北方草原区油菜-小麦轮作系统的净生态系统碳平衡与温室气体收支研究

《Agricultural and Forest Meteorology》：Net ecosystem carbon balance and greenhouse gas budget of a canola-wheat cropping system in the northern prairies

本研究针对北美北部草原重要农业区缺乏油菜-小麦轮作系统碳平衡数据的现状，通过微气象学方法连续监测2021-2025年两个完整轮作周期的温室气体通量，首次发现该4年轮作系统整体呈碳中性（NECB = 2±35 g C m-2yr-1），并证实改进氮肥管理可将GHGB降低60%，为区域碳政策制定和农业可持续发展提供了关键数据支撑。

　　

在全球气候变化背景下，农田生态系统扮演着复杂双重角色——既是温室气体的重要排放源，又具备成为碳汇的潜力。特别是二氧化碳(CO₂)和氧化亚氮(N₂O)这两种关键温室气体，其在大气中的浓度变化直接影响全球气候系统。加拿大草原地区作为北美重要农业区，占据全国80%以上的耕地面积，但关于该地区主要作物轮作系统（油菜-小麦）的碳平衡和温室气体收支(GHGB)的系统研究仍属空白。传统基于排放因子模型的估算方法难以捕捉实际田间条件下气体的动态变化，而静态箱法又无法实现连续监测，这为准确评估农业系统对气候变化的影响带来了挑战。

为填补这一知识空白，由D. Ferland、C. Wagner-Riddle、P?K?C Pow、S?E. Brown和K?A. Congreves组成的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》上发表了为期四年的田间观测研究。该研究基于萨斯喀彻温大学北部管理区的实验站，利用梯度通量(Flux-Gradient, FG)微气象学技术，对两个完整油菜-小麦轮作周期（2021年1月至2025年4月）的CO₂和N₂O通量进行了连续监测。研究团队设置了两种氮肥管理策略：传统管理（尿素100 kg N ha^-1）和改进管理（减量50%并采用增效肥料），旨在探究轮作系统的碳氮循环动态及其对管理措施的响应。

研究采用的主要技术方法包括：梯度通量微气象学监测系统，通过可调谐二极管激光痕量气体分析仪(TGA200A)实时测量CO₂和N₂O浓度梯度；REddyProc软件包进行数据质量控制、插补和通量分割；基于声波风速计测算摩擦速度(u_*)和涡流扩散系数；通过昼夜通量分割法将净生态系统交换(NEE)分解为总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(R_e)；结合收获物碳输出计算净生态系统碳平衡(NECB)；使用全球增温潜势(GWP=273)将N₂O排放转化为CO₂当量，最终得出温室气体收支(GHGB)。

3.1. 气象条件

研究期间气象条件呈现显著年际变异，2021年降水量仅168毫米，为该地区有记录以来第二干旱年份，而2024年降水量达423毫米，高于30年均值。温度波动范围在3.1-4.9°C之间，这种气候变异直接影响了作物生长和温室气体通量。

3.2. 净生态系统交换

净生态系统交换(NEE)表现出明显的季节和年际变化规律。油菜生长季NEE范围为-3.9至4.0 g C m^-2d^-1（2021年）和-8.6至3.8 g C m^-2d^-1（2023年）；小麦生长季为-5.3至2.1 g C m^-2d^-1（2022年）和-15.7至3.4 g C m^-2d^-1（2024年）。干旱条件显著抑制了CO₂吸收能力，而适宜水分条件则促进了强烈的碳汇功能。

3.3. 总初级生产和生态系统呼吸

总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸(R_e)的比值揭示了系统的碳交换效率。除2021年(GPP/R_e=0.8)外，其余年份该比值均大于1（2022年1.1，2023年1.3，2024年1.4），表明多数年份光合作用固定的碳超过呼吸作用释放的碳。2024年小麦表现出最强的光合能力，日最大GPP达27.1 g C m^-2。

3.4. 净生态系统碳平衡和温室气体收支

净生态系统碳平衡(NECB)分析显示，除第4年（-187 g C m^-2yr^-1）表现为碳汇外，前三年均为碳源（92、76和28 g C m^-2yr^-1）。整个4年轮作周期的平均NECB为2±35 g C m^-2yr^-1，统计学上不显著区别于零，表明系统整体呈碳中性。改进氮肥管理使N₂O排放降低57%，相应GHGB值在改进管理下为31±40 g CO₂-eq m^-2yr^-1，显著低于传统管理的79±48 g CO₂-eq m^-2yr^-1。

研究结论强调，加拿大北部草原区的油菜-小麦轮作系统在4年周期内表现为碳中性，这一发现挑战了传统认为谷物生产系统必然为碳源的观念。气候条件（特别是水分有效性）是决定系统碳汇/源功能的关键因素，而改进氮肥管理（4R原则：正确的来源、速率、时间和位置）能有效降低温室气体排放强度。该研究首次提供了基于实测的该区域主要轮作系统完整碳平衡数据，为制定区域特异性碳政策、评估农业可持续性提供了科学依据。研究结果对实现农业碳中和目标具有重要指导意义，表明通过优化作物管理和氮肥施用策略，北方草原农业系统有望在保证粮食生产的同时贡献于气候变化缓解。