种植大豆的排放量惊人，但减少排放量的时机已经成熟
爱荷华州立大学研究小组的新研究表明，在爱荷华州大多数农民通常采用的玉米和大豆两年轮作期内，40% 的一氧化二氮排放量发生在大豆种植年。爱荷华州立大学农学教授、威廉·T·弗兰肯伯格土壤科学教授迈克尔·卡斯特拉诺说，由于大多数大豆田没有使用氮肥，因此在作物轮作周期中大豆种植半程所释放的强效温室气体比例高得惊人。
“我们一直认为大豆等豆科作物不会产生很大的排放足迹，因为它们通常不需要施肥。但土壤中产生一氧化二氮的自然过程不会因为你不施肥而停止，”卡斯特拉诺说。
“在典型的种植系统中，近一半的排放来自大豆，而我们甚至还没有考虑过如何管理它们。”
由 Castellano 和博士后研究员 Tomas Della Chiesa 领导的团队希望改变这一现状。本月，《自然可持续性》杂志发表了一篇关于这项新分析的论文的一篇关于这项新分析的论文中，他们还分享了一个模型，该模型表明，在秋季种植冬季覆盖作物并在春季早些时候种植大豆可以减少三分之一的排放量，同时提高产量。
“这项研究中我最喜欢的部分是农民更有可能立即实施这些解决方案，因为它们实用且可扩展。这些选择已经存在，但人们并没有以这种方式考虑它们，”卡斯特拉诺说。
固有的挑战
在大多数行业中，都有技术可以减缓或阻止导致气候变化的温室气体（如二氧化碳）的排放。农业面临的挑战更为严峻，而且是与生俱来的。其温室效应主要来自甲烷和一氧化二氮，这些排放很难控制，因为它们是生物副产品。牲畜消化是甲烷的最大来源，而土壤管理是一氧化二氮的主要来源。
卡斯特拉诺说：“如果你要种植农作物，就会产生一些温室气体排放。”
卡斯特拉诺还领导着爱荷华州氮肥倡议，他表示，人们将大部分注意力放在玉米带农田的排放问题上，以优化氮肥的使用，这是有道理的。该倡议是一项正在进行的研究项目，旨在为爱荷华州的农民提供更精确的理想氮肥施用量数据。妥善管理肥料使用是减少玉米-大豆系统排放的第一步，还具有其他环境效益，例如改善水质。
但肥料并不是农业中一氧化二氮的唯一来源。当微生物分解土壤中的有机物时，产生的部分氮会转化为气体。如果没有植物来利用分解产生的氮，裸露的土壤会释放出更多的一氧化二氮——尤其是在春季，温暖和潮湿会促进微生物活动。这就是大部分大豆排放的原因。
德拉·基耶萨说：“这是由我们无法阻止的生化过程产生的。”
限制裸露农田
为了量化大豆种植对美国中西部上游主要作物轮作产生的一氧化二氮的贡献，Della Chiesa 和 Castellano 分析了 16 项先前的玉米-大豆系统研究数据。Della Chiesa 表示，他们发现 40% 的排放发生在大豆轮作的一半时间，这凸显了采取更广泛的减排措施的必要性。
“我们必须考虑与肥料无关的管理措施，”他说。“一年中有一半的时间，我们的土壤都是裸露的。”
研究人员在论文中研究的一种策略将大大缩短农田无活植物的时间。在成熟的玉米地中空中播种燕麦或黑麦的冬季覆盖作物，可以在两季作物之间的几个月内用植物覆盖土壤，而使用生长周期较长的大豆品种则可以提前进行春季播种。根据作物系统模型，这种双管齐下的方法将使大豆年排放量减少 33%，并且随着播种时间提前约四周，产量将提高 16%。
延季大豆随处可见，农民也越来越提早种植大豆。但他们通常优先在春季种植玉米，因为玉米产量受晚播影响比大豆产量更大。
美国农业部在 2023 年将联邦农作物保险覆盖的大豆最早种植日期提前了大约一周，这很有帮助。爱荷华州大部分地区的大豆如果在 4 月 15 日或之后种植，则受保险覆盖，而爱荷华州各地的玉米和爱荷华州南部的大豆则在 4 月 10 日或之后受保险覆盖。
卡斯特拉诺说，未来联邦官员应该考虑提前设定种植日期以获得保险覆盖的环境效益。
他说：“我们的工作表明，早期种植具有一定的价值，在做出这些决定时应该将其纳入考虑范围。”
下一步是什么？
一项为期三年的跟踪研究，旨在实地测试玉米覆盖作物与早期大豆相结合对排放和产量的影响卡斯特拉诺表示，目前正在进行
爱荷华州立大学的其他研究正在寻求利用早期种植优势的方法。卡斯特拉诺和爱荷华州立大学生态学、进化和生物生物学教授马修·赫福德参与了一项研究，探讨早期玉米种植对排放的影响。爱荷华州立大学的几位育种专家正在研究如何从基因上改良作物，使其更能耐受早期的寒冷。
卡斯特拉诺说，无论采用哪种方法，找到限制农业中一氧化二氮产生的方法至关重要。虽然一氧化二氮目前只占全球温室气体排放量的一小部分，但按磅计算，一氧化二氮吸收的热量比二氧化碳多 300 倍，而且它对气候变化的影响相对较大的相对影响在未来几年可能会上升。
“随着我们对其他经济部门进行脱碳，农业排放量占全球排放量的比例预计将迅速上升，因为缓解机会很少而且有限。所以我们需要这些减排策略，”卡斯特拉诺说。
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