東北地理所在全球農田風蝕碳排放研究中取得進展
土壤風蝕是指土壤或土壤母質在具有一定風速的氣流作用下，土壤顆粒被抬升到空氣中，并在風力作用下進行遠距離傳輸的過程。土壤風蝕可破壞土壤結構，導致土壤碳及營養物質的損失，甚至對農業生產力及可持續發展等造成威脅。全球每年由土壤風蝕排放的顆粒物形成的氣溶膠約10-30億噸，該過程將損失大量的土壤有機碳。土壤有機碳在調節全球碳循環和氣候變化等方面發揮著關鍵作用。因此，農田土壤碳收支是全球碳循環中不可或缺的組成部分。然而，目前在全球尺度上由農田土壤風蝕導致的碳損失量是未知的。特別是在當前碳中和背景下，開展農田生態系統碳損失研究，可為黑土地保護和評估，生態系統碳收支核算等提供科技支撐。
東北地理所區域大氣環境學科組研究人員通過優化改進的空氣質量-風沙模型(CMAQ-FENGSHA)，構建了高精度 (空間分辨率為0.1° × 0.1°，時間分辨率為每天) 農田顆粒物排放清單，估算了全球農田土壤風蝕帶來的顆粒物排放量，并結合全球土壤有機碳含量數據量化了全球農田風蝕有機碳損失量。結果顯示：2017-2021年全球由農田風蝕導致的有機碳損失量約2970Gg/年，且研究期內農田風蝕顆粒物及有機碳排放量均呈逐年增加的趨勢，年增長率分別約為14%和9%。全球農田風蝕主要集中在歐洲的英國、烏克蘭和俄羅斯，北美的加拿大南部和美國中部，南美洲的阿根廷，亞洲的中國東北部和印度中南部等（圖1）。其空間分布與世界四大黑土地分布區相吻合。就農田風蝕帶來的有機碳損失量來說，北美的有機碳損失量最高，每年可達1111Gg，其次是歐洲，每年達1142Gg，然后是亞洲（618Gg）和南美洲（約404Gg）（圖2）。值得注意的是黑土分布區已成為全球農田風蝕有機碳損失的熱點地區。
圖1 2017-2021年全球農田風蝕顆粒物排放時空分布特征
圖2 全球農田土壤有機碳含量及由土壤風蝕帶來的有機碳損失
而對我國東北黑土地的研究顯示，2017-2022年東北地區由農田風蝕導致的有機碳損失量約80.45Gg/年，且整體呈現逐年增加的趨勢。在全年范圍內，農田風蝕的有機碳損失呈雙峰分布，其中每年播種前的4月份為有機碳碳損失最多的月份，而收獲后完全凍結前的11月份為有機碳損失的第二個高峰期（圖3）。可見，東北農田風蝕有機碳損失受季節性天氣特征和地表裸露的影響，增加4月和11月的地表覆蓋可減少東北黑土地因農田風蝕帶來的碳損失。此外，為減少東北黑土地在大氣傳輸過程中的碳損失，研究人員建議在東北地區建立Y型秸稈焚燒和農田風蝕綜合一體化監測體系，以便于實時跟蹤、協同減排，促進跨省聯防聯控。
圖3 東北黑土地農田風蝕碳損失的月變化及各省占比
這項研究首次開展了全球尺度的高精度農田風蝕碳排放估算，構建了高精度動態化農田風蝕碳損失核算方法，完善了農田風蝕的顆粒物及碳排放清單。研究成果可為農田生態系統碳收支核算和黑土地培育保護等提供科學依據。
研究成果發表在農業領域國際期刊《Agriculture》上。東北地理所聯合培養研究生劉永祥為論文第一作者，趙紅梅項目研究員、哈爾濱師范大學趙光影教授為共同通訊作者，東北地理所修艾軍研究員、張學磊副研究員，沈陽航空航天大學曹馨元講師為論文共同作者。研究得到了國家重點研發計劃（2022YFC3701203）、吉林省優秀青年科技人才項目（20230508106RC）等聯合資助。
論文信息:
Yongxiang Liu, Hongmei Zhao*,Guangying Zhao*,Xinyuan Cao,Xuelei Zhang and Aijun Xiu. Estimates of dust emissions and organic carbon losses induced by wind erosion in farmland worldwide from 2017 to 2021. Agriculture,2023,13,781.?
Yongxiang Liu,Hongmei Zhao*,Guangying Zhao,Xuelei Zhang,Aijun Xiu. Carbon emission characteristics of cropland in Northeast China and monitoring means. Agriculture,2024,14,379.
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/agriculture13040781.
https://doi.org/10.3390/agriculture14030379.
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