碳为土壤，而不是土壤为碳

转载自再生农业 Regenerative Ag公号（2023年1月17日）
文献来源：
Moinet, G. Y. K., Hijbeek, R., van Vuuren, D. P., & Giller, K. E. (2023). Carbon for soils, not soils for carbon. Global Change Biology, 00, 1– 15. https://doi.org/10.1111/gcb.16570
编译：蔡一萌，北京林业大学
研究背景
 
土壤有机碳（SOC）封存作为应对气候变化和粮食危机的“双赢”解决方案日益得到推广。然而气候变化与粮食安全问题需要国际社会、政治、经济和科学等跨学科的努力才能得到部分解决。因此声称一个全面的解决方案可以同时解决以上两个问题是不合理的。从这个角度出发，文章批判性地重新审视了全球SOC封存战略对减缓气候变化和粮食生产的好处，回顾了增加有机碳存量对地上植物生产影响的现有证据，将重点放在植物生产这一关键土壤功能上。我们需要远离气候智慧型土壤，转向土壤智慧型农业，因地制宜的同时量化多种土壤功能。只有这样的综合评估才能最大限度地发挥土地可持续性的协同效应，并满足粮食安全的农艺要求。
土壤有机碳封存减缓气候变化的潜力

1.1全球土壤有机碳封存潜力估算
第一种方法是基于耕地土壤历史碳损失的计算（比较类似土壤类型和土地使用的“原始”土壤和耕地土壤的碳储量），并假设历史碳损失的一半到三分之二的恢复是合理上限。第二种方法是最常用的“自上而下”方法，在不同的实现持续时间（从5年到80年以上）中，对不同管理实践的平均SOC封存率进行估计，通过估计比率与给定的估计可用土地面积相乘，再将比率外推至区域或全球范围。此外，也有研究者人为全球有机碳封存最受光合作用的限制，估计光合作用碳输入来估计全球SOC封存潜力。
1.2饱和
有机碳封存随着时间推移而饱和，因此将估计有机碳封存率转换为总有机碳封存潜力需要时间来达到一个新的平衡，20年通常被认为是一个标准。此外，土壤最大和有效稳定能力取决于土壤气候条件。这表明有机碳积累的时间跨度和有机碳封存的下降速度都高度依赖于环境。最关键的是，汇饱和的概念不仅表明有限的存储容量，而且随着SOC接近最大或有效存储容量，SOC封存率也会下降，忽略碳饱和度时，碳封存潜力被严重高估。
1.3非永久性
SOC封存也是可逆的。这意味着，在达到新的平衡后，必须保持改进的管理方式，以使SOC储量保持在其最大潜力。有机碳存量对土壤变暖的响应存在很大的可变性，这表明，即使在保持最佳管理方式的情况下，新隔离的有机碳的响应也取决于环境，未来也高度不确定。从长远来看，避免二氧化碳排放比消除大气二氧化碳更有效地限制全球变暖。

图1. 关于碳饱和度的三种不同假设对全球土壤有机碳(SOC)固存的影响及其减缓2100年气候变化的潜力的可视化。这三个假设如下:一个假设的随时间变化的固定固相率，即没有饱和限制(绿色虚线和框架)；封存率缓慢指数下降 (30年指数衰减半衰期；蓝色线条和框架) ;和快速指数下降的封存率(10年半衰期;橙色线条和框架)。对于这三种假设，以Bossio等人(2020)的估算为例，描述了全球封存率(a)和全球SOC封存潜力(b)的时间动态。SOC封存对1.5°C目标路径的贡献在图(C)、图(d)和图(e)中表示了封存率的整个文献估计范围，每个图对应于一个用颜色表示的饱和度假设。
 
在本研究中，我们发现，到2100年，在估算中涵盖饱和度会使SOC封存对减缓气候变化的任何潜在贡献降低53% - 81%。
2.土壤有机碳封存对土壤肥力和作物产量的贡献
农作物不会从土壤中吸收碳。因此，有机碳对作物生物量和产量的影响机制往往是间接的。这些机制包括从SOM矿化中增加养分供应，通过增加阳离子交换能力增强养分储存的保留和缓冲，改善水渗透和更好的土壤结构(从而增加水和养分的可利用性)，或通过改变土壤生物群落的组成和结构，这可能对养分循环和病虫害控制产生积极影响。
虽然看似合理，但这种叙述的普遍性在理论上和经验上都存在争议。那么，有机碳封存与提高作物生物量生产和产量之间的因果关系的经验证据是什么？近年来，大量的meta分析评估了SOC封存或导致SOC封存的管理实践对作物产量的效益。为了进一步阐明碳有机碳封存用于减缓气候变化也会增加植物产量这一前提，我们回顾了其中21项元分析、它们采用的方法、结果、有效性和研究的局限性。这项研究使我们得出了三个主要结论，并在以下部分逐一阐述：（i）建立有机碳封存与作物产量之间的因果关系是有问题的，（ii）不同研究中使用的响应变量不同且都有局限性，（iii）结果随所使用的空间、时间和方法而不同。总而言之，元分析并没有提供令人信服的经验支持，即有机碳封存与作物产量提高之间存在普遍的正相关关系。
3.土壤智慧农业
从我们的综述中可以发现两个关键点:(i)有机碳封存的气候减缓潜力充其量在全球范围内是适度的，并且与环境相关;(ii)有机碳封存与作物产量之间的相关性强烈依赖于环境，是否存在因果关系高度不确定。因此，SOC封存在任何情况下都不是一个双赢的选择。

图2. 说明土壤有机碳(SOC)封存与粮食生产之间潜在冲突的概念图。该图描述了两种假设的情况，在这种情况下，作物残余物在收获后从一块田地移走，作为OM输入应用于另一块田地。在图a中，残留物从沙土转移到粘土土。几年后，SOC存量达到了一个新的平衡。由于粘土具有更高的碳稳定能力，其获得的有机碳比沙土损失的要多。因此，总的净效应是C被隔离，对气候有利(前提是不会产生额外的N₂O或CH₄排放)。在粘土土壤中，农作物产量也有增加，但减少的幅度不及沙质土壤，这是由于有机改进剂在沙质土壤中的产量效应强于粘土土壤。图b中的相互转移导致了镜像效应:粘土的产量损失小，沙质土壤的产量增加高，粘土的二氧化碳排放量大，沙质土壤的有机碳封存量小，整体有机碳损失大，气候变化加剧，但总体粮食产量更高。重要的是，假设每块田地属于不同的农民，总有人会受损失。这清楚地表明，以牺牲其他地方的生育率为代价，本地的双赢局面可能会出现。
 
在稳定的气候下确保全球粮食安全是一项极其复杂的工作。我们的综述表明，SOC的重要性并不意味着增加SOC库存就一定会导致产量的增加。更一般地说，土壤的多种功能之间的关系是特定于环境的，存在大量的权衡。SOC封存确实是许多方法中的一种，是一个非常大的难题中的一小部分，它应该被这样对待。我们认为，将有机碳封存纳入全球气候变化减缓的叙述是不合适的，我们呼吁一种土壤智慧型方法，这并不总是“气候智慧型”。