土地利用变化、土壤管理和巴西二季玉米净CO2平衡

《npj Sustainable Agriculture》：Land-use change, soil management, and net CO2 balance of second-crop corn in Brazil

　　

玉米是巴西第二大栽培作物（2100万公顷）。二季玉米（Second-Crop Corn, SCC）占该面积的80%，占全球产量的8%，使其成为具有较低土地利用变化（Land-Use Change, LUC）压力的粮食、饲料和生物燃料前景良好的原料。评估由直接土地利用变化（direct LUC, dLUC）和土壤管理实践（Soil Management Practices, SMP）产生的净CO2平衡（Net CO2Balance, NCB）对于量化其脱碳潜力至关重要。本研究提供了2023年巴西首个全国尺度的SCC分布制图，包括此前20年和10年的土地利用/覆被变化及相关的NCB。SCC向自然植被扩张的比例从13%（2003–2023）下降至3.6%（2013–2023）。20年dLUC NCB范围为0.6至0.9 t CO2ha?1yr?1，低于已发表数值。SMP贡献了?0.1至?0.2 t CO2ha?1yr?1，抵消了约20%的dLUC排放。结合dLUC+SMP的SCC乙醇NCB在相应时期分别为2.3至5.3和0.3至1.5 g CO2MJ?1。

巴西二季玉米（Second-Crop Corn, SCC）土地利用变化、土壤管理及净CO₂平衡研究解读

一、研究背景与立题依据

全球温室气体（Greenhouse Gas, GHG）减排需重点聚焦能源与农业、林业和其他土地利用（Agriculture, Forestry and Other Land Use, AFOLU）部门。巴西GHG排放特征不同于全球平均，其土地利用、土地利用变化及林业（Land-Use Change and Forestry, LULUCF） sector占比最高。二季玉米（大豆后接茬种植）因不侵占新土地被视为低直接土地利用变化（direct Land-Use Change, dLUC）风险的生物燃料原料，且巴西现有单作大豆面积及退化牧场尚有较大SCC扩种潜力。然而此前缺乏基于空间显性数据（spatially explicit data）的巴西全国SCC地块制图及其对应的dLUC与土壤管理实践（Soil Management Practices, SMP）导致的净CO₂平衡（Net CO₂Balance, NCB）量化研究，现有模型（如BRLUC、Orbae）未区分一季与二季玉米。因此研究人员开展此项研究以填补空白，成果发表于《npj Sustainable Agriculture》。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用以下主要步骤开展研究：①基于2023年MapBiomas耕地掩膜，通过目视解译Landsat及Sentinel卫星影像（辅以MODIS时序植被指数）对巴西全境二季玉米进行制图，并回溯识别2003与2013年同种地块；②将SCC地块与MapBiomas 2002/2012/2022年土地利用覆被数据及Pasture Atlas草地退化等级叠加，建立土地利用转移矩阵；③引用BRLUC 2.1提供的巴西各市碳储量（土壤有机碳SOC及植被碳C_veg）及IPCC碳库变化因子（土地利用因子F_LU、管理因子F_MG、输入因子F_I），其中二季玉米系统SOC估算采用提高的输入因子（F_I=高无粪肥）以反映双倍茬残体归还；④按IPCC碳储量差分法计算dLUC造成的年度化净CO₂平衡，按耕地保持耕地法算SMP土壤碳固存；⑤采用时空分配（space–time allocation）、能量分配（energy allocation）和经济分配（economic allocation）三种方法将大豆–玉米一年两熟系统的NCB分摊至二季玉米；⑥结合玉米产量与乙醇转化系数计算二季玉米乙醇生命周期中dLUC+SMP的碳足迹贡献（g CO₂MJ^?1）。

三、研究结果

Mapping second-crop corn areas in Brazil（巴西二季玉米面积制图）

研究人员通过目视解译判定2023年巴西SCC种植面积为1710万公顷，其中99.3%为大豆–二季玉米轮作，95%位于已注册农村环境登记（Rural Environmental Registry, CAR）的地产。马托格罗索州（Mato Grosso）占比最大（44%）。制图结果与巴西地理统计局（IBGE）官方统计吻合（NDAI≈0，R2=0.99）。

dLUC dynamics（直接土地利用变化动态）

2003–2023年间SCC新增1440万公顷，其中仅220万公顷（约13%→3.6%近期下降）源自自然植被转换，主要扩张来源于单作农田转双季系统（170万公顷）及退化牧场转SCC（300万公顷）。较早期（2003–2013）相比，近期（2013–2023）SCC侵占原生植被比例显著缩减。

Net CO₂balance associated with dLUC and SMP（dLUC与SMP相关的净CO₂平衡）

2003–2023年全国大豆–玉米系统dLUC排放538 Mt CO₂，SMP固碳?119 Mt CO₂，净平衡419 Mt CO₂；近期（2013–2023）dLUC排放与固碳占比下降。年度化结果显示dLUC NCB为0.6–0.9 t CO₂ha^?1yr^?1，SMP为?0.1至?0.2 t CO₂ha^?1yr^?1（抵消约20% dLUC）。无CAR注册地产dLUC排放更高。不同分配方法下二季玉米分摊NCB略有差异（能量分配二季玉米占56%能值、经济分配占41%产值、时空分配各50%）。

Contributions of dLUC and SMP to the carbon footprint of second-crop corn ethanol（dLUC与SMP对二季玉米乙醇碳足迹的贡献）

基于2003–2023年NCB，巴西全国二季玉米乙醇dLUC+SMP碳强度为2.3–5.3 g CO₂MJ^?1，中西部主产区为1.9–4.4 g CO₂MJ^?1；基于近期2013–2023年则分别降至0.3–1.5 g CO₂MJ^?1和0.1–0.5 g CO₂MJ^?1，远低于既往未区分二季玉米的模型估算值。

四、讨论与结论总结

讨论指出这是首次基于空间显性二季玉米制图量化dLUC与SMP的NCB。二季玉米扩张趋近已开发农地及退化牧场、配合巴西森林保护政策使dLUC净排放近年下降73%。SMP（免耕、残茬留存、双倍作物残体输入导致高F_I）带来可观土壤碳积累，证实从单作转双季系统具增汇效益。现有通用模型（BRLUC、Orbae）因未区分二季玉米可能高估dLUC排放，建议纳入本研究的空间显性二季玉米分类。不同分配方法致NCB分摊差异可达38%，推荐敏感性分析。CAR注册地产dLUC排放更低，印证巴西森林法典工具之效力。研究局限含假定全部SCC用于乙醇、采用平均产量及Tier 1不确定度。

结论翻译：

本研究呈现了巴西首份二季玉米全国制图（2023年）及前推20年/10年土地利用与覆被状况，并推导了市级至联邦级的dLUC与SMP净CO₂平衡。研究显示巴西二季玉米关联的dLUC排放较低且呈下降趋势——尤其对比2003–2013与2013–2023两时段，且SMP对土壤碳积累贡献显著。基于空间显性数据的结果证实二季玉米及其衍生品（如乙醇）具备缓解巴西能源与AFOLU部门GHG排放的高潜力。本研究增进了对巴西二季玉米碳收支的认知，为碳足迹研究与生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）提供详实估算集，支撑玉米供应链脱碳。结果对理解二季玉米生产系统可持续性及相关生物能源与农业政策具有重要参考价值。研究人员强烈建议MapBiomas、BRLUC及Orbae等制图和LCA倡议纳入空间显性的二季玉米制图以提高精度。