半干旱种植体系替代覆盖作物管理下土壤有机碳（SOC）–产量权衡：基于DayCent的25年模拟

《Journal of Agriculture and Food Research》：Soil Organic Carbon–Yield Tradeoffs under Alternative Cover Crop Management in a Semi-Arid Cropping System

　　

豌豆覆盖作物（pea cover cropping）使土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）较休闲（fallow）增加8%–13%，但总体上降低高粱（sorghum）产量。
SOC累积在25年模拟中主要发生在慢速库（slow pool）。
高排放气候（high-emission climate）使高粱产量降低22%–51%，使小麦（wheat）产量降低5%–10%。
生产力受资源可获得性与时序限制，而不仅受SOC本身限制。
尽管SOC增益较低，休闲（fallow）系统仍保持竞争力。

Dotun Arije等围绕半干旱种植体系中覆盖作物管理下土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）与作物产量之间的权衡开展模拟研究。气候韧性农业对干旱和半干旱地区维持作物生产力与土壤健康至关重要。美国西部长期连续种植、降水储存效率低于40%的长期休闲和残茬移除导致SOC耗竭与土壤持水能力下降。覆盖作物被推广以提高SOC、肥力、抑草和减蚀，但其对后茬经济作物产量影响高度依赖情境，在水限条件下常形成长期SOC增益与作物生产力之间的持续权衡。全球154项研究的meta分析表明，覆盖作物显著增加SOC并减少氮淋溶，但谷物产量平均降低约4%。干旱半干旱地区因土壤水是主要限制因子，该权衡更明显。西堪萨斯旱地小麦–高粱轮作中，春播覆盖作物后小麦减产25–31%，高粱较休闲低约11%。覆盖作物可降低降水储存效率13–33%，干旱年份玉米减产可达18%。但在水氮非共同限制时，豆科覆盖作物可同时提高SOC和产量；半干旱大平原豆科覆盖种植使SOC增加20–30%并改善高粱产量，阿根廷Rolling Pampas免耕玉米–大豆与野豌豆覆盖作物产量增加12–30%且SOC提高。美国大平原以小麦–休闲和小麦–高粱–休闲为主，休闲储存不足40%季节性降水并导致SOC下降。覆盖作物采用受产量惩罚、短期氮效益小、成本增加和土壤水竞争限制。长期建模显示SOC收益需15–20年，且无短期产量改善。尚不清楚哪些管理实践组合能在半干旱体系中平衡SOC积累与作物生产力，尤其未来气候下。因此，研究人员在南方高平原免耕冬小麦–高粱–休闲轮作中评估五种管理情景：total dryland、early cover crop termination（ECCT）、ECCT + early sorghum planting（ECCT + ESP）、modified sorghum irrigation regime（MSIR）、ECCT + MSIR。每情景设置pea monoculture和pea–oat–canola mixture（POCMix），并与limited-irrigation fallow baseline在continued historical climate（CHC）和SSP5–8.5 high-emission scenario（HES）下进行25年模拟。目标为量化管理、覆盖作物类型和气候交互对高粱与小麦籽粒产量、生物量和SOC储量的影响，并评估SOC库分布。结论是SOC增加不完全转化为产量，存在部分且作物特异性的解耦；当前覆盖作物管理单独难以同时实现产量和SOC增益。意义在于识别减少SOC–产量权衡的管理策略，并为旱地覆盖作物风险缓解提供依据。

技术方法概述：研究基于NMSU Agricultural Science Center in Clovis, New Mexico（34°35’N, 103°12’W; elevation 1368 m）的长期试验，土壤为Olton clay loam，采用免耕冬小麦–高粱–休闲轮作和约50%作物需水的有限灌溉。使用两个独立校准与验证的DayCent生物地球化学模型应用，以2000年原生草原spin-up初始化，并纳入历史土地利用转换。校准调整潜在生产力（PRDX）、温度响应函数（PPDF、PRDF）、收获指数（HIMAX）和木质素含量（FLIGNI），采用RMSE、归一化RMSE、决定系数（R²）、Nash–Sutcliffe效率（NSE）、平均偏差误差（MBE）和t检验评价。处理包括fallow、pea monoculture和POCMix。气候包括CHC和SSP5–8.5 HES，后者来自BCC-CSM、CanESM5和UKESM，经quantile mapping偏差校正，使用默认CO₂设置。共24个模拟，输出籽粒产量、生物量、SOC及active、slow、passive、litter库，并以Composite Performance Index（CPI）排序。

3.1 管理对SOC影响：通过25年DayCent模拟，SOC随管理、处理和气候路径变化。Pea系统SOC最高2058–2223 g C m^-2，POCMix为1799–1995 g C m^-2，fallow为1843–2035 g C m^-2。最高SOC出现在ECCT + ESP和MSIR，尤其pea在两气候路径下达2223 g C m^-2；ECCT + MSIR的pea为2188–2206 g C m^-2。Total dryland最低，为1799–2096 g C m^-2。CHC同处理比HES高约1.5–4.5%，排序相似。Pea超过fallow和POCMix；POCMix一般较低。时间上SOC逐渐增加，灌溉和优化时序下更大。

