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在全球变暖背景下，土壤有机碳（SOC）作为碳汇备受关注。研究人员为探究作物选择对 SOC 的影响，分析美国玉米和大豆轮作数据。结果显示，玉米种植年限与 SOC 储量正相关。该研究为农业碳管理提供依据，助力缓解气候变化。
在全球气候变暖的大背景下，二氧化碳等温室气体的排放使得全球气温不断攀升，仿佛给地球裹上了一层越来越厚的 “棉被”。按照政府间气候变化专门委员会的预测，若温室气体排放趋势持续，未来几十年全球变暖很可能突破 1.5°C 和 2°C 的阈值。在这场与气候变化的 “战斗” 中，土壤有机碳（SOC）成为了关键 “选手”。土壤作为天然的碳汇，可以吸收大气中难以削减的碳排放，然而，土地利用变化和传统作物生产方式却又可能让土壤变成二氧化碳排放的 “源头”。自 1850 年至 2015 年，美国农业用地扩张了 110%，这使得人们开始担忧，与原生生态系统相比，农业土壤中的 SOC 储量是否正在逐渐减少。
为了应对这一挑战，科研人员一直在寻找和测试 “最佳管理实践”（BMP），比如种植覆盖作物、减少或免耕、优化养分管理等，希望以此增加农田中的 SOC 储量。但在众多研究中，作物种类的选择对 SOC 储量的影响却常常被忽视。来自美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）和美国农业部经济研究局（United States Department of Agriculture-Economic Research Service）的研究人员 Yining Wu、Eric C. Davis 和 Brent L. Sohngen，决定深入探究这一被忽视的领域。他们聚焦于美国中西部作物生产的两大支柱 —— 玉米（Zea mays L.）和大豆 [Glycine max (L.) Merr.]，研究这两种作物的轮作方式对 SOC 储量的影响。该研究成果发表在《Carbon Balance and Management》上，为农业碳管理提供了重要的理论依据和实践指导。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。首先，他们利用美国农业部自然资源保护局（USDA-NRCS）的快速碳评估（RaCA）数据，获取了美国 2105 个农田站点在 5cm、30cm 和 100cm 深度的 SOC 储量及土壤特征数据。同时，借助美国农业部国家农业统计局（USDA-NASS）的农田数据层（CDL），根据经纬度信息确定各站点在 SOC 储量测量年份及之前一两年的作物类型。此外，还运用 PRISM 气候数据，分析温度和降水对研究结果的影响。通过这些多源数据的整合，为后续分析奠定了坚实基础。
作物轮作现状分析
研究人员发现，玉米 - 大豆轮作是美国主要的种植系统。在测量 SOC 储量的 2010 - 2011 年及之前一年，大部分农田采用这种轮作方式。通过对俄亥俄州、印第安纳州、爱荷华州和伊利诺伊州 40,000 个点的随机抽样分析，发现不同州的种植偏好有所差异。俄亥俄州和印第安纳州的农民更倾向于种植大豆，而爱荷华州和伊利诺伊州则更多种植玉米，这可能是由于土壤和气候的差异导致的。
作物类型对 SOC 储量的影响
通过构建模型分析发现，在玉米 - 大豆种植系统中，不同作物序列下的 SOC 储量存在显著差异。总体而言，在测量 SOC 储量前 3 年中，玉米种植年限越长，各土层的 SOC 储量越高。大豆单作土壤的平均 SOC 储量最低，为 109.73Mg/ha C，而玉米单作土壤最高，达 300.20Mg/ha C。进一步的 t 检验表明，与大豆单作相比，1 年玉米轮作的 SOC 储量显著更高（p<0.10），2 年和 3 年玉米轮作的置信水平更高（p<0.05 和 p<0.01）。而且，玉米种植的时间也会影响 SOC 储量，在测量当年种植玉米比前一年种植玉米对 SOC 储量的增加作用更明显。
情景分析
研究人员设定了 6 种假设情景，量化了在不同种植决策下 SOC 储量的潜在变化。结果显示，如果将俄亥俄州、印第安纳州、爱荷华州和伊利诺伊州目前所有单作大豆或大豆 - 玉米轮作的土地都改为玉米单作，预计 SOC 储量将增加 896.7 百万 Mg C，其中爱荷华州贡献最大。若将当前轮作方式调整为每 3 年种植 2 年玉米，理论上 SOC 储量可增加 172.9 百万 Mg C，按照 2020 年美元计算，这将带来约 1170 亿美元的收益。
研究表明，通过调整玉米 - 大豆轮作方式可以增加美国玉米带的 SOC 储量，为应对气候变化提供了一种潜在的策略。然而，这一策略也面临着诸多挑战。从环境角度看，增加玉米种植可能导致氮氧化物排放增加，影响空气质量；同时，玉米带的水质问题也可能因肥料氮的增加而加剧。从经济和市场角度考虑，大规模转向玉米种植会影响粮食市场，导致大豆产量减少，价格上升，进而影响国际贸易格局和粮食安全。未来研究需要综合考虑这些因素，通过构建综合评估模型，更全面地评估轮作变化带来的直接和间接影响，为农业碳管理和可持续发展提供更科学的决策依据。
