保护性农业与精准农业协同提升能源效率与碳平衡的方法学途径——以传统农业为对照

《Frontiers in Agronomy》：Improving energy efficiency and carbon balance through conservation and precision agriculture with respect to conventional agriculture: a methodological approach

　　

摘要：
引言：保护性农业（Conservation Agriculture, CA）基于三项核心原则，在农场尺度上意味着通过耕作尽量减少土壤扰动，利用残留物维持永久土壤覆盖，并使作物轮作中的物种多样化。精准农业（Precision Agriculture, PA）通过减少机器通行之间的重叠，实现投入品的更高效利用。两者的结合有助于构建更具可持续性的农业系统。
方法：开展了一项为期四个生长季的研究，以评估CA与PA联合系统的能源消耗和碳平衡。将免耕（No-tillage, NT）配合残留物保留及拖拉机导航辅助（Guidance Assistance, GA）与常规耕作（Conventional Tillage, CT）在三种一年生作物（小麦、向日葵和豆类）中进行了比较。为分析所得数据，研究人员开发了一种简便的方法学途径，以简化能源和碳平衡计算。
结果：两种系统在产量上没有显著差异。NT结合GA使燃料消耗降低约50%，且所研究的能源参数较CT有所改善。在作物间，相对于CT的能源效率排序为：向日葵＞小麦＞豆类。在碳利用效率和碳利用生产力方面也观察到类似模式。
结论：结果表明，联合使用CA和PA技术（如免耕土壤管理下的拖拉机导航辅助）具有适用性。

保护性农业与精准农业结合提升能源效率与碳平衡的研究解读

安达卢西亚是西班牙南部一个以农业为主的地区，其农业面积占全国21%，雨养草本作物超过88.8万公顷，农业在该地区经济中占比超过6%，农业就业占总就业近9%。农业活动具有相应的碳足迹，该地区农业排放占分散部门（交通、农业和废弃物）总排放的29.2%。常规耕作（Conventional Tillage, CT）系统由于依赖大量耕作作业，燃料消耗较高，并常因土壤有机碳氧化和自然肥力下降而降低肥料利用效率。保护性农业（Conservation Agriculture, CA）基于最小土壤扰动、永久土壤覆盖和作物轮作三项原则，已被证明能带来显著环境效益；精准农业（Precision Agriculture, PA）通过减少机械通行重叠实现投入品更高效利用。然而，关于CA与PA联合使用对不同作物能源消耗和相关排放影响的研究仍很有限。因此，本研究旨在开发一种简便的能源和碳平衡计算法，评估免耕（No-tillage, NT）配合拖拉机导航辅助（Guidance Assistance, GA）相对于CT在作物产量、能源效率、能源生产力及碳平衡方面的改善潜力。

研究人员在西班牙南部安达卢西亚的3个典型雨养农田（Córdoba、Carmona和Las Cabezas de San Juan）开展了为期4个生长季（2009/10-2012/13）的田间试验，共监测90公顷土地。试验采用当地典型轮作（谷物-向日葵-豆类），每种作物10公顷，每个处理小区5公顷，共6个独立处理组合。三台农用拖拉机分别安装了电位计、GPS和燃油流量计，通过远程数据采集系统每2秒记录一次作业参数，并利用“Reporter Life”软件计算平均速度、油耗、理论/实际工作能力及重叠率。能量分析借鉴国际高级研究所联合会（IFIAS）方法，区分直接能源（燃油，按36.8 MJ l^-1折算）和间接能源（机械制造维护、种子、肥料、植保产品），排放量根据能耗乘以相应排放因子获得。统计分析采用裂-裂区设计，以农场为主区、作物为副区、土壤管理系统为副副区，年份作为重复，并用Tukey检验进行多重比较。

