车前草（Plantago lanceolata L.）及其与红三叶草（Trifolium pratense L.）的混合作为冬小麦（Triticum aestivum L.）的前茬作物对一氧化二氮和甲烷排放的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Impact of ribwort plantain ( Plantago lanceolata L.) and mixtures with red clover ( Trifolium pratense L.) as a precrop of winter wheat ( Triticum aestivum L.) on nitrous oxide and methane emissions

在中央欧洲进行的一项两年田间研究表明，车前草（Plantago lanceolata）作为前茬作物在混合种植系统中可显著降低后续冬季小麦的土壤氮素流失，其富含的硝化抑制剂aucubin能减少硝化作用，从而抑制硝氧化亚氮（N?O）排放。实验比较了单一意大利黑麦草（Lolium multiflorum）、红三叶（Trifolium pratense）和车前草，以及红三叶与意大利黑麦草或车前草的50:50混合理想。结果显示，车前草单一或与红三叶混合种植时，N?O累积排放量最低，仅为0.08-0.99 kg氮/公顷；而红三叶单一种植时排放量最高。尽管车前草的碳氮比（C/N）低于意大利黑麦草，但其抑制硝化作用有效减少了土壤硝酸盐积累和N?O排放。生态系统呼吸和冬季小麦氮吸收趋势与N?O排放一致，但甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）排放未受前茬作物显著影响。研究证实混合种植中车前草与红三叶的效果优于意大利黑麦草，但受气候条件（如降雨和温度）和氮固直接影响，其硝化抑制效果未完全量化。

　　这项研究探讨了在有机农业条件下，将肋果苍耳（*Plantago lanceolata* L.）作为紫花苜蓿与意大利黑麦草混播的一部分，替代意大利黑麦草作为冬小麦前茬种植的潜力。研究的主要目标是评估这种替代方案对土壤中氮氧化物（N?O）和甲烷（CH?）等温室气体排放的影响，以及对冬小麦氮素吸收的贡献。通过两年的田间试验，研究团队在德国萨克森地区进行了详细的实验设计和数据收集，最终得出了一些关键结论。

研究首先指出，农业是人类活动导致氮氧化物和甲烷排放的主要来源之一，分别贡献了约74%和40%的温室气体排放。随着全球气候变化的加剧，减少这些气体的排放成为农业可持续发展的关键任务。氮氧化物的排放主要源于土壤中的硝化作用和反硝化作用，而甲烷的排放则通常与厌氧条件有关。因此，寻找能够抑制这些过程的植物或农业措施成为研究的重点。

肋果苍耳被认为是一种具有生物硝化抑制潜力的植物，因为它能够产生一种名为aucubin的黄酮类化合物。这种化合物可以减缓土壤中的硝化过程，从而减少氮氧化物的形成和释放。在新西兰等地区，肋果苍耳已被成功用于减少永久草地的氮氧化物排放。然而，在耕作农业中，关于肋果苍耳对温室气体排放影响的研究仍较为有限。本研究旨在填补这一知识空白，探索肋果苍耳在耕作农业中的应用潜力。

实验地点位于德国萨克森地区的Struppen附近，该地区属于温带大陆性气候，年均温为9.5°C，年均降水量为875毫米。研究团队选择了两种主要的前茬作物：紫花苜蓿和意大利黑麦草，并与肋果苍耳进行混播。实验设计包括单一种植和50/50混播两种形式，以便比较不同种植方式对后续作物的影响。所有实验均在无额外氮肥施用的条件下进行，以模拟有机农业的实际情况。

实验结果显示，前茬作物对冬小麦的氮素吸收和土壤中的温室气体排放有显著影响。在第一年（2020–2021）和第二年（2021–2022）的实验中，紫花苜蓿单一种植（R100）导致的氮氧化物排放最高，而肋果苍耳单一种植（P100）则最低。在混播情况下，紫花苜蓿与意大利黑麦草（R50/I50）和紫花苜蓿与肋果苍耳（R50/P50）的氮氧化物排放水平介于两者之间。这表明，紫花苜蓿的种植方式可能会导致更高的氮素残留和排放，而肋果苍耳则有助于减少这些过程。

