优化覆盖作物种植，促进可持续作物生产 —— 全球元分析带来新突破

为解决覆盖作物（CCs）应用中的问题，研究人员开展全球元分析，揭示其对 SOC、产量和 N2O 排放影响，意义重大。

　　# 优化覆盖作物种植，助力可持续农业发展
在全球人口不断增长的当下，粮食需求日益增加，农业生产面临着巨大的压力。为了满足粮食供应，同时减少对环境的负面影响，可持续农业成为了关键的发展方向。覆盖作物（Cover Crops，CCs）作为可持续农业的重要策略之一，近年来备受关注。它是指在主作物收获后至下次种植前种植的非现金作物，能为土壤健康带来诸多益处，比如抑制杂草生长、减少土壤侵蚀、改善生物多样性等。

然而，在实际应用中，覆盖作物却面临着诸多挑战。一方面，农民担心种植覆盖作物会影响主作物的产量，导致经济收益受损；另一方面，覆盖作物的环境效益也存在不确定性，不同的气候条件、土壤性质和田间管理方式，都会使覆盖作物的效果大相径庭。这使得农民在是否种植覆盖作物的问题上犹豫不决，即便政府和相关组织大力推荐，并投入大量资金用于推广，这一困惑依然存在。

此外，在选择豆科还是非豆科覆盖作物时，也存在诸多争议。豆科覆盖作物能够通过生物固氮作用，为后续主作物提供额外的氮素输入；非豆科覆盖作物则能更好地捕获主作物收获后剩余的氮素 。但两者在增加土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）、影响作物产量和氧化亚氮（N₂O）排放方面的效果，尚无定论。

为了深入了解这些问题，来自内蒙古农业大学、爱荷华州立大学等多个机构的研究人员，开展了一项全球元分析研究。他们综合分析了来自 271 项研究的 3160 个观测数据，旨在明确不同类型覆盖作物对土壤有机碳、作物产量和 N₂O 排放的影响，以及气候、土壤和管理因素对这些影响的调节作用 。该研究成果发表在《npj Sustainable Agriculture》上，为优化覆盖作物种植提供了重要依据。

研究方法

在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先是数据收集，他们通过查阅已有元分析的研究列表，以及在 Google Scholar 和 Web of Science 数据库中进行广泛检索，收集了大量相关文献。之后，按照严格的筛选标准，最终确定了 271 篇涵盖六大洲 35 个国家的研究，这些研究包含了不同气候条件、土壤类型和管理措施下的覆盖作物实验数据。

数据处理阶段，研究人员将研究分为非豆科和豆科（包括豆科与非豆科的混合）两类，对不同地理区域、气候条件、土壤质地等因素进行分类。通过计算自然对数响应比（lnRR）来量化覆盖作物的效果，并使用加权混合效应模型生成各亚组的平均效应大小和 95% 置信区间 。

最后，利用提升回归树（Boosted Regression Tree，BRT）分析，研究人员量化了气候、土壤和管理因素对土壤有机碳和产量的相对重要性，并基于此对全球农田中覆盖作物的潜在影响进行了预测 。

研究结果

1. 全球尺度下覆盖作物的影响：研究发现，总体而言，覆盖作物显著增加了土壤有机碳（5.2%）、主作物产量（9.1%）和 N₂O 排放（25.7%） 。其中，豆科覆盖作物使土壤有机碳增加 5.9%、产量提高 16.0%，但 N₂O 排放也增加了 36.2%；非豆科覆盖作物使土壤有机碳增加 4.0%，不过对产量和 N₂O 排放的影响不显著。
2. 影响覆盖作物效果的驱动因素：从区域尺度来看，随着平均年温度（MAT）升高，两类覆盖作物对土壤有机碳的影响增强；在热带地区，豆科和非豆科覆盖作物对土壤有机碳的增加效果尤为明显，分别达到 7.7% 和 6.0% 。同时，在湿润地区，覆盖作物增加土壤有机碳和提高产量的效果更显著，豆科覆盖作物在湿润地区使产量增加 23.0% 。

在管理措施方面，土壤有机碳的增加与作物多样性呈负相关，连作系统中土壤有机碳增加更为显著。氮肥的使用也影响着覆盖作物对产量的作用，在不施氮肥的情况下，豆科覆盖作物对产量的提升作用更大，但同时 N₂O 排放也更多 。此外，豆科覆盖作物在初始土壤有机碳含量较低的土壤中，增产效果更明显，且产生的 N₂O 排放更少 。
3. 覆盖作物效果的预测与推广：基于 BRT 模型，研究人员预测了连续种植谷物系统中，覆盖作物连续种植 3 年对全球农田土壤有机碳和产量的潜在影响 。结果显示，豆科覆盖作物可使土壤有机碳平均每年增加 7.4%，非豆科覆盖作物增加 5.0% 。在产量方面，豆科覆盖作物可使谷物产量平均提高 19.8%，而非豆科覆盖作物在约一半的全球农田中导致作物产量下降 。

研究结论与讨论

这项研究系统地量化了不同类型覆盖作物对土壤有机碳、作物产量和 N₂O 排放的影响，具有重要的科学意义和实践价值。研究表明，豆科和非豆科覆盖作物都能增加土壤有机碳，但豆科覆盖作物在提高产量方面更具优势，不过会增加 N₂O 排放 。

氮肥投入是影响覆盖作物对产量作用的主要因素，高氮肥水平会削弱豆科覆盖作物的增产效果，却能增强非豆科覆盖作物的产量响应 。此外，气候条件如温度和降水，以及土壤性质和管理措施，都对覆盖作物的效果有着显著影响。

在实际应用中，研究人员建议，在低氮输入、低作物多样性和低初始土壤有机碳含量的农业系统中，尤其是在湿润和温暖的环境里，种植豆科覆盖作物能实现土壤有机碳增加和产量提升的双重效益 。同时，通过采用免耕、亏缺灌溉和多样化作物轮作等措施，可以有效减少豆科覆盖作物种植过程中 N₂O 的排放。

然而，该研究也存在一定的局限性。例如，在一些地区（如大洋洲）的数据收集较少，长期观测数据不足，覆盖作物类型划分较粗，以及机器学习模型无法解释一些未纳入因素的影响等 。未来的研究需要在这些方面加以改进，以更全面地评估覆盖作物在可持续农业中的作用。

总体而言，这项研究为全球农业生产中合理选择和管理覆盖作物提供了重要的理论依据，有助于推动可持续农业的发展，在保障粮食安全的同时，实现环境保护的目标。