论文内容
要点：
与休耕管理相比，覆盖作物在全球农田中每年可增加0.11-0.15皮克的土壤固碳量，同时减少34%-41%的氮浸出量。
覆盖作物对经济作物产量的影响因作物轮作、气候、管理期限和氮肥施用的不同而有很大差异。
免耕系统中的豆科覆盖作物被认为是一种有前途的做法，可以在不影响农业生态系统中的作物生产的情况下实现环境的可持续性。
研究背景：
近几十年来，为了养活不断增长的人口，全球耕地面积和合成氮（N）肥施用量都大大增加，但对环境产生了巨大的有害副作用。据估计，自然植被（如森林和草原）向耕地的转化使温带地区的土壤有机碳（SOC）储量减少了32%-36%，热带地区减少了25%-30%。管理集约化也造成了土壤肥力下降、空气污染和淡水富营养化。在过去的四十年里，施肥产生的气态氮排放增加了46%（达到3.8Tg N yr-1），其中一氧化二氮（N2O），氨（NH3）增加了78%（达到58Tg N yr-1）。农田扩张和管理造成的SOC损失，加上大量使用化肥造成的N损失，大大增加了温室气体（GHG）排放，加速了全球变暖，同时破坏了可持续的粮食生产。加强农田SOC固存和减少N的损失至关重要，以缓解气候变化，同时仍然保持和/或增加农业生产以保障粮食安全。
碳（C）输入（如植物残体和粪便应用）和输出（如通过作物收获、残体分解、沥滤和土壤侵蚀）之间的不平衡推动了农田中SOC的储存变化。多年来，采用最小的土壤扰动（如免耕或减耕）被推荐为保护性农业（CA）系统的一项重要战略，以减缓土壤有机物（SOM）库的分解。然而，据报道，免耕耕作的SOC效益仅在表层土壤（0-15厘米）具有统计学意义，并随着土壤深度的增加而下降。在全球元分析中，有时发现免耕种植系统下的SOC存量在较深的土壤层（>30厘米）甚至低于传统耕作。因此，增加对土壤的碳投入有望成为实现SOC提高的替代管理方法。覆盖作物（CCs）是主要在休耕期生长的植物，在播种随后的主要作物之前作为 "绿肥 "被纳入土壤。实验证据表明，与休耕期的管理相比，在农业轮作中种植CC可以在长达54年的时间里显著增加SOC储量13.8%-17.3%，全球平均固存率为0.32-0.56兆公顷-1年。除了增加有机物的投入，CCs还能够从土壤中吸收多余的N，从而减少N的沥滤，并防止土壤在裸露时发生的压实和侵蚀。此外，使用豆类CC特别是作为 "绿肥"，已经被讨论为一种有前途的技术，以保持和/或改善土壤肥力和作物生产，因为它们有能力从大气中固定氮，并具有减少化肥使用的共同效益。然而，由于土壤性质、某地气候、作物管理和覆盖作物类型的不同，这些CC效应在地区上有很大差异。
基于过程的生态模型有可能在大的地理区域和长的时间段内量化农业实践对生态系统碳氮（C-N）和水循环的影响，这是因为它们在不同的环境条件和管理下对植被和土壤相互作用的数学表示。这些模型已被广泛用于研究不同耕作系统中响应CCs的土壤C-N动态和作物产量（如APSIM，Chatterjee等，2020；DSSAT，Salmerón等，2014；DNDC，Singh & Kumar，2022；ECOSYS，Qin等，2023）。然而，与站点级建模研究相比，由于管理信息不足（如覆盖作物类型的空间模式）以及模型中缺少或不完整的覆盖作物表现，仍然缺乏对CCs跨区域或全球影响的评估。对于大规模的C-N循环建模评估，到目前为止，替代性农业实践已经通过风格化的模型设置进行评估，对管理强度进行了同质化假设。例如，Olin, Lindeskog等人（2015年）使用LPJ-GUESS动态植被模型探讨了CCs对全球农业生态系统SOC固存率的影响，假设所有耕地网格单元采用相同的无共生氮固定的草质覆盖作物。同样，为了真实地反映覆盖作物的空间模式，Porwollik等人（2022）最近进行了一项建模研究，用LPJmL动态植被模型估计了CA在全球范围内如何影响土壤C-N和产量，以应对四种作物系统的非豆类CCs。他们的模型结果显示，覆盖种植通过增强土壤C库来缓解气候变化的潜力，但作者建议，未来需要对固氮CC种植进行建模评估，因为这种做法被认为是解决作物生产日益增长的需求与相关的N损失环境问题之间冲突的一种实用策略。到目前为止，还没有研究在全球范围内应用基于过程的模型来研究免耕耕作和豆科CCs如何共同影响农业生态系统服务，特别是在土壤固碳、耕地氮浸出和作物产量方面。
在此，我们采用基于过程的植被模型LPJ-GUESS来探讨草质固氮剂对农业生产可持续发展的潜在贡献。本研究的目的是评估和比较两种覆盖作物类型--豆科草和非豆科草--以及耕作方式对全球耕作系统中SOC存量、N浸出损失和农业生产力的影响。这三个模型化的生态系统服务指标通过世界范围内的现场观察数据进行了广泛的研究，并与现有文献中的全球水平的估计值进行了比较。我们旨在量化CC影响的时间和空间模式，并讨论这种做法在当今气候条件下减缓气候变化和提高农作物产量的潜力。
