必须去除大气中的二氧化碳 (CO 2 ) 并减少排放，以使气候变暖低于国际商定的 2°C 目标。已提出通过农业管理固存土壤有机碳作为降低大气 CO 2浓度的一种手段，但有意义地降低温度所需的量级尚不清楚。我们表明封存 0.68 Pg C 年-1在 85 年的时间里，结合低排放轨迹 [Representative Concentration Pathway (RCP) 2.6]，2100 年全球气温可能会降低 0.1°C。使用现有的农业管理方法可以实现这一价值，而不会减少粮食生产的土地面积。现有的农业减缓方法可以在 RCP 2.6 下将全球温度降低多达 0.26°C，或将剩余升温幅度降低至 2°C 的多达 25%。在 RCP 8.5 下，该温度下降到 0.14°C。结果对关于碳封存率持续时间的假设很敏感，这受到数据的限制。结果为农业土壤有机碳封存在减缓气候变化中的潜在作用提供了一个框架。
介绍
植物吸收大气中的碳 (C) 并随后储存在土壤中可能是降低大气中二氧化碳 (CO 2 ) 浓度和帮助缓解气候变化的有效手段。用于探索未来能源、土地利用和温室气体 (GHG) 排放情景的综合评估模型 (IAM) 目前依赖生物能源和碳捕获与储存 (BECCS) 作为主要的负排放技术来应对气候变化减排目标，但一般不考虑改善土地管理带来的碳下降和土壤有机碳 (SOC) 固存的可能性 ( 1 , 2）。在不改变土地用途的情况下改进土地管理可能是一种额外的固碳选择，不需要更多的土地转换。土地利用变化和管理不善已导致农业土壤流失 130 多 Pg C ( 3 )，在全球范围内留下超过 10 亿公顷的退化土壤 ( 4 )。基于场地的研究和生态系统规模模型表明，退化和管理的农业用地具有巨大潜力，通过改进管理有助于增加 SOC 固存( 5-7 )。我们将土壤碳封存定义为 SOC 储存的净增加。几种农业（农田和牧场）管理实践已被证明可以增加土壤固碳，包括有机改良剂（8 – 10 ) 、覆盖作物、减少耕作、改进轮作 ( 5、11、12 ) 和改进放牧管理( 13、14 )。法国和其他 33 个国家最近引用了这些经过验证的实践和其他实践，发起了一项挑战，即每年将土壤碳增加 4/mil ( 15 )。然而，尽管最近努力量化与各种做法相关的适宜全球土地面积和近期封存率，但这些做法有助于随着时间的推移降低全球气温的实际潜力却知之甚少（ 16 - 18）。这主要是由于土壤固碳率随时间保持的不确定性、不同管理下不同土壤的固碳能力以及全球温度变化对 CO 2排放和固存的敏感性。
在这里，我们使用气候模型模拟器将 SOC 封存从农业管理转化为一系列潜在的全球平均地表温度随时间的变化，与最新一代地球系统模型（ESM）的全球尺度输出一致；参见材料和方法和图 S1)。迄今为止，关于基于土地利用的 SOC 封存潜力的大部分研究都集中在量化当前的封存率，并隐含假设该率随时间保持恒定，通常假设 20 到 50 年的受限时间段 ( 12 , 16）。SOC 封存对旨在减少气候变化的缓解战略组合做出贡献的潜力不仅取决于实施 C 封存实践后不久的速率，还取决于这些速率的时间积分动态，即土地-可以采用使用变化，它们保持有效的时间，以及 SOC 库存如何随时间变化 ( 19 )。这种时间动态知之甚少，但对于准确估计土地管理减缓气候变化的潜力至关重要。
在实践中，随着土壤达到新的平衡（ 20 ），任何一个地点的 SOC 固存率都可能随着时间的推移而下降，但这些下降的时间尺度和形状不受数据的很好限制，并且可能在不同地点和管理实践。为了帮助限制这种不确定性，我们模拟了 SOC 封存对全球地表温度的影响，考虑和不考虑有效封存年数，定义为在当前潜在封存情况下达到最大 SOC 存量 (SOC max) 所需的年数率（见图 S3）。SOC max 是 Six等人提出的概念。( 21) 并且在站点和全球范围内都受到数据的不良约束。SOC 最大值提供了土壤中 SOC 储存量的理论限制。与在固定时间段（例如，20 或 50 年）应用任意 SOC 最大值相反，我们将有效隔离年建模为在一定范围内达到 SOC 最大值（从 0 到 85 年）所需的连续时间段SOC 封存率。当前的潜在封存率取自文献中报告的值（表 S1）。我们的分析特别关注温度对 SOC 封存的响应。SOC 储存对一系列全球变化因素很敏感，例如大气 CO 2浓度升高和气候变化等 ( 22 , 23）。这些因素可能会对管理引起的 SOC 封存产生额外的影响，尽管限制很差 ( 24 )。我们的目标不是量化农业生态系统中 SOC 储存和损失的生态控制，而是确定在全球范围内有效影响温度所需的 SOC 封存量，并探索大气温度变化对一系列可能的时间变化的敏感性土壤固碳的限制（有效固碳年）。