3.2 管理对高粱和小麦产量影响：模拟显示，HES较CHC所有管理和处理组合产量更低。HES高粱较CHC低22–63%，小麦响应从降10%到增8%。生物量趋势类似。Baseline fallow一般最高高粱产量423.8 g C m^-2 harvest^-1，其次POCMix在ECCT和ECCT + ESP达约407 g C m^-2 harvest^-1。Pea处理高粱较低，CHC常为160–260 g C m^-2 harvest^-1。小麦最高在pea处理，所有管理情景达206.4 g C m^-2 harvest^-1 under ECCT和组合。POCMix和fallow小麦较低，CHC为55–140 g C m^-2 harvest^-1，HES更低。Total dryland两作物产量和生物量最低；HES高粱86–108 g C m^-2 harvest^-1，小麦低于60 g C m^-2 harvest^-1。灌溉量和优化时序相对于total dryland增加产量和生物量。

3.3 CPI：通过CPI排序，CHC下pea系统最高：ECCT + ESP CPI为0.92、Rank 1，ECCT为0.89、Rank 2，ECCT + MSIR为0.87、Rank 3，特征为高SOC贡献（Z_soc ≥ 1.18）、正小麦响应（Z_wheat ≥ 1.28），高粱近中性。HES下同样pea组合最高，但CPI降至0.51–0.66，因高粱Z_sorghum < 0。Total dryland最低，HES POCMix最低CPI为?1.60、Rank 24。CHC高于HES，total dryland降低系统表现。

3.4 SOC库响应：通过SOC库分布模拟，SOC主要分布在slow和passive库。Passive占约56–64%，时间变化小；slow占约34–38%并增加；active约1.5–2.6%，litter约1.1–3.1%。总SOC增加主要来自slow库。最高slow比例约38%出现在early sorghum planting和MSIR，尤其pea。两气候路径分布相似。Pea较高active和litter，POCMix较低active、较高passive，fallow中间。时间上slow库增加，passive变化小，active保持低水平。

讨论部分总结：4.1 覆盖作物系统SOC增益显示，最高值出现在覆盖作物与水优化实践组合，尤其pea，说明整合低耗水、高生物量覆盖作物可增加干旱区SOC。Total dryland最低，证实水限制。Pea高于POCMix和fallow，可能反映生物量、残茬质量和碳稳定化路径差异；豆科高质量残茬增强微生物加工。SOC库分布显示active低于3%，主要slow和passive；25年SOC增加主要为中间周转碳，而非passive库大幅积累。4.2 改良管理下产量响应显示，CHC下管理调整缩小与fallow差异。POCMix早终止使高粱产量差距约低于fallow 4%，ECCT + ESP维持产量在fallow的5–10%以内。Total dryland使高粱减产超过50%。小麦响应比高粱稳定，若干覆盖作物系统等于或超过fallow。覆盖作物系统生物量增加，但不一定转化为高粱籽粒产量。低高粱可能与终止至高粱定植间隔短、播种时土壤水受限有关；小麦定植间隔较长可能部分解释较稳定响应，但分析未量化土壤水动态。HES下所有管理高粱减产，total dryland最大。可能因高温驱动蒸散和水分胁迫，以及加速发育缩短灌浆。MSIR和早终止部分减轻但未完全补偿。两气候路径下产量更受水可用性和管理时序影响，而非总SOC。4.3 SOC–产量权衡与旱区覆盖作物可持续性显示，SOC和产量响应耦合不一致。覆盖作物系统SOC增益，但产量因作物、休闲间隔和水可用性而异。前人研究报道水限下权衡，归因于水分利用增加、氮固持和覆盖作物掺入后碳分配变化。Pea对后茬作物的对比响应表明更高SOC不一定更高系统生产力；作物特异性响应反映生育期、资源需求和轮作时序差异。CPI显示高粱减产抵消小麦增益。管理时序影响权衡大小。早终止及ECCT + MSIR维持较高高粱产量（较fallow高4–12%）并增加SOC；早终止和补充灌溉可能支持残茬分解和养分供应，减少高粱早期水胁迫。干旱区设计需平衡短期产量和长期SOC。Total dryland覆盖作物表现差强调水可用性及与后续作物定植对齐。气候路径影响强于单个管理修改，HES下不确定更大。管理调整不能完全抵消高排放影响。局限包括CPI等权重、需经济可行性、模型不确定性、默认DayCent不表征动态CO₂施肥、未评估N输出、未量化定植土壤水、25年为中期轨迹非平衡。尽管如此，研究识别减少权衡的研究和采用策略，并为农民提供旱地覆盖作物风险缓解。

研究结论翻译：本研究证明，在半干旱小麦–高粱–休闲系统中，SOC增加并不成比例转化为籽粒产量，凸显碳积累与短期生产力之间部分且作物特异性的解耦。覆盖作物系统的SOC增益与生物量输入增加相关，主要发生在slow碳库，而active库保持较小，passive库在25年模拟中变化极小。总SOC增加对即时作物生产力影响有限，产量响应仍强烈受轮作内资源可用性和时序约束。Baseline fallow系统一般维持最高高粱产量，而覆盖作物系统改善SOC但常降低高粱产量，尽管pea系统下小麦生产力有所提高。管理修改，包括早终止和调整时序，在某些情景减少产量惩罚，但相对baseline改进边际且无清晰农艺优势。Total dryland系统一致表现差，强化水限制的主导作用。HES下作物产量和SOC一般低于CHC，尽管响应因管理情景而异。总体而言，这些发现表明半干旱环境系统表现提升依赖碳输入与资源可用性和时序的平衡，当前覆盖作物管理策略单独不太可能同时实现产量和SOC增益，需要额外干预。