CIRKUL?R模型：农业系统循环性与气候环境影响的静态流模型评估

本研究针对集约化农业系统复杂性与循环性评估需求，开发了国家/区域尺度的静态流模型CIRKUL?R，通过量化生物质、C/N/P/K及能量流动，评估丹麦案例中蛋白质作物替代谷物的12种情景。结果显示，草苜蓿与有机草苜蓿通过增加土壤碳汇(5648-7344 kg CO2 eq ha-1 y-1 )和减少大豆进口(2546-3703 kg DM ha-1 y-1 )，显著降低净温室气体排放，为农业政策制定提供科学工具。

　　

当前全球农业面临双重挑战：既要满足不断增长的粮食需求，又需减少环境与气候影响。传统农业系统作为部分工业化、部分循环的复杂体系，其边界远超农田与农场范围。随着循环农业理念的推广，政策制定亟需能在同等复杂尺度下进行事前评估的工具。然而，现有模型多局限于单一农场或特定环节，缺乏对区域尺度物质能量流动的系统性刻画，更难以预测政策干预可能引发的级联效应。

针对这一空白，丹麦奥胡斯大学的研究团队开发了CIRKUL?R模型——一个国家级静态流模型，能追踪农业系统中生物质、碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)和生物能(E_bio
)的全链条流动。该研究发表在《Agricultural Systems》，通过丹麦案例验证了模型在评估蛋白质作物替代谷物对气候、环境及产业链的多维影响能力。

研究采用模块化设计，包含Field（作物种植）、Tech 1（初级加工）、Livestock（畜牧生产）、Storage/Biogas（储存/沼气）和Tech 2（次级加工）五大模块。模型以公顷年为单位，整合丹麦土壤分类（6种质地）、作物参数（基于丹麦肥料规范）和畜牧数据（遵循国家饲养标准），通过R语言实现质量与能量平衡计算。关键创新在于将生物质碳分为植物碳、粪便碳、消化植物碳、消化粪便碳和生物炭五类，采用改进的C-TOOL模型计算20年碳封存潜力。

Field模块结果显示，草苜蓿在粗砂土（13,390 kg DM ha^-1
）、灌溉砂土（16,740 kg DM ha^-1
）和黏土（14,510 kg DM ha^-1
）的产量差异显著影响后续物质流。有机草苜蓿因产量降低10-20%，其碳输入与常规系统相差5648 vs 7344 kg CO₂
eq ha^-1
y^-1
。

Tech 1模块的生物精炼技术将草苜蓿分离为人类食用蛋白（32 kg CP ha^-1
）、饲料蛋白（占总氮54.59%）和沼气原料（37.07%），而成熟蚕豆直接作为饲料替代菜籽饼（3363 kg DM ha^-1
）。

Livestock模块的饲料优化算法表明，草苜蓿蛋白可减少大豆进口达3175 kg DM ha^-1
，但需补偿因谷物减产（5700 kg DM ha^-1
）导致的饲料缺口。

Storage/Biogas模块量化了沼渣应用的环境代价：常规草苜蓿情景因绿肥替代化肥，导致NH₃
挥发增加17 kg N ha^-1
，但NO₃
^-
淋溶减少217 kg N ha^-1
。

系统级结论揭示三个关键发现：(1) 草苜蓿与苜蓿通过生物精炼-沼气联产实现净碳汇（-5432 kg CO₂
eq ha^-1
y^-1
），但伴随农场直接排放增加1912 kg CO₂
eq ha^-1
；(2) 蚕豆虽减少化肥相关排放（-1260 kg CO₂
eq ha^-1
y^-1
），但缺乏碳汇潜力；(3) 土壤类型通过影响产量与N淋溶（黏土中苜蓿增加淋溶117 kg N ha^-1
），显著改变系统表现。

讨论部分强调，模型的核心价值在于揭示"循环悖论"——看似可持续的实践（如有机肥料循环）可能因系统边界扩展而暴露新的环境代价。研究团队指出，将沼气泄漏（505-632 kg CO₂
eq ha^-1
y^-1
）归为农业排放会彻底改变政策优先级。该模型已应用于欧盟trans4num项目，其模块化设计允许适配不同区域参数，为全球农业绿色转型提供了可扩展的分析框架。