结果
该模型显示，如果再加上积极的减排情景[代表性浓度路径(RCP) 2.6；图1 ]。这些结果假设目标年份的封存率恒定。0.68 Pg C year -1全球封存率处于已发表估计值范围的低端，从 0.36 Pg C year -1的低点到 1.56 Pg C year -1的高位不等( 12 , 17 , 25 , 26）。场地内土壤碳固存率的实际时间范围存在相当大的不确定性，这可能会因社会、经济和生物物理因素而异 ( 17 , 27 )。很少有研究通过农业管理测量土壤碳固存的长期（>20 年）模式，而那些研究表明，从 20 年到超过 150 年的持续固碳率范围很广（11 , 28 – 30）。出于这个原因，我们没有对土壤固碳所需的时间范围应用先验假设，而是模拟了 SOC 固存率从 0 到 2.0 Pg C 年-1的有效固存年的连续体. 重要的是要注意，虽然该模型假设全球范围内 SOC 固定的年速率不变，但它并不要求各个地点的固定速率不变。
结果取决于潜在的 RCP 情景，假设 CO 2每增加一倍升温 3°C 。在排放轨迹更大、因此大气 CO 2浓度更高（RCP 8.5 和 RCP 6）的情景中，由于 CO 2强迫的对数性质，需要更大的 SOC 封存率才能达到相同的全球地表温度降低（ 31）。为了在 2100 年实现 0.1°C 的降低，RCP 6.0 排放情景将需要封存 0.98 Pg C 年-1，而 1.25 Pg C 年-1在 RCP 8.5 场景中是必需的。基于管理的 SOC 封存在 RCP 2.6 情景中效率最高，表明同时减排和 SOC 封存活动的重要性源于管理。气候对大气 CO 2浓度变化的敏感性是模型中的一个关键不确定性，对碳封存活动的温度影响有很大影响，因为气候敏感性较低的情景需要增加碳封存才能导致相同的温度降低（图 1，黑条）。CO 2每增加一倍，气候敏感性估计范围为 1.5° 至 4.5°C ，中值估计约为 3°C ( 32 )。
综合文献得出的农业 SOC 年均封存潜力为 0.83 Pg C 年-1，上限为 1.78 Pg C 年-1（表 S1）。该值大于我们估计的 0.68 Pg C year -1在 RCP 2.6 下（图 1 ）将2100 年全球温度降低 0.1°C，如果持续 85 年，2100 年温度会降低 0.12°C年。生物炭修正可能会实现更大的 SOC 封存和相关的温度降低（参见补充材料）；与其他方法相比，这种方法的限制较少，并且可能需要至少对废弃土地进行一些利用 ( 10 , 33)，因此这里不再进一步考虑。
改善土地管理的潜在全球 SOC 封存率的不确定性可分为两个主要因素：每种做法报告的田间规模 SOC 封存率范围和该技术被认为有效的全球土地面积。面积和速率假设都会影响对总 SOC 封存潜力的估计。通过改进农田管理 ( 12 , 34 ) 和从 0.03 Mg C ha -1年-1 ( 35 ) 到 0.62 Mg C ha -1年，取决于面积的 SOC 固存率从 0.02 到 1.15 Mg C ha -1年-1不等-1通过改进牧场管理（表 1 ) ( 10 , 26 )。适宜土地面积的范围从大约 2900 Mha 的牧场 ( 36 ) 到 400 Mha 的农田 ( 16 ) 不等。我们使用生物物理潜力作为 SOC 封存潜力的上限，并将报告的最小 SOC 封存估计值作为下限 ( 16 , 17 , 37 )。理论上，田间规模的养分有效性可能会限制 SOC 固存率 ( 38 , 39 )，尽管土壤有机质含量的增加至少可以缓解部分限制 ( 18）。我们注意到，增加 SOC 储存的农业管理可以通过增加储存或促进向大气中的损失来与土壤无机碳相互作用（40）。然而，人们对 SOC 封存对土壤无机碳动态的长期影响知之甚少。经济限制影响了关于可改进管理的土地数量的不确定性 ( 17 , 37 )，以及管理战略是否可以在可用和可管理的土地面积上快速实施和维持数十年。这里探讨的管理实践可能同时提供提高土壤肥力和保水能力的共同利益，从而增加实施的财务可取性。
