利用SWAT-C模型在美国得克萨斯州高地平原流域尺度上量化高粱的碳封存潜力及耕作对土壤碳动态的影响

《Journal of Agriculture and Food Research》：Quantifying the carbon sequestration potential of sorghum and the effects of tillage on soil carbon dynamics using the SWAT-C model at the watershed scale in the Texas High Plains, USA

　　

本研究旨在利用土壤与水评估工具-碳（SWAT-C）模型，在美国得克萨斯州高地平原流域尺度上，量化高粱的碳封存潜力并评估耕作方式对土壤有机碳（SOC）动态的影响。模型采用现有高粱管理措施进行配置，以常规耕作作为基线。在RSWAT中采用多站点方法进行了校准（2016–2021年）和验证（2022–2024年），使用了代表高粱和其他农业用地（AGRC）的两个水文响应单元的月度土壤水分主动被动（SMAP）SOC数据。评估了保护性耕作和免耕相对于常规耕作对高粱田SOC的影响。模型性能令人满意，百分比偏差（PBIAS）<5.4%，均方根误差（RMSE）<2.83 t ha^-1，平均绝对误差（MAE）<2.35 t ha^-1。模拟的长期年均SOC与SMAP衍生的SOC高度一致。采用单因素方差分析（ANOVA）比较了高粱、AGRC、灌木地和草地的SOC储量，并使用线性混合效应模型评估耕作影响。高粱的长期（2016–2024年）平均SOC最高（47.80 ± 16.29 t ha^-1），其次是AGRC（47.74 ± 15.48）、灌木地（42.83 ± 19.62）和草地（42.77 ± 19.76）。高粱还表现出更好的SOC、碳封存和总碳储量。保护性耕作和免耕通常相对于常规耕作增加了SOC，其中保护性耕作的增益最高，但局部地区出现下降。总体而言，保护性耕作在增强高粱田碳封存方面表现出更好的潜力，但流域内结果存在空间变异性。

全球土壤碳库约2300 Pg，远超大气碳库（约760 Pg），农业既是温室气体排放源，也是减缓气候变化的关键领域。作物选择与耕作制度、施肥、灌溉等管理措施会直接或间接影响土壤有机碳（SOC）水平。尽管SWAT-C模型已在国内外得到应用，但既往碳研究多集中于玉米、大豆或森林、草地生态系统，且多基于有限站点，缺乏流域尺度下高粱生产系统的碳动态评估。高粱是美国得克萨斯州高地平原的主导作物，占研究流域面积的45.7%。因此，研究人员利用SWAT-C模型，在流域尺度量化高粱的碳封存潜力，并评估耕作方式对SOC动态的影响，以填补研究空白，为气候智慧农业和流域碳核算提供支持。该研究发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。

研究人员构建了基于SWAT2012框架并集成CENTURY碳模块的SWAT-C模型。模型输入包括SRTM 30 m数字高程模型、USDA NASS 2022年作物数据层（CDL）、SSURGO土壤数据、PRISM降水与温度数据、NASA POWER辐射/风速/湿度数据。高粱管理措施（种植/收获日期、施肥、灌溉、耕作）依据USDA NASS及文献设定，常规耕作作为基线。SOC参考数据来自SMAP L4全球日尺度9 km数据集（0–5 cm深度），提取高粱和AGRC两个水文响应单元的月度数据，在RSWAT中采用多站点方法进行校准（2016–2021）和验证（2022–2024），统计指标包括MAE、RMSE和PBIAS。碳封存率按IPCC指南计算，土地利用间差异用单因素ANOVA，耕作处理间差异用线性混合效应模型。

在模型性能方面（3.1 Model Performance for Simulating SOC），将模拟SOC与SMAP SOC对比：校准期高粱HRU的SMAP均值为42.10±0.98 t ha^-1，模拟值为45.85±0.75 t ha^-1，存在轻微高估；验证期差异显著缩小（高粱HRU差0.45 t ha^-1，AGRC差0.65 t ha^-1）。校准期MAE为2.33和2.34 t ha^-1，RMSE为2.82和2.79 t ha^-1，PBIAS为-5.3%；验证期MAE降至2.01和1.98 t ha^-1，RMSE降至2.15和2.14 t ha^-1，PBIAS为4.50%和4.48%。模型性能令人满意，且模拟SOC与得克萨斯州已有研究报道值（如45.5 t ha^-1）一致。

