优化农艺管理对土壤温室气体减排的关键作用：地中海干湿气候区的实证研究

农业活动导致的温室气体（GHG）排放问题严峻，研究人员评估了意大利北部湿润和南部干旱地区两种种植系统的 GHG 减排潜力。结果显示，优化种植系统（ECS）在湿润地区是 GHG 汇，干旱地区两种系统均为汇。该研究为农业减排提供了重要依据。

在全球气候变化的大背景下，农业活动成为温室气体排放的重要源头之一。农业生产中的各种操作以及土地利用变化，使得二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）等温室气体大量排放。其中，农业直接和间接产生的 N₂O 排放占人类活动导致的温室气体排放总量的 52% ，而 N₂O 的全球变暖潜能在 100 年尺度上是 CO₂的 265 倍。

目前，量化土壤温室气体通量面临诸多挑战。土壤中碳（C）和氮（N）库的动态受多种生物和非生物因素影响，导致土壤物理条件和矿质氮含量波动，进而使 N₂O 和 CO₂排放变化无常。例如，降雨、耕作、残茬还田和施肥等活动，会引起土壤水分和矿质氮水平的快速变化，常常引发排放峰值。而且，现有测量技术存在局限性，如封闭箱技术虽广泛应用，但测量频率影响对排放峰值的捕捉，自动化箱式系统虽能实现高频测量，但安装和维护成本高，且难以充分覆盖空间异质性；涡度相关技术虽能提供更广泛的空间覆盖和高频测量，但成本高昂且需要专业知识管理，也不适合观测小区尺度的效应。此外，模拟模型虽能在一定程度上解决测量难题，但模型参数化需要大量数据，且参数不准确会引入不确定性。

为了解决这些问题，来自多个研究机构的研究人员（Ragaglini Giorgio、Perfetto Marco 等）开展了相关研究。他们在意大利北部（湿润气候区）和南部（干旱气候区）的两个试点农场，对比了优化种植系统（Efficient Cropping System，ECS）和传统种植系统（Conventional Cropping System，CCS）的温室气体减排潜力。该研究成果发表在《European Journal of Agronomy》上，为农业温室气体减排提供了重要的理论支持和实践指导。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过自动监测站，利用流动式非稳态自动箱（WEST System）对土壤 CO₂和 N₂O 通量进行连续监测，同时测量土壤温度（ST）、含水量（SWC）等辅助变量。其次，运用 R 语言中的 “gasfluxes” 包，根据不同回归模型拟合气体浓度随时间的变化，从而估算通量。此外，使用 ARMOSA（Analysis of cRopping systems for Management Optimization and Sustainable Agriculture）模型，结合土壤和气象数据，模拟作物生长、水、碳和氮动态，并通过校准和验证提高模型准确性。

研究结果如下：

• 测量的温室气体通量：两个温室气体监测站在野外条件下运行稳定，测量质量良好。在湿润地区，CCS 的 CO₂累积排放量为 67.97±21.16 t CO₂ ha⁻¹，ECS 为 55.06±18.25 t CO₂ ha⁻¹；N₂O 排放量 CCS 为 6.78±2.65 kg N₂O ha⁻¹，ECS 比 CCS 低 17.6% 。在干旱地区，CCS 的 CO₂累积排放量为 27.12±9.05 t CO₂ ha⁻¹，ECS 为 29.82±12.85 t CO₂ ha⁻¹；N₂O 排放量 CCS 为 1.81±0.85 kg N₂O ha⁻¹，ECS 比 CCS 低 7.2% 。
• 模型性能评估：ARMOSA 模型在模拟作物和土壤相关变量以及温室气体排放方面表现出一定的准确性。在湿润地区，模型对 CO₂和 N₂O 排放的模拟精度较高；在干旱地区，对 CO₂排放模拟效果良好，但对 N₂O 排放模拟存在一定偏差，主要是系统误差较大。总体而言，模型对土壤相关变量的模拟效果较好，对作物相关变量的模拟中，对谷类作物的拟合效果优于豆类作物。
• 模拟土壤温室气体平衡：在湿润地区，CCS 由于较高的 N₂O 排放成为温室气体源，而 ECS 是温室气体汇；在干旱地区，两种系统均为温室气体汇，但 CCS 的减排潜力更高。此外，研究还发现，豆类作物轮作中的生物固氮在湿润地区更高，而干旱地区 ECS 的氮利用效率更高。综合来看，湿润地区 CCS 的环境影响最不利，干旱地区 ECS 的环境影响最有利，但后三种系统的平均年产量较低。

研究结论和讨论部分指出，优化种植系统在减少温室气体排放方面具有重要作用。在湿润地区，传统种植系统虽然生产力较高，但较高的 N₂O 排放使其成为温室气体源；而优化种植系统通过减少 N₂O 排放，成为温室气体汇。在干旱地区，两种种植系统均为温室气体汇，但优化种植系统更接近中性温室气体平衡。此外，作物残茬管理和年氮施用量对土壤温室气体平衡有显著影响。作物残茬输入与 CO₂排放呈正相关，在湿润地区，传统种植系统较高的残茬输入导致更多的 CO₂和 N₂O 排放；在干旱地区，年氮施用量对 N₂O 排放的影响更为显著。

该研究的重要意义在于，明确了不同气候区优化种植系统的温室气体减排潜力，为农业生产中的温室气体减排提供了科学依据。同时，研究也指出，在评估豆类作物和覆盖作物的减排效果时，应综合考虑其产量和生物量生产情况，避免因指标选择不当而低估其减排潜力。此外，该研究强调了同时测量 CO₂和 N₂O 通量对于理解种植系统碳氮动态的重要性，为基于过程的模型校准和评估提供了参考，有助于推动农业可持续发展，减少农业活动对气候变化的负面影响。