干旱区枣棉间作系统中氮肥施用对温室气体排放、土壤质量与系统可持续性的协同效应

《Journal of Agriculture and Food Research》：Intercropping systems of jujube and cotton in arid regions: synergistic effects of nitrogen application on greenhouse gas emissions, soil quality, and system sustainability

　　

研究人员在中国新疆南部干旱区开展了一项为期两年的田间试验，在枣棉间作系统中评估了四个氮（N）肥施用水平（0、140、280和420 kg N ha^-1）。在测试的氮肥水平中，280 kg N ha^-1处理相对于N0使基于CO₂–CH₄的温室气体排放强度（GHGI）降低了12.84%–15.71%，相对于N3降低了18.96%–22.17%。适量施氮改善了表土总碳（TC）和总氮（TN），同时避免了过量速效氮积累。在测试的氮肥水平中，N2处理获得了最高的土壤质量指数（SQI）和可持续性指数（SI），表明在两年试验期间，测得的温室气体排放强度与土壤质量之间达到了有利平衡。

全球变暖主要由大气温室气体（GHG）浓度升高驱动，其中二氧化碳（CO₂）与甲烷（CH₄）对全球农业可持续性和粮食安全构成严重威胁。农业活动贡献了全球人为温室气体排放的10%–12%，氮肥施用是重要驱动因素。中国新疆干旱区面临水资源短缺、土壤盐渍化和极端温度等问题，枣（Ziziphus jujuba Mill.）和棉花（Gossypium hirsutum L.）因高耐旱耐盐性而被广泛种植，枣棉间作不仅能提高土地利用效率和经济回报，还具有防风固沙、保水保土和改善微气候等生态功能。然而，氮肥的集约利用会影响土壤微生物过程，进而调节CO₂和CH₄通量。过量施氮通常导致土壤酸化和氮淋失，并可能改变温室气体排放。已有研究多集中于单作系统，针对多年生树木与一年生作物间作系统的研究稀缺。为此，研究人员在新疆阿拉尔开展为期两年的田间试验，设置四个氮肥水平（N0、N1、N2、N3分别为0、140、280、420 kg N ha^-1），旨在量化氮肥施用对CO₂和CH₄通量的影响、分析土壤化学性质变化，并确定兼顾作物生产、环境影响、土壤质量和资源利用效率的适宜施氮量。研究结果表明，中等施氮量（N2，280 kg N ha^-1）在降低基于CO₂–CH₄的温室气体排放强度（GHGI）的同时，维持了土壤作为CH₄汇的功能，并显著提升了土壤质量指数（SQI）和可持续性指数（SI），为干旱区枣棉间作系统氮肥优化管理提供了重要科学依据。

在关键技术方法方面，研究人员采用随机完全区组设计，试验地点位于新疆阿拉尔（塔里木河上游、塔克拉玛干沙漠西北缘），供试棉花品种为中棉619，枣树为2012年直播、2014年嫁接骏枣、2020年平茬的枣园。温室气体通量采用密闭静态箱法采集，利用气相色谱仪（GC-14B，Shimadzu）同时测定CO₂和CH₄浓度，并计算排放通量、累积排放量、全球增温潜势（GWP）和GHGI。土壤样品在棉花收获期采集，分0–20 cm和20–40 cm两层，采用元素分析仪（Vario MACRO cube）测定土壤全碳（TC）和全氮（TN），采用KCl提取–靛酚蓝比色法测定铵态氮（NH₄⁺-N），采用紫外分光光度法（TU-1810 PC）测定硝态氮（NO₃^--N）。土壤质量指数（SQI）基于线性评分和雷达图面积法计算，可持续性指数（SI）基于九项指标加权计算，并通过改变权重与标准化方法进行敏感性分析。统计方法包括线性混合效应模型、单因素方差分析（ANOVA）、Tukey HSD检验、Mantel检验和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）。

**3.1 土壤温室气体排放**：在整个棉花生长季，施氮量显著影响CO₂排放（P < 0.01），排放通量呈现明显季节变化，施肥后1–3 d出现短期激增，峰值集中在7月中下旬棉花花铃期。CO₂排放随施氮量增加而增加，N3处理最高；与N3相比，N2处理整个生长季平均CO₂通量低17.3%–19.5%。CH₄通量在所有处理中均为负值，表明枣棉间作系统是大气CH₄的净吸收汇，且吸收速率随施氮量增加而显著降低；N2处理的CH₄吸收通量比N3高28.6%–38.8%。

