长期施用绿肥可以减少中国高山作物种植系统的净温室气体排放

《Farming System》：Long-term green manuring reduces net greenhouse gas emissions in upland cropping systems in China

绿色覆盖物（GM）长期施用显著提升0-100cm土壤有机碳（SOC）浓度达8.8%-14.4%（p<0.001），年固碳速率0.95-1.16Mg C/ha/yr，其中0-40cm土层贡献67.5%固碳量。研究证实30%氮肥替代率时GM系统实现最佳净全球变暖潜力（-16.47Mg CO?-eq/ha/yr）与产量稳定协同效应，替代率超过40%则导致产量显著下降。模型验证显示全土层采样比传统浅层采样更准确评估GM固碳潜力，为全球旱地农业低碳转型提供关键参数。

　　绿色覆盖作物（Green Manure, GM）作为一种自然的土壤改良措施，近年来在农业生态系统服务功能提升方面展现出显著的潜力。它不仅能够改善土壤结构，增强土壤有机碳（SOC）的固存能力，还能在一定程度上减少温室气体（GHG）的排放，尤其是在氮氧化物（N?O）的控制方面。然而，GM对土壤碳固存和温室气体减排效果的长期影响仍存在争议，主要由于实验研究的时间跨度较短以及采样深度有限，无法全面评估其对整个土壤剖面的影响。因此，本研究基于中国多个长期实验站点的数据，结合基于过程的模型，系统分析了GM在旱地作物系统中的长期效应，特别是在0–100 cm土壤剖面中SOC的固存、N?O排放以及作物产量的变化。

本研究覆盖了中国七个省份的八个长期实验站点，这些站点分布在不同的气候带中，包括温带季风、亚热带季风以及温带大陆性气候区。实验涉及不同类型的绿色覆盖作物，如毛叶苕子、黑豆等，并且在不同作物轮作系统中应用，如冬小麦-春玉米轮作和冬小麦-夏小麦轮作。这些实验的持续时间从7到16年不等，涵盖了较长的农业周期，使得研究结果更具代表性。研究结果表明，长期应用GM能够显著提高土壤有机碳浓度，特别是在0–100 cm土壤剖面中，其提高幅度达到8.8%–14.4%，并且年均SOC固存速率达到0.95–1.16 Mg C ha?1 yr?1。其中，表层土壤（0–40 cm）贡献了总SOC积累的67.5%，显示出其在碳固存中的关键作用。

此外，研究还发现，GM可以替代约40%的化学氮肥，同时维持作物产量的长期稳定性。然而，这种替代也伴随着N?O排放的增加，尤其是在高替代比例的情况下。这表明，在GM应用过程中，需要在氮肥减少比例和N?O排放之间找到一个平衡点。通过基于过程的建模分析，研究确定了当GM替代30%的化学氮肥时，能够实现最优的土壤碳固存效果，同时保持稳定的作物产量。这一比例下的净全球变暖潜力（NGWP）达到了-16.47 Mg CO?-eq ha?1 yr?1，表明在这一条件下，GM系统能够成为有效的碳汇，对减缓全球变暖具有积极作用。

研究进一步探讨了不同氮肥替代比例对温室气体强度（GHGI）的影响。当GM替代率在20%–40%之间时，GHGI呈现最优的碳固存效率，即每单位产量的碳排放减少最多。然而，当替代比例超过40%时，GHGI开始下降，这主要是由于作物产量的减少。因此，研究建议在保持产量稳定的前提下，将GM的氮肥替代率控制在30%左右，以实现最佳的碳固存和温室气体减排效果。

在温室气体排放方面，研究发现，GM的引入能够通过调节土壤氮循环过程，显著降低N?O的排放。然而，这一效果受到氮肥减少比例的影响，当氮肥减少比例较低时，N?O排放增加；而当减少比例较高时，排放量则显著降低。这一发现与之前的研究结果相吻合，即GM的氮固存能力能够有效减少土壤中氮肥的依赖，从而降低N?O的排放。

研究还指出，土壤碳固存的效率受到多种因素的影响，包括气候条件、土壤质地以及农业管理措施。例如，温带湿润地区的土壤碳固存速率较高，而热带草原气候区的土壤碳固存速率较低，这可能与高温和季节性降雨对有机质分解速率的影响有关。此外，土壤质地也对碳固存效率产生显著影响，沙质土壤由于其较低的养分保持能力，碳固存效果较差，而壤土则表现出较高的碳固存能力。这些发现强调了在不同农业生态系统中，需要根据具体条件调整GM的应用策略，以实现最佳的碳固存和温室气体减排效果。

通过将GM与氮肥减少相结合，研究揭示了这一策略在提升农业生态系统碳固存能力和减少温室气体排放方面的双重优势。这种结合不仅有助于提高土壤的碳固存能力，还能通过减少氮肥的使用，降低N?O的排放。研究进一步指出，这一策略对于实现农业碳中和目标具有重要意义，尤其是在中国旱地农业系统中。同时，研究也强调了在实际应用中，需要充分考虑不同地区之间的气候差异和土壤特性，以优化GM的应用方案。

此外，研究还指出了当前GM研究中存在的局限性。许多早期研究由于采样深度较浅（通常不超过30 cm），未能充分评估其对整个土壤剖面的影响，导致对GM碳固存潜力的估计偏低。因此，未来的实验设计应注重对整个土壤剖面的采样，以更全面地理解GM对土壤碳固存和温室气体减排的长期影响。同时，研究还建议通过跨区域的网络实验和机制模型的结合，进一步探讨不同气候-土壤-管理条件下的碳固存空间变化规律，从而为全球农业系统的可持续发展提供科学依据。

总之，本研究通过长期实验和基于过程的建模，系统评估了GM在旱地农业系统中的碳固存潜力及其对温室气体排放和作物产量的影响。研究结果表明，GM在长期应用中能够显著提高土壤有机碳含量，同时在适当减少氮肥使用的情况下，有效降低N?O排放，为实现农业碳中和和可持续发展提供了重要的科学支持。然而，研究也指出，GM的应用需要根据具体农业条件进行优化，以平衡作物产量和碳固存效果，确保农业生产的可持续性和环境效益的最大化。