印度西北亚热带地区综合与常规农业的可持续性评估：基于生命周期与能量流视角的比较研究

本研究针对印度西北部印度河-恒河平原(IGP)地区传统稻麦系统面临的地下水耗竭、温室气体排放增加及土壤健康退化等问题，开展了为期两年的综合农业系统(IFS)与常规稻麦系统的对比研究。通过整合作物、园艺、乳业、水产、林粮复合及边界种植等六大组分，并建立堆肥(FYM)和沼气两个亚单元，系统评估了生产力、经济效益、能量流动及环境足迹。结果表明，IFS模型系统生产力达46.80吨/公顷，是常规系统(12.03吨/公顷)的3.89倍，净收益提升至2820.36美元/年，且显著改善了土壤理化生物性质、提升了可再生能源利用比例(70.62%)、降低了全球变暖潜能(GWP, 14191 kg CO2 eq.)。该研究为可持续农业转型提供了重要的理论与实践依据。

　　

在当今全球粮食需求不断增长的背景下，如何实现农业的可持续发展已成为一个世界性难题。特别是在印度西北部的印度河-恒河平原(IGP)地区，长期依赖水稻-小麦轮作这一传统种植模式，虽然为粮食安全做出了贡献，但也带来了一系列严峻的生态环境问题。地下水位的持续下降、土壤板结层的形成、作物产量的停滞不前、田间涝渍以及日益增加的温室气体(GHG)排放，都严重威胁着该地区农业的长期可持续性。其中，甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)作为主要的温室气体，其排放主要来源于稻田的淹水环境和氮肥的大量施用。传统的农业生产模式高度依赖外部投入，导致了资源耗竭、生物多样性丧失、水体污染和土壤退化。尽管国际社会制定了诸多可持续发展战略目标，但常规农业系统距离这些目标仍相去甚远。因此，探索并建立能够同时兼顾生产力、盈利能力、土壤健康和环境友好的农业生产系统，显得尤为迫切。

在此背景下，综合农业系统(IFS)作为一种有效的解决方案受到了广泛关注。IFS旨在通过优化配置土地、劳动力、资本和管理等生产要素，将多种农业组分（如种植业、养殖业、林业等）以协同的方式整合在一个农场内，实现资源的高效循环利用。已有研究表明，IFS能够增强粮食安全、提高农场生产力、增加经济效益、创造就业机会并有助于环境保护。它被公认是减少温室气体排放、提升可持续性的有效途径。然而，以往的研究多侧重于IFS的某些特定方面，如生产力或经济效益，而缺乏对系统整体性能的全面评估，特别是将生命周期评估(LCA)、能量流分析与系统生产力、土壤健康等多维度指标相结合的综合研究在印度西北部IGP地区尚属空白。

为了填补这一研究空白，由Rakshit Bhagat、Sohan Singh Walia、Venkatesh Paramesha等研究人员组成团队，在印度卢迪亚纳的旁遮普农业大学(Punjab Agricultural University)进行了一项深入的研究。该研究旨在通过对比分析一个1公顷的IFS模型与传统的稻麦系统，全面评估其在生产力、经济效益、就业带动、资源循环、土壤健康、能量利用效率和环境足迹等方面的差异。研究成果发表在《Environmental and Sustainability Indicators》期刊上，为该区域农业的可持续转型提供了重要的科学依据和实践范例。

本研究主要采用了田间试验与系统分析相结合的方法。试验在2021-22年和2022-23年进行，IFS模型整合了六大核心组分：作物（6400 m2，包含8种轮作系统）、园艺（1900 m2，果树与蔬菜间作）、林粮复合（300 m2，杨树与姜黄-小麦间作）、乳业（200 m2，饲养奶牛和水牛）、水产（1000 m2，混合鱼类养殖）以及边界种植（柠檬和刺篱木）。此外，还建立了堆肥(FYM)和沼气两个资源循环亚单元。作为对照，在邻近地块种植了传统的稻麦系统。研究团队系统监测并记录了所有组分的投入（如种子、肥料、饲料、能源）和产出（如粮食、水果、蔬菜、牛奶、鱼、木材等）。评估方法包括：

1. 1.
   生产力与经济效益分析：计算各组分的经济产量和稻谷当量产量(REY)，分析成本、收益和效益成本比(BC ratio)。
2. 2.
   土壤健康评估：在试验初期和末期，分别采集不同组分地块的土壤样品，分析其物理（容重、持水量）、化学（有机碳、大量和微量养分）和生物（微生物数量、酶活性、微生物生物量碳/氮）性质。
3. 3.
   能量流分析：采用标准的能量当量值，计算系统内所有投入和产出的能量值，分析能量输入输出比、净能量增益、可再生能源比例等能量指数。
4. 4.
   生命周期评估(LCA)：采用SimaPro 9.6软件和Ecoinvent v3数据库，以1公顷面积为功能单位，评估系统的全球变暖潜能(GWP₁₀₀)，重点量化了甲烷和氧化亚氮的排放。

3.1. 生产力、盈利能力和就业 generation

研究结果显示，IFS模型展现出巨大的优势。其系统生产力高达46.80吨/公顷（稻谷当量），是传统稻麦系统（12.03吨/公顷）的3.89倍。这种生产力的飞跃主要得益于系统内各组分的互补与协同效应。其中，乳业组分的贡献最大，占总生产力的63%，其次是作物组分（21%）和园艺组分（9%），水产和林粮复合等组分也提供了稳定的补充产出。

