東北地理所在全球農(nóng)田風(fēng)蝕碳排放研究中取得進(jìn)展
土壤風(fēng)蝕是指土壤或土壤母質(zhì)在具有一定風(fēng)速的氣流作用下，土壤顆粒被抬升到空氣中，并在風(fēng)力作用下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程。土壤風(fēng)蝕可破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤碳及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失，甚至對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及可持續(xù)發(fā)展等造成威脅。全球每年由土壤風(fēng)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(jī)碳。土壤有機(jī)碳在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)和氣候變化等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，農(nóng)田土壤碳收支是全球碳循環(huán)中不可或缺的組成部分。然而，目前在全球尺度上由農(nóng)田土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致的碳損失量是未知的。特別是在當(dāng)前碳中和背景下，開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳損失研究，可為黑土地保護(hù)和評(píng)估，生態(tài)系統(tǒng)碳收支核算等提供科技支撐。
東北地理所區(qū)域大氣環(huán)境學(xué)科組研究人員通過優(yōu)化改進(jìn)的空氣質(zhì)量-風(fēng)沙模型(CMAQ-FENGSHA)，構(gòu)建了高精度 (空間分辨率為0.1° × 0.1°，時(shí)間分辨率為每天) 農(nóng)田顆粒物排放清單，估算了全球農(nóng)田土壤風(fēng)蝕帶來的顆粒物排放量，并結(jié)合全球土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)量化了全球農(nóng)田風(fēng)蝕有機(jī)碳損失量。結(jié)果顯示：2017-2021年全球由農(nóng)田風(fēng)蝕導(dǎo)致的有機(jī)碳損失量約2970Gg/年，且研究期內(nèi)農(nóng)田風(fēng)蝕顆粒物及有機(jī)碳排放量均呈逐年增加的趨勢(shì)，年增長(zhǎng)率分別約為14%和9%。全球農(nóng)田風(fēng)蝕主要集中在歐洲的英國(guó)、烏克蘭和俄羅斯，北美的加拿大南部和美國(guó)中部，南美洲的阿根廷，亞洲的中國(guó)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(qū)相吻合。就農(nóng)田風(fēng)蝕帶來的有機(jī)碳損失量來說，北美的有機(jī)碳損失量最高，每年可達(dá)1111Gg，其次是歐洲，每年達(dá)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(qū)已成為全球農(nóng)田風(fēng)蝕有機(jī)碳損失的熱點(diǎn)地區(qū)。
圖1 2017-2021年全球農(nóng)田風(fēng)蝕顆粒物排放時(shí)空分布特征
圖2 全球農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量及由土壤風(fēng)蝕帶來的有機(jī)碳損失
而對(duì)我國(guó)東北黑土地的研究顯示，2017-2022年東北地區(qū)由農(nóng)田風(fēng)蝕導(dǎo)致的有機(jī)碳損失量約80.45Gg/年，且整體呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。在全年范圍內(nèi)，農(nóng)田風(fēng)蝕的有機(jī)碳損失呈雙峰分布，其中每年播種前的4月份為有機(jī)碳碳損失最多的月份，而收獲后完全凍結(jié)前的11月份為有機(jī)碳損失的第二個(gè)高峰期（圖3）。可見，東北農(nóng)田風(fēng)蝕有機(jī)碳損失受季節(jié)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(nóng)田風(fēng)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(qū)建立Y型秸稈焚燒和農(nóng)田風(fēng)蝕綜合一體化監(jiān)測(cè)體系，以便于實(shí)時(shí)跟蹤、協(xié)同減排，促進(jìn)跨省聯(lián)防聯(lián)控。
圖3 東北黑土地農(nóng)田風(fēng)蝕碳損失的月變化及各省占比
這項(xiàng)研究首次開展了全球尺度的高精度農(nóng)田風(fēng)蝕碳排放估算，構(gòu)建了高精度動(dòng)態(tài)化農(nóng)田風(fēng)蝕碳損失核算方法，完善了農(nóng)田風(fēng)蝕的顆粒物及碳排放清單。研究成果可為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳收支核算和黑土地培育保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。
研究成果發(fā)表在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域國(guó)際期刊《Agriculture》上。東北地理所聯(lián)合培養(yǎng)研究生劉永祥為論文第一作者，趙紅梅項(xiàng)目研究員、哈爾濱師范大學(xué)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(xué)磊副研究員，沈陽航空航天大學(xué)曹馨元講師為論文共同作者。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFC3701203）、吉林省優(yōu)秀青年科技人才項(xiàng)目（20230508106RC）等聯(lián)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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