Abstract

Soils play an important role on the global carbon cycle, but conventional land use practices generate negative impact by reducing soil organic carbon (SOC) content. Studies regarding the use of mathematical models on the magnitude of such impacts are scarce in semi-arid regions, but they are essential to broaden the understanding of the effects of cropping systems and help in proposing more rational land use alternatives. However, mathematical models (e.g. Century) must be previously calibrated and validated to present satisfactory results. Therefore, the aim of the present study was to validate the Century model for simulating SOC dynamics in areas of native vegetation and estimating SOC stocks on the adoption of agricultural systems in the semi-arid region of Brazil with a previous calibrated model. The study was carried out in three soil types (Quartzipsamments, Psamments and Ultisol), located in the state of Alagoas, north-eastern Brazil, adopting conventional (with minimal use of machinery) agricultural land-use practices under rainfed conditions. Simulations consisted of validating the model with previously calibrated parameters from another area of the Brazilian semi-arid region. The results showed that the model proved to be effective in simulating SOC dynamics in areas of native vegetation in the semi-arid region of Alagoas (PBIAS ranging from 20 to −9%); however, it needs further adjustment for satisfactory SOC simulation in agricultural/pasture systems. The results showed that conventional systems of agricultural crops and pasture in the semi-arid region of Brazil lead to losses (2673 g C m⁻² in native vegetation to 1960 g C m⁻² in conventional systems) between 22% and 35%, (PBIAS variating −9 to 49%) and that SOC stocks reach a new steady state between 30 and 40 years after conversion from native vegetation into agriculture (ranging from 24 to 42% in different soil types).

摘要

土壤在全球碳循环中发挥着重要作用，但传统的土地利用做法会降低土壤有机碳 (SOC) 含量，从而产生负面影响。在半干旱地区，关于此类影响程度的数学模型使用的研究很少，但它们对于拓宽对种植系统影响的理解和帮助提出更合理的土地利用替代方案至关重要。但是，数学模型（例如 Century）必须事先经过校准和验证才能呈现令人满意的结果。因此，本研究的目的是验证 Century 模型用于模拟本地植被区域的 SOC 动态，并使用先前的校准模型估计巴西半干旱地区采用农业系统时的 SOC 储量。该研究在位于巴西东北部阿拉戈斯州的三种土壤类型（Quartzipsamments、Psamments 和 Ultisol）中进行，在雨养条件下采用传统（最少使用机械）农业土地利用实践。模拟包括使用来自巴西半干旱地区另一个地区的先前校准的参数来验证模型。结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 位于巴西东北部的阿拉戈斯州，在雨养条件下采用传统的（最少使用机械）农业土地利用做法。模拟包括使用来自巴西半干旱地区另一个地区的先前校准的参数来验证模型。结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 位于巴西东北部的阿拉戈斯州，在雨养条件下采用传统的（最少使用机械）农业土地利用做法。模拟包括使用来自巴西半干旱地区另一个地区的先前校准的参数来验证模型。结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 在雨养条件下采用传统的（最少使用机械）农业土地使用方法。模拟包括使用来自巴西半干旱地区另一个地区的先前校准参数来验证模型。结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 在雨养条件下采用传统的（最少使用机械）农业土地使用方法。模拟包括使用来自巴西半干旱地区另一个地区的先前校准的参数来验证模型。结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g C 结果表明，该模型被证明可有效模拟阿拉戈斯半干旱地区原生植被区域的 SOC 动态（PBIAS 范围为 20% 至 -9%）；然而，它需要进一步调整以在农业/牧场系统中获得令人满意的 SOC 模拟。结果表明，巴西半干旱地区农作物和牧场的常规系统导致损失（2673 g Cm ^-2到 1960 g C m ^-2在传统系统中）在 22% 和 35% 之间，（PBIAS 变化 -9 到 49%）并且 SOC 储量在 30 到 40 年之间达到新的稳定状态。将原生植被转化为农业（不同土壤类型的比例为 24% 至 42%）。