黄土高原山地苹果园绿肥覆盖协同提升土壤碳固存并降低碳氮足迹的机制研究

《Forests》：Green Manure Cover Enhances Soil Carbon Sequestration and Mitigates Carbon and Nitrogen Footprints in Mountainous Apple Orchards of China’s Loess Plateau

　　

专业术语翻译（摘要部分） 绿肥种植（green manure cultivation）被认为是缓解农业环境退化的可行措施。然而，多样化种植（diversified cropping）能否进一步增强绿肥系统的环境效益尚不清楚，这阻碍了其生态效益在可持续农业中的充分挖掘。本研究在中国黄土高原（Loess Plateau）山地苹果园开展了为期三年的田间试验，并采用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，评估了五种绿肥种植系统（清耕（CK）；毛叶苕子单作（hairy vetch monoculture）；油菜单作（oil rapeseed monoculture）；毛叶苕子与油菜间作（hairy vetch intercropped with rapeseed）；毛叶苕子与油菜混作（hairy vetch mixed with rapeseed））的效应。绿肥种植显著提升了土壤质量指数（Soil Quality Index, SQI）和综合评价指数（Comprehensive Evaluation Index, CEI），其中毛叶苕子与油菜间作处理的土壤质量和综合评价指数最高。毛叶苕子与油菜间作能够在降低碳足迹（carbon footprint, CF）和氮足迹（nitrogen footprint, NF）的同时增强绿肥的综合效益。与对照相比，除毛叶苕子单作外，所有绿肥处理均显著降低了碳足迹9.39%–30.37%、氮足迹14.23%–22.70%以及环境损害成本（Environmental Damage Cost, EDC）16.36%–25.86%。碳足迹主要受N2O排放和土壤有机碳固存速率（Soil Organic Carbon Sequestration Rate, SOCSR）调控，贡献率分别为31.36%和62.46%。氮足迹主要与NO3?–N和N2O排放相关，贡献率分别为46.88%和36.79%。因此，多样化种植系统（即毛叶苕子–油菜间作）在可持续苹果生产方面优于单作系统。

论文解读

一、研究背景与目的

气候变化已成为全球面临的重大环境问题，全球农业温室气体（greenhouse gas, GHG）排放占人为排放总量的10%–20%。中国农业部门每年排放约0.94 Gt CO₂–eq，占全国温室气体排放总量的32%。在水果生产中，果园作业是N₂O的主要排放源之一，过量生产投入显著增加了温室气体排放。中国六大主要水果产区的净温室气体平衡值为6.4–10 Mg CO₂–eq·ha^?1·yr^?1，其中合成氮肥施用是中国水果生产中最大的温室气体排放源，占全国总排放量的46%。

黄土高原苹果产区占世界土地面积的25.2%，是全球最大的苹果产区，其苹果产量超过2300万吨，约占世界总产量的26.3%。为提升苹果产量，农户过量施用化肥，导致氮肥施用量持续增加而利用率仅为30%。同时，为提升果园土壤有机碳并防止水土流失，覆盖作物被引入并日益成为流行的可持续策略。然而，不合理的农业管理和施肥措施导致了产量下降以及土壤退化加速、温室气体排放增加等环境问题。

已有研究表明，覆盖作物对温室气体有一定影响，而果园覆盖作物和覆盖物施用可减少39%的温室气体排放。生命周期评估（LCA）可对产品系统全生命周期进行系统评估，碳足迹（CF）和氮足迹（NF）基于LCA已被广泛用于评估食品生产过程中的环境影响。然而，在山地果园绿肥种植模式下，结合环境经济评估的CF和NF研究仍然匮乏。研究人员假设多样化绿肥种植系统可以作为提升土壤肥力同时减少温室气体排放和氮损失的有效策略，并评估了单作和多样化绿肥系统的生态与环境效益。

二、研究开展与主要结论

研究人员在中国陕西省延安市黄土高原山地苹果园（36°11–37°09′ N，109°21–110°03′ E）开展了2022至2024年为期三年的田间试验。试验选取2016年建立的“富士”苹果园，在果树行间进行绿肥间作，共设五个处理：清耕（CK）、毛叶苕子单作（HV）、油菜单作（OR）、毛叶苕子与油菜间作（I–HV/R）、毛叶苕子与油菜混作（M–HV/R）。

研究发现，绿肥种植显著改善了土壤质量指数和综合评价指数，其中毛叶苕子与油菜间作处理表现最优。与对照相比，除毛叶苕子单作外，所有绿肥处理均显著降低了碳足迹9.39%–30.37%、氮足迹14.23%–22.70%以及环境损害成本16.36%–25.86%。碳足迹主要受N₂O排放和土壤有机碳固存速率调控，贡献率分别为31.36%和62.46%；氮足迹主要与NO₃^?–N残留和N₂O排放相关，贡献率分别为46.88%和36.79%。该研究的重要意义在于证明了多样化种植（毛叶苕子–油菜间作）系统在可持续苹果生产方面优于单作系统，为果园绿色生态发展提供了可推广的可持续管理实践。

