【文献分享：土地与可持续发展（六）】优化覆盖作物做法，作为全球农业生态系统服务的可持续解决方案

文摘 2025-01-16 20:04 河南

文献简介

篇名：Optimizing cover crop practices as a sustainable solution for global agroecosystem services

发表时间：2024年

期刊：Nature Communications

作者信息：通讯作者为武汉理工大学资源与环境工程学院的方临川教授。

原文来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54536-z

推荐理由

作为一种提高农业可持续性的策略，覆盖作物的实践已经得到了普及，但其充分发挥的潜力往往受到环境权衡的限制。该研究利用2302个观测数据的Meta分析和数据驱动的量化，优化了覆盖作物实践，并评估了其对全球农业生态系统的益处。覆盖作物在历史上提高了作物产量、土壤碳储量和稳定性，但也刺激了温室气体排放。然而，将它们与长期实施的( 5年及以上)和气候智能型实践(如免耕等)相结合，可以协同增强这些服务。豆科和非豆科覆盖作物的二元文化，在下一茬作物种植前25天终止，然后进行残茬覆盖，是最优组合。这些优化措施预计将增加1.25 %的农业生态系统多功能性，相当于每年增加9770万吨的作物生产、217亿吨的二氧化碳封存和24.1亿吨的土壤侵蚀。到2100年，持续实施优化措施可以减轻与气候有关的产量损失，并有助于气候中性和土壤稳定，特别是在恶劣和不发达地区。这些发现强调了优化的覆盖作物措施在实现粮食安全和环境保护方面的协同作用的潜力。

主要内容

在研究过程中，为了评估覆盖作物（CC）对全球农业生态系统的影响，采用了一种综合的方法。首先，进行全面的文献检索，收集了关于覆盖作物对多种农业生态系统服务影响的研究，主要包括粮食供应、碳储存、气候缓解和土壤侵蚀控制。在筛选过程中，仅考虑那些在相同气候和土壤条件下进行的田间研究，且数据集必须包含对照组和处理组的均值及重复实验数据。此外，研究采用了元分析技术来量化覆盖作物对农业生态系统服务的影响。通过计算自然对数响应比，能够确定覆盖作物的效应大小，并使用混合效应模型来分析五个目标变量的总体覆盖作物效应及其95%置信区间。在元森林分析中，使用机器学习方法结合元分析和随机森林算法，量化环境和管理因素对覆盖作物效应的相对重要性。这种研究方法不仅确保了数据的代表性和可靠性，还通过模型的交叉验证和误差评估来提高预测性能，为未来的农业可持续性提供了重要的依据。

历史覆盖作物实践对农业生态系统服务提升的部分权衡

总体而言，覆盖作物显著增加了2.33 %的产量和6.46 %的土壤有机碳储量，同时土壤聚集体的平均重量直径（MWD）增加了14.3 % (图2a )，表明覆盖作物在促进土壤碳储存、侵蚀控制和后茬作物产量方面效果显著。但是，N2O和CH4的排放也受到了极大的刺激，分别增加了29.5 %和42.3 %。长期覆盖作物轮作（≥5年）的实施已显示出在不牺牲作物产量的情况下减少额外 N2O 排放的潜力（图2b）。通过不断提供足够的基质（残留物）和栖息地，长期的覆盖作物实践有望增加N2O还原剂的多样性及其在土壤中的生存能力，从而减少N2O排放。长期实施还可以有效加强土壤稳定性和碳储存，有可能成为温室气体的净汇。从本质上讲，覆盖作物做法促进了多种农业生态系统服务，但也带来了与一系列因素相关的损害风险。因此，确定覆盖作物效应的关键决定因素对于有效地减少它们的权衡和最大化它们的协同作用至关重要。

