巴西南巴伊亚大西洋森林可可生产系统的温室气体排放

《Agroforestry Systems》：Greenhouse gas emissions from cocoa production systems in the Atlantic Forest, southern Bahia, Brazil

　　

本研究旨在表征不同可可生产系统中的温室气体（GHG）通量，并将其与大西洋森林生物群落的土壤质量属性相关联。研究在巴西巴伊亚州伊列乌斯市的可可种植计划执行委员会（CEPLAC）实验区进行。所分析的土地利用系统包括：全日照可可伴生豆科覆盖作物（CFs）；全日照可可伴生臂形草（Urochloa decumbens）覆盖作物（CBs）；全日照可可伴生自然植被覆盖（CVE）；卡布鲁卡型可可农林复合系统（SAFCAB）；含橡胶树的可可农林复合系统（SAFSE）；以及天然森林（FOREST）。GHG通量监测于2022年分两次进行，采用静态箱法。采样箱由塑料桶制成，每个箱体的内部容积预先测量，以便计算气体通量。在0–0.10 m深度采集土壤样品，用于分析铵态氮（NH??）、硝态氮（NO??）、土壤容重、土壤水分和孔隙水填充空间（WFPS）。气体样品使用手动真空采样泵采集，转移至储存瓶后运往实验室，通过气相色谱法测定GHG浓度。在高降雨期，CF、CVE和SAFCAB系统记录到负的CH?通量，平均值分别为?4.08、?0.98和?5.98 mg m?2 h?1。森林表现为正通量，为6.50 mg m?2 h?1。关于CO?，SAFCAB和森林的平均通量最高，分别为1.13和0.70 g m?2 h?1；CVE最低，为0.49 g m?2 h?1。所有耕作系统均向大气排放N?O，未观察到气体吸收。在农林复合系统中，SAFSE的GHG通量最低，而SAFCAB表现出意外的较高CO?排放，这归因于凋落物积累和有利于有机质分解的小气候条件。这些发现为可可管理系统如何影响土壤GHG动态提供了新见解，并突显了热带可可景观中不同农林复合模式的环境特征差异。本研究旨在表征不同可可生产系统中的温室气体（GHG）通量，并将其与大西洋森林生物群落的土壤质量属性相关联。研究在巴西巴伊亚州伊列乌斯市的可可种植计划执行委员会（CEPLAC）实验区进行。所分析的土地利用系统包括：全日照可可伴生豆科覆盖作物（CFs）；全日照可可伴生臂形草（Urochloa decumbens）覆盖作物（CBs）；全日照可可伴生自然植被覆盖（CVE）；卡布鲁卡型可可农林复合系统（SAFCAB）；含橡胶树的可可农林复合系统（SAFSE）；以及天然森林（FOREST）。GHG通量监测于2022年分两次进行，采用静态箱法。采样箱由塑料桶制成，每个箱体的内部容积预先测量，以便计算气体通量。在0–0.10 m深度采集土壤样品，用于分析铵态氮（NH??）、硝态氮（NO??）、土壤容重、土壤水分和孔隙水填充空间（WFPS）。气体样品使用手动真空采样泵采集，转移至储存瓶后运往实验室，通过气相色谱法测定GHG浓度。在高降雨期，CF、CVE和SAFCAB系统记录到负的CH?通量，平均值分别为?4.08、?0.98和?5.98 mg m?2 h?1。森林表现为正通量，为6.50 mg m?2 h?1。关于CO?，SAFCAB和森林的平均通量最高，分别为1.13和0.70 g m?2 h?1；CVE最低，为0.49 g m?2 h?1。所有耕作系统均向大气排放N?O，未观察到气体吸收。在农林复合系统中，SAFSE的GHG通量最低，而SAFCAB表现出意外的较高CO?排放，这归因于凋落物积累和有利于有机质分解的小气候条件。这些发现为可可管理系统如何影响土壤GHG动态提供了新见解，并突显了热带可可景观中不同农林复合模式的环境特征差异。

**论文解读：巴西南巴伊亚大西洋森林可可生产系统的温室气体排放研究**

**1. 研究背景与目的**

大气中温室气体（GHG）浓度的持续升高，特别是二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O），主要归因于人为活动。巴西是全球五大GHG排放国之一，其排放主要来自农业和土地利用变化部门。热带农业既是碳源也是潜在的碳汇，具体取决于管理实践。可可（Theobroma cacao L.）种植在热带国家，尤其是亚马逊和大西洋森林生物群落中，是GHG排放的重要相关领域。可可生产模式包括农林复合系统（AFS）和集约化单作系统，后者通常伴随较高的GHG通量和资源压力。巴伊亚州南部地区传统的“卡布鲁卡”（cabruca）系统，是在保留大西洋森林原生树冠的前提下种植可可，已有逾百年历史。已有研究表明，可可基AFS有助于减少GHG排放、增加土壤碳封存，但关于巴伊亚州南部大西洋森林区域内不同可可生产系统的原位GHG排放研究仍较缺乏。因此，研究人员假设可可农林复合系统的GHG排放水平接近天然林，且低于全日照可可种植系统，并旨在量化不同可可生产系统（农林复合和全日照）和天然大西洋森林中的CO?、CH?和N?O通量，并将其与土壤物理和化学属性相关联。

