德国南部扁豆-谷物间作系统中生物固氮及其温室气体减排潜力评估

《Journal of Agriculture and Food Research》：Biological Nitrogen Fixation and Its Potential to Reduce Greenhouse Gas Emissions in a Lentil-Cereal Intercropping System in Southern Germany

　　

生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）及其在德国南部扁豆-谷物间作系统中减少温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放的潜力。研究人员首次量化了德国扁豆间作系统中的BNF与GHG减排效果；在低背景氮位点，扁豆的BNF所固定氮素占植株总氮的比例（%Ndfa）最高可达100%；采用政府间气候变化专门委员会（IPCC）Tier 1方法估算了因氮肥替代而产生的GHG减排量；在所有位点-年份组合中，部分氮平衡均为正值。

一、研究背景与问题

农业系统是全球温室气体（GHG）排放的重要来源，约占全球人为GHG排放总量的10%–13%。其中，氧化亚氮（N₂O）因其100年时间尺度上约为CO₂ 298倍的全球增温潜势以及对平流层臭氧层的破坏作用而备受关注。农业贡献了全球人为N₂O排放的58%–84%，而合成氮肥施用是其主要驱动因素。此外，通过能量密集的Haber–Bosch工艺生产合成氮肥还会产生大量的上游碳排放，每公斤化肥氮约排放1.6–6.4 kg CO₂-eq。因此，减少农业GHG排放需要在不牺牲作物生产力的前提下降低对矿质氮肥的依赖。与此同时，欧盟面临着植物蛋白生产的巨大缺口，高度依赖进口满足国内需求。将豆类作物纳入种植系统被认为是减少合成氮肥投入及其相关GHG排放的有效策略。扁豆（*Lens culinaris* Medik.）作为温带地区重要的食用豆类，其氮需求中很大比例来自生物固氮（BNF），但先前研究多集中于直接土壤N₂O排放，忽略了对后茬作物的肥料替代效应及减少化肥生产所避免的上游排放；且氮贡献估算常仅基于地上部生物量，导致对总固氮库的低估。目前，在德国南部条件下基于IPCC框架量化扁豆间作系统GHG减排潜力的研究尚属空白。

二、研究目标与主要结论

本研究在德国南部两个土壤类型和气候条件不同的地点（Ihinger Hof, IHO；Bad Windsheim, BWI）开展了为期两年（2024–2025年）的田间试验，旨在：（i）评估不同地点-年份组合下扁豆籽粒品质与产量；（ii）采用¹⁵N自然丰度法量化扁豆的BNF，估算大气氮来源比例（%Ndfa）及总固氮量，并利用物种特异性转换系数估算地下部固氮量；（iii）基于IPCC Tier 1方法量化替代合成氮肥所实现的GHG减排潜力。结果表明，扁豆在两个地点均高度依赖BNF：IHO籽粒%Ndfa为92.6%–95.2%，BWI为70.8%–79.6%；所有位点-年份组合的部分氮平衡均为正值，表明地上部固定的氮超过籽粒输出的氮；估算的GHG减排量为166–407 kg CO₂-eq ha^-1，其中IHO 2024年最高。该研究首次为德国扁豆间作系统中的BNF和GHG减排提供了量化参考，表明扁豆-谷物间作在减少合成氮肥依赖的同时向土壤输入氮素，具有潜在的双重气候与土壤肥力效益。

三、主要关键技术方法

研究人员在德国两个地点（IHO，Haplic Cambisol Ruptic黏壤土；BWI，浅薄钙质淋溶土）于2024和2025年种植扁豆与伴生谷物（IHO为大麦品种Amidala，BWI为燕麦品种Erlbeck），构成间作系统。采用¹⁵N自然丰度法，以伴生谷物作为非固氮参考植物，测定δ¹⁵N并计算%Ndfa；以McCauley（2011）的B值（?0.71）为参数；总固氮量（N_fix）由地上部氮含量与%Ndfa计算，地下部固氮量采用Palmero等（2022）的扁豆物种特异性转换系数（1.36）从地上部固氮量估算；GHG减排量根据IPCC（2019）Tier 1方法，采用直接N₂O排放因子（EF₁ = 0.01 kg N₂O–N kg N^-1）及GWP₁₀₀（265）计算；统计采用SAS 9.4的PROC MIXED混合线性模型，以地点、年份及其交互为固定效应，用Type III F检验和未校正成对t检验比较均值。

