加拿大草原农业实践作为自然气候解决方案的荟萃分析

《Journal of Environmental Management》：Agricultural practices as natural climate solutions in the Canadian Prairies

　　

加拿大草原农业能够减缓气候变化（climate change mitigation），但需要与实践相关的证据。多年生作物（perennials）、防护林带（shelterbelts）、土壤改良剂（soil amendments）和多样化轮作（diversified rotations）是有效的做法。农业实践作为气候解决方案（climate solutions）具有前景，但效果存在变异性。

**加拿大草原农业实践作为自然气候解决方案的荟萃分析解读**

全球农业和粮食系统约占人为温室气体（GHG）年排放量的33%，其中65%来自农业生产和土地利用。气候变化反过来影响农业的季节性、土壤气候条件和稳定性，对作物产量与品质产生不利影响。在加拿大，自然气候解决方案（NCS）被视作在维持作物产量的同时减缓气候变化、提供生态系统服务和保护生物多样性的重要途径。加拿大三个草原省份（阿尔伯塔、萨斯喀彻温、马尼托巴）的农业用地达52 Mha，占该国农田总面积的82%，是全球粮食出口的重要区域。然而，生产者对有益管理实践（BMPs）有效性的认识不足及其潜在效益的不确定性，成为实践推广的主要障碍。因此，研究人员开展了一项系统性回顾与荟萃分析，旨在评估加拿大草原地区BMPs在增加土壤有机碳（SOC）或减少温室气体排放方面的证据基础，为政策制定、碳市场计量和生产者决策提供实践相关的科学依据。

**研究方法概述**：研究人员在Scopus和Web of Science中系统检索了2000年1月至2024年10月间的同行评审研究，并补充了未发表的学位论文等灰色文献。纳入标准为：在加拿大草原三省或美国相邻州（蒙大拿、南达科他、北达科他、明尼苏达）开展的田间试验，比较BMP处理与对照，并报告N₂O、CH₄、CO₂或SOC相关数据。最终纳入140项研究，其中70项提供SOC数据（175对比较），79项提供GHG数据（498对比较）；84%的成对比较来自加拿大草原。数据提取使用WebPlotDigitizer工具，并按IPCC 100年全球增温潜势将N₂O和CH₄换算为CO₂当量（N₂O: 28，CH₄: 265）。SOC统一标准化至0–30 cm土壤深度。使用R语言metafor包进行随机效应、多水平荟萃分析，以响应比（RR）的自然对数计算效应量，并采用Egger检验和剪补法评估发表偏倚，结果显示无显著偏倚。

**3.1 文献综述**：在140项研究中，大部分集中于黑钙土和暗棕钙土土壤带；减耕（Reduced tillage）、作物多样性（Crop diversity）、有机土壤改良剂（Organic soil amendments）和氮管理（N management）是研究最多的BMPs，而轮牧（Rotational grazing）和湿地再湿化（Wetland rewetting）的证据最少。

**3.2 相对和绝对效应量**：九种BMPs中有八种（89%）表现出增加SOC或减少GHG排放的积极趋势，但仅少数达到统计显著。属于“保护”（Protect）类别的实践（防护林带、多年生覆盖）效果最大，“管理”（Manage）类别的效应次之，“恢复”（Restore）类别的湿地再湿化因证据有限未显示显著效应。

**3.3 土壤有机碳**：六种BMPs（66%）显示SOC增加，其中防护林带和多年生覆盖的相对变化最高（10–25%）。多年生覆盖在短期（1–5年）和长期（>15年）分别显著增加SOC 8 Mg C/ha和17 Mg C/ha；减耕在中长期（6–15年）和长期（>15年）显著增加SOC 4 Mg C/ha。防护林带、覆盖作物、作物多样性和轮牧对SOC的影响未达显著。

**3.4 温室气体排放**
**3.4.1 氧化亚氮（N₂O）**：八种BMPs减少了N₂O排放，其中五种显著：防护林带（减少88%）、多年生覆盖（38%）、有机土壤改良剂（32%）、氮管理（20%）和作物多样性（19%）。湿地再湿化显著增加N₂O排放（74%），但绝对量较小（20 kg CO₂e/ha）。减耕、覆盖作物和轮牧的减排效应不显著。
**3.4.2 甲烷（CH₄）**：六种BMPs减少了CH₄排放，但仅防护林带达到显著（减少74%，13 kg CO₂e/ha）。作物多样性、氮管理和湿地再湿化显示非显著的排放增加。
**3.4.3 二氧化碳（CO₂）**：仅防护林带显著增加了土壤CO₂排放（73%，7.9 Mg CO₂/ha），归因于根系呼吸和凋落物分解增强；其他BMPs的CO₂效应不显著。

**3.5 对作物产量的影响**：仅有五种BMPs提供了作物产量数据，所有BMPs的产量效应均未达显著。作物多样性有增产趋势，减耕和有机土壤改良剂有减产趋势，氮管理和覆盖作物效应接近零。

**讨论**：研究证据总体积极但高度可变。多年生覆盖和有机土壤改良剂通过维持土壤氮循环、促进微生物固定无机氮等生物机制有效减少N₂O排放。防护林带虽增加CO₂排放，但被SOC积累和CH₄、N₂O减排所抵消。湿地再湿化在短期内可能增加CH₄和N₂O排放，但长期或具有净气候效益。BMPs的实际效果高度依赖区域土壤气候条件，且当前证据未涵盖避免土地转换、反照率变化等潜在NCS路径。未来研究应优先关注多年生覆盖、轮牧等高潜力高不确定性的实践，并考虑多种实践叠加的协同效应。

**研究结论**：研究人员发现有令人信服的证据表明，多种实践（包括防护林带、多年生作物种植、添加有机物质、降低耕作强度和氮管理）对减缓气候变化具有有益效果。这些效应对于强效温室气体N₂O尤为重要。实现这一气候减缓潜力取决于一系列有利条件，涵盖生产者能力、治理和市场因素，例如确保生产者的财务可行性以及清晰透明的测量框架。政策制定者可以借鉴免耕的历史：正是由于生产者的参与、技术进步、土地租赁安排使生产者能够实现减少土壤侵蚀的直接效益，以及获得正净财务回报的机会，才使这种做法在加拿大得到全面推广。扩大本文所述的一系列实践，需要与生产者和行业合作以建设能力，并确保社会因素、农场经济和市场相互协调以支持变革。