边际农田多年生生物能源作物的温室气体排放特征与气候效益研究

《Canadian Journal of Soil Science》：Greenhouse gas emissions in perennial bioenergy crops on marginal land in Southern Ontario

本研究针对边际农田种植多年生生物能源作物是否增加温室气体排放的争议，通过对比研究柳枝稷、芒草和柳树等未施肥作物与自然演替地的N2O和CO2通量，发现其N2O排放量与自然演替地无显著差异，且CO2通量主要源于根系呼吸。结果表明在未施肥条件下种植多年生生物能源作物不会加剧温室效应，为边际土地可持续利用提供了科学依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，如何减少温室气体排放成为科学界关注的焦点。在众多减排策略中，利用边际农田种植多年生生物能源作物被认为是一种具有潜力的途径。这些作物不仅能生产可再生能源，还可能通过碳 sequestration（碳固存）帮助缓解气候变化。然而，人们一直存在一个担忧：种植这些作物是否会反而增加温室气体的排放，特别是强效温室气体氧化亚氮(N₂O)和二氧化碳(CO₂)的排放？这一担忧成为了该领域研究的一个关键科学问题。

为了回答这一问题，由Augustine K. Osei领导的研究团队在加拿大安大略省的边际农田上展开了一项深入研究。他们的研究成果发表在《Canadian Journal of Soil Science》上，题为“Greenhouse gas emissions in perennial bioenergy crops on marginal land in Southern Ontario”。该研究聚焦于未施肥条件下三种常见的多年生生物能源作物——芒草(Miscanthus giganteus L.)、柳枝稷(Panicum virgatum L.)和柳树(Salix miyabeana L.)，并将它们与自然演替（即农田弃耕后自然恢复植被）的地块进行对比，旨在评估这些作物种植系统的真实温室气体排放情况。

研究人员主要采用了静态箱法(static chamber method)这一关键技术来量化土壤气体的通量。研究在加拿大安大略省南部的边际农田上进行，选取了芒草、柳枝稷、柳树三种生物能源作物地块以及一个作为对照的自然演替地块作为研究对象。在整个研究期间，这些地块均未施加任何肥料。研究团队在两个完整的生长季期间，定期测量了各块地上的N₂O和CO₂通量。同时，他们还监测了可能影响气体排放的关键环境因子，包括土壤有效氮(available nitrogen)、土壤湿度和土壤温度，以探讨这些因素与气体通量之间的关系。

研究结果

1. 气体通量的总体范围与比较

研究发现，在所有研究地块中，平均N₂O通量范围在-0.02至0.09 μg N₂O-N m^?2 h^?1之间，而平均CO₂通量范围在0.01至0.27 mg CO₂-C m^?2 h^?1之间。统计分析显示，不同土地利用类型（即不同作物与自然演替地）之间以及两个生长季之间的平均N₂O通量均未表现出显著差异(p ≥ 0.166)。这意味着，种植芒草、柳枝稷或柳树并没有导致土壤N₂O排放量显著高于让其自然恢复植被的边际农田。

2. CO₂通量的差异及其来源

与N₂O不同，平均CO₂通量在不同土地利用类型之间以及两个生长季之间均存在显著差异(p < 0.05)。一个特别有趣的发现是，土壤有效氮、水分和温度的变化与平均CO₂通量的差异并没有显著对应关系。研究人员据此推断，观测到的CO₂通量主要来源于植物根系呼吸(root respiration)，而非微生物驱动的土壤呼吸(soil respiration)。这暗示了这些多年生作物的生命活动是CO₂排放的主要贡献者。

结论与意义

本研究得出的核心结论是：在安大略省南部的边际农田上，种植未施肥的多年生生物能源作物（如芒草、柳枝稷和柳树）所产生的N₂O排放量，与任其自然演替的边际农田相当。这一发现至关重要，因为它直接回应了最初的担忧：即在边际土地上培育能源作物并不会必然导致温室气体排放的增加，尤其是在避免使用肥料的情况下。如果这一结论能在更大范围（全球尺度）上得到验证，将极大地缓解人们对开发边际土地用于生物能源生产可能加剧气候变化的疑虑。

此外，关于CO₂通量主要源于根系呼吸的发现，深化了我们对这些生态系统碳循环过程的理解。它表明，作物本身的代谢活动是该系统CO₂通量的主导因素，而非单纯的土壤微生物分解过程。这项研究为评估多年生生物能源作物的气候减缓效益提供了宝贵的实地数据，强调了在边际土地上实施可持续生物能源生产的可行性，为未来的土地管理政策和气候变化减缓策略提供了坚实的科学依据。