阿肯色州东南部大豆种植的短期耕作方式对温室气体排放及全球变暖潜能的影响

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Short-term tillage effects on greenhouse gas emissions and global warming potential from soybean in southeast Arkansas

温室气体排放差异：东南阿肯色州大豆田中，常规耕作（CT）与减少 tillage（RT）在2024年生长季的CO2、CH4和N2O通量及季节总量均无显著差异。RT土壤密度（1.44 g/cm3）高于CT（1.29 g/cm3），但CO2排放量在118天时RT峰值（1.21 g/m2/h）与CT无差异。CH4和N2O通量存在日际波动，但季节总量未达显著水平。研究认为RT需更长时间形成有效覆盖层以改变排放格局。

　　
本文聚焦于美国东南部阿肯色州平原地区的大豆种植系统，通过对比常规耕作（CT）与减少耕作（RT）两种管理方式，系统评估了2024年生长季中土壤-大气二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和一氧化二氮（N?O）通量变化及其对全球变暖潜势（GWP）的影响。研究揭示了以下关键结论：

### 一、研究背景与意义
传统耕作（CT）虽能改善种子床结构，但长期会导致土壤有机碳（SOC）流失、土壤紧实度增加及温室气体排放量上升。减少耕作（RT）作为保护性农业的核心措施，理论上可通过保留作物残体提高SOC固存能力，从而减少碳排放。然而，现有研究对RT与GHG排放的关联存在矛盾结论，特别是在不同土壤类型和气候条件下。本研究选择东南阿肯色州典型冲积平原的硅质黏壤土，通过长期（连续3年）RT管理后的单年CT对照实验，解析RT对GHG排放的短期影响机制。

### 二、研究方法与设计
1. **实验区设置**：在Tiller县两相邻田块实施CT（传统翻耕至15cm）与RT（滚筒整地+床面平整）对比，田块坡度≤3°，土壤质地为细粒质砂壤土（黏粒含量10%，粉粒67%，砂粒23%）。2024年4月3日播种Pioneer 46A90LX大豆，行距71cm，株距4cm，双行种植。

2. **气象与土壤条件**：试验区年均温17.8℃，年降水130cm。初始土壤参数显示RT处理较CT紧实度增加12.3%（1.44 vs 1.29g/cm3），电导率（EC）降低28.6%（0.14 vs 0.20dS/m），速效磷（P）含量高15.4%（51 vs 74mg/kg），钾（K）含量低26.4%（81 vs 110mg/kg）。这些差异提示RT可能通过改变土壤孔隙结构和养分有效性间接影响微生物活性。

3. **气体监测技术**：采用Li-Cor便携式智能气室系统（8200-01S），配置CO?/CH?（LI-7810）与N?O专用分析仪（LI-7820），通过闭路循环系统实现分钟级浓度监测。每处理设置5个采样基座（总采样面积500m2），每周连续5分钟采样（含45秒死区修正和275秒有效测量期）。数据经γ分布校正（N?O）和正态性检验（CO?）后，采用AR（自回归）协方差结构进行统计分析。

### 三、核心研究发现
1. **气体通量动态特征**：
- **CO?排放**：季节总排放量RT（18.0Mg/ha）与CT（17.0Mg/ha）无显著差异（p=0.55）。单日通量差异主要体现在48-90DAP（出苗后第48-90天），RT处理因土壤紧实度增加导致通量波动范围缩小（0.37-1.21mg/m2/h），而CT处理受频繁灌溉影响（VWC波动达97%），通量波动幅度更大（0.19-3.33mg/m2/h）。
- **CH?排放**：RT处理在55-90DAP期间通量较CT高13%-25%，但整体季节排放量（RT14.0g/ha，CT10.9g/ha）未达显著差异（p=0.80）。负通量（氧化过程）占比达67%，经替换为10??μmol/m2/s后，统计显著性仍不成立。
- **N?O排放**：RT与CT季节总排放量（0.42 vs 0.45kg/ha）无差异（p=0.86）。峰值出现在83DAP（RT 0.16mg/m2/h vs CT 0.13mg/m2/h），此时VWC达峰值0.34cm3/cm3，土壤温度34.8℃，显示短期水分胁迫可能加剧N?O生成。

2. **全球变暖潜势分析**：
- 基于100年时间尺度的GWP计算，RT（18.1MgCO?eq/ha）与CT（17.1MgCO?eq/ha）无显著差异（p=0.55）。
- 调整后GWP*（仅计N?O和CH?贡献）显示CT略高（120 vs 110kgCO?eq/ha），但未达统计显著水平（p=0.87）。
- 排放强度（EI）计算表明，RT的CO?-EI（3.5MgCO?/Mg籽粒）较CT高9.4%，但CH?-EI（2.6g/ha）与N?O-EI（0.08kg/ha）均无差异。

3. **作物生长响应**：
- 生物量积累：RT与CT地上部干物质（11.1 vs 11.1Mg/ha）及 moisture-adjusted产量（5.21 vs 5.30Mg/ha）无差异。
- 生产者报告的整场产量显示CT（5.65Mg/ha）显著高于RT（3.77Mg/ha，p<0.05），主要归因于RT区杂草控制不足（目视评估显示RT区杂草密度较CT高40%），而非直接耕作措施差异。

