品种与土壤对草原马铃薯系统生长期和生产规模氧化亚氮排放的影响

《Canadian Journal of Soil Science》：Cultivar and soil effects on growing season and production-scaled N2O emissions from Prairie Potato systems

本文系统研究了不同马铃薯品种（Clearwater Russet、Dark Red Norland、Sangre）在两种土壤类型（黏壤土和砂壤土）及微地形（垄和沟）条件下的N2O排放特征。研究发现，虽然品种间累积排放量无显著差异，但高氮效率（NUE）品种（如Dark Red Norland和Sangre）的产量尺度排放量比低效品种低35%–67%。研究强调了通过选育高NUE品种来降低马铃薯生产碳足迹的潜力，为草原农业可持续氮管理提供了重要依据。

　　

引言

农业土壤是强效温室气体氧化亚氮（N₂O）的重要排放源，其全球增温潜势是二氧化碳的298倍。马铃薯作为全球重要的粮食作物，因其氮利用效率（NUE）较低（通常为40%–60%）且氮肥需求量大，具有较高的N₂O排放风险。加拿大农业贡献了全国75%以上的N₂O排放，而草原地区占加拿大马铃薯总产量的44.3%，且消耗全国74.3%的农业氮肥。目前大多数马铃薯排放研究集中于加拿大东部地区，对草原地区独特气候和土壤条件下N₂O排放动态的认识仍存在显著空白。本研究通过两年田间试验，探究品种选择与土壤微地形（垄/沟）对草原马铃薯系统N₂O排放的影响，旨在为制定减排策略提供科学依据。

材料与方法

试验在萨斯喀彻温大学两个试验站进行，土壤分别为黏壤土（pH 7.4，有机质4.9%）和砂壤土（pH 7.3–7.7，有机质3.7%–3.8%）。选用三个马铃薯品种（Clearwater Russet、Dark Red Norland、Sangre），基于土壤测试推荐施氮量（黏壤土20 kg·ha^?1，砂壤土100 kg·ha^?1）。采用静态箱法监测生长季N₂O通量，分别计算累积排放量、产量尺度排放量（g N₂O-N·Mg^?1）和块茎氮尺度排放量（g N₂O-N·g^?1块茎氮）。通过线性混合模型分析品种、微地形、站点及其交互作用对排放的影响。

结果

环境条件与排放特征：生长季降水量（147.7–163 mm）低于历史平均值（218 mm），累积N₂O排放量为164–848 g·ha^?1，与草原地区已有研究一致，但显著低于湿润地区（如德国报道的2400–4100 g·ha^?1）。排放峰值多出现于种植施肥后的营养生长阶段，且与降水事件密切同步。

品种差异的影响：尽管品种间累积排放量无显著差异，但产量尺度分析显示，Dark Red Norland和Sangre的排放量较Clearwater Russet低35%–67%。回归分析表明，块茎氮吸收效率（NUpE）与产量尺度排放量呈极显著负相关（R²=0.94, p<0.001），证实高NUE品种可有效降低单位产品碳排放。

微地形的作用：在四分之三的站点-年份组合中，微地形对排放有显著影响，但方向因环境而异。黏壤土站点（2022年）和砂壤土站点（2023年）的垄区排放量比沟区高1.4–1.8倍，而2022年砂壤土站点的沟区排放量反超垄区2.3–2.5倍。这种变异性可能与底物有效性、水分状况及碳氮动态的交互作用有关。

讨论

草原马铃薯系统的N₂O排放量相对较低，主要归因于半干旱气候下的有限降水。然而，高氮肥用量和低NUE仍导致显著的排放风险。本研究表明，品种选择虽不改变生长季累积排放总量，但通过提高NUE可显著降低单位产量和单位氮吸收量的排放强度。例如，Dark Red Norland和Sangre的高产量（平均42.3和38.9 Mg·ha^?1）和高块茎氮吸收量（平均148.8和134.5 kg·ha^?1）使其环境绩效显著优于Clearwater Russet。

微地形对排放的影响机制复杂：垄区因肥料集中、有机质丰富及根系耗氧可能同时促进硝化和反硝化过程；而沟区仅在持续厌氧且碳氮充足的条件下才可能成为排放热点。站点间差异（如砂壤土排放量更高）凸显了土壤质地、前茬作物残留氮及施肥量的综合调控作用。

结论

选育高NUE马铃薯品种是降低草原地区马铃薯生产碳足迹的可行策略。尽管累积排放量受环境因素主导，但高产品种能显著优化产量尺度排放效率。未来研究应深入解析品种性状（如根系构型、水分利用效率）与排放的关系，并关注茬后土壤残留氮对非生长季排放的潜在贡献。此外，微地形排放的动态规律为改进农田管理技术和排放清单核算提供了重要参考。