研究内容:
LPJ-GUESS是一个基于过程的全球植被模型，可用于研究植物和土壤的C-N动态及其对环境（如气候、大气CO2水平和N沉降）和管理（如作物类型、N肥料和收获）变化的反应，通过模拟每日时间步长的个体和斑块级植物生理和生物地球化学过程。模型中实施的自然植被有12种植物功能类型（PFTs），其中包括10种木本植物和2种草本植物类型。PFTs在其物候学、光合作用途径（C3或C4）、生长策略和生物气候限制方面有所不同。牧场被描述为C3和C4草类PFT之间的竞争，每年收获一半的地上生物量以代表放牧影响2013）。四种作物功能类型（CFTs）--两种春秋两季播种的温带C3作物、一种代表水稻的热带C3作物和一种代表玉米的C4作物--被模拟为代表农田，作物在形态特征、动态C-N分配模式、生长热量需求和氮肥管理方面存在特定差异。最近增加了两个新的具有生物固氮作用（BNF）的CFT（即大豆和豆类），以说明基于豆类的种植系统对全球陆地氮循环的影响。对于大规模应用，每个网格单元的播种日期取决于一套由作物和气候特定特征驱动的规则，有五种季节性类型。当动态潜在热量单位（即每个 CFT 的基础温度以上的累计度日）满足时，作物每年都要收割。为了考虑由机械损伤或不良处理条件造成的作物收获后损失，使用 90%的收获效率来调整模拟的作物产量。目前，热带地区常见的年内多作物系统还没有在模型中实施。
LPJ-GUESS所代表的农田管理方案包括灌溉、耕作、作物残留物保留、氮肥和粪便施用，以及在两个耕作季节之间种植的覆盖作物草。灌溉水在模型中被估计为植物缺水的量，当作物遭受水分胁迫时，灌溉水会自动添加到土壤中。常规耕作对异养呼吸的影响被模拟为耕作因子1.94，它改变了全年四个SOM碳库的腐烂速度，加速了农田的土壤分解。在标准的LPJ-GUESS设置中，75%的地上作物残余物在收获后被从田间移走；其余的与根系生物量一起，被认为进入土壤垃圾池进行分解。合成氮肥被添加到土壤矿物氮池中，供植物在三个作物生长阶段吸收，每个CFT的施用率不同。粪便在播种时作为单一投入施用于耕地，以考虑粪便中的氮可用于作物所需的时间。假设粪便的C:N值为30，并被添加到代谢和结构性SOM池中进行分解。本研究中使用了多种覆盖种植方案，下文将详细介绍。
根据CENTURY模型，LPJ-GUESS土壤的C-N动态由11个SOM池模拟，这些SOM池的C:N比例和抗腐能力不同。SOM池的分解导致二氧化碳释放到大气中（呼吸作用）和土壤池之间的C和N转移。由于保持质量平衡和供体池与受体池的规定C:N比率，输入到受体池的C驱动N矿化或固定化。净N矿化（即矿化减去固定化），连同工业N肥和大气N沉积，决定了总的土壤矿物N池的大小，它被植物的N吸收，以及通过N浸出和气态N排放的作物生态系统N损失在每天的时间步骤中消耗掉。按照Parton等人（1993）的观点，模型中的矿物氮浸出与土壤硝酸盐浓度成正比，并受渗滤率和土壤含水量的制约。在LPJ-GUESS中也加入了通过可溶性有机物浸出的氮损失，并由土壤微生物SOM氮库中的氮减少（由于分解）、水的渗入和土壤沙分决定。
研究结论：
在这项研究中，我们在LPJ-GUESS中开发了一种新的具有生物固氮功能的C3草地类型，以更好地说明豆科植物对全球作物生态系统的CC影响。模拟的C-N变量和主要作物产量对两种草质覆盖作物类型（即非豆科植物和豆科植物）的反应，与从现场到全球的测量数据进行了广泛的评估。我们的模型估计表明，在LPJ-GUESS中实施的作物生态系统在一系列水和氮管理下对非豆科和豆科覆盖作物的反应是真实的，并产生了与观测值相当的C-N变量，特别是耕地SOC存量。
当对全球耕地进行整合时，我们的长期模拟显示，CCs对农业土壤的影响可以在不影响作物生产的情况下有利于环境的可持续发展，特别是对于包括豆科CCs和免耕技术的综合管理实践。根据模型，这种综合策略实现了每年0.32Mg C ha-1 yr-1的SOC固存率，减少了41%的N浸出（36年平均），同时在最后模拟的十年中产量增加了2%。CCs对作物产量的影响与主要作物类型和氮肥投入密切相关，在大豆系统和高度施肥的农田土壤中发现的产量变化很小。模型中缺失的过程，如杂草、年内多作物系统和覆盖作物管理，可能使我们对CC对全球耕地影响的估计出现偏差。
LPJ-GUESS中草类CC的动态固氮过程为全面评估休耕期大气中的碳和氮流向农田提供了机会，因此与当今和未来气候下全球陆地C-N通量和库的估计有关，包括CO2吸收与N2O排放如何相互影响。它还可以帮助预测在考虑到各种管理策略和气候条件的情况下，在全球作物生态系统中用固氮绿肥替代合成肥料的可能性。
转自：“农科学术圈”微信公众号
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