文章题目：Effects of winter soil warming on crop biomass carbon loss from organic matter degradation
发表期刊：Nature communications
影响因子：14.7
第一单位：中国科学院南京土壤所
在线日期：2024-10-14
全球变暖对农业生态系统的影响是当前科学研究的重点问题之一，尤其是对作物生物质碳（crop biomass carbon, CBC）的影响。作物生物质碳不仅为人类提供了重要的卡路里和营养来源，还通过饲料转化为蛋白质。然而，全球变暖正在对作物产量和生物质碳产生显著影响。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告，全球变暖已导致作物产量减少和作物生物质的下降。到2050年，全球人口预计将增长到100亿，粮食需求将比2010年增加56%。因此，理解气候变化，尤其是全球变暖对作物生物质的具体影响，对于保障全球粮食安全具有重要意义。
尽管大多数研究集中在年均温上升对作物产量的影响，但气候变暖对冬季的影响更加显著。北半球的中高纬度地区冬季温度以每十年超过0.5℃的速度上升，这一速度几乎是年均温上升速度的1.8倍。冬季变暖可能会打破作物的冬季休眠期，改变作物生长周期，增加病虫害的发生，并减少作物的生长时间和光合作用。尽管冬季变暖对冬季作物（如小麦）的影响已广为人知，但冬季变暖对非冬季作物（如水稻、玉米）的影响研究较少。
此外，土壤是农业生产的关键资源，其肥力直接影响作物生长。土壤有机质（soil organic matter, SOM）是土壤肥力的重要组成部分，能够保持土壤水分和提供养分，促进作物根系发育。冬季变暖可能通过加速土壤有机质的分解，削弱土壤肥力，进而影响作物生物质碳。因此，了解冬季变暖如何通过土壤过程影响作物生物质碳至关重要。
研究综合了全球309项稻草碳和1358项粮食碳观测数据，并结合在中国三个气候区进行的为期十年的田间实验，深入探讨了冬季土壤变暖对作物生物质碳的影响。实验分别在寒温带、暖温带和亚热带三个气候区进行，研究了冬季土壤温度上升对土壤有机质分解、养分保持能力以及作物生物质碳含量的影响。此外，通过土壤迁移实验，模拟了高纬度地区土壤在较低纬度地区的加速分解，分析了土壤有机质减少与作物生物质碳减少的关系。
研究采用线性混合效应模型和结构方程模型，量化冬季土壤温度、土壤有机质、微量元素可用性、微生物多样性和酶活性对作物生物质碳的直接和间接影响。
在全球尺度上，研究通过线性混合效应模型分析发现，冬季土壤温度的上升与作物生物质碳含量呈显著负相关。每上升1°C，稻草碳和粮食碳的含量分别减少6.6 g/kg和10.2 g/kg。与小麦相比，玉米和水稻对冬季变暖的反应更加敏感。这可能是因为小麦的生长季节与冬季重合，能够部分缓解冬季变暖的不利影响。而对于玉米和水稻，由于其生长季节不在冬季，冬季变暖通过影响土壤性质，间接导致生物质碳的损失。
图1.不同作物类型中作物生物量碳 (C) 对冬季土壤温度变化的响应。a 玉米、小麦和水稻的全球秸秆碳含量。b 玉米、小麦和水稻的全球谷物碳含量。c 三种作物的全球秸秆碳含量。d 三种作物的全球谷物碳含量。作物生物量 C 包括秸秆和谷物碳含量。
研究还通过为期十年的田间实验验证了冬季土壤温度上升对作物生物质碳的影响。实验地点覆盖中国的三个气候区：寒温带、暖温带和亚热带。结果表明，无论是在全球分析还是田间实验中，冬季土壤温度的上升都显著减少了作物的生物质碳含量，尤其是在中高纬度地区。与全球平均水平一致，每上升1°C，作物稻草碳减少约6.6 g/kg，粮食碳减少约10.2 g/kg。
研究进一步通过土壤迁移实验，模拟了高纬度地区土壤迁移至低纬度地区的情景，以加速土壤有机质的分解。实验结果显示，迁移后的土壤有机质减少速度显著高于本地土壤。迁移的土壤中，稻草和粮食碳的减少幅度分别为0.97 g/kg和1.13 g/kg，而本地土壤的减少幅度较低。这表明冬季变暖加速了土壤有机质的分解，进而导致作物生物质碳的减少。
图2.十年田间土壤移位试验中冬季土壤温度与作物生物量碳的关系。a 在海伦（47°26′ N）、封丘（35°00′ N）和鹰潭（28°15′ N）进行的十年原位和土壤移位田间试验示意图。高纬度海伦地区的软土分别被移到封丘（Trans1）和鹰潭（Trans2）的实验地块。软土以黑色突出显示，原位土壤（封丘的始土和鹰潭的红壤）分别以橙色和红色显示。b、c 散点图显示线性回归模型，描绘秸秆或谷物碳含量与冬季土壤温度之间的相关性（每个地点 n = 30）。
研究还通过结构方程模型（SEM）分析了冬季土壤温度、土壤矿物保护、微量元素可用性、酶活性和微生物多样性等因素对作物生物质碳的直接和间接影响。结果显示，冬季土壤温度上升导致土壤有机质保护能力下降，微量元素（如铁、锌、锰、铜）的减少对作物碳合成产生负面影响。特别是在高纬度地区，由于冻融循环频繁，土壤有机质的分解速率显著加快，微量元素的可用性大幅降低，最终导致作物生物质碳的显著下降。
图3.结构方程模型阐明了冬季土壤温度、矿物保护、土壤属性、微生物多样性和酶活性对作物生物量 C 的直接和间接影响。a 海伦（原位）。b、c 分别转移到封丘和鹰潭的土壤。
研究还通过模型预测，未来气候变暖下的作物生物质碳含量可能比之前估计的减少4%到19%，特别是在中高纬度地区，减幅可能高达19%。如果忽视冬季变暖的影响，可能会高估全球粮食生产能力，这将对未来的粮食安全构成严重威胁。
图4.冬季变暖对作物生物量碳的遗留影响示意图。红色箭头表示强化过程，蓝色箭头表示减弱过程。变量中的橙色向上箭头表示增加，绿色向下箭头表示减少。作物生物量碳包括秸秆碳和谷物碳含量。
图5.十年内作物碳总量的预计损失。作物碳的预计损失计算为实际作物碳与先前估计的作物碳之间的差值，负值表示因冬季变暖而导致的下降。负值越大，损失越大。这一比较强调了低估冬季变暖对作物生物量碳的影响。
