文章题目：Reducing greenhouse gas emissions from North American soybean production
发表期刊：Nature Sustainability
影响因子：25.7
第一单位：爱荷华州立大学
在线日期：2024-11-05
农业活动是全球温室气体 (GHG) 排放的重要来源，特别是旱地作物系统中的氮氧化亚氮 (N₂O) 排放显著。N₂O是一种强效温室气体，其排放主要由土壤中的生物过程产生，尤其是在有机物质矿化和氧气供应受限的情况下。传统观点认为，作为一种豆科作物，大豆因其不施用氮肥，排放的N₂O较少。然而，通过对北美大豆–玉米轮作系统的研究发现，尽管大豆不施氮肥，但其种植阶段的N₂O排放仍占轮作体系总排放的40%左右。这一发现揭示了当前N₂O减排策略存在的局限性，因为现有的策略多侧重于减少玉米阶段的排放，却未充分考虑大豆种植期的排放特性。因此，如何有效降低大豆生产中的N₂O排放成为一个亟待解决的问题。
本研究旨在开发一种改进的大豆种植管理策略，以有效减少北美大豆生产中的N₂O排放。具体来说，作者试图回答两个核心问题：（1）在大豆–玉米轮作体系中，大豆种植阶段的N₂O排放占总排放的比例有多大？（2）能否通过调整大豆的种植时间、引入非豆科覆盖作物及使用耐寒大豆品种等广泛适用的管理措施，实现对大豆种植阶段N₂O排放的显著减少？
系统性文献回顾：通过回顾北美地区已有的实地实验数据，量化大豆生长期内的N₂O排放情况，以评估大豆种植阶段对轮作体系N₂O排放的贡献。
模型模拟：利用农业生产系统模拟器 (APSIM) 模型，对15个北美中西部主要大豆种植地区的气候、土壤和作物管理条件进行仿真。模拟的管理策略包括四种方案：（a）当前标准管理，即业务通常 (BAU) 策略；（b）在玉米收获前30天种植黑麦作为非豆科覆盖作物；（c）提早种植更长成熟期的耐寒大豆品种；（d）综合“覆盖作物+早种”的管理策略。每种策略均采用了30年的气候数据和多地点模拟，以评估不同管理策略对大豆N₂O排放的影响。
生命周期评估 (LCA)：利用碳强度计算器 (FD-CIC) 进行生命周期分析，将模型模拟结果与实际生产过程中的碳排放数据结合，以评估不同管理策略对大豆生产的碳排放强度的综合影响。
研究表明，通过提早种植耐寒的大豆品种和在玉米收获前种植非豆科覆盖作物，可以显著降低大豆生长期的N₂O排放。与标准管理 (BAU) 相比，早种大豆可将N₂O排放减少17%，而覆盖作物管理则减少20%；当两种措施结合时，N₂O排放可减少约33%。该组合策略不仅降低了温室气体排放，还使大豆产量增加16%，同时实现单位产量排放的减少。生命周期分析结果显示，该组合策略使大豆生产的碳排放强度降低了33%，为农业系统减排提供了一种可行的应对气候变化的方法。
通过本研究提出的管理策略，有望在不影响产量的前提下，帮助农户显著减少大豆种植期间的温室气体排放，为实现农业的气候智能管理提供了有力的科学依据。
图1.美国和加拿大在 BAU 管理条件下在同一试验中种植的 54 对玉米和大豆作物（地点-处理-年份案例）的年 N2O 排放量。
图2.在 BAU 和非 BAU 管理下，玉米-大豆轮作中大豆作物对累积 N2O 排放的贡献与玉米施肥率的关系。每项研究的 BAU 和非 BAU 定义基于作者对传统 (BAU) 和替代 (非 BAU) 实践的描述。50% 虚线表示两种作物对 2 年轮作排放的贡献相同。黑线和灰色区域显示双线性模型（方程 (1)）及其 95% 置信区间。红点表示三项长期实验的多年平均值，这些实验未包括在分析和模型选择中，因为它们每年没有轮作的两个阶段。
图3.大豆轮作阶段 N2O 排放量相对于 BAU 管理的变化。a、b，以面积 (a) 和产量比例 (b) 为基础表示的变化。每个框代表使用 APSIM 模型模拟美国中西部 15 个地点 (n = 450) 的 30 年玉米-大豆轮作。
图4.模拟爱荷华州萨瑟兰玉米-大豆轮作期间的每日 N2O 排放量。a–d，黑线和阴影带代表 30 年内的平均值和 95% 置信区间。彩色区域表示作物的平均生长季节（从种植到收获或覆盖作物终止）。在模拟中，种植和收获日期每年都会根据美国农业部在州一级的调查数据而变化。a，BAU 管理下的排放量。b–d，在 BAU 管理下，包括覆盖作物 (b)、提前大豆种植日期 (c) 和同时进行 (d) 导致的 N2O 排放量变化。
表1.四种管理情景下玉米-大豆种植系统大豆阶段温室气体排放的生命周期评估。
