番茄-绿豆轮作系统在常规与替代养分管理下的碳足迹、能量动态与生态效率评价

《Nitrogen》：Carbon Footprint, Energy Dynamics, and Eco-Efficiency of Tomato–Green Gram Cropping System Under Conventional and Alternative Nutrient Regimes

　　

农业是温室气体排放和能源消耗的主要贡献者之一，这主要源于合成化学品的密集使用，对环境、土壤和人类福祉构成了严重威胁。这一问题在泰米尔纳德邦的番茄种植区尤为突出，因为当地广泛采用高投入的耕作方式。因此，确定可持续的养分管理策略对于发展气候适应性强和资源高效的生产系统至关重要，这与可持续发展目标（SDG 2、SDG 7、SDG 12和SDG 13）相一致。研究人员在番茄-绿豆轮作系统中进行了一项田间研究，评估了四种养分管理（NM）制度，即综合养分管理（INM）、常规养分管理（CNM）、有机养分管理（ONM）和农户实践（FNM）。结果表明，ONM系统记录了最高的系统生产力（26.4 t ha-1）、能量产出（200,110 MJ ha-1）、能量生产率（0.99 kg MJ-1）、能量盈利性（8.94）、不可再生能源利用效率（18.8）和收益成本比（4.28），而INM则与相对较高的一氧化二氮（N2O）排放相关。总能量的主要贡献者是肥料（38.7%）。INM和CNM系统的碳足迹最高（0.10 kg CO2e per kg），而ONM系统的最低。与其他制度相比，ONM系统在能源利用（INR 20.1 MJ-1和INR 226 per kg CO2e）方面的生态效率显著提高。此外，与INM相比，ONM提高了碳效率（80%）和碳可持续性指数（94%）。总体而言，研究结果表明，ONM是一种可行、生态高效且气候智能型的实践，能够提高生产力和盈利能力，改善能源效率，并减少蔬菜-豆类系统中的碳足迹。

研究背景与问题

全球农业正面临严峻挑战：一方面需在2050年前增产60-70%以满足不断增长的人口需求，另一方面农业本身已贡献全球13-21%的温室气体排放（每年超过160亿吨二氧化碳当量）。传统的高投入、高能耗耕作模式虽然短期内提升了产量，却导致土壤健康退化、环境质量下降，并与多项联合国可持续发展目标（如SDG 2零饥饿、SDG 7清洁能源、SDG 12负责任消费与生产和SDG 13气候行动）产生冲突。在印度泰米尔纳德邦的番茄主产区，这一矛盾尤为尖锐。然而，针对半干旱热带地区露地番茄-绿豆轮作系统的能量、经济与环境综合评价研究仍十分匮乏。因此，识别一种既能维持生产力又能降低环境影响的可持续养分管理策略成为当务之急。

研究方法

研究人员于2024年在印度高韦里三角洲地区的农田中开展田间试验。试验采用随机完全区组设计（RBD），设置四个处理（综合养分管理INM、常规养分管理CNM、有机养分管理ONM、农户实践FNM），重复五次。研究通过能量核算（依据标准能量系数计算各项输入输出的能量值）、碳排放核算（基于排放因子估算CO₂和N₂O排放量）、经济收益分析以及主成分分析（PCA）等关键技术方法，对番茄-绿豆轮作系统进行了系统评估。

研究结果

3.1 作物产量与系统生产力

不同养分管理制度对番茄和绿豆产量及系统生产力产生了显著影响（p < 0.005）。ONM处理的番茄产量较CNM提高37.8%，绿豆产量较其他处理平均高出73.1%。ONM的系统生产力最高（26.4 t ha^-1），其次依次为INM、FNM和CNM。

3.2 经济效益分析

ONM的种植成本最高（123,100 INR ha^-1），但其毛收入和净收入分别达到CNM的3.1倍和2.6倍。ONM的收益成本比（B:C ratio）最高（4.28），而CNM最低（2.85）。

