秸秆移除对德国农田土壤碳储量的影响

《Plant and Soil》：Implications of straw removal on soil carbon stocks in German croplands

　　

目的：对生物质以替代化石燃料基产品的高需求可能通过大规模秸秆移除来实现，但其对土壤有机碳（SOC）的影响尚不明确。本研究旨在量化德国农田中额外秸秆移除对SOC的影响。方法：在三种情景（常规情景、50%和100%额外秸秆移除）下，研究人员利用德国首次农业土壤清查中1,115个田块的点位土壤和管理数据，模拟了秸秆移除增加对SOC的影响。研究人员采用了一个结合三种异速生长方法与RothC模型的模型集合。结果：德国农田的年秸秆收获量可增至三倍，达到26.3 Tg秸秆（干物质）。目前，秸秆主要用于畜牧业，并与农场厩肥一起返回土壤（9.0 Tg秸秆）。移除所有额外可收获的秸秆（17.4 Tg秸秆）将使德国农田的平均碳（C）输入减少21%。在20年内，SOC储量将减少0.10 ± 0.20 Mg C ha^-1 a^-1，相当于全国范围内相比常规情景每年排放4.2 Tg CO₂。模拟的损失随时间推移而减小，但即使在200年后仍持续存在。每移除1 Mg秸秆的相对SOC损失在黏质土壤上大于砂质土壤。结论：额外收获秸秆将导致SOC损失，可能抵消通过化石燃料替代减少温室气体排放的努力。气候智能型残留物管理需要包括补偿策略，如覆盖作物种植，以维持SOC水平并缓解气候变化。

**论文解读：秸秆移除对德国农田土壤碳储量的影响**

**研究背景与问题**
为应对气候变化，减少对化石资源的依赖，对生物质基产品的需求日益增长。秸秆作为一种干燥、均质、质量稳定的副产品，被认为具有替代石油基产品（如塑料和汽油）的潜力，且不直接增加土地竞争，因而被视为可快速获取的生物质原料。然而，秸秆同时也是农田土壤有机碳（SOC）的重要来源。将秸秆留在田间有助于维持甚至增加SOC储量，而大规模移除秸秆可能导致SOC损失，进而抵消通过化石燃料替代实现的减排效益。现有研究虽已估算秸秆潜力，但多基于区域统计数据，未能充分考虑点位特异性土壤属性（如质地、初始SOC含量、气候）对SOC动态的影响。例如，Weiser等人（2014）采用腐殖质平衡法，但未纳入土壤性质；Monforti等人（2015）在欧盟尺度上模拟了秸秆移除的SOC效应，但引入了气候变化情景导致作物产量增加，从而补偿了SOC损失，使得结论模糊。因此，明确额外秸秆移除对SOC储量的实际影响，尤其是考虑点位特异性条件，对制定可持续的秸秆管理策略至关重要。本研究基于德国首次农业土壤清查的独特数据集，结合过程模型RothC，旨在回答以下问题：当前德国农田秸秆收获量及额外可收获量；额外秸秆移除后SOC储量如何变化；哪些点位特征驱动SOC损失。

**关键技术与方法**
研究人员利用德国首次农业土壤清查（German Agricultural Soil Inventory）中1,115个农田点位的土壤属性、管理数据（2001–2019年，平均13年记录）及气象数据（月均温度、降水、辐射），采用过程模型RothC（五库SOC分解模型）结合三种异速生长函数（CCB、IPCC_bol、BZE）的模型集合，模拟秸秆移除对SOC的影响。模型初始化通过10年预热运行结合解析解校准，确保模拟初始SOC储量与实测值匹配。设置三种情景：常规情景（BAU，当前管理不变）、50%额外移除（straw50，每两个谷物种植年收获一次额外秸秆）和100%额外移除（straw100，所有额外可收获秸秆全部移除），模拟200年，重复气象和管理数据序列。

**研究结果**
1. **当前秸秆收获量**：BAU情景下，仅39%的可用秸秆被收获，平均年秸秆产量为0.78 ± 0.90 Mg干物质（DM） ha^-1 a^-1，主要分布在西北部和南部畜牧业密集区。
2. **额外秸秆潜力**：straw100情景下，额外可收获秸秆量为1.51 ± 0.73 Mg DM ha^-1 a^-1，全国总秸秆产量可达26.3 Tg DM a^-1（当前9.0 Tg DM a^-1）。无畜牧业农场的额外秸秆潜力更高。
3. **碳输入变化**：移除所有额外秸秆使德国农田平均碳输入减少21%（从3.20降至2.51 Mg C ha^-1 a^-1），其中地上部分碳输入减少44%。
4. **SOC损失**：BAU情景下前20年SOC年损失0.05 ± 0.22 Mg C ha^-1；straw50和straw100情景下损失分别增至0.09 ± 0.21和0.15 ± 0.20 Mg C ha^-1 a^-1。straw100情景下，前20年累积SOC损失为1.93 ± 6.00 Mg C ha^-1（相对初始储量55.5 Mg C ha^-1的5.3%），全国年排放当量4.2 Tg CO₂。SOC损失率随时间递减，但200年后仍未达到新平衡。
5. **点位特征驱动因素**：每移除1 Mg秸秆的相对SOC损失在黏质土壤上显著高于砂质土壤（图6a），且随初始SOC储量增加而增大。绝对损失在西北部和东南部较高（因额外秸秆产量大），但相对损失在中南部更高（黏土和SOC储量高）。

**结论与讨论**
本研究明确表明，额外收获秸秆将导致SOC损失，且不存在所谓的“可持续秸秆潜力”——每移除1吨秸秆平均造成0.11 Mg C损失。这一损失可能抵消通过化石燃料替代实现的减排努力（相当于农业及土地利用部门年排放的4%）。SOC损失在黏质土壤上更为敏感，因此优先在砂质土壤（德国北部和东部）收获秸秆可减少单位秸秆的碳损失。然而，砂质土壤对秸秆输入维持土壤功能（如团聚体稳定性、微生物活性）的需求更为迫切。研究还发现，通过覆盖作物种植可增加碳输入（最高达12%，相当于年固碳3.8 Tg CO₂），几乎可补偿额外秸秆移除造成的SOC损失。此外，将秸秆热解为生物炭返回土壤也是一种潜在补偿策略。但需注意，大规模秸秆移除对土壤生物、微生物周转及物理性质的影响尚不确定，因此不应将秸秆视为废物，而应作为维持土壤健康的重要有机物料。研究结论强调：额外秸秆移除将导致SOC损失，可能抵消通过化石燃料替代减少温室气体排放的努力。气候智能型残留物管理需要包括补偿策略（如覆盖作物种植），以维持SOC水平并缓解气候变化。