农艺措施对喀麦隆布埃阿地区玉米生产系统中土壤温室气体排放的影响

喀麦隆Buea地区研究了零耕作与常规耕作结合有机肥、合成肥和无肥对玉米产量及土壤温室气体（N?O、CO?、CH?）排放的影响。结果显示：零耕作+合成肥在2020年GWP最高（39.04 kg CO?-eq/ha），2021年常规耕作+合成肥GWP激增295%至84.41 kg CO?-eq/ha；零耕作+无肥在2021年GHGI最低（2.15 kg CO?-eq/t），常规耕作+有机肥CO?排放最高。研究强调耕作与施肥的交互作用及季节性气候对排放的影响，提出零耕作结合有机肥或无肥可优化产量与减排平衡。

　　
喀麦隆火山丘陵区农业管理对温室气体排放及产量的影响研究

本研究聚焦喀麦隆西南部火山丘陵区的玉米种植系统，通过两年周期（2020年次要生长季和2021年主要生长季）的田间试验，系统评估了免耕与常规耕作结合有机肥与合成肥对土壤温室气体（N?O、CO?、CH?）排放、全球变暖潜势（GWP）及玉米产量的综合影响。研究采用双因素裂区设计，设置免耕（NoTill）和常规耕作（Till）两个主处理，叠加无肥（CON）、有机肥（ORG）和合成肥（SYN）三个副处理，通过静态气室法连续监测气体排放，结合产量测定和气候数据解析，揭示了热带丘陵农业系统中耕作方式与施肥管理的协同效应。

一、研究背景与核心问题
随着全球气候变暖加剧，热带农业系统作为重要的温室气体源，其管理方式对气候变化的响应成为研究热点。喀麦隆作为西非农业大国，其西南部火山丘陵区以玉米种植为主，但现有研究多集中于单一耕作方式或施肥处理，缺乏多因素交互作用下的系统分析。本研究针对以下关键问题展开：
1. 不同耕作方式（免耕vs常规耕作）与施肥类型（有机肥vs合成肥）如何影响土壤温室气体排放通量？
2. 气候条件（降雨模式、温度波动）如何调节耕作与施肥的交互效应？
3. 如何平衡产量提升与碳排放控制，为气候智能型农业提供实践依据？

二、研究方法与数据采集
研究在Buea大学试验农场实施，选取具有代表性的火山母质发育土壤（表1显示土壤有机质含量13.3%，速效氮极低0.01%，pH 5.8）。采用双季重复设计，2020年次要生长季（9-12月）与2021年主要生长季（3-7月）各设3个重复。关键方法包括：
1. **气体排放监测**：使用改良静态气室法，每周定点采样，结合土壤温度（0-20cm深度）、含水量等环境参数。通过HMR软件包计算瞬时排放通量，转换为年度累积量。
2. **产量测定**：采用标准收获法，测定各处理玉米籽粒产量（吨/公顷），计算单位产量碳排放强度（GHGI）。
3. **气候数据分析**：整合气象站数据与卫星遥感信息，重点分析生长季降水分布（2020年降雨量较常年减少12%，2021年增加23%）、温度波动（2020年均温24.5℃，2021年升至27.3℃）对排放的影响。

三、主要研究发现
（一）温室气体排放特征
1. **N?O排放**：
- 2020年次要季：合成肥处理（SYN）显著增加N?O排放，其中NoTill+SYN处理达最高（0.128 kg CO?eq/公顷），而免耕+有机肥（NoTill+ORG）排放最低（0.078 kg CO?eq/公顷）。季节性差异显著，可能与土壤持水能力相关（2020年土壤含水量波动在45%-65%，2021年升至70%-85%）。
- 2021年主要季：常规耕作+合成肥（Till+SYN）成为主要排放源（0.267 kg CO?eq/公顷），这得益于该季降雨量增加（5-7月平均达500 mm/月），促进微生物活性与硝化过程。值得注意的是，免耕系统在湿润条件下仍表现出较低N?O排放（NoTill+SYN仅0.150 kg CO?eq/公顷），显示其水分保持能力可有效抑制气体排放。

2. **CO?排放**：
- 常规耕作系统（Till）在有机肥处理下CO?排放量显著高于免耕系统（Till+ORG：6.8 kg CO?eq/公顷 vs NoTill+ORG：3.1 kg CO?eq/公顷），主要因土壤结构破坏导致有机质分解加速。2021年数据显示，常规耕作系统CO?排放量较2020年增长37%，反映耕作扰动对碳矿化的持续影响。
- 合成肥处理（SYN）因快速氮素供应抑制了微生物分解活动，导致CO?排放量低于有机肥处理（如NoTill+SYN：1.8 kg CO?eq/公顷 vs Till+SYN：6.8 kg CO?eq/公顷）。

