干旱气候区农业土壤碳汇的经济可行性：以约旦为例的“点土成金”路径评估

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Turning dirt into gold: the business case of soil carbon for agrarian pathways in arid climate

　　

专业摘要翻译： 摘要 引言： 农业碳封存（carbon sequestration）在减缓人为气候变化方面具有相当大的潜力，尤其是在中东地区低有机碳含量的土壤中。本研究提供了一项基于情景的基础性评估，探讨土壤碳封存及其经济可行性。 材料与方法： 研究使用了约旦官方统计数据（1998–2023年）中的作物生产和市场数据集，以估算潜在的土壤碳封存量及经济绩效。基于可比农业生态区域文献中的基准值，研究评估了四种土壤碳管理措施在不同作物上的碳储存潜力，并采用蒙特卡洛（Monte Carlo）不确定性及敏感性分析。经济绩效的敏感性则在乐观/悲观情景下进行评估。 结果： 在所评估的措施中，通过增加土壤有机碳（SOC）实现的碳封存速率最高，在黄瓜的高情景下达到每年每公顷27.44吨二氧化碳（tCO?/ha/year）。相比之下，大麦在增加SOC的高情景下表现出最高的封存速率，为0.45 tCO?/ha/year。敏感性分析显示，管理系数±20%的不确定性导致增加SOC措施的变化为1.11 tCO?/ha/year，改善农田管理措施的变化为0.46 tCO?/ha/year。园艺作物，尤其是黄瓜和柠檬，表现出最高的封存速率和对管理干预的最强响应。小麦、大麦和橄榄等大田作物则表现出较低且更稳定的封存速率。经济分析显示，黄瓜、葡萄、马铃薯和露地（OFF）番茄在实现有效碳封存的同时，获得了最高的三支柱绩效（净利润、调整后利润和盈亏平衡成本）。这些发现强调，作物选择是决定作物盈利能力和碳封存潜力及可行性的主要因素，对数据稀缺地区的气候智慧农业、碳信用机制和集约化策略具有重要启示。 研究局限性： 尽管实证田间验证仍是未来的优先事项，本研究基于模型的分析为干旱农业系统的定向研究和投资提供了筛选层面的理论基线。

论文主体内容解读

一、研究背景与问题提出

气候变化是21世纪最严峻的挑战之一，温室气体排放尤其是二氧化碳（CO?）的持续增加正威胁着全球生态系统和粮食安全。植被和土壤在调节气候和储存碳方面发挥着至关重要的作用，然而人类活动导致的土地开垦以及干旱、森林火灾等间接影响已显著改变了植被覆盖和组成。通过土壤有机碳（SOC）管理实现碳封存，尤其是在农业用地上，被视为自然气候解决方案的关键组成部分。已有研究表明，生物炭可使SOC提高25.4%，保护性耕作提高18.8%，覆盖作物提高15.8%，且中期干预措施的收益最为显著。经济评估也显示，采用覆盖作物和免耕的美国农民每年可封存1700万至7500万吨CO?当量，但支付方案同时影响碳封存和净收益。

中东地区以沙质和砾石土壤为主，有机质含量低、盐度高，并伴有生物土壤结皮。结合以半干旱和干旱为主的气候，这些特征强烈影响该地区的农业、保水性和土地管理。约旦面临显著的气候变化风险，包括土壤和气温上升、降水减少且变率增大、湿度下降以及水资源短缺加剧，这些均预期对作物生产力产生不利影响。尽管全球研究强调了土壤碳封存实践的潜力，但其在约旦的应用在很大程度上未经测试，缺乏本地数据，也缺乏经济可行性的综合评估。在国家层面，已有研究估计约旦SOC储量为1877–1896 Tg C，在改善管理下25年内潜在增益为25–124 Gg C。因此，本研究旨在提供一个可复制的 methodological 框架和理论基线，以估算约旦不同农业系统的土壤碳封存潜力和经济回报，为政策制定者和农民提供气候智慧且经济可行的土地管理实践依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员利用约旦统计部门1998–2023年的作物生产和市场数据，结合文献基准值，评估了四种气候智慧农业实践——增加SOC、生物炭添加、农林复合和改善农田管理——在多种作物上的碳封存潜力及经济绩效。研究采用比例分配框架将全球减缓潜力降尺度至约旦本地估算，并通过蒙特卡洛不确定性分析和敏感性分析评估估算的稳健性。经济分析从生产者视角出发，计算了净利润（NP）、调整后净利润（ANP，含碳收入）和盈亏平衡CO?成本（BEC）。

研究得出以下主要结论：在所评估的实践中，增加SOC在所有作物中实现了最高的中位封存值，黄瓜在高情景下达到27.44 tCO?/ha/year，柠檬达到12.78 tCO?/ha/year。大田作物如小麦和大麦的封存速率较低且更稳定，分别不超过1.65和0.45 tCO?/ha/year。敏感性分析显示，管理系数±20%的不确定性导致增加SOC的响应变化为1.11 tCO?/ha/year，而改善农田管理仅为0.46 tCO?/ha/year，表明不确定性贡献因实践而异。经济分析揭示，黄瓜、葡萄、马铃薯和露地番茄在实现有效碳封存的同时获得了最高的三支柱绩效。相比之下，温室（GHF）番茄在所有情景下均持续亏损。橄榄和谷类作物（小麦、大麦）盈利性最低，往往依赖碳定价。乐观情景下，增加SOC实践的最高NP和ANP分别达到28,903和29,866 USD/ha，最低BEC为?160,535 USD/tCO?，表明经济可行性显著提升。这些发现强调作物选择是决定盈利能力和碳封存潜力及可行性的主要因素。

