免耕结合部分玉米残茬收获对美国玉米带连作玉米生产力与环境效应的影响：Meta分析与生命周期评价

《Agronomy Journal》：Productivity and environmental outcomes of integrated no-till and maize residue harvest in the US Corn Belt

　　

随着美国玉米带（US Corn Belt）玉米（Zea mays L.）产量的持续增加，田间残留的残茬量亦已增加，并预计未来将继续增加。尽管作物残茬在保护土壤免受侵蚀和维持土壤有机碳（SOC）方面发挥关键作用，但高残茬水平可能阻碍作物建植并增加对耕作（tillage）的依赖。研究人员通过Meta分析（meta-analysis）评估了玉米残茬收获（residue harvest）结合免耕（no-till）对连作玉米（continuous maize）系统中作物产量和氧化亚氮（N₂O）排放的影响。此外，采用生命周期评价（LCA）量化与玉米生产相关的温室气体（GHG）排放。与常规耕作（conventional tillage）和残茬保留（residue retention）相比，免耕结合残茬收获维持了玉米产量，消除了单独免耕相关的产量惩罚，同时使田内N₂O排放降低30%、总GHG排放降低17%。在免耕系统内，残茬收获使玉米产量提高6.4%，同时使田内N₂O排放降低33%、总GHG排放降低17%。这些结果可能偏保守，因为其代表的历史数据中残茬产量低于当前水平。此外，美国玉米带残茬产量和春季降水的持续增加可能在未来加剧这些响应。

研究背景方面，美国玉米带玉米产量持续提高，地上部玉米残茬产量在过去50年由6.8增至10.9 Mg DM ha^?1 year^?1，并预计继续增加。残茬对防止土壤侵蚀和维持土壤有机碳（SOC）具有关键作用，但过量残茬在冷湿、排水不良的高产环境中会降低土壤温度、增加土壤湿度，妨碍田间作业与作物建植，并可能通过延迟播种、降低出苗与生长、增加病虫害压力等造成减产。同时，残茬还可能增加玉米最佳氮肥需求，并通过影响土壤水分与氮素动态增加N₂O排放和氮损失风险。农民常通过增加耕作频率和深度管理残茬，但耕作会加剧土壤侵蚀，且在高产、排水不良环境中保护性耕作仍存在减产障碍。部分残茬收获被认为可管理不断增加的残茬量，但长期土壤健康与SOC影响仍受关注。基于此，Tomás Della Chiesa等开展了两部分互补分析：一是通过Meta分析评估残茬收获结合免耕对连作玉米产量和田内N₂O排放的影响；二是通过LCA量化不同残茬与耕作管理情景下玉米生产的生命周期GHG平衡。研究结论表明，免耕结合部分残茬收获可维持或提高玉米产量，并降低田内N₂O排放和总生命周期GHG排放，对缓解美国玉米带保护性耕作采用障碍并向下游工业提供原料具有重要意义。

关键方法概括（不超过250字）：作者采用Meta分析（meta-analysis，一种定量合并多项研究效应量的统计方法）和LCA（life-cycle assessment，生命周期评价）。产量数据来源于USDA Resilient Economic Agricultural Practices（REAP）项目数据库及Scopus检索的同行评议文献，纳入美国中北部玉米带伊利诺伊、印第安纳、爱荷华、明尼苏达和内布拉斯加15个田间试验401个案例（1981—2020）；N₂O数据来自8个田间试验63个累积排放值。LCA使用 feedstock carbon intensity calculator（FD-CIC），即GREET模型衍生模块，评估不同耕作与残茬管理情景下的GHG排放。