此外，研究还发现，前茬作物的碳氮比（C/N）对土壤中的氮素动态有重要影响。紫花苜蓿的碳氮比较低，因此其残留物更容易被微生物分解，释放出更多的氮素，这可能导致更高的土壤硝酸盐储备和氮氧化物排放。相比之下，意大利黑麦草的碳氮比较高，其残留物对氮素的固定作用更强，因此对土壤中氮氧化物的形成和释放具有一定的抑制作用。肋果苍耳的碳氮比处于中间水平，其氮氧化物排放水平介于紫花苜蓿和意大利黑麦草之间，这可能与其含有aucubin的特性有关。

在温室气体排放方面，研究发现，氮氧化物的排放主要受到土壤中氮素含量和碳氮比的影响。紫花苜蓿单一种植导致的氮氧化物排放显著高于其他前茬作物，这可能与其较高的氮素固定能力和较低的碳氮比有关。而肋果苍耳单一种植则表现出最低的氮氧化物排放，这可能与其抑制硝化作用的能力有关。同时，甲烷的吸收与前茬作物的选择无关，所有前茬作物对甲烷的吸收率相近。这表明，肋果苍耳在抑制甲烷排放方面的作用有限，而其主要贡献在于减少氮氧化物的排放。

生态系统呼吸（即二氧化碳的排放）也受到前茬作物的影响。在第一年，紫花苜蓿混播（R50/P50）和单一种植（R100）导致的二氧化碳排放最高，而肋果苍耳混播（R50/I50）和单一种植（P100）则较低。这可能与前茬作物的碳氮比有关，因为较低的碳氮比意味着更多的有机碳被快速分解，从而增加了土壤微生物的活动和呼吸作用。在第二年，肋果苍耳单一种植（P100）表现出较低的二氧化碳排放，这可能与其抑制土壤微生物活动的能力有关。

研究还发现，前茬作物的选择对土壤中的氮素储备有显著影响。紫花苜蓿单一种植（R100）导致的土壤硝酸盐储备最高，而肋果苍耳单一种植（P100）则最低。这一结果与氮氧化物的排放趋势一致，表明紫花苜蓿的高氮素固定能力可能导致了更多的氮素残留，而肋果苍耳的低碳氮比则有助于减少氮素的释放。然而，研究也指出，由于实验条件的限制，无法完全量化肋果苍耳中aucubin对土壤氮素动态的具体影响，这可能是因为紫花苜蓿自身的氮素固定能力掩盖了肋果苍耳的抑制作用。

从氮素吸收的角度来看，冬小麦在紫花苜蓿单一种植后的氮素吸收量最高，而肋果苍耳单一种植后的氮素吸收量最低。这表明，紫花苜蓿作为前茬作物能够为冬小麦提供更多的氮素，而肋果苍耳则可能减少氮素的供应。然而，这一结果并不完全支持肋果苍耳作为生物硝化抑制剂的潜力，因为其对氮素吸收的影响并不显著。这可能与实验中未施加氮肥有关，因为如果在后续作物中直接施加氮肥，肋果苍耳的抑制作用可能会更加明显。

此外，研究还指出，前茬作物的混播形式对氮素吸收和温室气体排放的影响较小。紫花苜蓿与意大利黑麦草的混播（R50/I50）和紫花苜蓿与肋果苍耳的混播（R50/P50）在氮素吸收和氮氧化物排放方面表现出相似的趋势，这表明混播可能在一定程度上平衡了不同作物之间的氮素供应和排放。然而，混播并未显著降低氮氧化物的排放，这可能与不同作物的碳氮比和氮素固定能力有关。

在气候条件方面，研究发现，2021年的降雨量较高，导致土壤湿度增加，这可能促进了氮氧化物和甲烷的排放。而2022年的降雨量较低，土壤湿度相对减少，这可能抑制了这些气体的排放。因此，气候变化对农业系统的温室气体排放具有重要影响，需要在农业管理中加以考虑。

综上所述，这项研究为有机农业中如何通过前茬作物的选择来减少温室气体排放提供了重要的参考。肋果苍耳作为一种具有生物硝化抑制潜力的植物，在单一种植和混播条件下均表现出一定的效果，但其对氮素吸收的影响并不显著。这表明，肋果苍耳在减少氮氧化物排放方面具有潜力，但在提高后续作物氮素供应方面的作用有限。未来的研究需要进一步探讨在施加氮肥的条件下，肋果苍耳对土壤氮素动态的具体影响，以及其在不同气候条件下的表现。同时，混播形式在氮素吸收和温室气体排放方面的作用仍需深入研究，以确定其在农业实践中的应用价值。