可持續(xù)作物與牧草系統(tǒng)

sustainable crop and pasture systems

專輯文章介紹

·第九篇·

▎論文id

agri-environmental assessment of conventional and alternative bioenergy cropping systems promoting biomass productivity

傳統(tǒng)和替代生物能源種植系統(tǒng)促進(jìn)生物質(zhì)生產(chǎn)力的農(nóng)業(yè)環(huán)境評(píng)估

發(fā)表年份：2022年

第一作者：léa kervro?dan

通訊作者：léa kervro?dan

郵箱：lea.kervroedan@unilasalle.fr

作者單位：法國(guó)尤尼拉薩爾理工學(xué)院。

cite this article:

léa kervro?dan, david houben, julien guidet, julia denier, anne-ma?miti dulaurent, elisa marraccini, amandine deligey, charlotte journel, justine lamerre, michel-pierre faucon. agri-environmental assessment of conventional and alternative bioenergy cropping systems promoting biomass productivity. front. agr. sci. eng., 2022, 9(2): 284?294 https://doi.org/10.15302/j-fase-2021435

·文章亮點(diǎn)·

﹀

﹀

﹀

1.對(duì)糧食、飼料和沼氣作物系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估，通過(guò)四年期試驗(yàn)量化了它們的農(nóng)業(yè)和環(huán)境服務(wù)。

2.沼氣作物體系和糧食作物體系的還田生物質(zhì)量相近，但沼氣作物體系收獲的生物質(zhì)量更多。

3.糧食和沼氣作物體系比飼料作物體系生物質(zhì)生產(chǎn)力更高，但co2排放更多。

4.各種與生物質(zhì)生產(chǎn)有關(guān)的co2排放比沼氣作物系統(tǒng)中的co2排放低26%。

·graphical abstract·

﹀

﹀

﹀

·文章摘要·

﹀

﹀

﹀

為了發(fā)展生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)新型種植系統(tǒng)需要評(píng)估在常規(guī)輪作中引入生物能源作物的影響。在混合奶牛農(nóng)場(chǎng)的常規(guī)種植系統(tǒng)中可以引入生物能源作物，一種方式是在保留主要飼料和糧食作物的同時(shí)增加覆蓋作物來(lái)增加生物質(zhì)產(chǎn)量，另一種方式是用在輪作中替代糧食作物增加輪作周期年限。有關(guān)它們的農(nóng)業(yè)環(huán)境效益的評(píng)估結(jié)果表明：

（1）沼氣種植系統(tǒng)的所有指標(biāo)均高于常規(guī)種植系統(tǒng)和飼料種植系統(tǒng)，包括生物質(zhì)生產(chǎn)力、氮素再利用、產(chǎn)甲烷潛力和溫室氣體排放。

（2）免耕對(duì)所有指標(biāo)均沒(méi)有負(fù)面影響。

（3）在農(nóng)業(yè)環(huán)境效益方面，沼氣種植系統(tǒng)具有更大的潛力。

（4）進(jìn)行綜合農(nóng)業(yè)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)績(jī)效的多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

·研究?jī)?nèi)容·

﹀

﹀

﹀

▎引言

生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)（bioeconomy）作為一種低碳經(jīng)濟(jì)主要依賴于生物質(zhì)，需要綜合提高糧食、飼料和能源等的生物質(zhì)生產(chǎn)力，減輕對(duì)生物多樣性、自然資源和氣候變化的影響。然而，在已有系統(tǒng)尺度上對(duì)生物能源作物的氮元素再利用的研究，僅限于一到兩種作物，而忽視了整個(gè)作物輪作系統(tǒng)對(duì)于氮元素循環(huán)的影響。其中大多數(shù)研究集中于特定作物的溫室氣體排放，確定了哪些作物的在低排放方面效率更高，但沒(méi)有充分考慮作物在輪作尺度上的整體影響。從系統(tǒng)尺度進(jìn)行綜合評(píng)估可以加深我們對(duì)生物質(zhì)種植系統(tǒng)長(zhǎng)期效益的理解，也可以在多樣化作物輪作中更好地設(shè)計(jì)一年生作物。

