亮文解读 | 传统和替代生物能源种植系统促进生物质生产力的农业环境评估

土壤观察 2022-07-27

The following article is from 农业科学与工程前沿 Author 李云舟石靓

可持续作物与牧草系统

Sustainable Crop and Pasture Systems

专辑文章介绍

· 第九篇 ·

▎论文ID

Agri-Environmental Assessment of Conventional and Alternative Bioenergy Cropping Systems Promoting Biomass Productivity

传统和替代生物能源种植系统促进生物质生产力的农业环境评估

发表年份：2022年第一作者：Léa KERVROËDAN^{通讯作者：Léa KERVROËDAN} lea.kervroedan@unilasalle.fr

作者单位：法国尤尼拉萨尔理工学院。

Cite this article :

Léa KERVROËDAN, David HOUBEN, Julien GUIDET, Julia DENIER, Anne-Maïmiti 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
· 文章亮点 ·

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1. 对粮食、饲料和沼气作物系统进行综合评估，通过四年期试验量化了它们的农业和环境服务。
2. 沼气作物体系和粮食作物体系的还田生物质量相近，但沼气作物体系收获的生物质量更多。
3. 粮食和沼气作物体系比饲料作物体系生物质生产力更高，但CO₂排放更多。
4. 各种与生物质生产有关的CO₂排放比沼气作物系统中的CO₂排放低26%。

· Graphical abstract ·

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· 文章摘要 ·

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为了发展生物质经济，设计新型种植系统需要评估在常规轮作中引入生物能源作物的影响。在混合奶牛农场的常规种植系统中可以引入生物能源作物，一种方式是在保留主要饲料和粮食作物的同时增加覆盖作物来增加生物质产量，另一种方式是用在轮作中替代粮食作物增加轮作周期年限。有关它们的农业环境效益的评估结果表明：（1）沼气种植系统的所有指标均高于常规种植系统和饲料种植系统，包括生物质生产力、氮素再利用、产甲烷潜力和温室气体排放。（2）免耕对所有指标均没有负面影响。（3）在农业环境效益方面，沼气种植系统具有更大的潜力。（4）进行综合农业环境、经济和社会绩效的多标准评估是恰当的。

· 研究内容 ·

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▎引言生物质经济（Bioeconomy）作为一种低碳经济主要依赖于生物质，需要综合提高粮食、饲料和能源等的生物质生产力，减轻对生物多样性、自然资源和气候变化的影响。然而，在已有系统尺度上对生物能源作物的氮元素再利用的研究，仅限于一到两种作物，而忽视了整个作物轮作系统对于氮元素循环的影响。其中大多数研究集中于特定作物的温室气体排放，确定了哪些作物的在低排放方面效率更高，但没有充分考虑作物在轮作尺度上的整体影响。从系统尺度进行综合评估可以加深我们对生物质种植系统长期效益的理解，也可以在多样化作物轮作中更好地设计一年生作物。

通过评估具有更高生物质生产力的种植系统对环境和农业服务的影响，可知其在系统尺度上的可持续性。此外，通过对比耕作与否对系统功能的潜在影响，阐明了耕作制度在生物质生产力、氮元素再利用、产甲烷潜力、温室气体排放等方面的效应。

▎材料和方法该研究于2016–2019年在位于法国韦博尤尼拉萨尔理工学院农场 (49°27′59′′ N, 2°4′21′′ E)进行。在两种耕作方式（耕作和免耕）下设置了三个种植系统。

图1 研究区域试验设计，设置常规作物体系（Conv）、饲料作物体系（Feed）和沼气作物体系（Biom）以及耕作和免耕处理

1、常规作物体系（Conv），由6个阶段组成。代表了法国北部奶牛养殖系统的常规轮作系统(食物和饲料作物混合系统)。在轮作期间，肥料、泥浆和覆盖作物的残茬作为肥料施入土壤。轮作中将第一批软质小麦的秸秆运出，但将后茬的软质小麦作物的秸秆粉碎后还田。2、饲料作物体系（Feed），是一种促进粮食和饲料生产的过渡性系统，包括可收获用于饲料或沼气生产的覆盖作物。这一系统的施肥采用液态沼液和沼气生产残留物对土壤进行改良。根据耕作方式的不同，在轮作中用作覆盖作物的品种略有变化，以确保两种耕作方式都持续有植物覆盖。3、沼气作物体系（Biom），是一个高生物质生产力的系统，收获的生物质用于饲料和沼气生产，在其作物轮作中包括7个阶段（图2）。轮作期间，在土壤中加入液态沼液，为作物提供养分。

