半干旱区农业生态系统通过间作与免耕实现可持续集约化并提升碳储量

本研究针对半干旱区土壤退化与生产力低下问题，通过三因素田间试验探究了耕作方式、间作模式和氮肥施用对土壤碳储量(SC)的影响。结果表明免耕(NT)配合60 kg/ha氮肥可使地下生物量增加29.62%、土壤有机碳(SOC)提升45.03%、碳储量提高57.41%；67:33的黑麦草-毛叶苕子间作模式能提高碳储量15-20%且土地当量比(LER)大于1。该研究为半干旱地区气候智能型农业实践提供了重要实证依据。

　　

在全球气候变化的严峻挑战下，农业生态系统面临着提高生产力与减少环境足迹的双重压力。半干旱地区尤其脆弱，这些区域的土壤退化严重，有机碳含量普遍低于0.1%，严重制约着农业可持续发展。传统耕作方式虽然短期内容易获得较高产量，但长期来看会加速土壤有机质分解，导致碳汇功能丧失。如何通过创新农业管理实践来实现"可持续集约化"——即在提高产量的同时增强生态系统韧性，成为学术界和政策制定者关注的焦点。

在此背景下，研究人员Tahereh Sadra、Javad Hamzei和Amir Dadrasi在《Sustainable Futures》发表了重要研究成果。他们以伊朗哈马丹半干旱地区为实验基地，系统研究了不同耕作方式、种植模式和氮肥水平对土壤碳汇功能和生态系统生产力的综合影响。

研究团队采用了多因素田间实验设计，主要技术方法包括：①采用随机完全区组设计进行三因素（耕作方式、种植模式、氮肥水平）田间试验；②使用烘干称重法测定地上/地下生物量；③通过重铬酸盐氧化法测定总有机碳(TOC)；④采用凯氏定氮法测量全土壤氮(TSN)；⑤基于土壤有机碳含量、容重和采样深度计算碳储量(CS)；⑥运用土地当量比(LER)模型评估间作系统效率。

研究结果显著：

在作物参数方面，常规耕作(CT)配合60 kg/ha氮肥使地上生物量增加16.03%，总生物量提高28%；而免耕(NT)系统则促进地下生物量增长29.62%。这表明不同管理策略对植物碳分配模式产生差异化影响。

土壤参数结果显示，免耕配合60 kg/ha氮肥使总有机碳(TOC)、土壤有机质(SOM)和全土壤氮(TSN)均提高约45%，碳储量(CS)显著增加57.41%。这表明减少土壤扰动配合适度氮肥投入能有效增强土壤碳汇功能。

土地当量比分析表明，所有间作模式的LER值均大于1，其中免耕系统使总LER提高13.51%，67:33的间作比例表现最佳。这证实了间作系统在资源利用方面的优势及其与保护性农业实践的协同效应。

相关性分析揭示了作物生物量与植物净初级生产力(NPPP)之间存在极强正相关(r=0.99)，土壤有机碳与有机质完全一致(r=1.00)，碳储量与土壤氮呈中等相关(r=0.34)。这些关系凸显了管理措施通过影响生物量生产进而调控土壤碳氮循环的机制。

研究结论部分强调，免耕、适度氮肥和黑麦草-毛叶苕子间作的组合策略能有效提升半干旱农业生态系统的可持续性。这种集成管理方法通过减少土壤扰动、保持作物残茬和优化物种互补性，实现了生产力提升与碳 sequestration 的双重目标。特别值得注意的是，适度氮肥(60 kg/ha)比高氮水平(120 kg/ha)更有利于碳保存，说明过量氮输入可能加速有机质分解而抵消生物量增加带来的碳收益。

该研究的重大意义在于首次系统量化了耕作-间作-施肥三因素交互作用对半干旱区碳循环的影响，为发展中国家特别是中东地区的气候智能型农业提供了具体技术路径。通过证明保护性农业实践在半干旱环境中的可行性，该研究为实现联合国可持续发展目标（特别是目标13气候行动和目标15陆地生命）提供了重要科学依据，展示了农业在缓解气候变化中的积极作用。