在温带生态系统中耕种还是免耕?对减缓气候变化的影响

转载自再生农业 Regenerative Ag公号（2021年9月1日）

原文链接：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abe74e

编译：张泽依 张丹

摘要

      农业土壤的管理影响其温室气体(GHG)的排放组成和排放量。关于免耕对碳储存和温室气体排放的影响，说法不统一。在这里，我们评估免耕在一定时间范围内（1-15年）对碳储存和温室气体排放的影响，以及免耕在英国的减排固碳效果。发现，在英国由于在长期免耕管理，二氧化碳通量降低，免耕系统全球增温潜势（GWP）降低30%。同时，与常规耕作相比，免耕土壤碳储量和稳定性碳比例随时间增加，而土壤呼吸温度敏感性降低。我们认为，免耕可在减少温室气体排放的同时增加土壤碳汇，从而有助于减缓气候变化。在气候变化的背景下，我们的发现在制定农业生产可持续发展的新政策（例如英国的环境土地管理计划）方面尤为重要。

研究方法

      本研究探讨了在温带气候下采用免耕如何通过主要温室气体通量的变化和碳封存来影响气候变化。为了实现这一目标，该研究提出了5个具体假设（见下方），这些假设与从传统耕作到免耕以及温度变化如何改变土壤碳稳定性和CO₂、CH₄和N₂O量有关，同时解释了与土壤排放相关的过程和影响这些过程的因素。

五个假设

假设1：免耕能够增加土壤固碳是基于这个机理，即长期性免耕具有通过改变土壤孔隙结构来改变碳的官能团，从而产生物理和化学保护。因为基质稳定性通常是农业土壤中温室气体排放的预测因子。

假设2：与传统耕作的土壤相比，免耕通过改变土壤的多孔结构，保护有机物质不被分解，温室气体排放将会减少。

假设3：高温加剧了土壤有机碳的转化影响土壤碳的稳定性，而在传统耕作中土壤有机碳的稳定性最低。

假设4：免耕对温室气体通量和碳储存的影响会随着时间的推移而增强。

假设5：由于区域间土壤性质的差异，我们观测到的结果会存在区域差异。

      这项研究在英国英格兰东米德兰兹进行，占地面积6504km²（图1）。这里共有160个站点，分布在80组商业管理的田地中。

图1 （a)31个抽样农场(灰色圆圈)的位置，每个农场最多抽取3对免耕和常规耕作的农田，直到选取了80对。林肯郡的一个例子(b)，土壤样本的间距不超过10米，黄色(c)显示的是常规耕作的土地，蓝色(d)显示的是相应的免耕土地。

结果和讨论

1、长期免耕对土壤碳的影响

      免耕(>6年)改变了碳在整个土壤剖面的分布，这是与对照处理的土壤比较推断出的。土壤碳增加最多的是地表，而较小的增加发生在深达30厘米处，在那里常规耕种的土壤的碳含量更大。此外，在长期免耕土壤（>15年）中观察到中等稳定性有机碳的比例较大（峰值为1004纳米，属于醚官能团）。尽管我们证明，随着转变为免耕，土壤功能有机化学发生了强烈的变化，但重要的是要认识到，土壤达到碳储存稳定状态的时间将随气候、土壤类型和管理措施而变化。

2、土壤结构变得逐渐保护土壤有机质

      尽管所有免耕和常规耕作对总碳含量的影响没有显著差异，但我们确实证明了“长期免耕通过改变土壤结构改变了碳的功能基团”(假设1)，从而产生物理和化学保护。这些收获“随着时间的推移而增强，因为这是缓慢的土壤发育过程带来的长期变化”(假设4)(图2(a)-(h))。

图2  (a)利用x射线计算机断层扫描从免耕和常规耕作的完整土壤剖面中提取具有代表性的样品。两种处理方法之间的三维图像突出了表面连接的孔隙度。(b)可检测孔隙度(左y轴)和表面连通孔隙度(右y轴)，这是通过x射线计算机在50µm处断层扫描进行分析。在常规耕作(CT)、1-5年、6-10年和11-15年的免耕(ZT)条件下，土壤剖面均为常规耕作类型。土壤渗透阻力(kPa)(c)-(e)和团聚体稳定性(f-h)在免耕和常规耕作土壤。(c)，(f)1-5年;(d)，(g)6-10年;(e)，(h)11-15年。虚线(c)-(e)为1500kpa。没有显示误差条，因为它们比符号小，平均数和平均数的标准误差见补充表4。不同的灰色(f)-(h)表示团聚体的稳定程度，较浅的灰色表示不稳定(<0.8mm)团聚体，逐渐增加为中等稳定(0.8-1.3mm)团聚体，稳定团聚体为深灰色(>1.3mm)。  

3、常规和免耕土壤的温度敏感性

      我们发现，免耕土壤潜在的GWP降低的幅度随时间的增加而显著增加，与常规耕作土壤相比，免耕土壤在转换后的11-15年至少降低了75%的排放。文献中温室气体减少的一些相当大的变化似乎与这种时间效应有关，这表明免耕的气候缓解潜力可能只有在10年以上的时间尺度上才能实现。

4、不同农业措施的温室气体通量驱动因素

      我们发现免耕可显著降低CO2通量，增加CH4氧化。通过更好地管理秸秆还田，也可能降低N2O的通量，从而使免耕的气候变化缓解潜力更大。

5、温室气体排放和碳储存的区域变化

      我们在英国东米德兰兹地区提出的证据表明，长期免耕既能大幅减少潜在的温室气体排放，同时又能在一系列不同的土壤类型中增加碳储量。

      总之，我们证明免耕可以代表一种“双赢”的局面，除了减少二氧化碳排放，还能实现其他重要的效益。对农民来说，长期免耕可通过增加微生物量、防止土壤侵蚀和增加蚯蚓活动来改善土壤质量，从而增加水分入渗。除这些好处外，免耕还降低了成本和劳动力需求。例如，Smith等人认为，欧洲100%的免耕可以减少农业的所有化石燃料碳排放。我们发现，免耕10年后全球变暖潜势至少减少30%，这表明免耕作为减少英国农业排放的关键措施是可行的。综上所述,我们的结果表明,免耕可以作为温带气候区（包括英国在内）的减少农业碳足迹的一个关键工具。

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