玉米种植期后牧草土壤碳无恢复

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：No soil carbon recovery under pasture following a period of maize cropping

　　

先前在研究人员研究地点的工作显示，当牧草转换为玉米种植时，土壤碳（C）发生损失。在此，研究人员研究了在恢复为牧草后，损失的碳是否能够恢复以及恢复的速度。这包括连续涡度协方差（eddy-covariance）和生物量测量，以及使用生态生理模型CenW进行模拟。研究人员在模拟和观测的周平均碳和水交换速率之间获得了良好的一致性，Nash-Sutcliffe模型效率（Nash-Sutcliffe model efficiency, NSE）从净生态系统生产力（net ecosystem productivity, NEP）的0.63到蒸散发速率（evapotranspiration rate, ET）的0.89。在恢复为牧草后的前两年，研究地点的碳平衡保持接近中性，但显示出显著的年内变异性。在接下来的两年中，仍然没有碳恢复。相反，甚至损失了更多的碳，最终损失了约3 tC ha^?1。研究人员测试了异常干燥的夏季是否可能导致碳恢复缺失，但CenW的情景分析（scenario analysis）不支持这一假设。相反，研究人员的分析表明，异常温暖的条件，特别是在最后一个测量年份，可能导致了进一步的碳损失。情景分析还指出了牧草管理的重要性，当放牧在较低生物量阈值开始，或动物放牧到较低的剩余生物量时，土壤碳持续减少。机械收割移除生物量也对碳平衡产生了负面影响。这些结果提供了关于共同决定研究地点碳平衡的关键环境和管理因素的重要见解。虽然种植与多年生牧草之间的转换是影响净生态系统碳平衡（net ecosystem carbon balance, NECB）的一个重要因素，但各种管理和环境因素也可能对其产生关键影响。

论文解读

**研究背景**
全球正寻求减缓气候变化的方法，农业土壤碳（C）储存成为关注焦点，但概念和实践困难阻碍了其潜力实现。在新西兰，奶牛养殖贡献约26%的温室气体排放，主要源于反刍动物甲烷和土壤氧化亚氮。已有研究报道放牧牧草下土壤有机碳（SOC）损失，而玉米种植（用于青贮饲料）与牧草轮作期间损失可能更大。然而，关于作物转为牧草后碳恢复速率的研究很少。本项研究旨在通过综合观测与模拟，阐明玉米种植后恢复牧草时的碳平衡动态，并识别关键环境与管理因素。

**研究内容与结论**
研究人员在新西兰Waikato地区Troughton农场的一个3.11 ha地块上，将玉米种植后的地块恢复为多年生牧草，利用涡度协方差（EC）系统连续测量CO₂、水汽交换，并结合生物量测量及生态生理模型CenW进行模拟。研究得出：前两年碳平衡近中性，但后两年继续损失，最终损失约3 tC ha^?1；未观察到预期的碳恢复。情景分析表明，干燥夏季并非主要原因，而异常温暖条件（尤其最后一年）可能加剧损失；放牧管理（阈值设定）和机械收割对碳平衡有显著负面影响。该研究发表在《Agriculture, Ecosystems》期刊，强调了环境与管理因素共同决定碳平衡，土地利用转换仅是部分驱动。

**主要技术方法**
- 涡度协方差（EC）系统：包括CSAT3三维超声风速仪和LI-7500A红外气体分析仪，测量CO₂、水汽通量，数据经EddyPro处理并利用人工神经网络插补。
- CenW生态生理模型（版本6.0）：基于CENTURY模型改良，模拟碳、能量、养分和水分日循环，优化后与观测数据对比（Nash-Sutcliffe效率NSE达0.63–0.89）。
- 情景分析：改变温度（±1–4°C）、降雨（减半至加倍）、放牧阈值（上下限）及收割方式，评估对NECB的影响。样本来源：新西兰Waikato地区单一农场地块，土壤深度100 cm，分7层。

**研究结果**
**3.1 模型性能**
通过比较模型与观测的蒸散发（ET）、总初级生产力（GPP）、生态系统呼吸（ER）和净生态系统生产力（NEP），获得良好一致性。周平均ET的NSE为0.89，GPP为0.76，ER为0.68，NEP为0.63；土壤含水量（5、10、20 cm）的NSE为0.72–0.79。模型很好地捕捉了季节性水分胁迫对生长的影响。

**3.2 净碳平衡变化**
累积NECB显示：前两年（2018–2019）近中性，但存在显著年内波动；后两年（2020–2021）持续碳损失，最终损失约3 tC ha^?1。SOC在初期下降约2 tC ha^?1后短暂稳定，2020年初再次下降，总计损失超5 tC ha^?1。地上生物量（AGB）和根生物量变化较小，主要损失来自SOC。

**3.3 决定净碳平衡的关键因素**
情景分析表明：温度升高（+1–4°C）显著降低NECB，因刺激分解且加剧水分限制；降雨变化（减半至加倍）对NECB影响不大，因碳输入与移除相互抵消；放牧管理影响显著：降低上、下生物量阈值均导致碳损失，机械收割（一次）直接损失约1.5 tC ha^?1。

**讨论与结论**
讨论部分指出，玉米种植期间碳损失主要源于生物量近全部移除、低根冠比及休耕期无光合输入。恢复牧草后未观察到碳恢复，与预期相反。情景分析排除了干旱假说，支持温暖条件（尤其最后一年）加剧损失。放牧管理（高频低阈值）和机械收割显著负向影响碳平衡，且存在生产与碳储存的权衡。研究局限性在于单点观测，模型外推缺乏独立验证。

结论翻译：
先前在实验地点的工作表明，在周期性种植玉米的多年生草地中，种植玉米青贮饲料会导致相当大的碳损失（Ma et al., 2026; Wall et al., 2020）。在作物用地恢复为多年生牧草后，预期土壤碳储量最终会增加到牧草土壤中通常观察到的水平（例如Conant et al., 2017; Kim et al., 2023）。然而，这种预期恢复并未在研究人员的研究地点观察到。相反，研究人员的分析（类似于Wall et al., 2023早期的观测研究）显示，在重新建立多年生牧草后的四年期间内，出现了进一步的碳损失。研究人员假设一系列降水低于正常的干燥夏季可能导致了牧草下碳恢复的缺失，并进行了模拟以检验这一假设。然而，情景分析表明，恢复缺失不太可能是由观测到的干燥条件造成的，而研究期末的异常温暖天气可能反而导致了SOC损失。分析还表明，牧草管理可能非常重要，放牧频率和强度起着关键作用。该地点还经历了一次机械收割，移除了大部分现存生物量，这对净碳平衡产生了急剧的负面影响。这些结果阐明了环境条件和管理因素共同决定净碳平衡的作用。尽管从种植到多年生牧草的转变是净碳平衡变化的重要驱动因素，但实现的总体净变化也取决于其他并存的管理和环境因素。