物种、积雪与时间：覆盖作物反照率驱动气候减缓的决定因素

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Species, snow, and timing: Determinants of albedo-driven climate mitigation by cover crops

　　

摘要

覆盖作物在欧洲耕作系统中因其通过土壤碳储存、减少 N?O 排放和增加表面反照率而具有的气候减缓潜力而备受关注。然而，反照率效应及其影响因素在丹麦田间条件下仍缺乏量化研究。我们于 2020 年 8 月至 2021 年 2 月在丹麦 Taastrup 进行了一项田间实验，在两种残余土壤氮水平下，测量了黑麦、毛野豌豆和油菜籽萝卜的纯种和混种条件下的反照率，并设置了一个裸土对照。反照率在覆盖作物生长期间的多个时间点记录，包括部分积雪覆盖时期，并在三种积雪情景下转化为全球变暖潜能值（GWP）：无雪、仲冬雪和晚冬雪。我们的结果表明，所有覆盖作物在无雪条件下相对于裸土显著增加了反照率，其中混种和包含固氮毛野豌豆的物种表现出最大的增加。较高的残余土壤氮加速了冠层发育，导致峰值反照率提前且更高。积雪的存在和时间强烈影响了模拟的减缓效应：与无雪情景相比，仲冬和晚冬积雪分别使 GWP 降低了 16% 和 27%。本研究证明，在北部中纬度地区，覆盖作物可以增强表面反射率并有助于气候减缓，其效应大小由物种特性、土壤氮状况以及积雪覆盖的存在和时间决定。需要进一步的工作来测试这些发现在不同建立时间和积雪覆盖 regime 下的普遍性。

引言

近年来，由化石燃料使用、农业和土地利用变化驱动的温室气体水平上升正在改变全球气候系统 (IPCC, 2021)。在欧洲，农业贡献了约八分之一的温室气体排放。为了减缓这些排放，正在探索将覆盖作物整合到轮作中以利用其气候效益。覆盖作物通常是休耕期间种植的非经济作物。在冬季降水过剩的地区，它们主要种植以防止硝酸盐淋溶。在有机耕作系统中，覆盖作物还有通过豆科植物固氮增加氮输入的目的 (Thorup-Kristensen et al., 2003, Doltra and Olesen, 2013)。覆盖作物有潜力通过 i) 通过增加碳输入来增加土壤碳储存 (Kaye and Quemada, 2017)，ii) 减少 N₂O 排放，尽管这仍存在争议 (Basche et al., 2014, Sedghi et al., 2024, Nasser et al., 2025)，iii) 在无雪条件下与裸土相比反射更多太阳辐射从而减少辐射强迫 (Pique et al., 2023) 来减缓气候变化。

反照率——定义为从表面反射的入射阳光的比例——在欧洲农田中通常高于裸土 (Pique et al., 2023)。然而，土壤和覆盖作物反射率的变异性限制了广泛的概括 (Kaye and Quemada, 2017)。影响反照率的因素包括土壤矿物学、湿度和有机质含量，它们共同决定了土壤光谱特性，以及杂草管理、覆盖作物物种及其生长期。积雪具有最高的自然反照率之一，在评估覆盖作物反照率效应方面也起着关键作用 (Pique et al., 2023)。虽然积雪容易覆盖裸土，但覆盖作物可以破坏积雪覆盖，降低反照率，并可能在积雪期间引起变暖效应 (Kaye and Quemada, 2017, Lombardozzi et al., 2018, Lugato et al., 2020)。这尤其适用于高大、多叶的物种，而较矮的物种则更容易被覆盖。尽管存在这些动态，与裸土相比，覆盖作物在整个生长期内通常表现出更高的反照率 (Kaye and Quemada, 2017, Hunter et al., 2019, Pique et al., 2023)。这主要是由于积雪的高反照率在降雪期间辐射量低的地区相关性有限，北纬度地区就是这种情况 (Sieber et al., 2019)。净变暖效应通常仅在特定条件下观察到：低反照率的覆盖作物、高反照率的土壤（例如，明亮或干燥的矿物土壤）或延长的浅层积雪覆盖 (Kaye and Quemada, 2017, Hunter et al., 2019, Lugato et al., 2020)。

