通过保留绿肥来减少氮素，可降低玉米田中的异养呼吸作用，从而增强碳减排效果

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nitrogen reduction with green manure retention enhances carbon mitigation by reducing heterotrophic respiration in maize fields

　　摘要：大气中二氧化碳浓度的持续上升及其对全球气候的影响，凸显出在保障粮食安全与减少碳排放之间找到平衡点的紧迫性。虽然施用豆科绿肥具有诸多生态效益，但将其与减少化学氮肥使用相结合时，其对土壤呼吸各组分及背后机制的协同作用仍不甚清楚。2023年至2025年，在中国西北部的绿洲灌溉区开展了一项为期三年的田间试验，评估了五种不同氮肥处理方式下的效果：常规氮肥施用（N100）、氮肥用量减少10%（N90）、减少20%（N80）、减少30%（N70）以及减少40%（N60）。试验结果表明，与N100处理相比，N80、N70和N60处理显著降低了土壤呼吸速率，降幅在12.8%至22.9%之间，这一效应主要源于微生物异养呼吸的抑制。此外，N80处理还优化了土壤的物理化学性质，增加了子囊菌门和Gemmatimonadota类群等关键微生物的相对丰度。这些协同变化为解释所观察到的农业碳减排效应提供了重要依据。随机森林分析显示，土壤pH值和土壤含水量是影响细菌群落的关键因素，而真菌群落则主要受土壤中NO??-N和NH??-N含量的调控。结构方程模型进一步证实，施用豆科绿肥后减少氮肥使用，是通过“物理-化学-微生物”多级路径影响异养呼吸，进而调节土壤呼吸强度的。这些研究结果表明，将氮肥用量减少20%并与豆科绿肥结合使用，是一种有望同时降低土壤二氧化碳排放、提升土壤肥力并调节绿洲灌溉农业系统中微生物群落的协同策略。

引言：大气中二氧化碳浓度的上升及其对全球气候的影响已引起国际社会的广泛关注。作为全球碳循环的关键组成部分，陆地生态系统在调节碳平衡方面发挥着重要作用。因此，增强陆地生态系统的碳封存能力并减少温室气体排放，已被国际社会视为缓解气候变化的重要措施（Linquist等人，2012；Bradford等人，2016）。政府间气候变化专门委员会第六次评估报告指出，包括耕地、畜牧业和水稻种植在内的农业活动所产生的温室气体净排放量超过80亿吨二氧化碳当量，约占全球人类活动总排放量的10%–12%（IPCC，2023）。在农业领域中，耕地土壤是最大的排放源，对整体农业碳足迹有着重要影响。需要指出的是，这10%–12%的数据仅涉及农业部门；若将土地利用、土地用途变化以及林业考虑在内，其对全球人类活动排放的贡献会更高（IPCC，2023）。到2050年，为满足不断增长的人口需求，全球粮食产量必须增加60%（Godfray等人，2010；FAO，2017），这进一步凸显出在保障粮食安全与减少碳排放之间寻求平衡的紧迫性。目前的农业发展模式仍然很大程度上依赖于高资源消耗的耕作方式。过量施用合成氮肥会加速土壤有机碳的矿化过程，导致土壤碳储量下降，进而形成土壤向大气释放碳的恶性循环（Lal，2019；Xia等人，2017）。这不仅会导致作物产量收益递减，还会引发土壤酸化、温室气体排放增加以及土壤微生物群落紊乱等不良后果（Wang等人，2024；Zhao等人，2025；Chen等人，2015）。因此，在全球气候变化背景下以及实现农业可持续发展的需求下，优化氮肥管理已成为减少温室气体排放和维持土壤生产力的核心问题。

豆科绿肥作为可持续农业系统中的重要组成部分，具有明确的生态效益。在生长过程中，豆科植物能与根瘤菌形成特殊的共生关系，将大气中的氮气转化为植物可利用的铵态氮（Balachandar等人，2020；Zhou等人，2020）。这种生物固氮过程不仅为土壤提供优质氮素，还为后续的农作物种植奠定营养基础。将绿肥混入土壤后，其有机物质会逐渐分解，向土壤环境中释放大量的碳和氮养分。这种自然的养分循环机制能够显著提高后茬作物的氮素吸收和利用效率（Huang等人，2025；Xia等人，2025），从而减少对合成氮肥的依赖（Wang等人，2024）。此外，豆科绿肥发达的根系通过机械穿透和生物活动在土壤中形成稳定的生物孔隙（Zhang和Fang，2007）。这些结构上的改善不仅提升了土壤的通气和保水能力，还有助于促进根系生长和微生物活动，共同为二氧化碳从土壤中释放创造有利条件。通过施用绿肥引入的大量新鲜有机质还能显著降低土壤的C/N比，从而优化土壤微生物的生存环境。这种调整有助于重新构建微生物群落结构并提升其代谢活性（Lyu等人，2024）。土壤物理和化学性质的协同改善为土壤微生物创造了更有利的生存环境，进而影响作物根系的自养呼吸以及微生物的异养呼吸，最终调节农业生态系统中的土壤呼吸强度（Yan等人，2021）。从系统角度来看，尽管施用绿肥可能会暂时提高土壤呼吸速率，但这种短期内碳排放的增加实际上反映了微生物活动的增强和养分循环的加速。这两种反应都被视为土壤生态系统功能改善的标志（Park和Lee，2025）。随着时间的推移，由绿肥分解产生的稳定有机质会逐渐成为土壤碳库的重要组成部分，其带来的环境效益也会越来越明显（Li等人，2025；Zhou等人，2025）。这种动态平衡使得施用绿肥成为一种能够有效平衡农业生产与环境保护的可持续做法。相比之下，合成氮肥主要通过调节植物生长和微生物活动来影响土壤呼吸。研究表明，施用氮肥会增加土壤中的有效氮含量，从而促进根系生长并增强根系呼吸。同时，氮肥的施用还会增加根系残体及分泌物中的养分输入，进一步刺激微生物的增殖和代谢活动，最终导致微生物呼吸显著增加（Xu和Wan，2008；Morell等人，2010）。尽管已有研究探讨了豆科绿肥与合成氮肥共同作用对土壤呼吸的影响，但目前尚不清楚在此类集成系统中减少氮肥使用是如何通过各种关键因素的相互作用来调节土壤呼吸各组分的。尤其缺乏在田间条件下进行的综合分析，以探究土壤物理、化学和生物性质之间的多级相互作用。

