德克萨斯南部饲用高粱品种的碳封存潜力与温室气体排放

《Frontiers in Soil Science》：Carbon sequestration potential and greenhouse gas emissions of forage sorghum cultivars in Southern Texas

　　

摘要

引言：碳封存是去除大气中二氧化碳（CO₂）并将其固定于土壤和植物中的主要策略之一。方法：本研究聚焦于美国德克萨斯南部的三种不同饲用高粱品种：Sugar Graze Ultra（一年生）、PSH20TX01（多年生有性繁殖）和PSH09TX15（多年生根茎型），每个品种设置九个实验小区。田间试验于2024年和2025年两个生长季在Prairie View A&M大学研究农场进行。研究设置了三种施肥水平（推荐量、半推荐量和零施肥）。在整个生长季期间，每周使用痕量气体分析仪对每个小区的土壤温室气体排放进行测定。在种植第一季前及收获第二季后，分别采集0–15 cm（表层）和15–45 cm（亚表层）深度的土壤扰动样品和土壤原状土柱样品。在每个生长季结束时，从2英尺×2英尺的样方内采集地上和地下生物量。对采集的土壤样品，研究人员分析了土壤容重、土壤全碳百分比、土壤pH和土壤电导率。研究人员根据生物量和土壤数据计算了土壤碳储量、植物总碳储量、地下总碳储量和生态系统总碳储量。结果与讨论：采用ANOVA进行统计分析发现，在第二季结束时，PSH09TX15土壤的容重显著低于Sugar Graze Ultra土壤，这一趋势在两个深度均存在。虽然第二季表层土壤全碳含量在品种间无显著差异，但PSH20TX01亚表层土壤全碳含量显著更高。Sugar Graze Ultra表现出显著更高的地上生物量，而PSH09TX15品种则表现出显著更高的地下生物量。Sugar Graze Ultra高粱品种的生态系统总碳储量最高（18.98 Mg C/ha）。然而，PSH09TX15表现出最高的地下碳储量（11.01 Mg C/ha），这对长期土壤碳封存具有直接影响。PSH09TX15土壤中记录的CO₂排放较低。该研究为三种饲用高粱品种的碳封存能力提供了见解，突显了其减缓气候变化的潜力。

论文解读：德克萨斯南部饲用高粱品种碳封存潜力与温室气体排放研究

一、研究背景与意义

气候变化是21世纪全球面临的最重大威胁之一，人为活动特别是CO₂排放加速了这一进程。陆地生态系统通过将碳封存于植物和土壤中而充当重要的碳汇。农业实践和光合作用机制是大气碳进入陆地生态系统的关键途径，碳最终进入土壤并以土壤有机碳或土壤无机碳的形式被封存。据估计，全球农田在表层30 cm土壤中储存了超过140 Gt有机碳，约占全球土壤有机碳库总量的10%。碳封存不仅有助于减缓CO₂排放，还能提高土壤肥力、改善土壤结构和团聚体稳定性、增强保水能力以及降低有毒元素含量。然而，农业部门同时也通过排放温室气体加剧气候变化。因此，减少农业温室气体排放并增加土壤碳封存对减缓气候变化至关重要。

高粱（Sorghum bicolor [L.] Moench）作为一种C₄作物，具有极高的光合效率，能够产生大量生物量，适合在半干旱、亚热带、热带和温带等多种农业气候区生长。饲用高粱是夏季中期为动物提供饲料的重要作物，其根系发达、水分利用效率高。特别值得注意的是，具有根茎性状的多年生高粱品种可能通过地下根茎系统增强碳封存能力。然而，目前关于不同高粱品种如何影响土壤碳储量、地上和地下生物量以及温室气体排放的研究仍然有限。基于此，本研究在德克萨斯南部开展田间试验，旨在评估三种饲用高粱品种的碳封存潜力及其对土壤健康属性和温室气体排放的影响。

二、研究目的与技术方法

该研究设置了三个主要目标：1）评估三种高粱品种对选定土壤健康属性的影响；2）基于土壤有机碳含量和地上、地下生物量产量评估三种饲用高粱品种的碳封存潜力与动态；3）量化田间条件下每个高粱品种的温室气体（CO₂和CH₄）排放。