各种研究已量化了覆盖作物反照率效应的气候减缓潜力。Carrer et al. (2018), Lugato et al. (2020), Kaye and Quemada (2017) 和 Pique et al. (2023) 的研究均排除了积雪时期，分别估计与反照率相关的减缓效应为 2–5.7, 16, 45–46 和 46 g CO?e m^?2 year^?1。Kaye and Quemada (2017) 还包含了一个部分积雪覆盖的情景，这将潜力降低至 12 g CO?e m^?2 year^?1。对于瑞典南部，Sieber et al. (2022) 发现一种从 8 月到 4 月生长的行间播种覆盖作物，包括积雪时期，减缓了 44 g CO?e m^?2 year^?1，强调了生长持续时间的重要性。这些数字的广泛变化反映了地理、栽培期、覆盖作物物种特性和底层方法学假设上的巨大差异。区域气候变率进一步使覆盖作物反照率效应的扩大化变得复杂，以量化净气候减缓效应 (Carrer et al., 2018, Pique et al., 2023)。这需要更多基于区域的田间研究，重点关注受控田间条件下季节性的反照率变化。

具体而言，缺乏来自丹麦等中纬度地区的基于田间的研究，考虑到物种发育和太阳几何形状在决定地表反照率方面的重要性，这尤其相关。此外，不同覆盖作物物种之间的直接比较，以及它们与积雪存在和时间在塑造与反照率相关的气候减缓效应方面的相互作用，尚未得到充分的实证关注。

因此，本研究直接量化了丹麦温带农业条件下常见种植覆盖作物品种在整个生长季的地表反照率，并进一步探索了积雪覆盖持续时间和时间的模型情景。具体而言，我们测试了以下假设：

• I.
  与裸土相比，覆盖作物显著增加了地表反照率。
• II.
  地表反照率在不同覆盖作物物种和混种之间存在差异，并受残余土壤氮状况影响。
• III.
  覆盖作物通过反照率效应减缓气候变化的潜力受积雪覆盖存在和时间的影响。

章节片段

实验田间试验

反照率测量于 2020 年 8 月至 2021 年 2 月期间的一项田间实验中进行，地点位于丹麦哥本哈根大学塔斯特鲁普研究农场的一处粗砂土上 (55°40’31.3"N, 12°17’18.0"E)。该研究是 Engedal et al. (2023) 中详述的覆盖作物试验的一部分。实验遵循春大麦收获后的流程，于 8 月 11 日播种覆盖作物，包括六个物种处理和两个残余氮 (N_res) 水平，并安排了四个重复

覆盖作物和土壤 N 对反照率的影响

无积雪覆盖时，裸土对照组的反照率测量值范围为 0.07 至 0.25，而覆盖作物处理通常较高，范围为 0.13 至 0.40。有积雪覆盖时，裸土反照率增加至 ~0.59，而覆盖作物通常较低，范围从 ~0.20（萝卜）至 0.32（毛野豌豆）。覆盖作物之间最大的差异出现在最大生长量时（96 出苗后天数），而覆盖作物处理与裸土对照组之间最大的差异出现在

与裸土相比，覆盖作物显著增加了地表反照率

我们发现裸土的平均日反照率约为 0.14，而覆盖作物为 0.19–0.23，这与其它田间实验的测量值紧密一致 (Sieber et al., 2022, Lei et al., 2024, McNellis et al., 2024)。

我们的结果清楚地表明，在无雪条件下，覆盖作物与裸土相比显著增加了反照率。在所有物种和 N_res 水平下，覆盖作物在覆盖作物建立后（约 50 天）显示出显著更高的 Δ-反照率（覆盖作物减去裸土）

结论

与裸土相比，覆盖作物持续增加了地表反照率，确认了它们通过增加表面反射率来减缓气候变化的潜力。物种身份和混种影响了反照率增加的幅度和时间，固氮毛野豌豆通常比黑麦或油菜籽萝卜产生更高的反照率。残余土壤氮显示出冠层发育更快和峰值反照率更高的趋势，可能会增强期间的减缓效应

CRediT 作者贡献声明

蒂内·恩格达尔：概念化、数据整理、调查、方法、监督、写作 – 初稿、写作 – 审查与编辑。 万妮莎·许：数据整理、形式分析、可视化、写作 – 初稿。 卡米拉·鲁奥·拉斯穆森：数据整理、形式分析、验证、可视化、写作 – 审查与编辑。 安德烈亚斯·韦斯特加德 - 尼尔森：概念化、数据整理、调查、方法、监督。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究由丹麦食品、农业和渔业部在气候研究计划下的“捕获作物用于碳捕获（CatCap）”项目中资助， grant no. 33010-NIFA?19–709，以及可持续农业未来的先锋景观研究中心。Land-CRAFT 项目（DNRF grant number P2）和 维卢姆基金会（42069）也感谢其对支持参与人员的支持。我们感谢 Michelle Karlsson 和 Maria Skovgaard 协助收集田间数据

蒂内·恩格达尔 | 万妮莎·许 | 卡米拉·鲁奥·拉斯穆森 | 安德烈亚斯·韦斯特加德 - 尼尔森

丹麦植物与环境科学学院