3.1 收获（Harvest）
四个生长季的气象条件波动极大，前两年非常湿润（年降水接近1000 mm），第三年极干（不足300 mm），第四年又异常多雨，导致平均产量低于区域10年平均值。小麦产量最高，NT&GA下四年平均为2.39 Mg ha^-1，CT下为2.24 Mg ha^-1；向日葵和豆类产量相近（NT&GA下分别为1.08和1.06 Mg ha^-1，CT下为1.10和1.08 Mg ha^-1）。统计上所有作物在两种土壤管理系统间的产量均无显著差异，表明在雨养地中海条件下NT能够维持与传统耕作相当的产量。

3.2 燃料消耗（Fuel consumption）
CT中主要耕作作业（如铧式犁）油耗最高，NT系统中喷药作业频率较高，但CT额外执行了136次耕作作业。NT&GA消除了这些作业，使燃料消耗显著下降。方差分析显示，所有作物在NT&GA下油耗均显著低于CT，豆类降低55.7%，向日葵降低52.9%，小麦降低51.6%，总体平均降低约53%，与西班牙其他研究结果一致。

3.3 能耗与能量生产（Consumptions and energy productions）
直接能源消耗在NT&GA下显著低于CT；间接能源中机械维护能耗降低约50%，种子和肥料能耗虽无显著差异但呈下降趋势，而植物保护产品能耗在NT&GA下因除草剂使用增加而显著升高。总能耗方面，NT&GA使小麦降低12.0%，向日葵降低26.3%，豆类降低18.4%。能量产出因产量无差异而无显著差别。向日葵的能源效率（Energy Efficiency, EE）和能源生产力（Energy Productivity, EP）最高，且NT&GA显著优于CT（EE提高33.5%，EP提高34.5%）；小麦和豆类的EE和EP也有提高（小麦分别提高21.3%和27.3%，豆类提高15.6%和23.5%），但未达显著。

3.4 碳平衡与指标（Carbon balance and indicators）
碳排放格局与能耗一致，NT&GA显著降低了所有作物的温室气体排放，向日葵降低26.4%，豆类降低18.4%，小麦降低12.0%。碳利用效率（Carbon Use Efficiency, CAUE）和碳利用生产力（Carbon Use Productivity, CUP）在向日葵上显著提高约34%，小麦和豆类分别提高约21%和20%但未达显著。该碳平衡未包括土壤固碳和土壤呼吸，仅考虑作业和投入品相关的直接与间接排放。

讨论与结论：研究人员强调，能源相关参数与碳排放参数高度一致，因为碳排放由能耗计算而来。作物类型强烈影响所有变量，土壤管理系统影响能耗而不影响产量，试验田和年份亦有影响。因此，在能源平衡研究中不能只看能耗，还要考察能源生产力（EP），碳足迹也应结合面积和单位产品排放评估。研究结论如下：远程监测系统被证明是有效工具，能准确刻画田间作业并评估管理实践。在西班牙南部雨养条件下，NT结合GA维持了作物产量和能量产出，证实了其农艺和生产可行性。此外，简单方法学被证明是一种高效直接的方法，可基于真实数据提供可靠结果且可复现。在选择节能增效策略时，需要区分并针对目标作物进行调整。在本研究中，小麦栽培的节能主要得益于导航辅助带来的施肥量减少；向日葵和豆类的节能主要来自免耕系统下取消耕作，使油耗降低超过50%。在能源平衡研究中，必须考虑能源效率，尤其是能源生产力。如果只关注能源消耗，可能导致不完整结论。在能源可及的情况下，农民预期会按需使用能源；因此，在制定技术培训项目时，应了解能源在何处投入最能获得生产回报，即评估各作物在不同土壤管理系统下的EP。同样，碳足迹不应仅以单位面积表示，还应以CUP表示，即考虑每公斤CO₂排放对应的产量。小麦消耗和生产了最多的能源，碳足迹最高；向日葵是能源和碳利用效率最高的作物，其EE和EP为豆类的两倍、小麦的三倍。在碳平衡方面，NT&GA减少了12%–26%的排放，CAUE和CUP比传统耕作提高15%–35%。能源消耗和温室气体排放不仅受作物和管理系统影响，还受试验田和年份影响，因为气象变化要求农民调整农事实践。