研究背景：

        农业生产是全球温室气体排放的关键领域之一，尤其是旱地作物如大豆，其生产过程中产生的氧化亚氮（N2O）对气候变化的影响不容忽视。普遍存在一种误解，即认为不施氮肥的大豆作物N2O排放量较低。然而，针对北美大豆-玉米轮作系统的研究发现，大豆种植阶段的N2O排放量占整个轮作体系排放量的大约40%，这一比例远高于传统认知，揭示了当前减排策略的不足。

        本研究旨在探索和开发新的大豆种植管理策略，以有效降低北美大豆生产中的N2O排放。研究的核心目标是回答两个关键问题：首先，大豆种植阶段在大豆-玉米轮作体系中的N2O排放占比；其次，是否可以通过调整大豆种植时间、引入覆盖作物以及采用耐寒大豆品种等管理措施，显著减少大豆种植阶段的N2O排放。

研究方法：

        系统性文献综述：本研究通过梳理北美地区的前期实地试验结果，对大豆生长期间的N₂O排放量进行了量化分析，旨在评估大豆种植阶段在轮作体系中对N₂O排放的具体贡献。

        模型模拟：研究中运用了农业生产系统模拟器（APSIM）模型，针对北美中西部15个主要大豆种植区的气候、土壤和作物管理条件进行了详细仿真。模拟中考虑了四种不同的管理策略：（a）维持现状的标准管理，即业务如常（BAU）策略；（b）在玉米收获前30天种植黑麦作为非豆科覆盖作物；（c）提前种植成熟期较长的耐寒大豆品种；（d）结合“覆盖作物+早种”的综合管理策略。每种策略均基于30年的气候数据，并在多个地点进行了模拟，以评估不同管理策略对大豆N₂O排放的影响。

        生命周期评估（LCA）：研究还利用碳强度计算器（FD-CIC）进行了生命周期分析，将模型模拟结果与实际生产过程中的碳排放数据相结合，全面评估了不同管理策略对大豆生产碳排放强度的影响。

主要结果与图表：

        1、通过对16项研究，包括131对玉米和大豆的N2O排放数据集进行研究，结果表明在标准管理（BAU）下，玉米的N2O排放量（3.9 ± 0.36 kgN2O–N/ha/yr）高于大豆（2.0 ± 0.24 kgN2O–N/ha/yr）。其中，约34%的N2O排放量发生在大豆种植阶段。

        2、利用APSIM模型模拟了不同管理策略对N2O排放及大豆产量的影响。模拟结果显示，提前播种大豆和种植非豆科覆盖作物能在保持大豆产量的同时显著降低N2O排放。具体而言，提前播种大豆可减少17%的N2O排放，覆盖作物可减少20%，两者结合可减少28%的N2O排放。同时，这些管理措施也降低了单位产量的N2O排放量，即每生产一吨大豆所排放的N2O量减少了30%。

        3、采用FD-CIC方法评估了大豆生产的总温室气体排放量。在考虑了覆盖作物和提前播种的管理措施后，大豆生产的生命周期温室气体排放量减少了33%。

        本研究提出的管理策略适用性广，有望在不影响产量的前提下，帮助农户显著减少大豆种植期间的温室气体排放，为实现农业的气候智能管理提供了有力的科学依据。

图1（左）.美国和加拿大在 BAU 管理条件下在同一试验中种植的 54 对玉米和大豆作物（地点-处理-年份案例）的年 N2O 排放量

图2（右）.在 BAU 和非 BAU 管理下，玉米-大豆轮作中大豆作物对累积 N2O 排放的贡献与玉米施肥率的关系。每项研究的 BAU 和非 BAU 定义基于作者对传统 (BAU) 和替代 (非 BAU) 实践的描述

图3（左）.大豆轮作阶段 N2O 排放量相对于 BAU 管理的变化。a、b，以面积 (a) 和产量比例 (b) 为基础表示的变化。框线代表使用 APSIM 模型模拟美国中西部 15 个地点 (n = 450) 的 30 年玉米-大豆轮作

图4（右）.模拟爱荷华州萨瑟兰玉米-大豆轮作期间的每日 N2O 排放量。a–d，黑线和阴影带代表 30 年内的平均值和 95% 置信区间。彩色区域表示作物的平均生长季节（从种植到收获或覆盖作物终止）。在模拟中，种植和收获日期每年都会根据美国农业部在州一级的数据修正。a，BAU 管理下的排放量。b–d，在 BAU 管理下，包括覆盖作物 (b)、提前大豆种植日期 (c) 和同时进行 (d) 导致的 N2O 排放量变化

表1.四种管理情景下玉米-大豆种植系统大豆阶段温室气体排放的生命周期评估

原文：Della Chiesa, T., Northrup, D., Miguez, F.E., Archontoulis, S.V., Baum, M.E., Venterea, R.T., Emmett, B.D., Malone, R.W., Iqbal, J., Necpalova, M. and Castellano, M.J., 2024. 

Reducing greenhouse gas emissions from North American soybean production. Nature Sustainability, pp.1-8.