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【減量】日本農研機構研發全球農地含碳量定量推估法

2022/06/20 @國際

摘要

增加土壤中有機物質含量(主要是土壤含碳量),可促進施用於土壤中的有機物質,並能有效增進作物產量。此外,由於有機物中的碳元素儲存在土壤中,降低了空氣中二氧化碳(CO2)的濃度,更有助於緩解全球暖化。

示意圖

【減量】日本農研機構研發全球農地含碳量定量推估法

        眾所周知,農業用地管理方式中,增加土壤中有機物質含量(主要是土壤含碳量),可促進施用於土壤中的有機物質,並能有效增進作物產量。此外,由於有機物中的碳元素儲存在土壤中,降低了空氣中二氧化碳(CO2)的濃度,更有助於緩解全球暖化。

        本研究由日本農研機構針對導致全球農業用地土壤含碳量增加的 6 種主要穀物玉米、水稻、小麥、大豆、小米、高粱等,對環境保全之成效進行了定量推估。在可預期增產效果的範圍內,全球農田預計最多可增加127.8億噸土壤含碳量。藉此增加土壤含碳量,預計可增加3,825萬噸糧食產量,並可抑制全球平均氣溫上升0.03℃,減少無機氮肥的投入582萬噸。

        這項研發成果,有利於建立增加土壤中含碳量的農業用地管理系統,已列入各國政府及國際組織訂立相關政策時之參考資料。

研究概要

        農田管理增加土壤中有機物質的含量,可以提高土壤的肥沃度和水土保持能力,具有增加農作物產量,並減少乾旱損害的效果。此外,土壤中含碳量的增加,可降低空氣中二氧化碳濃度,有助於緩解全球暖化。然而,定量推估上卻尚缺乏具有全球規模評價這項成效的案例。

        此次,日本農研機構將世界上主要穀物的產量與氣候、土壤、耕作管理等數據相結合,分析了深入農田土壤表層 30 cm的含碳量和產量之關係,透過「機器學習」(ML)進行分析,採用所獲得的相關數據,使用計算機模擬,推估出由土壤含碳量的增加而增加的糧食產量。

        此外,將在栽培管理中利用氮肥的投入量與糧食產量之間的關係,進行計算機模擬,以從土壤含碳量的增加中,推算出要增加到預估收成量時所需投入的無機氮肥量,意即,根據土壤中所增加的含碳量,推算出能夠節省的無機氮肥量。

        從土壤含碳量與作物產量的關係來看,推估出產量會隨著土壤含碳量的增加而增加,但產量增加最終會達到一個平穩的「高原期」 (plateau)。

        以此推算下,產量增加的效果在預期的範圍內,若將土壤碳量增加到最大的情況下,以目前(2010年)全世界的耕地面積來推算,全球土壤碳元素預計增加127.8億噸,全球六大穀物產量預計增加3,825萬噸,抑制全球氣溫上升成效預估為0.03°C。

        此外,據推算,因土壤含碳量增加而增加產量,相當於投入582萬噸無機氮肥量。這相當於全世界所投入氮肥的 7.2% (與 2000 年相比)。加上,過去已證實投入過量的無機氮肥造成水質之惡化有關,因此增加土壤含碳量除可以減少無機氮肥的使用,同時有助於保護水質。

        預計這項研發成果,將有利於各國政府和國際組織等在建立增進土壤碳含量之農業土地管理系統時相關決策之訂定。

        此外,本項研發成果同時也明確分別呼應聯合國永續發展目標)(SDGs)中三大目標:在提高糧食生產力和減緩全球暖化中的目標 2「零飢餓」和目標 13「應對氣候變化的具體措施」。此外,水土保持這項目也吻合目標15「讓我們保護豐富的土地」。

研究內容及意義

  1. 利用機器學習,推估農業栽培管理、氣候、土壤條件和產量之間的關係。其結果發現,雖然收成量會隨著土壤中碳含量的增加而增加,但當產量增加的效果達到每平方米 6 至 9 公斤時,則達到穩定的高原期。
  2. 關於氮肥方面,雖然產量會隨著氮肥投入量的增加而增加,但產量增加的效果達到了每公頃200公斤時,就會達到穩定的高原期。達到高原期的氮肥投入量因作物而異,玉米、稻米、小麥、小米和高粱約為 200 公斤。結果顯示,即使增加氮肥投入量,大豆的產量也幾乎沒有增加。
  3. 依2010年全球可耕作面積的分佈情況,將所獲取土壤含碳量與產量之間的關係,進行計算機模擬,其結果產量的增加效果在預期範圍內,土壤含碳量增加到最大值的話(依氣候帶不同而異,可增加每平方米約 9 公斤),估計種植六大作物的全球農地整體產量共計增加了 127.8 億噸。
  4. 呈上述,估計六大作物的全球總產量增加 3,825 萬噸。這與法國 2010 年代平均小麥年產量3,800 萬噸相當。127.8億噸土壤含碳量,是2018年世界年CO2排放量335億噸(換算成含碳量91.5億噸)的1.4倍,評估這個規模的土壤含碳量增加,將可抑制 全球平均氣溫上升0.03°C。
  5. 利用所得到的產量與氮肥投入量之間的關係,利用計算機進行模擬,推估上述收成量所對應的氮肥投入為582 萬噸。此氮肥投入量相當於全世界氮肥總投入量 8073 萬噸(2000 年)的 7.2%。透過增加土壤中的碳含量,可以在不添加額外無機氮肥的情況下增加產量,從而減少投入過量的無機氮肥。

預期效益

        這項研發成果,將有助於各國政府和國際組織在建立增加土壤含碳量的農業土地管理系統等相關決策之訂定。同時,有利於實現聯合國永續發展目標 SDGs 中的三個目標。(即第2 個「消除飢餓」,第13 個「採取具體措施應對氣候變化」,第15 個「保護豐富的土地」)。 除此,透過減少過量無機氮肥的投入來增加土壤含碳量,亦可實現第6 個目標,「讓全球有安全的水和洗手間」中所提到的水質保護問題。【延伸閱讀】- 最新研究發現土壤孔隙結構與大小是影響土壤碳儲存的主要關鍵

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