农业三重目标框架：协同提升粮食产量、改善土壤健康与减少温室气体排放的创新策略

《The Innovation》：Integrated strategies for enhancing agrifood productivity, lowering greenhouse gas emissions, and improving soil health

本刊编辑推荐：为应对全球粮食安全、环境可持续性与土壤健康退化三大交织挑战，研究人员开展了“三重目标”农业食品框架研究。通过二阶荟萃分析整合104项荟萃分析、39,162项研究，发现优化灌溉、多样化种植系统、有机改良剂等策略可提升产量14%-28%，降低N2O排放18%-65%，增加土壤有机碳储量7%-13。该框架为同步实现农业增产、减排固碳和土壤修复提供了科学路径，对推动联合国可持续发展目标具有重要实践意义。

　　

全球农业食品系统正面临前所未有的三重挑战：如何在养活持续增长的人口的同时，减少对环境的负面影响，并修复日益退化的土壤健康。自工业革命以来，地球持续变暖深刻影响着大气圈、水圈、岩石圈和生物圈，加剧了这些相互关联的难题。一方面，全球粮食需求预计在2010年至2050年间增长35%-56%，但快速城市化、工业扩张和土地退化不断减少可耕地，威胁粮食生产。另一方面，自绿色革命以来，农业过度依赖合成肥料、农药和农用燃料，导致土壤健康严重恶化，同时农业系统排放的温室气体约占全球总量的35%，其中氧化亚氮（N₂O）作为一种全球增温潜势为CO₂298倍的强效温室气体，其排放量的30%增长与农田氮输入增加直接相关。

更为严峻的是，许多不可持续的耕作方式已严重损害土壤健康。传统耕作破坏了土壤有机碳（SOC）积累和矿化，削弱土壤结构和肥力；频繁土壤扰动破坏团聚体，降低碳稳定性；连续单一种植破坏微生物群落和生物多样性。过度使用合成农用化学品进一步恶化土壤化学和生物完整性，导致土壤盐渍化、酸化、养分失衡以及水污染和栖息地破坏。据估计，全球每年损失约240亿吨肥沃土壤，如果当前趋势持续，到2050年超过90%的地球土地可能退化。

面对这些交织的挑战，研究人员在《The Innovation》上提出了创新的“三重目标农业食品生产框架”，旨在通过综合方法同步提升粮食产量、改善土壤健康和减少温室气体排放。该框架基于对104项一级荟萃分析的综合评估，涵盖39,162项研究和300,139项全球田间对比，系统分析了多种农业实践对这三个关键目标的协同影响。

研究人员采用二阶荟萃分析（SOMA）方法，将各类效应值统一转化为Hedges‘g，使用随机效应模型计算汇总效应大小及其方差，并通过Q统计量、T²和I²指数评估异质性。同时运用结构方程模型解析食物-土壤-排放之间的复杂关系，重点考察了氮素利用效率（NUE）和微生物活动等关键驱动因素。

研究结果显示，优化灌溉可使农业食品产量提高28.3%，多样化种植系统提升19.6%，有机改良剂如生物炭应用增加产量19.4%，改善土壤管理提升18.8%。其中，玉米-大豆间作等多样化系统相当于比单一种植节省19%的土地使用量。在减排方面，覆盖作物和豆科作物轮作可将N₂O排放降低18%-65%，而有机改良剂能使土壤有机碳储量增加7%-13%。

在土壤健康方面，土壤渗透性对康奈尔土壤健康指数的提升贡献最大（平均127%），其次是土壤团聚体（45%）、微生物生物量碳（MBC）（20%）、微生物生物量氮（MBN）（17%）和土壤孔隙度（11%）。结构方程模型揭示了土壤性质间的复杂关系，酶活性与SOC、MBC与MBN、MBC与微生物丰富度、MBN与SOC等之间存在显著正相关。这些关系突显了通过优化种植和土壤管理措施改善土壤健康的重要性。

氮素管理是平衡粮食生产、土壤健康和温室气体排放关系的关键。研究发现，作物植物通常只吸收部分施用的氮肥，剩余的氮素特别是可移动的NO₃^-成为硝化和反硝化的底物。全球范围内，当季作物的氮素利用效率（NUE）在25%-50%之间，后续季节还可吸收5%-20%。精准氮素管理策略如4R原则（正确的来源、用量、时间和位置）可显著提高NUE。

研究人员还探讨了CO₂施肥效应的潜力。过去50年间，北半球大气CO₂的季节性振幅增加，强化了“施肥效应”，促进光合作用并推动CO₂向植物生物量的转化。通过优化源-汇机制，包括叶面积指数、冠层结构、地上生物量积累等生理和结构动态，可抵消高达30%的人为CO₂当量排放。

结构方程模型分析显示，粮食生产、土壤健康和温室气体排放三个组成部分之间存在强相关性（相关系数大于0.61），表明旨在提高农业产量的技术往往会导致温室气体排放增加。作物高产主要依赖于全氮和NUE两个关键决定因素，其中土壤全氮与粮食生产呈强正相关（r=0.90），与排放呈中等相关（r=0.36）。

该研究强调，不存在适用于所有种植系统的“一刀切”解决方案来增强土壤健康、提高粮食产量和减少排放。策略必须根据当地情况量身定制。虽然作物多样化有许多好处，但其成功取决于区域市场、农场规模、农民激励措施以及社会和文化实践。目前，全球还没有公认的碳农业框架，尽管农业土壤具有显著的气候减缓潜力，但其潜在机制仍知之甚少。

三重目标框架的实践意义在于，它促进整合创新和成熟实践，制定本地化解决方案，以解决粮食生产、土壤健康和环境结果之间的权衡问题。这一系统方法有助于提高资源利用效率（包括水、肥料和经济投资），改善土壤和土地质量，以更少的土地提高粮食产量，同时增加土壤碳固存。广泛采用三重目标框架可为全球农业食品生产转型提供战略路线图，确保健康土壤、可负担的营养食品和减少环境危害。

该研究的创新之处在于首次系统性地将粮食生产、土壤健康和温室气体减排三个目标纳入统一框架，并通过大规模数据整合和模型分析验证了多种农业实践的协同效应。研究结果对实现联合国可持续发展目标具有重要支持作用，为政策制定者、农业生产者和研究人员提供了科学依据和实践指南，推动农业系统向气候智能型、资源高效型和胁迫弹性型转变。