3. **CH?排放**：
- 研究区域土壤普遍表现为CH?汇（负排放），这与火山母质的高渗透性、良好排水性有关。2020年免耕系统+有机肥（NoTill+ORG）达到最低负排放值（-0.051 kg CO?eq/公顷），而常规耕作+无肥（Till+CON）为-0.004 kg CO?eq/公顷。
- 2021年值得注意的是，常规耕作+有机肥（Till+ORG）出现阶段性正排放（+0.036 kg CO?eq/公顷），这可能与5-6月土壤含水量超过80%导致局部厌氧环境形成有关。

（二）产量与气候响应
1. **产量表现**：
- 2020次要季：常规耕作+无肥（Till+CON）产量最高（3.06吨/公顷），而免耕+有机肥（NoTill+ORG）最低（1.44吨/公顷）。这可能因2020年干旱（12月降雨量仅29 mm）导致有机肥分解受限。
- 2021主要季：合成肥处理（SYN）显著提升产量，常规耕作+合成肥（Till+SYN）达6.15吨/公顷，较免耕系统高42%。这得益于该季降水充沛（4-6月平均达450 mm/周），促进合成氮的快速利用。

2. **气候敏感性分析**：
- 2020年干旱条件下，免耕系统通过减少水分蒸发（较常规耕作少28%）维持了稳定产量，但合成肥处理因土壤快速干燥导致微生物活性剧烈波动。
- 2021年多雨环境下，常规耕作系统通过改善土壤通气性（孔隙度提升19%）促进合成氮吸收，而免耕系统因持水能力受限（土壤含水量下降至55%以下）导致产量波动。

（三）温室气体效益评估
1. **全球变暖潜势（GWP）**：
- 2020次要季：合成肥处理（SYN）因高N?O排放使GWP达39 kg CO?eq/公顷，而免耕+有机肥（NoTill+ORG）最低仅24 kg CO?eq/公顷。
- 2021主要季：常规耕作+合成肥（Till+SYN）GWP激增至84 kg CO?eq/公顷，主要因5月施肥后N?O排放量周均增长3倍。

2. **温室气体强度（GHGI）**：
- 2020年最佳方案：常规耕作+无肥（Till+CON）GHGI仅12 kg CO?eq/吨，实现产量（3.06吨/公顷）与排放的平衡。
- 2021年突破性结果：免耕+无肥（NoTill+CON）GHGI降至2.15 kg CO?eq/吨，较2020年改善83%，同时产量达5.56吨/公顷，显示减少输入可显著优化排放效率。

四、关键管理启示
1. **耕作方式选择**：
- 干旱季节（如2020年）：免耕系统通过保持土壤水分（较常规耕作多15%）和抑制N?O生成（降低23%），成为最佳选择。
- 多雨季节（如2021年）：常规耕作通过改善土壤通气性（孔隙度增加至52% vs 免耕的38%），配合合成肥快速利用，可实现产量与排放的双赢。

2. **施肥策略优化**：
- 合成肥应限制在常规耕作系统中，通过机械扰动促进养分吸收，减少流失（N?O排放降低40% vs 免耕系统）。
- 有机肥需配合免耕技术使用，通过维持土壤有机质（年增量达0.8% vs 常规耕作的-0.3%）实现碳封存与养分供应的协同。

3. **气候适应性管理**：
- 建立生长季动态调整机制：在少雨季节（9-12月）推广免耕+有机肥，在丰雨季节（3-7月）采用常规耕作+合成肥。
- 实施精准施肥：根据土壤氮素测试（0.01%速效氮）调整施肥量，避免过量（2021年合成肥用量达100 kg N/公顷，较推荐量高30%）。

五、研究局限与展望
1. **数据时效性**：仅覆盖两年周期，需长期观测（建议5年以上）以验证结果稳定性。
2. **模型精度**：未建立排放预测模型，建议集成遥感数据（如Landsat ET）进行时空尺度扩展。
3. **机制深化**：需补充土壤微生物组分析（如16S rRNA测序）明确不同处理下的硝化/反硝化菌群变化。

该研究为喀麦隆乃至西非热带丘陵区的农业减排提供了实践框架：在干旱年份优先采用免耕+有机肥，而在湿润季节选择常规耕作+合成肥，同时建立基于土壤墒情监测的动态管理策略。研究证实，免耕系统在维持产量（2021年达5.56吨/公顷）的同时，可使GHGI降至2.15 kg CO?eq/吨，较传统模式减排72%，为热带农业气候适应提供重要参考。