中国农业大学农学院曾昭海、臧华栋课题组在多年生作物深层固碳及全球碳移除潜力研究方面取得重要进展

近日，我校农学院曾昭海、臧华栋课题组在国际权威期刊《科学通报》（Science Bulletin）发表研究论文《多年生能源作物驱动的深层土壤固碳具有巨大的二氧化碳移除潜力》（Deep soil carbon accrual by perennial energy crops offers large potential for atmospheric CO₂ removal）。

本研究是团队2025年在Nature Food提出“深层土壤固碳反应器”（Deep soil as an input-constrained output-controlled reactor）理论之后的重要延续，研究立足作物栽培学与耕作学“作物—土壤”系统互作的核心学科内涵，以多年生能源作物为典型对象，依托全球28个国家1161组田间配对观测数据，结合机器学习与全球空间预测，系统揭示了多年生深根栽培体系驱动深层土壤碳汇的效应与全球CO₂移除潜力，为基于深层土壤固碳反应器理论开展低碳种植制度设计提供全球尺度科学支撑。

土壤有机碳是陆地生态系统关键活跃碳库。提高农田土壤碳储量既是实现大气CO2移除的重要途径，也是耕作学“用地养地、培肥地力”学术思想的科学延伸。长期以来，土壤碳评估普遍局限于0–0.3 m表层土壤，而全球超过60%的土壤有机碳储存在0.3 m以下。团队前期在提出的“深层土壤固碳反应器”理论，将深层剖面视为一个由根系输入驱动、土壤理化属性调控的碳转化与封存系统，揭示了深根作物激活深层碳汇的内在机理。多年生能源作物具有发达的深根系统和连年生长特性，是从一年生粮作向多年生低碳种植制度转型的重要候选栽培类型，其持续的根系周转与稳定的根际沉积输入，能够为深层土壤固碳反应器稳定供给碳底物，是检验和应用该理论的理想体系。然而，多年生能源作物驱动深层反应器增碳的幅度、空间分异及其在粮食安全约束下的全球减缓潜力，尚缺少系统量化评估。

研究首先对全球多年生能源作物田间试验进行综合分析。结果表明，多年生作物种植使土壤有机碳平均增加15.4%。其中，0–0.3 m表层土壤有机碳增加14.6%，而0.3 m以下深层土壤增加21.2%，深层土壤的相对增碳响应比表层高约45%。初始碳含量偏低的退化土壤中，深层土壤的碳积累优势更加突出，说明低碳边际土地更有利于发挥深层土壤固碳反应器的封存潜力，为定向栽培调控、边际土地培肥增汇提供依据。

土壤深度和初始有机碳含量对多年生能源作物固碳效应的影响

在此基础上，团队利用随机森林模型进一步预测了多年生作物种植后全球表层与深层土壤有机碳的空间格局。结果显示，全球适宜区内超94%区域呈现碳增益，约2/3区域深层土壤增碳幅度高于表层，特别是在非洲和大洋洲表现更为明显。进一步分析表明，黏粒、粉粒和土壤容重等物理属性是主要调控因子，反映深层固碳不仅取决于作物根系的碳输入（反应器底物供给），同时受矿物保护、土壤结构等反应器内部环境共同调控，完整印证了深层土壤固碳反应器理论框架。

多年生能源作物驱动的全球表层和深层土壤有机碳变化及主要驱动因素

面向种植制度优化布局与土地资源科学配置，研究设置了三类不与粮食生产竞争耕地的部署情景：适宜退化土地、弃耕地以及非森林非耕地。模拟结果显示，连续种植7年后，0–1.0 m土层土壤有机碳增量分别可达26.9、8.4和9.7 Pg C，相当于2018—2024年全球化石燃料CO2排放量的约42%、13%和15%。将三类土地进行空间叠加并剔除重叠区域后，得到理论生物物理上限31.4 Pg C，约为同期全球化石燃料CO2排放量的50%。在总增碳量中，0.3–1.0 m深层土壤贡献18.9 Pg C，占全部增碳量的60%，凸显深层土壤在多年生种植制度碳汇功能中的主体地位。

多年生能源作物全球土壤固碳及CO2移除潜力

该成果实现了深层土壤固碳反应器理论从机理假说向全球定量评估的推进。从作物栽培学与耕作学学科视角来看，研究的核心价值不在于简单测算碳汇大小，而在于支撑多年生低碳种植制度的系统性设计。研究证实，在退化土地、弃耕这类边际土地布局多年生能源作物，可借助深层土壤固碳反应器持续封存碳，协同实现固碳减排、土地生态修复、生物质原料供给等多重目标，同时规避与粮食生产争地的矛盾。这为面向“双碳”战略重构种植制度、把全剖面土壤碳汇纳入耕地质量管理提供了新的科学支撑。

中国农业大学农学院博士生姚伟和已毕业博士许依（现为南京信息工程大学副教授）为论文第一作者，臧华栋教授为论文通讯作者。农学院曾昭海教授、美国宾夕法尼亚州立大学Feng Tao教授、康奈尔大学Johannes Lehmann教授和Yiqi Luo教授、德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授为此项工作提供了指导和帮助。相关工作得到了中国农业大学高层次人才科研启动经费、唐氏康奈尔-中国学者等项目的支持。