【Nature Sustainability】多样化作物轮作体系中碳积累有限但氮供应增加

研究问题： 本文的研究问题是探讨多样化种植系统对土壤有机碳（SOC）固定和氮（N）动态的影响。研究目的在于利用长期田间实验和实验室测量数据，结合三个具有稳定同位素的机械模型，研究传统的玉米-大豆轮作体系和包括小麦、豆科植物和肥料输入在内的两种多样化体系之间的SOC库和分解情况。研究发现，尽管多样化体系增加了氮肥利用率，但没有显著增加土壤有机碳，弥补了氮供应不足的困境。这一研究结果突出了多样化种植系统在氮供应和SOC储存之间的关键权衡，表明关键的气候效益可能源于减少氮肥使用，而不是SOC固定。

本文采用了多种研究方法，包括长期田间实验、实验室测量数据收集、稳定同位素相关的机械模型集成等。具体包括以下方面：

通过20年的田间实验，比较了常规的两年玉米-大豆轮作体系和包括小麦、豆科植物和肥料输入在内的两种多样化体系，分析土壤有机碳（SOC）和氮（N）库的变化。

在实验室进行土壤CO2产生和其δ13C值的监测，利用土壤孵育实验来测量CO2通量和δ13C值，考察不同轮作体系可能对分解过程产生的变化。

整合实验室数据和三种C同位素启用的机械模型，测试多样化种植系统如何改变分解过程的机制，评估不同C来源/池对不同作物轮作系统的响应。

进行土壤样品的采集、处理和分析，包括测量SOC、TN以及它们的δ13C和δ15N值，并采用元素分析/连续流同位素比质谱技术进行测量。

通过数学模型分析数据，比如利用Agricultural version of the Integrated Biosphere Simulator (Agro-IBIS)模型、Dynamic Land Ecosystem Model (DLEM)的有机碳分解模块、Microbial-ENzyme Decomposition (MEND)模型等来评估土壤C和N库、C分解和N矿化等情况。

这些方法的综合运用有助于深入了解多样化作物种植系统对土壤碳氮动态的影响及机制。

图1 | 不同作物轮作体系中的土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）和碳氮比（C/N）。 a–c分别为基于生态系统模型（ESM）的SOC及其加权碳同位素值（圆圈）（a）、基于ESM的TN及其加权氮同位素值（圆圈）（b）、以及基于ESM的SOC/TN比值（c）。2年：2年玉米–大豆轮作；3年：3年玉米–大豆–小麦/红三叶草轮作；4年：4年玉米–大豆–小麦/苜蓿–苜蓿轮作。数据由ESM方法计算，其中以2年轮作的0-1米土壤质量作为参考。误差条表示标准误差（2年、3年和4年轮作的样本量分别为8、12和16），中心为重复测量的均值。*P=0.011，**P=0.007，通过单因素方差分析（ANOVA）后跟随Dunnett检验。柱状图中的圆圈表示同位素值：2年轮作为黄色，3年轮作为蓝色，4年轮作为粉色。

图2 | 不同作物轮作体系中的土壤碳分解。 通过实验室观察从不同轮作体系中采集的土壤核心（深度1米）进行的累积碳分解实验。2年：2年玉米–大豆轮作；3年：3年玉米–大豆–小麦/红三叶草轮作；4年：4年玉米–大豆–小麦/苜蓿–苜蓿轮作。a,b分别为累积CO2产生量（a）和累积CO2的δ13C值（b）；c,d分别为累积分解的C3来源碳（c）和C4来源碳（d），以CO2的形式呼吸释放。误差条表示每次测量日期的累积值的标准误差（2年、3年和4年轮作的样本量分别为8、12和16），中心为重复测量的均值。

图3 | 不同作物轮作体系中的土壤净氮矿化。 通过实验室观察从不同轮作体系中采集的土壤核心（深度1米）进行的13.5个月的净氮矿化实验。2年：2年玉米–大豆轮作；3年：3年玉米–大豆–小麦/红三叶草轮作；4年：4年玉米–大豆–小麦/苜蓿–苜蓿轮作。误差条表示标准误差（2年、3年和4年轮作的样本量分别为8、12和16），中心为重复测量的均值。**P=2.2×10⁻⁵和5.9×10⁻⁵，分别为2年与3年和2年与4年之间的比较，采用单因素方差分析（ANOVA）后跟随Dunnett检验。

图4 | 不同作物轮作体系中不同碳库的模拟碳通量。 通过使用三个机制模型（分别为Agro-IBIS、CN-SIM和MEND模型）对多样化作物轮作体系（3年和4年轮作）中不同碳库的分解速率的影响进行模拟，结果与传统的玉米–大豆（2年）轮作进行比较。对数响应比是3年或4年轮作中碳库值与2年轮作中碳库值的自然对数比。模拟结果采用基于先前测量的初始碳库的最佳估计值。具有合理下限初始碳库值的情境在附加信息中有所表示。误差条表示95%的置信区间。深色符号表示均值对数响应比，半透明点显示每个重复小区的单个值。每个面板中列出的n值（分别为Agro-IBIS为29，CN-SIM为25，MEND为28）表示模型模拟中获得满意性能（CO2的决定系数R²>0.6，δ13C值的均方根误差RMSE<2‰）的样本数。y轴表示不同模型中碳库的驻留时间，各模型开发者定义的碳库名称列于括号中。

本文得出的结论是，多样化种植系统在土壤有机碳（SOC）固定方面并没有明显的增加，在0.3米表层土壤或1米剖面SOC和氮（N）库方面没有明显差异。然而，多样化系统显着提高了氮矿化速率，并加速了来自先前玉米输入的老SOC的分解。模型揭示了根据居住时间长短为几个月至几年的有机C分解增加，抵消了更高的C输入，但增加了N供应。研究结果突出了多样化种植系统在C存储和N供应之间的关键权衡，表明其关键气候效益可能源于减少氮肥使用，而不是SOC固定。

Yi, B., Huang, W., Liebman, M. et al. Diversified cropping systems with limited carbon accrual but increased nitrogen supply. Nat Sustain (2025). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01495-4