在经济收益方面，IFS模型同样表现卓越。其年总收益达10992.25美元，净收益为6885.01美元，效益成本比(BC ratio)为1.68，均显著高于传统稻麦系统。乳业再次成为主要的利润来源，贡献了约62%的净收益。值得注意的是，水产养殖的BC ratio最高（2.52），显示了其极高的投资效率。

此外，IFS模型在促进就业方面效果显著。其全年所需的劳动力为2156.92人时，比传统稻麦系统（720.50人时）增加了约200%。作物和乳业管理是主要的用工环节，而园艺、水产等组分则提供了季节性就业机会，实现了劳动力的全年均衡利用，有助于稳定农村生计。

3.2. IFS模型中的资源循环

IFS的核心优势在于其高效的内部资源循环机制。研究表明，系统内的有机废弃物得到了最大程度的利用。乳业组分每年产生30700公斤牛粪，其中11175公斤通过FYM单元转化为优质堆肥，用于作物、园艺、林粮复合和边界种植；另外10415公斤牛粪进入沼气单元，生产出474公斤沼气供农户炊事之用，同时产生12850公斤沼液，回用于作物和园艺地块。作物组分产生的秸秆等残余物，一部分（33206公斤）作为饲料供给牲畜，另一部分（2893公斤）进入FYM单元堆肥。水产养殖则利用乳业排放的冲洗水（含1385公斤粪肥和605升尿液）作为水体养分，促进浮游生物生长，从而支持鱼类生产。这种“废物”变“资源”的循环模式，极大地减少了对系统外部输入的依赖。

3.3. 土壤质量

经过两年的试验，IFS模型各组分下的土壤质量得到了全面改善。

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  物理性质：与试验初期和传统稻麦系统相比，IFS模型下作物、园艺和林粮复合地块的土壤容重显著降低，而土壤持水量则明显提高，表明土壤结构更疏松，保水保肥能力增强。
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  化学性质：土壤有机碳(SOC)含量、有效氮、磷、钾等大量元素以及锌、铁、铜、锰等微量元素含量，在IFS各组分下均呈现上升趋势，且普遍高于传统稻麦系统。这直接归因于有机肥（FYM、沼液）的持续施用。
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  生物性质：IFS模型显著促进了土壤生物活性。细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量，以及脱氢酶、碱性磷酸酶和脲酶的活性，还有微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)，在IFS地块均显著高于传统稻麦地块。其中，林粮复合系统通常表现出最高的生物活性。这表明IFS营造了一个更健康、更具活力的土壤微生态系统。

3.4. 能量核算

能量流分析揭示了IFS模型在能源利用效率上的优越性。虽然IFS的总能量输入（130141 MJ）高于传统稻麦系统（55312 MJ），但其能量产出（401273 MJ）也远高于后者（174489 MJ），净能量增益更为可观。关键在于能量来源的构成：IFS模型中可再生能源（如有机废物、劳动力）的贡献比例高达70.62%，而传统稻麦系统则主要依赖不可再生能源（占68.92%）。在IFS内部，有机废物循环对总能量输入的贡献最大（约35.58%），其次是饲料和肥料。这表明IFS成功地将系统内部的“低品质”生物能转化为有价值的农产品能量，实现了能量的高效循环。

3.5. LCA结果

生命周期评估(LCA)结果清晰地表明IFS模型具有更优的环境表现。其全球变暖潜能(GWP)为14191.5 kg CO₂ eq.，显著低于传统稻麦系统的19228.9 kg CO₂ eq.。更重要的是，IFS模型的场内排放（主要是土壤和牲畜排放）为7752.2 kg CO₂ eq.，占总GWP的54.62%；而传统稻麦系统的场内排放高达16621 kg CO₂ eq.，占比达86.43%。在IFS的排放构成中，反刍动物肠道发酵产生的甲烷(23.3%)和精饲料生产(17.8%)是主要来源。然而，通过沼气单元对粪便的处理和能源回收，以及有机肥替代部分化肥，IFS有效降低了与化肥生产和使用相关的排放。

本研究通过多维度、系统性的比较分析，有力地证明了综合农业系统(IFS)在印度西北部印度河-恒河平原(IGP)地区相较于传统稻麦系统具有显著的优越性。IFS不仅极大地提升了土地生产力和经济效益，还通过内部资源循环有效改善了土壤健康，优化了能量利用结构（大幅提高可再生能源比例），并显著降低了农业生产的碳足迹（全球变暖潜能）。该模型成功地将农业生产从一种资源消耗型和环境压力型活动，转变为一种资源再生型和生态修复型活动。其核心在于通过各组分的巧妙整合与协同，构建了一个内部物质循环和能量流动更加高效、更加闭合的农业生态系统。

这项研究的结论具有重要的政策启示和实践指导意义。它表明，推动农业向综合化、多元化方向发展，是应对粮食安全、资源短缺、环境污染和气候变化等多重挑战的有效途径。对于印度IGP地区乃至全球面临类似问题的农业区域而言，大规模推广类似于本研究的IFS模型，有望成为实现联合国可持续发展目标(SDGs)，特别是促进可持续农业和气候行动的关键举措。未来的研究可进一步关注IFS模型在不同尺度（如农户、区域）的适应性和推广机制，以及其长期生态经济效益的评估。