在与环境和管理因素的相互作用下优化覆盖作物实践

研究提出覆盖作物实践的特点和优化是协同促进农业生态系统服务的关键（图1a）。与非豆类覆盖作物相比，豆类和混合物（豆类和非豆类覆盖作物的混合物）已被有力地观察到可以提高作物产量和无排放（图2b）。土壤生物多样性被确定为覆盖作物对产量影响的最关键决定因素，这似乎归因于不同微生物群执行的关键功能，例如养分循环和互惠互利。即使在控制气候和土壤变量之后，偏相关分析也有力地证实了这种生物学作用（图3b）。此外，作物产量的反应也取决于气候，干旱地区的产量增幅最大（图3a），这主要是由于覆盖作物能够通过减少蒸发和增加水分渗透来增强土壤保水性，尤其是当覆盖作物残留物覆盖在土壤表面时（图2b）。因此覆盖作物在增加旱地农业系统中的作物生产方面具有巨大潜力。相比之下，终止后覆盖作物生物量输入的减少限制了寒冷气候下土壤C的封存和产量的提高（图3a），高浓度的颗粒有机C组分也可能是原因。

结合气候智能型管理实践，覆盖作物的好处可以进一步放大（图4）。通过潜在的促进产量稳定性和土壤微生物合成代谢，施用有机肥在很大程度上提高基于覆盖作物的产量提高（图4a）。这种组合还有效地控制了温室气体（GHG）的产生（图4c、d），对 CH4排放产生了-70.3%的强烈拮抗作用（图4f）。有机肥和保护性耕作也倾向于进一步提高平均重量直径（图4e），因为它们具有更强的胶结作用和较少的土壤团聚体物理破坏，以及覆盖作物根系在土壤稳定中的放大作用。氮管理被认为是农业和社会经济可持续性的基石。APSIM 结果证明，高氮投入（> 100 公斤公顷）会降低覆盖作物的产量收益。在这些情况下，更大的氮阈值和更高的产量效益突出了覆盖作物混合物在氮肥减少和替代方面的优点。

优化覆盖作物实践的全球影响

根据移动窗口分析中对农业生态系统服务的最大积极影响，研究估计全球最佳覆盖作物终止时间为25天。此时，气候、土壤和微生物变量对农业生态系统服务也存在正交互作用。尽管最佳终止时间在很大程度上是特定于站点的，但这种宏观估计有助于覆盖作物利用和管理的范式转变，标志着评估优化覆盖作物实践的全球适用性的重要一步。未来，将终止时间与特定的场地条件和作物要求保持一致，可以进一步完善覆盖作物实践并确保其利益最大化。

根据观察到的覆盖作物性能以及与环境和管理的互动，该研究提供了优化的覆盖作物实践组合，即豆科植物和非豆科植物覆盖作物的双养与终止期25天后开始的表面覆盖相结合。通过将该组合与MF模型和预测因子的系列数据集集成，将站点级覆盖作物效应扩展到全球（图6）。平均而言，这些优化做法预计将使当前时期（2020年）的全球农业生态系统服务增加1.25%。此外，覆盖作物实践的实施有望显著提高东南亚稻田的作物产量和土壤健康（图6a）。这些好处对该地区的饮食和经济以及全球稻米生产至关重要。在全国范围内，哥伦比亚和印度受益于作物产量和土壤有机碳库存的大幅增加，是旱田和稻田覆盖作物实践最适用的国家。

该研究通过综合分析强调了优化覆盖作物实践在提高全球农业可持续性方面的巨大潜力，特别是在食品安全和环境保护之间的和谐平衡方面。鉴于其显着的改善特性和可持续效益（图1b），覆盖作物实践正在成为一种基于自然的解决方案，有望推进可持续发展目标。鉴于这些见解，未来的研究必须探索更多的管理组合，以释放覆盖作物实践尚未开发的潜力。此外，研究强烈倡导制定激励政策和国际合作，以鼓励广泛采用这些最佳实践。

声明

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责编：袁大晴

文字：刘梦璇

排版：杨婉怡

校对：向云娜

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