碳效益与作物产量之间的权衡

伊利诺伊大学香槟分校农业生态系统可持续发展中心 (ASC) 的研究人员领导的一项研究量化了中西部农业生态系统中玉米-大豆轮作覆盖作物的土壤有机碳 (SOC) 效益。

该研究发表在Global Change Biology上，使用ecosys，一种先进的基于过程的生态系统模型，评估冬季覆盖作物在不同环境和管理条件下对 SOC 积累的影响。通过了解如何实现和优化 SOC 效益，农民和政策制定者将能够制定管理实践，以支持肥沃的田地，同时将大气中的二氧化碳 (CO 2 )吸收到土壤中。

已发现覆盖作物可通过将大气中的 CO 2隔离到土壤中来有效增加土壤有机碳，因此具有缓解气候变化的巨大潜力。一种衡量 SOC 效益的可行方法将有助于农民、政府机构和行业实施气候智能型覆盖种植做法。然而，在很大程度上仍然没有准确且经济高效的方法来量化 SOC 收益。

为了帮助满足这一需求，ASC 研究人员正在采用生态系统建模方法。他们的研究表明，在伊利诺斯州，种植覆盖作物每年每公顷平均可增加 0.33 兆克碳(相当于每年每英亩 0.54 吨大气中的二氧化碳)，并且可以通过增加覆盖作物生物量。ecosys模型不仅有助于量化覆盖作物的 SOC 效益，还可以提高对控制 SOC 效益的环境因素的科学理解，包括土壤条件、天气和覆盖作物种类。

结合团队之前的工作，研究人员还发现，覆盖作物的 SOC 收益与经济作物产量之间存在权衡。具体来说，如果覆盖作物具有更大的生长窗口，它们会长出更大的生物量，从而具有更高的 SOC 效益。然而，在这种情况下，经济作物因与覆盖作物争夺土壤中的水、氮、氧等资源和养分而减产的风险增加;最近一项涉及 ASC 成员的实证研究证实了这项工作。不同的工作领域共同强调需要仔细管理覆盖作物以避免潜在风险。

综合机械建模可以通过模拟不同条件下的覆盖作物生长来帮助解决这个权衡问题。在中西部地区，选择特定覆盖作物类型和调节其生长窗口等管理措施是其 SOC 效益的主要控制因素。通过模拟，建模方法可以帮助选择最佳管理实践，在不影响作物产量的情况下最大限度地提高 SOC 效益。

“我们的研究表明，经过使用田间试验数据进行严格验证的 ecosys 模型可以成为指导覆盖作物的适应性管理和量化覆盖作物的 SOC 效益的有效工具，”该出版物的第一作者、研究生 Ziqi Qin 说。伊利诺伊大学自然资源与环境科学系 (NRES) 的学生。“这为从业者更好地管理覆盖作物和决策者更好地设计农业政策提供了实用工具和见解。”

除了 SOC 效益外，研究人员还发现覆盖作物还可以通过其他方式使土壤环境受益。ecosys模拟表明，当覆盖作物存在时，土壤微生物中储存的碳量会增加。这一发现与之前的实证研究一致，这些研究发现使用覆盖作物可以提高土壤肥力。

“管理覆盖作物的最佳做法因田地而异，”ASC 创始主任、NRES 副教授兼新发表研究的项目负责人关开宇说。“我们的工作确定了覆盖作物和经济作物之间的权衡，这进一步证明了为农民制定管理指南和技术援助以更好地利用覆盖作物同时保持经济作物产量的必要性。”

这项研究的合著者包括印第安纳大学的研究人员 Wang Zhou、Bin Peng、Tongxi Hu、María B. Villamil、Evan DeLucia、Andrew J. Margenot、Zhangliang Chen 和 Jonathan Coppess;DOE 劳伦斯伯克利国家实验室的 Jinyun Tang;明尼苏达大学金哲农;阿尔伯塔大学的罗伯特·格兰特;和能源部桑迪亚国家实验室的 Mishra Umakant。

这项研究由伊利诺斯州营养研究与教育委员会、NSF 职业奖、农业部 NIFA 计划和食品与农业研究基金会资助。