英格兰集约化农场CO2等效能源利用特征与氮素管理对低碳农业转型的潜力支撑

《Food and Energy Security》：CO2 Equivalent Energy Use Profiles on Intensive Farms Across England and the Potential for Nitrogen Management to Support the Transition to Reduced Carbon Agriculture

　　

能源利用与气候变化是包括农业在内的多个部门的关键关切，这凸显了利用CO2等效值分析能源特征的必要性。为量化英格兰不同农场系统的直接与间接能源利用及其减排潜力，本研究通过数据集成与过程建模评估了两种情景。所述情景包括基准情景（business-as-usual）和改进氮素管理（improved nitrogen management）情景，后者以最大水平实施了一系列选定的农场最佳管理措施。在全国尺度上，经建模的代表性稳健农场类型（robust farm types）的年均农场能源利用估算值为：奶牛场1002 kg CO2 eq. ha-1，谷物农场772 kg CO2 eq. ha-1，混合农场665 kg CO2 eq. ha-1，一般大田作物农场657 kg CO2 eq. ha-1，低地放牧牲畜农场401 kg CO2 eq. ha-1。在氮素管理情景下，各农场类型的效益变化幅度介于8.8%至13.0%之间。以约159英镑 ha-1 yr-1的成本，还可实现富营养化潜势（eutrophication potential）和酸化潜势（acidification potential）的显著降低。能源利用特征分析揭示了与传统肥料生产和施用相关的隐含排放的重要性；其占比在无牲畜的农场类型中最高（39%至47%），而在有牲畜的农场类型中较低（约30%）。氮素管理情景使与肥料隐含排放相关的间接能源利用降低了16%至40%。研究讨论了进一步解决能源利用特征中这一组分的空间，包括利用可再生能源生产绿色氨肥（green ammonia fertilisers），但其技术可行性与经济影响的全面分析仍有待开展。

研究背景与科学问题

现代农业高度依赖机械化作业与集约化管理，这在极大提升生产力的同时，也导致了化石能源与农用化学品消耗的急剧增加，进而引发全球生态系统层面的负面效应。据估算，21世纪初全球农业直接与间接能源利用总量约为17 EJ，其中直接能源利用占9 EJ。尽管已有研究对不同耕作体系及土地管理实践的直接能源利用进行了比较，例如有机农业与传统农业的对比，但现有工作多聚焦于单一产品或局部尺度，缺乏从国家层面对农场综合能源利用（涵盖直接与间接两部分）进行系统性评估的研究。尤其是在英国设定净零排放目标的背景下，农业作为贡献约12%温室气体（GHG）排放的部门，其脱碳进程面临严峻挑战。因此，亟需重新审视英格兰地区农场的直接与间接能源利用现状及其减排潜力，以支持向低碳农业的有序转型。

研究内容与核心发现

针对上述问题，研究人员采用集成的流域系统模型（Catchment Systems Model，CSM），对英格兰全国范围内基于代表性稳健农场类型（Robust Farm Types，RFT）的农场能源利用（以CO₂等效计）及其减排潜力进行了量化评估。研究设定了两种情景：一是维持现有最佳管理措施及其采纳水平的基准情景（Business-as-Usual，BAU）；二是在BAU基础上，假设与氮循环相关的68项措施达到100%完全实施的改进氮素管理情景（N management）。主要结论如下：

