什么是碳封存，我们如何利用农业土壤?

集约化管理的农业土壤损失了其耕作前的50%至70%的碳(Lal, 2007;Zomer等人，2017)。

这种损失是CO浓度增加的部分原因₂在大气中。捕获大气CO的管理实践₂和加强土壤中碳(C)的固存是必要的。碳封存是指将大气中的碳转移到另一个长期碳库中。土壤是最大的陆地水库(图2)，并可能提供从大气中去除碳的最佳方法。

事实上，农业土壤是最大的陆地碳库，因此是一个巨大的潜在碳库(Zomer et al.， 2017)。

土壤自然可含碳量的最大值与实际含碳量之间的差称为土壤饱和亏缺(Feng et al.， 2011)。赤字越大，碳储存的潜力就越高。北美的土壤碳储量潜力是所有大陆中最高的，每年为0.17 - 0.35亿吨(Gt)，而美国是地球上潜力最大的国家(Zomer et al.， 2017)

覆盖作物如何吸收碳?

碳转移到土壤的主要方法是通过光合作用，然后储存在植物的根组织中，这些根组织分解成土壤有机质(Kell, 2011)。因为植物会吸收CO₂从大气中提取并储存在它们的生物量中，在田间分解的植物残渣有助于增加土壤碳(图3）.

碳作为有机物进入土壤后，有几个因素决定了它在土壤中停留的时间。良好的土壤聚集性可通过防止土壤有机碳氧化为CO，从而在团聚体中对土壤有机碳(SOC)进行物理保护(Amado等，2006)₂通过微生物活动。从SOC氧化成CO₂当微生物利用碳来建立自己的生物量时发生。通过残留物添加有机物可以调节土壤温度，从而降低碳流失的速度(Melillo, 2017)。

增加土壤碳的好处

恢复流失的土壤碳有很多好处，不仅对环境有好处，对生产者的底线也有好处。土壤碳积累促进土壤颗粒聚集、土壤水分保持、微生物活性、养分循环等关键土壤过程，提高土壤整体肥力和生产力。

利用覆盖作物进行碳封存的潜力

人们普遍认为覆盖作物可以吸收碳，但其潜在影响的大小存在争议(Zomer等人，2017)。覆盖作物的固碳量随土壤类型、管理、海拔和气候而变化(Poeplau和Don, 2014)，较冷的气候最适合长期碳储存。此前的研究估计，覆盖作物在农业土壤中固碳的速率为0.22吨/英亩/年(Ruis和Blanco-Canqui, 2017)。

内布拉斯加州的调查结果

我们从2014年到2018年在内布拉斯加州的三个地点进行了一项为期四年的研究(图4)，以确定覆盖作物种植日期和覆盖作物类型对玉米和玉米-大豆轮作土壤有机碳储量、颗粒有机质浓度和土壤团聚的影响。

覆盖作物种植期处理为收前撒播(约收前一个月)和收后钻播。研究的处理是:无覆盖作物，谷物黑麦和混合谷物黑麦，冬豌豆，毛角野豌豆和萝卜。

在我们的实验中(图5)，我们发现，虽然覆盖作物种植日期和类型对土壤有机碳没有影响，但黑麦覆盖作物和覆盖作物混合种植使Mead和Concord站点的大团聚体百分比比对照提高了约4.1%，Clay Center站点的大团聚体百分比比对照提高了5.1%。大团聚体的定义是大于0.25毫米或约1/100英寸的土壤团聚体，对土壤中碳的储存有作用。土壤中碳的聚集量越大，碳的周转时间越短。在Mead和Concord试验点，覆盖作物使不稳定或容易降解的有机质(POM)总量比对照增加了14%。种植日期对有机质聚集和颗粒浓度的影响最小。

结论

我们为期四年的研究表明，覆盖作物可以促进土壤聚集，因此可以提高土壤的碳存储能力。在雨养地点，微粒有机物的增加表明覆盖作物有封存碳的潜力。总的来说，根据我们和其他研究的结果，覆盖作物可能在短期内显著改善土壤聚集和颗粒有机质浓度，这表明覆盖作物在长期(超过4年)内具有储存土壤碳的潜力。

支持

该项目由美国农业部NIFA农业和食品研究计划:教育和扫盲计划-本科生体验学习奖学金计划以及内布拉斯加大学林肯农学系促成。

参考文献

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Ruis, s.j.和H. Blanco-Canqui。2017.覆盖作物可以抵消作物残茬去除对土壤碳和其他特性的影响中国农学通报(5):559 - 561。

佐默，r.j.， D.A. Bossio, R. Sommer和L.V. Verchot。2017。农田土壤增加有机碳的全球封存潜力科学报告7(1)。

关于作者

朱莉·麦克道尔

朱莉·麦克道尔(Julie McDowell)是2018年夏天完成内布拉斯加林肯大学综合农艺系统奖学金的9名本科生之一。

作为路易斯安那州新奥尔良市杜兰大学环境地球科学专业的一名学生，她致力于研究气候变化，以找到有利于全球生态系统的有意义的、现实的解决方案。她将于2019年5月毕业，获得理学学士学位，并计划继续攻读大气科学硕士学位。