Changing soil physicochemical properties, reducing net global warming potential and increasing maize silage yields by one-time high-dose incorporation of vegetable residue in drylands

技术摘要：干旱区蔬菜残体一次性高剂量还田研究

问题陈述
中国每年产生超过3.4亿吨蔬菜残体，是继大田作物秸秆之后的第二大农业废弃物来源。尽管这些残体含有丰富的营养储备（氮、磷、钾）和有机质，但其高含水量（>85%）和低干物质含量（<15%）阻碍了传统田间还田方法的效率。在交易市场和生产区的不当处置会导致严重的环境污染。此外，作为主要蔬菜产区的黄土高原正面临着由于集约化耕作和施肥不足导致的土壤退化问题，目前的产量通常仅为潜在产量的60%。因此，迫切需要确定既能缓解环境压力（温室气体排放）又能提高农业生产力的蔬菜残体循环利用优化策略，特别是在半干旱生态系统中。

研究方法
本研究于2020–2022年在位于中国甘肃省的半干旱生态系统实验站进行了为期两年的田间试验。研究采用随机区组设计，以青贮玉米（Zea mays L.）作为测试作物。实验处理采用了以下因素组合：

• 还田量 (W)： 三个水平的一次性高剂量蔬菜残体施用量：W1 (800 t·ha⁻¹)、W2 (1600 t·ha⁻¹) 和 W3 (2400 t·ha⁻¹)。
• 还田深度 (D)： 三种深度：D1 (10 cm)、D2 (20 cm) 和 D3 (30 cm)。
• 对照组： 不还田处理 (NW)，即仅翻耕表层土壤而不添加残体。

蔬菜残体由采集自当地交易中心的娃娃菜、花菜、芹菜和生菜组成。2021年，玉米在免耕条件下种植；2022年，引入了垄沟覆膜技术。

关键测量指标包括：

• 土壤理化性质： 温度、含水量、pH值、氧化还原电位 (RP)、溶解性有机碳 (DOC) 以及无机氮 (NH₄⁺-N, NO₃⁻-N)。
• 温室气体 (GHG) 排放： 使用静态箱法和气相色谱法监测 CO₂、N₂O 和 CH₄ 的通量。
• 气候影响指标： 计算净全球变暖潜势 (NGWP) 和温室气体强度 (GHGI)，综合考虑直接土壤排放、农业操作引起的间接排放以及残体还田带来的碳汇潜力。
• 作物生产力： 在生理乳熟期测量青贮玉米生物量产量。
• 统计分析： 使用方差分析 (ANOVA)、结构方程模型 (SEM)、Pearson 相关分析和随机森林分析来确定各因素的重要性。

主要结果

• 土壤理化性质： 高剂量还田显著改变了土壤条件。还田量和深度均与土壤温度及含水量呈正相关。残体还田引发了土壤 pH 值的双相响应（先升高后下降）以及氧化还原电位的持续下降。DOC 和 NH₄⁺-N 浓度在还田后 15–30 天达到峰值，且具有显著的剂量依赖性，较对照组分别增加了高达 4.8 倍 (DOC) 和 139.9 倍 (NH₄⁺-N)。相反，NO₃⁻-N 的积累呈现出与还田强度相反的趋势。
• 温室气体 (GHG) 排放： 增加还田量显著提高了 CO₂、N₂O 和 CH₄ 的排放量（分别为对照组的 5.15–12.77、25.54–70.67 和 0.92–2.24 倍）。CO₂ 排放表现出三峰式时间模式，在第 20 天达到峰值。N₂O 排放主要受还田深度的影响，在较低还田量 (W1, W2) 时，深层还田会抑制排放，但在最高还田量 (W3) 时则会增加排放。CH₄ 通量在第 150 天后从正值转变为负值（碳汇）。
• 净全球变暖潜势 (NGWP) 与温室气体强度 (GHGI)： 尽管温室气体排放增加，但高剂量处理处理表现出负的 NGWP 值，表明存在净碳汇效应。还田量与 NGWP 之间存在强烈的负相关关系 (r = -0.91, P < 0.01)。大规模有机碳投入带来的碳封存效益超过了相关的排放量。
• 作物产量： 青贮玉米产量对还田量呈现抛物线式响应。中等还田量 (W1 和 W2) 显著提高了产量（最高达对照组的 112.4%），而最高还田量 (W3) 则导致产量下降（比对照组低 17.7–41.1%），这归因于次生盐渍化和过度的养分积累。产量与还田深度呈正线性关系。
• 最佳策略： 研究确定了 1600 t·ha⁻¹ 的施用量 (W2) 结合 30 cm 的还田深度 (D3) 为最佳组合。该处理在最大化作物生产力收益的同时，最大限度地降低了环境影响，实现了碳封存与产量的平衡。

意义与主张
本文主张，一次性高剂量还田蔬菜残体是解决半干旱黄土高原废弃物管理和土壤肥力问题的可行策略。研究表明，虽然此类还田最初会刺激温室气体排放，但大量的碳封存潜力以及由此带来的作物增产（在中等处理水平下）有效地抵消了这些排放，从而实现了净全球变暖潜势的降低。

作者认为，该做法可以增强土壤肥力，部分替代合成肥料并提高作物产量，从而促进资源的可持续利用。然而，作者也提醒，过高的施用量（如 2400 t·ha⁻¹）可能导致土壤盐渍化和产量下降，强调了确定最佳施用率和深度的必要性。本研究为平衡碳封存目标与农业生产力提供了关键见解，表明受控的蔬菜残体还田（特别是结合垄沟覆膜等农艺措施时）是干旱地区的一种可持续管理策略。作者指出，仍需进行长期监测，以全面评估这些策略在土壤碳饱和度和持续温室气体排放方面的可持续性。