粮食种植农场实现净零排放的路径优化研究：基于澳大利亚昆士兰案例的模型分析与策略评估

为解决农业系统如何平衡生产效益与环境可持续性的难题，研究人员利用APSFarm NextGen模型对澳大利亚昆士兰州三种典型粮食农场开展净零排放路径模拟。研究通过比较六种管理策略（包括传统高投入、保护性农业、生态农业及造林补偿等），发现仅靠减排措施无法实现净零目标，需结合4%-14%农场面积的造林补偿，但会导致10.5%的经济收益损失。该研究为全球粮食系统的碳中和转型提供了量化工具和策略参考，成果发表于《Agricultural Systems》。

　　

研究背景与意义
全球气候变化背景下，农业系统贡献了14%的温室气体排放，其中粮食种植的减排挑战尤为突出。澳大利亚政府承诺2050年实现净零排放，但传统农业依赖化肥和机械作业，导致大量N₂O和CO₂排放。更棘手的是，土壤有机碳（SOC）的分解与固存存在天然矛盾，单纯改进农艺措施难以突破生物过程限制。如何在不损害农场经济效益的前提下实现净零目标，成为横亘在科学与政策间的关键难题。

研究方法与技术
昆士兰大学等机构的研究团队开发了APSFarm NextGen全农场模型，整合了APSIM作物模块与经济学分析功能。研究选取昆士兰三个典型农场（Georgetown、Capella、Dalby），模拟六种管理策略在历史气候（1970-2019）和未来情景（SSP126/245/585）下的表现。通过量化土壤CO₂和N₂O通量、燃料排放及农化品上游排放，结合造林碳汇计算（Eucalyptus grandis模型），建立了从摇篮到农场边界的全生命周期评估体系。

研究结果

1. 历史气候下的排放与收益
   燃料燃烧策略（FB）排放最高（1.29-1.55 t CO₂-eq ha^-1 yr^-1），而生态农业（AE）减排效果最佳但仍需4%-14%造林补偿才能实现净零。保护性农业（CA）经济效益最优（GM达858-1701 AU$ ha^-1 yr^-1），但净零策略平均降低10.5%收益，需2.98个澳大利亚碳信用单位（ACCU）补偿。

2. 未来气候的挑战
   在SSP585情景下，Georgetown需将造林面积从14%增至18%，表明升温会削弱树木固碳能力。所有案例中，GHG排放与日均温、降水量、土壤容重呈正相关，而湿润环境（高干旱指数AI）能降低经济风险。

3. 环境驱动机制
   主成分分析显示，高温促进SOC分解导致CO₂释放，降水则通过激发反硝化作用增加N₂O排放。土壤容重>1.4 g cm^-3时，会形成厌氧微区加剧N₂O产生。

结论与展望
该研究首次量化了澳大利亚粮食农场净零路径的"不可能三角"：减排措施最大仅能降低排放强度，必须依赖造林补偿；而补偿面积与经济效益呈显著负相关。这一发现为政策制定提供了关键依据——需要设计分级碳价机制，例如对速生树种给予溢价，才能激励农民参与。模型框架的普适性使其可推广至全球其他谷物产区，但未来需纳入牲畜粪便管理、生物炭应用等更多减排选项。随着气候变暖加剧，如何优化树种选择与轮作制度以维持长期碳汇，将成为后续研究重点。