英文题目：Legume straw incorporation with optimal nitrogen fertilizer improves soil quality and reduces the carbon footprint of farmland ecosystems in semiarid areas
中文题目：豆科秸秆与最佳氮肥的掺入可改善土壤质量并减少半干旱地区农田生态系统的碳足迹
期刊名称：Industrial Crops & Products
影响因子：5.6
作者单位：西北农林科技大学资源环境学院
DOI：https://doi.org/10.1016/J.INDCROP.2025.121081
温室气体排放引发的气候问题是全球关注的焦点，农业活动对土壤碳库和温室气体排放影响显著。秸秆还田作为可再生有机肥料，可提高作物产量和土壤肥力，但其与氮肥减施结合对土壤质量和温室气体排放的影响尚不清楚。豆科秸秆含氮量高、碳氮比低，可能促进微生物活动和养分转化，但在单作玉米系统中对温室气体排放和土壤有机碳（SOC）储存的影响尚不明确。在半干旱地区，优化氮肥和秸秆还田对农业可持续发展至关重要。本研究进行了一项为期两年的田间试验，以全面评估氮肥施用量和不同秸秆掺入量对玉米生长、土壤质量指数（SQI）、直接全球升温潜能值（GWPdirect）和碳足迹（CF）的影响。处理包括：不施氮肥（CK）、常规氮肥225 kg/ha（N225）、常规氮肥减少20%（N180）、掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180（SN180）和掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180（MN180）。
施氮显著增加了地上生物量和氮吸收（表1），2022年N180和N225处理之间没有显著差异。而与2022年相比，2023年N225处理的地上生物总量和氮吸收量分别增加了7.86%和17.51%。与N180处理相比，SN180和MN180处理的生物量没有明显变化。重要的是，N180、SN180和MN180处理在这两年的产量与N225处理相当（表1）。与N225处理相比，2022年N180，SN180和MN180处理使NAE（氮农艺效率）增加了16.98 %，26.92 %，24.36 %，2023年增长了16.54 %，19.82 %，20.89 %。与N180处理相比，2022年和2023年N225处理分别使NRE（氮回收效率）略微降低了6.52%和1.35%，SN180和MN180处理组的NRE与N180处理组相似（表1）。
表1.不同处理下的地上生物量、地上氮吸收、粮食产量、氮回收效率（NRE）和氮农艺效率（NAE）。注：这些值以平均值±误差棒表示（n=3）。不同的字母表示处理之间存在显著差异（p<0.05）。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20%，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。与CK处理相比，施氮肥使MBC（微生物生物量碳）和DOC（可溶性有机碳）含量增加了12.0 %–42.76 %、14.01%–62.78 %，土壤磷酸化酶活性增加了13.09 %–18.67 %；N180和N225处理之间的差异不显著。与N180处理相比，SN180处理使MBC和DOC含量以及土壤碳获取酶活性增加了17.18 %–26.97 %，4.89 %–6.36 %，7.31 %–14.33 %，MN180处理使MBC含量和土壤碳获取酶活性分别提高了13.05 %–20.70 %和2.80 %–10.06 %。
施氮处理分别增加了13.72 %–28.74 %、0.53 %–5.75 %、6.91 %–27.46 %的MBN（微生物生物量氮）、DN（溶解氮）和矿质N。与N180处理相比，SN180处理进一步提高了14.73 %–35.91 %、4.58 %–7.42 %、12.28 %–13.31 %、18.77 %–30.77 %的MBN、DN和矿质N含量以及氮获取酶活性，MN180处理分别增加了8.98 %–26.92 %、3.85 %–5.87 %的MBN和DN含量。
氮肥施用减少27.18 %–41.41 %的AP含量，并且对MBP含量和土壤磷酸化酶活性影响较小。与N180处理相比，SN180处理使AP含量和土壤磷酸化酶分别提高了13.19 %–19.14 %、4.95 %–12.15 %。总体而言，与CK处理相比，施用氮肥和秸秆还田提高了SQI，秸秆还田的效果更好。与N180处理相比，SN180处理在2022年和2023年显著提高了9.20 %和10.76 %的SQI，MN180处理分别在2022年和2023年使SQI增加了3.19 %和8.69 %（图1）。
图1.2022年（a）和2023年（b）不同处理下的土壤质量指数（SQI）。柱状图是平均值和标准误差（n = 3)。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20 %，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。
温室气体排放量（GHG）、全球变暖潜力（GWPdirect）和产量标度GWPdirect