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  在BAU情景下，全国尺度的年均农场能源利用呈现显著的农场类型差异：奶牛场最高，达1002 kg CO₂ eq. ha^-1；其次为谷物农场（772 kg CO₂ eq. ha^-1）、混合农场（665 kg CO₂ eq. ha^-1）和一般大田作物农场（657 kg CO₂ eq. ha^-1）；低地放牧牲畜农场最低，为401 kg CO₂ eq. ha^-1。此外，家禽和生猪等专业化农场虽占地面积有限，但单位面积能耗极高，超过2000 kg CO₂ eq. ha^-1。
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  能源利用特征剖析显示，与化肥生产和使用相关的间接（隐含）排放是绝大多数农场类型的主要能源利用来源。对于无牲畜的农场类型（如谷物、一般大田作物农场），该部分贡献占比高达39%至47%；而对于有牲畜的农场类型，该比例则降至约30%。在奶牛场中，牲畜管理环节（如饲喂、挤奶、圈舍清洁）的能源利用占比最高，达38%，甚至超过了化肥隐含能源的贡献。
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  当前BAU情景下的最佳管理措施仅带来了极为有限的减排效果（全国平均约4%），表明现有措施的实施力度远不足以推动农业深度脱碳。
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  相比之下，改进氮素管理情景展现出更大的减排潜力。在该情景下，全国农场能源利用的CO₂等效足迹预计可较BAU再降低约11%（各农场类型降幅范围为8.8%至13.0%）。其中，化肥隐含能源利用的降幅尤为显著，奶牛场和低地放牧牲畜农场可达约40%，而谷物农场则为16%。
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  除了能源利用的直接减排，改进氮素管理还带来了显著的环境协同效益。该情景可使富营养化潜势（Eutrophication Potential，EP）降低约15%（范围12%至19%），酸化潜势（Acidification Potential，AP）降低约14%（范围8%至18%），体现了气候智慧型农业与水环境智慧型农业的协同效应。
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  在经济成本方面，实施改进氮素管理的年化中位成本约为159英镑 ha^-1，是现有BAU情景下管理成本的三倍左右。这一成本水平相当于近年来农场净收入的一定比例，凸显了政策激励与补偿机制的重要性。

关键技术方法

为开展此项研究，研究人员采用了以下核心技术方法：

1. 1.
   集成过程模型框架：应用流域系统模型（CSM），该模型整合了土地利用、养分管理、作物生长及排放计算等多个模块，能够模拟农场尺度的水、气污染物排放及能源利用。
2. 2.
   代表性农场构建与参数化：基于2021年六月农业调查（June Agriculture Survey，JAS）的最新数据，结合土壤排水状况、年降雨量（来自HADUK-Grid数据集）以及硝酸盐脆弱区（NVZ）划定等空间数据，为英格兰89个水管理集水区（Water Management Catchments，WMCs）构建了具有代表性的稳健农场类型（RFT）。
3. 3.
   能源利用核算方法：直接能源利用基于Cormack和Metcalfe的方法，通过分配特定马力拖拉机的燃油消耗率并结合政府推荐的温室气体转换因子（柴油2.51 kg CO₂ eq./升，电力0.212 kg CO₂ eq./千瓦时）进行计算。间接能源利用则基于欧洲最新的肥料生产排放强度数据（如硝酸铵为3.28 kg CO₂ eq./kg N）估算化肥和植保产品（PPPs）的隐含排放。
4. 4.
   生命周期影响评估（LCA）：采用中点影响指标，包括100年全球增温潜势（GWP₁₀₀）、酸化潜势（AP）和富营养化潜势（EP），以评估不同管理情景的潜在权衡与协同效益。
5. 5.
   经济成本分析：基于2018至2022年的五年平均物料与劳动力成本，采用Gooday等人的方法估算各项措施的边际成本。

研究结果分述

3.1 BAU情景下的农场尺度CO₂等效能源足迹

通过模型计算，研究人员发现不同农场类型的年均单位面积能源利用差异巨大。奶牛场最高（979 kg CO₂ eq ha^-1），其次是谷物农场（750 kg CO₂ eq ha^-1）和混合农场（644 kg CO₂ eq ha^-1），而低地放牧牲畜农场则低于400 kg CO₂ eq ha^-1。进一步分析各类活动的贡献后发现，化肥的隐含能源在所有农场类型中占据主导地位，但在奶牛场中，牲畜管理环节的能源消耗占比更高。

3.2 农场尺度CO₂等效能源足迹的减排潜力

研究表明，BAU情景下的现有措施仅带来不足5%的微弱减排。而在氮素管理情景下，所有农场类型的能源利用均有望实现更显著的降低，平均降幅在8.8%至13.0%之间。其中，化肥隐含能源的减排贡献最为突出，降幅从谷物农场的16%到奶牛场的40%不等。

