基于新型有机物料还田指数的全球土壤固碳优化策略——一项整合分析

《Agronomy for Sustainable Development》：Guiding soil carbon sequestration with a novel organic material returning index globally. A meta-analysis

　　

秸秆还田与粪肥还田是农田新增土壤有机碳（SOC）形成的关键策略，有助于农业可持续性与气候变化减缓。然而，其效果与成本效益取决于环境条件，且目前缺乏实用的评估方法。为解决这一不足，研究人员利用来自347个农田位点的数据，开发了一种新型有机物料还田指数（Organic Material Returning Index, OMRI），该指数由分别针对粪肥和秸秆的独立子指数构成。这些指数通过整合关键驱动因子及其相对重要性权重，基于新增土壤有机碳形成效率（new SOC formation efficiency, NCE）（即新增SOC形成量与有机碳输入量的比值）对每种改良措施进行评分。研究人员应用全局阈值（k=0.20）来识别适宜秸秆还田的位点。分析表明，温度主要调控粪肥的NCE，而土壤pH则驱动秸秆的NCE。该指数识别出全球63.0%的农田适宜于成本效益高的秸秆还田。OMRI提供了一个透明且基于机理的框架，能够实现因地制宜的策略制定，以最大化SOC固存并支持全球可持续农业政策。

研究背景与现存问题

土壤有机碳（SOC）是农业可持续性和气候变化减缓的基石，调控着土壤肥力、结构及碳储量。通过有机物料投入（如秸秆还田SR和粪肥还田MR）提升农田SOC固存，是一项全球公认的增强土壤健康并抵消温室气体排放的策略。尽管MR通常因养分丰富和微生物同化快而优于SR，但其应用受限于高昂劳动力成本、有限的粪肥可获得性以及特定的环境因素。此外，MR的可扩展性与畜牧业生产密切相关，而畜牧业本身是甲烷和氧化亚氮的重要排放源，这造成了SOC固存与上游农业排放之间的潜在权衡。相比之下，SR提供了一种成本效益更高的替代方案，可利用丰富的收获后秸秆在最优条件下实现可比的SOC固存。然而，由于当前方法未能充分考虑控制SOC固存的气候、土壤和管理因素的复杂相互作用，MR或SR的选择仍然缺乏优化。因此，亟需开发一种实用评估方法来指导不同环境下有机物料还田的科学选择。

研究内容与意义

为解决上述问题，研究人员引入了一个名为有机物料还田指数（OMRI）的新框架，该框架整合了关键环境驱动因子——年均温（MAT）、年均降水量（MAP）、初始SOC、土壤pH和黏粒含量——以指导MR或SR的选择。OMRI提供了一个基于机理的透明工具，用于识别那些在不降低NCE的前提下，SR可以经济高效地替代MR的区域。利用来自全球347个农田位点的数据集，本研究量化了MR与SR在农田NCE上的差异，阐明了它们的主导驱动因子，并绘制了全球范围内优化的有机物料策略地图。研究发现为增强SOC储存、支持可持续农业政策和推进全球气候变化减缓努力提供了精确且可操作的见解。

主要技术方法

1. 1.
   数据收集与处理：研究人员检索了1990年1月至2024年7月间Web of Science和Google Scholar数据库中的同行评审文献，最终从263篇已发表论文中获得了覆盖347个位置的630组配对数据。对于缺失气候或土壤性质信息的位点，分别使用世界气候数据库（WorldClimate Database）和世界和谐土壤数据库（HWSD v1.1）进行补充。
2. 2.
   农田新增SOC形成效率（NCE）计算：研究人员定义了NCE为每单位碳输入引起的SOC变化量，以此作为衡量指标。他们首先将SOC浓度转换为SOC储量，随后计算实验组与对照组SOC储量的差值，再除以总碳输入率，从而得到NCE值。
3. 3.
   整合分析：采用多水平随机效应模型进行整合分析，以解释效应量间的非独立性。通过亚组分析比较在不同气候和土壤条件下MR与SR的加权平均NCE差异。
4. 4.
   驱动因子分析：应用梯度提升回归树（GBRT）机器学习方法，评估影响MR和SR导致的SOC变化的主要驱动因子，并量化各变量的相对重要性（RI）。随后，基于赤池信息准则（AIC）选择最佳拟合模型，以探究各变量如何影响NCE的变化。
5. 5.
   基于指数的优化：研究人员利用各变量的RI作为权重，分别构建了粪肥指数（Index_M）和秸秆指数（Index_S）。通过阈值分析确定常数k，当Index_M ≤ k时，认为MR与SR的NCE无显著差异，推荐使用SR；反之则推荐MR。最后，将此决策规则应用于全球农田网格，以确定各地的最优还田实践。

