Nat. Commun.丨改进耕作方式可以减少春小麦生产的碳足迹

论文内容

研究背景：

全球对小麦等主要谷物的需求到2050年预计将增加70%，原因是伴随着人口增长农产品及其他物资的需求也不断增长。要实现这一目标，就必须大幅增加粮食产量，同时大幅减少农业种植活动对环境的影响。在半干旱雨养地区，一般采用小麦休耕种植制度。在休耕时，农田在整个生长季节都不耕种，并采取多种耕作方法来控制杂草，这种耕作方式已在世界上许多干旱和半干旱地区使用。此外，休耕期土壤通过土壤有机质的氮素矿化并释放氮(N)，有利于之后作物的生长。然而，最近的证据表明，夏季休耕会导致严重的环境问题，因为休耕期间的多次耕作需要更多的化石燃料，此外土壤有机质会随着更频繁的休耕而枯竭，导致土壤质量退化和土壤侵蚀加剧。采用更集约化的种植制度已被证明比传统的小麦休耕或小麦单一栽培制度更能提高作物产量。但近年来，一些地区的粮食产量不是停滞不前就是大幅下降。这一证据清楚地表明高产系统也可能对气候产生负面影响。因此有必要研究一些已被证明在作物生产中至关重要和成功的耕作方法能否以系统的方式组合在一起，以增加作物产量，同时减少对环境的潜在负面影响。

研究内容：

本研究确定了以下四种关键的耕作方法，并将它们系统地整合到小麦生产系统中:(i)在轮作中采用豆科作物，将大气氮固定到植物速效氮中，并在小麦生产中替代部分无机氮肥料;(ii)每年进行土壤测试，以确定可用于作物的土壤有机质中的土壤残留养分和潜在矿化氮;(iii)施用适当比例的无机肥料，以满足作物对养分的需要，并避免施肥过多或不足;(iv)采用更密集的作物轮作制度(即:减少夏季休耕频率的种植)，以便从大气中吸收更多的二氧化碳，以抵消与作物生产投入相关的碳排放。本研究量化了在生产系统中采用一套改良耕作方法所带来的环境效应，确定了碳足迹的两个指标:第一，单位农田排放的温室气体数量(定义为单位面积碳足迹)，第二，与每公斤粮食生产相关的温室气体数量(定义为单位产量碳足迹)。本研究的核心假设是，将这些经过单独验证的耕作方法综合在一起，可以提高作物产量，提高净碳汇，并降低小麦生产的碳足迹，并通过在加拿大萨斯喀彻温省Swift Current加拿大农业和农业食品研究中心进行的为期25年(1985-2009年)的实地实验来验证这一假设。

Fig.1 4种种植制度下0 ~ 15cm土层土壤有机碳分布。

Fig.2 改进的小麦种植系统的碳排放(上)和固碳(下)。

Fig.3 不同年份、不同年代春小麦的产量与碳足迹。

研究结论：

采用一整套改良耕作方法生产的春小麦具有负的(更理想的)碳足迹，平均每年为-256 kg CO2eq·ha-1。每生产一公斤小麦，土壤中净吸收的二氧化碳当量为0.027-0.377 kg。各影响因素中，种植制度的种类对小麦生产碳足迹影响最大，扁豆-小麦(LentW)轮作系统的单位面积碳足迹最低，为-552 kg CO2eq·ha-1，同时单位产量碳足迹最低，为 -0.377 kg CO2eq·kg-1。本研究的结论是，如果能够识别并系统地将一些关键的耕作方法整合在一起，小麦将大气中的二氧化碳转化为土壤中的碳比其生产过程中实际排放的还要多。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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