储量方面表现准确（图5和表2）。这与之前使用DayCent在热带或半干旱巴西环境中的研究结果一致（Althoff等人，2018；Araújo Neto等人，2021；Damian等人，2021；Locatelli等人，2025；Primo等人，2023；Santos等人，2023）。测量值和模拟值之间的高度一致性（R2 = 0.97）表明
结论
研究表明，巴西干旱地区的SOC动态对土地利用和气候变化非常敏感。在贝塔尼亚 do Piauí、佩特罗利纳和索布拉尔的模拟结果表明，将自然植被转化为农业系统通常会减少SOC，特别是在低投入实践和火灾使用的情况下。相反，通过年度施肥、免耕和受控放牧等农业强化措施可以增加碳积累并减少损失。
CRediT作者贡献声明
卢卡斯·T·格雷斯丘克（Lucas T. Greschuk）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。斯蒂芬·奥格尔（Stephen Ogle）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究调查，资金获取，正式分析，数据管理，
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