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为了满足不断增长的粮食需求，全球范围内空前的耕地扩张和农业集约化导致了一系列负面的环境影响，包括气候变化、生物多样性丧失和氮污染等。随着这些影响不断加剧甚至突破相应的地球边界后，农业生态系统的关键服务及其可持续性将受到无法逆转的损害。如何以更低的环境代价获得更高的产量，是当前全球农业所面临的一项巨大挑战。作为一种提高可持续性的潜在策略，覆盖作物实践已在农业生产中被广泛采用。通过地表覆盖和作物多样化，覆盖作物可以为农业生态系统提供各种好处，包括粮食供应、气候减缓和土壤稳定等。然而，其最大潜力往往受到环境权衡的限制，尤其是对于温室气体排放的显著刺激。 因此，深入探索优化覆盖作物实践（包括类型、终止和残茬管理），对于实现粮食安全和环境保护的双赢至关重要（图1）。

图1.  优化覆盖作物实践在不同情景下对多种农业生态系统服务的潜在效益

通过基于2302个观测数据的Meta分析和数据驱动，团队确定了覆盖作物实践的最优组合及其全球适用性。历史上，覆盖作物提高了作物产量、土壤碳储量和稳定性，但也促进了温室气体排放。然而，将它们与长期实施（五年以上）和气候-智慧型管理实践（如免耕）相结合，可以同时增强这些服务（图2）。豆科和非豆科覆盖作物的双作种植被确定为最优类型，结合在下一季作物种植前25天终止及随后的地表残茬覆盖，该实践组合可达到最佳效果。这种优化的做法预计将使农业生态系统多服务性提高1.25%，相当于作物产量每年增加9770万公吨、二氧化碳封存增加217亿公吨和土壤侵蚀减少24.1亿公吨（图3）。到本世纪末为止，继续实施优化实践可以减轻与气候相关的产量损失，并有助于气候中和与土壤稳定，特别是在恶劣环境和欠发达地区中。这些发现强调了优化覆盖作物实践协同提升粮食安全和环境友好型服务的可持续潜力。在全球气候变化和社会经济不平等日益加剧的今天，优化覆盖作物实践为实现联合国可持续发展目标，特别是在消除贫 困、零饥饿、气候行动和社会公平方面提供了基于自然的农业解决方案。

图2.  覆盖作物实践对农业生态系统多服务性的影响及其作用途径

图3.  优化覆盖作物实践下农业生态系统多服务性的当前和未来趋势

该研究以“Optimizing cover crop practices as a sustainable solution for global agroecosystem services”为题发表于Nature Communications。武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用教育部重点实验室为第一作者和通讯作者单位，博士研究生邱天逸为论文第一作者，方临川教授为通讯作者。团队黄敏副教授、博士生崔庆亮、赵淑玲参与了此项工作。共同作者还包括北京大学施宇博士、周丰教授和彭书时教授，西班牙巴塞罗那自治大学Josep Peñuelas教授和Jordi Sardans研究员，中国科学院地球环境研究所刘济副研究员，中国科学院南京土壤研究所夏龙龙研究员，中国科学院水土保持研究所闫伟明研究员和简金世研究员，澳大利亚悉尼科技大学何沁锶博士，中国农科院农业资源与农业区划研究所张文菊研究员，以及华中农业大学谭文峰教授。 该研究得到国家重点研发计划和中国科学院战略先导科技专项等资助。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-024-54536-z