中国西北部的绿洲灌溉区拥有充足的阳光、热量，且降雨多集中在温暖季节。该地区最普遍的种植模式是小麦与玉米轮作。然而，这种模式存在一个问题，即小麦收获后会有较长的休耕期，导致资源利用效率较低。为了解决这一问题，我们经过多年研究，开发出了春小麦－豆科绿肥－玉米的多季轮作系统，该系统现已得到广泛推广。在该系统中，我们选择了野豌豆作为绿肥品种。由于野豌豆具有较强的耐寒性、在小麦收获到玉米播种的短暂休耕期内能快速生长并产生大量生物量，因此非常适应当地的绿洲灌溉条件。其较低的C/N比使得其在混入土壤后能够快速分解，释放出氮和碳营养物质，进而影响土壤微生物的活动和呼吸过程。本研究的创新之处在于，在绿洲灌溉的玉米系统中，明确区分了在施用绿肥同时减少氮肥情况下的土壤自养呼吸和异养呼吸成分，从而明确了碳减排的主要途径，并从机制层面阐明了氮肥减少如何影响土壤二氧化碳排放。本研究探讨了在这种新型轮作系统中，施用豆科绿肥并减少氮肥使用对玉米田土壤呼吸及其各组分的影响。通过综合分析“物理-化学-微生物”多级相互作用，我们旨在阐明驱动土壤呼吸变化的机制，从而为该地区发展节氮、减排且可持续的农业实践提供理论依据。我们提出以下假设：（I）土壤呼吸受土壤物理、化学和微生物性质共同参与的多级交互机制调控；（II）异养呼吸的降低是实现碳减排的主要途径。

研究地点描述：本研究于2023年至2025年在甘肃农业大学绿洲农业试验站进行（北纬37°34′，东经102°4′，海拔1506米）。该试验站位于河西走廊东部，属于典型的温带大陆性干旱气候区。根据1960年至2016年的长期气象记录，该地区年平均降水量为156毫米，年蒸发量为2400毫米，全年太阳辐射总量为6000兆焦耳。

土壤呼吸速率：施用豆科绿肥后减少氮肥使用显著抑制了土壤呼吸速率（见图5）。在整个玉米生长期，所有处理组的土壤呼吸速率都呈现单峰曲线变化趋势。5月初，各处理组之间没有显著差异。随后，土壤呼吸速率迅速上升，在7月下旬达到峰值。在整个生长期平均来看，N90处理并未显著降低土壤呼吸速率。

土壤呼吸特征：土壤呼吸包括由根系呼吸、土壤动物和微生物活动以及含碳矿物的化学氧化所释放的二氧化碳，其中以作物根系的自养呼吸以及土壤动物和微生物的异养呼吸为主导成分（Li等人，2010；Wang等人，2010）。豆科绿肥主要通过提供易分解的有机碳和缓释氮源来调节土壤呼吸（Zhao等人，2024），而化学氮肥则……

结论：在中国西北部的绿洲灌溉区，该地区的土壤属于灌溉沙漠土，气候为温带大陆性干旱气候。本研究评估了在施用豆科绿肥的同时减少氮肥使用对土壤呼吸的影响。我们发现，将氮肥用量减少20%可显著降低土壤呼吸速率，这一效应主要源于微生物异养呼吸的抑制。此外，这一策略还有效改善了……

作者贡献说明：尚永攀：研究工作；姜克强：监督指导；庞小能：正式分析；王玉龙：资源协调；霍建哲：软件应用、方法设计；余爱忠：文章撰写与修改、项目管理、资金申请；王鹏飞：初稿撰写、软件应用、数据整理。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金（32160524）、甘肃省现代冷凉干旱特色农业玉米产业技术体系（GSARS08）、甘肃省产学研一体化科技突破赋能计划项目（25FNNA003–2–2）以及甘肃农业大学富西优秀人才培养计划（GAUfx?04J01）的资助。

王鹏飞|霍建哲|余爱忠|庞小能|王玉龙|尚永攀|姜克强
中国甘肃省兰州市730070，甘肃农业大学农学院