有机肥替代可使中国果园从温室气体源转变为碳汇

《Agronomy》：Organic Fertilizer Substitution Could Shift Chinese Orchards from a Greenhouse Gas Source to a Sink

　　

水果在全球农业中扮演着重要角色，然而由于缺乏对土壤有机碳（SOC）固存与非CO2排放的综合评估，果园生态系统的温室气体（GHG）平衡仍未被充分约束。鉴于中国在全球水果产量中的显著份额，解决这一空白对于推进低碳农业战略至关重要。本研究通过将SOC固存和氧化亚氮（N2O）排放整合在一个统一的分析框架内，首次提供了数据驱动的、系统层面的中国果园GHG平衡量化评估。研究人员汇编了一个包含170个SOC变化观测值和82个N2O排放观测值的综合数据库，并使用随机森林（RF）模型捕捉了环境/管理驱动因子与GHG通量之间的非线性关系，该模型表现出稳健的预测性能（SOC和N2O模型的R2分别为0.71和0.66）。有机物料输入和SOC含量分别被确定为SOC和N2O模型中影响最大的预测因子。模型模拟估计，2021年中国果园在标准化的0–20 cm土层中固存了4.53 Tg C，平均固存速率为0.34 t C ha?1 yr?1，同时排放了89.37 Gg N2O，对应排放强度为6.76 kg N2O ha?1。中国果园的净GHG平衡估计为7.78 Tg CO2-eq，其中核果和柑橘类果园是净正GHG排放的主要贡献者。情景分析显示，用有机肥替代20%的矿物氮肥可使净GHG平衡从源转变为汇（–1.03 Tg CO2-eq），而50%替代情景可实现高达–14.37 Tg CO2-eq的净碳汇。这些发现重新定义了SOC固存和N2O减排在多年生系统中的相对作用，并强调了有机物管理是实现果园农业碳中和的关键路径。

论文解读文章

研究背景与科学问题

气候变化是人类社会面临的最严峻挑战之一，主要由人为温室气体（GHG）排放驱动。农业生态系统既是非CO₂温室气体的主要排放源（贡献全球约32%的甲烷和55%的氧化亚氮排放），也是重要的碳汇，具有巨大的固碳潜力。水果生产是全球第三大农业部门，仅次于谷物和蔬菜。中国是世界最大的水果生产国，2023年其果园面积和水果产量分别占全球总量的23%和29%。然而，果园土壤管理面临独特挑战：果树生长周期长、养分需求高，导致频繁且大量的施肥——特别是矿物氮肥。中国主要水果（如苹果、柑橘）的年均矿物氮施用量高达227至376 kg N ha^?1，远高于水稻、小麦、玉米等主粮作物的174至221 kg N ha^?1。如此高的氮投入加剧了土壤硝化和反硝化过程，增加了N₂O排放风险。同时，多数果树为多年生深根系植物，土壤扰动少，其土壤有机碳（SOC）固存潜力常被低估。因此，准确估算果园SOC固存和净GHG排放，对于科学评估其在实现碳中和目标中的作用至关重要。

现有研究主要存在以下问题：第一，缺乏对SOC固存和N₂O排放进行统一框架下的综合评估；第二，以往估算多采用排放因子法或线性模型，未能充分考虑环境和管理变量的非线性响应；第三，针对果园系统的全国尺度净GHG平衡评估极为有限。为此，研究人员开展了此项研究，旨在：①基于综合田间观测数据库，利用机器学习算法建立稳健的非线性模型，量化中国果园的SOC固存和N₂O排放；②评估当前净GHG平衡并识别关键驱动因素；③通过优化施肥管理的情景分析，评估碳固存和减排潜力。研究人员假设，用有机肥替代矿物氮肥能够增加SOC固存，足以抵消相关的N₂O响应，使低扰动果园系统从净GHG源转变为净汇。

关键技术方法

研究人员通过系统检索中国知网（CNKI）和Web of Science数据库（截至2023年12月），经严格筛选后构建了两个数据库：包含170个观测值的SOC动态数据库（来自22篇论文）和包含82个观测值的N₂O排放数据库（来自15篇论文）。两个数据库均记录了17个潜在解释变量，涵盖果园特征（水果种类、树龄）、监测时长、土壤属性（初始SOC含量、全氮、容重、pH、黏粒含量）、管理措施（矿物N/P/K投入、有机C/N/P/K投入）和气候因子（年均温、年降水量）。缺失的土壤数据从国家地球系统科学数据中心（soil.geodata.cn）获取，缺失的气候数据从资源与环境科学数据中心（resdc.cn）获取。空间模拟所需的栅格数据集统一标准化为5′×5′分辨率。研究人员采用随机森林（RF）算法分别构建SOC变化和N₂O排放模型，通过五折交叉验证结合网格搜索优化参数，并依据Smith等人提出的框架评估模型性能。