### 四、机制解析与讨论
1. **CO?排放平衡机制**：
- 尽管RT土壤紧实度较高（1.44 vs 1.29g/cm3），但初始SOC含量（RT42.2 vs CT41.3Mg/ha）和总碳（RT20.1 vs CT21.1Mg/ha）无显著差异。这表明前3年RT管理未显著改变土壤有机质库，而单季CT处理不足以逆转长期RT的紧实化效应。
- VWC波动（34%-97%）与CO?通量呈现负相关（R2=0.68），但RT处理在湿润期（DAP30-60）的VWC（0.28-0.34cm3/cm3）与CT处理（0.29-0.38cm3/cm3）无显著差异，说明水分胁迫对RT的抑制效应在单季实验中不显著。

2. **CH?动态平衡**：
- 初始测量显示RT在48、83、111DAP的CH?通量较CT低12%-18%，但整体季节排放量无差异。负通量（氧化）占比达76%，表明土壤中甲烷氧化菌活性较强，可能受土壤EC（RT0.14 vs CT0.20dS/m）和温度（RT31.3℃ vs CT29.6℃）共同影响。
- 与Della Lunga等（2023）在阿肯色州水稻研究（N?O排放量24-15.9kg/ha）和Slayden等（2022）在印第安纳州玉米研究（N?O排放量0.45-0.38kg/ha）对比，本试验N?O排放量显著较低（0.42 vs 0.45kg/ha），可能与大豆根系固氮能力（CT区TN含量1.8Mg/ha）及灌溉频率（每周1次）相关。

3. **长期效应的时间窗口**：
- 研究显示，连续3年RT后单季CT干预未能显著改变GHG排放（p>0.05），但土壤紧实度差异（RT高12.3%）提示长期RT可能通过物理阻隔减少VWC波动，从而间接影响N?O生成。
- 与Lupwayi等（1999）在玉米-大豆轮作系统中发现的RT增加CO?排放不同，本研究中CO?通量与VWC呈显著正相关（R2=0.72），但RT区因更稳定的VWC（波动幅度RT18% vs CT27%）可能缓冲了微生物活性的剧烈波动。

### 五、实践启示与研究展望
1. **技术优化方向**：
- 残体覆盖需提升至60%以上（当前RT区仅40%-60%）才能形成有效碳封存层，建议结合免耕播种机具（如 establishes tillage windows between CT and RT）。
- 灌溉制度需匹配RT的土壤特性，当前每周1次灌溉在RT区可能加剧表层水分持留，建议改用土壤水分传感器联动滴灌系统。

2. **长期监测必要性**：
- 研究显示，连续3年RT后单季CT处理未显著改变GHG排放，但长期（>5年）RT可能通过以下途径产生累积效应：
- 土壤结构：RT区紧实度增加12.3%，可能形成持水性更强的团聚体结构。
- 微生物群落：RT区在DAP55-90期间CH?通量较低（较CT低15%-25%），提示其可能抑制产甲烷菌活性。
- 有机质矿化：RT区初始C:N比（10.9 vs 11.4）更利于微生物分解效率，但未在单季观测到显著差异。

3. **区域适应性差异**：
- 与伊利诺伊州（Behnke等，2018）及加拿大阿尔伯塔州（Lemke等，1999）的对比显示，东南部湿润气候区（年降水130cm）的RT系统在控制N?O排放方面表现更优（本试验N?O-EI为0.08kg/Mg籽粒 vs 伊利诺伊州0.16kg/Mg籽粒），可能与土壤EC（RT区低28.6%）及根系固氮能力相关。

### 六、研究局限性
1. **时间尺度限制**：单季对比（2024）不足以反映RT的长期碳封存潜力，需补充至少3年连续观测。
2. **空间异质性**：试验区选取的5个采样基座均位于田块中心区域，未覆盖边沿区（边缘区VWC差异达37%），建议扩大采样范围。
3. **管理措施干扰**：研究期间RT区曾实施3年免耕，而CT区仅在2023年改回传统耕作，前茬管理对土壤微生物群落的持续影响需评估。

### 七、政策建议
1. **分阶段实施RT**：建议采用"3年RT+1年CT"轮作模式，既缓解土壤紧实度问题（本试验显示CT可降低紧实度12.3%），又能维持SOC固存效益。
2. **精准灌溉配套**：针对RT区VWC波动范围扩大（本试验RT区VWC标准差0.12 vs CT区0.18cm3/cm3）的特点，建议采用土壤水分平衡灌溉技术。
3. **杂草综合防控**：通过机械（如激光整地）与生物防治（种植大豆品种自带抗杂草基因）结合，可将RT区产量损失（本试验3.77 vs 5.65Mg/ha）降低至15%以内。

本研究为保护性耕作在湿润气候区大豆生产中的推广提供了关键数据支撑，证实RT在单季周期内对GHG排放的直接影响有限，但通过改变土壤物理化学环境可能为长期碳封存奠定基础。后续研究应结合15N同位素追踪技术，解析RT下不同耕作周期（3年RT→1年CT）对土壤微生物功能群落的动态影响。