四、研究结果

（一）谷物产量与品质

扁豆籽粒产量、伴生谷物产量、千粒重（TGW）和蛋白质含量在四个地点-年份组合间均存在显著交互作用（p = 0.01、0.02、0.02和0.03）。IHO 2024年扁豆产量最高（2.31 t ha^-1），显著高于其他组合；IHO 2025年降至1.08 t ha^-1；BWI两年产量均较低（0.60和0.93 t ha^-1）。伴生谷物产量在IHO表现出相反的年际趋势（2024年0.87 t ha^-1，2025年3.31 t ha^-1），而BWI两年均很低。这种此消彼长的模式与2024年IHO推迟播种有关——延迟播种抑制了谷物的竞争能力，从而有利于扁豆生长。籽粒蛋白质含量在各组合间为26.3%–29.5%，仅约3个百分点的变幅，表明扁豆籽粒氮浓度在不同环境下具有相对缓冲能力。地上部营养体生物量无显著交互作用（p = 0.6），表明籽粒产量的差异主要来自收获指数的变化而非总生物量差异。

（二）扁豆生物固氮

籽粒%Ndfa和茎叶%Ndfa均存在显著交互作用（p = 0.001和p = 0.001）。IHO扁豆两年均高度依赖BNF，籽粒%Ndfa为92.6%–95.2%，茎叶部分接近或达到100%；BWI则较低且年际变异较大，籽粒%Ndfa为70.8%–79.6%，茎叶%Ndfa为56.9%–75.0%，表明该地点对土壤矿质氮的依赖程度更高。籽粒固氮量（N_fix grain）存在显著交互作用（p = 0.003），范围为BWI 2024年19.5 kg N ha^-1至IHO 2024年103.6 kg N ha^-1。茎叶和根系固氮量无显著效应，根系固氮量由地上部固氮量估算为17.9–53.3 kg N ha^-1。不同地点固氮效率差异可能受土壤矿质氮水平、土壤pH和温度等综合影响。

（三）潜在温室气体减排与部分氮平衡

以扁豆地上部残茬（茎叶）和估算的根系固氮量作为对后茬作物潜在氮供应的指标，按IPCC Tier 1方法估算替代合成氮肥所避免的直接N₂O排放。地上部减排量为85.2–185.2 kg CO₂-eq ha^-1，地下部为74.4–221.9 kg CO₂-eq ha^-1，合计最高达IHO 2024年的407.2 kg CO₂-eq ha^-1，最低为BWI 2025年的166.0 kg CO₂-eq ha^-1。部分氮平衡（地上部总固氮量减去籽粒氮输出）在所有地点-年份均为正值，范围11.9–39.1 kg N ha^-1，表明所有条件下扁豆通过BNF固定的氮均超过籽粒收获带走的氮，净向土壤输入氮素。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，IHO两年间扁豆与谷物产量的竞争性权衡与延迟播种的管理决策密切相关；BWI的低产可能与其砂质土壤、较低降水及干期出现在关键生育阶段有关。高土壤矿质氮会抑制结瘤和固氮酶活性，这与BWI较低的%Ndfa一致，但两地间播种前N_min差异较小，无法完全归因。GHG减排估算仅基于IPCC Tier 1方法中避免的直接土壤N₂O排放，未包括化肥生产的上游排放（1.6–6.4 kg CO₂-eq kg N^-1），因此是保守的；且根系氮为估算值，且假定残茬氮可供后茬利用，实际后茬回收率通常低于30%，故所列数值应视为潜在节省而非实测减排量。与文献中豆科作物需约65%的%Ndfa才能实现中性或正部分氮平衡相比，IHO远高于该阈值，BWI接近该阈值，但仍是正的。总体而言，扁豆-谷物间作在所有试验条件下均表现出正的氮平衡和正的GHG减排潜力，但其幅度因地点和季节而异，需在更多点位、年份和轮作序列中进一步验证。研究结论——本研究首次量化了德国扁豆-谷物间作系统中的BNF和GHG减排潜力。扁豆在两个地点均高度依赖BNF（籽粒%Ndfa为70.8%–95.2%），部分氮平衡在所有四个地点-年份均为正，GHG减排量估计为166–407 kg CO₂-eq ha^-1。尽管只是初步的探索性参考，正氮平衡和正的GHG减排估算表明，扁豆-谷物间作能够贡献氮输入和潜在的气候效益，但仍需更广泛的多点、多年和不同轮作序列研究加以验证。