研究结果

3.1 模型性能与变量重要性

SOC模型表现优异（R2=0.71，RMSE=0.23 g kg^?1 yr^?1，EF=0.69），N₂O排放模型表现良好（R2=0.66，RMSE=0.01 kg ha^?1 day^?1，EF=0.63），t检验表明两模型均无显著偏差。变量重要性分析显示：有机物料输入是SOC模型中最关键的变量，其次是土壤黏粒含量和初始SOC浓度；气候因子中降水的影响大于气温。边际效应曲线表明，SOC年均变化随有机物料输入增加而增加，但当输入超过5000 kg C ha^?1时趋于平缓甚至下降；初始SOC浓度与SOC变化呈负相关。对于N₂O排放模型，SOC浓度和pH是关键影响因素；年降水量的影响大于年均温；矿物氮和有机氮投入的重要性相近。边际效应显示，N₂O排放在SOC约10 g kg^?1时达到平台期，在中性pH条件下排放最高，随降水增加至约1000 mm后趋于稳定。

3.2 果园SOC固存与N₂O排放现状

中国果园平均SOC变化率为0.34 t C ha^?1 yr^?1。不同农业区域中，甘新（GX）和西南（SW）地区变化率最高（分别为0.48和0.43 t C ha^?1 yr^?1），青藏（QT）地区最低（0.14 t C ha^?1 yr^?1）。不同水果类型中，浆果类固存速率最高（0.74 t C ha^?1 yr^?1），柑橘类最低（0.03 t C ha^?1 yr^?1）。全国范围内，果园土壤年碳储量增量为4532.10 Gg C yr^?1（不确定性21%），长江中下游（YR）地区贡献最大（27.1%）。2021年中国果园土壤平均N₂O排放强度为6.76 kg N₂O ha^?1 yr^?1，总排放量为89.37 Gg N₂O（不确定性43%），YR地区占比最大（27.3%）。通过全球增温潜势（GWP）整合，当前中国果园净GHG排放总量为7780.87 Gg CO₂-eq yr^?1（不确定性27%），核果类排放最高（6844.31 Gg CO₂-eq yr^?1），浆果类表现为净碳汇（–2595.59 Gg CO₂-eq yr^?1）。

3.3 果园SOC固存与N₂O排放减缓潜力

在20%替代情景（情景A）下，碳固存速率提升50%（0.51 t C ha^?1 yr^?1），N₂O排放强度降低2.2%，净GHG排放转为负值（–1030.10 Gg CO₂-eq yr^?1），实现净碳汇效应。在50%替代情景（情景B）下，碳固存速率提升153%（0.86 t C ha^?1 yr^?1），N₂O排放强度降低4.4%，全国净碳汇达–14367.63 Gg CO₂-eq yr^?1。

讨论与结论

研究人员指出，有机物输入是影响果园SOC固存的最重要因素，但其效果受限于矿物结合态有机碳的保护饱和阈值。土壤黏粒含量通过促进团聚体形成增强物理保护，与SOC固存率正相关。N₂O排放的主要驱动因素是土壤SOC含量和pH，中性pH条件最有利于排放。与以往研究相比，本研究的SOC固存估算（4.53 Tg C yr^?1）高于Gao等人的早期估计，而N₂O排放估算（89.37 Gg N₂O）落在前人研究范围（69–108 Gg N₂O yr^?1）之内。值得注意的是，果园土壤N₂O排放强度（6.76 kg N₂O ha^?1）显著高于全国农田平均水平（3.67 kg N₂O ha^?1）和谷类作物（0.8–1.21 kg N₂O ha^?1）。情景分析表明，有机肥替代矿物氮肥可通过大幅提升SOC固存来抵消N₂O排放的增加，从而使果园从净GHG源转变为净汇。研究也指出了局限性，包括长期SOC观测数据不足（仅29%记录超过10年）、观测站点空间分布不均、管理投入数据依赖统计年鉴带来的不确定性，以及日排放外推至年排放的方法学假设等。

研究结论：研究人员开发了随机森林模型来模拟中国果园土壤的SOC变化和N₂O排放。基于模型得出的变量重要性，有机物添加和SOC含量分别是SOC变化和N₂O排放的最具影响力的预测因子。利用校准后的模型，研究人员估计2021年中国果园SOC储量增加了4.53±0.96 Tg C，而N₂O排放达到89.37±38.06 Gg N₂O，导致净GHG排放为7.78±2.08 Tg CO₂-eq。情景分析表明，中国果园从净GHG源转变为净汇将取决于大规模采用有机肥替代并结合相应的矿物氮投入减少。在20%和50%替代情景下，模拟的净GHG平衡分别转变为–1.03和–14.37 Tg CO₂-eq。本研究强调了提高果园GHG观测时空覆盖度以及探索多模型集成方法以更好约束区域尺度GHG评估中不确定性的重要性。