科研进展

GCB:全球酸性土壤中施用石灰性改良剂对减缓气候变化和保障粮食安全的潜在效益

  由于人类活动的加剧,近20年来土壤酸化的程度远超过去几百年的土壤酸化进程。目前,在全球范围内,约50%的耕地土壤面积呈现为酸性(pH <6.5)。在各种人为活动影响因素中,过量氮肥的施用被认为是农业土壤酸化加速的主要诱因。据报道,20世纪80年代以来,过量化肥的施用导致了我国主要农田土壤显著酸化,其pH值下降了0.13–0.80。土壤酸化会引起生物多样性的降低、微生物群落结构的改变以及土壤中重金属活性的升高,从而导致生态系统生产力的降低。因此,土壤酸化已成为区域农业发展的主要限制因子。而石灰性材料由于富含钙离子和镁离子,已成为使用最为广泛的酸性土壤改良剂。施用石灰性改良剂不仅能有效提高土壤pH,降低土壤中铝离子的毒害作用,而且还能促进作物根系生长及其对土壤中养分的吸收利用。同时,施用石灰性改良剂还会通过改变土壤中微生物数量、酶活性及其结构以及碳、氮底物有效性,从而对土壤温室气体(GHG)(即二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4))排放通量以及土壤有机碳(SOC)含量产生影响。尽管国内外学者对不同生态系统类型、管理措施及土壤性质等条件下,施用石灰性改良剂对生态系统生产力和土壤GHG 排放的影响分别进行了大量研究。但在全球尺度上,酸性土壤中施用石灰性改良剂对作物产量、土壤GHG排放通量以及SOC含量变化的综合影响效应,人们还知之甚少。 

  中国科学院大气物理研究所碳氮循环研究团队联合德国卡尔斯鲁厄理工学院气象气候与大气环境研究所、中国科学院成都山地灾害与环境研究所、河南师范大学和河南大学等研究单位基于全球121篇文献的1570组原位观测数据,通过荟萃(Meta)分析方法对不同陆地生态系统(农田、草地和森林等)中施用石灰性改良剂所引起的土壤GHG排放通量、SOC含量以及生态系统生产力变化的影响进行了系统的定量分析。结果表明,施用石灰性改良剂显著提高了36.3%的作物产量,同时显著降低了21.3%的土壤N2O年排放量以及19.0%的稻田CH4年排放量。对于土壤碳而言,尽管施用石灰性改良剂促进了土壤CO2排放,但总的效应却使土壤SOC含量增加了4.51% yr-1(图1)。依据上述的影响效应,如果将来全球酸性农业土壤均能够周期性地施用石灰性材料进行改良的话,那么全球土壤N2O排放量和稻田CH4排放量将分别减少0.60–0.67 Tg N2O-N yr-11.75–2.21 Tg CH4 yr-1,而土壤SOC含量将增加65.7–110 Tg C yr-1。综合统计分析ΔN2O + ΔCH4 + ΔSOC,即在全球酸性农业土壤中施加石灰性改良剂将会使土壤的净温室气体排放量减少633–749 Tg CO2-eq yr-1。然而,这一温室气体减少量所带来的大部分效益可能会被石灰性改良剂在生产、运输以及施用过程中释放出的CO2量(约624–656 Tg CO2-eq yr-1)所抵消。再者,在酸性农业土壤中施用石灰性改良剂将会使全球作物产量至少增加6.64×108 Mg,这一增加量足够养活约8.76亿的人口(图1)。总体而言,该研究成果证实了在酸性农业土壤中施用石灰性改良剂能够有效提高全球农业生产的可持续性,且进一步表明了在酸性土壤中施加石灰性改良剂对减缓气候变化和保障粮食安全的潜在效益。 

  以上研究成果发表于国际学术期刊Global Change Biology上(博士研究生王燕为第一作者,姚志生研究员为本文通讯作者)。该研究得到国家自然科学基金项目(419772824167514441807327)和中国科学院基础前沿科学研究计划从01原始创新项目(ZDBS-LY-DQCOO7)共同资助。  

  文章链接: 

  Wang Y, Yao Z*, Zhan Y, Zheng X, Zhou M, Yan G, Wang L, Werner C, Butterbach-Bahl K. 2021. Potential benefits of liming to acid soils on climate change mitigation and food security. Global Change Biology, https://doi.org/10.1111/gcb.15607. 

 


1. 施用石灰性改良剂对作物产量、土壤氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)年排放通量和排放强度(即单位作物产量的土壤N2OCH4年排放量)以及土壤有机碳(SOC)平均年含量与土壤呼吸(CO2)的影响效应及其内在过程机理;同时,若将来全球酸性农业土壤中均施用石灰性改良剂后所引起的作物产量、土壤温室气体(GHG)排放通量以及SOC含量的增加/减少程度。 

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