**3.2 累积CO₂和CH₄排放、GWP与GHGI**：施氮处理显著影响累积CO₂和CH₄排放以及基于CO₂–CH₄的GWP和GHGI。N3的累积CO₂排放最高（2023年为5803.32 kg ha^-1，2024年为6414.46 kg ha^-1），N2较N3显著降低16.36%和11.48%。CH₄累积吸收量在N2处理显著高于N3和N1（2023年分别增加15.99%和39.55%）。GWP在N3最高，N2较N3降低16.41%和11.49%。GHGI随施氮量增加呈先降后升趋势，N2最低，较N3降低22.17%和18.96%，较N0降低15.71%和12.84%。

**3.3 施氮量对作物产量的影响**：2023年N2处理的籽棉、红枣和总产量均为最高，籽棉产量达4237.78 kg ha^-1，较N0、N1、N3分别提高27.48%、26.43%和11.13%；枣产量达2511.49 kg ha^-1，较N0、N1、N3分别提高47.56%、42.76%和18.03%；总产量6749.27 kg ha^-1，显著高于其他处理。2024年各处理间产量差异未达显著水平，但N2数值上最高。

**3.4 土壤温度和水分的変化**：土壤水分和温度均呈现明显季节变化，且与温室气体排放密切相关。水分含量在各施氮处理间差异显著，总体表现为N3 > N2 > N1 > N0。土壤温度在生长季内先升后降，大多在20–30°C范围。

**3.5 土壤全碳和全氮含量的変化**：施氮显著影响TC和TN含量，且0–20 cm土层响应大于20–40 cm。TN随施氮量先增后降，N2最高（0–20 cm为1.31–1.43 g kg^-1），N3较N2显著降低8.4%–12.1%。TC呈类似趋势，N2峰值达30.49 g kg^-1（2023年）和29.32 g kg^-1（2024年），显著高于N0和N3。

**3.6 土壤硝态氮和铵态氮含量的変化**：硝态氮含量在施氮后显著增加，N3最高（0–20 cm在8月达78.81–88.09 mg kg^-1），而N2硝态氮虽高但无过度积累，较N3低10.3%和1.3%。铵态氮随施氮量增加而增加，N3在20–40 cm土层也出现较高浓度（2024年8月达35.10 mg kg^-1），提示存在氮淋失风险。

**3.7 土壤质量与可持续性指数**：SQI和SI均受施氮量显著影响。SQI在0–20 cm显著高于20–40 cm，N2较N0提高137.78%（2024年0–20 cm），但N3较N2低8.45%。SI在两年中均以N2最高，较N0提高17.14%和21.70%，较N3高6.33%和7.02%。敏感性分析表明，无论采用等权重还是Z-score标准化，处理排名均为N2 > N3 > N1 > N0，Spearman秩相关系数为1.000，排名完全一致。

**3.8 土壤理化性质、温室气体排放与可持续性指标的关系**：相关分析和PLS-PM显示，累积CO₂排放与土壤水分、温度和硝态氮显著正相关；土壤TC与TN极显著正相关，且均与SQI和SI极显著正相关。PLS-PM表明土壤理化性质（水分、温度、TC）对温室气体排放有显著正效应（P < 0.01），而土壤养分无显著直接效应；SQI显著正向影响SI。该模型拟合优度（GoF）为0.8257，但受独立田间重复数量限制，路径系数应视为探索性关联。

讨论部分指出，N2处理在降低CO₂–CH₄基GHGI的同时，维持了CH₄净汇功能，并改善了土壤TC、TN和SQI，避免了高氮处理下速效氮过度积累和淋失风险。但试验未测定氧化亚氮（N₂O）排放，因此GWP和GHGI仅反映CO₂和CH₄的贡献，完整温室气体效应需进一步验证。研究结论为：在新疆南部枣棉间作系统中，两年试验条件下，280 kg N ha^-1（N2）是兼顾测得温室气体排放强度、土壤质量和系统可持续性的适宜施氮量；该施氮量降低了基于CO₂–CH₄的GHGI，提高了SQI和SI，且未造成产量损失。未来需要多点、多年试验并结合N₂O直接观测，以全面评估该管理策略的适用性和温室气体减排潜力。