三、关键技术与方法

研究人员采用了多项关键技术方法。试验地点位于黄土高原延安市山地苹果园，土壤类型为黄土正常新成土（Loessi-Orthic primosols）。温室气体采用静态箱法采集，使用气相色谱仪（Agilent 7890A）分析N₂O、CH₄和CO₂浓度。土壤有机碳采用K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄外加热氧化法测定，土壤全氮采用浓H₂SO₄消煮后凯氏定氮仪测定。碳足迹和氮足迹采用生命周期评估（LCA）方法估算，系统边界从原材料提取到农场出货。土壤质量指数采用等权重线性评分法计算，综合评价指数整合了苹果产量、氮肥效率、土壤指标、环境指标和经济指标。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）和最小显著性差异（LSD）多重比较，Mantel检验和相对重要性分析使用R软件完成。

四、研究结果

4.1 碳足迹组成的变化

所有绿肥种植系统的温室气体总排放量均高于清耕处理，其中毛叶苕子单作增加2.1%，毛叶苕子与油菜混作增加4.3%，毛叶苕子与油菜间作增加4.8%，油菜单作增加5.8%。有机肥和劳动力是所有种植系统的主要温室气体排放源。绿肥种植系统中土壤N₂O直接排放量介于482.13至812.87 kg CO₂–eq·ha^?1之间。与清耕相比，毛叶苕子单作降低了土壤有机碳固存速率6.1%，其他绿肥处理则提高了10.3%–22.1%。考虑土壤碳固存后，除毛叶苕子单作外，所有绿肥处理均显著降低了碳足迹9.39%–30.37%，而毛叶苕子单作增加了21.82%。不同果园系统每千克苹果的碳足迹介于0.066–0.138 kg CO₂–eq·kg^?1。

4.2 氮足迹组成的变化

所有绿肥处理均表现出降低苹果园氮足迹的潜力。有机肥投入和田间氮损失对总氮损失的贡献最大。绿肥处理使0–200 cm土层NO₃^?–N残留量减少25.29%–46.83%（毛叶苕子单作除外，增加7.47%），NH₄⁺–N残留量减少1.72%–3.59%。与清耕相比，除毛叶苕子单作外，所有绿肥处理均显著降低了氮足迹14.23%–22.70%。不同果园系统每千克苹果的氮足迹介于0.0132–0.0202 kg N–eq·kg^?1。

4.3 绿肥种植模式的综合生态与土壤效应

不同绿肥种植系统下的净生态系统碳平衡（NECB）介于8.36–10.65 t C·ha^?1·yr^?1，绿肥种植显著提高了NECB。所有种植系统中，田间氮损失是环境损害成本（EDC）的主要贡献者。除毛叶苕子单作外，所有绿肥处理均显著降低了EDC 16.36%–25.86%。所有果园处理的净生态系统经济效益（NEEB）均为正值，介于40,740.51–77,301.58 CNY·ha^?1·yr^?1。苹果产量收益与NEEB呈显著正相关，碳足迹与氮足迹之间存在显著正线性关系（R² = 63.25%）。

4.4 土壤质量指数、可持续产量指数与综合评价指数

绿肥种植显著影响了土壤质量指数（SQI）和综合评价指数（CEI）。SQI排序为I–R/HV > OR > M–R/HV > CK > HV，CEI排序相同。毛叶苕子与油菜间作处理的SQI和CEI最高，毛叶苕子单作处理表现最差。相对重要性分析表明，SOCSR和N₂O对碳足迹的影响最强（62.46%和31.36%），NO₃^?–N和N₂O对氮足迹的影响最强（46.88%和36.79%）。

五、讨论总结与研究结论

讨论部分指出，有机肥是黄土高原山地果园温室气体排放的最大来源，占五种种植系统碳足迹的59.5%–62.9%；劳动力投入是第二大排放源，这归因于山地果园地形限制导致机械无法进入田间。绿肥种植通过增加外源碳输入促进了土壤有机碳固存，从而降低了碳足迹。氮足迹方面，有机肥是最大贡献者，占氮足迹的29.1%–38.5%，NO₃^?和NH₄⁺是氮足迹变化的主要驱动因素。研究还指出，虽然油菜单作具有最小的碳氮足迹，但单一足迹指标无法全面反映土壤质量和整体生态表现。

研究结论表明，与清耕相比，毛叶苕子单作未能降低碳足迹、氮足迹和环境损害成本，而油菜单作实现了最低的碳足迹和氮足迹；毛叶苕子与油菜间作和混作显著降低了碳足迹、氮足迹和环境损害成本。碳足迹主要受N₂O通量和土壤有机碳固存速率影响，氮足迹主要受土壤硝酸盐残留和N₂O排放影响。基于综合评价结果，毛叶苕子与油菜间作系统表现最佳，优于其他绿肥单作和间作模式。该间作系统有效促进了土壤有机碳固存、减少了土壤氮残留并缓解了农业环境风险。因此，优先考虑综合指数评价而非简单的足迹最小化，可以更好地筛选稳定高效的果园绿肥种植模式。毛叶苕子–油菜间作系统可作为缓解气候变化风险、促进果园生态系统绿色生态发展的有前景的可持续管理实践。