二氧化碳排放量随季节温度变化呈一致趋势。2022年，N225处理的累积二氧化碳排放量明显高于N180处理。与N225处理相比，SN180处理分别在2022年和2023年使累计二氧化碳排放量增加了26.29 %和33.60 %，MN180分别在2022年和2023年增加了9.53 %和15.18 %。SN180处理在这两年中的累积二氧化碳排放量最高（图2a）。总体而言，所有处理都导致了CH4排放的负变化（图2b）。在整个试验期间，CK处理的N2O排放量最低，随着氮肥施用量的增加，N2O排放量也会增加。在基础施肥和追肥后，SN180和MN180处理的N2O排放峰值高于N225处理，且N2O排放持续时间较长。N225处理的累积N2O排放量较N180处理组提高9.56 %-20.33 %。与N225处理相比，SN180处理分别2022年和2023年使累积N2O排放量增加了49.21 %和67.03 %，MN180处理分别在2022年和2023年使累积N2O排放量增加了28.02 %和34.76 %（图2c）。
与CK处理相比，N180和N225处理在两年内显著增加了GWPdirect。SN180处理组在2022年和2023年的GWPdirect较N225处理组提高了92.60 %和95.31 %，MN180处理组在2022年和2023年的GWPdirect分别较N225处理组提高了53.51 %和49.67 %（表2）。其中以SN180处理的GWPdirect产量最高，其次是MN180、N225和N180处理。图2.不同处理下CO2（a）、CH4（b）和N2O（c）的累积排放量。柱状图是平均值和标准误差（n= 3)。不同的字母表示处理之间的显著差异（p<0.05)。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20 %，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。
表2.GWPdirect、不同处理下的产量标度GWPdirect、净GWP和碳足迹（CF）。
注：这些值表示为平均值±标准差（n=3）。不同的字母表示处理之间存在显著差异（p<0.05）。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20 %，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。
在所有处理中，SOC含量变化为-0.15 −0.61 g/kg，初始值为7.90 g /kg（图3a）。与CK处理中SOC封存率的降低不同，N180和N225处理分别将SOC封存率提高了0.06和0.17Mg•C•ha−1•y−1。此外，SN180和MN180处理的SOC封存率更高，分别为0.54和0.37Mg•C•ha−1•y−1（图3b）。
图3.不同处理下0 −20 cm土层的土壤有机碳（SOC）含量（a）和SOC封存率（b）。柱状图是平均值和标准误差（n= 3）。不同的字母表示处理之间存在显著差异（p<0.05）。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20 %，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。
2022年和2023年的净GWP值范围分别在560.79-2078.54kg•CO2-eq•ha−1和563.05-2078.18kg•CO2-eq•ha−1（表2）。在两年研究中，所有处理对净GWP和碳足迹（CF）的影响是一致的，N180和N225处理之间没有显著差异。然而，与N225处理相比，SN180处理在2022年显著降低了73.02 %的净GWP和73.50 %的CF，在2023年分别降低了72.91 %和72.05 %。MN180处理分别在2022年和2023年显著降低了49.75 %和49.42 %的净GWP和49.97 %和48.81 %的CF，其中以SN180处理组的CF最低（图4）。
图4.不同处理下2022年（a）和2023年（b）的净全球变暖潜势和2022年（c）和2023年（d）的碳足迹的构成。CK：不施氮肥，N180：常规氮肥减量20 %，N225：常规氮肥225 kg/ha，SN180：掺入大豆秸秆-豆科作物秸秆的N180，MN180：掺入玉米秸秆-禾本科作物秸秆的N180。
本研究在半干旱地区，不同氮肥施用量和不同秸秆还田方式对土壤质量、温室气体排放以及农田生态系统碳足迹的影响。研究通过两年的田间试验，综合评估了氮肥施用率和不同秸秆还田对玉米生长、土壤质量指数（SQI）、直接全球变暖潜力（GWPdirect）和碳足迹（CF）的影响。研究结果强调了在半干旱地区，减少20%的常规氮肥施用量可以维持玉米产量，并显著提高氮肥农艺效率，但可能会降低SOC含量。大豆秸秆还田与最佳氮肥施用量相结合，在提高土壤质量和减少碳足迹方面的综合效益大于玉米秸秆还田，主要通过增加SOC固定和减少碳足迹来实现。在半干旱地区，通过优化氮肥施用和秸秆还田方式，可以实现土壤质量的提升和环境影响的降低，为可持续农业发展提供了科学依据。参考文献：Song J, Jiao Y, Wu W, et al. Legume straw incorporation with optimal nitrogen fertilizer improves soil quality and reduces the carbon footprint of farmland ecosystems in semiarid areas[J]. Industrial Crops and Products, 2025, 230: 121081.