在量化高粱碳封存潜力方面（3.2 Quantifying the Carbon Sequestration Potential of Sorghum），通过比较2016–2024年长期年均SOC，高粱（47.80±16.29 t ha^-1）最高，AGRC（47.74±15.48）次之，灌木地（42.83±19.62）和草地（42.77±19.76）较低，单因素ANOVA表明土地利用影响显著（F=14.72，p<0.001）。2016和2024年呈现类似模式。总SOC储量方面，高粱长期均值为1100×10³吨，远高于其他地类。碳封存速率高粱最高（0.38 t ha^-1 yr^-1），其次AGRC（0.36）、灌木地（0.31）、草地（0.29）。结果表明高粱系统具有更好的碳存储潜力。

在耕作方式对SOC动态影响方面（3.3 Effects of Tillage Practices on Soil Carbon Dynamics in Sorghum Systems），利用499个高粱HRU的模拟SOC，采用线性混合效应模型比较三种耕作处理。长期（2016–2024）年均SOC在常规耕作下为47.80 t ha^-1，保护性耕作为48.56 t ha^-1，免耕为48.28 t ha^-1。保护性耕作较常规增加0.76 t ha^-1（95% CI: 0.62–0.90，p<0.001），免耕增加0.48 t ha^-1（95% CI: 0.34–0.62，p<0.001）。2016和2024年也有类似显著增加。保护性耕作的总SOC储量最高。空间上，两种保护性措施在大部分区域增加SOC，但局部出现下降，表明响应具有空间异质性。

在局限与贡献方面（3.4 Limitations and Contributions of the Study），研究局限包括SMAP SOC数据存在不确定性、0–5 cm与0–10 cm深度不完全匹配、仅用两个HRU校准可能未完全捕捉空间异质性、未进行参数敏感性分析等。贡献包括证明SMAP SOC可作为缺测区域模型校准的有效参考，并验证了SWAT-C在数据稀缺区域评估管理措施影响的能力。

讨论部分指出，保护性耕作和免耕提高SOC的机制可能源于土壤扰动减少、残留物保留增加、团聚体稳定性提高以及侵蚀和矿化作用降低。免耕增幅较小可能与碳输入不足或残留碳进入稳定库有限有关。不同研究中耕作效果存在差异，受轮作、碳输入、气候和土壤性质影响。局部SOC下降可能由残留输入、作物生产力、土壤性质、分解速率和可蚀性变异引起。

本研究结论为：本研究利用SWAT-C评估了美国得克萨斯州高地平原流域尺度下高粱的碳封存潜力和耕作方式对SOC动态的影响。研究证明了SWAT-C在流域尺度上量化碳封存潜力和评估耕作方式影响的能力。模型在校准和验证期间表现满意，确认其适用于评估SOC分布和管理引起的变化。结果表明，高粱生产系统在长期年均（2016–2024年）以及2016年和2024年期间均维持了比其他主要土地利用类型更好的SOC水平和总碳储量。高粱系统在2016–2024年期间的碳封存速率也高于AGRC、灌木地和草地，表明其相对更好地增强SOC储存和支持可持续碳管理的潜力。在高粱系统中实施保护性耕作和免耕普遍相对于常规耕作提高了SOC，其中保护性耕作在长期年均（2016–2024年）以及2016年和2024年期间的总增幅最大。SOC的这些增加具有重要的实际意义，因为即使土壤碳储量的适度增加也有助于降低大气CO₂浓度和支持减缓气候变化努力。增强的SOC还改善了土壤肥力、保水性和抗旱性，提供了额外的农艺效益。然而，两种保护性措施下均出现的局部SOC下降表明，SOC响应存在空间变异，并受特定地点条件的影响。总体而言，研究结果表明，在研究流域的高粱生产系统中，保护性耕作在增加SOC储存和促进可持续碳管理方面具有相对更好的潜力，同时强调了在流域尺度实施保护性措施时考虑空间变异性的重要性。