优化绿肥施用方法，以实现减少温室气体排放并维持作物产量

《Field Crops Research》：Optimizing green manure application for achieving reduced greenhouse gas emissions and sustained crop yields

绿肥替代化学氮肥比补充策略更有效降低温室气体排放（GWP和GHGI）并维持作物产量，最佳替代比例为0.454，受土壤有机质（>15 g/kg）、pH（>7.5）、气候及管理措施影响。

　　

刘丹通|宋长春|宋彦宇

中国科学院东北地理农业生态研究所黑土保护与利用重点实验室，中国长春130102

摘要

背景

施用绿肥是提高土壤碳封存能力和作物产量的有效策略。然而，其对农田温室气体排放的影响仍存在不一致性。特别是，当绿肥作为化学肥料的替代品与补充品时，其排放差异尚未得到充分研究。

目的和方法

在这项全球元分析中，我们利用来自140项研究的1885对数据，系统比较了绿肥添加和替代对N₂O、CH₄和CO₂排放、全球变暖潜力（GWP）、温室气体强度（GHGI）以及作物产量的影响。其中，“添加”是指在施用等量化学肥料氮的基础上再施用绿肥；“替代”则是指部分或完全用绿肥氮替代化学肥料氮，包括来自单一养分来源（如尿素）和复合肥料的氮，同时保持总氮输入量不变。我们还研究了这些效应如何随气候、土壤和农艺条件的变化而变化，旨在确定在保持作物产量的同时最小化温室气体排放的策略。

结果与结论

绿肥添加显著增加了作物产量、N₂O、CH₄和CO₂排放、GWP及GHGI。相比之下，绿肥替代仅显著增加了CH₄排放，对作物产量、CO₂排放、GWP或GHGI没有显著影响，并且N₂O排放略有减少。与绿肥添加相比，绿肥替代在各种土壤性质、气候条件和管理方法下均实现了更大的减排效果。特别是在替代比为0.4–0.6（最佳值为0.454）、土壤有机碳含量>15 g/kg、土壤总氮含量1–1.5 g/kg、pH值>7.5以及容重>1.4 g/cm³的情况下，绿肥替代在保持产量的同时更有效地降低了GWP和GHGI。与稻田相比，在旱地实施绿肥替代进一步显著减少了N₂O排放和GWP。此外，碳氮比（C:N）低于15的绿肥在保持产量的同时更有效地降低了GHGI。延长绿肥施用与后续作物播种之间的间隔时间以及延长绿肥施用持续时间也能协同减少N₂O、CH₄和CO₂排放，从而降低GWP和GHGI。

意义与影响

本研究表明，“绿肥替代”而非“添加”是实现稳定作物生产和减少农业领域排放的更有效策略。此外，优化替代比例和管理措施可以增强这一策略的减排潜力，为协调粮食安全与向低碳农业转型提供科学依据。

引言

绿肥是指主要为了提高土壤肥力而种植的覆盖作物，随后在适当时间用于土壤翻入或表面覆盖（Ma等，2021；Xu等，2024）。研究表明，绿肥可以改善土壤结构并增强微生物活性，从而提高作物产量（Ablimit等，2022；Jia等，2024）。此外，它还具有显著的环境效益，如减少养分流失和土壤侵蚀（Abdalla等，2019；Lamichhane和Alletto，2022），并促进土壤有机碳（SOC）的封存（Jian等，2020；Qiu等，2024）。

然而，关于绿肥对农田温室气体排放的影响，在研究结果上存在幅度和方向上的不一致性。对于N₂O排放，一些学者指出绿肥通过增加土壤无机氮含量（Xu等，2024）和创造厌氧环境促进反硝化作用（Duan等，2018；Lee等，2022）而显著增加N₂O排放。相反，其他研究者认为绿肥对N₂O排放没有显著影响（Huang等，2025），甚至可能通过增强土壤团聚体中矿物氮的固定作用而减少N₂O排放（Lyu等，2024）。关于CH₄排放，大多数研究认为绿肥通过为产甲烷细菌提供碳源并创造厌氧条件而增加排放（Yang等，2010；Zhu等，2012；Jia等，2024）。然而，也有研究认为绿肥施用不会显著影响CH₄排放（Hou等，2022），或者通过消耗易分解碳（Cai等，2001）和改变甲烷生成菌与甲烷氧化菌的相对丰度而减少CH₄排放（Liang等，2025）。对于CO₂，尽管普遍认为绿肥由于其碳输入会增加排放（Muhammad等，2019；Ma等，2024；Yang等，2024），但有些研究者发现绿肥可以通过增加土壤持水能力从而减少CO₂排放（Wang等，2025a）。

