甘蔗农业生态系统中的养分循环、环境影响及缓解途径：巴西与澳大利亚的对比综述

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nutrient cycling, environmental outcomes and mitigation pathways in sugarcane agroecosystems: A comparative synthesis of Brazil and Australia

　　

•巴西和澳大利亚是两个互补的高效甘蔗生产系统的典范。
•巴西的残留物回收增加了土壤碳含量，但也提高了氮损失风险。
•澳大利亚甘蔗的氮肥使用量目前是全球最低的之一。
•受控交通和深层耕作在两个系统中都缓解了土壤压实。
•整合这两种模式可以提高氮利用效率并减少环境足迹。

引言

基于甘蔗的农业生态系统日益被认可为热带和亚热带地区可持续生物工业发展的战略平台，这得益于对生物能源、生物材料和低碳投入的持续全球需求。由于其高产、高效的 C4 光合作用和持续的生物量供应，甘蔗在新兴生物经济系统中发挥着核心作用。然而，大面积甘蔗种植业的扩张和集约化对农业生态系统功能造成了巨大压力，特别是在养分循环、土壤肥力、温室气体排放（GHG）和长期土壤碳动态方面。

从农业生态学的角度来看，甘蔗系统代表了农业生产与环境过程之间的关键界面。它们相对较高的养分需求，特别是对氮的需求，结合大量的有机残留物输入，创造了复杂的相互作用，这些相互作用调节生物地球化学循环，并决定了养分保留与通过挥发、淋溶和温室气体排放造成的损失之间的平衡。这些过程受气候、土壤特性和管理强度的强烈影响，这凸显了理解不同生产系统如何塑造生态系统功能和环境结果的重要性。

巴西和澳大利亚，位于南半球的世界两大甘蔗生产国，在可比的热带和亚热带气候条件下展示了两个互补的生产模式。两国都具备关键的农业环境特征，包括高度风化的土壤和适应温暖气候的生产系统，这些特征塑造了养分动态、碳循环和水土养分相互作用。巴西和澳大利亚在独特但可比的环境监管框架下运作。在巴西，CONAMA 关于废糖蜜应用的决议、《森林法》（第 12.651/2012 号）和生物群系保护立法管辖副产物使用、水排放和景观规模的保护。在澳大利亚，《珊瑚礁条例》和“六个简单步骤”（6ES）推广框架专门针对大堡礁流域的氮和磷损失，并辅以针对土传病原体的严格生物安全议定书。

多产品收入结构（糖、乙醇、生物电力）与单一市场收入结构相比；以及在《珊瑚礁条例》下的流域级环境合规与在 CONAMA 和《森林法》下的许可证控制相比。这四个维度，连同农场规模（巴西糖厂甘蔗供应区通常超过 10,000 公顷，而澳大利亚家庭农场为 50-200 公顷）和收获季节长度（巴西中南地区约 11 个月，澳大利亚约 5-6 个月；CANEGROWERS, 2025, UNICA, 2024）的结构性对比，尽管两个行业在绿色收割机械化、基于宿根的循环和高生物量生产力等农学基线上具有共性，但转化为可衡量的不同环境足迹、经济风险特征和生物能源整合规模。认识到这种深层结构对比与表层农学相似性的结合是本综述的分析锚点。

为了整合这些相互作用，我们提出了一个概念框架，将甘蔗农业生态系统中的环境驱动因素、生物地球化学过程和系统级结果联系起来。气候、土壤特性和管理实践调节关键过程，如氮和碳循环、碳稳定和水土养分相互作用，最终决定氮利用效率、温室气体排放、养分损失和土壤碳储存。通过明确将管理实践与潜在过程和环境结果联系起来，该框架为比较生产系统和确定提高农业生态系统表现和可持续性的杠杆点提供了基础。图 1。

甘蔗（*Saccharum* spp.）是热带和亚热带农业中的重要作物之一，全球占地超过 2700 万公顷，为全球生物量生产和可再生能源供应做出了重大贡献（FAO, 2025）。其高产特性，由高效的 C4 光合作用驱动，以及全年提供持续生物量的能力，使甘蔗成为新兴生物经济系统的关键组成部分（Karp 等，2022, Silalertru. 和 Gheewala, 2020）。2023 年，全球甘蔗产量达到约 20.3 亿吨（FAO 2024）。巴西和澳大利亚分别是世界最大的和产量最高的国家生产者之一，也被广泛认为是两个最具经济和环境效率的甘蔗系统，维持着全球最低的单位生产成本和该作物最低的化肥投入强度之一（Otto 等，2020, Otto 等，2021）。这些不同的生产背景说明了甘蔗不仅有助于全球生物能源供应，还有助于不同地区多样的农业生态系统响应和环境结果。

除了传统的制糖作用外，甘蔗已成为综合生物精炼厂的核心原料，支持一代和二代乙醇、生物电力、沼气、生物塑料和其他生物基产品的生产（de Carvalho 等，2023, Shabbirahmed 等，2022, Silalertru. 和 Gheewala, 2020）。这些生产系统产生大量残留物，特别是蔗渣、秸秆和滤泥，既可作为工业原料，也可作为农业生态系统内养分循环的有机投入品。当在田间保留或回收时，这些残留物有助于土壤碳积累、养分循环以及维持土壤生物活性和结构。