图2 各作物体系试验的详细作物轮作

▎研究结果

1、生物质生产力

耕作措施不会影响任何一种种植制度的生物质产量。但是总生物质、还田的生物质和收获的生物质受种植制度类型的影响。沼气作物体系的总生物质生产力高于其它两个系统（图3 A），而饲料中还田的生物质低于沼气作物体系和常规作物体系（图3 B），收获的生物质方面，饲料作物体系和沼气作物体系均高于常规作物体系。

图3 全轮作（4年）耕作/免耕条件下各作物体系地上总生物质生产力差异(A)、还田的生物质(B)和收获的生物质(C)

2、氮元素再利用

耕作措施对所有氮元素再利用指标都没有显著影响。收获的氮受种植制度类型的影响，沼气作物体系和饲料作物体系比常规作物体系能够产出更多的氮（图4 A)。沼气作物体系收获的氮元素量高于其它耕作制度（图4 B）。在生物质中，还田的氮元素量和产出的氮元素量的关系在不同的种植制度中存在差异，饲料作物体系的比例低于其他两种制度（图4 C）。相反，每一种种植制度的土壤剩余氮在冬季开始和结束时都是相近的（表 1）。本研究中，通过比较不同体系还田与收获的氮的比率，可见沼气作物体系等效于常规作物体系。值得注意的是，在该体系中即使收获了大部分的生物质，但是并不会明显降低还田的量，这表明存在元素再利用的潜力。

图4 在一个完整的作物轮作（4年）内，各作物体系对生物质中收获的氮量的差异(A)；还田的氮量(B)；还田的氮量（来自作物残茬）与收获的氮量之间的关系(C)
表1 各作物体系在耕作/免耕条件下，冬初和冬末土壤氮残留量

3、产甲烷潜力

不同种植制度间产甲烷潜力差异显著，沼气作物体系产甲烷潜力最高，比常规作物体系和饲料作物体系分别高出3倍和2倍。沼气作物体系更高的产甲烷潜力与其较高的生物质生产力相对应。

4、温室气体排放

常规作物体系的温室气体排放总量显著低于其它种植制度（图5 A），主要原因包括较低的氮肥投入、有机土壤修复、矿物质氮投入、播种及收获期间的机械干预以及体系中的豆科作物等。沼气作物体系中更高的CO₂排放主要是因为在较短生长期内更密集的豆科作物以及机器干预。对于单位质量的干生物质的温室气体排放，沼气作物体系的排放量明显低于常规作物体系和饲料作物体系的（图5 B）。通过建立模型来确定长期的碳平衡，可以用以探究各种体系的温室气体排放如何影响气候变化。

图5 全轮作（4年）内各种植系统温室气体排放总量(A)和每吨干生物质产生的温室气体排放量(B)

5、农业-环境评估

通过系统尺度的农业环境分析，沼气作物体系中相较于其它两种种植体系在各项服务方面都具有更高的评估值（图6）。饲料作物体系比常规作物体系具有更高的生物质生产力、温室气体排放和产甲烷潜力，而常规作物体系比饲料作物体系具有更高的氮元素再利用。农业-环境评估表明沼气作物体系是可持续的。与多年生作物不同，将一年生作物纳入沼气作物体系对耕地利用几乎没有影响。沼气作物体系的正面效应可以弥补土地间接利用方面的消极影响。此外，可以根据当年的气候条件在各种作物体系中选取恰当的粮食和饲料作物以降低经济风险。

图6 各作物体系的农业-环境评估（包括生物质生产力、氮元素再利用、产甲烷潜力、温室气体排放）

▎总结

本文从农艺和环境服务的角度综合评估了粮食、饲料和沼气作物的种植系统，并在系统尺度上表征了其可持续性。沼气作物种植系统虽然能够提供多种生产服务，包括生物质生产力、产甲烷潜力和氮元素再利用等，但也会排放更多的温室气体。系统尺度的评估体现了沼气作物体系具有可持续性。本文还从农业环境效益、经济效益和社会功能等多个角度对新型生物能源种植制度进行了评估，并从生命周期的角度对比评估了常规作物与生物能源作物在供应链或农业区域内的整体影响。

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