**2. 研究方法概述**

研究在巴西巴伊亚州伊列乌斯CEPLAC实验区进行，试验地为 eutrophic Haplic Nitisol（腐殖质高活性淋溶土）。共评估6个系统：全日照可可伴生豆科覆盖作物（CF）、全日照可可伴生臂形草覆盖作物（CB）、全日照可可伴生自然植被（CVE）、卡布鲁卡型可可农林复合系统（SAFCAB）、含橡胶树的可可农林复合系统（SAFSE），以及天然森林（FOREST）。采用完全随机设计，每个系统4个重复。GHG通量采用静态箱法测定，2022年3月（高降雨期）和8月（低降雨期）各监测一次。土壤样品采集自0–0.10 m深度，分析铵态氮（NH??）、硝态氮（NO??）、容重、土壤水分和孔隙水填充空间（WFPS）。气体浓度通过气相色谱仪测定。通量计算采用线性回归或Hutchinson和Mosier模型，并进行方差分析和Tukey检验（p≤0.05），同时开展Pearson相关性分析。

**3. 研究结果**

**3.1 土壤温度与WFPS**

土壤温度在高降雨期整体较高，但系统与季节间无显著交互作用。全日照系统的WFPS值在61%至59.67%之间，SAFSE最低（46.23%），SAFCAB和FOREST之间无显著差异。全日照系统较高的WFPS可能与覆盖作物的 mulch 效应减少蒸发有关；农林复合系统和森林因成熟树木水分需求较大，土壤水分较低。林冠遮荫有效降低了SAFCAB、SAFSE和FOREST的土壤温度。

**3.2 CO?通量**

SAFCAB在两个时期均呈现最高的CO?排放（高降雨期1.13 g C–CO? m?2 h?1），高于全日照系统（CF 0.49、CB 0.55、CVE 0.68 g C–CO? m?2 h?1）和森林（0.70 g C–CO? m?2 h?1）。这可能与SAFCAB中大量凋落物输入、高土壤湿度和适宜温度共同促进微生物活动和有机质分解有关。SAFSE的CO?通量最低（0.38 g C–CO? m?2 h?1）。CVE和FOREST在高降雨期的CO?通量显著高于低降雨期。

**3.3 CH?通量**

CH?通量日变化范围为?39.76至63.36 mg m?2 h?1。高降雨期，CB、SAFSE和FOREST表现为CH?排放源；而CF、CVE和SAFCAB表现为CH?汇（负通量）。低降雨期，所有系统均表现为CH?吸收。CH?排放与高WFPS和厌氧微域形成有关，而干燥条件下甲烷氧化菌活性占优，使土壤成为CH?汇。即使在WFPS较低的SAFSE中，局部厌氧微域仍可维持产甲烷活动。

**3.4 N?O通量**

N?O通量日变化范围为0.584至27.838 ng N–N?O m?2 h?1，所有系统均表现为排放源。低降雨期CF排放最高；高降雨期SAFSE和SAFCAB排放低于CB和CVE。总体而言，农林复合系统（SAFSE/SAFCAB）的N?O通量低于全日照系统。这可能与高碳输入导致的微生物氮固持有关，特别是SAFSE中橡胶树（Hevea brasiliensis）落叶提供了大量富碳凋落物。CF中的豆科覆盖作物残体分解提供了额外氮源，促进了硝化和反硝化作用。

**3.5 土壤属性与GHG通量的相关性**

Pearson相关分析显示，土壤容重与CH?通量呈正相关（r=0.13），土壤水分与N?O通量呈正相关（r=0.23），黏粒含量与N?O呈正相关（r=0.28），NH??浓度与N?O呈正相关（r=0.15）。这些结果表明，土壤物理性质（水分、质地）和氮素有效性是调控GHG排放的关键因素。

**4. 讨论与结论**

可可农林复合系统在GHG排放方面表现出对比鲜明的响应，表明树木的存在并不必然导致较低排放。SAFSE的GHG通量最低，但土壤pH最低、有机质含量最低、容重最高，说明较低的GHG排放并不等同于更好的土壤质量。SAFCAB虽然具有高碳储量潜力，但高凋落物输入和潮湿微气候反而促进了CO?排放。研究假设仅部分成立：农林复合系统的GHG排放并不总是低于全日照系统，其组成和管理方式比单纯存在树木覆盖更关键。因此，可持续性评估应同时考虑GHG排放、土壤质量指标和生产潜力，而非单一环境属性。未来需开展长期、涵盖不同土壤类型和气候条件的研究，以深化对GHG排放机制的理解并制定更有效的减排策略。该研究发表于《Agroforestry Systems》。