这些残留物富含木质纤维素化合物和矿物质养分，支持其在综合生物精炼系统中的使用，用于生物能源生产、养分循环和其他生物基应用（Cardoso 等，2018）。

从农业生态系统的角度来看，甘蔗系统代表了农业生产与环境过程之间的关键界面。维持生物量积累所需的高养分需求，特别是对氮和钾的需求，使这些系统高度依赖高效的养分管理策略（Bordonal 等，2018）。

遗传改良是巴西和澳大利亚甘蔗系统中产量稳定性和资源利用效率的关键驱动力，对养分循环和环境表现有直接影响。在巴西，过去 40 年中糖产量增长的一半归功于遗传进步，胁迫耐受性、氮利用效率和根系构型的进步有助于更高效的养分吸收和减少淋溶（Cursi 等，2022, Takaragawa 等，2022）。在澳大利亚，基因组选择研究与发展进展良好，目前正在商业育种计划中进行评估，能够开发更好地捕捉基因型 - 环境互作并支持在多变条件下更高效资源利用的品种（Yadav 等，2023）。这些遗传进步支撑了系统级表现，并直接影响管理实践如何与环境驱动因素相互作用，这种影响在比较巴西和澳大利亚等不同的生产背景时尤为明显。

因此，将甘蔗不仅作为糖和生物能源作物，而是作为动态农业生态系统进行评估，对于理解管理实践如何调节养分循环、碳动态和相关环境结果至关重要。在此背景下，本综述比较了巴西和澳大利亚的甘蔗生产系统，旨在：(i) 分析可比实践如何影响氮利用效率、土壤碳储存和养分损失；(ii) 确定每个国家使用的管理实践，并评估其转移或完善潜力，以更好地调节养分循环，提高氮利用效率并减少温室气体排放和场外影响；以及 (iii) 评估这些方法跨区域转移和适应的潜力，以支持更可持续和循环的甘蔗系统。通过明确将管理与生物地球化学过程和环境权衡联系起来，本综述提供了一个框架，以提高资源利用效率和长期农业生态系统可持续性。

巴西和澳大利亚代表了具有不同环境特征的互补甘蔗生产模式。在巴西，生物能源整合是提高资源利用效率的主要驱动力：蔗渣发电贡献了全国约 9% 的电力供应，二代乙醇可将乙醇总产量提高多达 50%（Cunha-Zeri 等，2022, Rossi 等，2021）。关于氮（N）损失和温室气体（GHG）排放，当矿物肥料和有机改良剂未与作物需求和土壤水分条件同步时，会存在问题。全球甘蔗的 N?O 排放估计值达到约 2.26 kg N?O-N ha?1 yr?1（排放因子约 1.21%；Yang 等，2021），巴西特定值较低（约 0.7%），但强烈依赖于管理。

在澳大利亚，生产发生在世界遗产大堡礁的流域中，环境敏感性推动了精确养分管理框架的发展。氮利用效率因管理而异，从 0.3 到>5 吨甘蔗/公斤 N 不等，实地证据表明，相对于传统实践减少约 20% 的 N 施用可以维持产量，同时大幅减少活性 N 损失。最近在澳大利亚商业甘蔗系统的田间测量进一步表明，直接 N?O 排放因子（3.4–8.0%）大大超过了 IPCC 一级默认值（1.0%）和澳大利亚政府对甘蔗土壤的默认值（1.25%），突出了在降雨量大、使用矿物肥料的体制下氮管理的区域差距（Westermann 等，2021）。在价格方面，巴西糖市场最近出现了明显波动，CEPEA-ESALQ 指标从 2025 年 5 月初的 R$ 144/50 公斤包下降到 2025 年 7 月底的 R$ 116/包（CEPEA-ESALQ/USP, 2025），说明了种植者利润中的价格暴露成分，这与投入成本压力相互作用。（Connellan 等，2022a, Thorburn 等，2017b）。

尽管来自两个系统的证据越来越多，但仍存在一个关键挑战，即整合跨尺度的知识，从土壤和植物过程到农场和区域管理，以识别同时具有生产力、资源效率和环境友好的策略。目前的方法通常评估孤立的管理实践，如肥料施用、残留物保留或灌溉策略，而没有全面检查这些实践如何在系统层面与土壤特性、气候条件和养分循环过程相互作用。此外，大多数研究专注于单一国家生产系统，限制了对不同农学和环境影响因素如何影响甘蔗农业生态系统中生产力、养分利用效率和环境结果之间平衡的广泛理解（Bordonal 等，2018, Soltangheisi 等，2019, Thorburn 等，2017a）。