三、关键技术方法

本研究为理论基线情景评估，非田间实验研究。主要技术方法包括：（1）基于约旦统计部门（DOS）1998–2023年（小麦和大麦为2016–2023年）的全国层面作物生产、面积和市场价格数据，计算产量（ton/ha）和收入；（2）采用营销成本比率（MCR）方法估算缺失的橄榄价格，并以RMSE、MAE和R2验证模型可靠性；（3）基于消费者价格指数（CPI）对历史运营成本进行通胀调整；（4）将全球SOC减缓潜力（Smith et al., 2019）通过比例加权框架降尺度至约旦本地SOC范围（Batjes, 2006），并设定低、中、高三种实施情景（10%、20%、30%改进面积）；（5）采用蒙特卡洛模拟（1,000次，±15%不确定性）评估SOC估算的不确定性，并进行±20%敏感性分析；（6）基于边际减排成本（MAC）方法估算碳价格，计算年成本、净利润（NP）、调整后净利润（ANP）和盈亏平衡CO?成本（BEC）；（7）对增加SOC实践进行乐观/悲观情景的敏感性分析（±10%产量、碳封存、碳价格，?10%实施成本）。所有计算均在RStudio中完成。

四、研究结果

3.1 SOC封存潜力（tCO?/ha/year）

四种实践的相对贡献权重计算为：增加SOC占比最大（0.358），其次为生物炭添加（0.264）、农林复合（0.231）和改善农田管理（0.147）。降尺度后的本地SOC范围中，最低值出现在低情景下的改善农田管理（0.04–0.22 tC/ha），最高值出现在高情景下的增加SOC（0.32–1.65 tC/ha）。改进面积方面，大麦和橄榄在高情景下分别达到28,784 ha和19,360 ha，而黄瓜和柠檬在低情景下仅分别为73 ha和158 ha。结果表明，增加SOC在几乎所有作物中实现了最高的中位封存值，黄瓜高情景下达到27.44 tCO?/ha/year，柠檬为12.78 tCO?/ha/year。改善农田管理的上限为5.05 tCO?/ha/year，而小麦和大麦分别不超过1.65和0.45 tCO?/ha/year。所有情景趋势一致（低<中<高），所有值为正，标准差小于均值，验证标志全部有效。蒙特卡洛分析显示，黄瓜在增加SOC高情景下的平均估算最高（13.63 tCO?/ha/year），大麦在改善农田管理低情景下最低（0.02 tCO?/ha/year）。验证显示43.8%的模拟值在已发表基准范围内。敏感性分析表明，增加SOC的敏感性最高（影响范围1.11 tCO?/ha/year），改善农田管理最低（0.46 tCO?/ha/year）。

3.2 不同管理实践下作物的经济绩效

碳价格采用MAC方法结合不同需求弹性计算：低情景下为11–110 USD/tCO?，中情景为14.1–140.9 USD/tCO?，高情景为20–200 USD/tCO?。生物炭实践的总成本最高（低情景240–33,856 USD/ha至高情景255–34,634 USD/ha），而增加SOC和改善农田管理成本较低。黄瓜总成本最高，其次为GHF番茄、马铃薯和OFF番茄；橄榄、小麦和大麦成本最低。经济绩效方面，黄瓜表现最佳，NP范围为?2,626至20,959 USD/ha，ANP为?1,976至21,593 USD/ha，BEC为?30,297至3,551 USD/tCO?。马铃薯和OFF番茄表现良好，而GHF番茄持续亏损（NP最高仅536 USD/ha，BEC高达96,899 USD/tCO?）。多年生果树中，葡萄NP为?1,848至17,844 USD/ha，柠檬为?1,692至13,086 USD/ha，橄榄盈利性最低（NP为?1,289至3,819 USD/ha）。作物特异性敏感性分析显示，乐观情景下最高NP达28,903 USD/ha，ANP达29,866 USD/ha，最低BEC为?160,535 USD/tCO?，表明经济可行性受农艺表现、碳市场条件和实施要求的综合影响。

五、讨论与结论

讨论部分指出，全球土地碳管理努力多集中于防止毁林和农地再造林，而农业用地在全球景观中占主导地位。本研究结果与干旱和半干旱农业系统的文献报道一致，表明可持续管理实践可增强旱地碳储存能力。研究强调，中东地区包括约旦面临提高粮食生产力同时保持可持续农田利用的双重挑战。生物炭在约旦因土壤pH适中、石灰含量高和肥料投入较高而作物增产效益有限。研究估算的碳封存潜力为理论生物物理上限，而非实际可达范围。黄瓜的高封存速率与文献中CO?富集环境下光合速率和生产力提升的报道相符。蒙特卡洛分析提供了对估算不确定性的详细评估，其中柠檬基准范围（?4.04至6.94 tCO?/ha/year）反映了不同管理和农业生态条件下土壤碳响应的变异性。敏感性分析显示乐观实施情景下经济绩效改善，方向与已有农林复合研究一致。总体而言，露地蔬菜（黄瓜、马铃薯、番茄）利润最高且碳封存有效，GHF番茄普遍不盈利，葡萄和柠檬在采用最有效实践时可实现中高盈利，而橄榄和谷类作物盈利性最低。增加SOC可提升利润并降低BEC，而其他实践收益较小或变异性更大。研究结论强调，碳封存实践可通过潜在碳信用收入产生经济效益，但需要支持性政策和有效融资机制，包括中央银行和自愿碳市场的创新融资作用。研究结果为政策论证和农民采用研究提供了基于国家农业统计的证据支持，并指出土壤管理通过最小耕作促进表层15 cm土壤养分有效性，与本研究低中情景结果一致。研究局限性在于缺乏实证田间验证，但作为筛选层面的理论基线，可为干旱农业系统的定向研究和投资提供指导。