3.3 能量预算

ONM的总能量消耗最低（20,135 MJ ha^-1），但能量产出最高（200,110 MJ ha^-1）。肥料/粪肥是最大的能量输入项（占38.7%），其次是灌溉用电（25.6%）和劳动力（16.4%）。ONM的能量利用效率比（EUE）最高（9.94），显著高于INM（6.63）、CNM（6.82）和FNM（6.23）。

3.4 能量指标

ONM在能量生产率（0.99 kg MJ^-1）、能量盈利性（8.94）和不可再生能源利用效率（18.8）方面均表现最优。FNM则显示出最高的物理能量强度（1.16 MJ kg^-1）和比能量（1.61 MJ kg^-1）。

3.5 碳预算

CNM的碳输入最高（1,683 kg CO₂e ha^-1），而ONM最低（999 kg CO₂e ha^-1）。相反，ONM的碳输出最高（12,648 kg CO₂e ha^-1）。ONM的碳效率（12.7）和碳可持续性指数（CSI）（11.7）均为最高，较INM分别提升80%和94%。

3.6 碳足迹与生态效率

INM的N₂O排放量最高（825 kg CO₂e ha^-1），而CNM的CO₂排放量最高（1,683 kg ha^-1）。ONM的单位产量碳足迹（CF）最低（0.068 kg CO₂e kg^-1）。在生态效率方面，ONM的能量生态效率（EEE-E）和温室气体生态效率（EEI-GWP）分别较CNM高出218%和241%。

3.7 主成分分析

PCA结果显示，前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了96.0%的总方差。PC1（80.7%）主要由CO₂排放、碳足迹、生态效率和经济效益等变量驱动；PC2（15.3%）则由N₂O排放、全球变暖潜势（GWP）和能量强度等指标主导。得分图清晰地将ONM与其他处理区分开来，表明其具有独特的能量和环境特征。

讨论与结论

讨论部分指出，ONM之所以在多项指标上表现优异，关键在于其摒弃了合成化肥，转而依赖有机物料（如农家肥、蚯蚓堆肥、绿肥等）缓慢释放养分，从而改善了土壤质量并维持了持续的生物活性。尽管ONM的种植成本最高，但其更高的产量和产品品质带来了显著的经济回报，并且能量利用效率与经济效益之间存在强正相关（r = 0.98）。值得注意的是，ONM在降低CO₂排放方面优势明显，但其N₂O排放量却仅次于INM，这揭示了有机管理在气候变化缓解中存在的真实权衡——CO₂减排与N₂O增排之间的矛盾。研究人员认为，这种权衡源于有机物料矿化速度慢、碳氮比高，限制了无机氮的即时有效性，从而抑制了硝化和反硝化过程，但较高的总氮输入量仍导致了可观的N₂O排放。此外，研究还发现电力消耗（37.1%）和肥料使用（25.9%）是碳排放的主要驱动因素。

研究结论翻译

本研究比较了在高韦里三角洲地区一个生长季内，农民实际采用的四种养分管理系统（INM、ONM、FNM和CNM）在番茄-绿豆轮作系统中的表现。研究人员评估了能量利用、碳预算、经济和生态效率，发现养分管理的选择对所有指标均有显著影响。在所测试的条件下，ONM在生产效率、能量生态效率和单位产量碳足迹方面表现领先。它消耗更少的能量却产出更多，从而实现了更好的能量利用效率和更高的净能量收益。这主要是因为ONM对外部不可再生能源的依赖较小，更多地循环利用了农场内部的有机资源，符合循环经济原则。ONM还是四个系统中CO₂排放最低的，并提高了盈利能力，这为SDG 7、SDG 12和SDG 13提供了初步支持。然而，情况并非完全明朗。ONM的N₂O排放量仅次于INM，位居第二，因此其气候效益涉及CO₂节约与N₂O损失之间的真实权衡。由于这些结果来自单一地点、单一轮作系统和单一生长季，需要进行更长周期、多地点的研究来解决这一权衡问题，之后才能有信心地将有机养分管理推荐用于气候适应性农业。