本综述通过比较巴西和澳大利亚甘蔗生产的农学、生物地球化学和监管维度来解决这一差距，旨在：(i) 分析不同的管理实践如何影响氮利用效率、土壤碳储存和养分损失；(ii) 确定增强养分循环同时尽量减少温室气体排放和场外影响的策略；以及 (iii) 评估农学和养分管理方法跨区域转移的潜力，包括其农学、环境和经济可行性，以支持更可持续和循环的甘蔗系统。

章节摘要

气候 - 土壤相互作用及其在养分循环和系统韧性中的作用
在巴西，甘蔗生产集中在中南地区，深层、富含黏土的红土和季节性干湿气候支持机械化作业、延长的宿根寿命和雨养系统（Arcoverde 等，2023, da Silva 等，2021, Zheng 等，2022）。然而，最近向塞拉多前线的扩张将甘蔗引入了沙质、养分贫乏的土壤，这些土壤通常是从退化牧场转换而来的。土壤质地和肥力的类似对比也发生在...

农业生态系统功能调节和环境结果
高效的养分循环是调节农业生态系统功能的基本过程，特别是在甘蔗等产生大量生物量并保持连续宿根循环的多年生作物中。通过残留物分解、绿肥和针对性残留物管理将养分归还土壤，驱动了关键的生物地球化学过程，影响养分可用性、土壤有机质动态和微生物活动。这些过程直接影响...

氮利用效率：控制、权衡及其在甘蔗系统中的环境含义
氮利用效率 (NUE) 代表了甘蔗农业生态系统中的一个核心挑战，反映了作物氮需求、土壤氮转化和环境损失之间的平衡（Bell 等，2014, Otto 等，2013）。尽管甘蔗需要高氮，但施用氮的回收率往往较低，表明氮循环途径存在相当大的低效（图 3）。这些低效导致通过硝酸盐淋溶、氨...的氮损失。

有机残留物作为碳、氮和磷动态的控制因素
糖 - 乙醇工业产生的有机残留物，特别是废糖蜜、滤泥/糖厂泥 (FC/MM) 和蔗渣，构成了一类独特的养分和碳投入品，将工业加工与土壤功能直接联系起来。与作物衍生的残留物（如秸秆或绿肥，在第 3 节中讨论）不同，农业工业副产品是在糖厂规模上生产、转化和重新分配的，其农学有效性，以及关键风险和...

环境权衡与系统级养分和碳动态控制
甘蔗农业生态系统的特点在于生产力与环境结果之间存在固有权衡，特别是与氮 (N) 管理和残留物使用有关。增加生物量生产和土壤肥力的实践，如高 N 投入或有机残留物施用，增强了养分可用性和 C 投入，但也增加了通过挥发、淋溶和 N?O 排放损失 N 的风险。

相反，旨在减少交叉学习机会的策略。可转移的策略：改善养分循环和环境绩效巴西的主要可转移优势在于其循环养分系统的大规模和整合性（图4）。利用蔗渣液进行大面积追肥灌溉、系统回收过滤饼和糖厂泥渣，以及将能源生产与残渣管理相结合，展示了有机投入品如何在广阔的生产区域中重新分配，同时减少对矿物肥料的依赖。这些实践增强了碳输入和内部养分循环，但依赖于有效的协调。综合与未来方向：改善甘蔗系统中养分利用效率和环境绩效的综述本综述表明，甘蔗农业生态系统中的氮利用效率和土壤碳动态并非由单一措施单独决定，而是由养分输入、土壤特性、残渣管理和水文过程之间的相互作用所决定。对巴西和澳大利亚的比较分析揭示了通向更可持续生产的两条截然不同但互补的路径：一条建立在有机残渣回收的规模和整合之上，另一条……资助本研究由圣保罗研究基金会（FAPESP；项目号 2020/03271–9；2022/08391–8 和 2025/20439–4）支持，包括一个BEPE奖学金（项目号 2024/17232–6），用于支持与国际昆士兰大学的合作，以及国家科学和技术委员会（CNPq，资助号 311203/2021-3）支持。本文的发表处理费（APC）由高等教育人员改善协调委员会——CAPES资助。ORCRediT作者贡献声明：Juan Ricardo Rocha：撰写——初稿，监督，项目管理，调查研究，数据整理，概念构思。Nicole Robinson：撰写——审阅与编辑，验证，监督，数据整理。Dalila Lopes da Silva：撰写——审阅与编辑，可视化。Kristopher Woodrow-Smith：验证，数据整理。Prakash Lakshmanan：撰写——审阅与编辑，验证，监督，数据整理。Cassio Hamilton Abreu-Junior：撰写——审阅与编辑，可视化。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢：作者感谢农业核能研究中心与昆士兰大学之间的合作，以及GENFERTI-CENA/USP研究小组、作物与肥料农业生态小组（UQ）和FAPESP农业碳研究研究中心（CCarbon，ESALQ/USP，资助号 2021/10573-4）的支持。感谢高等教育人员改善协调委员会——CAPES和圣保罗研究基金会——FAPESP的资助。Juan Ricardo Rocha | Nicole Robinson | Dalila Lopes da Silva | Kristopher Woodrow-Smith | Prakash Lakshmanan | Cassio Hamilton Abreu-Junior | Susanne Schmidt