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黄淮海地区玉米/花生间作可减少碳足迹并
提高生态系统净经济效益：一项为期四年的研究
摘 要
全球气候变化和耕地减少的双重挑战对全球人口的稳定构成日益增长的威胁。因此，进一步优化耕作制度以Z大限度地提高产量，同时Z大限度地减少有限土地面积内的温室气体排放，已成为现代农业的一个重点。谷物间作管理策略可能代表了一种有望同时解决这两个挑战的方法。本篇文章旨在通过田间研究全面评估玉米/花生单作向间作过渡时产量、碳足迹和净生态系统经济效益的变化，以帮助发展低碳间作系统。从 2018 年 6 月开始，采用了随机完全区组设计，设立了三种处理：(1) 花生单作 (P)、(2) 玉米单作 (M) 和 (3) 玉米/花生间作 (MP) 。我们比较了产量、温室气体排放量、碳足迹和净生态系统经济效益。
四年的结果表明，与 MP 相关的土地当量比大于 1 。这三种种植系统均为CO2和N2O的净源，同时也是CH4的净汇，与 M 相比，MP 产生的 N2O 和 CO2 通量显着降低 (p < 0.05)，并且季节性 N2O 和 CO2 排放量也较小。MP 还减少了 与 M 和 P 相关的碳足迹分别为 11.11-31.65% 和 30.37-43.62%。一致的是，相对于 M 和 P 条件，MP 处理导致净生态系统经济效益 (NEEB) 分别增加了 70.69% 和 26.25%，同时提高了能源利用效率。总之，与传统的花生或玉米单作系统相比，MP 系统具有潜在的经济效益和较低的环境风险。从花生或玉米单作系统转向MP系统实践有助于提高农业系统的农田利用效率，实现清洁生产，并增加农民收入。
开展研究
来自湖南农业大学及山东省农业科学院的研究者于2018年6月至2021年10月在山东省农业科学院济阳实验基地（116°58′东经，36°58′北纬，见图1）进行田间研究。该研究地点海拔56米，属于暖温带大陆性季风气候，平均年日照时数、气温和降水量分别为2616.6小时、12.8°C和580毫米。山东省气象局提供的玉米和花生生长季节的气象数据如图2所示。
图 1. 研究地点位置。
图 2. 夏季玉米和花生生长季节的日降水量和日平均气温。
图 3. 玉米和花生植物在间作系统中排列方式的示意图，考虑了碳汇和碳源，以计算农田生态系统的净温室气体排放。
注：CG、CS、CR 和 CE 分别对应于收获产品生物量、地上残留物（主要是秸秆、凋落物和农作物残留物）、根和根产品（根分泌物和细根周转率）。
过 程
本研究采用LICA PS-3020便携式土壤氧化亚氮/一氧化碳通量测量系统和LICA PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统计算N2O、CH4和CO2通量的排放。每周进行一次测量，每个基座进行三次测量。追肥后次日起连续测量，直至稳定，所有测量均在8:30至11:00之间进行。
如图 4 所示，三种种植制度下土壤二氧化碳排放量的变化基本相似，在生长期间先增加后减少，特别是在追肥后。例如，2020年，播种后CO2排放率为2.02~3.59 μmol·m?2·s?1，随气温升高缓慢增加，在追肥后第2天达到峰值，该峰值持续约7年。天。M系统的峰值排放水平为12.61 μmol·m?2·s?1，而MP系统的峰值水平为9.16 μmol·m?2·s?1，保持在大约4.50 μmol·m?2·s 一周后为-1，并在成熟时进一步下降至较低水平。由于花生作物不需要追肥，排放率在成熟前保持相对稳定。
图 4. 2018-2021 年不同耕作制度下土壤 CO2 (a)、N2O (b) 和 CH4 (c) 通量。
图 5. 2018-2021 年不同种植制度下 CO2 (a)、N2O (b)、CH4 (c) 累计排放量。
注：图（a、b、c）中不同小写字母表示土壤 CO2（a）、N2O（b）和 CH4（c）通量在 p < 0.05 时存在显着差异。
表 1 2018-2021 年不同耕作制度下土壤 CO2、N2O 和 CH4 平均排放率。
结 论
近年来，气候变化、全球食品需求增长和耕地减少等问题日益严重，对社会整体稳定构成了严峻威胁，需要采取多样化的解决方案。优化农艺管理实践和种植系统可能是减少温室气体排放、节省能源的有效途径，而且不会影响作物生产力。本研究评估了中国黄淮海地区的玉米/花生间作系统，结果显示这种种植方式能显著提高单位耕地的作物产量，同时减少氮肥的施用量。相比于玉米单作系统，玉米/花生间作系统的温室气体排放明显减少，尤其是N2O排放降幅达到27.17%。此外，相较于玉米单作和花生单作，玉米/花生间作系统还能分别减少11.11–31.65%和30.37–43.62%的碳足迹，同时增加70.69%和26.25%的净生态系统经济效益，并提高了能源利用效率。综上所述，转变种植方式从花生或玉米单作系统转变为玉米/花生间作系统可能是中国黄淮海地区减少农业碳足迹、提高净生态系统经济效益水平的有效途径。
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