通過(guò)評(píng)估具有更高生物質(zhì)生產(chǎn)力的種植系統(tǒng)對(duì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)服務(wù)的影響，可知其在系統(tǒng)尺度上的可持續(xù)性。此外，通過(guò)對(duì)比耕作與否對(duì)系統(tǒng)功能的潛在影響，闡明了耕作制度在生物質(zhì)生產(chǎn)力、氮元素再利用、產(chǎn)甲烷潛力、溫室氣體排放等方面的效應(yīng)。

▎材料和方法

該研究于2016–2019年在位于法國(guó)韋博尤尼拉薩爾理工學(xué)院農(nóng)場(chǎng) (49°27′59′′n, 2°4′21′′e)進(jìn)行。在兩種耕作方式（耕作和免耕）下設(shè)置了三個(gè)種植系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)域試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置常規(guī)作物體系（conv）、飼料作物體系（feed）和沼氣作物體系（biom）以及耕作和免耕處理

1、常規(guī)作物體系（conv），由6個(gè)階段組成。代表了法國(guó)北部奶牛養(yǎng)殖系統(tǒng)的常規(guī)輪作系統(tǒng)(食物和飼料作物混合系統(tǒng))。在輪作期間，肥料、泥漿和覆蓋作物的殘茬作為肥料施入土壤。輪作中將第一批軟質(zhì)小麥的秸稈運(yùn)出，但將后茬的軟質(zhì)小麥作物的秸稈粉碎后還田。

2、飼料作物體系（feed），是一種促進(jìn)糧食和飼料生產(chǎn)的過(guò)渡性系統(tǒng)，包括可收獲用于飼料或沼氣生產(chǎn)的覆蓋作物。這一系統(tǒng)的施肥采用液態(tài)沼液和沼氣生產(chǎn)殘留物對(duì)土壤進(jìn)行改良。根據(jù)耕作方式的不同，在輪作中用作覆蓋作物的品種略有變化，以確保兩種耕作方式都持續(xù)有植物覆蓋。

3、沼氣作物體系（biom），是一個(gè)高生物質(zhì)生產(chǎn)力的系統(tǒng)，收獲的生物質(zhì)用于飼料和沼氣生產(chǎn)，在其作物輪作中包括7個(gè)階段（圖2）。輪作期間，在土壤中加入液態(tài)沼液，為作物提供養(yǎng)分。

圖2 各作物體系試驗(yàn)的詳細(xì)作物輪作

▎研究結(jié)果

1、生物質(zhì)生產(chǎn)力

耕作措施不會(huì)影響任何一種種植制度的生物質(zhì)產(chǎn)量。但是總生物質(zhì)、還田的生物質(zhì)和收獲的生物質(zhì)受種植制度類型的影響。沼氣作物體系的總生物質(zhì)生產(chǎn)力高于其它兩個(gè)系統(tǒng)（圖3 a），而飼料中還田的生物質(zhì)低于沼氣作物體系和常規(guī)作物體系（圖3 b），收獲的生物質(zhì)方面，飼料作物體系和沼氣作物體系均高于常規(guī)作物體系。

圖3 全輪作（4年）耕作/免耕條件下各作物體系地上總生物質(zhì)生產(chǎn)力差異(a)、還田的生物質(zhì)(b)和收獲的生物質(zhì)(c)

2、氮元素再利用

耕作措施對(duì)所有氮元素再利用指標(biāo)都沒(méi)有顯著影響。收獲的氮受種植制度類型的影響，沼氣作物體系和飼料作物體系比常規(guī)作物體系能夠產(chǎn)出更多的氮（圖4 a)。沼氣作物體系收獲的氮元素量高于其它耕作制度（圖4 b）。在生物質(zhì)中，還田的氮元素量和產(chǎn)出的氮元素量的關(guān)系在不同的種植制度中存在差異，飼料作物體系的比例低于其他兩種制度（圖4 c）。相反，每一種種植制度的土壤剩余氮在冬季開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都是相近的（表 1）。本研究中，通過(guò)比較不同體系還田與收獲的氮的比率，可見(jiàn)沼氣作物體系等效于常規(guī)作物體系。值得注意的是，在該體系中即使收獲了大部分的生物質(zhì)，但是并不會(huì)明顯降低還田的量，這表明存在元素再利用的潛力。

