覆盖作物对半北方地区谷物生产中一氧化二氮排放的物种特异性影响：冻融作用驱动的排放机制的重要性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Species specific effects of cover crops on nitrous oxide emissions in hemiboreal cereal production: The importance of freeze-thaw driven emissions

挪威研究显示，冬季硬质覆盖作物（如多年生黑麦草）可显著减少氮氧化物排放，并增强土壤固碳，而霜敏感作物（如油料萝卜）因冬季冻融导致排放激增，抵消固碳效益。两年试验表明，覆盖作物种类和冬季存活性是影响碳减排效果的关键因素，需结合冷温带地区气候特点选择适配物种。

　　本研究探讨了在温带和亚寒带地区，使用不同覆盖作物对减少农业温室气体（GHG）排放的潜力。覆盖作物在提高土壤有机碳（SOC）储存方面具有重要作用，但它们在非生长季节对氮氧化物（N?O）排放的影响仍存在不确定性。研究团队在挪威东南部的一块壤土田地中，进行了为期两年的实验，以评估七种不同的覆盖作物对N?O排放和SOC积累的影响，并计算每种作物的温室气体平衡。研究结果表明，非生长季节的N?O排放占全年排放的大部分，其中油菜荠菜的排放量最大，而混合草本植物和黑麦草则表现出较低的N?O排放。

### 覆盖作物对温室气体排放的影响

研究中使用的覆盖作物包括多种草本植物、豆科植物以及混合物种。实验结果显示，覆盖作物对N?O排放的影响具有显著的物种特异性。在非生长季节，油菜荠菜和豆科植物的N?O排放量明显高于无覆盖作物的对照组，而混合草本植物和黑麦草则表现出相对较低的排放量。这表明，某些覆盖作物可能在非生长季节促进N?O的形成，从而抵消SOC的增加效果。研究进一步指出，非生长季节的N?O排放对整体温室气体平衡具有决定性作用，尤其是在温带和亚寒带地区，这些排放可能主导全年温室气体排放。

研究团队使用手动气室和田间通量机器人（FFR）分别在生长季节和非生长季节测量N?O排放速率。结果显示，非生长季节的排放量显著高于生长季节，占全年排放的67%（±14%标准差）。这表明，在农业实践中，覆盖作物的非生长季节排放不应被忽视，尤其是在考虑碳农业方案时。研究还发现，N?O排放在日间冻融循环和春季解冻期间达到峰值，这些时期的土壤温度波动较大，对微生物活动和氮循环有重要影响。

### 覆盖作物的SOC积累潜力

为了评估覆盖作物对SOC的贡献，研究团队采用了一种动态土壤碳平衡模型（ICBM模型）。该模型通过模拟覆盖作物的生物量和碳含量来估算SOC的积累速率。结果表明，不同覆盖作物对SOC的积累贡献存在显著差异。例如，意大利黑麦草和混合草本植物表现出较高的SOC积累速率，而油菜荠菜和豆科植物则因较高的N?O排放而对SOC的净收益影响较小。这一发现强调了选择合适覆盖作物的重要性，以确保在减少N?O排放的同时，能够有效增加SOC储量。

### 非生长季节N?O排放的重要性

研究特别强调了非生长季节N?O排放对整体温室气体平衡的影响。在温带和亚寒带地区，非生长季节的排放可能成为农业系统的主要碳源。因此，在评估覆盖作物的气候影响时，必须考虑非生长季节的排放情况。例如，油菜荠菜和豆科植物在非生长季节表现出较高的N?O排放，这可能抵消其在生长季节对SOC的积极影响。相比之下，耐寒的覆盖作物，如混合草本植物和黑麦草，能够有效减少非生长季节的N?O排放，从而在整体上降低温室气体排放。

### 覆盖作物对主要作物产量的影响

尽管覆盖作物在减少温室气体排放方面表现出一定的潜力，但它们对主要作物产量的影响却较为复杂。研究发现，覆盖作物对春大麦产量的影响不显著，而在第二年种植春小麦时，混合草本植物对产量表现出轻微的负面影响。这一结果表明，覆盖作物可能对后续作物的产量产生一定的限制作用，尤其是在N输入有限的情况下。然而，研究也指出，这些影响可能因地区和管理方式的不同而有所变化，因此在选择覆盖作物时，需要综合考虑气候条件和农业实践。

### 研究的局限性和未来方向

研究中使用的测量方法和模型存在一定的局限性。例如，N?O排放的估算主要依赖于手动气室和FFR的测量数据，而这些方法在非生长季节的高波动性可能导致一定的误差。此外，模型估算的SOC积累速率基于假设和参数设定，可能无法完全反映实际情况。因此，未来的研究需要进一步结合本地条件，进行更精确的参数测定，以提高模型的准确性。同时，应探索更先进的测量技术，如非侵入性方法，以捕捉非生长季节的N?O排放动态。

### 实践意义与政策建议

研究结果对农业实践和政策制定具有重要意义。在温带和亚寒带地区，选择耐寒的覆盖作物可以有效减少非生长季节的N?O排放，从而在整体上降低温室气体排放。相反，对温度敏感的覆盖作物可能在非生长季节导致显著的N?O排放，从而削弱其对气候的积极影响。因此，政策制定者和农民在选择覆盖作物时，应考虑当地的气候条件和土壤特性，以优化其对环境的贡献。此外，研究还指出，覆盖作物的使用可能对土壤肥力和后续作物产量产生影响，因此需要在农业管理中综合考虑这些因素。

### 结论

本研究揭示了覆盖作物在减少农业温室气体排放方面的潜力，尤其是在温带和亚寒带地区。虽然某些覆盖作物在生长季节对N?O排放的影响较小，但它们在非生长季节的排放可能显著增加，从而影响整体的温室气体平衡。研究强调，选择耐寒的覆盖作物对于实现农业的气候缓解目标至关重要。此外，研究还指出，非生长季节的N?O排放在评估覆盖作物的气候影响时具有决定性作用，因此需要在农业管理和政策制定中充分考虑这些因素。通过综合考虑覆盖作物的生长特性、非生长季节排放以及对主要作物产量的影响，可以更有效地利用覆盖作物作为应对气候变化的工具。