研究结果

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  气候和土壤性质对粪肥或秸秆还田下新增SOC形成效率的影响
  在大多数条件下，MR的NCE普遍高于SR。在中度年均温（MAT）条件下，这种差异最为显著，MR的NCE（22.24%）比SR（9.66%）高出12.58%。无论降水范围如何，MR始终表现出比SR更高的有效性。对于土壤性质，MR的NCE在不同初始SOC水平下保持相对稳定，而SR的NCE随初始SOC升高呈上升趋势。MR的NCE随pH升高而逐渐增加，而SR则在碱性条件下表现出下降趋势。
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  粪肥和秸秆还田下新增SOC形成效率的驱动因子
  GBRT分析显示，对于MR，初始SOC是影响NCE的最重要变量，其次是MAT和MAP。对于SR，土壤pH是影响NCE变化的最重要因子，初始SOC和MAT分列第二和第三位。回归分析进一步揭示，对于MR，NCE随MAT升高先增后减，在约13℃时达到峰值；NCE也随初始SOC的增加先升后降，拐点在20 g kg^-1左右；NCE随pH升高而增加。对于SR，NCE同样随初始SOC的升高呈现先增后减的趋势。
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  利用有机物料还田指数（OMRI）在全球农田中选择粪肥和秸秆还田
  通过阈值分析，研究人员确定了阈值为k=0.20。当Index_M ≤ k时，MR与SR的NCE无显著差异，此时应优先采用SR；而当Index_M > k时，MR的NCE显著优于SR，应推荐使用MR。将该规则应用于全球农田模拟场景后，结果显示全球63.0%的农田适宜采用成本效益高的SR，而37.0%的农田更适合MR。具体而言，在欧亚大陆和北美，低纬度和高纬度地区适宜SR，中纬度地区更适用MR；在南美洲和大洋洲，仅高纬度地区偏好MR；在非洲，大部分耕作区均推荐SR。

讨论与结论总结

讨论部分指出，MR在中温地区的优势源于适度温度下微生物代谢效率的最佳发挥，以及粪肥自身较低的碳氮比和较高的养分有效性促进了矿物结合态有机质的形成。而SR在低pH土壤中表现优异，是因为酸性条件抑制了快速分解，减少了秸秆碳的CO₂损失，并增强了溶解性有机碳在铁铝氧化物上的吸附与稳定。OMRI框架识别出全球63.0%的农田适宜SR，这表明在广泛的土壤和气候条件下（特别是酸性至中性pH和中高MAT区域），SR能达到与MR相当的NCE。而对于剩余的37.0%农田（主要是中纬度碱性土壤和中等MAT区域），MR因其显著的碳效率优势而被推荐。该空间框架为决策者提供了生物物理层面的决策依据，可在SR适宜区推广其基础设施建设，在MR优势区加强粪肥循环系统和农牧耦合体系。

研究结论部分翻译如下：本研究旨在基于环境条件指导全球农田在粪肥还田（MR）和秸秆还田（SR）之间的选择。据研究人员所知，这是首个为此目的开发并应用有机物料还田指数（OMRI）的研究。对347个位点的分析表明，初始SOC是决定MR和SR新增土壤有机碳形成效率的关键因素，而年均温主要调控MR的效率，土壤pH则是SR的主要驱动因子。OMRI识别出全球63.0%的农田适宜成本效益高的SR，而MR被推荐用于其余37.0%的农田，主要分布在中纬度地区。OMRI提供了一种透明且基于机理的方法。对于政策制定者而言，这些结果为在广阔适宜区优先推广SR以及在高效区精准支持MR提供了精确指导。未来的研究应侧重于田间验证并将社会经济因素纳入决策框架。