土壤风蚀是指土壤或土壤母质在具有一定风速的气流作用下，土壤颗粒被抬升到空气中，并在风力作用下进行远距离传输的过程。土壤风蚀可破坏土壤结构，导致土壤碳及营养物质的损失，甚至对农业生产力及可持续发展等造成威胁。全球每年由土壤风蚀排放的颗粒物形成的气溶胶约10-30亿吨，该过程将损失大量的土壤有机碳。土壤有机碳在调节全球碳循环和气候变化等方面发挥着关键作用。因此，农田土壤碳收支是全球碳循环中不可或缺的组成部分。然而，目前在全球尺度上由农田土壤风蚀导致的碳损失量是未知的。特别是在当前碳中和背景下，开展农田生态系统碳损失研究，可为黑土地保护和评估，生态系统碳收支核算等提供科技支撑。 东北地理所区域大气环境学科组研究人员通过优化改进的空气质量-风沙模型(CMAQ-FENGSHA)，构建了高精度 (空间分辨率为0.1° × 0.1°，时间分辨率为每天) 农田颗粒物排放清单，估算了全球农田土壤风蚀带来的颗粒物排放量，并结合全球土壤有机碳含量数据量化了全球农田风蚀有机碳损失量。结果显示：2017-2021年全球由农田风蚀导致的有机碳损失量约2970Gg/年，且研究期内农田风蚀颗粒物及有机碳排放量均呈逐年增加的趋势，年增长率分别约为14%和9%。全球农田风蚀主要集中在欧洲的英国、乌克兰和俄罗斯，北美的加拿大南部和美国中部，南美洲的阿根廷，亚洲的中国东北部和印度中南部等(图1)。其空间分布与世界四大黑土地分布区相吻合。就农田风蚀带来的有机碳损失量来说，北美的有机碳损失量最高，每年可达1111Gg，其次是欧洲，每年达1142Gg，然后是亚洲(618Gg)和南美洲(约404Gg)(图2)。值得注意的是黑土分布区已成为全球农田风蚀有机碳损失的热点地区。
图1 2017-2021年全球农田风蚀颗粒物排放时空分布特征
图2 全球农田土壤有机碳含量及由土壤风蚀带来的有机碳损失
而对我国东北黑土地的研究显示，2017-2022年东北地区由农田风蚀导致的有机碳损失量约80.45Gg/年，且整体呈现逐年增加的趋势。在全年范围内，农田风蚀的有机碳损失呈双峰分布，其中每年播种前的4月份为有机碳碳损失最多的月份，而收获后完全冻结前的11月份为有机碳损失的第二个高峰期(图3)。可见，东北农田风蚀有机碳损失受季节性天气特征和地表裸露的影响，增加4月和11月的地表覆盖可减少东北黑土地因农田风蚀带来的碳损失。此外，为减少东北黑土地在大气传输过程中的碳损失，研究人员建议在东北地区建立Y型秸秆焚烧和农田风蚀综合一体化监测体系，以便于实时跟踪、协同减排，促进跨省联防联控。
图3 东北黑土地农田风蚀碳损失的月变化及各省占比
这项研究首次开展了全球尺度的高精度农田风蚀碳排放估算，构建了高精度动态化农田风蚀碳损失核算方法，完善了农田风蚀的颗粒物及碳排放清单。研究成果可为农田生态系统碳收支核算和黑土地培育保护等提供科学依据。
研究成果发表在农业领域国际期刊《Agriculture》上。东北地理所联合培养研究生刘永祥为论文第一作者，赵红梅项目研究员、哈尔滨师范大学赵光影教授为共同通讯作者，东北地理所修艾军研究员、张学磊副研究员，沈阳航空航天大学曹馨元讲师为论文共同作者。研究得到了国家重点研发计划(2022YFC3701203)、吉林省优秀青年科技人才项目(20230508106RC)等联合资助。
论文信息:
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.
论文链接：
https://doi.org/10.3390/agriculture13040781.
https://doi.org/10.3390/agriculture14030379.