研究结果方面，3.1 玉米残茬收获后的玉米：通过Meta分析，作者发现1981—2020年间残茬收获对下季玉米产量的效应随时间趋于更正向，但该时间趋势未达统计显著；20世纪80—90年代残茬收获常降低产量，2000年以后研究通常显示增产。解释残茬收获效应的因素包括耕作制度、上一年玉米产量（作为残茬产量代理）和春季降水。常规耕作下上一年产量对残茬收获效应无清晰影响；免耕下二者呈正渐近关系，当前五个中北部玉米带州平均产量12.8 Mg ha^?1时，免耕下残茬收获使下季玉米增产9.2%。按收获强度分类，常规耕作下残茬收获对产量和N₂O排放无显著影响；免耕下低、中、高收获强度均使下季玉米增产5.6%—6.8%，中、高收获强度分别使N₂O排放降低26.6%和34.0%。总体而言，常规耕作下残茬收获无影响；免耕下残茬收获平均增产6.4%、N₂O排放降低33%；免耕结合残茬收获相对于常规耕作且无残茬收获，产量无差异而N₂O排放降低30%；单独免耕则减产7.4%。3.2 玉米生产的碳强度：通过LCA，作者发现相对于常规耕作并保留残茬，免耕结合部分残茬收获使总GHG排放降低17%，由2714降至2256 kg CO₂eq ha^?1，主要来自田内N₂O排放降低30%和能源相关排放降低14%，产量不变。相对于免耕并保留残茬，免耕下残茬收获亦使总GHG排放降低17%，尽管能源相关排放增加8%、肥料和农药相关排放增加4%，但田内N₂O排放降低33%、籽粒产量增加6%。

讨论部分总结：作者指出，残茬收获的主要担忧是SOC下降、土壤健康受损和长期生产力下降；但将残茬收获与免耕结合可能通过减少侵蚀、增加土壤生物多样性等改善土壤健康。免耕若不减产还可通过减少拖拉机使用和燃料消耗提高收益。尽管耕作对SOC影响不确定，多数研究显示免耕对SOC储存有小幅净增加；地下部植物碳输入对SOC储存贡献较大，近期美国玉米带试验未发现残茬收获对SOC有影响或影响有限。免耕在连作玉米中通常导致减产，而免耕结合残茬收获消除该减产，可能与病原压力降低、播种条件改善和早春土壤较暖有关；N₂O降低主要与残茬收获增加土壤水分蒸发、降低土壤湿度有关。残茬收获也可能减少NO₃^?淋溶，但原文仅提及一项田间研究报告排水量非显著降低22%、NO₃^?淋溶非显著降低26%。关于残茬收获比例，Meta分析平均收获率为65%；全球Meta分析建议至少保留4 Mg ha^?1残茬，对应约50%收获率；美国建议至少保留6 Mg ha^?1以维持SOC，对应约45%收获率；本研究中50%—75%收获率在免耕下使玉米增产6.8%、N₂O排放降低26.6%。作者还指出，Meta分析中田间作业日期未因残茬收获调整，而残茬收获可增温降湿、提高田间通行性并允许早播；仅有4个试验研究残茬收获对最佳氮肥用量的影响，结果显示残茬收获可降低氮肥需求，因此本研究的N₂O减排可能偏保守。残茬还可作为生物燃料原料，并可通过生物炭等共产物还田；残茬收获常由原料消费方实施，农民可获得补偿或共产物，且残茬收获还被报道可增强产量稳定性。作者强调结果可能保守，因为Meta分析数据来自1981—2020年平均残茬量约8.9 Mg DM ha^?1 year^?1的试验，而当前残茬产量已增至10.9 Mg DM ha^?1 year^?1并预计继续增加；试验中残茬收获与不收获采用相同氮肥用量和播期，而残茬收获可降低最佳氮肥用量并允许早播；气候变化下美国中北部玉米带春季降水增加，减少过量水分的管理措施可能提高生产力并减少氮损失。

研究结论部分翻译：部分玉米残茬收获结合免耕，相对于无残茬收获的常规耕作系统，维持或提高了玉米产量，同时使田内N₂O排放降低30%—33%、全生命周期GHG排放降低17%。这些发现表明，残茬收获可抵消美国玉米带采用免耕通常伴随的产量惩罚，解决该地区保护性耕作采用的主要障碍，同时为下游工业用途提供原料。随着玉米产量和残茬产量继续增加，以及气候变化下春季降水增加，该做法的农艺和环境效益可能增长。