圖4 在一個(gè)完整的作物輪作（4年）內(nèi)，各作物體系對(duì)生物質(zhì)中收獲的氮量的差異(a)；還田的氮量(b)；還田的氮量（來(lái)自作物殘茬）與收獲的氮量之間的關(guān)系(c)

表1 各作物體系在耕作/免耕條件下，冬初和冬末土壤氮?dú)埩袅?/p>

3、產(chǎn)甲烷潛力

不同種植制度間產(chǎn)甲烷潛力差異顯著，沼氣作物體系產(chǎn)甲烷潛力最高，比常規(guī)作物體系和飼料作物體系分別高出3倍和2倍。沼氣作物體系更高的產(chǎn)甲烷潛力與其較高的生物質(zhì)生產(chǎn)力相對(duì)應(yīng)。

4、溫室氣體排放

常規(guī)作物體系的溫室氣體排放總量顯著低于其它種植制度（圖5 a），主要原因包括較低的氮肥投入、有機(jī)土壤修復(fù)、礦物質(zhì)氮投入、播種及收獲期間的機(jī)械干預(yù)以及體系中的豆科作物等。沼氣作物體系中更高的co2排放主要是因?yàn)樵谳^短生長(zhǎng)期內(nèi)更密集的豆科作物以及機(jī)器干預(yù)。對(duì)于單位質(zhì)量的干生物質(zhì)的溫室氣體排放，沼氣作物體系的排放量明顯低于常規(guī)作物體系和飼料作物體系的（圖5 b）。通過(guò)建立模型來(lái)確定長(zhǎng)期的碳平衡，可以用以探究各種體系的溫室氣體排放如何影響氣候變化。

圖5 全輪作（4年）內(nèi)各種植系統(tǒng)溫室氣體排放總量(a)和每噸干生物質(zhì)產(chǎn)生的溫室氣體排放量(b)

5、農(nóng)業(yè)-環(huán)境評(píng)估

通過(guò)系統(tǒng)尺度的農(nóng)業(yè)環(huán)境分析，沼氣作物體系中相較于其它兩種種植體系在各項(xiàng)服務(wù)方面都具有更高的評(píng)估值（圖6）。飼料作物體系比常規(guī)作物體系具有更高的生物質(zhì)生產(chǎn)力、溫室氣體排放和產(chǎn)甲烷潛力，而常規(guī)作物體系比飼料作物體系具有更高的氮元素再利用。農(nóng)業(yè)-環(huán)境評(píng)估表明沼氣作物體系是可持續(xù)的。與多年生作物不同，將一年生作物納入沼氣作物體系對(duì)耕地利用幾乎沒(méi)有影響。沼氣作物體系的正面效應(yīng)可以彌補(bǔ)土地間接利用方面的消極影響。此外，可以根據(jù)當(dāng)年的氣候條件在各種作物體系中選取恰當(dāng)?shù)募Z食和飼料作物以降低經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 各作物體系的農(nóng)業(yè)-環(huán)境評(píng)估（包括生物質(zhì)生產(chǎn)力、氮元素再利用、產(chǎn)甲烷潛力、溫室氣體排放）

▎總結(jié)

本文從農(nóng)藝和環(huán)境服務(wù)的角度綜合評(píng)估了糧食、飼料和沼氣作物的種植系統(tǒng)，并在系統(tǒng)尺度上表征了其可持續(xù)性。沼氣作物種植系統(tǒng)雖然能夠提供多種生產(chǎn)服務(wù)，包括生物質(zhì)生產(chǎn)力、產(chǎn)甲烷潛力和氮元素再利用等，但也會(huì)排放更多的溫室氣體。系統(tǒng)尺度的評(píng)估體現(xiàn)了沼氣作物體系具有可持續(xù)性。本文還從農(nóng)業(yè)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)功能等多個(gè)角度對(duì)新型生物能源種植制度進(jìn)行了評(píng)估，并從生命周期的角度對(duì)比評(píng)估了常規(guī)作物與生物能源作物在供應(yīng)鏈或農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)的整體影響。