这些不一致的结论凸显了系统整合现有研究的紧迫性。元分析作为一种有效的统计方法，已被广泛用于评估绿肥对作物产量（Ma等，2021；Huang等，2025；Meng等，2025）、SOC（Jian等，2020；He等，2025）和温室气体排放（Basche等，2014；Muhammad等，2019；Jia等，2024；Qiu等，2024；Xu等，2024）的影响。然而，现有的元分析大多集中在绿肥作为额外氮源的应用场景（Basche等，2014；Muhammad等，2019；Qiu等，2024；He等，2025），而对绿肥作为化学氮肥替代品的应用关注不足。实际上，绿肥不仅可以作为补充氮源，还可以部分或完全替代化学氮肥（Yang等，2022；Gao等，2023）。然而，系统比较这两种应用方法对温室气体排放差异的元分析仍缺乏。

温室气体排放对绿肥的响应受多种因素影响，包括气候、土壤和农艺条件（He等，2025；Huang等，2025）。尽管之前的元分析已经评估了年平均降水量、年平均温度、SOC、TN、pH值、绿肥的C:N比、绿肥施用量、氮肥施用量和绿肥施用持续时间等因素对温室气体排放的影响（Muhammad等，2019；Qiu等，2024；Xu等，2024；Huang等，2025），但这些研究主要集中在绿肥添加方面。系统比较绿肥添加和替代在不同土壤、气候和管理条件下的影响仍不充分。此外，绿肥施用与后续作物播种之间的间隔时间也是影响温室气体排放的关键因素（Qiu等，2024），但在现有元分析中常常被忽视（Muhammad等，2019；Xu等，2024；He等，2025；Huang等，2025）。尚未确定最佳的温室气体减排施用间隔时间。

即使在相同的环境或管理条件下，绿肥也可能对N₂O和CH₄排放产生相反的影响。例如，高C:N比的绿肥施用可以减少N₂O排放（Huang等，2025），但同时增加CH₄排放（Raheem等，2019）。同样，较高的绿肥替代率虽然减少了N₂O排放，却增加了CH₄排放（Yang等，2022）。绿肥对N₂O和CH₄排放的影响也因土壤类型而异。例如，在沙质土壤中，绿肥对CH₄排放的促进作用最小，但对N₂O排放的促进作用最大（Qiu等，2024）。因此，应采用全球变暖潜力（GWP）作为综合评估绿肥N₂O和CH₄综合气候效应的指标（Sun等，2022；Yang等，2022），并使用温室气体强度（GHGI）来量化单位作物产量的气候效应（Meng等，2025），从而帮助平衡作物生产和温室气体减排（Wang等，2026）。然而，绿肥添加与替代在不同环境和管理条件下的影响仍不清楚。

为了填补这些空白，这项全球元分析旨在：（1）量化并比较绿肥添加和替代对N₂O、CH₄和CO₂排放以及GWP、GHGI和作物产量的整体影响；（2）系统揭示气候、土壤和农艺条件如何调节这些影响；（3）确定在绿肥施用条件下能够最小化温室气体排放的环境因素和管理策略。

数据收集

我们首先整理了近期元分析中关于绿肥的研究列表（Muhammad等，2019；Qiu等，2024；Xu等，2024；He等，2025；Huang等，2025）。然后，我们系统地在中国的国家知识基础设施、Web of Science和Google Scholar数据库中搜索了2025年7月之前发表的研究，使用了关键词：“绿肥”或“覆盖作物”或“捕获作物”，并结合搜索词“N₂O”、“CH₄”、“CO₂”、“土壤呼吸”和“温室气体”。

绿肥管理对N₂O、CH₄和CO₂排放的影响

绿肥添加显著增加了N₂O和CO₂排放，平均效应量分别为0.2829和0.3007（图2）。这种促进作用随着平均年降水量（MAP）和平均温度（MAT）的增加而增强（图3）。相比之下，绿肥替代平均减少了N₂排放（效应量=-0.0943），并增加了CO₂排放（效应量=0.0139），尽管这两种效应均不显著。对于CH₄，两种施用方法都显著增加了排放量。

绿肥施用方法对温室气体排放的影响

绿肥添加显著增加了土壤无机氮（尤其是NO₃^-）含量（图S6），并通过提供额外的氮促进了难降解有机物的矿化，从而增加了土壤中可利用的碳和氮的量，为硝化和反硝化过程提供了丰富的底物（Xu等，2024），进而促进了N₂O的产生。相反，绿肥替代增强了无机氮的微生物固定作用（图S6）。

结论

这项全球元分析表明，优化绿肥施用方法对于平衡作物生产和减少温室气体排放至关重要。具体来说，从“添加”化学氮肥转变为“替代”化学氮肥可以有效减少温室气体排放并维持作物产量。在替代比为0.4–0.6（最佳值为0.454）、SOC>15 g/kg和pH>7.5的条件下，绿肥替代进一步降低了GWP和

CRediT作者贡献声明

刘丹通：撰写——初稿、方法论、数据分析。宋长春：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。宋彦宇：撰写——审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0807200）、国家自然科学基金（42501120）的支持，以及CPSF博士后奖学金计划（项目编号GZC20250220）的资助。我们感谢审稿人对本文的宝贵意见，这些意见有助于提升手稿质量。