3.3 全国尺度CO₂等效能源足迹及其减排潜力

在全国尺度上，各水管理集水区的年均单位面积能源利用从略高于400 kg CO₂ eq. ha^-1到超过800 kg CO₂ eq. ha^-1不等，高值区主要集中在集约化种植业或奶牛养殖集中区域。从总贡献来看，谷物农场贡献了全国总能源利用的43%，是最主要的贡献者。氮素管理情景在全国尺度上预计可实现约11%的总减排量。

3.4 气候智慧型与水环境智慧型农业的协同效益

研究发现，氮素管理情景在降低能源利用的同时，还能有效减少GWP₁₀₀、EP和AP。具体而言，EP的降幅在低地放牧牲畜农场的12%到奶牛场的19%之间，AP的降幅则在8%到18%之间，显示出良好的环境协同效应。

3.5 减排情景的经济成本

研究人员估算了实施氮素管理情景的经济成本。结果显示，全国范围的年化中位成本为159英镑 ha^-1，是现有BAU管理成本的约三倍，相当于近年来农场净收入的相当比例，这强调了政策支持的必要性。

3.6 更广泛的背景讨论

研究指出，仅靠改进氮素管理无法弥合农场能源利用相关的温室气体排放差距。要实现农业净零排放，必须同时推进从化石燃料向可再生能源的转型，例如利用可再生电力生产绿色氨肥（green ammonia），以从根本上降低化肥的隐含碳排放。

3.7 研究的局限性

研究人员坦诚地指出了本研究的局限性，包括缺乏猪、禽等专业化农场及保护地园艺作物的可靠数据，未考虑饲料购买和粪肥运输的间接能源，以及未对措施组合进行优化。此外，由于缺乏输入数据的概率分布参数，全面的不确定性分析尚不可行，但针对氮肥施用量进行的蒙特卡洛模拟表明，由此引起的能源利用变化范围小于50 kg CO₂ eq ha^-1。

讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员强调，应对气候变化需要多部门的协同转型，而农业一直是脱碳的难点领域。研究结果表明，基于当前最佳管理实践的改进氮素管理情景无法单独填补农场能源利用相关的温室气体排放缺口，这对英国的“土地利用实现净零”（Land Use for Net Zero，LUNZ）政策具有重要启示。研究人员认为，农业实现净零需要将化石燃料转向可再生能源利用，并与改善温室气体管理相结合。其中，利用可再生能源生产绿色氨肥作为零碳能源载体，有望显著降低传统哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺带来的高碳排放，从而削减研究中揭示的化肥隐含排放这一重要组成部分。然而，绿色氨肥在英国农业中的推广仍面临技术成熟度与经济可行性方面的挑战，其最终采纳还将取决于农民的社会人口学特征和对气候与技术采纳风险的认知。

研究结论：气候智慧型与低碳农业现已被公认为一种将适应和减缓策略与粮食生产相结合的综合方法。这一转变有潜力帮助农民在能源利用及更广泛的环境改善（包括水资源和生物多样性）方面实现多重有益成果。该研究展示了BAU情景在为英格兰农场能源利用相关的CO₂等效足迹减缓方面所带来的效益十分有限。虽然氮素管理情景指明了可能实现的改进幅度，但考虑多种转型路径的组合，特别是那些能够持续改善农场能源利用隐含排放特征的路径，将至关重要。未来的研究将受益于不同农场类型实际能源利用的详细数据，尤其是那些公开数据有限但能源利用强度高的专业化农场（如猪、禽）。此外，未来研究还需捕捉由法规、激励措施和建议驱动的不断变化的最佳管理干预措施的采纳情况，以及上游生产中隐含排放减少方面的任何突破，例如绿色氨肥的出现和减少田间排放的技术。探索新兴低碳能源（如绿色氨肥）在当前能源密集型农业部门中采纳所面临的技术、生态和经济挑战与机遇，对于确保集约化农业可持续性和韧性的持续改善仍然至关重要。