研究在位于美国德克萨斯州Prairie View的Prairie View A&M大学研究农场进行，试验周期涵盖两个生长季（2024年6月至11月；2025年4月至9月）。试验采用完全随机设计，共27个小区，三种高粱品种（一年生Sugar Graze Ultra、多年生有性繁殖PSH20TX01、多年生根茎型PSH09TX15）各9个小区，每种品种下设推荐施肥量、半推荐施肥量和对照（不施肥）三种处理，每种处理3个重复。推荐施肥量为N 43 kg/ha、P₂O₅ 60 kg/ha、K₂O 115 kg/ha。关键技术方法包括：采用LI-7810痕量气体分析仪（LI-COR Bioscience）配套土壤呼吸室每周测定土壤CO₂和CH₄通量；使用碳氢氮硫元素分析仪测定土壤和植物样品的全碳百分比；采用环刀法测定土壤容重；通过1:5土水比悬浮液测定土壤pH和电导率。生物量采样在每个生长季结束时于2 ft × 2 ft样方内进行，分别收获地上部分和挖掘地下部分，经60°C烘干至恒重后称重。根据生物量干重和碳百分比计算地上植物碳储量、地下植物碳储量、总植物碳储量、总地下碳储量和总生态系统碳储量。数据采用JMP Pro软件进行重复测量方差分析，品种和施肥处理作为组间因子，生长季作为组内因子。

三、研究结果

**土壤基本性质。** 土壤容重随深度增加而增大，并在品种、季节和施肥处理间存在差异。在第二季结束时，多年生根茎型品种PSH09TX15在0–15 cm和15–45 cm两个深度的土壤容重均显著低于一年生品种Sugar Graze Ultra。多年生品种土壤容重随时间呈下降趋势，而一年生品种容重则逐渐增加，这主要归因于多年生品种发达的根茎系统改善了土壤结构和团聚体形成，同时减少了耕作扰动。表层土壤（0–15 cm）全碳含量高于亚表层（15–45 cm），多年生品种在第二季结束时亚表层全碳含量显著高于一年生品种，其中PSH20TX01表现最佳。土壤碳储量方面，PSH09TX15在表层表现出随时间显著增加的趋势，从种植前0.44–0.68 Mg C/ha增至第二季末的0.83–1.10 Mg C/ha；在亚表层，PSH20TX01的碳储量在各时期均最高，第二季末达到1.32–1.44 Mg C/ha。土壤pH在品种间和季节间存在显著差异，第二季末多年生根茎型品种表层土壤pH从第一季结束时的5.90–6.40回升至7.10–7.45。土壤电导率在所有品种中均较种植前有所增加，这与施肥、有机质微生物分解和养分循环有关。

**地上与地下生物量变化。** 一年生品种Sugar Graze Ultra在两个生长季均表现出显著更高的地上生物量，总平均产量达26.4 Mg/ha，展现出其作为高产饲草和生物能源作物的优势。相比之下，多年生根茎型品种PSH09TX15则表现出显著更高的地下生物量，两个生长季平均达24.9 Mg/ha，其地上与地下生物量比值约为0.5，远低于一年生品种的0.6和多年生有性繁殖品种的0.9，表明该品种将更多光合产物分配至地下根茎系统。

**碳储量与生态系统碳封存。** 三种饲用高粱品种的碳储量存在显著差异。一年生品种Sugar Graze Ultra的生态系统总碳储量最高，达18.98 Mg C/ha，其中约60%来自地上生物量；而PSH09TX15虽然生态系统总碳储量为16.55 Mg C/ha，但其67%的碳储量来自地下部分，显示出更强的长期碳封存潜力。PSH09TX15的地下碳储量达11.01 Mg C/ha，显著高于其他两个品种，这归因于其发达的根茎系统。

**土壤温室气体排放。** CO₂排放分析显示，虽然两个生长季中品种间和施肥处理间均无显著差异，但一年生品种土壤的CO₂排放速率在两个生长季中均相对较高，可能与其快速的地上生物量周转和活跃的根际微生物分解有关。PSH09TX15在两个生长季均表现出最低的CO₂排放。推荐施肥处理的小区CO₂排放略高于其他处理，而对照处理排放最低。所有品种的CH₄通量均为负值，表明土壤表现为CH₄的汇而非源，这可能归因于甲烷氧化细菌在好氧条件下的活跃作用。试验地土壤为细砂壤土，具有良好的排水和通气条件，有利于甲烷氧化活动。

四、讨论与结论

研究结果表明，多年生根茎型饲用高粱品种PSH09TX15在改善土壤物理性质、增加地下碳储量和降低CO₂排放方面具有独特优势。其发达的根茎系统不仅改善了土壤结构、降低了容重，还通过持续的地下有机质输入提高了土壤碳含量。相比之下，一年生品种Sugar Graze Ultra虽然地上生物量产量最高，但其对土壤碳库的贡献相对有限。值得注意的是，多年生品种通过减少耕作扰动和维持长期地下结构，为碳封存提供了更稳定的机制。

研究结论指出，多年生根茎型品种PSH09TX15具有增强土壤健康、改善地下碳储量和促进长期碳封存的潜力。为了同时实现高地上生物量生产和长期的地下碳储存，研究人员推荐采用一年生、多年生有性繁殖和多年生根茎型品种的混合种植系统。该研究为德克萨斯南部乃至类似生态区域选择具有碳封存潜力的饲用高粱品种提供了科学依据，对气候智慧型农业的发展具有重要的参考价值。